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Intelligente Qualitätssicherung

Wie aktuelle Innovationen die Entwicklung, Praxisreife, Integration und Amortisierung von Vision-Systemen beschleunigen
Intelligente Qualitätssicherung

Für die Endkunden sind die schnelle Praxisreife und kürzestmögliche Integrationszeiten ausschlaggebend, wenn es um den Einsatz ihrer neuen IBV-Lösung geht. Die Basis dafür sind Komponenten und Systeme mit kreativen Lösungsansätzen, die produktiv und ohne Umwege oder Zeitverluste zum Ziel führen. Die Anbieter von IBV-Komponenten reagieren darauf mit vielfältigen innovativen Produkten, Lösungen und Dienstleistungen, die mit permanent forcierter technischer Intelligenz die Umsetzung und Integration beschleunigen, wie Auszüge aus dem Produkt-Portfolio des Stuttgarter Distributors MaxxVision zeigen.

Jochen Ehlert, Maxxvision, Stuttgart

Neueste Systeme der industriellen Bildverarbeitung (IBV) ermöglichen erstmals 100-prozentige Qualitätskontrollen. Sie sind damit unverzichtbarer Bestandteil moderner Automatisierungstechnik geworden. In Sachen Intelligenz stehen sie diesem Bereich sowieso in nichts mehr nach. Denn nur dadurch sind sie so schnell und leicht integrierbar und praxistauglich wie auch letztendlich erfolgreich geworden.
Kameraketten möglich
Über entsprechende Features verfügen die neuesten Sony-Kameras mit IEEE 1394b Interface. Mit ihrer unkomplizierten sog. Multi Connection Capability lassen sich in kürzester Zeit ohne viel Aufwand ganze Ketten von Kameras aneinander hängen. Jede Kamera verfügt zu dem Zweck über jeweils zwei IEEE-1394b-Anschlüsse, über die mehrere Kameras für sog. Daisy-Chain-Anwendungen miteinander verbunden werden können. Dies erleichtert die Integration sowie Synchronisation der Kameras um ein vielfaches. Zudem sich IEEE-1394 auch als solide, echtzeitfähige Kameraschnittstelle bewährt hat. Denn über die höhere Geschwindigkeit des IEEE-1394b Standards können die heute schnelleren und höher auflösenden Kameras eingesetzt werden. Die neue XCD-Kameraserie mit sechs leistungsstarken Kameras ist mit 1/3“ und 1/1.8“ Sony CCD Bildsensoren ausgestattet, bietet verschiedene Auflösungen von VGA (640×480) bis UXGA(1600×1400) und unterstützt gleichzeitig den neuen Übertragungsstandard IEEE-1394b, durch den Übertragungsraten von bis zu 800Mb/s realisiert werden. Neben hohen Auflösungen und schneller Übertragungsrate bieten die neuen S/W- sowie Farbmodelle vor allem konstant hohe Frameraten von bis zu 60 fps im Triggermodus. Die XCD-SX90/CR bringt es als einzige Kamera auf dem Markt auf eine Framerate von 30 fps, und das bei einer hohen Auflösung von SXGA(1280×960). Mit 33 x 44 x 57.5 mm sind die neuen IEEE-1394b Kameras außerdem die kleinsten ihrer Art und entsprechend leicht integrierbar.
Leicht zu integrieren
Daisy-Chain-tauglich ist auch die neue G-Cam-Serie von MaxxVision, die bereits bei der Konzipierung der Kameraserie auf größtmögliche Integrationsfähigkeit ausgelegt worden ist. Um eine genaue Abstimmung der Kameras untereinander zu erzielen, kann der Datenfluss verschiedener Pakete mittels Interpacket Delay zeitgenau parametrisiert werden. Die GigE Vision Kameras, die auf dem GigE Vision- und GeniCam-Protokoll basieren und keinen zusätzlichen Framegrabber erfordern, sind herstellerübergreifend austauschbar und lassen sich per Ethernet leicht integrieren. Da Ethernet in vielen Industrieanlagen bereits vorhanden ist, spart der Anwender zudem Kosten beim Einsatz einer entsprechenden IBV-Lösung, auch und gerade bei mittleren bis hohen Datenraten. Ein weiterer Praxis-Vorteil sind die jetzt möglich gewordenen enormen Kabellängen. Geht es um erforderliche Ausmaße von bis zu 100 Metern oder um Applikationen, in denen mehrere Kameras zum Einsatz kommen sollen, ist Gigabit-Ethernet die Schnittstelle der Wahl. Der relativ neue Standard ist aus der industriellen Bildverarbeitung schon nicht mehr wegzudenken, vor allem weil er aufgrund der kostengünstigen Komponenten wie Steckkarten und Kabel wirtschaftliche Lösungen ermöglicht und derzeit am besten geeignet ist, eine breite Schneise in die vor Ort noch großflächig existierenden Analogtechnikstrukturen zu schlagen.
