Bildverarbeitung für die Inline-Qualitätssicherung Fokussierung in Rekordzeit - Quality Engineering

Bildverarbeitung für die Inline-Qualitätssicherung

Fokussierung in Rekordzeit

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Mit modernen Bildverarbeitungssystemen lässt sich die Qualitätssicherung in der Fertigung und Montage inline durchführen. In vielen Anwendungen kommt es dabei auf eine hohe Geschwindigkeit an. Die TAG Lens von Mitutoyo kommt auf eine ultraschnelle Fokussier-Frequenz von 70 kHz, weil sie beim Fokussieren Piezotechnik nutzt.

„Die TAG Lens bringt eine Fülle von Vorteilen mit sich“, sagt Jürgen Bergmann von der Technical Engineering Group bei Mitutoyo. „Sie baut enorm kompakt und kommt gänzlich ohne bewegliche Teile aus. Dadurch ist sie um ein Vielfaches schneller und obendrein wesentlich weniger wartungsintensiv.“

TAG ist eine Abkürzung für „Tunable Acoustic Index Gradient“. Wie der Name schon andeutet, ist der Clou an der neuen TAG Lens das Verwenden von Sound, um Licht zu beeinflussen. Denn das Objektiv bedarf zum Fokussieren keinerlei mechanischer Bewegung. Piezo-Signale leiten stattdessen die Anpassung des Fokus ein. Damit lässt sich der Brennpunkt bis zu 70 000 mal pro Sekunde verändern. Das TAG Zip, die einbaufertige Version der TAG Lens, ist damit das weltweit schnellste volumetrische Echtbildgebungssystem. Die Optik dieses Systems ermöglicht es, für jeden Frame des Kamerasensors – unabhängig von der Fokusposition des vorangehenden Frames – die Brennebene zu ändern. Tatsächlich wird die Frame-Rate ausschließlich von zwei Faktoren begrenzt: der Kamera und der Datenübertragungsrate.

Immer häufiger kommen in der Industrie Systeme zum Einsatz, die Technologien wie Time-of-Flight (TOF), Lidar und strukturiertes Licht nutzen und in der Lage sind, große Mengen an 3D-Forminformationen über das Volumen zu liefern. Leider birgt diese Detailgenauigkeit auch Nachteile, da sie in Bereichen, in denen sich kein Objekt befindet, zu viele Details und in den wirklich wichtigen Bereichen oft zu wenige Details abbildet. Außerdem stellt die begrenzte Geschwindigkeit dieser Technologien auch ein roboterunterstütztes System vor Herausforderungen.

Das Rekonstruieren von 3D-Volumen unter Verwendung eines Bildstapels – oft als Shape From Focus (SFF) oder Depth from Focus/Defocus (DFF) bezeichnet – ist eine weitere Technik, die in der Biologie und in statischen Systemen für die Beschaffung mehrdimensionaler Informationen häufig angewendet wird. Der wesentliche Vorteil dieser Technik besteht in der großen räumlichen Genauigkeit und in der Möglichkeit, aus dem in den Bildvolumen abgebildeten Objekten weitere Informationen wie zum Beispiel Geometrie, 3D-Karten-Rendering, Textdekodierung, QR-/-Barcodes oder True Color-Farben zu gewinnen. Diese Technik wurde in dynamischen Umgebungen allerdings nur wenig genutzt, da sie zum Fokussieren und Erfassen des Volumens zu viel Zeit erfordert.

Überwindung der Geschwindigkeitsbarriere

Dank der gemeinsamen Verwendung von TAG-Zip und modernsten industriellen Hochgeschwindigkeits-Bildverarbeitungskameras ist das neue System von Mitutoyo in der Lage, Geschwindigkeiten von 300 bis 500 fps zu erreichen, wobei jeder Frame standardmäßig Vollfarbbilder enthält, die mit x-, y- und z-Daten kodiert sind. Die Geschwindigkeit des Systems ermöglicht sogar die Überprüfung mehrerer beliebiger benutzerdefinierter Regionen im 3D-Raum, darunter Echtzeit-Positionierung, Objekterkennung und Bereitstellung von Messinformation.

Tatsächlich ist die TAG-Technologie auf eine schwindelerregend hohe theoretische Geschwindigkeit von 3 Millionen FPS begrenzt. Außerdem ist die dem TAG-Objektiv zugrunde liegende Fokussiertechnologie in einen geschlossenen Regelkreis eingebunden, der Zuverlässigkeit, Wiederholbarkeit und Rückverfolgbarkeit sicherstellt, das heißt die zentralen Elemente unternehmenskritischer Anwendungen wie Roboterführung und IO/NIO-Teileprüfungen.

Die Vielseitigkeit der ultraschnellen Frame-by-Frame-Fokussierung bietet nicht nur die Möglichkeit, mehrere Verarbeitungsalgorithmen wie zum Beispiel DFF und Objekterkennung an volumetrischen Live-Bildstapeln auszuführen, sondern ermöglicht auch die Implementierung neuer hochentwickelter Bildaufnahmeverfahren. So können die in einem bestimmten Volumen enthaltenen Daten nach einer groben, aber einheitlichen Untersuchung zunächst schnell und in der Folge dann weiter ausgewertet werden.

Auf diese Weise werden während der kontinuierlichen Durchführung eines groben Scans Bilder von höherer Dichte zur Detailerkennung schnell und zielgenau aufgenommen, um eine fortlaufende und kontinuierliche Überwachung aller Änderungen im 3D-Sichtfeld zu gewährleisten.

