1. Einleitung. Maßhaltigkeit zugeführter Werkstücke, die Identifikation Telefon +49 (0) , -102 Telefax +49 (0)

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1 Einsatz von Laserscannern und Inline Methoden der industriellen Bildverarbeitung zur automatisierten Defektkontrolle auf Holz: Schlüsseltechnologien für die Produktion 2020 Prof. Dr.-Ing. Markus Glück1, 2, Benjamin Roßkopf2, Josef Wolf2, Bernd Lechner2 Die industrielle Bildverarbeitung (IBV) steht vor einem beispiellosen Siegeszug in der Produktionstechnik, in der Fertigungsautomation und in der Qualitätskontrolle. Laseroptische Sensoren, Scanner, Kamera- und Bildverarbeitungssysteme sind als künstliche Augen in der Inline Messtechnik (= produktionsbegleitende Prozessund Qualitätskontrolle) nicht mehr wegzudenken. Sie kommen überall dort zum Einsatz, wo mit hohem Tempo ermüdungsfrei und zuverlässig eine Bewertung relevanter Prüfmerkmale im Fertigungsfluss erfolgen muss. Vollständig integriert, verleihen Kameras, Scanner und Sensoren modernen Maschinen die Fähigkeit zu sehen, zu erkennen und Entscheidungen zu treffen sowie fertigungsbegleitend eine 100%-ige Qualitätskontrolle vorzunehmen. 1. Einleitung Der immens hohe Kostendruck in der Produktion kostengünstiger Baumarkt Massenware wie beispielsweise der Fertigung von Holzbauelementen für die Gartengestaltung erfordert eine Vielzahl an Kompromissen. Unter ander em erforderlich sind hohe Taktraten, eine Maschinenbearbeitung im dynamischen Grenzbereich beim Sägen, Fräsen oder Hobeln sowie die Verwendung kostengünstigst beschaffter Ausgangsmaterialien mit zwangsläufig hohen Schädigungsanteilen. Dennoch möchte der Endkunde für wenige Euro pro Quadratmeter Fläche ein qualitativ akzeptables Produkt, wie es in Abb. 1 repräsentativ dargestellt ist, kaufen. Ein großes Kostensenkungspotential im Massenfertigungsprozess ergibt sich aus der relativ unkritischen, systeme und Rechnertechnik (Hardware) sowie dank der lungsumgebungen der industriellen Bildverarbeitung (Software) sind wirtschaftliche Systemlösungen heute Technologie Centrum Westbayern GmbH für eine Vielzahl von Standardaufgaben möglich. So zum Beispiel die Erkennung von Form, Geometrie, Lage und Emil-Eigner-Straße Nördlingen Maßhaltigkeit zugeführter Werkstücke, die Identifikation Telefon +49 (0) , -102 Telefax +49 (0) von Werkstücken und Codierungen, die verlässliche Erkennung von End-, Kontroll- und Handhabungspunkten, die eine korrekte und zuverlässige Montage/Bestückung glueck@tcw-donau-ries.de, sicherstellen. Eine individuelle Zusammenstellung dieser keiten zur berührungslosen Prüfmessung eröffnet auch viele Abb. 1: Ausgangspunkt der Entwicklung eines Automatisierungsprojekts ist das Endprodukt: ein Holzbauelement, automatisch auf einem Spritzgussträger aus Kunststoff montiert. neue Anwendungen in zukunftsorientierten Bereichen wie leicht automatisierbaren Verschraubung von Holz- zum Beispiel die Oberflächenprüfung und Fehlererkennung. brettern in Kombination mit deren kostengünstiger Sichtprüfungen an natürlichen gewachsenen Werkstoffen Beschaffung und minimaler Bearbeitung bei maximaler wie Holz mittels Bildmesstechnik zu optimieren und verläss- Maschineneffizienz. Dem zwangsläufig sehr hohen lich zu automatisieren, stellt eine Herausforderung dar, der Schädigungsanteil bei der Bereitstellung der Aus- sich Ingenieure zukünftig in der Lehre, im Betriebsalltag und gangsmaterialien für den Montageprozess kann man in Forschung und Entwicklung stellen müssen. nur durch automatisiertes Sortieren und Klassifizieren Vorgestellt werden erste Machbarkeitsstudien und Ausschussanteils aus der laufenden Produktion begeg- matisierungskonzepts zur Defektkontrolle und Bewertung nen. Eine Auswahl typischer Schadensvarianten und von Holzelementen für die kostengünstige Fertigung von Fehlermerkmale ist in Abb. 2 gezeigt. tet wurden. Innovationsmanagement und Technologietransfer, Sensortechnik, Industrielle Bildverarbeitung, Prozess- und Produktionsmesstechnik, Robotertechnik Was für