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Kamera ab

Prozessüberwachung und -steuerung
Kamera ab

Statt Schieblehren und Notizblöcken setzen sich in immer mehr Anwendungen der Prozess- und Verfahrensüberwachung berührungslos und hochpräzise arbeitende Bildverarbeitungslösungen wie das Inline-Mess-System VMT-IMS durch. Mit hochauflösenden Kameras, applikationsoptimierter Beleuchtungstechnik und Bilderauswertung in Subpixeltechnik sind in kontinuierlichen und nicht kontinuierlichen Prozessen Objektmaße mit Auflösungen unter 0,05 mm ermittelbar. Mit diesen Daten können Regelkreise aufgebaut, Prozesse online optimiert und so eine gleichbleibende Produktqualität bei minimiertem Ausschuss sichergestellt werden.

Patrick Englisch und Harald Mikeska, VMT Bildverarbeitungssysteme GmbH, Weinheim

Die produkt- und prozessspezifischen Daten können zudem zum Beispiel für die Erstellung von Qualitätsstatistiken genutzt werden. Eine Netzwerkanbindung von VMT-IMS in übergeordnete Auswerterechner ist hierzu online möglich. Alternativ können die Prozessdaten auch auf Diskette gespeichert werden.
Systemaufbau und Arbeitsweise
Das berührungslos arbeitende Inline-Mess-system ist eine Komplettlösung bestehend aus:
– einer oder mehreren hochauflösenden Kameras,
– applikationsspezifisch auslegbarer Beleuchtungstechnik, zum Beispiel strukturelle Beleuchtungseinheiten, Beleuchtung mit spektraler Charakteristik,
– einem Bildverarbeitungsrechner, auf dem die Antast-, Auswerte- und Statistikprogramme des Systems laufen sowie
– einem Farbmonitor, mit dem Messwerte, Toleranzen Abweichungen und Statistiken grafisch und in realen Zahlen visualisiert werden können.
Zur Vermessung setzt VMT-IMS ein oder mehrere Fenster über das jeweilige Objekt, innerhalb derer die prozess- und qualitätsrelevanten Merkmale erfasst und überwacht werden. Hierzu stehen spezielle Antastverfahren zur Verfügung, mit denen nahezu beliebig viele Antastmerkmale innerhalb des Bildfeldes frei programmiert werden können. Positioniertoleranzen der Objekte werden vom System erkannt und die Erwartungspositionen der zu erkennenden Antastmerkmale entsprechend nachgeführt. Die Triggerung der Aufnahmen durch das Bildverarbeitungssystem hängt vom Prozess ab. Bei kontinuierlichen Abläufen wie der Extrusion, wird das Material in festen Abständen, beispielsweise alle 100 mm überwacht. Dieser Wert kann je nach Applikation, zum Beispiel bei unterschiedlichen Abzugs- beziehungsweise Fördergeschwindigkeiten entsprechend angepasst werden. Bei diskontinuierlichen Prozessen wird das gesamte Objekt anhand der im Messsystem gespeicherten Antastmerkmale untersucht. Auf diese Weise kann eine 100 Prozent Qualitätskontrolle realisiert werden.
Auswertung der Kamera-bilder in Subpixeltechnik
Das Bildverarbeitungssystem wertet Grauwertübergänge aus, zum Beispiel die Konturen eines Objektes oder Objekte vor einem Hintergrund. Je nach Erscheinungsbild der Objekte und des Hintergrundes können sich dabei unter Umständen nur relativ schwache Kontraste ergeben. Um auch in diesen Fällen höchstmögliche Messauflösungen sicherzustellen, werden Konturen in mehreren Schritten ermittelt. Im ersten Schritt wird anhand eines oder mehrerer markanter Merkmale die Position des Objekts festgestellt. In den so korrigierten Messfenstern werden Konturpunkte ermittelt. Die Liste der Konturpunkte wird hinsichtlich der Punkte untersucht, die nicht auf der Kontur liegen (Beispiel: Ausreißer). Mit den verbleibenden Konturpunkten wird über mathematische Verfahren die Kontur berechnet. Die so berechnete Kontur ist etwa drei bis zehn mal genauer, als die eigentliche Auflösung der Kamera. Diese Verfahrensweise ermöglicht eine extrem präzise Auswertung, da mit hoher Auflösung die Grauwertübergänge und sich abzeichnende Konturen von Objekt und Hintergrund erkannt werden können. Dies gilt auch, wenn bestimmte Konturen eines Objekts besonders erfassungskritisch sind oder sich im Prozess Rahmenbedingungen ändern wie das Erscheinungsbild eines Objekts oder eine Hintergrundfarbe. Insgesamt arbeitet das Verfahren so präzise, dass Messauflösungen von wenigen hundertstel Millimetern sicher erreicht werden können.
