Merken 08.11.2017

3-D-Inline Kamera Z Fokus von Senswork

3D-Inline-Inspektion von Kleinbauteilen

Ein Systemhaus für industrielle Bildverarbeitung hat ein Kamerasystem entwickelt, mit dem sich Kleinbauteile inline und offline prüfen lassen. Das Messprinzip erlaubt eine lückenlose dreidimensionale Erfassung der Bauteilgeometrien aus einer Perspektive.

V3-D-Inline Kamera Z Fokus (© Senswork)

Die Inspektion von Stecker-Komponenten, elektronischen SMD-Bauteilen oder auch Lötstellen stellt die aktuell verfügbaren 3D-Sensoren vor hohe Herausforderungen in der dreidimensionalen optischen Erfassung. Dafür hat Senswork, Burghausen, ein Systemhaus für industrielle Bildverarbeitung, mit Z Fokus eine neuartige 3-D-Inline-Kamera auf den Markt gebracht (Bild 1). Diese arbeitet nach dem Verfahren Depth-from-Focus und kann in getakteten Inline-Prozessen oder auch bei der Offline-Prüfung in der hochauflösenden 3-D- Bewertung von Kleinbauteilen eingesetzt werden.

Dafür sind laut Hersteller die klassischen Technologien wie Laserscanning und Streifenlichtprojektion aus verschiedenen Gründen ungeeignet. Dazu zählen störende Artefakte an Bauteilkanten, Probleme mit Überstrahlung und Reflexion am Bauteil sowie Abschattungen, bedingt durch das Triangulationsprinzip.

Detaillierte dreidimensionale Daten

Zur Berechnung der 3-D-Bildinformation zeichnet das Kamerasystem mehrere Hundert Bilder in unterschiedlichen Abstandspositionen zum Bauteil auf. Basierend auf den ortsabhängigen Fokuswerten im Bild wird eine 3-D-Höhenkarte des Bauteils berechnet. Die aktuell erzielbare Auflösung in Z-Richtung liegt nach Firmenangaben bei 10 μm bei einem maximalen Blickfeld von 12 mm × 12 mm. Die Scan-Dauer ist abhängig von unterschiedlichen Faktoren und beträgt typischerweise 1 bis 3 s. Die Stärken des Systems liegen laut Hersteller in der sehr performanten parallelen Verarbeitung der hohen Bilddatenmenge je Scan (mehrere Gigabyte pro Scan) und der intelligenten Berechnung der Z-Informationen durch Berücksichtigung der Reflexionsverhältnisse auf dem Bauteil.

Die Höheninformation wird unter Zuhilfenahme von schnellen, robusten Interpolationsalgorithmen berechnet. Die 3-D-Daten sind insbesondere bei kleinen Bildfeldern hoch detailliert. Neben dem 3-D-Tiefenbild liefert die Kamera ein überlagertes Scharfbild als 2-D-Bild, das für zusätzliche 2-D-Auswertungen, wie die Abstandsmessung des Bauteils, herangezogen werden kann.

Die 3-D-Daten erlauben eine präzise Bewertung dreidimensionaler Merkmale wie Koplanarität, Höheninformationen, Neigung von Ebenen, Volumen u. v. m. Zudem liefert die Kamera gerade bei kleinen Blickfeldern mit ca. 5 μm pro Pixel eine sehr hohe laterale Detailauflösung. Zudem können 3D- und 2D-Auswertungen aufgrund des zusätzlich gewonnenen 2-D-Scharfbilds eines Bauteils in einem Schritt erfolgen.

3-D-Prüfung eines Zahnrades mit einem Radius von 3 mm (© Senswork)

3-D-Prüfung eines Zahnrades mit einem Radius von 6 mm (© Senswork)

Beim Design der Kamera wurde insbesondere auf eine industrietaugliche, robuste Ausführung Wert gelegt, um den Anforderungen in der Inline-Messtechnik gerecht zu werden. Die interne LED-Beleuchtung kann bei Bedarf und abhängig von den Reflexionseigenschaften des Bauteils um weitere Beleuchtungen ergänzt werden.

Lückenlose Lötstelleninspektion

Das Kamerasystem findet in diversen Industrien Anwendung, insbesondere bei der Prüfung von Steckermodulen, Elektronikbauteilen oder Mikro-Spritzgussteilen.

Die Koplanaritätsprüfung von SMD- Baugruppen oder die Pin-Höhenprüfung sind zwei Anwendungen, die beispielsweise mit der Kamera gelöst werden können. Durch die -3D-Höheninformation können Kontaktflächen relativ zu den umliegenden Referenzflächen in Z-Richtung vermessen werden. Dies garantiert im Nachgang einen sauberen Kontaktschluss im Lötprozess. Gleiches gilt für die Vermessung von Pin-Höhen, die im Gegenstecker nur dann einen sauberen Kontakt langfristig garantieren, wenn die Höhe des Pin-Plateaus in der vorgegebenen Zeichnungstoleranz liegt. Neben der maximalen Z-Position, beispielsweise von einer Kontaktfläche, kann auch die Winkellage bzw. die Ausrichtung der Fläche im Raum bestimmt werden.

Bei der Lötstellen-Inspektion erlaubt das Kamerasystem die Bestimmung des Lötvolumens, die Detektion von Lücken in der Lötstelle sowie die Bewertung der Form einer Lötstelle. Dort, wo heute 2D-Systeme bei der Bewertung von Lötstellen aufgrund von zu stark schwankenden Kontrastvarianzen entweder zu hohen Pseudoausschuss liefern oder Fehlermerkmale nicht prozesssicher detektieren können, zeigt das Kamerasystem laut Hersteller seine Stärken.

Da das Kamerasystem auf einer berührungslosen Messung basiert, wird das Bauteil bei der Vermessung nicht mechanisch beeinflusst. Das Verfahren ist daher verschleißfrei. Jedes System wird beim Hersteller kalibriert. Dazu wurde eigens ein Kalibriernormal entwickelt, das die ermittelten Z-Werte im Arbeitsbereich des Systems überprüft und sicherstellt.