nach oben
Meine Merkliste
Ihre Merklisteneinträge speichern
Wenn Sie weitere Inhalte zu Ihrer Merkliste hinzufügen möchten, melden Sie sich bitte an. Wenn Sie noch kein Benutzerkonto haben, registrieren Sie sich bitte im Hanser Kundencenter.

» Sie haben schon ein Benutzerkonto? Melden Sie sich bitte hier an.
» Noch kein Benutzerkonto? Registrieren Sie sich bitte hier.
Ihre Merklisten
Wenn Sie Ihre Merklisten bei Ihrem nächsten Besuch wieder verwenden möchten, melden Sie sich bitte an oder registrieren Sie sich im Hanser Kundencenter.
» Sie haben schon ein Benutzerkonto? Melden Sie sich bitte hier an.
» Noch kein Benutzerkonto? Registrieren Sie sich bitte hier.

« Zurück

Ihre Vorteile im Überblick

  • Ein Login für alle Hanser Fachportale
  • Individuelle Startseite und damit schneller Zugriff auf bevorzugte Inhalte
  • Exklusiver Zugriff auf ausgewählte Inhalte
  • Persönliche Merklisten über alle Hanser Fachportale
  • Zentrale Verwaltung Ihrer persönlichen Daten und Newsletter-Abonnements

Jetzt registrieren
Merken Gemerkt
Messen und Prüfen - Industrielle Bildverarbeitung

Industrielle Bildverarbeitung

Aspekte zur Wirtschaftlichkeit der Industriellen Bildverarbeitung

Die Triebfeder für den Einsatz von Bildverarbeitungssystemen ist der Trend zu einem immer höheren Qualitätsniveau mit möglichst niedrigen Ausfall- und Reklamationsraten. Gegenüber der manuellen Prüfung haben Systeme mit automatischer Bildverarbeitung den Vorteil, dass sie schnell, berührungslos und mit hoher Wiederholgenauigkeit dokumentierte Gut-Schlecht-Aussagen treffen können. Neben der Inspektion von Oberflächen kann die Einhaltung von geometrischen Abmessungen überprüft werden. Mit den neuesten Verfahren der dynamischen Wärmeflussmessung werden auch unsichtbare Defekte unter der Oberfläche detektierbar. Mit Computertomographen für industrielle Anwendung und speziellen Softwarealgorithmen können innere Strukturen mit hoher Genauigkeit geprüft und vermessen werden.

Obwohl die Weiterentwicklungsgeschwindigkeit aller Komponenten unvermindert anhält, haben Bildverarbeitungssysteme den wissenschaftlichen „Elfenbeinturm“ längst verlassen und sind zum unverzichtbaren Bestandteil in der Produktion geworden. Die in diesem Bereich recht kurzen Amortisationszeiten erleichtern die technisch sinnvollen Anpassungen an den dynamisch wachsenden Stand der Technik und lassen sie damit auch wirtschaftlich interessant werden.

Vor allem in den Bereichen Produktionsautomatisierung und Qualitätssicherung findet die Industrielle Bildverarbeitung (IBV) zunehmende Verbreitung. Für viele Anwendungen sind Problemlösungen heute bereits als Baukastensysteme erhältlich. Durch Einlernprozesse und Parametrisierung lassen sie sich schnell an die Prüfaufgabe anpassen. Die Planung des Einsatzes von Industrieller Bildverarbeitung ist zu einer Aufgabe der Fertigungsvorbereitung und des Prozess-Engineering geworden.

Beschleunigt wird dieser Trend durch die ständige Verringerung der Kosten für Computerleistung, die Verbreiterung des Anwendungsspektrums und die immer größere Flexibilität der Systeme. Parallel dazu wachsen die Anforderungen bezüglich Qualität und Produktsicherheit, wie dies in besonders starkem Maße etwa in der Automobilzulieferindustrie zu beobachten ist.

Die Industrielle Bildverarbeitung ist ein effizientes Werkzeug, das hilft, Kundenanforderungen zu erfüllen, Qualitätsvorgaben umzusetzen und die Automatisierung der Produktionsabläufe zu erweitern.

