APPLIKATIONEN. CMOS-Kameras für die industrielle Bildverarbeitung LinLog CMOS-Sensortechnologie

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1 APPLIKATIONEN CMOSKameras für die industrielle Bildverarbeitung LinLog CMOSSensortechnologie

2 Inhaltsverzeichnis INHALTSVERZEICHNIS Schweissen 1419 Qualitätskontrolle 49 ITS & Sicherheit 2023 Prozesskontrolle 1013 Bewegungsanalyse 2429

3 Inhaltsverzeichnis Automobil 3031 Medizin/Forschung 3233 Technologie 3439

4 4 Qualitätskontrolle BESCHLEUNIGTE OPTISCHE ZEICHENERKENNUNG Viele Werkstücke in der industriellen Fertigung sind mit eingravierten oder aufgeprägten Kennzahlen und Codes gekennzeichnet, um die Identifikation, die Weiterverarbeitung und die Rückverfolgbarkeit einzelner Bauteile sicherzustellen. Insbesondere auf stark reflektierenden Oberflächen ist die Anwendung von Schrifterkennungsverfahren (Optical Character Recognition, OCR) schwierig und zeitaufwändig. Einerseits liegt dies in der mangelnden Sichtbarkeit der Schrift begründet, welche die Verarbeitungsgeschwindigkeit vieler Schrifterkennungsverfahren stark einschränkt. Andererseits nehmen die notwendigen Bildvorverarbeitungsschritte zur Schrifterkennung bei den gängigen OCRVerfahren einen beachtlichen Anteil der Prozessorleistung in Anspruch. Dies wiederum ist ein limitierender Faktor für hohe Bildraten, die von Hochgeschwindigkeitskameras geliefert werden können. Mit dem Einsatz von CMOSKameras, in denen ein Pixel Professor Modul integriert ist, lässt sich das Erfassen von Kennzahlen und Codes automatisieren und die Erkennungsschritte für das Lesen von Schriftzeichen beschleunigen. Bild 1 & 2: Wirkungsweise des Pixel Professors am Beispiel des lokalen Kontrasts: Auf dem Originalbild (links) wurde der lokale KontrastOperator (5x5) ausgeführt, so dass Bildbereiche mit grossem Helligkeitsunterschied hell erscheinen und solche mit kleinem Unterschied dunkel. Die PhotonfocusKamera mit dem integrierten Pixel Professor übernimmt zwei Aufgaben gleichzeitig: zum einen liefert sie im LinLog Modus aufgezeichnete, überblendungsfreie Bilder, und zum anderen gibt sie die Bilder direkt zur Bildvorverarbeitung an den Pixel Professor weiter. An den Computer wird dann das bereits vorverarbeitete Binärbild weitergegeben, in dem abschliessend die OCRSoftware ausgeführt wird.

5 Qualitätskontrolle 5 Mit dem Pixel Professor lässt sich eine vielfach höhere Bildrate im Vergleich zu Standardbildverarbeitungssystemen zur Schrifterkennung erreichen, die ausschliesslich OCRSoftware einsetzen. Weitere Features der Kamera, wie z.b. LinLog oder Multiple Region of Interest (MROI) für optimierte Bildqualität, werden durch den Einsatz des Pixel Professors grundsätzlich nicht beeinträchtigt. Vielmehr ist die Pixel Professor Technologie ideal auf die CMOS Kameratechnologie abgestimmt worden. Für diese Applikation ist der Einsatz der neuen Pixel Professor Kameraserie MVD1024EPP01 geeignet. Bild 3: Screenshot des Tools zum Konfigurieren des Pixel Professors. Dank Pixel Professor Technologie kann die Vorverarbeitung der Bildinformationen in der Kamera in Echtzeit durchgeführt werden. Dadurch lässt sich je nach Konfiguration der Bilddurchsatz durch die OCRSoftware um den Faktor 10 bis 20 erhöhen. Mit der Implementierung zusätzlicher Filter in den Algorithmus kann eine verbesserte Segmentierung erreicht werden, die zu einer weiteren Steigerung der Gesamtleistung der Zeichenerkennung beiträgt. Die Eigenschaften der MVD1024EKameraserie werden ergänzt durch die Vorverarbeitungsschritte des Pixel Professors, in dem folgende Operatoren implementiert sind: Zweidimensionale Convolver mit Filtermatrix (3x3, 5x5, 7x7 oder mehr), nichtlineare Filter (Mediane usw.), Histogrammer, morphologische Operationen (Erosion und Dilation), LookUpTabellen (LUT), Bildpuffer, Bildarithmetik, Farbraumkonvertierung, Triangulation, Histogrammberechnung für adaptive Steuerung der Kontrastverstärker und Schwellwerte. Das Bedienen der Pixel Professor Funktionen erfordert keine speziellen FPGAProgrammierkenntnisse. Für eine komfortable Bedienung sorgt eine anwenderfreundliche Benutzeroberfläche (GUI), die mit einer schnellen Vorschau als Konfigurationshilfe ausgestattet ist.