Minimaler Aufwand
Auch praktisch bei der G-Cam-Serie: Zur Systemintegration und Kamerakonfiguration werden entsprechende Softwaretools inklusive Filter-Treiber, SDK und GigE Vision Bedienoberfläche mitgeliefert. Ein besonderes Highlight ist hierbei das frei verfügbare GigE Vision-Open Source SDK inklusive Filtertreiber – ein SDK, das durch seine übersichtliche Bedienungsumgebung den Aufwand zur Installation und Ansteuerung der Kameras auf ein Minimum reduziert. Die Kameras sind mit CCD- und CMOS-Sensoren ausgestattet und bieten Auflösungen von VGA (640×480) bis hin zu UXGA (1628×1236). Aufgrund der Verwendung der Progressive-Scan-Technologie lassen sich Anwendungen realisieren, bei denen auch schnell bewegliche Objekte extrem scharf dargestellt werden. Kompakte Abmessungen der Farb- und S/W Modelle von 107.3 x 54.4 x 40.0 mm ermöglichen den Einsatz bei nahezu allen Platzverhältnissen.
Hohe Triggergenauigkeit
600-MHz-Prozessoren sorgen bei den neuen MaxxVision-Kameras für hohe Leistungsfähigkeit. Der Bildspeicher ist mit 64MB ebenfalls sehr großzügig ausgelegt und ermöglicht das Speichern von Bildern und Bildsequenzen vor der Übertragung über das Gigabit-Ethernet-Protokoll. So können selbst bei einem fehlerhaften Transfer Bildinformationen nachgeladen und Datenpaketverluste vermieden werden. Außerdem verfügen die G-Cam Kameras sowohl über einen Trigger-Eingang als auch über einen Strobe-Ausgang. Die Triggergenauigkeit der Kameras ist mit einer Mikrosekunde hochpräzise. Beide Ausgänge sind vielfältig parametrisierbar. Die Kamera lässt sich dann entweder über einen herkömmlichen PC oder über ein Embedded System wie der Vision Box ansteuern. Mit dem Exposure Start Delay von nur 2 ms liegt die G-Cam-Serie ebenfalls an vorderster Leistungsfront.
Den Erfolgsfaktor Wirtschaftlichkeit und den Wandel von analog zu digital treibt, neben dem Gigabit-Ethernet-Vision-Standard, besonders der erweiterte und überarbeitete CameraLink-Standard mit Power-over-CameraLink (PoCL) voran. Entsprechend ausgestattete digitale Bildverarbeitungssysteme haben damit jetzt den letzten Negativpunkt, nämlich die Kosten, gegenüber der Analogtechnik ausgeschaltet und wirtschaftlich gleichgezogen. Musste die Stromversorgung der Kamera bei dieser Highend-Schnittstelle der industriellen Bildverarbeitung bisher separat über ein zusätzliches Kabel oder Netzgerät erfolgen, ist dies mit der Erweiterung durch PoCL überflüssig geworden. Mit Power-over-CameraLink (PoCL) erfolgt die Spannungsversorgung für die Kamera nun, wie schon bei USB und FireWire üblich, vom Framegrabber direkt über das CL-Datenkabel. Zusätzliche Netzteile und Kabel sind nicht mehr nötig. Dadurch sinken die Kosten, und digitale Highend-Kameralösungen werden erstmals gegenüber analogen Systemen konkurrenzfähig. Zudem ist bei der neuesten Version CameraLink 1.2 der HDR/SDR Connector nur noch halb so groß wie bisherige CameraLink-Anschlüsse bei identischer Pin-Belegung.
Überlegene Digitaltechnik
Technisch sind digitale Systeme hinsichtlich Bildqualität und Übertragungstechnik der herkömmlichen Analogtechnik überlegen. Wie auch die neue monochrome CameraLink-Kamera XCL-5005 mit PoCL-Anschluss beweist. Die neuartige CameraLink-Kamera mit fünf Megapixeln wurde für besonders präzise Inspektions- und Machine-Vision-Anwendungen entwickelt und ist mit einem monochromen oder Farb-Super HAD CCD-Sensor im 2/3 Zoll-Format und der Progressive-Scan-Technik ausgestattet. Die XCL-5005 bietet eine Auflösung von 5 Megapixeln bei 15 fps. Durch 12-Bit-Processing wird eine schnelle und effiziente Datenausgabe ermöglicht. Das Interline-Transfer (IT) CCD der XCL-5005 liefert eine prinzipbedingt hohe Bildqualität. Dies bezieht sich nicht nur auf die Auflösung (2448 x 2050 Pixel), sondern auch auf die Empfindlichkeit (f=5,6 bei 400lx) und die Mindestlichtstärke (1lx). Das Modul verfügt über eine Binning-Funktion und einen 3×3 Echtzeit-Bildaufbereitungs-Filter. Mit der Partial-Scan-Technologie lässt sich die effektive Framerate erhöhen. Das Resultat ist eine verbesserte Leistungsfähigkeit der High-Speed-Anwendungen. Im Unterschied zu konkurrierenden Produkten mit CameraLink-Schnittstelle verfügt die XCL-5005 mit Abmessungen von 44 x 44 x 57,5 mm über eine sehr kleine Bauform bei einem Gewicht von nur 135g.