den Menschen intuitiv als großer Defekt schnell erkennbar und bewertbar ist, ist für ein Kame- Hochschule Augsburg, Fakultät für Maschinenbau, 2 Technologie Centrum Westbayern GmbH 1 Forschungsgebiete sowie eine gezielte Entnahme des unweigerlich hohen Ergebnisse, die im Rahmen der Entwicklung eines Auto- Baumarktprodukten entwickelt und im Praxiseinsatz bewer- Fakultät für Maschinenbau An der Hochschule Augsburg Verfügbarkeit von Standardbibliotheken und Entwick- Die industrielle Bildverarbeitung mit ihren Möglich- Hochschule Augsburg Telefon +49 (0) Telefax +49 (0) Dank des enormen Leistungszuwachses der Kamera- Operationen führt zum gewünschten Prüfalgorithmus. Prof. Dr.-Ing. Markus Glück 19

2 2. Einsatz von Laserscanner und Triangulationssensorik Laserscanner und leistungsfähige Kameras in Verbindung mit Laserlinienprojektoren ermöglichen eine hochgenaue 3D-Vermessung von Werkstücken und Oberflächen. Sie zählen in der Inline Messtechnik heute zu den berührungslosen Standardmessverfahren und finden in der Industrie vielfach Anwendung in Produktionslinien, Mess-, Prüf- und Inspektionssystemen sowie beim vielfach diskutierten Griff in die Kiste. Laserlinienscanner sind für den Einsatz im Fertigungsumfeld geradezu prädestiniert. Mit ihnen lassen Abb. 2: Stichprobenentnahme aus der Materialbeistellung für den Montageprozess. Deutlich erkennbar sind unterschiedliche Helligkeiten sowie verschieden ausgeprägte Maserungen bis hin zu massiven Schädigungen der Oberfläche und Astlöchern. sich Holzwerkstücke während des Produktionsablaufs vollautomatisiert auf einem Förderband mit hoher Auflösung vermessen und im Rahmen einer geeigneten Defektanalyse bewerten. Abb. 3a und 3b zeigen rasystem eine enorme Herausforderung. Aus diesem entsprechende Analysen der Wegmessungen, die in Grund musste die im ersten Realisierungsschritt durch einem 3D-Punktraster über den Testhölzern gewonnen den Werker noch selbst von Hand bzw. im Zuge einer wurden. Genutzt wurde ein zweidimensionaler Präzisi- Sichtprüfung vorgenommene subjektive Bewertung onsscanner (Typ: ScanControl 2710, Hersteller: Micro- und Sortierung der Materialbeistellung systematisiert Epsilon, Laser Klasse 2M nach DIN EN ), der werden. Dies auch vor dem Hintergrund, dass die unter anderem auch zur Kontrolle von Schweißnähten, ermüdende Tätigkeit nicht im Sinne einer zuverläs- Kleber- oder Pastenauftrag, zur Spalt-, Winkel- oder sigen 100%-Kontrolle durch den Menschen in der Stufenvermessung verwendet wird. geforderten Geschwindigkeit und Wiederholgenauig- Die Laserdiode emittiert einen roten Laserstrahl keit über mehrere Arbeitstage hinweg vorgenommen (658 nm) und projiziert eine Linie, die senkrecht auf das werden kann. Ziel der daher in Zusammenarbeit mit Messobjekt fokussiert ist. Die reflektierte Strahlung wird dem Endkunden vorgenommenen Machbarkeitsstudien mit einer in einem spitzen Winkel daneben angeordneten war es, Methoden der industriellen Bildverarbeitung Kamera beobachtet. Mittels einfacher trigonometrischer und den Einsatz laseroptischer 3D-Sensorsysteme zu Berechnungen lässt sich der Abstand sehr genau und mit testen, automatische Prüfroutinen zu entwickeln und hoher Wiederholpräzision bestimmen (640 Messpunkte / einen schnellen Transfer der Inline Messsysteme in die Profil bei einer Datenrate von wahlweise 2,5-20 khz). fertigungstechnische Praxis zu initiieren. Erschwerend kam hinzu, dass Holz als natürlicher Werkstoff eine hohe Variationsbreite an Fehlermerkmalen aufweisen kann und für die Bildmesstechnik ein höchst anspruchsvoller Werkstoff ist. So variieren Farbe, Helligkeit, Hobelrückstände, Oberflächenbearbeitungen (z. B. gewellte oder tief gefräste Führungsnuten) des Ausgangsmaterials. Als Schädigungen sind Astlöcher, überdurchschnittlich ausgeprägte Maserungen, untypische Oberflächenrauheiten bis hin zu Kerben zu identifizieren und in ihrer Ausprägung systematisch zu bewerten. 20 Abb. 3a: Oberflächenscan eines Holzprofils, Auswertung und Visualisierung der Geometriedaten.