6 6 Qualitätskontrolle 3DMESSUNG MIT STREIFENPROJEKTION Optische 3DMessverfahren nach dem Prinzip der Streifenprojektion ermöglichen berührungslose, materialunabhängige Erfassung und Digitalisierung der 3DKonturen von Bauteilen. Im Gegensatz zu den gängigen mechanischen Verfahren können mit optischen Verfahren die topographischen Parameter von Objekten schnell und flächenhaft abgetastet werden. Zusätzlich lassen sich weitere feinskalierte Objekteigenschaften, wie etwa die Rauhigkeit der Oberflächen, ermitteln. Bei der 3DVermessung mit strukturiertem Licht wirft ein Projektor ein Muster aus hellen und dunklen Streifen auf das Messfeld, welches mit einer CMOSKamera nach dem Prinzip des Triangulationsverfahrens aufgezeichnet wird. Hierzu wird die Kamera unter einem definierten Winkel zur Projektionsachse geneigt angebracht (Bild 1). Jegliche Änderungen in der Streifendichte und in der Streifenform enthalten dann die Informationen über die 3DGestalt des untersuchten Objektes. Für die Zuordnung zwischen einzelnen Punkten des Messvolumens und den Raumkoordinaten müssen die helldunkel strukturierten Lichtstreifen codiert werden. Dies realisiert man durch die Überlagerung eines cosinusförmigen Intensitätsprofils nach dem Prinzip des Phasenschiebeverfahrens aus der Interferometrie. Man erhält dann die Bildaufzeichnung einer gefalteten ( wrapped ) Phasenkarte, die sich mit Hilfe geeigneter Algorithmen beim PhaseUnwrapping wiederum in die Topographie zurückrechnen lässt. Streifenprojektionsverfahren werden vorzugsweise in der Medizin und Zahntechnik angewendet, sie erobern aber in zunehmendem Mass auch industrielle Einsatzgebiete, etwa Bild 1: Triangulationsprinzip bei der 3DMessung mit Streifenprojektion. Bild 2: Binärer GrauCode (oben) und cosinusförmige Modulation (unten) zur Codierung der Höheninformation. Bild 3: Topographie eines verchromten Stahlblechs. Höhenwerte sind Graustufencodiert.

7 Qualitätskontrolle 7 beim DesignProzess für neue Produkte ( Reverse Engineering ). Insbesondere in der Automobil und Flugzeugindustrie werden sie zur Formkontrolle von Werkstücken und Werkzeugen eingesetzt, da die optische 3DVermessung in ihrer Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit und Geschwindigkeit von den vorhandenen taktilen Messmethoden nicht erreicht wird. Die Applikation erfordert eine schnelle hochdynamische Kamera mit einer guten MTF. Alle diese Anforderungen werden durch die CMOSBildsensoren der Photonfocus hervorragend erfüllt. Daher werden in diesen Applikationen die CMOSKameras MVD102480CL8 und MVD CL8 von Photonfocus mit Vorteil eingesetzt. Folgende Eigenschaften zeichnen die Kameras aus: Dynamik: Hohe Kontrastauflösung bis zu 120 db mit patentierter LinLog Technologie. Auflösung: Mit 1024 x 1024 Pixel mit 10,6 μm x 10,6 μm Pixelgrösse. ROI: Region of Interest (ROI) und Multiple Region of Interest (MROI) ermöglichen, ausgewählte Teilbereiche einer Szene zu erfassen. Shutter Mode: Aufgrund des Global Shutters sind Hochgeschwindigkeitsanwendungen mit Belichtungszeiten im μsbereich möglich. Bildrate: Hohe Bildrate von bis zu 75 bzw. 150 Vollbildern pro Sekunde. Abmessung: Kompaktes Gehäuse von 55 x 55 x 46 mm3. Schnittstelle: CameraLink base. MVD102480CL8

