Bildverarbeitung im Einsatz -  Anwendungsbeispiele aus zahlreichen Branchen

BILDVERARBEITUNG IM EINSATZ

Kundenreferenzen & Anwendungsbeispiele aus zahlreichen Branchen

Damit Reifen sicher rollen

November 2016

Tagtäglich hängt das Leben von Millionen Menschen von intakten Reifen an Autos und Flugzeugen ab. Die Reifenprüfgeräte von Carl Zeiss Optotechnik sorgen mit modernster Bildverarbeitung von STEMMER IMAGING für größtmögliche Sicherheit in diesem Bereich.

Rund ein Drittel ihres Gesamtumsatzes erwirtschaftet die Carl Zeiss Optotechnik GmbH mit Sitz im oberbayrischen Neubeuern mit Anlagen zur zerstörungsfreien Reifenprüfung. Das bis 2015 als Steinbichler Optotechnik GmbH bekannte Unternehmen zählt in diesem Segment zu den weltweit führenden Anbietern und hat bereits Prüfanlagen für Reifen mit bis zu 4300 mm Durchmesser realisiert. Zum Einsatz kommen solche extremen Pneus in riesigen Fahrzeugen im Bergbau, doch weltweit werden auch neue und runderneuerte Pkw-, Lkw-, Flugzeug- und Motorradreifen und sogar die Rennreifen aller aktuellen Formel 1-Teams auf den Anlagen von Carl Zeiss Optotechnik auf Fehler untersucht.

Intact heißen diese Reifenprüfgeräte des Unternehmens und basieren auf dem optischen Messverfahren der Shearographie, das sich im Automotive-Bereich als Standard für die Reifenprüfung etabliert hat und in der Luftfahrt sogar gesetzlich vorgeschrieben ist.

Fehler im Mikrometerbereich erkennen

Die Shearographie ist ein interferometrisches Prüfverfahren, mit dem bereits geringfügige Beschädigungen oder Defekte mit einer Größe von wenigen Mikrometern an belasteten Bauteilen erkannt werden können. Das Prüfobjekt wird dabei mit Laserlicht beleuchtet und durch eine CCD-Kamera mit einer so genannten Shearing-Optik betrachtet. Diese Optik projiziert das Objektbild zweifach auf den Kamera-Chip, so dass dort jeder Objektpunkt doppelt dargestellt wird und auf diese Weise ein Interferogramm entsteht. Wenn sich das Prüfobjekt aufgrund einer Belastung verformt, verändert sich das vom Bauteil reflektierte Laserlicht. Durch die Überlagerung eines Bildes im unbelasteten Zustand mit einer Aufnahme unter Belastung lassen sich die Veränderungen eines jeden Bildpunktes erfassen.

Bei der Prüfung von Reifen wird die benötigte Belastung durch eine Variierung des Umgebungsdrucks erzeugt. Zwischen der ersten und zweiten Aufnahme wird der Druck dazu um ca. 50 mbar abgesenkt. Eventuell im Reifen eingeschlossene Luftblasen dehnen sich in Folge dieses Unterdrucks aus und verformen die Oberfläche des Reifens an solchen Fehlstellen geringfügig. Durch einen Vergleich und die Auswertung der Ergebnisbilder lassen sich dann Rückschlüsse auf Art und Größe des Defekts ziehen.

„Wir befassen uns schon seit ca. 1990 mit der Shearographie-Technologie“, erläutert Rainer Huber, der als Produktmanager NDT bei Carl Zeiss Optotechnik für die Entwicklung der Reifenprüfanlagen verantwortlich ist. Sein Unternehmen hält mehrere einschlägige Patente, u.a. eines zum räumlichen Phasenshift, also der direkten Phasenmessung mit nur einem Shearing-Bild. Neben der Reifenprüfung kommt die Shearographie auch bei der zerstörungsfreien Prüfung von Verbundwerkstoffen zum Einsatz.

Über 1.000 Messköpfe weltweit

Die Intact-Systeme von Carl Zeiss Optotechnik sind bei allen namhaften Reifenherstellern sowie bei einer Vielzahl von mittelständischen Runderneuerungsbetrieben weltweit im Einsatz. Insgesamt sind bereits mehr als 1.000 Messköpfe installiert, darunter auch lizensierte Systeme mit Messköpfen von Zeiss.