3 einfache Weise die Oberflächentopologie auf untypische Inhomogenitäten und Defekte zu bewerten. Bei Nutzung mehrerer paralleler Linienverläufe sind sogar bedeutsame Vereinfachungen des Auswertealgorithmus möglich, die z. B. untypische Abstandsvariationen beider Linienverläufe im Defektfall erkennen und diese als Fehlerstellen identifizieren. Der Vorteil dieses kostengünstiger zu realisierenden Verfahrens liegt auch in der Unabhängigkeit von der wellenartigen Grundstruktur der Holzoberfläche, die unterschiedlich in Formgebung und Abstand der Fräslinien im Tagesablauf vorkommt. Abb. 4 zeigt ein entsprechendes Umsetzungsbeispiel. Abb. 3b: Oberflächenanalyse mit Defektstelle, Auswertung und Visualisierung des Holzprofils, in Fehlfarbendarstellung. Defektstellen können aus den Punktdaten leicht mittels 2D-Analyse der Mittelwerte, lokaler Bereiche mit größerer Streuung, Kantenfilter und Standwerkzeugen der Mustererkennung und -bewertung extrahiert werden. Zur Reduzierung der Fremdlichtempfindlichkeit und des Einflusses inhomogen reflektierender Oberflächen wird im Impulsbetrieb (Lock-In Prinzip) gearbeitet. Die 3. Prozesskontrolle durch statistische Analyse eines Kamerabilds Statistische Grauwertanalysen an Bildern, die mit einer Industriekamera aufgenommen werden, erlauben eine kostengünstige, zuverlässige und unter den geforderten Umständen echtzeitfähige Defektbewertung auf einem Förderband. Von zentraler Bedeutung ist die Realisierung der Beleuchtung. Störlichtanfälligkeit sowie der Einfluss der Grundhelligkeit und des Feuchtegrads der bereitgestellten Hölzer sind sehr gering. Die hohe Anzahl der aufgenommenen Messpunkte und die umfangreiche statistische Analyse limitieren die Echtzeitfähigkeit dieses Prüfsystems bei hoher Taktung. Alternativ zu diesem sehr robusten hochgenauen Prüfverfahren wurden kostengünstigere Varianten entwickelt und getestet. Ähnlich wie bei einm Lasertriangulationssensor wurden die auf einem Förderband zugeführten Holzbretter mit einem Laserlinienprojektor beleuchtet. Abb. 5: Oberflächenvermessung und Defektkontrolle mittels Vollbildanalyse und Werkstückausleuchtung in Dunkelfeldanordnung. Das schräg einfallende Laserlicht wird unterschiedlich Verschiedene Anordnungen wurden untersucht. Die besten an der Oberfläche der Testwerkstücke gestreut. Eine Be- Ergebnisse wurden mit einer weißen Flächenbeleuchtung trachtung der Bildszenerie von oben im Sinne einer Dun- (LED) erzielt, die in die Zuführung integriert wurde. Auch kelfeldanordnung eröffnet eine attraktive Möglichkeit, auf hier wird das Prinzip der Dunkelfeldanordnung verwendet, das zu einer Betonung der Oberflächentopologie beiträgt. Abb. 5 zeigt einen ersten Testaufbau. Abb. 4: Einsatz eines Laserlichtvorhangs in Dunkelfeldanordnung. Schräg einfallendes Laserlicht wird an der Oberfläche gestreut. Die Laser-Linienverläufe werden mit einer Kamera in ihrer Form ausgewertet. Bei der Auswertung der Holzoberflächen werden von den zugeführten Holzbrettern jeweils drei Bilder aufgenommen. Diese werden jeweils einzeln in einer Vollbildanalyse ausgewertet. Hierbei kommt ein neu entwickelter Algorithmus zum Einsatz, der beliebige 21