Übergang von der statistischen Überwachung zur 100%-Kontrolle

Viele Unternehmen fordern von ihren Zulieferern DPM-Zahlen (defects per million) von weniger als 100 und zusätzlich den Nachweis über fähige Prozesse mit Fähigkeitsindizes von 1,33. Bei so hohen Anforderungen führt eine Überwachung ausschließlich nach statistischen Kriterien nicht mehr zum Ziel.

Eine 100-Prozent-Kontrolle durch Mitarbeiter ist in der Regel unwirtschaftlich und grundsätzlich schlupfbehaftet. Nur bei einer 100-Prozent-Kontrolle mit Industrieller Bildverarbeitung kann auch jeder sporadische Fehler erfasst werden, wenn er vorher entsprechend definiert und eingelernt wurde.

Erhöhung der Prüfsicherheit im Vergleich zur visuellen Prüfung

Durch mangelnde Konzentration, Ermüdung und optische Täuschung der Prüfperson treten bei visueller Prüfung je nach Ausprägung der Prüfaufgabe nicht mehr akzeptierbare Fehlerraten auf.

m Gegensatz dazu kann mit dem Einsatz von Bildverarbeitungssystemen eine objektive Beurteilung des Ist-Zustands erzielt und dadurch eine hohe Reproduzierbarkeit der Qualitätsparameter erreicht werden.
Darüber hinaus können maßliche und geometrische Prüfungen ohne Hilfsmittel in einem gemeinsamen Arbeitsgang mit der Sichtprüfung vorgenommen werden.

Inline-Kontrolle

In vielen Bereichen wurde bisher auf visuelle bzw. maßliche Prüfungen verzichtet. Durch die Industrielle Bildverarbeitung ist man jetzt in der Lage, trotz hoher Taktrate, ungünstiger Rahmenbedingungen und schlechter Zugänglichkeit zwischen aufeinander folgenden Prozessschritten eine Inline-Kontrolle einzuschalten.

Damit können nicht nur bessere Daten über den Prozess gewonnen, sondern auch Schlecht-Teile bereits am Entstehungsort ausgesondert werden. Idealerweise ist das System mit dem Fertigungsprozess gekoppelt, um eine sofortige Korrektur der Prozessstellgrößen zu ermöglichen.

Bestimmte Prüfaufgaben, wie zum Beispiel die Kontrolle der Lage und Ausrichtung von hochpoligen SMD-Bauteilen in der Elektronikfertigung, können ausschließlich durch den Einsatz von Bildverarbeitungssystemen an den Bestückautomaten effizient und wirtschaftlich realisiert werden.

Gedanken zur Qualitätspolitik und Produkthaftung

Für die Umsetzung der Qualitätspolitik eines Unternehmens ist ein Qualitätsmanagementsystem unabdingbar. Je nach Industriebranche muss dieses nationalen oder internationalen Regelwerken sowie Kundennormen entsprechen.

Die derzeit in Europa am stärksten verbreiteten Normen sind die DIN ISO EN 9000 - 9004 und die QS 9000. Einen wesentlichen Bestandteil dieser Normen bildet die Vorschrift, dass die Durchführung und das Ergebnis einer Prüfung zu dokumentieren sind. Der fehlende Nachweis für die Einhaltung dieses Regelwerks gilt inzwischen als klarer Wettbewerbsnachteil.

Dies trifft vor allem dann zu, wenn es sich um sicherheitsrelevante Komponenten handelt. Insbesondere in Nordamerika, wo die Gesetzgebung zur Produkthaftung sehr umfassend ausgelegt und angewendet wird, können Hersteller unter Umständen in existenzbedrohendem Umfang haftbar gemacht werden. Der Dokumentation der Prüfung kommt bei einer juristischen Klärung von Produkthaftungsansprüchen entscheidende Bedeutung zu.

Um Ansprüche aus der Produkthaftung auszuschließen, muss das Prüfergebnis zurückverfolgt und der beanstandeten Komponente eindeutig zugeordnet werden können. Eine nahezu perfekte Lösung ist die auf das Einzelteil bezogene Dokumentation der Prüfergebnisse bei gleichzeitiger automatischer Markierung des geprüften Teils durch ein Bildverarbeitungssystem.