Ein weiterer Vorteil ist das progressive Auflösungsvermögen des Systems. Wenn ein Roboterarm eine bestimmte Komponente ansteuert, muss er zunächst das Teil in 3D lokalisieren. Allerdings ändern sich die Genauigkeitsanforderungen während des gesamten Prozesses: Während der Arm sein Ziel ansteuert, ist eine Erhöhung der Präzision auf Millimeter und mitunter auf Millimeter-Bruchteile erforderlich. Genau dieses Verhalten ist bei dem TAG-Zip-System ganz automatisch durch die natürliche Änderung des Schärfentiefenbereichs bei verschiedenen Entfernungen des Objekts zur Abbildungsoptik gegeben. So ist das System in der Lage, auf kurze Distanz hochpräzise 3D-Informationen über Objekte zu gewinnen. Und das sogar noch während der Analyse der vollständigen 3D-Umgebung, um sich bewegende oder stillstehende Objekte zu erkennen und mögliche Behinderungen oder Störungen zu vermeiden.

Zusammenfassung

Da bei Fertigung und Montage bewegliche Teile und unterschiedliche Prozesse involviert sind, müssen moderne Betriebe in der Lage sein, sich an die ständig wandelnden Anforderungen komplexer und anspruchsvoller Umgebungen anzupassen. Im Zuge der Weiterentwicklung der Computertechnologie übernehmen Sensorsysteme eine entscheidende Rolle in den Produktionslinien moderner Betriebe.

Dank des kontinuierlichen volumetrischen 3D-Systems, das auf der schnellen Aufnahme von Bildern an unterschiedlichen Fokalpositionen basiert, ist es möglich, wichtige Informationen über bestimmte Teile und deren Umgebung zu gewinnen. Außerdem ermöglicht die hohe FPS-Bandbreite der TAG Zip-Technologie eine Weiterentwicklung und problemlose Integration von Chips und Sensoren, sodass das TAG Zip 3D-Volumetric-Imaging-System in puncto Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit auch in Zukunft weiter wachsen kann. ■


Der Autor

Thomas Mendle

Sales & Marketing

Mitutoyo

www.mitutoyo.eu


Einsatz in Mitutoyo-Messgeräten

Die TAG Lens stammt vom US-Unternehmen TAG Optics Inc., das als Start-up aus der Princeton University hervorgegangen ist. Seit Herbst 2016 hat Mitutoyo eine Mehrheitsbeteiligung an TAG Optics. Der japanische Messtechnik-Riese wird die TAG Lens zum einen als OEM-Supplier vertreiben, zum anderen wird sie in eigenen Messgeräten sowie Custom-Messlösungen zum Einsatz kommen. So kann eine integrierte TAG Lens in bildverarbeitenden 3D-Messgeräten für schnelle Topografiemessungen sorgen. Auf der Control 2017 in Stuttgart hat Mitutoyo bereits einen Aufbau gezeigt, der eine TAG Lens mit einem Video-Einbau-Messmikroskop kombiniert. Damit lassen sich bereits jetzt Halbleiter-Überprüfungen und -Reparaturen bewerkstelligen Aber auch in der Elektronik-Industrie kann diese Kombination zur Anwendung kommen, beispielsweise beim Checken von Leiterbahnen und Lötpunkten auf Platinen. „Häufig werden diese Bauteile noch mittels einer Sichtprüfung per Mikroskop kontrolliert. Mit der TAG Lens lässt sich hingegen Objektivität gewährleisten“, so Bergmann.


Viele Einsatzmöglichkeiten

Die neue Mitutoyo TAG Lens wird künftig überall dort zum Einsatz kommen, wo es einerseits auf äußerst schnelles Fokussieren ankommt und andererseits auch nur wenig Raum für die Installation optischer Komponenten zur Verfügung steht. Als Beispiel führt Jürgen Bergmann aus der Technical Engineering Group bei Mitutoyo den möglichen Einsatz in einer Durchstromkontrolle an: „Überall dort, wo beispielsweise vorbeiströmende Partikel erfasst werden müssen, wird die TAG Lens erste Wahl sein. Denn herkömmliche Kameras fokussieren bei weitem nicht schnell genug, um in verschiedenen Distanzen an der Linse vorbei strömende Partikel erfassen zu können.“ Die Technologie könnte also beispielsweise in der Luft- beziehungsweise Reinraumfilterung Anwendung finden. Auch die Überwachung von vorbeiströmenden Schwebstoffen in Flüssigkeiten wäre denkbar – beispielsweise integriert in Leitungs- und Pumpensystemen.

Ein Einsatzfeld findet die TAG Lens auch dort, wo ein Laser hochpräzise über eine Oberfläche geführt werden muss. Das kann beispielsweise bei Laserbeschriftungen der Fall sein. „Dabei muss stets die Topografie der Oberfläche exakt bekannt sein“, erläutert Bergmann. „Durch das schnelle Fokussieren der TAG Lens kann der Laser exakt ausgerichtet und geführt werden – und das sogar dann, wenn der Winkel zum Werkstück nicht 90° beträgt. Die Abbildungsgröße wird so beispielsweise bei winkeligen Werkstücken an jeder Stelle gleich gehalten, weil sich die TAG Lens kontinuierlich und blitzschnell anpasst.“


Webhinweis

Mehr über die Funktionsweise der Mitutoyo TAG Lens erklärt Christian Theriault, Mitbegründer und CEO von TAG Optics, Inc., in diesem Video:– http://hier.pro/7ujUz. Einfacher geht’s über das Scannen des QR-Codes.

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