Geschlossene BV-Systeme
Für die schnelle Umsetzung in die Praxis sind auch die intelligenten Eyespector-Kameras als geschlossene BV-Systeme inklusive Plug&Play-Software entwickelt worden. Basierend auf der etablierten EyeVision Software von EVT und Hardware von Vision Components bietet die Eyespector-Serie erstmals ein sofort einsetzbares Smart Machine Vision System, das sich zudem aus 16 verschiedenen Kameramodellen mit Farb- und Zeilenkameravarianten kombinieren läßt. Die Programmierung der EyeSpector-Kameras erfolgt unter Microsoft Windows 2000, XP oder Vista mit Hilfe einer leistungsfähigen grafischen Scriptsprache, so dass auch Laien raschen Zugang zum System finden. Die Serie deckt einen CCD-Auflösungsbereich von 640×480 bis 1600×1200 in S/W sowie Farbe ab und liefert Bildwiederholraten von 30 bis 250 Hertz. Kern der ähnlich wie eine klassische Firewire-Kamera baukleinen und robusten Kamera ist ein TI-400 MHz-Signalprozessor mit einer PC-Technologie-analogen Peak-Rechenleistung von 3.500 MIPS.
Zeilenkameras
Zu den einfachen und sehr wirtschaftlichen Lösungen in der industriellen Bildverarbeitung gesellen sich inzwischen auch Zeilenkameras. Sie mausern sich gar zur sinnvollen Alternative zu herkömmlichen Flächenkameras. Bei der Entscheidung für das richtige Kamerasystem steht zwar ganz klar die jeweilige Aufgabenstellung im Mittelpunkt. Sie bestimmt, ob Flächen– oder Zeilenkameras zum Einsatz kommen sollen, ob eine Schwarz/Weiß-Kontrolle ausreicht oder eine Farbkontrolle nötig ist. Und derzeit beherrschen Flächenkameras mit mehr als 90 Prozent geschätztem Anteil immer noch die Installationen. Und noch steht im Gegensatz zu monochromen Zeilenkameras das verhältnismäßig geringe Angebot an Farbzeilenkameras immer noch deutlich im Widerspruch zu den Faktoren Leistung, Innovationen, Intelligenz und Farbqualität und somit zum Mehrwert für den Nutzer. Aber der Trend hat sich längst umgekehrt zugunsten vor allem der Farbzeilenkameras, die in vielen Industriebereichen zunehmend unverzichtbar werden. Lange Zeit war der Einsatz von Zeilenkameras überall dort sinnvoll, wo Prüflinge mit Transportbändern befördert und hohe Auflösungen sowie hoher Prüflings-Durchsatz verlangt wurden. In derlei Anwendungsbereichen zeigt sich die Technik der Zeilenkamera dem Prinzip der Flächenkamera ja grundsätzlich überlegen. Flächenkameras nehmen in ihren Abmessungen nur begrenzte Bilder auf. Demgegenüber erfassen Zeilenkameras durch kontinuierliche Abtastung Bilder beliebiger Länge. Bereits eine einzige Zeilenkamera gewährleistet eine sehr hohe Auflösung sowie eine vollständige Erfassung und ist damit die Basis für eine einfache und wirtschaftliche Bildverarbeitungslösung.
