Beispielhafte Beleuchtungslösung in der Qualitätssicherung

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1 Vision & Control GmbH Mittelbergstraße Suhl Germany Telefon: +49 (0) / Telefax: +49 (0) / Fachartikel Erschienen in: ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe: 19 / 2012 Beispielhafte Beleuchtungslösung in der Qualitätssicherung Autor: Alexander Schmidt, Produktmanager Beleuchtung / Optik, Vision & Control GmbH

2 Beispielhafte Beleuchtungslösung in der Qualitätssicherung Ein Bildverarbeitungssystem macht Maschinen sehend und gibt damit Fehlern keine Chance. Nur die besten Teile werden bestehen. Dafür braucht es eine Kamera mit entsprechendem Objektiv, eine abgestimmte Beleuchtung sowie Software. Bei Vision & Control gibt es all dies aus einer Hand - einen Systembaukasten für die Bildverarbeitung. Im Folgenden wird der Baustein Beleuchtung ins rechte Licht gerückt. Mit Dunkelfeldbeleuchtung und telezentrischer Beleuchtung geht es auf Fehlersuche. Voller Überraschungen: die Dunkelfeldbeleuchtung Bei der Dunkelfeldbeleuchtung wird das Licht flach von der Seite eingestrahlt. Das zu prüfende Objekt wird im Bild dunkel dargestellt. Gemäß dem Reflexionsgesetz ist der Einfallswinkel gleich dem Ausfallswinkel. Beim Dunkelfeldringlicht werden die radialen Lichtstrahlen durch Kratzer, Erhebungen, Vertiefungen, Prägungen, Beulen, Oberflächenstrukturen und Phasen am Prüfobjekt abgelenkt. Diese Störungen lenken das Licht in Richtung Kamera, sodass die Fehler auf dem Prüfbild der Kamera hell erscheinen. Abbildung 1: Prinzip Dunkelfeldbeleuchtung mit Ringlicht - Licht der Beleuchtung fällt nicht direkt ins Objektiv. Das beleuchtete Feld erscheint dunkel, Störungen hell. (Quelle: Vision & Control GmbH) Vision & Control bietet für diese Beleuchtungsart radiale, ringförmig angeordnete LED- Lichtquellen an, die sich für kleine Arbeitsabstände und bis zu einer ausgeleuchteten Fläche mit einem Durchmesser von 128 mm eignen.

3 Abbildung 2: Ringbeleuchtungen von Vision & Control (Quelle: Vision & Control GmbH) Dunkelfeldbeleuchtungen finden ihren Einsatz bei der Oberflächenkontrolle an spiegelnden Objekten, der Anwesenheits- und Vollständigkeitskontrolle, Schrift- und Zeichenerkennung, Lage- und Drehlageerkennung sowie zur Werkstückidentifikation in Montage- und Handhabungsprozessen sowie bei Verpackungs- und Befüllungsprozessen. Eine weitere Möglichkeit ist die Montage von vier Linienbeleuchtungen in einem 4- Seitenhalter. Die im Rechteck angeordneten Leuchtelemente können beliebig geneigt werden. Damit sind Beleuchtungssituationen von Hellfeld bis Dunkelfeld einstellbar. Die Lichtrichtung der 4-Seitenbeleuchtung (siehe Abbildung 3) kann dadurch an die Gegebenheiten des Prüfobjektes individuell angepasst werden. Die modulare Bauweise ermöglicht dem Anwender die Größe (Mindestlänge einer Seite ist 25mm, in 25mm Schritten kaskadierbar), die Geometrie (Rechteckige oder quadratische 4- Seitenbeleuchtung), die Lichtführung (diffus oder gerichtet) sowie die Leuchtfeldbreite (7mm oder 14mm) anzupassen. Durch die Kombination der einzelnen Baugruppen kann für unterschiedlichste Anforderungen eine individuell zugeschnittene Beleuchtungslösung realisiert werden. Abbildung 3: Die Linienbeleuchtungen können dank Haltersystem zu einer individuell adaptierbaren 4-Seitenbeleuchtung montiert werden. (Quelle: Vision & Control GmbH) Dies minimiert die Projektkosten für die Bildverarbeitungs-Lösung entscheidend, da auf Standardprodukte zurückgegriffen werden kann. Des Weiteren ist es möglich auf die Anforderungen des Endkunden schnell zu reagieren, da keine Neuentwicklung angestoßen werden muss. Dies ist gerade in der Verpackungsindustrie ein entscheidender Vorteil. Hier muss immer wieder auf die Konsumtrends reagiert

