Herausforderung Messen mit Bildverarbeitung. Ronny Walther

Transkript

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2 Herausforderung Messen mit Bildverarbeitung Ronny Walther

3 Inhalt Motivation: Warum Messen mit Bildverarbeitung? Einordnung der Mess- und Prüfaufgaben Prinzip und Voraussetzung des 2-D Messens Komponenten der Signalkette Auswirkungen der Komponenten Beleuchtung Prüfobjekt Optik Bildaufnehmer, Kamera und BV-System Software Fehler bei der Justierung Messen mit dem Vision System camat Folie 3

4 Unternehmensportrait Bildverarbeitungsspezialist mit Sitz in Suhl / Thüringen Über 20 Jahre Erfahrung im Bereich der industriellen Bildverarbeitung Kernkompetenz in Optik-, Hard- und Softwareentwicklung Einführung der Telezentrie in der industriellen Bildverarbeitung (Anfang der 90er Jahre) Markteinführung von LED-Beleuchtungen für Maschine Vision (Mitte der 90er Jahre) 1998: Erste Generation bildverarbeitender Sensoren für Muster-, Markenerkennung, Bildvergleich Seit mehr als 10 Jahren Komponentensysteme (Vision Systeme, Optiken, Beleuchtung) mit über Applikationen Folie 4

5 Motivation: Messen mit Bildverarbeitung Berührungslos Schnell Systeme arbeiten mit der Taktrate der Produktionsanlage 100%ige Qualitätskontrolle Frühzeitiges Erkennen von Fehlerquellen Optimierung von Produktionsvorgängen Reduktion von Ausfallzeiten Kostensenkung Folie 5

6 Einordnung der Prüfaufgaben Maßliches Prüfen (Messen) Nichtmaßliches Prüfen (Lehren) Länge, Breite, Höhe Lage- / Drehlageerkennung Winkel, Orientierung Strukturen, Texturen, Farben, Muster Größen Zeichenerkennung, Schriften lesen Flächeninhalt, Volumina Objekterkennung, Teileidentifikation Geradheit, Rundheit Anwesenheit, Vollständigkeit 3-D Messung Oberflächen Folie 6

7 Prinzip und Voraussetzungen des 2D-Messens Qualität des Bildes hat wesentlichen Einfluss» Helligkeitsübergänge bilden die Grundlage für das Messen Justierung und Kalibrierung ist von hoher Bedeutung» Übertragung der Längeneigenschaften der Maßverkörperung auf das Vision System Alle Bestandteile der Signalkette tragen zur Messunsicherheit bei Folie 7

8 Komponenten der Signalkette Beleuchtung Prüfobjekt Techniken, Wellenlänge Wechselwirkungen mit Beleuchtung und Optik Optik Perspektivwirkung, Abbildungsfehler Auflösungsvermögen Bildaufnehmer, Kamera, BV-System Auflösung, Dynamik Technologie Signalqualität Software Algorithmen Für ein optimales Ergebnis müssen alle Komponenten der Signalkette aufeinander abgestimmt sein. Folie 8

9 Einsatz der Beleuchtung Ziel: Kontrast beeinflusst entscheidend die Messunsicherheit» Auswahl geeigneter Beleuchtungstechniken» Nicht alle Beleuchtungstechniken sind zum Messen geeignet Abstimmung der Beleuchtung auf Messaufgabe, Prüfobjekt, Objektiv und Bildaufnehmer» Oberfläche reflektieren, absorbieren, streuen verschieden» Polarisation und Beugung können auftreten» Wechselwirkung mit Beleuchtungswellenlängen Beleuchtung Rot: Leiterbahnen mit Schutzlack sichtbar Beleuchtung Infrarot: nur Leiterbahnen sichtbar (Lack wird ausgeblendet) Folie 9

10 Beleuchtungstechniken Auflicht + Oberflächenkontrolle + geringere Anschaffungskosten durch kleinere Leuchtfelder - glatte oder spiegelnde Oberflächen führen zu störenden Reflexionen Durchlicht + ideal für Konturvermessung, da Silhouette abgebildet + für hoch genaue Messungen - keine Aussage über Oberfläche möglich - Bauteil muss sich zwischen Beleuchtung und Ojektiv befinden Dunkelfeld + starke Betonung der Kanten + Unebenheiten der Oberfläche werden hervorgehoben - kleiner Arbeitsabstand nötig - Beleuchtungsdurchmesser muss größer sein als Objektdurchmesser Folie 10

11 Einfluss der Optik Kontrastübertragungsfunktion Auflösung kontrastreich Kontrast unscharf scharf kontrastarm Auflösung Folie 11