Automatisierung der Produktionsabläufe

Durch die Integration von Bildverarbeitungssystemen in Fertigungslinien können Produktionsabläufe erheblich beschleunigt werden. Häufig ist die Erkennung der Lage eines Objekts die Voraussetzung für seine gezielte Ausrichtung, Positionierung und Bestückung im weiteren Prozessverlauf. Anhand der durch Industrielle Bildverarbeitung gewonnenen Ergebnisse wird es möglich, Produktions- und Fertigungsprozesse automatisch zu steuern und zu überwachen.

Wirtschaftlichkeit

Um die Wirtschaftlichkeit des Einsatzes von Bildverarbeitung zu beurteilen, müssen die Kosten des Gesamtprozesses betrachtet werden. Der pekuniäre Wert vermiedener Kundenreklamationen, eingesparter Ausbau- und Austauschkosten in späteren Prozessabschnitten und einer besseren Absicherung gegen Rückrufaktionen und Schadensersatzforderungen ist nicht auf den ersten Blick abzuschätzen und lässt sich nicht immer eindeutig belegen.

Ähnlich verhält es sich mit dem Umstand, dass durch den Einsatz Industrieller Bildverarbeitung auch der Strategie der ständigen Verbesserung Rechnung getragen wird. Insbesondere wenn es in den Fertigungsprozess eingebunden wird, bewirkt der Einsatz eines Bildverarbeitungssystems eine höhere Gesamteffizienz.

In eine Wirtschaftlichkeitsabschätzung sind immer die möglichen Auswirkungen eines nicht erkannten Fehlers im Produktionsablauf einzubeziehen. Dabei muss auch von dem Fall ausgegangen werden, dass dieser Fehler bis zum Endkunden durchschlägt.

Als Beispiel einer Wirtschaftlichkeitsberechnung dient ein realisiertes IBV-Projekt mit einem Investitionsvolumen von 67.000 €

Systemkomponenten

27.500 €

Software

15.000 €

Mechanik

14.500 €

Integration

4.000 €

Dokumentation und Schulung

6.000 €

Summe

67.000 €

Dem Investitionsvolumen stehen eventuelle Einsparungen bei der Realisierung des eigenen Qualitätszieles gegenüber. Es müssen die Qualitätskosten (siehe Tabelle 1), also die Kosten für die derzeitige Prüfmethode, die eventuellen Nacharbeitskosten, die Kosten für Sortieraktionen beim Kunden und die Höhe der Verluste, die durch eventuelle Imageeinbußen und das Ausbleiben von Folgeaufträgen entstehen würden, ermittelt und die derzeitigen DPM-Zahlen mit den Forderungen der Kunden verglichen werden. Im vorliegenden Projekt lagen folgende qualitätsbezogenen Kosten vor:

Prüfkosten pro anno (1 MA)

60.000 €

Nacharbeitskosten im Haus

5.000 €

Nacharbeitskosten beim Kunden

7.500 €

Summe

72.500 €

Neben den Investitionen und den möglichen Einsparungen müssen Betriebskosten berücksichtigt werden. Diese betragen zum Beispiel:

Energiekosten

2.500 €

Instandhaltungskosten (6 % des Neuwerts)

4.000 €

Betreuungsaufwand

6.000 €

Zinsen (8 %)

3.000 €

Abschreibungskosten

14.000 €

Summe

29.500 €

Die Einsparung pro anno beträgt

72.500 €

Die Betriebskosten pro anno betragen

29.500 €

Die Nettoeinsparung beträgt demnach

43.000 €

Dies ergibt eine Amortisationszeit von 67.000 € / 43.000 €/Jahr = 1,6 Jahren.

Zur Charakterisierung der Aufgabenstellung sollte eine Einordnung in die übliche IBV-Klassifizierung vorgenommen werden. In Tabelle 2 befindet sich eine Beschreibung unterschiedlicher Prüfaufgaben mit Beispielen aus verschiedenen Branchen.

Aus der Sicht des Anwenders, also des Fertigungsleiters, des Fertigungsplaners oder des QS-Beauftragten, ist die Industrielle Bildverarbeitung ein Mess- bzw. Prüfmittel. Deshalb sind beim Einsatz von Bildverarbeitungssystemen die entsprechenden Vorgaben für die Mess- und Prüfmittelfähigkeit zu beachten.