4 werden, wodurch Verpackungen ständig um- oder neugestaltet werden. Damit ist auch eine schnelle Anpassung der Bildverarbeitung notwendig. Koaxialen Ringbeleuchtungen (siehe Abbildung 4) sind ursprünglich für Hellfeldanwendung vorgesehen. Benötigt der Anwender diese Beleuchtungsform für ein radiales Beleuchtungsszenario, hilft ebenfalls das umfangreiche Zubehör weiter. Mittels spezieller Dunkelfeldvorsätze wird das Licht in radialer Richtung gegenüber der Prüfobjektebene umgelenkt. Mit nur einer Beleuchtungsgrundbaugruppe kann der Anwender mittels geschickter Kombination des Zubehörs bis zu sieben unterschiedliche Lichtszenarien realisieren. Dies sorgt für maximale Flexibilität beim Anwender und minimiert die Anschaffungs- und Lagerungskosten beim Maschinenbauer. Abbildung 4: Ringbeleuchtung RK613 in unterschiedlichen Wellenlängen und umfangreichem Zubehör (Quelle: Vision & Control GmbH) Qualitätskontrolle in der Automobilindustrie Zulieferteile für die Automobilindustrie erfordern heutzutage generell eine 100- prozentige Qualitätskontrolle. Im folgenden Beispiel werden Metallstanzteile mit komplexer Oberfläche inspiziert. Wie es in der Praxis häufig vorkommt, konnte auch in diesem Fall die Prüfzelle erst nachträglich in die Fertigungslinie integriert werden. Der Applikationsingenieur fand eine typische Situation für den Teiletransport vor: glänzende Teile liegen auf einem schmutzigen, dunklen Förderband. Die folgende Prüfaufgabe wurde gestellt: präzise Bestimmung der Lage "Innenvierkant zu breitem Zahn". Dies wurde notwendig, da Innen- und Außenstanzung in zwei verschiedenen Fertigungsgängen durchgeführt werden. Dabei können die Teile eine unterschiedliche Oberflächengüte (glänzend, matt, farblich angelaufen) aufweisen.

5 Abbildung 5: Prüfbild mit Dunkelfeldbeleuchtung (Quelle: Vision & Control GmbH) Die Beleuchtung muss trotz unterschiedlichster Oberflächen so arbeiten, dass alle Teile erkannt und geprüft werden können. Die Dunkelfeldbeleuchtung macht es möglich, dass sich die Kanten eindeutig abheben und die Konturen trotz dunklem Hintergrund gut auswertbar sind (Abbildung 5). Qualitätskontrolle mittels AOI-Systeme in der Produktronik Im zweiten Beispiel kommt ein Bildverarbeitungssystem in einem sogenannten AOI- System (Automatische optische Inspektion) zum Einsatz, um bestückte Leiterplatten zu inspizieren (Abbildung 6). Mit dieser Technologie gehören falsch bestückte Bauteile und fehlerhafte Lötstellen der Vergangenheit an. Die Notwendigkeit der 100%-Kontrolle und der zunehmende Bedarf an elektrischen Baugruppen bedingt, dass die Automotive-Zulieferer auf die berührungslose Messtechnik mittels Bildverarbeitung zurückgreifen, um rentabel zu wirtschaften. Im folgenden Beispiel werden mit Hilfe einer Spezial-Dunkelfeldbeleuchtung, bestehend aus zwei gestapelten Dunkelfeldringlichtern, Leiterplatten inspiziert. Das verwendete Infrarot- bzw. Rotlicht der beiden Ringlichter lässt sich dabei stufenlos in der Helligkeit anpassen. Abbildung 6: Bildverarbeitungssystem zur visuellen Prüfung bestückter Leiterplatten (Quelle: Vision & Control GmbH)

6 Zunächst findet die Lötstellenkontrolle statt. Im roten Licht (Abbildung 7, linkes Bild) erscheint der grüne Lötstopplack dunkel (Komplementärfarbe) ebenso die Bauelemente. Lötstellen ohne Lötstopplack dagegen werden hell abgebildet. Als zweites erfolgt die Bestückungs- und Polaritätskontrolle. Infrarotes Licht durchdringt den Lötstopplack und lässt die Platine hell erscheinen. Dunkele Bauelemente heben sich gut ab so dass eine Vollständigkeits- und Polaritätskontrolle sicher durchgeführt werden kann (Abbildung 7, rechtes Bild). Abbildung 7: Im roten Licht erscheinen der grüne Lötstopplack und die Bauelemente dunkel. Lötstellen ohne Lötstopplack dagegen hell (links); Infrarotes Licht durchdringt den Lötstopplack und macht die Platine hell. Die Bauelemente sind dafür dunkel erkennbar und lassen sich auf Vollständigkeit und Polarität kontrollieren (rechts) (Quelle: Vision & Control GmbH) Licht aus unendlichen Weiten: Telezentrische Beleuchtung Telezentrische Objektive und Beleuchtungen sind seit über 20 Jahren fester Bestandteil der Qualitätsprüfung und Prozessüberwachung mit industrieller Bildverarbeitung. Sie tragen dazu bei, Objekte und Merkmale hoch präzise und zuverlässig zu inspizieren und zu vermessen. Applikationen mit Telezentrie eliminieren störende Einflüsse bei Schwankungen des Arbeitsabstandes, Verzerrungen durch Perspektive, Reflexionen an den Oberflächen der Prüfobjekte, sowie bei unterschiedlichen Materialien und durch Fremdlicht.