Datenschnittstellenund Visualisierung
Der Bildverarbeitungsrechner von VMT-IMS wertet die ermittelten Werte aus. Danach können diese übergeordneten Netzwerke übergeben oder auf Diskette archiviert werden. Die erfassten Messwerte können an einen Auswerterechner wie PC mit QS-STAT weitergeleitet werden. Eine klar gegliederte Visualisierung unterstützt den Anlagenbediener vor Ort.
Die Messwerte werden nicht nur als Zahlenangaben ausgegeben sondern auch bedienerfreundlich als farbige Balkendiagramme visualisiert. Dies hängt vom Grad der Einhaltung der jeweils programmierten Produkttoleranzen ab. Abweichungen von diesen vorgegebenen Sollwerten oder das Erreichen von Eingriffgrenzen werden optisch durch farbliche Unterlegung auf dem Bildschirm des Rechners rechtzeitig angezeigt beziehungsweise signalisiert.
Durch geeignete Adaption der Kamera- und Beleuchtungstechnik sowie der parametrisierbaren Antastverfahren lässt sich die Komplettlösung VMT-IMS an vielfältige Anforderungen anpassen. Einige hiervon werden nachstehend vorgestellt.
Vermessung von rotationssymmetrischen Teilen
Auf höchste Präzision kommt es bei der Prüfung von Bördeln für Kfz-Bremsleitungen an, da bereits geringfügige Abweichungen in Rundheit, Zentrizität oder Durchmesser zu Undichtigkeiten im Bremssystem führen können. Ein führender Zulieferer aus dem Automotive Bereich setzt zur hundert Prozent-Kontrolle aller hergestellten Bördel das Inline-Messsystem VMT-IMS ein. Die in einen Stauchautomaten integrierte Kontrollstation besteht zunächst aus sechs hochauflösenden CCD-Kameras (drei pro Bördelende), mehreren unterschiedlichen Diodenbeleuchtungen für die Auflichtprüfung von vorne und die Durchlichtprüfung von der Seite und einem Auswerte-PC. Hinzu kommt die ebenfalls vom Hersteller entwickelte und gelieferte Transport- und Aufnahmemechanik. Sie ist für Rohrdurchmesser von 4,75 bis 10 mm ausgelegt und so konstruiert, dass trotz Schlägen und Vibrationen aus dem Maschinenumfeld eine hochpräzise Positionierung der Bördel im Messfenster gewährleistet ist. Bei einem Maschinentakt von 1 bis 1,2 s werden etwa 10 verschiedene Merkmale mit bis zu drei Kameras überprüft. Mit Hilfe einer schaltbaren Beleuchtung erfolgt nicht nur die Anpassung an die unterschiedlichen Bördeltypen. Auch während der Messung wird die Beleuchtung geschaltet, damit sich alle Merkmale möglichst kontrastreich darstellen. Zu bestimmende Maße sind unter anderem Innen- und Außendurchmesser, Rundheit, Zentrizität, Öffnungswinkel und die Beschaffenheit der Dichtfläche. Mit Hilfe spezieller Antastverfahren und Subpixelberechnung arbeitet das Inline-Messsystem mit einer Auflösung von 0,01 mm. Als „fehlerhaft“ erkannte Bördel werden automatisch ausgeschleust.