12 Einfluss der Optik Abbildungsfehler:» Objektivbedingte Abbildungsfehler erzeugen unscharfe Abbildungen» Vignettierung erzeugt zum Rand hin ein dunkleres Bild» Vermeidung durch Einsatz hochwertiger Objektivkonstruktionen Verzeichnungsfehler:» geometrische Verzerrung des Bildes tonnenförmig kissenförmig» Vermeidung durch verzeichnungsarme Objektive oder rechnerische (softwareseitige) Korrektur Perspektivfehler:» perspektivische Betrachtung von großen Objekten» Vermeidung durch telezentrische Objektive» Schwankungen des Arbeitsabstandes erzeugen perspektivische Fehler Folie 12

13 Einfluss des Bildaufnehmers Technologie und Qualität des Bildaufnehmers (CCD, CMOS) Messfrequenz wird durch Zeit des Sensor-Auslesens begrenzt Überbelichtung (Sättigung) vermeiden: Fehlinformationen und Informationsverlust! Bildpunktauflösung= Größe des Gesichtsfeldes mm [ ] Bildpunktzahl Pixel Bildpunktauflösung= 75 mm mm =0, Pixel Pixel Verbesserung der Bildpunktauflösung durch:» Kleineres Gesichtsfeld» Mehr Pixel bei gleicher Bildfeldgröße (hochauflösende Sensoren)» Mehrere Kameras» Bewegliche Kameras» Interpolation zwischen Pixeln (Subpixeling) Folie 13

14 Software - Antastalgorithmen Binärverfahren stark beleuchtungsabhängig bei Durchlicht bei gutem Kontrast (>30% Grauwertdifferenz) z.b. Stanzteilprüfung Gradientenverfahren Kantengenauigkeit: ± Pixel Anwendung: sehr wenig beleuchtungsabhängig Grauwertverfahren mit Subpixeling Kantengenauigkeit: ± 1 Pixel Anwendung: Durchlicht und Auflicht für Teile mit stark wechselnden Eigenschaften schnell, wenig beleuchtungsabhängig Kantengenauigkeit: ± 0,1 Pixel Anwendung: Durchlicht und Auflicht z.b. Oberflächenkontrolle Messen unter rauen Industriebedingungen Folie 14

15 Software Grauwertverfahren mit Subpixeling Aus Regressionsgerade durch Grauwertverlauf wird die Kantenposition bestimmt Laborbedingen bis auf 1/10 Pixel genau Industriebedingungen bis auf 1/3 Pixel genau Folie 15

16 Fehler bei der Justierung und Kalibrierung Justierung: Parallelität der optischen Achsen (TZO / TZB) Rechtwinkligkeit optische Achse zu Grundfläche Arbeitsabstand / Bildschärfe Ausrichtung (Lage / Drehlage) der Kameras Blendeneinstellung (Tiefenschärfe) Homogenität / Helligkeit der Beleuchtung Ausrichtung mehrerer Kameras zueinander (6 Freiheitsgrade!) Justierprogramme (Serviceprogramm) helfen bei der Wiederherstellung der Justierung nach Demontage der Maschine Kalibrierung bestimmt wesentlich die Messunsicherheit! Kalibrierkörper Kalibrierverfahren Wiederholung (regelmäßig, nach Veränderungen an der Maschine)... Folie 16

17 Vision System camat mit Messfunktionen Einstiegsmodell für maßhaltiges Prüfen Kostengünstige Alternative zu allgemeinen Vision Systemen Verzeichnungsarme Optiken, Telezentrische Optiken für hoch genaues Messen Auflicht auch mit anderen Beleuchtungstechniken kombinierbar Wellenlängen Blau, Rot, Infrarot decken eine viel zahl von Anwendungen ab Individuelle Arbeitsabstände durch großes Produktportfolio (entozentrisch, telezentrisch) Einfache Kalibrierung auf gewünschtes Prüfobjekt Einfache Justierung Messungen an bis zu Teilen / Minute Folie 17

18 Applikationsbeispiele Messfunktion camat Bereich: Lebensmittelindustrie, Pharmaindustrie Bestimmung der Füllstandhöhe in Glasfläschchen Auswertung der Flüssigkeitswölbung Auswertung: gut / schlecht / Funktion negativ Folie 18

19 Applikationsbeispiele Messfunktion camat Metallverarbeitende Industrie Kontrolle eines Spezialzahnrades unter Produktionsbedingungen Kontrolle der Flankenwinkel Kontrolle der Rundung Folie 19

20 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Besuchen Sie uns an unserem Stand. Halle 4, Stand B52 Folie 20