„Unser Ziel lautet hundertprozentige Sicherheit – ein Reifenversagen im Betrieb oder schon beim Aufpumpen kann fatale Folgen haben“, weiß Huber. Im Rahmen des Prüfablaufs werden daher die Lauffläche und die Seitenwände der Reifen auf interne Ablösungen und Lufteinschlüsse untersucht, die mit bloßem Auge nicht erkennbar sind. „Ein Erfahrungswert besagt, dass beispielsweise bei der Prüfung von runderneuerten Lkw-Reifen etwa 20 Prozent der optisch einwandfreien Gebrauchtreifen von der Shearographie als unsicher klassifiziert werden“, untermauert Huber die Bedeutung der Anlagen. Auch wirtschaftlich rechnet sich der Einsatz der Shearographie-Technologie: Vor allem in der Runderneuerung profitieren die Kunden von Kosteneinsparungen in Produktion und Einkauf, da schadhafte bzw. ungeeignete Karkassen gar nicht erst angekauft werden und die Kosten für deren Bearbeitung somit entfallen.

Automatisierter Prüfablauf

Die Intact-Systeme zeichnen sich dadurch aus, dass sie berührungslos und zerstörungsfrei arbeiten. Da keinerlei Präparation der Reifenoberfläche erforderlich ist, ist die Anwendung einfach, schnell und kostengünstig: Nach dem Beladen der druckdichten Prüfkammer fahren die Messköpfe zunächst in den Reifenmantel hinein und werden dank automatischer Reifengrößenerkennung exakt für die Aufnahme der Lauffläche von innen platziert. Jeder der vier Messköpfe erfasst dabei einen Sektor von 90 Grad.

Im zweiten Prozessschritt werden die Messköpfe wiederum automatisch zur Untersuchung der obenliegenden Seitenwand von außen positioniert. Nach der Untersuchung der ersten Seitenwand werden die Reifen für die abschließende Untersuchung der zweiten Seitenwand gewendet. „Im automatisierten Betrieb erreichen wir so Taktzeiten unter einer Minute für eine komplette Reifenprüfung“, so Huber. „Durch optionale Fördereinrichtungen können die Systeme optimal in die jeweilige Kundenumgebung integriert werden, und bei Bedarf liefern wir auch platzsparende Maschinen mit manueller Beladung.“

Bildverarbeitung als Basis

Technische Grundlage der Reifenprüfmaschinen ist die Bildverarbeitung: Jede Messvorrichtung besteht aus vier Messköpfen, die je eine Kamera mit zugehöriger Optik enthalten. Bereits seit den 90er Jahren, damals noch als Steinbichler Optotechnik GmbH, beschäftigt sich das Unternehmen mit Bildverarbeitung und hat in dieser Zeit ein umfangreiches Know-how zu diesem Thema aufgebaut.

Beinahe ebenso lange währt die erfolgreiche Zusammenarbeit mit STEMMER IMAGING: Die Oberbayern beziehen dort die eingesetzten Kameras und weitere optische und elektromechanische Komponenten. „Um in ihren Märkten erfolgreich zu sein erwarten unsere Kunden zuverlässige Maschinen, die wir bei Carl Zeiss Optotechnik auf Basis unserer langjährigen Erfahrungen in diesem Bereich produzieren können“, erläutert Huber. „Bei den eingesetzten Komponenten ist es uns wichtig, einen zuverlässigen Partner mit entsprechendem Know-how und dem richtigen Produkt- und Serviceangebot an der Seite zu haben. Aus diesem Grund arbeiten wir zu allen Fragen der Bildverarbeitung schon seit vielen Jahren mit STEMMER IMAGING zusammen.“

Wenig überraschend also, dass er und sein Team erneut auf ihren bewährten Technologiepartner für die Bildverarbeitung zukamen, als der Startschuss für die Entwicklung einer neuen Systemgeneration gegeben wurde. Ausgangspunkt für die Neuentwicklung war der Wunsch nach Standardisierung, so Huber: „Im Laufe der Zeit hatte sich bei uns eine Vielzahl unterschiedlicher Messköpfe entwickelt. Für die Zukunft wollten wir möglichst nur einen Typ für die verschiedenen Anwendungsfälle einsetzen.“