Prüfmittelfähigkeit

Um aus den Messwerten korrekte Rückschlüsse auf den Prozess ziehen zu können, ist es von entscheidender Bedeutung, dass die Werte mit ausreichender Genauigkeit erfasst wurden. Wird also ein Produkt durch ein Bildverarbeitungssystem anhand quantitativer Merkmale beurteilt, so muss dieses System die Anforderungen der Prüfmittelfähigkeit erfüllen und unterliegt der Prüfmittelüberwachung. Es muss dann kalibrierfähig ausgeführt, in regelmäßigen Abständen auf seine Messgenauigkeit hin überprüft und gegebenenfalls neu kalibriert werden. Das Bildverarbeitungssystem muss inklusive aller erforderlichen Kalibriermittel in die Prüfmittelüberwachung des Qualitätsmanagementplans aufgenommen und wie ein Messmittel gewertet werden.

Folgende Definitionen sind hierbei zu beachten:

  • Genauigkeit (Accuracy)
  • Wiederholpräzision/Wiederholbarkeit (Repeatability)
  • Vergleichspräzision/Nachvollziehbarkeit (Reproducibility)
  • Stabilität (Stability)
  • Linearität (Linearity)

Bei der Qualifikation des Prüfmittels ist wie folgt vorzugehen:

  • Verfahren 1: Genauigkeit und Fähigkeitsindizes Cg , Cgk
  • Verfahren 2: Wiederhol-, Vergleichspräzision und Gesamtstreubereich
  • Verfahren 3: Wiederholpräzision und Gesamtstreubereich (ohne Bedienereinfluss)

Anwendungsfelder der IBV

Der Anwender setzt das Werkzeug IBV ein, um

  • unterschiedliche Werkstücke oder Produkte zu sortieren
  • Prozesse zu überwachen
  • den Qualitätszustand eines Werkstückes zu überprüfen

Im letzten Fall ist die IBV den zerstörungsfreien Prüfverfahren zuzuordnen und ist im Speziellen eine Methode zur automatisierten visuellen Prüfung. Eine besondere Eigenschaft neben der Zerstörungsfreiheit ist, dass die IBV berührungslos arbeitet.

Zur Charakterisierung der Aufgabenstellung sollte eine Einordnung in die heute übliche IBV-Klassifizierung vorgenommen werden. Tabelle 2 zeigt eine Beschreibung unterschiedlicher Prüfaufgaben.

Grenzen des IBV-Einsatzes

Je häufiger sich eine Prüfung wiederholt und je höher die Taktrate ist, desto sinnvoller ist der Einsatz digitaler Bildverarbeitung. Grundsätzlich gilt, dass die Prüfbedingungen standardisiert und die Prüfmerkmale eindeutig beschreibbar sein müssen, damit ein Bildverarbeitungssystem in eine industrielle Fertigung integriert werden kann. Ständige Veränderungen des Umfelds erhöhen den notwendigen Aufwand deutlich, was ein IBV-Projekt letztlich unwirtschaftlich machen kann:

  • raue Industrieumgebungen z. B. mit Ölnebel, Staub, Erschütterungen und Wärme,
  • reflektierende Produktoberflächen wie z. B. von glänzenden Metallen, durchsichtige oder teilweise durchsichtige Glas- und Kunststoffmaterialien oder auch Farbabweichungen sowie
  • wechselnde Ausleuchtung des Prüfobjekts oder Schwankungen in der Umgebungshelligkeit

erfordern bei der Planung und Realisierung einer Lösung aus dem Bereich der Industriellen Bildverarbeitung besondere Sorgfalt.

Bei stark wechselnden Produkt- und Fehlereigenschaften sowie sich verändernden Umwelteinflüssen ist die obligatorische Machbarkeitsstudie auf alle extremen Ausprägungen hin zu erweitern.

Bildaufnahme und Bildauswertung

Jedes Prüf- oder Messsystem, das auf digitaler Bildverarbeitung basiert, kann in zwei grundlegende Funktionsbausteine unterteilt werden:

  • Bildaufnahme
  • Bildauswertung

Der erste Funktionsbaustein ist für die Datengewinnung zuständig; im Falle der IBV ist dies die Aufnahme eines oder mehrerer Bilder des Werkstücks mithilfe einer Kamera. Den zweiten Schritt bildet die digitale Bearbeitung der Daten mit einem Rechner, um eine Aussage über das Werkstück oder den Prozess abzuleiten.

