Bildverarbeitung im Einsatz -  Anwendungsbeispiele aus zahlreichen Branchen

BILDVERARBEITUNG IM EINSATZ

Kundenreferenzen & Anwendungsbeispiele aus zahlreichen Branchen

Bildverarbeitung in der automatisierten Qualitätsprüfung

November 2014

Die Inspektion von Kleinstbauteilen mit unterschiedlichen Oberflächenmerkmalen stellt hohe Anforderungen an das eingesetzte Prüfverfahren. Dass sich Fehler mit dem integrierten Bildverarbeitungssystem Trevista auch bei komplexen Objekten sicher detektieren und qualifiziert bewerten lassen, zeigt eine Anlage des Maschinenherstellers Zorn Maschinenbau: Mit einer Senkung des Pseudoausschuss-Anteils auf unter zwei Prozent ist die 3D-Technologie konventionellen Vision-Lösungen deutlich überlegen.

Die mehrdimensionale Bildverarbeitung zählt zu den leistungsfähigsten Instrumenten in der automatisierten Qualitätssicherung. Komplexe Objektgeometrien und variierende Materialeigenschaften setzen herkömmlichen optischen Prüfverfahren jedoch zunehmend Grenzen: Ist beispielsweise die Oberflächenstruktur eines Prüfstücks unregelmäßig oder sind seine Reflexionsmerkmale stark schwankend, so lassen sich Fehler oft nicht mehr verlässlich erfassen und auswerten.

Damit steigt einerseits das Mängelrisiko, andererseits erhöht sich der Pseudoausschuss-Anteil in der Qualitätsprüfung. Für den Hersteller entstehen durch nachgelagerte manuelle Zusatzkontrollen Mehrkosten, die man mit optimierten Systemen vermeiden könnte.

Weiterentwickelte Vision-Systeme arbeiten schnell, präzise und objektiv: Sie liefern auf Grundlage optimierter Technologien exakte Informationen unabhängig von der Oberflächenbeschaffenheit des Prüfgegenstands - auch bei hohem Prüfdurchsatz und kurzer Durchlaufzeit.

Zu den Unternehmen, die mit Trevista ein solches System erfolgreich einsetzen, gehört die Zorn Maschinenbau GmbH mit Sitz in Stockach am Bodensee. In Zusammenarbeit mit den Bildverarbeitungsexperten von STEMMER IMAGING und dem Systemintegrator Xactools hat der Hersteller für Montage-, Produktions- und Prüfanlagen die 3D-Technik in Prüfautomaten für kleine Hartmetallbauteile integriert.

Intelligente Lösung für komplexe Oberflächen

Die von Zorn gebaute Prüfanlage dient der Inspektion kleiner und kleinster Bauteile, die zur Fertigung von Einspritzpumpen in der Automobilindustrie weiterverwendet werden.

Hohe Anforderungen werden dabei an das bildgebende Analyseverfahren gestellt: „Je nach Art der vorangegangenen Bearbeitung verfügen Prüfstücke über ganz unterschiedliche Oberflächenmerkmale“, erläutert Jörg Schmitz von STEMMER IMAGING. „Darüber hinaus spielt der Reflexionsgrad insbesondere bei metallischen Werkstoffen eine wichtige Rolle. Starke Kontraste zwischen glänzenden und dunklen oder matten Bereichen erlauben häufig keine exakten Aussagen über die tatsächliche Oberflächenqualität.“

Ein leistungsfähiges Bildverarbeitungssystem muss deshalb in der Lage sein, die Oberflächentextur eines Prüfobjekts zu eliminieren und ausschließlich seine Oberflächenstruktur sichtbar zu machen. „Auf diese Weise können kritische Fehlstellen im Material sicher von unproblematischen Helligkeitsabweichungen oder einfachen Verunreinigungen unterschieden werden“, so Schmitz weiter.

