Optische Systeme. für eine effiziente Produktion. Industrielle Bildverarbeitung und Optosensorik / 11

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1 Optische Systeme für eine effiziente Produktion Industrielle Bildverarbeitung und Optosensorik 2013/ 11

2 Nürnberg, Kleiner großer Wurf Die Mako betritt das Rampenlicht mit dem besten qualitativen Mix aus Leistung, Größe und Kosten. Ihre ultra-präzise ausgerichteten CCD- und CMOS-Sensoren liefern gestochen scharfe Bilder bei bis zu 100 fps. Mit ihrem kleinen und robusten industriellen Gehäuse, 12 V bis 24 V Stromversorgung, Power over Ethernet und vier opto-isolierten I/O-Anschlüssen ist die Mako eine vollwertige Industriekamera mit vielfältigen Einsatzmöglichkeiten. Entdecken Sie die preiswerten Mako Modelle mit GigE Vision Interface und bis zu 4 Megapixeln Auflösung (demnächst auch mit USB3 Vision erhältlich) unter S E E I N G I S B E L I E V I N G

3 Bildverarbeitung Zahlen, Daten, Fakten Der moderne Mensch hat meistens vier Augen. Zwei in seinem Kopf, und zwei in der Hosentasche in Form zweier Kameras seines Smartphones. Die Optiken könnten kaum unterschiedlicher sein. Das menschliche Auge ist weich. Es besteht aus einer Iris (der Blende), einer Linse und der Netzhaut als lichtempfindlicher Sensorschicht. Die Kamera hingegen ist hart, hat eine Blende, rund zwei bis vier Linsen und einen Bildsensor. Jede Farbe des Lichts hat eine andere Wellenlänge und wird im Prisma unterschiedlich stark gekrümmt. Das bedeutet: Weißes Licht ist aus farbigen Lichtern, den so genannten Spektralfarben, zusammengesetzt. Sie sieht man bei einem Regenbogen. Schon der englische Naturforscher und Mathematiker Isaac Newton (1643 bis 1727) entdeckte die verschiedenen Farben des Lichts, darunter die drei Primärfarben Rot, Gelb und Blau. Der Mensch sieht nur etwa 40 Prozent der im Sonnenlicht enthaltenen Farben. Foto: fotolia Während das Auge mit der Kamera seit längerem einen elektronischen Konkurrenten hat, ist die elektronische Nase erst seit wenigen Jahrzehnten überhaupt in greifbare Umsetzung gerückt. Es handelt sich um ein technisches System zur Messung von Gasen oder Gerüchen. Elektronischen Nasen wird eine große Zukunft vorhergesagt. Sie können in der Lebensmittelindustrie verdorbenes Fleisch aufspüren oder möglicherweise sogar in der Medizin anhand des Atems Lungenkrebs erkennen. Im Prinzip ist jeder Rauchmelder eine elektronische Nase, sagt der Neurobiologe Michael Schmuker.

4 Gastbeitrag Multitalent Bildverarbeitung informationen Gemeinschaftsstand bei SPS IPC Drives Dr. Olaf Munkelt Vorsitzender VDMA Industrielle Bildverarbeiter Die Themen Automatisierung und Bildverarbeitung wachsen zusammen. Deshalb wird während der Automatisierungsmesse SPS IPC Drives in diesem Jahr mehr Bildverarbeitungstechnik zu sehen sein als je zuvor. Der VDMA organisiert dort erstmals einen Gemeinschaftsstand zum Thema»Industrielle Bildverarbeitung«. Zudem greift der Verband das Thema auf seinem Forum in Halle 3, Stand 618, mit einer täglichen Podiumsdiskussion auf. Am VDMA-Gemeinschaftsstand findet man 22 Aussteller. i Bildverarbeitungssysteme sind Alleskönner: Sie ermöglichen hundertprozentige Qualität im Fertigungstakt, steuern Abläufe, erkennen Bauteile und liefern wertvolle Daten zur Optimierung der Produktion. Deshalb ist es naheliegend, einen tiefer gehenden Blick auf das maschinelle Sehen zu werfen. Es bietet enormes Verbesserungspotenzial für Anwender im Maschinen- und Anlagenbau. Bildverarbeitungstechnologie lässt sich ohne Umstände einsetzen. Standardisierte Schnittstellen erlauben die schnelle Integration in Produktionsanlagen. Waren früher Experten gefordert, um eine Bildverarbeitungslösung einzurichten, lassen sich nun durch intuitive Konfigurationsmöglichkeiten und ergonomische Softwareoberflächen viele Anpassungen ohne größere Vorkenntnisse durchführen. Durch höhere Kameraauflösungen und steigende Prozessorleistungen wächst die Leistungsfähigkeit ständig. 3D- und Farbbildverarbeitung erweitern die Anwendungsmöglichkeiten zusätzlich. Längst ist die industrielle Bildverarbeitung ein wichtiger Technologiebaustein geworden. Sie hat sich zum Innovationstreiber im Maschinenbau und im produzierenden Gewerbe entwickelt. Durch das deutliche Zusammenwachsen von Bildverarbeitung und Maschinensteuerung wird sich diese Rolle künftig noch verstärken. Das Supplement Optische Systeme für eine effiziente Produktion. Industrielle Bildverarbeitung und Optosensorik zeigt spannende Beispiele der neuesten Anwendungen, die auf viele Einsatzfelder übertragbar sind. Der Anlagen- und Maschinenbau nutzt diese Chance. Halle 7A, Gemeinschaftsstand 636 und 720 Olaf Munkelt

5 Inhalt Gastbeitrag 4 Multitalent Bildverarbeitung Bildauswertung: Die Delle auf einem Karosserieblech zeigt die deflektometrische Registrierung. 8 Embedded Vision 6 zwischen Schlagwort und Realität Bildverarbeitungssysteme sind zum integralen Bestandteil einer Maschine geworden. Aus den Vision-Sensoren und Kameras sind hochkompakte Superrechner geworden. Thermische Deflektometrie: 8 Streifen machen schön Grundsätzlich sind deflektometrische Verfahren von Projektionsverfahren zu unterscheiden, die bei der industriellen Qualitätssicherung eingesetzt werden. Der gläserne Prozess: 10 Industrie 4.0 in der Logistik Die exakte zeitliche Abstimmung von Informations- und Materialflüssen auf die Prozesse erfordert ein hohes Maß an Transparenz. Ereignisgesteuerte Prozesse werden in Zukunft durch reale Zustände ausgelöst. Inneninspektion ohne Eintauchen: Mit einer universellen Prüfanlage lassen sich Sonderlösungen durch die Zusammenstellung von Modulen ersetzen. Dadurch ergibt sich ein hohes Maß an Flexibilität. 18 SUPPLEMENTS 2014 Die Themen lauten: Präzisionswerkzeuge, Robotik + Automation, IT & PLM, Antriebstechnik. Wenn der Scheinwerfer aufleuchtet: 12 Qualitätskontrolle macht Fahrzeuge sicher Weder Null-Fehler-Toleranz noch absolute Kontrolle sind ohne Inspektionssystem erreichbar. 3D-Bildverarbeitung bringt 15 Produktionseffizienz in eine neue Dimension Die industrielle Bildverarbeitung ist in der dritten Dimension angekommen. Die neuen Bildverarbeitungssysteme sparen ganze Produktionsschritte ein. Zur Prüfung in den Fallturm 18 Selbst komplexe Formteile werden im Sekundentakt auf Risse, Lunker oder Brüche untersucht. Neue Optionen für die Bahninspektion 20 Kompakt-Image-Sensoren ziehen in industrielle Prozesse ein. Intelligenz überwindet Barrieren aus Schmutz 23 Störungen und Verschmutzung werden von intelligenten Sensoren frühzeitig erkannt. Anpassungen leicht gemacht 26 Maschinensteuerungen müssen einfach zu bedienen und leicht anzupassen sein. Individuell bedienbare und anpassbare Benutzeroberflächen meistern den Spagat zwischen komplexen Funktionen und übersichtlichem Funktionsumfang. Innovative Sensortechnologie 28 reduziert Verschmutzungseffekte Verschmutzung ist der natürliche Feind von Lichtschranken und optischen Messgeräten. Eine innovative Sensortechnologie verwendet Laserlicht, wenn Sensoren in verschmutzter Umgebung arbeiten. 28 Titelbild: AVT Stärke braucht den vollen Einsatz 30 Aus technischer Sicht hat die Performance der Sensoren für den Anwender höchste Priorität. Gastbeitrag 33 Auf Licht gebaut

