NEWS@IMAGING

Immer einen Schritt voraus

Schnell, präzise, objektiv: Oberflächenanalyse in 3D

14. Oktober 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 die Prüfpraxis 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, 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.

Integriertes Bildverarbeitungssystem Trevista

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 einen Prüfautomaten für kleine Hartmetallbauteile integriert.

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 aus dem Vertrieb bei 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 Topologie sichtbar zu machen. „Auf diese Weise können kritische Fehlstellen im Material sicher von unproblematischen Helligkeitsabweichungen oder einfachen Verunreinigungen unterschieden werden“, so Schmitz weiter.

Patentiertes Shape-from-Shading-Verfahren (SFS)

Einen intelligenten Lösungsansatz liefert das Bildverarbeitungssystem Trevista mit dem patentierten Shape-from-Shading-Verfahren (SFS), 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 kuppelförmigen Streukörper aus vier verschiedenen Richtungen nacheinander strukturiert auszuleuchten und dabei jeweils ein Kamerabild aufzunehmen. Die dabei entstehenden Eingangsbilder verarbeitet ein Berechnungsalgorithmus zu vier synthetischen Ergebnisdarstellungen. 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 Oberflächentopografie 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.

Algorithmische Berechnungen über Sherlock und CVB

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 Xactools-Nutzeroberfläche: „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 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.“

Eine Einschätzung, die Thomas Erb, Geschäftsführer von Xactools, 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 arbeitet nach Erbs Aussage schnell und effektiv: „Gerade der Fertigungsindustrie bietet sich damit ein wirksames Instrument, mit dem sich die Effizienz der Qualitätsprüfung weiter verbessern lässt.“

Ausschuss gesenkt

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 erfassen zu können. 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 zentrale 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.

Derzeit arbeiten Systemspezialisten bereits an einer 4k-Variante des Bildverarbeitungstools. „Ich sehe hier weitreichende Entwicklungschancen“, so Zeiher. „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.

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