8 8 Qualitätskontrolle KOORDINATENMESSGERÄT VON LEICA GEOSYSTEMS Koordinatenmessgeräte werden in vielen Industriezweigen standardmässig in der Fertigungstechnik und in der Qualitätssicherung eingesetzt, um die Geometrie von komplex geformten Werkstücken zu ermitteln. Häufig werden berührungslose optische Messtechniken anstelle taktiler Messverfahren verwendet, wodurch die Messungen etwa 10 bis 1000 mal schneller durchgeführt werden können. Zur Koordinatenmessung mussten bisher entweder Theodoliten oder Mehrgelenkarme eingesetzt werden. Diese erlaubten aber nur Messungen in vergleichsweise kleinen Messvolumina. Durch die Kombination der TrackerTechnologie mit dem photogrammetrischen Verfahren entstand ein Messsystem, das es nicht nur ermöglicht, die Position eines Messpunktes, sondern auch die räumliche Orientierung beliebiger Objekte zu bestimmen. Das Verfahren beruht auf der Kombination einer auf dem Lasertracker installierten Hochgeschwindigkeitskamera mit einem mobilen Messgerät, welches ein Diodenarray und einen Reflektor enthält. Während der Lasertracker die exakte Position des Reflektors feststellt, bestimmt die Kamera die Position des Diodenarrays im Photogramm und berechnet daraus die räumliche Orientierung des Messgerätes (TProbe). Mit sechs Freiheitsgraden können Form und Ausrichtung beliebiger Objekte im Raum in Echtzeit mit einer Messrate von über 100 Hz gemessen werden. Bild 1: Prinzip der optischen Koordinatenmessmaschine von LEICA mit Tracker (links) und TProbe (rechts). Bild 2: 3DKoordinatenmessgerät einsatzbereit für die Erfassung komplex geformter Werkstücke.

9 Qualitätskontrolle 9 Das neue optische System ist kompakt und handlich, so dass es leicht an einen neuen Einsatzort gebracht werden kann, um die Geometrieerfassung durchzuführen. Daraus ergeben sich, verglichen mit den alten Messmethoden, grosse Zeitersparnisse bei denen das Werkstück zu einem statischen Messsystem transportiert werden musste. Ein weiterer Vorteil ist das vergrösserte Messvolumen, welches mit dem neuen Messsystem erreicht werden kann. Aufgrund der hohen Applikationsanforderungen wurde der CMOSSensor A1024B von Photonfocus in einem kundenspezifischen Kameramodul eingesetzt. Folgende Eigenschaften zeichnen den Sensor aus: Dynamik: Hohe Kontrastauflösung bis zu 120 db mit patentierter LinLog Technologie. Auflösung: Mit 1024 x 1024 Pixel mit Ortsauflösung von 20 μm. Bildrate: 120 Vollbilder pro Sekunde bei maximaler Auflösung. Sensor A1024B

10 10 Prozesskontrolle ANALYSE VON PROZESSUNTERBRECHUNGEN Bild 1: Fehlerhafter Federwickler Bild 2: AnalyseSystem von Stemmer Imaging mit CMOSKamera von Photonfocus Ist die Produktionsstrasse eines Betriebes vollautomatisiert, so müssen Unterbrechungen im Fertigungsablauf schnell analysiert werden können. Je weniger Zeit die Untersuchung des Fehlers kostet, desto kleiner sind die finanziellen Verluste, bis die Produktion wieder gestartet werden kann. Die Firma Feller AG aus Horgen (Schweiz) produziert Elektroinstallationsmaterial mit hoher Diversifikation. Da die Produkte schnell abwechseln und kurze Lieferzeiten gefragt sind, müssen die Montageautomaten oft umgestellt werden. Bei solchen Randbedingungen für die Produktion kann es vorkommen, dass eine Produktionslinie wegen minimaler Abweichungen der Produktion von Einzelteilen unterbrochen wird. Da das menschliche Auge aufgrund der Fertigungsgeschwindigkeit die Fehler im Produktionsprozess oftmals nicht erkennen kann, setzt die Feller AG ein mobiles Bilderfassungssystem mit einer schnellen Photonfocus VGAKamera zur Fehleranalyse ein. Das von Stemmer Imaging entwickelte Analysesystem verwendet die MVD64066CL10. Kameragrösse, die hohe Dynamik und die Geschwindigkeit eignen sich für eine derartige Aufgabenstellung sehr gut. Wird die Produktion durch Störungen unterbrochen, kommt das System zum Einsatz (siehe Bild 2). Mit einer Aufnahmegeschwindigkeit von 200 Bildern pro Sekunde können dann die Fehlerursachen detailliert untersucht werden. Die Bilder werden in einen

11 Prozesskontrolle 11 Ringspeicher mit einer Kapazität von 10 Sekunden geschrieben. Sobald ein Fehler auftritt und der Trigger ausgelöst wird, stoppt die Bildaufnahme und die Bilder der letzten 10 Sekunden können überprüft werden. Die flexiblen Einstellmöglichkeiten des Triggers des Systems erlauben auch die Bilder für 5 Sekunden vor und nach dem Auftreten des Fehlers abzuspeichern. Als bei der Feller AG eine Unterbrechung bei einem Federwickler (siehe Bild 1) auftrat, konnte dank des Analysesystems der Fehler innerhalb von wenigen Minuten gefunden und anschliessend behoben werden. Der schnelle Aufbau und die einfache Handhabung des Systems sind dabei von entscheidendem Vorteil. Mit dem auch für Laien verständlichen Bildanalysesystem können dank der PhotonfocusKamera und den Modulen von Stemmer Imaging Fehler schnell analysiert und behoben werden. Damit ist es für die Feller AG möglich, auch in einem Hochlohnland wie der Schweiz eine Massenfertigung ohne grosse Mehrkosten durchzuführen. Folgende Eigenschaften zeichnen die Kamera aus: Auflösung: 640 x 480 Pixel (VGA). Bildrate: Bis zu 200 Bilder pro Sekunde bei Vollauflösung. Farbformat: Farb oder Monochromformat. Schnittstelle: CameraLink base und USB 2.0. MVD64066CL10