6 Embedded Vision zwischen Schlagwort und Realität von Carsten Strampe Bildverarbeitungssysteme als integralen Bestandteil einer Maschine zu betrachten kurzum als Embedded Vision System ist ein neuer Trend, der bereits in den Alltag im Maschinenbau Einzug gehalten hat. Nicht nur die Vision Sensoren oder intelligenten Kameras sondern hochkompakte Superrechner werden inzwischen in Hochleistungsmaschinen eingebaut. Anhand von zwei Beispielen wird die dahinterliegende Hardwaretechnologie beschrieben. Fotos: Imago Maschinen produzieren eine Vielzahl von Produkten, die in der Qualität online geprüft werden. Auch die Steuerung oder Regelung von Maschinenparametern kann mit Hilfe von Bildverarbeitung verbessert werden. Somit geht es um die Frage, wie der Maschinenbauingenieur die Hard- und Software zur Bildverarbeitung integriert, damit diese wie andere Sensoren und Steuerungen funktioniert. Ein weiterer Aspekt ist die Intelligenz der Bildverarbeitungssoftware. Diese steigt stetig, nicht nur durch die Erwartungen der Anwender sondern auch durch die Typenvielfalt, die heutzutage eine Maschine produzieren muss. Intelligenz der Software bedeutet jedoch komplexere Algorithmen, diese wiederum benötigen mehr Prozessorleistung. Nun möchte man die Maschine nicht gleich zu einem Rechenzentrum ausbauen notwendig ist es jedoch schon, die beste Performance zu haben. Zudem steigen die Ansprüche der Kunden sei es, dass sie mehr Details erkennen möchten (dafür ist eine höhere Kameraauflösung notwendig), oder dass die Maschinengeschwindigkeit steigt. Die Datenmengen und die Ansprüche an die Rechner steigen somit nichtlinear aufgrund von: Komplexeren (schlaueren) Algorithmen Höheren Kameraauflösungen Mehr Bildaufnahmen pro Sekunde. Vorab sei gefragt: Was ist 1 GFLOP? In einer Sekunde ist ein Rechner in der Lage eine Milliarde Gleitkomma-Operationen auszuführen (FLOP, englisch: floating point operation). In der Welt der Supercomputer hatte zum Beispiel ein Intel-Supercomputer vor 20 Jahren eine Rechenleistung von 140 GFLOP und bestand aus zahlreichen Schaltschränken voll mit Rechnern. So etwas muss sich niemand neben eine Maschine stellen, um damit ein Bildverarbeitungssystem zu realisieren. Erforderlich ist diese Rechenleistung jedoch für heutige Anforderungen schon. Zum Beispiel: Fehler von zwei Zehntel Millimetern sollen bei Bahnlaufgeschwindigkeiten von vier Metern pro Sekunde Echtzeit per Win7Embedded mit der Vision-Box: Eine bessere Rechenleistung als der Intel Supercomputer vor 20 Jahren bietet der Bildverarbeitungsrechner Vision-Box Octa mit 160 GFLOPs. detektiert werden. Permanent rauschen dann 320 Megabyte pro Sekunde in den Rechner. Komplexe Mathematik soll dann möglichst die Fehler finden. Dass dieses bewältigt werden kann, zeigt eine neue Rechnergeneration von Imago: Im Formfaktor nicht größer als ein dickes Taschenbuch, weder mit Kühlkörper noch Lüfter ausgestattet, werkelt in der Vision-Box ein achtfach Multikernprozessor, ausgestattet mit einer maximalen Rechenleistung von 160 GFLOPs somit mehr als der Supercomputer vor 20 Jahren leistete. Der Multikernprozessor ist hergestellt worden von Texas Instruments, einem der großen Halbleiterhersteller, der traditionell in der Lage ist, Prozessoren bei wenig Stromverbrauch mit hoher Rechenleistung auszustatten. Um diese Chiptechnologie herum haben die Imago-Ingenieure Hardware, Firmware und Middleware so entwickelt, dass daraus einer der weltweit kompaktesten Machine-Vision-Bildverarbeitungsrechner entstanden ist. Imago blickt auf eine Firmengründung im Jahr 1994 zurück und ist seit 1998 im Umfeld von Komponenten für die industrielle Bildverarbeitung unterwegs. Mit der neuesten so genannten Vision-Box Octa ist ein Meilenstein gesetzt worden. Der Mehrkernrechner wurde alltagstauglich und für die Bildverarbeitungsaufgaben der Maschinenbauhersteller zur Verfügung stellt. Aus dem Know-how der Bildverarbeitungsrechner für den Maschinenbau sind weitere Ideen entstanden. So gibt es abseits der Echtzeit-Hochleistungsanforderungen auch die Notwendigkeit, klassische Windows-Rechner an die Kameras anzubinden und in die Maschine zu integrieren, Stichwort Windows 7 Embedded. Imago setzt sich von den Herstellern der 6

7 Industrie-PCs ab und spezialisiert sich über ein Dutzend Rechnertypen im Markt, die auf die Anforderungen im Maschinenbau spezialisiert sind. Weiterhin diffundiert die Technologie auch in die Kameras, die mit einem integrierten Prozessor hardwareseitig ein komplettes Vision-System darstellen. Die Imago-Kameras adressieren die OEM- Anforderungen mit der Notwendigkeit einer freien Programmierung, da die speziellen Aufgaben in einer Maschine nicht mit einem Standardprogramm abgebildet werden können. Zudem lässt sich über die freie Programmierung das Programm an sich ändernde Gegebenheiten anpassen. Mit Kanonen auf Spatzen schießen? Embedded Vision wird erst dann wirklich erfolgreich, wenn durch die Kette der Komponenten, inklusive Firmware und Software, überlegt wird, welche Freiheitsgrade der Optimierung es noch gibt. Den leistungsfähigsten Rechner mit ineffizientem Datenfluss, überdimensionierten Intel- und TI-Rechner im Schaltschrank (links). Die intelligente Kamera (rechts) ist unauffällig. Sieht aus wie ein Sensor, ist aber frei in C++ programmierbar: die Vision-Cam. Algorithmen und dann noch eine bunte 3D-animierte Oberfläche einzusetzen das ist einfach zu bewerkstelligen. Embedded heißt aus der Sicht von Imago, die Ingenieurskunst sprechen zu lassen. Bilder müssen genügend Informationen liefern und können mit einer Bildvorverarbeitung schon im Umfang reduziert werden. Zusatzinformationen aus der Maschine mit ersten Abstraktionen machen es dem Applikationsentwickler einfacher, eine schlanke Software zu entwickeln. Der Umgang mit den Entwicklungswerkzeugen und die richtige Bedienoberfläche runden die Applikation ab. Updates werden weltweit einfach ins System eingespielt. Zudem muss die Embedded-Hardware langfristig lieferbar sein. Hier gibt es bei den Prozessorherstellern Unterschiede, die teilweise schon im Vorfeld die Entscheidung in der Komponentenauswahl beeinflussen. Selbstverständlich sollte zum Entscheidungszeitpunkt die neueste Technologie zur Verfügung stehen die dann allerdings auch eine Maschinengeneration lang lieferbar sein muss. Carsten Strampe Geschäftsführer IMAGO Technologies GmbH Bildverarbeitung sichert Ihre Produktqualität. Vertrauen Sie unserer Erfahrung. NeuroCheck steht für innovative und sichere Systeme zur optischen Qualitätskontrolle. Sichtprüfanlagen mit der NeuroCheck Software werden seit 20 Jahren weltweit in allen Bereichen der industriellen Fertigung eingesetzt. Wir liefern Ihnen die komplette Applikationslösung: Nahtlose Integration in Ihren Fertigungsverbund, zusammen mit einer unternehmensweiten Standardisierung alles komplett aus einer Hand, mit kurzen Realisierungszeiten. Sprechen Sie noch heute mit einem unserer Experten! NeuroCheck GmbH Neckarstraße 76/1 D Remseck Tel. +49 (0) Fax +49 (0) neurocheck.com

