Schnell, online und genau mit Bildverarbeitung Messen und Prüfen eine Herausforderung.

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1 Eine Gemeinschaftsveranstaltung der Control und der Vision Academy Erfurt. Schnell, online und genau mit Bildverarbeitung Messen und Prüfen eine Herausforderung. Dipl.-Ing. Ingmar Jahr Schulungsleiter 1

2 Die Vision Academy seit 2015 Bestandteil des Komponentenherstellers 3 Vision Academy Schnell, online und genau mit Bildverarbeitung messen und prüfen, Control Die Vision Academy Industrie-Dienstleistungen für Bildverarbeitung / Machine Vision Tätigkeitsbereiche: SCHULUNG BERATUNG WISSEN Unterstützung / Begleitung von Unternehmen zum erfolgreichen Technologie-Einsatz Leitspruch: Verstehen Beraten Anwenden effektive und fachrichtungsübergreifende Vermittlung von Praxiswissen BV-Lösungen prüfen, erörtern, entwickeln, begleiten weltweiter Aktionsradius Zielgruppe: Maschinenbauer, Produzenten, Systemintegratoren Ziele: weniger Kosten selbständiges Verstehen / Beherrschen der Technologie mehr Zeit passgenaue Beratung / Wissen mehr Sicherheit zuverlässig arbeitende Maschinen mit Bildverarbeitung zukunftsfähige Unternehmen 4 Vision Academy Schnell, online und genau mit Bildverarbeitung messen und prüfen, Control

3 Und das erwartet Sie jetzt Messen und Prüfen Was geht? / Abhängigkeiten Schnell Messen und Prüfen Online Messen und Prüfen Zusammenwirken von schnell, online und genau Fazit Vision Academy Schnell, online und genau mit Bildverarbeitung messen und prüfen, Control Messen und Prüfen Was geht? / Abhängigkeiten Lösbare Aufgaben mit industrieller Bildverarbeitung maßliches Prüfen (Messen) geometrisch Koordinaten Längen (Breiten, Höhen, Abstände) Winkel / Orientierung Flächeninhalte Schwerpunkte Gerad-, Rundheiten Formen / Konturen fotometrisch Helligkeiten / Intensitäten colori-/ spektrometrisch Farben Wellenlängen thermometrisch Temperaturen nichtmaßliches Prüfen (Lehren) alle Aufgaben maßliches Prüfen plus: Anwesenheits- / Vollständigkeitskontrolle Grad der Ausprägung / attributiver Test Lage- / Drehlageerkennung Oberflächenkontrolle Struktur-, Texturerkennung Druckbild-, Druckinhaltskontrolle Mustererkennung Objekt- / Typerkennung / Teileidentifikation Zeichen lesen / prüfen Code lesen Anzahlen, Mengen F Vision Academy Schnell, online und genau mit Bildverarbeitung messen und prüfen, Control

4 Messen und Prüfen Was geht? / Abhängigkeiten Beherrschung der Signalkette ist Bedingung Bildgewinnung ist Grundlage und verantwortlich in der BV-Lösung für: Zuverlässigkeit / Sicherheit Geschwindigkeit Genauigkeit Arbeitsersparnis Kostenersparnis bei allen Schritten Informationsreduktion schwächstes Glied bestimmt Leistungsfähigkeit Systemkomponenten abstimmen! 7 7 Schnell Messen und Prüfen Taktzeit der Maschine = Schrittmacher für gesamten BV-Zyklus Transportgeschwindigkeit = Schrittmacher für Bildaufnahme der BV Zyklus - BV i.a. schneller als mechanische Prozesse Prozesszeiten Bildverarbeitung konstant / variabel typ. Min typ. Max (1) t d_s - Shutterverzögerungszeit Auslösen der Bildaufnahmevariabel + Jitter 100 ns 10 µs (2) t int - Integrationszeit Öffnen des Shutters und ggf. Auslösen konstant des Blitzes 30 µs < 100 ms (3) t - Ende der Integrationszeit, Bildinformation ist gespeichert cap Auslesezeit Bildsensor konstant siehe nächste Folie (4) - Bildinformation ist ausgelesen t (5) proc Laufzeit BV-Programm variabel + Jitter siehe nächste Folie - Ende des Prüfprogramms t ip_cyc Zykluszeit Bildverarbeitung variabel = t d_s + t int + t cap + t proc 8 4