Eine besondere Herausforderung bestand dabei darin, die Messvorrichtungen so zu verkleinern, dass sie auch die Prüfung noch kleinerer Reifendurchmesser zuließen. Lag das Limit aufgrund der Messkopfabmessungen bislang bei 16 Zoll-Reifen, sollten nun auch Reifen bis 12 Zoll noch inspiziert werden können. Das Konzept von bis zu vier Messköpfen pro Messvorrichtung sollte dabei unverändert bleiben: Je mehr Messköpfe, desto kürzer die Messzeit und desto höher der Durchsatz – so lautete die einfache Formel. Mit den bisher eingesetzten Standardkameras von Allied Vision war die erforderliche Verkleinerung der Messvorrichtung geometrisch jedoch nicht möglich.

Der Sensor bleibt gleich

Es war also eine erhebliche Neukonstruktion notwendig, gleichzeitig war aber auch Kontinuität gefordert: Carl Zeiss Optotechnik nutzte in ihren Anlagen seit Jahren die monochromen Allied Vision-Kameras vom Typ Prosilica GC1380, die mit einem Sony-ICX285-CCD-Sensor mit einer Auflösung von 1388 x 1038 Pixel ausgestattet sind. Dieser Sensor ist besonders für Infrarot-Anwendungen ausgelegt und eignet sich in Kombination mit der von Zeiss für die Shearographie-Messung entwickelten Optik optimal für diese Anwendung.

Bei der Neuentwicklung entschied sich Carl Zeiss Optotechnik für eine Highspeed-Version der bislang verwendeten Prosilica-Kamera mit dem gleichen CCD-Sensor: Zum Einsatz kommt nun die Allied Vision Manta G145B-30fps mit einer Bildrate von bis zu 30 Bildern pro Sekunde. Wegen der Abkündigung des darin verbauten CCD-Sensors durch Sony bis zum Jahr 2020 erwartet Huber keine größeren Probleme: *„Da Allied Vision auch eine mechanisch identische CMOS-Kamera anbietet, ist eine einfache Austauschbarkeit der Kameras gewährleistet.“

Mit Kameramodifikation zur Lösung

Mehr Kopfzerbrechen bereitete hingegen zunächst ein mechanisches Problem: In der Standardausführung waren die gewählten Manta-Kameras inklusive der Kabelanschlüsse zu lang, um auch die angestrebten 12-Zoll-Reifen mit vier Messköpfen in einer Messvorrichtung inspizieren zu können.

„Hier konnte uns die Abteilung Hardwareentwicklung von STEMMER IMAGING mit einer spezifischen Modifikation helfen“, so Huber: In enger Zusammenarbeit mit unserer Mechanikkonstruktion entwickelten die dortigen Experten eine Gehäusevariante, bei der die Kabelanschlüsse in einem Winkel von 90 Grad zur Bildebene angeordnet sind und nicht wie beim Seriengehäuse linear.“

Die Länge jeder Manta konnte so von 80 auf 64 mm verringert werden – damit wurden die geometrischen Vorgaben eingehalten, um nun auch Reifen mit 12 Zoll Durchmesser prüfen zu können. Seitdem werden alle Kameras für die Intact-Systeme vor der Auslieferung an Carl Zeiss Optotechnik in Puchheim entsprechend umgerüstet.

Der kundenspezifische Service war damit jedoch noch nicht beendet: Auch die eingesetzten Optiken erforderten aufgrund der Vibrationen in den Anlagen eine Anpassung. Standardoptiken hielten den Belastungen nicht lange stand und führten schnell zu Veränderungen bei den Voreinstellungen der Blende und somit zu Variationen in den Messergebnissen. Durch eine Blenden-Voreinstellung und die Versiegelung aller Schrauben an jeder einzelnen Optik für diesen Kunden konnte STEMMER IMAGING auch dieses Problem sicher lösen.