8 Thermische Deflektometrie: Streifen machen schön von MICHAEL HEIZMANN, STEFAN WERLING UND SEBASTIAN HÖFER Oberflächen bestimmen die Qualität vieler Produkte. Ob lackierte Flächen auf Automobilen, im Haushalt oder funktionelle Oberflächen im Maschinenbau: Die Oberflächengeometrie ist eine Eigenschaft, die für die industrielle Qualitätssicherung eine wichtige Bedeutung besitzt. Es gibt zahlreiche Verfahren und Prüfeinrichtungen für die Oberflächengeometrie. Grundsätzlich sind deflektometrische Verfahren von Projektionsverfahren wie der Streifenprojektion oder der Lasertriangulation zu unterscheiden. Deflektometrie und Projektionsverfahren arbeiten mit Mustern (meist Streifenmustern), aber ihre Strahlengänge und somit die erzielbare geometrische Auflösung sind grundlegend verschieden. Bei Projektionsverfahren werden mittels eines Projektors Muster auf die zu prüfende Oberfläche projiziert, wo die Muster in diffuser Reflexion sichtbar sind. Dagegen werden bei der Deflektometrie die Muster auf einem diffus abstrahlenden Schirm angezeigt und von der zu prüfenden Oberfläche spiegelnd reflektiert. Charakteristisch ist, dass sich im Gegensatz zu Projektionsverfahren der scheinbare Ort des Musters je nach Position des Beobachters ändert. Die mittels Deflektometrie erzielbare Höhenauflösung ist bei gleichem apparativem Aufwand um mehrere Größenordnungen höher als bei Projektionsverfahren. Bei Projektionsverfahren ist die Höhenauflösung im Wesentlichen durch den Abstand der Kamerapixel am Ort der zu prüfenden Oberfläche abhängig. Bei einem angenommenen Pixelabstand von 0,1 Millimeter (dies entspricht bei einer Megapixel-Kamera einem Bildfeld von 0,1 m x 0,1 Meter ohne perspektivische Verzerrung) und einem Triangulationswinkel von 45 Grad ist eine Höhenauflösung von 140 Mikrometern möglich. Durch eine geschickte optische Anordnung und Nachverarbeitung der aufgenommenen Bilddaten erzielen Geräte auf dem Stand der Technik etwa für Inspektionsaufgaben in der Automobilindustrie Höhenauflösungen bis zu zehn Mikrometern. Bei deflektometrischen Verfahren wird die Höhenauflösung dagegen maßgeblich durch den Abstand des Schirms von der zu prüfenden Oberfläche bestimmt. Eine überschlägige Rechnung mit derselben Kameraauflösung und einem üblichen Computermonitor zeigt, dass Neigungsauflösungen von 0,02 Grad und Höhenauflösungen von 0,04 Mikrometern möglich sind. Dies bedeutet, dass das Höhenauflösungsvermögen der Deflektometrie bei weitem die Wellenlänge des verwendeten Lichts unterschreitet und dies mit einem Prüfaufbau, der auf Standardkomponenten beruht und ohne Berücksichtigung wellenoptischer Effekte auskommt. Die erzielbare hohe Auflösung erklärt auch, warum die Deflektometrie in der Metrologie zur hochgenauen Vermessung von Oberflächen zum Einsatz kommt. Dort werden Höhenauflösungen von weniger als einem Nanometer erzielt. Deflektometrische Verfahren setzen allerdings voraus, dass die Oberfläche zumindest einen Teil des einfallenden Lichts gemäß dem Reflexionsgesetz spiegelt. Viele relevante Oberflächen besitzen jedoch keine (teil-)spiegelnde Reflexion. Dies ist zum Beispiel der Fall bei Karosserieblechen, die erst nach der Lackierung spiegeln. Dort sind vorhandene Beulen oder Wellen in der Größenordnung von zehn Mikrometern nach der Lackierung erkennbar. Während Projektionssysteme solche Defekte nur am Rand ihres Auflösungsvermögens detektieren können, sind übliche deflektometrische Verfahren, die mit sichtbarem Licht arbeiten, aufgrund der unzureichenden spiegelnden Reflektanz nicht anwendbar. Eine Lösungsmöglichkeit besteht darin, das deflektometrische Verfahren mit thermischer Strahlung im Wellenlängenbereich von acht bis 14 Mikrometern (thermisches Infrarot) zu betreiben. Dieser Spektralbereich besitzt zwei Vorteile: Fotos: Fraunhofer-IOSB Deflektometrische Inspektion eines Karosserieteils: Mit dieser Technik lassen sich visuell raue Oberflächen mit Höhenauflösungen von weniger als zehn Mikrometern prüfen. 8