5 Schnell Messen und Prüfen Software Verarbeitungsgeschwindigkeit sehr verschieden typisch: Blobanalyse 500 µs Kantenort finden: F 20 ms Muster suchen F x ms komplettes Prüfprogramm braucht Zeit binär Grauwert Farbe große / genaue Bilder längere Verarbeitung kontrastreiche, scharfe, nicht verrauschte Bilder werden schneller verarbeitet Wichtigkeit der Bildqualität Bildgewinnung eine Aufgabe - verschiedene Lösungen: schnelle, langsame, sichere, unsichere: schnell und sicher langsam und unsicher Wissen und Erfahrung sind notwendig 9 Schnell Messen und Prüfen Weitere geschwindigkeitsbestimmende Faktoren Parallelisierung an verschiedene Orten: Bildaufnahme und Bildverarbeitung im Bildsensor CCD vs. CMOS (Genauigkeit vs. Schnelligkeit) bei der Mechanik, Handhabung mehrere Kameras (genau macht langsam!) Schnittstellen Prozessorkerne Software

6 Schnell Messen und Prüfen Weitere geschwindigkeitsbestimmende Faktoren Verzögerungen / Synchronisation: mech. Anwesenheit, Trigger, Bildaufnahme, Verarbeitung, Reaktion Synchronisation verschiedener Prozesse Art der Bewegung: steht, getaktet, gleichmäßig, diskontinuierlich Schwierigkeit steigt Zusammenhang zwischen Auflösung / Teilegröße, Geschwindigkeit, Teileabstand Bewegungsunschärfe (Shuttertechnologie global / rolling) Beleuchtung Willst du schnell, brauchst du hell... Blitzen zum Einfrieren der Bewegung braucht viel mehr Energie für Belichtung Beleuchtung ist fast immer begrenzender Faktor bei schnellen Vorgängen Viel Licht bei verschiedensten Beleuchtungstechniken, selbst bei dunkeln 11 Schnell Messen und Prüfen Weitere geschwindigkeitsbestimmende Faktoren Rechner zwischengeschobene Prozesse stören Echtzeit Latenzzeiten Was ist Echtzeit? schnell ist die Voraussetzung für online 12 6

7 Online Messen und Prüfen im Prozess sind 100% der Daten verfügbar Regelung des Produktionsprozesses möglich vielfältige Grundlage für Industrie 4.0 Feldbusse ermöglichen schnelle Aktionen schnellere Kopplung von Vision & Motion schnell Datenmengen transportieren Koordination Maschine BV Fernzugriff auf Daten, Webinterfaces, Fernwartung 13 Online Messen und Prüfen 14 7

8 Online Messen und Prüfen Quelle: 15 Online Messen und Prüfen Das Bildverarbeitungssystem ist: kein geeignetes Messglied im Positionsregelkreis der Antriebstechnik ein geeignetes Messglied zur - Lage-/Drehlagebestimmung zugeführter Teile in Roboter-Applikationen - Produkt-Sortierung nach Qualitäts-/Identifikationsmerkmalen - parallelen Produkt-Qualitätskontrolle während der Handhabung - Gewinnung von Korrekturdaten für die Bahnsteuerung - Steuerung von Montage- und Justiervorgängen 16 8