Sowohl Kameratechnik als auch Rechnertechnik sind immer noch Gegenstand einer sehr dynamischen Entwicklung, sodass sich die technologischen Möglichkeiten und Grenzen ständig erweitern.

Beide Entwicklungslinien stellen nach wie vor die technologischen Triebfedern der Industriellen Bildverarbeitung dar. Ernstzunehmende Aktivitäten auf diesem Gebiet gibt es seit Mitte der achtziger Jahre. Voraussetzung dafür war auf Seiten der Datengewinnung die Verfügbarkeit robuster und preiswerter CCD-Kameras, während im Bereich der Datenverarbeitung das Vorhandensein leistungsfähiger und industrietauglicher Rechnerplattformen entscheidend war. Am Anfang wurden fast ausschließlich Rechnerplattformen in VME-Bustechnik eingesetzt, die jedoch wegen des besseren Preis-Leistungs-Verhältnisses mehr und mehr von der PCI-Technik abgelöst wurden. Heute repräsentiert der Industrie-PC mit seinen Standard-Bussystemen unter dem Betriebssystem Windows den Stand der Technik.

Industrielle Bildverarbeitung ist in starkem Maße multidisziplinär. Unter dem Aspekt der Datenverarbeitung wurden die Bildgewinnung mittels Sensorik und die Bildauswertung mithilfe eines Rechnersystems und der zugehörigen Algorithmik bereits grob beschrieben. Zur Bildgewinnung gehören aber auch Beleuchtungstechnik und Optik sowie mechanische Komponenten wie Werkstückaufnahmen oder Positioniereinheiten, und die Software umfasst neben der eigentlichen Bildauswertung die Benutzerschnittstelle, die Anbindung an die Fertigungslinie und die Erstellung von Prüfprotokollen für die Fertigung sowie gegebenenfalls die Qualitätssicherung.

Prinzipiell besteht ein industrielles Bildverarbeitungssystem aus den Komponenten:

  • Beleuchtung
  • Optik
  • Kamera
  • Auswerteelektronik
  • Auswerteprogramme
  • Schnittstellen
  • Mechanik.

Eine Videokamera und einen PC kann man heute in jedem Elektronikmarkt oder Kaufhaus erwerben. Damit ist jedoch die industrielle Aufgabenstellung noch nicht gelöst. Industrielle Bildverarbeitung ist multidisziplinär und erfordert Kompetenzen auf einer Vielzahl von Gebieten. Die Kernkompetenz vieler Anbieter liegt im Bereich der Softwareentwicklung. Die Beleuchtungstechnik wird experimentell festgelegt; Kameratechnik und Bildverarbeitungs-Hardware werden in der Regel zugekauft. Das Bildverarbeitungssystem muss schließlich auch noch in die Fertigung integriert werden, wofür Kenntnisse aus der Fertigungs- und Handhabungstechnik sowie aus dem Bereich der Elektroinstallation notwendig sind.

Die Beleuchtung

ist ein wesentlicher Bestandteil der IBV. Bereits mit der Auswahl der Beleuchtung nimmt man entscheidenden Einfluss auf die Darstellungsqualität und damit auf die Leistungsfähigkeit des Systems. Wichtige Prüfmerkmale, wichtige Messpunkte oder auch zu detektierende Fehler sollten mit hohem Kontrast abgebildet werden. Häufig sind konstante Beleuchtungsbedingungen Voraussetzung für stabile Prüfergebnisse. Fremdlicht kann eine Prüfung so stark beeinflussen, dass das Gesamtsystem in seiner Funktion beeinträchtigt ist. Teilweise können Veränderungen in den Beleuchtungsverhältnissen mit einem entsprechenden Prüfprogramm kompensiert werden. Allerdings sind derartige Maßnahmen in der Regel mit unverhältnismäßig hohen Zusatzkosten verbunden.