Ein Beispiel hierfür ist die Farbzeilenkamera Aleos von dem Bilderfassungsspezialisten Chromasens, die MaxxVision im deutschen Markt exklusiv anbietet. Durch ein sehr leistungsfähiges FPGA und einen internen Controller erhält diese Farbzeilenkamera eine im Markt neue Funktionalität. Der auf Anhieb augenfällige Vorteil liegt in einer besseren Bild- und Farbqualität. Die Funktionsvielfalt sorgt insgesamt für eine vereinfachte Integration und Aufgabenlösung. Auch unterschiedliche Transportgeschwindigkeiten sind dank mannigfaltiger technischer Intelligenz kein Problem mehr. Diese müssen ja bisher bei Zeilenkameras durch ebenfalls unterschiedliche Zeilenfrequenzen kompensiert werden, um auch in Transportrichtung immer die gleiche Auflösung zu erhalten. Weshalb herkömmliche Kameras einen Hardware-Shutter zur Kompensation von unterschiedlichen Belichtungszeiten benutzen und entsprechende Nachteile aufweisen: Das „Auge“ der Kamera wird durch den Hardware-Shutter geschlossen, unter Umständen gehen wichtige Bildinformationen verloren, und am Ende kommt es zu Fehlinterpretationen der geprüften Ware. Dieses Dilemma umgeht der sogenannte „Intelligent Digital Shutter“ der Aleos-Zeilenkamera elegant: Er schließt zu keinem Zeitpunkt das „Auge“und kompensiert die unterschiedlichen Belichtungszeiten kameraintern. Die Farbzeilenkamerafamilie ALEOS ist mit ihren vielen Features denn auch für alle typischen Farbanwendungen wie etwa die Druckkontrolle, die Partikelsortierung, Qualitätsprüfung von Lebensmitteln oder die holzverarbeitende Industrie geeignet
Neue Rechnergeneration
In Kombination mit neuesten Embedded-Vision-Systemen wie dem Vision Box Quad lassen sich die Stärken der Aleos-Kamera besonders gut nutzen. Mithilfe eines Beispielprogramms kann der Entwickler sofort mit der Integration seiner speziellen Algorithmen starten. Die Vision Box Quad des langjährigen MaxxVision-Partners Strampe stellt die neueste Rechnergeneration für beschleunigte High-Speed-Anwendungen in der Bildverarbeitung dar, liefert hohe Bildverarbeitungsleistung im Taschenbuch-Format und wird maschinentauglich und einschaltfertig geliefert. Aus der Technologie der Embedded Prozessoren, dem multirechnerfähigen Protokoll „Sun System“ sowie umfangreichem Schnittstellen-Know-How ist ein lüfterloser Rechner entwickelt worden, der in kleinstem Format vier Bildverarbeitungsrechner beherbergt und insgesamt 32.000 MIPS an Rechenleistung zur Verfügung stellt. Optimiert für hohe Datenraten von Zeilen- und Flächenkameras werden neueste High-Speed-Kameras im nu zu intelligenten Kameras. Die VisionBox Quad ist in der Lage, die Kameradaten intelligent auf autarke Bildverarbeitungsrechnermodule zu verteilen, die untereinander kommunizieren können. Programme und Daten können auf einer SD Card gespeichert werden; über digitale IOs und/oder seriellem Interface wird z.B. eine SPS bedient; und mit einem Grafikinterface stehen Monitor und Tastatur zur Verfügung. Weitere Interfaces wie CameraLink oder IEEE-1394 lassen sich optional nutzen.
„Intelligente“ Kameras
Mit der sprichwörtlichen internen Intelligenz glänzen seit einiger Zeit vor allem die Smart Kameras, die dank eines kompletten Embedded-Rechners ohne PC auskommen und dank zunehmend leistungsfähigeren Prozessoren in immer anspruchsvolleren Anwendungen eingesetzt werden können, die bis vor kurzem noch dem PC vorbehalten waren. Ideal sind diese kompakten Systeme vor allem im Bereich der Qualitätskontrolle, wo es also um fest definierte Aufgaben und konstante Rahmenbedingungen geht. Wegbereiter Sony bietet inzwischen denn auch schon die zweite Generation solcher intelligenten Kameras an. Wer etwa sein Windows-Programm auf einer Intelligenten Kamera laufen lassen möchte, hat hier die Auswahl auf höchstem Niveau. Mit erweiterten Schnittstellen und höherer Rechenleistung gewinnt dieser Lösungsansatz aus dem Hause Sony an Bedeutung. Und auch hier geht es um die einfache Integration und Wirtschaftlichkeit beim Aufbau eines Vision-Systems. Aufgrund des Betriebssystems Windows XP embedded lassen sich in den Unternehmen viele bereits vorhandene Programme nutzen.
Fazit
Die Beispiele zeigen, dass nicht einzelne technische Features oder isoliert betrachtete Trends und Themen wie etwa Schnittstellen oder PC versus Embedded entscheidend sind; schon gar nicht nur einzelne Komponenten wie Kamera, PC, Beleuchtung, Optik, Software. Sondern dass die intelligente und anwendungsorientierte Kombination von Tools und Techniken den Erfolg einer IBV-Lösung ausmacht. Woraus dann die Intelligenz des Gesamtsystems resultiert. Ein System kann nur so smart sein wie seine Bestandteile, und umgekehrt. Für den Kunden lautet das Zauberwort für das von ihm eingesetzte System: Wertschöpfung. Sie ist der Maßstab für alle intelligenten IBV-Lösungsanbieter.
Auf der Fachmesse VISION 2007 die zahlreichen neuen IBV-Lösungen live und in voller Aktion – vom Embedded System bis zur Smart Kamera.
MaxxVision, Stuttgart
VISION, Halle 4 / 4C38
QE 521
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