9 Online Messen und Prüfen Damit ist Echtzeitsteuerung von Aktoren möglich bei: Zustellbewegungen - Lage / Position von Werkstücken, Produkten, Verpackungen (Pick & Place) - Finden von Qualitätsmerkmalen - Ausschleusen von Teilen - Unterstützung von Montage- / Fügeprozessen Bahnsteuerungen - Kantendetektion von Rollen- und Endlosware - Parallelitäten und Abstände kompensieren - Schweißprozesse führen - Laserstrukturierung / -schneiden 17 Online Messen und Prüfen Grundlage ist feldbusfähige Bildverarbeitung: F Unsere Philosophie: Trennung von BV und Bedienung F BV unter Linux auf ARM Cortex Prozessor F Bedienung unter Windows mit vcwin pro Smart Camera pictor T303 F Progressive Scan CMOS-Bildsensor, s/w oder Farbe F 720 x 480 Pixel, 60 fps, Global Shutter F Robustes Aluminiumgehäuse, M4-/Zentrierbohrungen F C-/CS-Mount-Objektivanschluss F separater Beleuchtungsanschluss M5 am Gehäuse oder Mehrkamerasystem vicosys 5300 F bis zu 8 Kameras F Farbe, s/w, Matrix, Zeile, IR,

10 Finden von Kanten Grundlage der Genauigkeit Antasten = Finden von Helligkeitsunterschieden / eines Hell-dunkel-Überganges = das nicht Greifbare örtlich festlegen das Problem: berührungsloses Antasten Intensitätskanten werden von vielen Algorithmen genutzt Kantenort dort, wo Helligkeitsverlauf dem Kantenortskriterium entspricht Was ist Kriterium für einen Kantenort??? Wie ermittelt man dessen Parameter? Was ändert Form, Lage, Steilheit, Breite, F 300 des Kantenbildes? dunkel Kante hell 250 Kantenort von vielen Einflüssen entlang des 200 Signalweges abhängig! 150 gesamter Signalweg beeinflusst Messunsicherheit! Grauwert Grauwertverlauf einer realen Kante. Normale, asymmetrische (schwarz) und flache, symmetrische Kante (rot) Pixel 19 Kantenverschiebende Einflüsse entlang des Signalwegs Umwelt Bediener 20 10

11 Einfluss der Beleuchtung Kontrast erzeugen (Trauen Sie Ihren Augen nicht!) Beleuchtungstechnik (Auflicht, Durchlicht, Hellfeld, Dunkelfeld, Art der Lichtausbreitung, F) Beleuchtungswellenlänge (Farbe / Komplementärfarbe) Kohärenz, Polarisation, Beugung, F Relative Kontrastwahrnehmung beim Menschen. Vergleich der Kantenorte: Auflicht (oben), Durchlicht (unten) Hellfeld (links), Dunkelfeld (rechts) 21 Einfluss der Beleuchtung gewollte, ungewollte Inhomogenität der Helligkeit zeitliche Inhomogenität (Alterung) Verschiebung des Kantenortes durch verschiedene Lichtausbreitung

12 Einfluss des Prüfobjekts größter Unsicherheitsfaktor Eigenschaften des Prüfobjektes verändern Form der Kante und Lage des Kantenortes optische Eigenschaften des Prüfobjektes meist unbekannt Prozessschwankungen bei der Herstellung Bild oben: Gleicher Durchmesser verschiedene Oberflächen abweichende Messergebnisse. Bild unten links: symmetrische Kante bei idealer mechanischer Kantenform. Bild unten rechts: asymmetrische Kante bei schlechter mechanischer Ausformung Endmaß, diffus Bolzen, diffus Eigenschaften des Prüfobjektes optische Teilefarbe Reflexion, Streuung, Transmission, Absorption Muster mechanische Kantenform chemische Oberfläche (Geometrie, Form, Rauheit, Bearbeitungsspuren, Finish) Korrosion (Rost, Oxid) Beschichtung (Ölfilm, Schneidemulsion, Wachs) 23 Einfluss der Umwelt Fremdlicht Temperatur (Längendehnung, Flimmern) Drift Elektronik (Hitze, Rauschen) Staub, Schmutz, Luftfeuchtigkeit, Ölnebel, Kühlemulsion Schwingungen Bewegung der Teile Übersprechen, Transienten, EMV Mechanische Einflüsse (Justierung, Zuführung, Lage) Messen bei 450 o C Umgebungstemperatur eine Herausforderung 24 12