Wegen der erheblichen Bedeutung der Beleuchtung gibt es zunehmend spezialisierte Anbieter für die industrielle Bildverarbeitung. In Frage kommen Standard-Beleuchtungsmittel wie Leuchtstoffröhren mit vorgeschaltetem Hochfrequenzteil, Glühlampen, Xenonröhren oder Kaltlichtquellen. Von besonderem Interesse sind leistungsstarke Diodenquellen, die mechanisch sehr robust sind und eine hohe Standzeit aufweisen. Zudem können sie auch gepulst eingesetzt werden und so Blitzröhren ersetzen. Mit geeigneten Filtern oder Lichtabdeckungen können Einflüsse von Tageslicht oder Fremdlichtquellen vermindert werden. Für Sonderfälle wie z. B. für die dreidimensionale Vermessung stehen spezielle Projektionslaser bzw. Projektoren für Lichtschnitte oder Lichtgitter zur Verfügung.

»Die Basis menschlichen Sehens ist Wissen - Die Basis maschinellen Sehens ist die Beleuchtung«. Bei der Bewertung der Beleuchtungstechnik müssen auch die Lebensdauer der eingesetzten Leuchtmittel sowie die je nach Austauschintervall entstehenden Wartungskosten berücksichtigt werden.

Die Optik

Als Optik werden Objektive bezeichnet, mit denen das beleuchtete Werkstück auf die Kamera abgebildet wird. Das Objektiv bestimmt die Größe des abgebildeten Ausschnitts und damit das Auflösungsvermögen des Bildverarbeitungssystems. Beispielsweise gilt bei einem Bildfeld von 500 mm horizontal und einer Pixelanzahl von 2.048 Bildpunkten auf einem CCD-Chip eine Auflösung von 2.048 Pixel/500 mm = 4,1 Pixel/mm. Optische Komponenten sind für die Anbieter von IBV-Systemen in der Regel Zukaufteile aus dem breiten Angebot der Fototechnik. Blende und Fokus müssen nicht nur einstellbar sondern auch arretierbar sein.

In der Industriellen Bildverarbeitung können jedoch auch spezielle Objektive notwendig und sinnvoll sein. Für Vermessungsaufgaben sollten telezentrische Objektive und, wenn möglich, im Durchlicht auch telezentrische Beleuchtungen eingesetzt werden, die dafür sorgen, dass Verschiebungen in der z-Ebene nur geringe Veränderungen von Messgrößen in der x-y-Ebene zur Folge haben. Andere spezielle Objektive sind zum Beispiel Endoskope, mit denen Hohlräume und Bohrungen geprüft werden können.

Bei hochpräzisen Vermessungsaufgaben sollten telezentrische Objektive und möglichst auch telezentrische Beleuchtungen eingesetzt werden. Dadurch werden Verzerrungen vermieden und das Prüfprogramm muss keine komplizierten Winkelkorrekturen enthalten.

Die Kamera

Als Kameras werden CCD- und zunehmend CMOS-Kameras eingesetzt. Die CMOS-Technik bietet bei vergleichbarer Bildqualität weitgehende Blendfreiheit, hohe Temperaturfestigkeit, wahlfreien Pixelzugriff und geringen Stromverbrauch und ist zudem kostengünstiger zu fertigen. Weitere interessante Perspektiven verspricht die Integration von CMOS-Sensoren zusammen mit Bildverarbeitungsfunktionen auf einem Chip.

Der CCD-Chip (charged coupled device) ist ein Halbleiterbaustein, der linear oder rechteckig angeordnete, lichtempfindliche Bereiche aufweist. Der optische Aufbau entspricht dem eines Fotoapparats, d. h. jedem lichtempfindlichen Bereich des Sensors kann ein Bildbereich des Objekts zugeordnet werden. Anders als beim Fotoapparat erfolgt die optische Abbildung jedoch nicht auf einem Film, sondern auf einem elektronischen Sensor, eben dem CCD-Chip. CCD-Chips nehmen das Bild als Fläche (ca. 250.000 bis 11.000.000 Bildpunkte oder Pixel) oder zeilenweise (1.000 bis 12.000 Bildpunkte) auf.

Elektronische Kameras enthalten neben dem Chip die Kameraelektronik, die für die Aufbereitung der Sensordaten sorgt.

Wesentlich ist das Auslesen der Sensordaten aus dem Chip und die Ausgabe der Daten an andere elektronische Komponenten.

