Standardkomponenten der industriellen Bildverarbeitung

Klein, robust, genau

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Für die industrielle Bildverarbeitung finden sich nicht nur in der Elektronikindustrie, sondern auch im Maschinen- und Anlagenbau eine große Zahl von Einsatzmöglichkeiten. Reaktionsschnelle Prozeßsteuerung und 100 % optische Qualitätskontrolle sind längst nicht nur Schlagworte, denn für viele Aufgaben sind bereits anwendungsfertige Standardkomponenten verfügbar.

Der Entwicklungsstand der Bildver-arbeitungshardware ermöglicht es heutzutage, bereits ein vollständiges Bildverarbeitungssystem inclusive SPS in ein Kameragehäuse zu integrieren – natürlich samt Kamera. Das vereinfacht vieles: Durch den geringen Platzbedarf lassen sich diese Systeme flexibel und problemlos auch nachträglich in bereits bestehende Anlagen einbauen. Die bei konventionellen Systemen notwendigen Kamerakabel können entfallen. Damit verbessert sich nicht nur die Störsicherheit. Durch die räumliche Nähe von CCD-Sensor und Prozessor können die Bilddaten pixelidentisch mit hoher Genauigkeit verarbeitet werden. Nicht zuletzt lassen sich somit auch die Kosten erheblich reduzieren. Mit der Einführung des „V&C-Komponentensystems“ im vergangenen Jahr zeigt sich das Know-how des Herstellers im gesamten Bereich der Technologie Bildverarbeitung. Neben Systemkomponenten werden aufeinander abgestimmte Optik-, Beleuchtungs- und Installationskomponenten angeboten. Um den Anwender aus dem Bereich Automatisierungstechnik/Maschinenbau die Gren-zen und Möglichkeiten dieser noch neuen Technologie aufzuzeigen, werden 14-tägig Praxisseminare zum Thema Optikkomponenten und Systemkomponenten durchgeführt. Wird Unterstützung bei der Installation notwendig, stehen Partner deutschland- und europaweit zur Verfügung.