9 Thermisches Bild eines rohen Blechs mit Delle: Deutlich ist die Verformung des Blechs zu sehen, allerdings ist auch erkennbar, dass der zeitsequenzielle Schreibvorgang dazu führt, dass ein Teil des geschriebenen Streifenmusters bereits abkühlt, während die Bildaufnahme erfolgt. Aufbau zur Erzeugung eines thermischen Musters mittels Laser. Beispielhaft erzeugtes thermisches Muster (aufgenommen im thermischen Infrarot). Erstens bewirkt die um mehr als den Faktor zehn größere Wellenlänge im Vergleich zum sichtbaren Licht, dass auch solche Oberflächen spiegelnd reflektieren, deren (quadratische) Rauheit um diesen Faktor größer ist. Dadurch sind auch unlackierte Bleche im thermischen Spektralbereich spiegelnd. Zweitens ist die spiegelnde Reflektanz vieler metallischer Werkstoffe im thermischen Spektralbereich höher. Als Nebeneffekt sind auch viele visuell transparente Materialien aus Glas oder Kunststoff in diesem Spektralbereich opak (lichtundurchlässig), so dass keine störenden Brechungseffekte oder Rückseitenreflexionen auftreten. Seit einiger Zeit sind Kameras für thermisches Infrarot verfügbar, die eine hinreichende Ortsauflösung (Pixelzahl) und Empfindlichkeit aufweisen. Technisch herausfordernd ist jedoch immer noch die Erzeugung von zeitlich veränderlichen Mustern auf einem Schirm. Während für sichtbares Licht günstige (LCD-)Monitore verfügbar sind, die als preisgünstige Mustererzeuger eingesetzt werden können, gibt es außer für Spezialanwendungen in der Wehrtechnik keine kommerziellen Mustergeneratoren im thermischen Infrarot. Bildauswertung: Die Delle auf einem Karosserieblech zeigt die deflektometrische Registrierung. Am Lehrstuhl für Interaktive Echtzeitsysteme des Karlsruher Instituts für Technologie KIT und dem Fraunhofer IOSB wird daher an Techniken geforscht, die zur Mustererzeugung im thermischen Infrarot geeignet sind. Dazu werden momentan zwei Ansätze verfolgt: Bei dem einen Ansatz schreibt ein CO2-Laser ein Streifenmuster auf eine Projektionsfläche, die dadurch lokal erwärmt wird. Die Infrarotkamera betrachtet dann die Reflexion des thermischen Musters in der Prüffläche. Momentane Forschungsarbeiten beschäftigen sich daher damit, wie dieses charakteristische Abkühlverhalten gezielt zur Kodierung verwendet werden kann. Der zweite Ansatz verwendet diskrete elektrische Widerstände, die gezielt bestromt werden, um das gewünschte thermische Muster zu erzeugen. Die deflektometrische Registrierung dient in nachfolgenden Verarbeitungsschritten zur Gewinnung von Krümmungs-, Neigungs- und Gestaltinformationen über das Prüfobjekt. Herausforderungen mit beiden Prüfaufbauten liegen momentan vor allem noch in der Dynamik der Mustererzeugung, da zum Musterwechsel eine Abkühlung des Schirms bzw. des Widerstandsarrays erforderlich sind. Dr.-Ing. Michael Heizmann Abteilung Mess-, Regelungs- und Diagnosesysteme MRD Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB Telefon Dr.-Ing. Stefan Werling Abteilung Mess-, Regelungs- und Diagnosesysteme MRD Fraunhofer-IOSB Telefon Sebastian Höfer Lehrstuhl für Interaktive Echtzeitsysteme Institut für Anthropomatik Karlsruher Institut für Technologie KIT Telefon know-how Thermische Deflektometrie Die Forschungsergebnisse lassen das große Potenzial der Deflektometrie erkennen, um das Ziel der perfekten Oberfläche zu erreichen. Diese Technik ist derzeit das einzige nicht-mikroskopische Verfahren, mit dem sich visuell raue Oberflächen mit Höhenauflösungen von weniger als zehn Mikrometern prüfen lassen. Zudem eröffnet die durchgängige Anwendung der Deflektometrie vom Rohmaterial (zum Beispiel vom rohen Blech) bis zum lackierten Produkt die Möglichkeit zur großflächigen produktionsbegleitenden Prüfung. 9

10 Der gläserne Prozess: Industrie 4.0 in der Logistik von ISABEL PETRI Die exakte zeitliche Abstimmung von Informations- und Materialflüssen auf die Prozesse erfordert ein hohes Maß an Transparenz. Daher haben sich der innerbetriebliche Informationsfluss sowie der Austausch mit vor- und nachgelagerten Unternehmen entlang der Supply Chain stark entwickelt. Nun geht es einen Schritt weiter. Die Entwicklung des gläsernen Prozesses schafft Transparenz, sodass ereignisgesteuerte Prozesse durch reale Zustände ausgelöst werden. Als Basis für eine Umsetzung dient die intelligente Bildverarbeitung. Mittels einer über IP-Adresse eindeutig identifizierbaren Kamera, die an einen Prozessschritt gekoppelt ist und den Zustand beziehungsweise das Prozessergebnis erkennt, wird eine standardisierte Informationsbasis am realen Prozess geschaffen. Durch den Einsatz von automatisierten Kommunikationstechnologien ist die Transparenz auf die gesamte Supply Chain erweiterbar. Ereignis gesteuerte Prozesse setzen voraus, dass an jedem Prozessschritt der Zustand und das Prozessergebnis erkannt werden können, die Folge und Wirkung der einzelnen Prozessschritte in Abhängigkeit vom aktuellen Systemzustand definiert und flexibel verknüpft sind, sodass die Steuerung vollautomatisch auf den erkannten Zustand reagieren kann. Durch das eingesetzte Identifikationssystem RFID kann erkannt werden, in welchem Prozessschritt sich ein Erzeugnis befindet. Der Zustand oder das Prozessergebnis ist jedoch nicht bekannt, sondern wird dem erwarteten Soll-Prozessergebnis gleichgesetzt. Es wird also davon ausgegangen, dass der vorangegangene Schritt auch wirklich so erfolgt ist, wie er geplant war. Eine Abweichung ist mit RFID nicht erkennbar. Die intelligente Bildverarbeitung nutzt Kameras, die das jeweilige Produkt ebenfalls identifizieren und zusätzlich anhand von Merkmalen überprüfen, in welchem Zustand es sich tatsächlich befindet. Informationen über durchlaufene Prozesse werden vom Produkt selbst anhand von Merkmalen mitgeführt und können jederzeit und an jedem Prozessschritt durch die Bildverarbeitung erkannt werden. Per Schnittstelle werden die Informationen an einen Rechner weitergegeben. Im IT-System sind logische Prozessverknüpfungen hinterlegt, anhand deren zeitnah und ereignisbezogen darüber entschieden wird, was als nächstes erfolgt. Die Produkte werden zum nächsten freien Bearbeitungsschritt geleitet und können ohne Wartezeit weiter bearbeitet werden. Fotos: Optimum Bildverarbeitung bei Innenverkleidungsteilen in der Luftfahrt: Das System mit dem Namen Der schlaue Klaus zeigt mit Hilfe von Kameras und einer intelligenten Software an, ob die Teile die richtige Form, Größe und Farbe haben und ob alle Knöpfe, Beschriftungen, Laschen und Klappen an der richtigen Stelle sitzen. 10

11 informationen Optimum datamanagement solutions Die Optimum datamanagement solutions GmbH hat sich auf die industrielle Bildverarbeitung spezialisiert und bietet mit dem schlauen Klaus eine Komplettlösung für die Qualitätskontrolle. Der Datenbank gestützte Prüfautomat kontrolliert Produkte oder einzelne Bauteile auf Vollständigkeit und Richtigkeit. Jedes neue Ereignis, wird im gläsernen Prozess sofort erkannt und verarbeitet, sodass dieses durch die Prozesssteuerung berücksichtigt wird. Bei internen Ereignissen wie der Feststellung eines Mangels an dem jeweiligen Produkt oder dem Ausfall einer Maschine wird anhand der logischen Verknüpfungen abgefragt, was passieren muss, damit es nicht zu weiteren Mängeln kommt oder was alternativ geschehen kann, sodass die Prozesskette nicht unterbrochen wird. Bei externen Ereignissen wie plötzlicher Mehrbedarf, kurzfristige Änderung der Ausprägung i Jedes neue Ereignis, wird im gläsernen Prozess sofort erkannt und verarbeitet, sodass dieses durch die Prozesssteuerung berücksichtigt wird. Isabel Petri oder Lieferverzug des Vorlieferanten müssen logische Verknüpfungen blitzschnell angepasst und Prozesse neu definiert werden. Die Produktinformationen bleiben dadurch unverändert. Die innerbetriebliche Logistik profitiert von der prozessbegleitenden Qualitätskontrolle, die schnelles und automatisches Eingreifen ermöglicht, wenn beispielsweise Fertigungstoleranzen nicht eingehalten werden. Durch die rationale Entscheidungsmatrix können große finanzielle Schäden durch Vorziehen von anderen Schritten vermieden werden. Die unternehmensübergreifende Logistik profitiert ebenfalls durch die gesteigerte Transparenz der Prozesse. Hierfür müssen jedoch auch die Voraussetzungen für ausreichend Kommunikation geschaffen werden. Deuten sich beispielsweise Verzögerungen bei Beschaffung oder Distribution an, erfährt dies der nachgelagerte Prozess frühzeitig, und es können andere Aufträge vorgezogen werden. Isabel Petri OPTIMUM datamanagement solutions GmbH Telefon know-how Der schlaue Klaus Das Bildverarbeitungsprogramm der Optimum datamanagement solutions GmbH Der schlaue Klaus zeigt mit Hilfe von Kameras und einer intelligenten Software sorgt für eine optische Kontrolle von Innenverkleidungsteilen, die in Luftfahrzeugen verbaut werden. Es zeigt an, ob die Teile die richtige Form, Größe und Farbe haben und ob alle Knöpfe, Beschriftungen, Laschen und Klappen an der richtigen Stelle sitzen. Nach Einschätzung des Auftraggebers verringert sich die Prüfzeit pro Satz Innenverkleidung dadurch von 60 auf 20 Stunden. Die eingesetzte Software ist so programmiert, dass sie die verschiedenen Produkte der Innenverkleidung erkennt und diese auf Richtigkeit und Vorhandensein der Merkmale überprüft. Durch optimale Beleuchtung ist dafür gesorgt, dass der schlaue Klaus auch unterschiedliche Texturen und feinste Unterschiede erkennt. Vor allem die Zeitersparnis hat den Kunden positiv überrascht. Das System verhindert, dass ein fehlerhaftes Teil weiterverarbeitet oder gar versendet wird. Die Toleranzen lassen sich variabel nach Bedarf einstellen, denn auch kleinste Abweichungen erkennt das System und meldet diese zuverlässig. 11