12 12 Prozesskontrolle PROZESSKONTROLLE MIT KOAXIALER CMOSKAMERA Die Prozesskontrolle beim Laserschweissen gewinnt bei der Fertigung von Bauteilen in der Automobilindustrie immer mehr an Bedeutung. Zur weiteren Verminderung des Ausschusses wird nach der inzwischen etablierten Vor und Nachkontrolle der Schweissnähte immer mehr die Prozesssteuerung beim Laserschweissen eingeführt. So hat z.b. die Forschungsgesellschaft für Strahlwerkzeuge mbh FGSW im Rahmen des von der Landesstiftung BadenWürttemberg geförderten Projektes ACES die Prozesskontrolle mit einer koaxialen CMOSKamera eingehend untersucht. 1 (oben): Optischer Aufbau mit koaxialer CMOSVon der Forschungsgesellschaft für Bild Kamera Strahlwerkzeuge mbh FGSW wurde für Bild 2 (unten links): verzinktes Stahlblech 5 kw das Projekt ACES eine Kamera gesucht, Laserleistung, 9 m/min Vorschub Bild 3 (unten rechts): verzinktes Stahlblech 6 kw die eine gute Empfindlichkeit im Nahen Laserleistung, 11 m/min Vorschub Infrarot (NIR) Bereich besitzt und sich bereits bei Schweissapplikationen bewährt hat. Als Nebenbedingung sollten Bildraten von 1 khz mit dem Bildverarbeitungssystem möglich sein, damit zu einem späteren Zeitpunkt der Entwicklung für die Prozesssteuerung eine Stellgrösse aus dem Ergebnis der automatischen Analysen abgeleitet werden kann. Die Wahl fiel auf die MVD1024E160 CMOSKamera von Photonfocus, die schon mehrfach erfolgreich bei Schweissprojekten eingesetzt wurde. Für den Versuchsaufbau wurde ein 6 kw Scheibenlaser verwendet, der mit einer 2DScanneroptik mit 450mm Brennweite verbunden wurde. Der Brennfleckdurchmesser betrug 600 µm. Der Laserschweissprozess wurde koaxial durch den Scanner hindurch bei einem Abbildungsmassstab von 0,31 beobachtet. Den optischen Aufbau zeigt Bild 1. Die

13 Prozesskontrolle 13 MVD1024E160 Kamera wurde mit einem ROI von 324 x 324 Pixeln und einer Belichtungszeit von 0,25 ms betrieben. Dabei resultierte eine Bildrate von 1kHz. Zur Beobachtung wurde das thermische Eigenleuchten bei einer Wellenlänge von 905 nm ausgenutzt. Das Schmelzbad musste nicht zusätzlich beleuchtet werden, da die unteren Grauwerte im Bild mit Skimming angehoben wurden. Für die Schweissversuche wurde verzinktes Stahlblech 2 x 0,7mm mit Überlappstoss verwendet. Bild 2 zeigt die Situation bei koaxialer Beobachtung des Schweissprozesses. Das Keyhole (rechts im Bild) und das Schmelzbad (links) sind deutlich erkennbar. Die schwarze Zone nach dem Keyhole wird durch einen Fehler beim Schweissen (Durchschweissung) hervorgerufen. Bild 3 zeigt deutlich einen Schmelzauswurf, der durch die im Vergleich zu Bild 2 erhöhte Laserleistung und Vorschubsgeschwindigkeit hervorgerufen wurde. Mit dem Versuchsaufbau konnte im Projekt nachgewiesen werden, dass mit einer koaxialen CMOSKamera eine Prozesskontrolle durchgeführt werden kann. Die Photonfocus CMOSKamera MVD1024E160 wurde aufgrund ihrer hohen Dynamik, der sehr guten Empfindlichkeit im NIRBereich sowie der hohen Bildrate, die sich durch geeignete Wahl des Auslesefensters (ROI) ergibt, ausgewählt. Folgende Eigenschaften zeichnen die Kamera aus: Dynamik: Hohe Kontrastauflösung bis zu 120 db mit patentierter LinLog Technologie. Auflösung: 1024 x 1024 Pixel mit 10.6 μm x 10.6 μm Pixelgrösse. Bildrate: 150 Bilder pro Sekunde bei Vollauflösung. Shutter Mode: Global Shutter für HochgeschwindigkeitsAnwendungen mit minimaler Belichtungszeit von 10 μs. Abmessung: Kompaktes Gehäuse von 55 x 55 x 46 mm3. Schnittstelle: CameraLink base. MVD1024E160