Modulare Systeme
Auf der Basis intelligenter Kameras stellt der Hersteller drei modulare Systemfamilien für die Automatisierungstechnik zur Verfügung. Sie unterscheiden sich hauptsächlich in ihren Anforderungen an den Installateur/Bediener und ihrer Funktionalität und Flexibilität.
Machine Vision Sensoren
Anschließen, scharfstellen, den SPS-Eingang Kalibrieren betätigen und fertig – so einfach kann die Installation von Machine Vision Sensoren sein – natürlich nur für Standardaufgaben wie z.B. der Kontrolle von Durchmessern und Dimensionen (Abb. 1).
Meßmaschine im Kameragehäuse
Komplexe geometrische Meßaufgaben sind, ähnlich wie bei einer Meßmaschine, durch Auswerten von Geometrien lösbar (Abb. 2). Die Meß- und Prüfaufgaben werden mit einer Windows-Bedienoberfläche zusammengestellt und anschließend zum System PICTOR übertragen. Trennt man das System vom PC, arbeitet es selbständig die eingelernte Aufgabe zyklisch ab.
Im Befehlsumfang sind neben bewährten robusten Antastalgorithmen zur Ermittlung von Geometrien und Konturen auch allgemeine Bildverarbeitungsfunktionen wie z.B. Grauwert- und Oberflächentest, Pixel- und Kantenzählen vorhanden.
Auch die Kommunikation mit der Umgebung/SPS kann mit Hilfe der vorhandenen I/O-Befehle flexibel den Erfordernissen angepaßt werden.
Um den Anforderungen der SPC gerecht zu werden, ist es möglich, Meßwerte über eine V24-Schnittstelle zu übergeordneten Systemen zu übertragen und dort weiterzuverarbeiten. Für Windows 95/NT steht ein SPC-Tool zur Verfügung, das neben der Abspeicherung und Auswertung der Meßwerte gemäß Ford-Richtlinie auch die grafische Darstellung ermöglicht.
Anwendungen finden die Systeme der PICTOR-Familie überall dort, wo Meßwerte,Positionen, Drehlagen qualitativ erfaßt und kontrolliert werden müssen. Die offengelegte Fernsteuerschnittstelle ermöglicht auch die Einbindung in übergeordnete Automatisierungssysteme und Meßmaschinen.
Neben den schnell zu installierenden Ma-chine Vision-Sensoren und den leistungsfähigen PICTOR-Systemen wurden einfach zu bedienende Systeme zur Prüfung von at-
tributiven Merkmalen wie Vorhandensein, Helligkeit und Lage entwickelt (Abb. 3). Mit Hilfe einer Bedienbox in der Größe einer Fernbedienungstastatur sind bis zu 16 Prüffenster in einem Bild einlernbar. Diese Fenster können sowohl an einer festen Stelle plaziert als auch bereits gefundenen Objektdetails in der Lage nachgeführt werden.
Die SPS-Ausgänge (24 V, 150 mA) werden in Abhängigkeit der Prüfergebnisse gesetzt und ermöglichen die direkte Ansteuerung von Aktoren. Fehlerstatistik und Fehlerbildabspeicherung gehören ebenso zum Standardfunktionsumfang wie die Möglichkeit des Anschlusses von Blitzbeleuchtungen. Diese Systeme kommen vor allem zur Montagekontrolle überall dort zur Anwendung, wo keine Meßwerte erfaßt werden müssen und Wert auf eine möglichst einfache Bedienung gelegt wird.
Exaktes Messen
Die Anfänge der optischen Meßtechnik waren geprägt von ausgereifter Optik und visueller Auswertung durch den Bediener. Der Einzug der Elektronik und Informations-verarbeitung vernachlässigte die optischen Komponenten zugunsten rechnerischer Methoden. Exaktes Messen aus heutiger Sicht bedeutet eine Synthese aus leistungsfähiger Optik, Elektronik und Software. Neben leistungsstarken und genauen Algorithmen zur Kantenortbestimmung hängen präzise Messungen in starkem Maße von der eingesetzten Beleuchtung und Abbildungsoptik ab. Anwesenheits- und attributive Prüfungen lassen sich mit einfachen, entozentrischen Systemen lösen (Abb. 5).
Sobald im Bild gemessen werden muß, sind diese Systeme untauglich. Perspektive und Invarianz gegen Abstandsänderungen werden unter Industriebedingungen nur mit telezentrischen Komponenten erreicht (Abb. 4 und 6). Telezentrische Komponenten nutzen den objektseitig parallelen Hauptstrahlengang zur Abbildung. Damit sind sie invariant gegen Abstandsänderungen und Perspektive, wie sie in der Fertigung durch Zuführung, Handhabung und Fertigungstoleranzen zustande kommen. Unterschiedlich vor der Meßeinrichtung angeordnete Prüflinge haben so keinen Einfluß auf das Meßergebnis. Mittlerweile sind qualitativ hochwertige und verzeichnungsfreie Objektive (in bezug auf die Bildpunktgröße nicht mehr nachweisbare Verzeichnung) zu wirtschaftlichen Preisen verfügbar (Abb. 11). Sie ersetzen durch Ihre hohe Abbildungsgüte die rechnerische Korrektur der Meßwerte und vereinfachen damit die Systeme. Weitere Abbildungsfehler wie Astigmatismus und Helligkeitsabfall sind minimiert und die Modulationsübertragungsfunktion (MÜF) optimiert.
Exaktes Messen im Auflicht ist prinzipiell nur in begrenztem Maße möglich, da hierbei die Prüflingsgeometrie (Kantenform, Ober-flächenfehler, etc.) und die verwendete Beleuchtungstechnik das Meßergebnis stark beeinflussen oder gar ein Messen unmöglich machen (Abb. 7). Bei Durchlichtanwendungen erreichen telezentrische Objektive in Kombination mit telezentrischen Beleuchtungen ihre volle Leistungsfähigkeit (Abb. 10a-c). Durch ihre kleine Beleuchtungsaperatur verhindern telezentrische Beleuchtungen gegenüber flächenförmigen Beleuchtungen Reflexionen an Prüflingskanten und damit eine Verfälschung des Meßergebnisses (Abb. 8 und 9). Durch Verwendung von inko-härentem Licht können Beugungserscheinungen vernachlässigt werden.
Angemerkt sei: Ausgangspunkt für exaktes Messen ist in jedem Fall die optimale Abstimmung von Prüflingsgröße und Gesichtsfeld der Kamera. Allein die Variation von einem Objektiv mit Kameras verschiedener Sensorgrößen ermöglicht verschiedene Gesichtsfelder und damit auch verschiedene Bildpunktauflösungen, wie Tabelle 1 demonstriert. Die eng gestuften V&C-Objektivreihen und darauf abgestimmte Beleuchtungen, geben dem Anwender die Komponenten in die Hand, die er für exaktes Messen benötigt.
Robustes Design
Die weite Verbreitung der Machine Vision in der Fertigung begründet die Forderung nach industrietauglichen Komponenten.
Die gegensätzlichen Ansprüche an Robustheit und gleichzeitig Präzision vereinen sich im V&C-Komponentensystem.
Für abbildungsoptische Komponenten wurden staubdichte, erschütterungsfeste Ausführungen geschaffen, die mit fixierbaren Stellelementen (Blendenringe, Basisweiten-einstellungen, Fokus etc.) sowie definierten Flächen zur Befestigung versehen sind.
Die Beleuchtungskomponenten erfüllen neben den o.g. mechanischen Ansprüchen weitere Anforderungen (Tabelle 2). Elektrische Robustheit bedeutet, daß die gesamte Ansteuerelektronik im kompakten Beleuchtungsgehäuse untergebracht ist. Angelegt werden muß nur noch die in weiten Grenzen (10…30V) variierbare Betriebsspannung. Die Anschlüsse sind verpolsicher ausgeführt. Die Helligkeit kann über das eingebaute Potentiometer oder optional durch eine externe Steuerspannung (0…+10V) eingestellt werden. Der Einsatz von LED (grün, rot, IR, weiß) trägt der Forderung nach Erschütterungsfestigkeit, langer Lebensdauer sowie Langzeitstabilität der Lichtstärke Rechnung. Weiße Leuchtdioden ermöglichen auch die Auswertung farbiger Szenen. Industrietauglichkeit aus optischer Sicht bedeutet, daß die Beleuchtungskomponenten so ausgeführt sind, daß sich optisch wirksame Flächen, wie Streuscheiben, Frontscheiben und -linsen problem- und schadlos mit fertigungsüblichen Mitteln reinigen lassen.
EVITA im www
Um das Know-how der Machine Vision möglichst breit verfügbar zu machen, wurde das mehrsprachige Machine Vision-Wörterbuch EVITA (Encyclopedia for Vision in Industry – Translations and Answers) geschaffen und weltweit unter http://www.vision-control.com zugänglich gemacht.
Dort finden sich Fachbegriffe mit Erklärungen wieder, die in der Machine Vision gebräuchlich sind. Des weiteren werden auf den Web-Seiten die Elemente des V&C-Komponentensystems in ihrer aktuellsten Ausgabe vorgestellt. Der Katalog kann auch in Papierform unter der Kennziffer angefordert werden.
Weitere Informationen A QE 404
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