Einen intelligenten Lösungsansatz liefert hier das Bildverarbeitungssystem Trevista, das bei STEMMER IMAGING als komplettes System mit Objektiv, Kamera, Software und PC erhältlich ist. Es arbeitet mit dem patentierten Shape-from-Shading-Verfahren, das auf Grundlage der Helligkeitsverteilung und Oberflächenschattierung die dreidimensionale Form eines Objekts ermittelt.

Zentrale Komponente des Systems ist eine speziell entwickelte LED-Dombeleuchtung: Ihre spezifische Funktionsweise besteht darin, einen halbkugelförmigen Streukörper (Kuppel) aus vier verschiedenen Richtungen nacheinander strukturiert auszuleuchten und dabei jeweils ein Kamerabild aufzunehmen. Die dabei entstehenden Eingangsbilder verarbeitet ein Berechnungsalgorithmus zu vier synthetischen Ergebnisdarstellungen.

Oberflächenstruktur richtungsunabhängig erfasst

Zwei richtungsabhängige Neigungsbilder visualisieren die Oberflächenneigung in x-Richtung sowie in y-Richtung; Sie eignen sich insbesondere für die Lokalisierung von Fehlern mit einer bestimmten Vorzugsrichtung. Zusätzlich gibt das Krümmungsbild die Oberflächenstruktur richtungsunabhängig wieder, so dass sich daraus präzise Informationen über Lage und Größe eines Bauteildefekts ableiten lassen. Das vierte Ergebnisbild besteht aus einer reinen Texturansicht, die in etwa einer glanzfreien 2D-Aufnahme entspricht und zur Detektion von reinen Oberflächenverfärbungen genutzt werden kann.

Eine Einschätzung, die Xactools-Geschäftsführer Thomas Erb teilt: „Bei einer konventionellen optischen Prüfung ist von einem Pseudoausschuss um die zehn Prozent auszugehen. Die Prüfpraxis zeigt, dass sich dieser Anteil durch das Trevista-Verfahren auf unter zwei Prozent minimieren lässt.“ Das System arbeite schnell und effektiv, so Erb weiter: „Gerade der Fertigungsindustrie bietet sich damit ein wirksames Instrument, mit dem sich die Effizienz der Qualitätsprüfung weiter verbessern lässt.“

Der so erzeugte Bilddatensatz wird an das Bildverarbeitungssystem übermittelt und dort automatisch ausgewertet. Die algorithmischen Berechnungen erfolgen über die Softwareplattformen Sherlock von Teledyne DALSA sowie Common Vision Blox (CVB) von STEMMER IMAGING. Angesteuert wird die Bildverarbeitungssoftware über eine bedienungsfreundliche Nutzeroberfläche des Integrators Xactools: „Für uns lässt sich damit eine komplexe Technologie problemlos in den bestehenden Anlagenkontext integrieren“, erklärt Martin Zeiher, Geschäftsführer der Zorn Maschinenbau GmbH.

Zwei seiner kürzlich gebauten Prüfanlagen verfügen über die Bildverarbeitungstechnik von Trevista; insgesamt sechs dieser Systeme sind dabei im Einsatz. „Die Prüfbilanz hat uns schnell von der Effektivität der 3D-Bildverarbeitung überzeugt. Anhand der Reliefbilder lassen sich Formmerkmale selbst bei gekrümmten, spiegelnden oder glänzenden Oberflächen mit hoher Präzision erfassen. Im Ergebnis führt das zu einer weiteren Absenkung der Fehlerquote und einem deutlich verringerten Pseudoausschuss-Anteil.“

Qualifizierte Fehler-Detektion senkt Ausschussmenge

Aktuell erschließt die 3D-Technologie neue Potentiale in nahezu allen Anwendungsbereichen der automatisierten Objektprüfung. Gleichzeitig bewegt sich die moderne Qualitätssicherung weg vom lange vorherrschenden Paradigma der Null-Fehler-Toleranz: Zunehmend geht es nicht mehr darum, möglichst viele bzw. kleinste Defekte zu detektieren. Zielführend ist vielmehr, kritische von unkritischen Fehlern zu unterscheiden und tatsächlich funktionsrelevante Anomalien sicher zu erfassen.