Videokameras liefern ihre Bilddaten vorwiegend als digitales Signal an eine standardisierte Schnittstelle wie CameraLink, Gigabit-Ethernet, Firewire oder USB. Die Vorteile der digitalen Ausgabe liegen in der höheren Unempfindlichkeit gegenüber Störungen sowie darin, dass längere Leitungswege zwischen Kamera und Auswerteelektronik möglich werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Kamera vom Rechner aus gesteuert werden kann. Progressive Scan-Flächenkameras erlauben die Ausgabe der Bilddaten in einem Vollbild und sind für industrielle Anwendungen zu bevorzugen.

Die Kameras können auch bewegte Objekte ohne Bewegungsunschärfe erfassen, wenn die Belichtungszeit kurz gewählt wird. Werden kurze Belichtungszeiten gewünscht, muss für ausreichend helle Beleuchtung gesorgt werden.

Farbkameras lösen ein Farbbild in die drei Farbbereiche Rot-Grün-Blau auf und sind entweder als Ein-Chip- oder Drei-Chip-Version erhältlich. Die Verwendung mehrerer Chips bewirkt eine höhere Auflösung, ist aber auch kostspieliger.

Unter der Vielzahl der angebotenen Kameras findet sich für fast jede Anwendung eine geeignete Bauform oder Elektronik. Im industriellen Bereich sollte jedoch nur die jeweils neueste Kamerageneration mit folgenden Mindesteigenschaften eingesetzt werden:

  • Belichtungssteuerung (Shutter)
  • Vollbildausgabe (Progressive Scan)
  • Gain-/Offset-Einstellung
  • Gamma-Korrektur

Die Standardauflösung beträgt 640 x 480 Bildpunkte, wird jedoch zunehmend von höherauflösenden Sensoren mit ca. 1.024 x 1.024 Bildpunkten verdrängt. Für spezielle Anwendungen sind auch noch höhere Auflösungen verfügbar. Für manche Anwendungen ist auch eine Zeilenkamera sinnvoll. Das Bild des Prüflings entsteht durch Zusammensetzen der einzelnen Zeilen im Rechner. Interessant ist diese Technik bei schnell bewegten Teilen. Vorteilhaft ist die Möglichkeit eines freien Bildformats und der Konzentration der Lichtleistung auf die geringe Fläche einer Zeile.

Die Auswerteelektronik

berechnet aus den aufgenommenen Bilddaten Messgrößen, Steuersignale für Sortiervorrichtungen oder Qualitätsparameter für Prozesse und Produkte. Bei den sogenannten »Intelligenten Kameras« ist die Auswerteelektronik bereits in die Kamera integriert. Bei der konventionellen IBV dagegen besteht die Auswerteelektronik aus einem Rechner, der über ein Kabel mit der Kamera verbunden ist. Als Basis stehen dafür PC, VME-Bus oder spezielle Hardwaresysteme zur Verfügung. Für den PC gibt es Einsteckkarten, die die Digitalisierung sowie komplexere Funktionen für die Bildvorverarbeitung oder auch die Auswertung übernehmen können.

Wie bereits erwähnt, ist der Industrie-PC mit einem Bussystem nach PCI-Standard unter dem Betriebssystem Windows momentan der Stand der Technik in der Industriellen Bildverarbeitung. Der PC wird durch eine geeignete Einsteckkarte für die Bildverarbeitung aufgerüstet. Im einfachsten Fall bilden diese Einsteckkarten lediglich die Schnittstelle zur Kamera und digitalisieren die analogen Kamerasignale. Solche Framegrabber sind bereits ab 500 € erhältlich. Flexiblere Ausführungen, die es erlauben, unterschiedlichste Kameramodelle anzuschließen, liegen bei 1.000 bis 3.000 €. Spezielle Karten, die zusätzliche Verarbeitungsleistung für die Bildverarbeitung anbieten, liegen preislich in der Größenordnung von 6.000 € oder darüber. Zunehmend an Bedeutung gewinnen Kameras, die über den Firewire-Bus (IEEE 1394) oder Gigabit-Ethernet an den Host-PC angekoppelt werden.