12 Wenn der Scheinwerfer aufleuchtet: Qualitätskontrolle macht Fahrzeuge sicher VON JEAN-PHILIPPE ROMAN Ohne Bildverarbeitungssysteme gerät die Autoherstellung ins Stocken. Weder Null-Fehler- Toleranz noch absolute Kontrolle sind ohne Inspektionssystem erreichbar. Seien es korrekt montierte Bremsen, der Tragrahmen oder die Patronen der Airbags: Die Automobilindustrie setzt in mehrfacher Hinsicht auf die Unterstützung durch die industrielle Bildverarbeitung. Fotos: avt Am BMW-Standort Landshut werden mit der maßgeschneiderten AVT-Lösung täglich mehrere hundert Armaturenträger in der Prüfkabine kontrolliert. Bremsen müssen richtig montiert sein. Für 1200 Typen stehen 64 Prüfmerkmale an, die nur mit Hilfe von intelligenter Software und angeschlossener Datenbank zu meistern sind. Unscheinbar wirkt die blau-graue Kabine am Ende der Kleinserienmontagelinie für Scheibenbremsen bei Knorr-Bremse im niederbayerischen Aldersbach. Trotzdem hat sie eine wichtige und qualitätssichernde Funktion: Jedes der auf Werkstückträgern montierten Schwergewichte aus der Scheibenbremsenproduktion wird im Arbeitsraum der Prüfkabine genauestens untersucht. Die Beleuchtung erstrahlt, drei Kameras und zwei Linienlaser richten ihren Blick auf die Bremse. Innerhalb von Millisekunden errechnet die Software, ob die Scheibenbremse entsprechend der vorgegebenen Stückliste und Montagevorgaben richtig montiert ist. Eine Bremse ist das wichtigste Sicherheitsbauteil im Fahrzeug, da muss alles zu 100 Prozent stimmen, erläutert Thomas Bauer, Projektingenieur für den Bereich Industrial Engineering Scheibenbremse bei Knorr-Bremse. Bevor sich die Verantwortlichen bei Knorr-Bremse für das Bildverarbeitungssystem von Neupro-Solutions aus Vilsbiburg in Zusammenarbeit mit Stemmer 12

13 Fotos: Knorr Bremse Imaging, dem Vertriebspartner von Allied Vision Technologies (AVT) aus Puchheim entschieden, haben Produktionsmitarbeiter per Sichtkontrolle die Qualität der Bremsen geprüft. Da eine Sichtprüfung immer unter dem menschlichen Einflussfaktor steht, entschieden wir uns für eine prozessstabile und automatisierte Lösung, erinnert sich Bauer. Auf dieser Kleinserienlinie stellt Knorr-Bremse das komplette Produktspektrum der Scheibenbremsen für Nutzfahrzeuge her, vom Sechs- bis zum 44-Tonner, vom Omnibus bis zur Zugmaschine. Bauer erläutert: Aktuell gibt es um die 1200 Varianten, und die Zahl steigt weiter. Für das Projekt kam es zu einer partnerschaftlichen Allianz zwischen drei Unternehmen. Stemmer Imaging lieferte die Bildverarbeitungskomponenten, damit Neupro Solutions aus Vilsbiburg als Gesamtverantwortlicher sie in ihr System integrieren konnte. Streicher Maschinenbau aus Deggendorf übernahm den Schaltschrankbau. Die Erfahrungen durch das neue Bildverarbeitungs- system geben uns die Möglichkeit, die vorhandenen Applikationen daraufhin zu verbessern, fasste Bauer zusammen. Bei den Bremsen handelt es sich um dokumentationspflichtige, sicherheitsgerichtete Bauteile. Deshalb werden sowohl die Bilddaten als auch die Prüfdaten in einer Datenbank archiviert und an Vom Armaturenbrett bis zu den Bremsen: Prüfanlagen mit industrieller Bildverarbeitung sorgen für Sicherheit und Nachverfolgbarkeit. die übergeordnete Steuerung weitergegeben. Bauer erläutert den Vorteil: Falls es nötig ist, haben wir in Sekundenschnelle alle Dokumente zu der gesuchten Bremse parat. Und dann wissen wir genau, welche Teile verbaut sind. Die Rückverfolgbarkeit ist also bis auf jede einzelne Schraube möglich. Armaturenträger aus verschiedenen Blickwinkeln beleuchtet Am BMW-Werk Landshut kontrolliert eine Prüfanlage mit Kameras von AVT Tragrahmen für das Armaturenbrett des Mini Countryman. Das für Laien unscheinbare Bauteil spielt eine wichtige Rolle für die Sicherheit und Qualitätsanmutung des Fahrzeugs: Auf diesem Strukturelement wird das Armaturenbrett montiert. Dazu Dank seiner Prüfung mit industrieller Bildverarbeitung leistet MOS Industrial einen wichtigen Beitrag zu automobilen Sicherheitssystemen, die täglich Leben retten. Jean-Philippe Roman Eine Prüfanlage mit Kameras von AVT kontrolliert den Tragrahmen für das Armaturenbrett des Mini Countryman. Die autarke Prüfkabine sorgt für die Vermessung der Träger. gehören wichtige Komponenten wie die Lenksäule sowie Knie-Airbagmodule. Außerdem muss die Geometrie des Trägers perfekt auf die Verkleidung abgestimmt sein, damit sie passgenau montiert werden kann. Ziemann & Urban, ein Prüf- und Automatisierungsspezialist aus Moosinning (Bayern), entwickelte und baute im Auftrag von BMW eine autarke Prüfkabine für die Geometriekontrolle der Tragrahmen. Die 35 Mitarbeiter des Unternehmens konzipieren Prüf- und Messsysteme für viele Anwendungsgebiete, vor allem in der Automobil-, Kunststoff-, Halbleiter- und Medizintechnikindustrie. Die Prüfkabine sorgt für eine fertigungsbegleitende, 100-prozentige Vermessung der Maßhaltigkeit der Träger in der Produktionsumgebung. Die Position von Befestigungspunkten für Airbags und Lenksäule muss dreidimensional gemessen werden. Außerdem soll die Anwesenheit und Gratfreiheit von Bohrungen und Durchbrüchen für die Montage von Verkleidungen und sonstigen Komponenten kontrolliert werden. Die gesamte Vermessung soll automatisch innerhalb von fünf Sekunden erfolgen, und die Anlage muss zwei Produktvarianten Links- und Rechtslenker auswerten. Eine zusätzliche technische Herausforderung besteht darin, dass durch die verwinkelte Form des Bauteils nicht alle Prüfpunkte aus demselben Blickwinkel erfasst werden können. Durch eine clevere Anordnung des Prüfobjekts und der Kameras sowie den geschickten Einsatz von 13