14 14 Schweissen PROZESSKONTROLLE BEIM LASERSCHWEISSEN Im Mittelpunkt des Projekts INESS (Integration optischer Messmethoden zur Prozesskontrolle beim Laserstrahlschweissen) stand die Entwicklung eines integrierten Prozessüberwachungssystems für das Laserstrahlschweissen mit Festkörperlasern. Für das Laserstrahlschweissen existieren bereits verschiedene, auf unterschiedlichen Methoden basierende, kommerzielle Prozessüberwachungssysteme. Die Motivation zur Methodenentwicklung für die Prozesskontrolle liegt im anwachsenden Einsatz des Laserstrahlschweissens im industriellen Fertigungsbereich. Neben der 100% Qualitätsüberwachung sollen gleichzeitig eine zuverlässige Regelstrategie zur Prozessoptimierung und innovative Prozesskontrollen zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit beitragen. Innovativ am realisierten System ist der Ansatz, die Pre, In und Postprozessbeobachtung in einer kompakten Bauweise zu kombinieren. Dies wurde durch den Einsatz mit einer CMOSKamera erreicht, mit der alle drei Prozessschritte gleichzeitig erfasst und ausgewertet werden können. Preprozess: Mittels Lichtschnittverfahren kann im Vorlauf die Stossgeometrie des Werkstückes überprüft werden. Dies erlaubt die Strahllage relativ zum Werkstück unmittelbar vor dem Schweissprozess zu korrigieren. Inprozess: Die Bildaufzeichnungen von Schmelzbad und Kapillargeometrie werden ausgewertet und zur Korrelationsanalyse von Schweissparametern Bild 1: Skizze des Schweissprozesses mit zu überwachenund defekten herangezogen. dem Pre, In und Postprozessbereich Postprozess: In der NachprozessüberBild 2: Simultane Bildaufzeichnung vor, während und nach wachung erfolgt mit Lichtschnittverfahren dem Laserschweissprozess eines Bauteils. eine Nahtoberraupeninspektion. Mit diesem System lässt sich bei hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten eine Prozessüberwachung mit hoher Ortsauflösung realisieren. In der Evaluierungs

15 Schweissen 15 phase konnte die Funktionalität des Überwachungssystem beim Schweissen von Realbauteilen aufgezeigt werden. Aufgrund der Applikationsanforderung wurde die CMOSKamera MV1024TrackCam von Photonfocus eingesetzt. CMOSKameras werden in Applikationen zur Schweissprozesskontrolle bevorzugt eingesetzt. Die CMOSKameras von Photonfocus verfügen dank der LinLog Technologie über eine sehr hohe Dynamik. Zudem erweisen sich die Regions of Interest (ROI s) bei den CMOSKameras, gegenüber den CCD s, als wichtiges Leistungsmerkmal, um verschiedene Teilbilder definieren und so mit einer hohen Framerate aufnehmen zu können. Folgende Eigenschaften zeichnen die Kamera aus: Dynamik: Hohe Kontrastauflösung bis zu 120 db mit patentierter LinLog Technologie. Auflösung: Mit 1024 x 1024 Pixel mit Ortsauflösung von 20 μm. ROI: Region of Interest (ROI) and Multiple Region of Interest (MROI) ermöglichen, ausgewählte Teilbereiche einer Szene zu erfassen. Konfiguration: Sehr schnelle Änderunge der wichtigsten Kameraeinstellungen. Bildrate: Hohe Bildrate von bis zu 75 Vollbildern pro Sekunde. Global Shutter: Keine Bewegungsartefakte, keine Geisterbilder durch zentralen Verschluss. Vision System unter Betriebssystem Linux. Abmessung: Kompaktes Gehäuse von 55 x 55 x 46 mm3. Schnittstelle: CameraLink base. MVD1024TrackCam