4 Vorbearbeitungen der Holzbretter erkennt. So werden Neukonzeption einer Vorlesung Industrielle Bildverar- als erstes die Vorzugsrichtung der Fräskonturen, deren beitung und der Integration neuester Scanner- und Laser Form und Abstand erkannt. Im Anschluss findet ein basierender Präzisionsmesssysteme in die Vorlesungen Screening der Oberfläche auf untypische Abweichungen Sensortechnik sowie Prozess- und Produktionsmess- gegenüber unbeschädigten Bereichen statt. technik wird diesem Anspruch zusätzlich Rechnung Ein repräsentatives Bild zeigt Abb. 6. Über das in Abb. 7 dargestellte grafische Menü kann eine Nachfüh- getragen. Mit dem gelungenen Aufbau eines Labors für indus- rung der Grundmessdaten und eine Anpassung an die trielle Bildverarbeitung und technische Optik wurde eine Helligkeitswerte der Zulieferung intuitiv vorgenommen bedeutsame Lücke des Serviceangebots der Hochschule werden. Automatisch angepasst werden die Auswer- Augsburg im Institutsbereich am Technologie Centrum tealgorithmen, Einstellungen werden archiviert und Westbayern (TCW) in Nördlingen geschlossen. rückverfolgbar archiviert. Dieses barrierefreie Institutsumfeld steht Studie- 4. Auf dem Weg zur Produktion 2020 renden und Lehrenden der Hochschule Augsburg und der Fritz-Hopf-Technikerschule Nördlingen, aber auch Anschaulich Schlüsseltechnologien der zukünftigen industriellen Partnern offen für Lehre, Forschung und Produktionstechnik der Produktion 2020 zu de- Entwicklung, um in enger Verzahnung mit namhaften monstrieren und an den Herausforderungen der Syste- Technologiepartnern Lehr- und Weiterbildungsangebote, mintegration gemeinsam mit Studierenden, regionalen Praxisseminare und Transfer- Serviceleistungen zu opti- Firmen und Weltunternehmen zu forschen, das sind die mieren und diese am Markt anzubieten. Eckpunkte eines neuen Transfer- und Lehrkonzepts, das am Technlologie Centrum Westbayern (TCW) in 5. Schlussfolgerungen und Ausblick Demo & Research Centers verwirklicht wurde. Mit der Kameras und Technologien der industriellen Bildverarbeitung (IBV) sind marktreif. Sie werden immer leistungsfähiger, günstiger und leichter integrierbar, vor allem im Zuge der fortschreitenden Fertigungs- und Prozessautomatisierung, welche die Produktion 2020 fordert. Ein schier unerschöpfliches Potenzial an Inspektionsanwendungen lässt sich über die Anwendung und Weiterentwicklung von Methoden der industriellen Bildverarbeitung und eine optimale Beleuchtungstechnik im Produktionsumfeld erschließen. Vor allem die Analyse von Oberflächen und die Inspektion schwieriger, natürlich ge- Abb. 6: Screenshot des Auswerteprogramms und Visualisierung der Testfenster bei der Inline Defektkontrolle im Zuge der Vereinzelung von Holzbrettern auf dem Förderband. wachsener Werkstoffe stellt eine Herausforderung dar, die sich in kürzester Zeit bei unseren Endkunden amortisiert. Von zentraler Bedeutung sind bei allen Prüfanwendungen die bedarfsgerechte Auswahl leistungsfähiger Komponenten (Beleuchtungen und Kamerasysteme) sowie die Robustheit der Auswertesoftware. Mit der Einrichtung Abb. 7: Intuitive Nutzerführung und Anpassung zur Einstellung der Prüfgenauigkeit und der zugelassenen Toleranzbandbreite. Screenshot des Parametrierungsfensters. 22 eines neuen Anwender- und Lehrlabors für industrielle Bildverarbeitung am Technologie Centrum Westbayern einem Produktionsmechatronik An-Institut der Hochschule Augsburg in Nördlingen wurde für Firmen ein attraktives Prüffeld für eigene Versuche, Technologietransferinitiativen und bedarfsgerechte Entwicklungsvorhaben