14 know-how Fotos: avt Industrielle Bildverarbeitung Industrielle Inspektion ist die Kernanwendung von Machine Vision. AVT-Kameras werden in einer breiten Vielfalt an Applikationen weltweit für die Qualitätsprüfung, Automation und Prozessoptimierung in verschiedenen Industriebereichen eingesetzt. Dazu gehören Branchen, die natürliche Produkte wie Holz oder Obst und Gemüse verarbeiten. Kameras verleihen Robotern und Maschinen Augen. Hintergrundbeleuchtung und Umlenkspiegeln konnte Ziemann & Urban auf eine aufwendige Wendung des Trägers verzichten. Eine mechanische Bewegung des Objekts, egal wie gut sie technisch gelöst wird, bringt Toleranzen mit sich und wirkt sich negativ auf die Präzision der dreidimensionalen Messung aus, erklärte Projektverantwortlicher Markus Urban. Der Verzicht darauf macht das Messverfahren einfacher und schneller. Alle Kameras, Laserstrahler und Leuchteinheiten sind fest montiert. Dadurch muss das Prüfobjekt nicht bewegt werden. Selbst temperaturbedingte Abweichungen werden durch spezielle Entkopplungsvorrichtungen an den Kameras sowie eine laufende Überwachung der Temperatur des Bauteils, der Messanlage und der Umgebung kompensiert. Das Ergebnis: eine Messgenauigkeit von 25 Mikrometern, die normalerweise nur in klimatisierten Messräumen erreicht wird. Mit dem Laser vermessen: Die verwinkelte Form des Bauteils macht den Einsatz mehrerer Kameras nötig. Um die Zuverlässigkeit von Druckgaspatronen zu garantieren, die die Airbags im Auto in Sekundenbruchteilen aufblasen, werden nicht nur die Gaspatronen überprüft, sondern neuerdings auch die Zylinderverschlüsse. Sensoren ermitteln die Lage der Patrone, die daraufhin von einer Kamera inspiziert wird. Kameras prüfen Airbag-Gaspatronen Airbags sind aus Autos nicht mehr wegzudenken. Ob für den Fahrer oder Beifahrer, Seiten- oder Fensterairbags die aufblasbaren Luftkissen entfalten sich innerhalb von Millisekunden, um Leben zu schützen. Die Airbags werden mit Druckgas aufgeblasen meist Distickstoffmonoxid, das in einer Metallpatrone gespeichert wird. Die Zuverlässigkeit dieser Gaspatronen ist entscheidend für die Entfaltung des Airbags und somit für die Insassensicherheit. Das taiwanesische Unternehmen MOS Industrial ist spezialisiert auf Druckgaspatronen. Die Anwendungsgebiete reichen von der Sahnesprühdose über Reifenreparatursets bis zu Druckluft-Reinigungsgeräten und Airbag-Auslösern. Um die Qualität und Zuverlässigkeit der Druckgaspatronen zu garantieren, entschied sich MOS für eine 100-prozentige Inspektion der Zylinderverschlüsse von den Gaspatronen mit Hilfe von digitaler Bildverarbeitung. Das Prüfsystem kontrolliert automatisch jede einzelne Patrone nach fünf Kriterien: Risse, falsch positioniertes Ventil, Beulen, Rost, und Dellen. Die Gaspatronen werden nach dem Zufallsprinzip geladen, können also mit der Öffnung nach links oder nach rechts liegen. Deshalb ist auf beiden Seiten eine Kamera montiert. Sensoren ermitteln die Orientierung der Patrone, um die richtige Kamera auszulösen. Dank ihrer geringen Maße war die AVT Guppy bestens geeignet für diese Anwendung, bei der an jeder Prüfstelle zwei Kameras mit Blitz installiert sind. Beitrag zur Sicherheit durch Bildverarbeitung Dank der 100-prozentigen Prüfung leistet die industrielle Bildverarbeitung einen wichtigen Beitrag zu automobilen Sicherheitssystemen, die täglich Leben retten. Auch die Überprüfung der Armaturen und die Kontrollen der Bremsen zählen zu den sicherheitskritischen Maßnahmen, bei denen keine Fehler unterlaufen dürfen. Die industrielle Bildverarbeitung wird in der Automobilindustrie verwendet, weil sie eine automatische, lückenlose Prüfung und Verfolgbarkeit von sicherheitsrelevanten Komponenten ermöglicht. Jean-Philippe Roman PR & Marketing Communications Manager Allied Vision Technologies GmbH Telefon /

15 3D-Bildverarbeitung bringt Produktionseffizienz in eine neue Dimension von HOLGER WIRTH Die industrielle Bildverarbeitung ist in der dritten Dimension angekommen und bringt enorme Vorteile mit sich. 3D-Bildverarbeitungssysteme sparen ganze Produktionsschritte. So profitieren Anwender von einer flexibleren und effizienteren Herstellung und erhöhen die Produktivität. In allen Branchen ist es das Bestreben der Hersteller, so effizient wie möglich zu produzieren, um Margen stabil zu halten. Der Einsatz von 3D-Bildverarbeitungssystemen ist ein hocheffektives Mittel, die gesamte Produktion zu optimieren: Die Technologie erlaubt es, Roboterführung beziehungsweise Positionserfassung und Qualitätssicherung in einem Schritt zu vereinen. So sichert sie ihren Nutzern eine signifikant höhere Produktivität und stärkt die Wettbewerbsfähigkeit. Für viele einfache Inspektions- und Messaufgaben ist der Gebrauch von maschinellem Sehen in zwei Dimensionen ausreichend. Seit Bildverarbeitungssysteme das räumliche Sehen integriert haben, können Herstellungsprozesse jedoch mit einer deutlichen höheren Effizienz rationalisiert werden. Aus überflüssig gemachten Prozessschritten ergeben sich beträchtliche Kosteneinsparungen. Von der Lebensmittelindustrie bis zur Halbleiterindustrie setzen mittlerweile die unterschiedlichsten Industriezweige auf dreidimensionale Bildverarbeitungssysteme. Der Markt bietet eine Reihe unterschiedlicher Methoden, mit denen sich 3D-Bilder aufnehmen, verarbeiten und hochgenaue Berechnungen durchführen lassen. Die Anwendung und die Prozessund Objekteigenschaften bestimmen die Auswahl des optimalen Verfahrens. Durch Temperaturkompensation werden die hochgenauen Messungen langzeitstabil. 15