16 16 Schweissen SCHWEISSNAHTKONTROLLE IN DER FAHRZEUGINDUSTRIE In modernen Karosseriefertigungen der Automobilindustrie wurde das herkömmliche Punktschweissen durch die Technik des Laserfügens verdrängt, bei der vorgefertigte Bleche (Tailored Blanks) mit Laserschweiss und Laserlötverfahren zusammengefügt werden. Die hohen Qualitätsansprüche der Automobilindustrie verlangen nach ausserordentlich strenger und lückenloser Kontrolle und Dokumentation von Laserschweiss und Laserlötnähten. Gelöst wurde dieses Problem durch ein automatisiertes Inspektionssystem, das eine 100%Kontrolle der Lasernaht ermöglicht. Zum Feststellen aller Schweissfehler werden Lasertriangulation (3D) und Graubildanalyse (2D) kombiniert und in drei parallelen Verfahren eingesetzt: 3DProfilanalyse, 2DNahtstrukturanalyse (Nahttexturanalyse) und 2DPorenanalyse. Bild 1: Graubild für die Texturanalyse an einer ÜberlappSchweissnaht mit Austreibung und Spritzern. Die LinLogTechnologie erlaubt gleichzeitiges Aufzeichnen der zwei Laserlinien ohne Bildüberblendung. Bild 2: 3D/2DAnalyse an einer lasergelöteten Naht. Die festgestellten Poren haben einen Durchmesser von 100 μm. Bild 3: Sensorkopf bestehend aus CMOSKamera, Linienlaser und geblitztem Ringlicht. Das Inspektionssystem verkürzt die Reaktionszeiten und trägt gleichzeitig zur Erhöhung der Prozesssicherheit bei. Das objektive, automatisierte System erfüllt die hohen Qualitätsstandards der deutschen Automobilindustrie. Es bietet zudem mit einem effizienten Dokumentationssystem die Rückverfolgbarkeit der geprüften Schweiss und Lötnähte und erhöht somit die Wirtschaftlichkeit der Karosseriefertigung.

17 Schweissen 17 Aufgrund der Applikationsanforderung wurde die CMOSKamera MVD102480CL8 von Photonfocus eingesetzt. Die Kamera erlaubt dank patentierter LinLog Technologie die Aufzeichnung der Laserlinien aus dem Lichtschnittverfahren und gleichzeitig die Graubildaufzeichnung für die Porenanalyse. Folgende Eigenschaften zeichnen die Kamera aus: Dynamik: Hohe Kontrastauflösung bis zu 120 db mit LinLog. Auflösung: 1024 x 1024 Pixel mit Ortsauflösung von 20 μm. Bildrate: Durch die hohe Bildrate von bis zu 75 Vollbildern pro Sekunde und kurzen Belichtungszeiten sind Inspektionsgeschwindigkeiten bis 30 m/min möglich. Abmessung: Kompaktes Gehäuse von 55 x 55 x 46 mm3. Schnittstelle: CameraLink base. MVD102480CL8

18 18 Schweissen PORENDETEKTION IN SCHWEISSNÄHTEN Die Qualitätskontrolle gewinnt beim automatisierten TungstenInertGas (TIG)Schweissen eine immer grössere Bedeutung. Fehler in Schweissnähten, wie z.b. Poren, können bei hohen Belastungen Ursache für Brüche der Bauteile sein. Bildverarbeitungssysteme werden in Schweisssystemen nicht nur zur Qualitätskontrolle sondern auch zur Dokumentation und Verbesserung des Prozesses eingesetzt. In automatisierten TIGSchweisssystemen ist die visuelle und manuelle Kontrolle der fertiggestellten Bauteile viel zu aufwendig und langsam. Zudem wird eine optische Auflösung von etwa 10 µm benötigt, damit Defekte im Bereich 50 µm sicher erkannt werden. Bei einer visuellen Kontrolle müssten für diesen Zweck optische Hilfsmittel wie Lupen oder Mikroskope eingesetzt werden. Aufgrund dieser Randbedingungen wird für die Qualitätskontrolle ein hochauflösendes Bildverarbeitungssystem benötigt. Damit im Rhythmus der Fertigungszeiten der Bauteile geprüft werden kann, sind zudem an die Inspektionsgeschwindigkeiten des Visionsystems hohe Anforderungen zu stellen. Bild 1: TIG Schweissnaht mit Schweissfehler Bild 2: Ergebnisdarstellung auf der Oberfläche des Souvis 5000 Inspektionssystems Bild 3: Souvis 5000 macro Messkopf Für die Qualitätssicherung von Schweissnähten hat die Firma Precitec Vision (Neftenbach, Schweiz) das Inspektionssystem Souvis 5000 entwickelt. Es kann je nach Applikation und Messkopf Defekte bis zu 50 µm bei Inspektionsgeschwindigkeiten von bis zu 30 m/min sicher erkennen. Zur Inspektion wird ein kombiniertes 2D / 3DVerfahren eingesetzt. Zum Einsatz in den Messköpfen (siehe Bild 3) gelangen die MVD1024E80 CMOSKameras