7 Abbildung 8: Telezentrische Beleuchtungen von Vision & Control (Quelle: Vision & Control GmbH) Telezentrische Beleuchtungen nutzen LED-Lichtquellen und sind mit starker Richtcharakteristik ausgerüstet. Bei beengten Platzverhältnissen helfen 90 - Strahlumlenkungsmodule dabei, den Strahlengang dieser naturgemäß langen Beleuchtungskomponenten hilfreich umzulenken. Vision & Control bietet telezentrische Beleuchtungen mit Leuchtfelddurchmessern von 10 bis 130 mm an. In Verbindung mit telezentrischen Objektiven lassen sich damit beste Konturschärfe- Ergebnisse im Durchlicht erzielen. Dies ist Voraussetzung für präzise Messungen, die frei von Perspektive sind, bei reflektierenden, glänzenden und transparenten Objekten. Die folgenden Beispiele veranschaulichen dies. Abbildung 9: Prüfaufbau mit telezentrischer Beleuchtung direkt gegenüber der Beobachtungsrichtung (Quelle: Vision & Control GmbH) Hochgenaue Längenmessungen im automatisierten Fertigungsprozess In einer Prüfzelle werden Rohrhülsen mit einem Vibrationswendelförderer den Montageprozess zugeführt. Ein telezentrisches Zweimessstellen-Objektiv, kombiniert mit zwei telezentrischen Infrarot-Blitzbeleuchtungen (Abbildung 10), bildet die

8 Hülsenkontur auf eine Intelligente Kamera ab, so dass die Länge in Bewegung vermessen werden kann. Die Kamera übernimmt gleichzeitig über die digitalen I/Os die Steuerung der gesamten Maschine (Triggerung, gut-/schlecht Sortierung, Ansteuerung des Vibrationswendelförderers). Durch diesen Automatisierungsprozess können die Rohrhülsen schneller montiert werden, was zu einem höheren Durchsatz führt. Die hochgenaue Messung sorgt für ein automatisches Ausschleusen vor dem Montageprozess und minimiert somit die Kosten für Ausschuss im Produktionsprozess. Die beiden kleinen Bildausschnitte des Zweimessstellen-Objektivs liefern die Voraussetzung für äußerst geringe Messunsicherheiten im Vergleich zur Länge des Prüfobjektes. Telezentrisches infrarotes Licht wird zur wirkungsvollen Fremdlichteinwirkung genutzt. Das garantiert, dass glänzende Teile und wechselnder Lichteinfall in der Produktionsumgebung keinen Einfluss auf die Messung haben. Abbildung 10: Prüfaufbau mit einem telezentrischen Zweimessstellen-Objektiv sowie zwei telezentrischen Infrarot-Blitzbeleuchtungen werden Rohrhülsen in Bewegung mit Hilfe einer pictor Kamera vermessen. (Quelle: Vision & Control GmbH) Rundlauf- und Maßprüfungen an Sinterteilen Bedingt durch das Fertigungsverfahren unterliegen Sinterteile besonderer Beobachtung nach der Fertigung. Durch die Prüfung gesinterter Teile lassen sich die Fertigungsparameter optimieren. Dazu werden die Teile in zwei Stationen vermessen auf: Durchmesser der Sintermetallrolle, Parallelität, Höhe, diverse Abstände, Rundlauf usw. Die Genauigkeitsanforderungen liegen hierbei im hundertstel Millimeter-Bereich und werden durch eine Kombination von telezentrischer Beleuchtung und telezentrischer Optik mittels industrieller Bildverarbeitung automatisch vermessen. Die Sinterteile werden über Wendelförderer und Zuführrinne der ersten Station zugeführt und vereinzelt. Zur Messung drehen sich die Teile im Durchlicht. Dabei werden Seitenschlag, Parallelität der Stirn- und Fußseite sowie Bauteilhöhe mit einer Genauigkeit von 0,05 mm vermessen. Der Rollendurchmesser wird sogar auf 0,02 mm genau vermessen.

9 Abbildung 11: Messaufbau zur Prüfung von Sinterteilen an unterschiedlichen Konturpunkten und der Durchgangsbohrung (Quelle: Vision & Control GmbH) Anschließend platziert ein Aufnahmedorn die Sintermetalle rechtwinklig zur Kamera. Die Drehung der Teile ermöglicht jetzt eine Messung des Rundlaufs. Mit einem zusätzlichen Messfenstern wird ein möglicher Höhenschlag des Aufnahmedorns während der Messung ermittelt und gegebenenfalls die Messergebnisse korrigiert. Abbildung 12: Die zu prüfenden Sintermetallteile (links); Prüfbild in der Kamera (rechts) (Quelle: Vision & Control GmbH) Nur eine kleine Auswahl von Möglichkeiten Die im Vorhergehenden dargestellten Beispiele geben nur einen kleinen Einblick in die Vielfalt, Chancen und Kombinationsmöglichkeiten von Beleuchtungsdesign. Des Weiteren gibt es spezielle Anordnungen wie fokussierte Zeilenbeleuchtungen, koaxial eingespiegelte Beleuchtungen, SPOT-Beleuchtungen u.a. Darüber hinaus sei zu erwähnen, dass komplexere Aufgaben der Machine Vision nur durch Kombination verschiedener Beleuchtungstechniken möglich sind.