Der Markt für Rechnertechnik unterliegt sehr großen Innovationssprüngen. Es ist daher sinnvoll, bereits bei der Planung des Bildverarbeitungseinsatzes darauf zu achten, dass die notwendige Hardware während der vorgesehenen Nutzungsdauer verfügbar sein wird. Außerdem sollte auf Spezial-Hardware möglichst verzichtet werden.

Die Auswertesoftware

zur Bewertung des Videobildes muss je nach der zu lösenden Aufgabe und dem Ziel der Untersuchung (z. B. Messen, Lesen, Vollständigkeit prüfen oder Kratzer finden) unterschiedlich beschaffen sein. Die Software gibt das Ergebnis an Steuerungen weiter, die z. B. das Signal für das Aussortieren von Schlecht-Teilen an die Mechanik geben. In der Regel sind kundenspezifische Anpassungen bei den Benutzerschnittstellen, bei der Prozessanbindung, der Protokollierung und der gewünschten Auswertung erforderlich. Die entsprechenden Entwicklungskosten können die Kosten für die Hardware leicht übersteigen.

Bei der Entwicklung des Prüfprogramms sollte bereits der spätere Einsatz in der Fertigung im Auge behalten werden. Um das System an neue Produkte oder Produktvarianten anzupassen, muss das Programm vom Prüfpersonal selbst in einfacher Weise parametrisiert werden können. Es muss daher schon frühzeitig ein Augenmerk auf die Gestaltung der Benutzeroberfläche gelegt werden.

Nach Meinung der Fachwelt wird der Anteil der Software noch erheblich wachsen.

Die Mechanik

Zur Mechanik zählen die Befestigungen von Kamera und Beleuchtung sowie die Führung des Werkstücks und das Handling. Die Kosten für den mechanischen Aufbau und für die Bauteilpositionierung zur Bildaufnahme bei der Integration eines Bildverarbeitungssystems in einem Prozess können daher leicht die Kosten des Systems erreichen oder im Einzelfall sogar übersteigen.

Die Qualität der Mechanik hat starken Einfluss auf die Funktion des Gesamtsystems. Es ist wichtig, dass die Befestigungen stabil sind und dass das Werkstück gut geführt ist. Wenn Werkstücke nicht lagerichtig vor der Kamera positioniert werden können, macht dies die Auswertung schwieriger und verlangsamt eventuell den Fertigungsprozess. Der Auftraggeber sollte seine eigene Erfahrung mit der Handhabung der Werkstücke einbringen, denn damit können die Kosten für das Gesamtsystem eventuell erheblich reduziert werden.

Die Autoren dieses Beitrages:
Autoren des Beitrags sind die Mitglieder des Arbeitskreises „Industrielle Bildverarbeitung“ des VDI, Bezirksverein Nürnberg e.V., und der Technologie-Initiative Mittelfranken der IHK Nürnberg. Der Text entstand in Zusammenarbeit mit der Fraunhofer-Allianz Vision unter Leitung von Dr. Norbert Bauer.
16 Institute der Fraunhofer-Gesellschaft haben sich zur Allianz Fraunhofer-Vision zusammengeschlossen. Die »Vision-Institute« tauschen Wissen und Erfahrung untereinander aus, nutzen die Synergien unterschiedlich gelagerter Kompetenzen und kooperieren im Rahmen von Projekten. Mit der klaren Ausrichtung auf die angewandte Forschung wird dabei die gemeinsame Zielsetzung verfolgt, neue Entwicklungen unter industriellen Bedingungen einsetzbar zu machen.
Zentrale Anlaufstelle der Allianz ist die Geschäftsstelle in Erlangen. Von hier aus können Anfragen zur Machbarkeit einschließlich Zeit- und Kostenrahmen schnell beantwortet werden.

Norbert Bauer, Handbuch zur Industriellen Bildverarbeitung, Fraunhofer Verlag, Stuttgart 2008. Mit freundlicher Genehmigung der Fraunhofer-Allianz Vision, Erlangen.

DIN EN ISO 9001:2015

Zum ISO 9001:2015 Special

Prozesswelt

Serie zum Thema Prozesse, veröffentlicht von QM-Experten deutscher Unternehmen gemeinsam mit der N5 GmbH und der Fachzeitschrift QZ

Zur Prozesswelt