Eine weitere Engineering-Dienstleistung bestand in der Auswahl und im Langzeittest von robotertauglichen CAT5e Ethernet-Kabeln mit gewinkeltem Stecker. Diese wurden vor dem Einsatz in der Maschine einem Langzeit-Belastungstest an einem Intact-Messkopf unterzogen. Dieser Test wurde von der hauseigenen STEMMER IMAGING-Kabelfertigung durchgeführt und protokolliert. So konnte sichergestellt werden, dass die Kabel den Belastungen in der Maschine auch dauerhaft standhalten und keinerlei Übertragungsprobleme entstehen. Für die Serienfertigung wird seitdem jedes Kabel vor Auslieferung geprüft und mit einem entsprechenden Testprotokoll verschickt.

Einen weiteren entscheidenden Anteil am Gesamtsystem hat die Software – in ihr steckt ein wesentlicher Teil des Know-hows von Carl Zeiss Optotechnik. Wichtig ist hier die Rückverfolgbarkeit und eine einfache Klassifikation der Prüfergebnisse. Neben der einfachen Benutzerführung zur Durchführung und Speicherung der Aufnahmen bietet diese auch eine automatische Identifikation von möglichen Fehlstellen anhand von signifikanten Abweichungen in den gespeicherten Shearogrammen. Die vom System erkannten Fehlstellen müssen dann anhand der Ergebnisbilder jeweils vom Bediener beurteilt werden, was eine gewisse Erfahrung erfordert. Umfassende Schulungen in der Shearographie-Reifenprüfung sowie kompetente Service- und Supportleistungen runden deshalb das Angebot von Carl Zeiss Optotechnik ab.

Serviceangebot als Mehrwert

Peter Stiefenhöfer, Marketing and PR Manager at STEMMER IMAGING
Peter Stiefenhöfer,
Leiter Marketing &
Öffentlichkeitsarbeit,
STEMMER IMAGING

Dank der tatkräftigen Unterstützung und reibungslosen Zusammenarbeit vergingen von der ersten Anforderung bis zur Inbetriebnahme des ersten Prototyps nur wenige Monate. Laut Marketingleiter Peter Stiefenhöfer von STEMMER IMAGING ist dieser Service ein typisches Beispiel für den Mehrwert seines Unternehmens: „Unsere strategische Ausrichtung wird häufig noch verkannt: Wir sind ja schon lange weit mehr als nur ein Vertriebshaus, sondern verstehen uns auch als Hersteller für bestimmte Komponenten und als Servicedienstleister, was unseren Kunden, in diesem Fall der Carl Zeiss Optotechnik, enorm bei der Realisierung ihrer Aufgaben hilft.

In Entwicklung und Produktion bewähren sich die Intact-Reifenprüfsysteme aus Neubeuern tagtäglich im weltweiten Einsatz. Sie tragen maßgeblich dazu bei, die Qualität von Reifen zu verbessern und auf hohem Niveau zu sichern. Zudem zeichnen sie sich durch eine extrem hohe Zuverlässigkeit aus, wie Hans Weigert, Vertriebs- und Marketingleiter des Unternehmens, scherzhaft anmerkt: „Unser einziges Problem mit diesen Anlagen ist, dass sie praktisch nie kaputtgehen ...“

Mehr über die Carl Zeiss Optotechnik GmbH

Mehr als 25 Jahre Erfahrung und Kompetenz in optischer Mess- und Sensortechnik prägen die Erfolgsgeschichte der Carl Zeiss Optotechnik GmbH. Seit der Gründung 1987 entwickelt und vertreibt das Unternehmen hochpräzise optische Messsysteme und entsprechende Softwarelösungen, die bei zahlreichen namhaften Industrieunternehmen und Forschungseinrichtungen in den unterschiedlichsten Anwendungsbereichen eingesetzt werden.

Allied Vision

Stadtroda, Germany

Seit 25 Jahren hilft Allied Vision seinen Kunden, schneller, genauer und effizienter bei allem zu werden, das ihnen wichtig ist.

STEMMER IMAGING

Puchheim, Germany

STEMMER IMAGING ist seit 1987 in der industriellen Bildverarbeitung tätig und mittlerweile Europas größter Technologie-Anbieter in diesem Bereich.

Allied Vision Manta - Universelle, kompakte Progressive Scan-Kameras mit Gigabit-Ethernet-Schnittstelle
  • Digitale Bildverarbeitungskameras mit CCD- oder CMOS-Sensoren
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