19 Schweissen 19 von Photonfocus. Für die von der Applikation geforderten hohen Geschwindigkeiten der Bildverarbeitung wurde ein Bildverarbeitungssystem konzipiert, das auf dem Echtzeitbetriebsystem QNX aufsetzt. Hier war es von besonderem Vorteil, dass Photonfocus mit der Kamerasoftware PFRemote2.0 eine betriebssystemunabhängige Softwareplattform zur Ansteuerung der Kameras anbietet. Die Messköpfe des Souvis 5000 Inspektionssystems sind zur Prüfung der Bauteile nach dem Schweissen auf einem Roboter montiert, um die Schweissnaht schnell und präzise abzufahren. Zur sicheren Datenübertragung vom Roboter zum Schaltschrank werden Digipeater von Photonfocus als CameraLink Repeater eingesetzt. Für diese Anwendung ist die MVD1024E80 am besten geeignet. Mit Bildraten von 75 fps und Megapixelauflösung lassen sich Untersuchungsgeschwindigkeiten von bis zu 30 m/min erreichen. Das 2D / 3DInspektionsverfahren benutzt die linearlogarithmische Sensorkennlinie der Photonfocus LinLog Technologie. Die 2DInspektion wird im linearen Bereich der Kennlinie durchgeführt, während die 3DInspektion mittels Lasertriangulation im logarithmischen Kennlinienbereich ausgeführt wird. Folgende Eigenschaften zeichnen die Kamera aus: Dynamik: Hohe Kontrastauflösung bis zu 120 db mit LinLog. Auflösung: 1024 x 1024 Pixel mit Ortsauflösung von 20 μm. Bildrate: Durch die hohe Bildrate von bis zu 75 Vollbildern pro Sekunde und kurzen Belichtungszeiten sind Inspektionsgeschwindigkeiten bis 30 m/min möglich. Abmessung: Kompaktes Gehäuse von 55 x 55 x 46 mm3. Schnittstelle: CameraLink base. MVD1024E80

20 20 ITS & Sicherheit VERKEHRSÜBERWACHUNG IN TUNNELN UND AN VERKEHRSKNOTEN Bild 1 & 2: Tunneleinfahrtsbereich aufgenommen mit einer MonochromKamera von Photonfocus im linearen (oben) und im LinLog Modus (unten). Neuere Sicherheitsvorschriften verlangen von Tunnelbetreibern, bei Unfällen oder Störungen schnellstmöglich eingreifen zu können. Dies kann nur dann gewährleistet werden, wenn auf der gesamten Tunnellänge, sowie im Ein und Ausfahrtbereich eine lückenlose Videoüberwachung stattfindet. Oberstes Ziel ist es, Katastrophen wie sie sich beispielsweise im Montblanc und im GotthardTunnel abgespielt haben in Zukunft zu vermeiden oder zumindest die Schäden und Opferzahl so gering als möglich zu halten. Die bisher eingesetzten Technologien zur Tunnelüberwachung eignen sich nur eingeschränkt zur Vollautomatisierung. Häufig wird die Überwachung durch eine oder mehrere Personen bewerkstelligt, die eine Vielzahl von Monitoren gleichzeitig im Auge behalten müssen. Besonders problematisch sind die Ein und Ausfahrtsbereiche der Tunnel, weil dort tageszeitabhängig und witterungsbedingt extreme Lichtverhältnisse auftreten. Für diese Szenarien werden leistungsfähige Kameras benötigt, die sehr hohe Helligkeitsunterschiede verarbeiten können. PhotonfocusKameras mit der LinLogTechnologie werden in diesen Applikationen eingesetzt, um die kritischen Beobachtungsbereiche der Tunneleinfahrt und der Tunnelausfahrt zuverlässig und lückenlos zu überwachen und zu dokumentieren. Die flexible Konfigurierbarkeit der Kameras erlaubt eine schnelle und anforderungsorientierte Anpassung der Aufnahmeparameter, wie z.b. der Belichtungszeit, der linearlogarithmischen Sensorkennlinie, der selektiven Signaloptimierung in dunkleren Bildbereichen durch Skimming, der LookUpTabelle und der GammaFunktion. Dadurch können Innen und Aussenbereiche Bild 3 & 4: Beobachtung der Tunneleinfahrt im Innenbereich (oben) und im Aussenbereich (unten) mit einer CCDFarbkamera.