So lassen sich Ausschussmengen niedrig halten, indem die systemimmanente Toleranzgrenze für die Ausschleusung von abweichenden Bauteilen den spezifischen Erfordernissen angepasst und dabei nach Möglichkeit nicht zu eng definiert wird. „Fachkompetenz und Erfahrungswissen des Herstellers spielen hierbei eine entrale Rolle“, erklärt Jörg Schmitz von STEMMER IMAGING. „Auf dem Weg zur optimalen Systemlösung können wir zahlreiche Variablen modifizieren und deren Auswirkungen unter Laborbedingungen testen. Entscheidend für einen auf lange Sicht erfolgreichen Systembetrieb bleibt jedoch die Expertise des Anwenders.“

„Gerade im Sondermaschinenbau verfügen viele Unternehmen oft über jahrzehntelange Fertigungserfahrung“, bestätigt Zorn-Geschäftsführer Martin Zeiher. Automatisierte Prüfverfahren haben sich jedoch vielfach noch nicht durchgesetzt.

Aktuell arbeiten die Puchheimer Bildverarbeitungsspezialisten bereits an einer Variante des Trevista-Systems mit 4k-Auflösung. „Die Kameras dafür gibt es bereits. Sie müssen nur noch entsprechend eingerichtet werden“, beschreibt Schmitz die nächste Generation dieser Bildverarbeitungssysteme.

Zeiher sieht auch für diese weiterentwickelten Trevista-Varianten schon vielversprechende Einsatzfelder: „Der technologische Fortschritt wird weiter neue Maßstäbe in der automatisierten Qualitätssicherung setzen und damit nicht zuletzt die Wettbewerbsfähigkeit der Unternehmen auch auf internationalen Märkten entscheidend voranbringen.“

STEMMER IMAGING

Puchheim, Germany

STEMMER IMAGING ist seit 1987 in der industriellen Bildverarbeitung tätig und mittlerweile Europas größter Technologie-Anbieter in diesem Bereich. 1997 stellte STEMMER IMAGING mit Common Vision Blox (CVB) eine leistungsstarke Programmierbibliothek vor, die eine schnelle und zuverlässige Entwicklung und Implementierung von Bildverarbeitungslösungen ermöglicht und inzwischen weltweit über 40.000 mal in verschiedensten Branchen erfolgreich im Einsatz ist.

Teledyne DALSA

Waterloo, Canada

Die kanadische Teledyne DALSA Inc., ein Unternehmen der amerikanischen Teledyne Technologies Inc., liefert für den Bereich der digitalen Bildverarbeitung ein enormes Produktspektrum. Neben universellen Zeilenkameras umfasst es technologische Highlights wie TDI-Zeilen- (Time Delay Integration), Multi Tap-, High Speed-, Flächen- und hochauflösende Kameras. Daneben zählen PCI-Bilderfassungsboards, Embedded Processing-Systeme bis hin zu intelligenten IPD-Kompakt-Systemen zu den Komponenten für alle Aufgaben in der industriellen Qualitäts-, Vollständigkeits- und Fehlerkontrolle.

CVS Trevista - 100%-Inspektion anspruchsvoller Oberflächen
  • Komplettes Bildverarbeitungssystem zur Inspektion schwieriger Oberflächen
  • Schnelle, vollautomatisierte 100%-Prüfung von Bauteilen mittels Shape-from-Shading-Technologie
  • Robuste Konstruktion zur einfachen Integration in Produktionsprozesse oder Prüfautomaten
Teledyne DALSA Sherlock - Bildverarbeitungs-Software für den industriellen Einsatz
  • Einfache Handhabung für schnelle Lösungen
  • Hohe Prüfgeschwindigkeiten bei großer Flexibilität
  • Für Inspektion, Vermessung, Identifikation und 100% Kontrolle an der Produktionslinie
CVB Image Manager
  • Plattform für die Entwicklung von Anwendungen der Bildverarbeitung in Industrie und Wissenschaft
  • Offene Programmierumgebung
  • Einfache Bedienung Flexibilität und High Performance