16 Roboter hochpräzise in 3D führen Eines der wesentlichen Anwendungsgebiete der 3D-Bildverarbeitung ist die Roboterführung. Die räumliche Position von Objekten muss exakt bestimmt werden, um die Roboter in den korrekten Bewegungsablauf zu führen. Dafür eignet sich die Photogrammetrie, ein Verfahren aus der Messtechnik. Sie verknüpft Bildinformationen aus einer oder mehreren Kameras, um die Lage eines Objekts im Raum mit sechs Freiheitsgraden zu bestimmen. Viele dreidimensionale Messaufgaben lassen sich heutzutage sehr wirtschaftlich mit nur einer Kamera lösen. Mono-3D-Systeme benötigen lediglich ein aufgenommenes Bild mit drei zueinander bekannten Merkmalen, um alle sechs Freiheitsgrade eines Objekts auf den Hundertstelmillimeter präzise zu bestimmen. 3D-Stereosysteme, also Systeme mit zwei Kameras, kommen in der Regel dann zum Einsatz, wenn große Objekte gemessen werden sollen oder es auf eine sehr hohe Auflösung ankommt. Möchte man die Position des Prüfobjekts exakt identifizieren und dabei Qualitätsinspektionsaufgaben gleichzeitig durchführen, bietet sich die Mehrlinienkorrelation an. Sensoren, die die Projektion mehrerer Messlinien und eine LED-Flächenbeleuchtung kombinieren (Beispiel: Shapematch3D von Isra Vision), erlauben Die fortschrittliche Lösung für den Griff in die Kiste: Wenn Komplexität einfach per Touchscreen zu bedienen ist, dann erhält man ein wichtiges Effizienztool. Shapescan3D integriert Stereoprinzipien mit strukturierter robuster Beleuchtung. Automobilherstellern etwa, die finale Montageposition der Karosse sowie Spaltund Übergangsmaße in der Bewegung bis auf einige Hundertstelmillimeter genau zu überprüfen. Beispielhaft für neue, besonders effizienzrelevante Anwendungen mit 3D-Bildverarbeitung ist der intelligente Griff in die Kiste, an dem die Branche seit Jahrzehnten arbeitet: Hier kann der Greifarm des Roboters exakt das jeweils benötigte Element aus einem Behälter mit ungeordnet liegenden Teilen entnehmen und dem Fertigungsprozess direkt zuführen. Der Schlüssel liegt in der Berechnung einer 3D-Punktewolke, die die Kombination einer Vielzahl von Kamerabildern eines Stereo-Aufbaus voraussetzt. Die Bildverar- Mehrlinienbilder liefern durch 3D-Form-Matching Positionen und Messwerte für hochgenaue 3D-Inline- Aufgaben. Mono3D-Sensoren vereinen die robuste Kamera und die LED-Beleuchtung mit GigE-Interface und PoE. 16

17 Farbcodiertes Höhenbild eines Ball Grid Arrays: Die Weißlichtinterferometrie untersucht Hunderte von Kontaktpunkten auf Fehler und Ebenheit im Sub-Mikrometer-Bereich. 3D-Punktewolke wird nach dem nächsten zu greifenden Teil intelligent ausgewertet. beitungsmethoden setzen dann die Punktewolke zu komplexen Objekten zusammen. Sie wird mit 3D-Erkennungsverfahren analysiert, die zu erkennenden Objekte werden extrahiert und deren Position in 3D bestimmt. Eine anschließende Greifplanung für den Roboter macht mit integrierter automatischer Kalibrierung solch ein System wirklich praxistauglich. Ein Beispiel ist Shapescan3D von Isra. Zur Qualitätskontrolle 3D-Bildverarbeitungssysteme tragen einen großen Teil dazu bei, hohe Qualitätsstandards zu halten. Sie können Qualitätskontrollen flexibel innerhalb aller Prozessstufen übernehmen. Für unterschiedliche Anforderungen stehen verschiedene Sensoren mit jeweils anwendungsangepasster Messtechnologie zur Verfügung. Zu einem der in der Automobilproduktion sehr häufig genutzten Verfahren hat sich die Mehrlinientriangulation entwickelt. Diese 3D-Messtechnologie wird in Kompaktsensoren wie den SGS- und GGS- Sensoren von Isra verbaut, die stationär oder am Roboterarm arbeiten können. Es lassen sich damit beliebig viele LED-Linien auf ein Messobjekt projizieren, um Oberflächenmerkmale mit einer Präzision bis zu 0,01 Millimetern zu vermessen. Die Streifenprojektion ist ein Hilfsmittel, das zum Beispiel im Modellbau gerne dazu eingesetzt wird, eine digitalisierte Nachkonstruktion gefertigter Teile zu erhalten. Dafür wird ein Lichtmuster aus mehreren parallelen Linien auf der Oberfläche des Objekts abgebildet. Bei Unebenheiten deformieren sich die Linien und geben den Kameras Aufschluss über die gesuchten Höhenkoordinaten der Punkte, was in einer 3D-Punktewolke im Genauigkeitsbereich eines Hundertstelmillimeters resultiert. Weißlichtinterferometrie liefert sogar bei mikroskopisch kleinen Messobjekten schnelle und präzise Ergebnisse. Schlüssel für die 3D-Rekonstruktion des Objekts sind Überlagerungen von Lichtstrahlen. Diese Sensoren sind mittlerweile nicht nur für Off-Line-Qualitätslabormessungen, sondern auch für In-Line-Messungen optimiert und können unterschiedliche Materialien in verschiedenen Bearbeitungszuständen bis in den Nanometer- Bereich genau messen unter Laborbedingungen und im rauen Industrieumfeld (siehe Isras Korad3D). Bedienung muss einfacher werden Die Fülle der Anwendungsmöglichkeiten zeigt: 3D-Bildverarbeitung in der Produktion ist längst keine Vision mehr. Sie hat sich als elementarer Bestandteil automatisierter Fertigungsprozesse etabliert, aus dem produzierende Unternehmen maßgebliche wirtschaftliche Vorteile und Einsparpotentiale ziehen. Für die nächsten Jahre ist eine evolutionäre Weiterentwicklung zu erwarten. Die Zukunft wird kleiner, genauer, effizienter und ganz wichtig einfacher zu bedienen. Moderne Systeme weisen schon jetzt einen sehr hohen Grad an Be-dienkomfort auf (siehe Plug&Automate-Produkte von Isra). Die Integration von hoch komplexen, für den Industrie- Der Einsatz von 3D-Bildverarbeitungssystemen ist ein hocheffektives Mittel, die gesamte Produktion zu optimieren: Die Technologie erlaubt es, Roboterführung beziehungsweise Positionserfassung und Qualitätssicherung in einem Schritt zu vereinen. Holger Wirth alltag in der Robustheit optimierten Messmethoden in Verbindung mit allen für den Einsatz notwendigen Hilfsfunktionen angefangen von der Parametrierung und automatischen Kalibrierung bis hin zu der Kommunikation mit dem Prozess- und notwendigen Qualitätsreports ist eine Grundvoraussetzung, um mit 3D-Bildverarbeitung einen Sprung in der erreichbaren Produktionseffizienz zu realisieren. Holger Wirth Research & Development Industrial Automation ISRA VISION AG Telefon / know-how Spiegelnde Freiformflächen Die Vermessung von spiegelnden Freiformflächen stellt die 3D-Bildverarbeitung vor eine Herausforderung, weil ihre Oberfläche mit bekannten Standardverfahren nicht erfassbar ist. Die Lösung liegt beispielsweise in der phasenmessenden Deflektometrie. Anwendung findet sie in der Qualitätskontrolle von Wafern, Glaswerkstücken, Displays, Brillengläsern, Autoscheiben und Solarzellen. Anders als die übrigen Verfahren ermittelt die Deflektometrie nicht nur die Höhe, sondern auch die exakte Krümmung eines Objekts, um es in 3D zu erfassen beziehungsweise zu vermessen. Diese wird aus den Verzerrungen der auf das Objekt projizierten Muster abgeleitet. Messgenauigkeiten von einigen tausendstel Dioptrien sind erreichbar (Beispiel: Spec-Gage3D von Isra). 17