5 Technikforen, Vorträge und Tagungsbeiträge 17. Technologieforum Industrielle Bildverarbeitung III Bildgeführte Montage und Prozesskontrolle, Vision Guided Robotics am Technologieforum Fertigungsmesstechnik zu- verlässig und sicher produzieren am Demo & Research Center eine neue Form des In- novationsmanagements, ein neues Serviceangebot und erste Ergebnisse im Umfeld der Hochschule Augsburg Abb. 8: Ausbildung im Labor für industrielle Bildverarbeitung und technische Optik am Technologie Centrum Westbayern (TCW) einem An-Institut der Hochschule Augsburg in Nördlingen. geschaffen. Die Laboreinrichtungen sind darüber hinaus aktiv in den Lehrbetrieb der Hochschule Augsburg und der Fritz-Hopf-Technikerschule in Nördlingen eingebunden. Dabei werden völlig neue Lehrformen extrem praxisnah verfolgt: Blockunterrichte mit Theorie & Praxis in einem Vortrag Prof. Dr. Markus Glück im Rahmen des Fach- forums Gemeinsam Wettbewerbsvorteile schaffen! Hochschule und Wirtschaft in Schwaben-Allgäu Wachstum durch Innovation! in Zusammenarbeit mit BayME und vbm am in Augsburg. Industrielle Bildverarbeitung Leistungsfähige Kom- ponenten und Systemintegration Eröffnungsvortrag Prof. Dr.-Ing. Markus Glück zum Raum, Kleingruppenunterrichte und vor allem FuE- 19. Technologieforum Industrielle Bildverarbeitung Projekte an konkreten Fragestellungen regionaler Firmen. IV Leistungsfähige Komponenten und Systemin- Konsequent wird der Aufbau eines Bildungs-, Transfer- tegration am im Technologie Centrum und Studienzentrums der Hochschule Augsburg in und für Nordschwaben vorangetrieben. Danksagung Vielen Dank meinen Institutsmitarbeitern Benjamin Westbayern, Nördlingen Kamera- und Scannereinsatz zur Bild basierten Ro- boterführung, Inline Kontrolle und Montageoptimierung mit Industrierobotern Prof. Dr.-Ing. Markus Glück, Benjamin Roßkopf, Josef Rosskopf, Josef Wolf und Bernd Lechner für die Unter- Wolf, Vortrag und Veröffentlichung beim Interna- stützung der Versuchsreihen. Gemeinsam bedanken wir tionalen Forum Mechatronik (IFM 2011) in Cham, uns bei allen nicht namentlich genannten Mitarbeitern unserer Partnerfirmen und vor allem unserem Allianz- Quellenhinweise partner Micro-Epsilon (Ortenburg). Die Forschungs- W. und Technologietransferaktivitäten des Technologie Centrum Westbayern, werden gefördert vom Freistaat Bayern und der EU (Programme EFRE, ESF). Die Einrichtung einer Stiftungsprofessur der Hochschule im Umfeld des Technologie Centrum West- und weiterführende Literatur Burger, M. Burge, Digitale Bildverarbeitung, Springer-Verlag, A. Donges, R. Noll, Lasermesstechnik (ISBN ) und Physikalische Grundlagen der Lasertechnik (ISBN ). M. Glück, J. Wolf, B. Lechner, Forschungsaktivitäten bayern wurde möglich durch das beherzte Zupacken und Aufbau eines neuen Labors für industrielle Bild- der Fritz und Liselotte Hopf-Stiftung (Nördlingen) verarbeitung und Lasermesstechnik am Technologie sowie der Firmen GEDA-Dechentreiter (Asbach- Centrum Westbayern, Forschungsbericht 2010 der Bäumenheim), Grenzebach Maschinenbau (Hamlar), HARTING (Espelkamp, Nordrhein-Westfalen), Kathrein (Rosenheim und Nördlingen), Märker Zement (Harburg), Ohnhäuser (Wallerstein), Tigra (Oberndorf), Valeo (Wemding) und Zott (Mertingen). Hierfür herzlichen Dank! Hochschule Augsburg, S E. Schiessle, Industriesensorik Automation, Mess- technik, Mechatronik; Vogel Fachbuch Verlag, Würzburg (2010) Produktbeschreibungen der Firma Micro-Epsilon (Internet) 23