13 Einfluss der Optik Einstellungen / Qualität haben starke Wirkung auf Form und Lage der Kante (Bildschärfe, Schärfentiefe, optische Auflösung) Abbildungsmaßstab und dessen Schwankungen (Verzeichnung) Perspektive, Entozentrie und deren prinzipbedingte Fehler Natürliche Vignettierung Verzeichnungsfrei, tonnenförmige, kissenförrmige Verzeichnung. Kriterien für hochwertige Optiken 25 Optik und Mechanik wirken zusammen optische Technologien wie Telezentrie können Einflüsse mildern Parallelprojektion / Verkippung wirken weiter, Telezentriebereich Einfluss der Justierung, Zuführung, Handhabung d=3857 d=

14 Einfluss von Bildsensor und Kamera Bildpunktauflösung (Pixelgeometrie ist hochgenau) spektrale Empfindlichkeit Technologie des Bildsensors, Linearität, Rauschen, Shuttertechnologie, F Helligkeits- / Farbauflösung und deren Technologien Temperaturverhalten Kamerakonstruktion: Abstände und Parallelitäten Zusammenwirken optischer / geometrischer Auflösung Bilder links: Aliasing Bild Mitte: Auflagenmaß Bild rechts: spektrale Empfindlichkeit 27 Einfluss der Bildübertragung und BV-Hardware Art der Bildübertragung, Art des Bildeinzugs Kabellänge, variable Bandbreite, zeitliche Determiniertheit? Digitalisierungsbreite, -fehler, Jitter, Linearität Signalweg im Framegrabber, BV-Rechner 28 14

15 Einfluss der BV-Software Bildvorverarbeitung: Softwarekorrektur von Bildern zerstörungsfrei? Ist bekannt, wie Filteroperationen den Kantenort verschieben? Fehlerfortpflanzung (Aufeinanderfolge mehrerer Software-Korrekturen) Erörterung: Fehlervermeidung vor Fehlerkorrektur Prüfstrategie / Programmaufbau: Algorithmenauswahl, Bezugsmaße und geometrien, Antast-Orte, Nutzung von Statistik / Mehrfachmessungen Vorgehen / Algorithmen / Parameter bei der metrischen Kalibrierung 29 Grenzen beim Einsatz von BV nicht oder schwer greifbare Messwerte unzureichende Kenntnisse über das Prüfobjekt Gesetze und Grenzen der Physik des Lichtes komplexe Wechselwirkungen beteiligter Technik-Disziplinen bzw. BV-Komponenten individuelle Prüfeinrichtungen Seriengeräte starker Einfluss der Prüfverfahren Umgebungsbedingungen, d.h. auch Faktor Mensch Kenntnisse verschiedenster Fachrichtungen entscheiden über Güte der Messung. Vision Academy Schnell, online und genau mit Bildverarbeitung messen und prüfen, Control

16 Fazit schnell, online und genau Messen und Prüfen ist komplex viele neue Möglichkeiten braucht Wissen es gibt Hilfe Beratung Begleitung - Schulung LÖSUNGSBERATUNG LÖSUNGSBEGLEITUNG SCHULUNG / TRAINING VERMITTLUNG SYSTEMHAUSPARTNER Unterstützung bei der Komponentenauswahl Ganzheitliche Analyse der Aufgabenstellung Nutzung des Applikationslabors Lösungsworkshops Machbarkeitsuntersuchung / -studie Projektbegleitung Inbetriebnahmeunterstützung Inhouse-Trainings Produkt- und Inbetriebnahmekurse Grundlagen- und Einführungskurse Modulare Themen- und Expertenschulungen Branchenschulungen Projektdurchführung Integration der Bildverarbeitungs-Lösung Zusammenstellung fertiger Prüfzellen Service 32 Vision Academy Schnell, online und genau mit Bildverarbeitung messen und prüfen, Control

17 Knacken Sie mit uns harte Nüsse! Wir freuen uns auf Ihre Herausforderungen. Vision Academy Schnell, online und genau mit Bildverarbeitung messen und prüfen, Control