18 Zur Prüfung in den Fallturm VON JENS KRAUSSE Im Automobilsektor ist Schnelligkeit Trumpf. Die Anlagen zur optischen und akustischen Teileprüfung werden maßgeschneidert konzipiert. Selbst komplexe Formteile können im Sekundentakt auf Risse, Lunker, Brüche oder ähnliche Fehler untersucht werden. Für eine langwierige manuelle Prüfung bleibt bei den hohen Taktraten keine Zeit. Fotos: Pentacon Lösungen zum Prüfen von Fräs- und Drehteilen werden bei den Zulieferern der Automobilhersteller benötigt. Ein Modul der universellen Prüfanlage von Pentacon ist die berührungslose Inneninspektion für Sack- und Durchgangslöcher. Oberflächen können ebenso wie komplexe Teile vermessen werden. Seit mehr als 20 Jahren stellt Pentacon umfassende Prüfsysteme zur automatisierten Qualitätskontrolle in der Metall- und Kunststoffindustrie her. Als Spezialist für das Prüfen von Dreh-, Fräsund Fließpressteilen entwickelt das Unternehmen umfangreiche Lösungen für den Automobilbereich. Dabei werden gemeinsam mit Kunden maßgeschneiderte Anlagen zur optischen und akustischen Teileprüfung konzipiert. Mit der universellen Prüfanlage (UPA) beschreitet Pentacon einen neuen Weg. Anders als die bisherigen Sonderlösungen setzen die Dresdner mit diesem System auf eine modulare Lösung, die je nach Anforderung durch Bausteine erweitert werden kann. Dieses hohe Maß an Flexibilität erlaubt eine einfachere Anpassung an wechselnde Prüfbedingungen wie Bauformen, Materialien oder Größen. Waren die bisherigen Anlagen starr auf die vorgegebenen Parameter ausgerichtet, können mit der UPA dynamische Komponentenparameter erfasst werden. Im marktreifen Entwicklungsstatus verfügt die UPA über vier Module, die unabhängig voneinander eingesetzt werden können: eine Profilmessung, eine Inneninspektion, eine Oberflächenkontrolle und eine Konturmessung. Bei der Profilmessung werden über einen Greifroboter die vereinzelten Prüfteile wahllos gegriffen und im freien Fall optisch erfasst und gemessen. Unten wird das Bauteil aufgefangen und anhand eines Prüfalgorithmus sortiert. Je nach Bauform und Komplexität kann diese Prüfung im Sekundentakt erfolgen. Im Rahmen der Inneninspektion wird das Prüfteil per Greifroboter gegriffen und vor eine Kamera mit Spezialobjektiv gehalten. Anders als bisher üblich setzen die neuen Entwicklungen nicht auf störanfällige Endoskopkameras, sondern prüfen 18

19 CAM SC= α=95,628 CAM SC= CAM SC= d=2,739µm CAM SC= d=26,952mm CAM SC= Inneninspektion ohne Eintauchen: Mit einer universellen Prüfanlage lassen sich Sonderlösungen durch die Zusammenstellung von Modulen ersetzen. Dadurch ergibt sich ein hohes Maß an Flexibilität. Ein Greifroboter hält die Prüfteile vor die Kamera, um Innenräume ohne Eintauchen zu prüfen. die Innenräume, ohne einzutauchen. Über Software-Algorithmen sortiert die Anlage Gut- und Schlechtteile. Zu den Prüfparametern zählen neben vollständigen Gewindeausformungen auch die Kontrolle von Bohrtiefen oder das Vorhandensein von Ablagerungen wie Bohrspänen. Die Oberflächenkontrolle kann auch umfassend über den Abwurf des Teils im Fallturm erfolgen. Dort erfassen vier im 90-Grad-Winkel angeordnete Kameras das Prüfteil. Die Bilder werden anschließend über eine Software zusammengesetzt, abgewickelt und analysiert. Alle Prüfmodule können innerhalb eines Workflows miteinander verknüpft werden, um die Prüfteile umfassend auszumessen und zu bewerten. Pentacon setzt auf eine Kombination aus den in der Industrie häufig eingesetzten Lösungen Halcon und Neuro Check. Die Vorteile beider Systeme die Handhabung von Halcon und Messgenauigkeit von Neuro Check wurden in reine Software vereint und die Bedienung deutlich vereinfacht. Das Hinterlegen von neuen Teilen ist nun auch ohne Programmierung der Parameter möglich und erfolgt intuitiv über die Benutzeroberfläche. Für optimale Bildergebnisse werden hochwertige Auflichtlösungen eingesetzt, die zusammen mit präzisen Industrieoptiken selbst Fehler im Mikrometerbereich aufdecken. Das Messen von Teilen im Auflicht stellt eine besondere Herausforderung dar, da Reflektionen eine genaue Erfassung der zu messenden Konturen erschweren. Jens Krauße PENTACON GmbH Foto- und Feinwerktechnik Telefon Bei der Profilmessung werden die Prüfteile im freien Fall vermessen. Danach werden die Bauteile sortiert. BILDVERARBEITUNG FÜR IHRE AUFGABENSTELLUNG Entdecken Sie den neuesten Stand der Bildverarbeitung bei Europas größtem Technologielieferanten. Profitieren Sie von den Spitzen produkten führender Hersteller, unserer Kompetenz und einem Service, der Sie stärker macht. Imaging is our passion. BELEUCHTUNGEN OPTIKEN KAMERAS KABEL BILDERFASSUNG SOFTWARE SYSTEME ZUBEHÖR SPS/IPC/DRIVES 2013, Nürnberg, November, Halle 7A, Stand 148 Telefon

20 Neue Optionen für die Bahninspektion VON PETER STIEFENHÖFER In Kopiergeräten, Scannern, Währungsprüfgeräten, Karten- und Ticketlesesystemen werden Kontakt-Image-Sensoren (Contact Image Sensors, CIS) schon in großem Umfang eingesetzt. Jetzt ziehen sie auch in industrielle Prozesse ein. CIS-Sensoren erzeugen die Bilder zeilenweise, so dass sich der Vergleich mit den in der Bildverarbeitung bekannteren Zeilenkameras aufdrängt. Die beiden Technologien unterscheiden sich jedoch in wesentlichen Punkten. Zeilenkameras haben sich in industriellen Bahninspektionsanwendungen etabliert. Klassische Anwendungsgebiete für Zeilenkameras sind Applikationen, in denen Bahnware analysiert werden soll. Der Grund, warum sich Zeilenkameras für diese meist im Endlos- Verfahren ablaufenden Prozesse besser eignen als Matrix-Kameras, ist im Prinzip des unterschiedlichen Aufbaus dieser beiden Technologien zu sehen: Flächenkameras liefern je nach Kameratyp eine feste (synchrone) oder variable (asynchrone) Bildfolge eines bewegten Objekts. Für eine lückenlose Erfassung von Endlos-Objekten erfolgt die Bildaufnahme in der Praxis mit einer Überlappung der Bilder. Anschließend müssen die Einzelbilder per Software aufwendig zugeschnitten, von Verzerrungen befreit und aneinander gereiht werden. Zeilenkameras besitzen hingegen nur eine einzige Reihe lichtempfindlicher Bildpunkte, die bewegte Objekte kontinuierlich mit hoher Zeilenfrequenz abtasten. Nach heutigem Stand der Technik bewegen sich die Auflösungen von Zeilenkameras typischerweise zwischen 512 und Pixeln. Marktüblich sind Sensoren mit Pixel-Kantenlängen von sieben, zehn und 14 Mikrometern. Bei sehr hohen Auflösungen wird mit Rücksicht auf das später zu verwendende Objektiv beim Design des Sensors mit kleineren Pixeln gearbeitet, da zum Beispiel ein Sensor mit 8000 Pixeln und zehn Mikrometern Kantenlänge nur noch von einem Objektiv mit mindestens acht Zentimetern Bildkreisdurchmesser verzeichnungsfrei ausgeleuchtet werden kann. Fotos: stemmer imaging Kontakt-Image-Sensoren der neuen KD-Serie von Mitsubishi Electric Europe erfüllen die Anforderungen zahlreicher industrieller Bildverarbeitungsapplikationen. 20

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