Phasenüberwachungan Bandstahl
Bei der Firma Kolbenschmidt Gleitlager, einem der führenden Hersteller von Modulen und Systemen „rund um den Motor“, wird in einer kontinuierlich arbeitenden Strehllinie ein Inline-Messsystem zur Überwachung des Phasenverlaufs auf Bandstahl eingesetzt. Die Phasen werden in vorgelagerten Produktionsschritten durch verformende und spanabhebende Verfahren erzeugt. Die Breite des Bandstahl bewegt sich zwischen 10 und 100 mm. Je nach Bandstahl-Typ legt die Kamera des Messsystems ihr Messfenster aus. Als Antastmerkmale dienen die durch die Abschrägen erzeugten Kanten des Stahls. Die unbearbeitete Oberfläche des Materials hat für die Kamera ein anderes Erscheinungsbild als die Phase und der Hintergrund. Bei einigen Bandstahlsorten muss zudem noch die Lage einer mittig gefrästen Nut überwacht werden. Durch die eingesetzte Kamera- und Auswertetechnik wird auch in dieser Aufgabenstellung eine Genauigkeit von > 0,1 mm erreicht. Die Besonderheit dieser Lösung besteht darin, dass Kolbenschmidt Pierburg Bandstahl auf mehreren Linien gleichzeitg herstellt und bearbeitet. Um sicherzustellen, dass die gleiche Bandstahlsorte auch auf unterschiedlichen Linien immer gleich, das heißt immer entsprechend der gleichen Konstruktionspläne bearbeitet wird, sind alle vier VMT-IMS-Stationen mit der zentralen Parameterverwaltung online vernetzt. Bearbeitungs- und damit inspektionsrelevante Änderungen finden ausschließlich auf dieser Leitebene statt. Dadurch ist sichergestellt, dass die Inline-Messsysteme auf immer aktuelle und immer identische Prüfparameter zugreifen. Weiterhin werden alle Parameteränderungen lückenlos protokolliert. Ein Aktivieren „alter“ Prüfpläne (zum Beispiel für Ersatzteillieferung) ist jederzeit möglich.
Breitenmessung von Profilen und Prozessregelung
Ebenfalls kontinuierlich läuft die Extrusion von Butylprofilen, die beispielsweise zum Verkleben von Fahrzeugscheiben auf Karossen oder der Abdichtung von Kabelmuffen eingesetzt werden, ab. Die Inline-Messsysteme übernehmen hierbei nicht nur eine Kontroll- sondern auch eine Regelungsfunktion. Das Kamerasystem überwacht in dieser Anwendung gleichzeitig bis zu 18 Profilstränge. Farbe, Form, Talkumanhaftungen und Reflexionseigenschaften der Profile unterscheiden sich. Ebenso muss mit verschiedenen Trägermaterialien, das heißt wechselnden Hintergrundkontrasten, gerechnet werden. Zudem ist die Profillage auf dem Band toleranzbehaftet, was ein Nachführen der im Bildverarbeitungssystem gesetzten Messfenster erfordert. VMT-IMS überwachen den Strangdurchmesser sowie die Abstände zwischen einzelnen Profilen. Wird bei der Auswertung der Profilbreite ein Über- oder Unterschreiten der vorgegebenen Sollwerte festgestellt, werden diese Daten in einem Echtzeit-Regelungskonzept berücksichtigt. Stellgrößen wie Abzugsgeschwindigkeit werden so geregelt sowie Temperatur und Druck im Extruder überwacht. Damit wird eine exakte und kontinuierliche Maßhaltigkeit der Butylprofilstränge sichergestellt. So werden der Rohmaterialeinsatz optimiert und die Ausschussmenge deutlich reduziert. Weiterhin sind durch die Visualisierung der Messwerte online die Anlaufzeiten deutlich zurückgegangen, was zu Material- und Zeiteinsparungen geführt hat.
Positionserkennung mit höchster Messgenauigkeit
In einem kontinuierlichen Galvanikprozess überwachen VMT-IMS-Anlagen im Dreischichtbetrieb Vorhandensein, Vollständigkeit, Breite, Lage und Parallelität von maschinell aufgebrachten Folienstreifen. Diese verhindern eine Galvanisierung der darunterliegenden Bereiche. Bei Vorschubgeschwindigkeiten von acht bis zehn Metern werden mit CCD-Flächenkameras pro Linie je zwei Bahnen mit bis zu vier Klebestreifen kontrolliert. Dabei erreicht das System eine Messgenauigkeit von 0,025 mm. Erkannte Fehler werden am PC vor Ort, per Ampel an der Linie sowie auch in der zentralen Leitwarte visualisiert. Die Angabe der Uhrzeit ist Teil des Fehlerprotokolls und ermöglicht ein späteres Heraustrennen des fehlerbehafteten Abschnittes des Metallbandes. Mit dem Komplettsystem VMT-IMS steht somit für vielfältige Anwendungen in der Verfahrenstechnik eine leistungsfähige Lösung zur Prozessoptimierung und Qualitätssicherung zur Verfügung, die sich durch geeignete Adaption der Kamera- und Beleuchtungstechnik sowie der parametrisierbaren Antastverfahren an vielfälige Anforderungen anpassen lässt. Bei Bedarf kann das Inline-Messsystem bereits mit mechanischen Positionier- oder Handhabungsmodulen ausgerüstet werden, was sowohl Vortests beim Hersteller als auch einer schnelleren Inbetriebnahme vor Ort zugute kommt.
Hannover Messe, Halle 16, Stand D 33
Weitere Informationen A QE 405
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