21 ITS & Sicherheit 21 von Tunneln simultan mit ein und demselben Kameratyp überwacht werden. Die kontinuierliche Verkehrskontrolle sowohl im Tunnelbereich als auch bei der Ein und Ausfahrt kann deshalb mit einer verringerten Anzahl an Kameras, als bisher erforderlich war, sichergestellt werden. Diese Überwachungstechnologie wird auch an kritischen Verkehrsknotenpunkten mit Erfolg eingesetzt. Für die Anforderungen bei Tunnelbeobachtungen ist sowohl der Einsatz der MVD1024E40 mit einem MegapixelSensor als auch der MVD752E40 mit einem CCIRCMOSSensor gleichermassen geeignet. Beide Kameramodelle sind alternativ mit einer USB2.0 oder mit einer CameraLinkSchnittstelle erhältlich. Beide Kameras verfügen über die LinLog Technologie und können bei Vollbildauflösung Bildraten von 37 fps (MVD1024E40) bzw. Bildraten von 87 fps (MVD752E40) liefern. Folgende Eigenschaften zeichnen die Kamera aus: Dynamik: Hohe Kontrastauflösung bis zu 120 db mit patentierter LinLog Technologie. Auflösung: 1024x1024 Pixel (MVD1024E40) und 752x582 Pixel (MVD752E40). Auslesemodus: Vollbild und bis zu 16 Regions of Interest. Bildrate: 37 fps (MVD1024E40) und 87 fps (MVD752E40) bei Vollauflösung. Shutter Mode: Global Shutter für HochgeschwindigkeitsAnwendungen mit minimaler Belichtungszeit von 10 μs. Schnittstelle: USB2.0 oder CameraLink. MVD1024E40

22 22 IST & Sicherheit INSPEKTION VON EISENBAHNSCHIENEN Zu den wichtigen Parametern für einen störungsfreien Schienenverkehr gehören das Schienenprofil, die Schienenposition, der Spurweitenabstand, der Verschleiss am Schienenkörper sowie die Absenkungen des Gleisbettes. Mit Hilfe von CMOSHochgeschwindigkeitskameras und 3DLaserMesstechnik lassen sich die Schienen sowohl bei der Produktion im Walzwerk als auch die verlegten Schienen mit Testzügen schnell und zuverlässig kontrollieren. Zur Qualitätskontrolle von Eisenbahnschienen werden zwei Kameras in Kombination mit zwei Laserliniengeneratoren eingesetzt. Die Laserlinien werden jeweils von oben und von der Seite auf die Schiene projiziert. Die obere Kamera erfasst dabei das Profil der Lauffläche, und die zweite Kamera zeichnet den seitlichen Verlauf des Schienenprofils auf. Durch die LinLog Technologie ist es möglich, eine Triangulation ohne Sättigungserscheinungen bei stark variierendem Reflexionsgrad des Schienenprofils zu realisieren. Gleichzeitig können in den Graubildern Abnutzungserscheinungen wie z.b. Rattermarken frühzeitig erkannt werden. Inspektionssystem zur Qualitätskontrolle von Eisenbahnschienen mit 2 Laserlinien [3 u. 4] und 2 CMOSKameras [1 u. 2]. Bildausschnitt [A]: Lichtschnittbild der oberen Kamera [1] zur Kontrolle der Lauffläche (Triangulationswinkel 60 zum Laserliniengenerator [3]). Bildausschnitt [B]: Lichtschnittbild der seitlich montierten Kamera [2] zur Kontrolle der Schienenflanken (Triangulationswinkel 45 zum Laserliniengenerator [4]). Das Inspektionssystem ermöglicht die extrem schnelle, vollautomatisierte Erfassung von Mängeln an Eisenbahnschienen. Somit lassen sich möglicherweise auftretende Störungen im Bahnsystem frühzeitig erkennen, so dass rechtzeitig vor dem Eintritt von Störungen Reparaturmassnahmen eingeleitet

23 IST & Sicherheit 23 werden können. Während des Inspektionsverfahrens können verschieden relevante Schienenparameter, wie z.b. Abnutzungscharakteristik und Verschleisszyklen, gleichzeitig dokumentiert und analysiert werden. Aufgrund der Applikationsanforderung wird die schnelle CMOSKamera MVD CL8 von Photonfocus eingesetzt, die Vollbildraten von bis zu 150 fps unterstützt und Triangulationsraten von 2 khz zulässt. Mit Hilfe der LinLog Technologie des Bildsensors kann eine äusserst robuste Triangulation realisiert werden. Darüber hinaus wird eine gleichzeitige Oberflächeninspektion mittels der im unteren Kennlinienbereich erfassten Graubilder ermöglicht. Folgende Eigenschaften zeichnen die Kamera aus: Dynamik: Hohe Kontrastauflösung bis zu 120 db mit patentierter LinLog Technologie. Auflösung: 1024 x 1024 Pixel mit 10.6 μm x 10.6 μm Pixelgrösse. Bildrate: 150 Bilder pro Sekunde bei Vollauflösung. Shutter Mode: Global Shutter für Hochgeschwindigkeitsanwendungen mit minimaler Belichtungszeit von 10 μs. Abmessung: Kompaktes Gehäuse von 55 x 55 x 46 mm3. Schnittstelle: CameraLink MVD CL8

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