Silicann Technologies / Mühlbauer

Perzeptive Farbsensoren in Münzprüfmaschinen

12.12.2007 | Redakteur: Ines Stotz

Die Prüfmaschine von Mühlbauer untersucht und sortiert Münzen und Münzrohlinge in verschiedenen Fertigungsstufen.
Die Prüfmaschine von Mühlbauer untersucht und sortiert Münzen und Münzrohlinge in verschiedenen Fertigungsstufen.

Insbesondere in der industriellen Bildverarbeitung sind, nicht zuletzt bedingt durch den globalen Wettbewerb, die Leistungsansprüche der Anwender spürbar gewachsen. „Dies gilt verstärkt

Insbesondere in der industriellen Bildverarbeitung sind, nicht zuletzt bedingt durch den globalen Wettbewerb, die Leistungsansprüche der Anwender spürbar gewachsen. „Dies gilt verstärkt für hart umkämpfte Märkte wie die Münzindustrie, wo steigende Rohstoffpreise und die immer stärkere Akzeptanz und Verbreitung elektronischer Zahlungsmittel den Kostendruck auf Produzenten und Abnehmer erhöhen“, berichtet Dr. Björn Kuhlbrodt, Core Developer R&D Vision Systems bei Mühlbauer. Das Münchner Unternehmen bietet Systemlösungen für die Halbleiterproduktion, RFID sowie Tecturity (technologic security) und stellt auch Maschinen für die Produktion von Münzen her.

Dabei untersucht und sortiert die Prüfmaschine SIF2500 Münzen und Münzrohlinge in verschiedenen Fertigungsstufen. „Das garantiert, ausschließlich mängelfreie Produkte auszuliefern und Fehler im Produktionsprozess frühzeitig zu erkennen“, sagt Björn Kuhlbrodt. Ziel der Qualitätsprüfung ist also die Verbesserung der Produktqualität bei gleichzeitiger Senkung der Herstellungskosten. Typische zu detektierende Fehlerarten sind Kratzer, Löcher in der Beschichtung, Maßabweichungen und falsche Farbe (Legierung). Dabei muss der Prüfprozess nicht nur ganz genau, sondern auch schnell etwa 2000 Teile pro Minute und zuverlässig ablaufen. „Zum Teil müssen dabei sehr ähnlich aussehende Materialien voneinander unterschieden und getrennt werden, etwa die silbrig glänzenden Metalle Nickel und Stahl“, beschreibt der Experte die anspruchsvolle Aufgabe.

Um Farbunterschiede zu detektieren, die auf eine falsche Legierung hindeuten, verwendete Mühlbauer bisher japanische Farbsensoren. Mit steigender Vielfalt der Legierungen und wachsenden Ansprüchen an die Farbreinheit zeigte sich jedoch, dass deren Leistung dafür nicht mehr ausreicht. Um nun die gerade noch mit dem Auge zu unterscheidenden Farbvariationen zuverlässig zu erkennen, setzt das Unternehmen die Farbsensoren PCS-II von Silicann Technologies ein. „Bisher haben wir und unsere Kunden damit durchweg gute Erfahrungen gemacht. Zudem können wir mit den offenen Ansteuerungs-Bibliotheken die Sensoren kundenspezifisch konfigurieren und nahtlos in unsere Anwendungen einbinden“, erklärt Dr. Kuhlbrodt.

Farben sehen wie der Mensch

Für die technische Umsetzung wird das Dreibereichs-Verfahren verwendet, wie Jens Mirow, Logistikmanager bei Silicann, erläutert: Dabei werden optische Filter eingesetzt, die die Normspektralwert-Funktionen möglichst genau abbilden. Drei Photodioden wandeln das gefilterte Licht in elektrische Signale um und man erhält die drei Farbkomponenten X, Y, Z (RGB), die anschließend in L*a*b*-Farbwerte transformiert werden. Dies ermöglicht eine perzeptive Farbverarbeitung. Das heißt, der Sensor bewertet Farbabweichungen genauso wie es der Mensch tun würde. Fehlerhafte Farbprüfungen, wie sie bei herkömmlichen RGB-Sensoren auftreten können, lassen sich so ausschließen.

Signale verarbeiten per DSP

Herzstück bei der Signalverarbeitung im PCS-II ist ein DSP, mit dessen Rechenleistung die erforderlichen Farbraum-Transformationen im kHz-Bereich durchführbar sind. Um aus den XYZ-Rohsignalen des Farbphoto-Detektors eine perzeptive Farberkennung zu realisieren, sind mehrere Verarbeitungsschritte notwendig. Zunächst werden die Stromsignale des Detektors mittels Transimpedanz-Wandler in Spannungen überführt. Nachfolgend ist eine Verstärkung der Spannungen in vier Stufen (1, 5, 25, 100) programmierbar, so dass ein weiter Eingangs-Signalbereich abgedeckt wird. Anschließend werden die Signale vom A/D-Umsetzer mit 12 Bit pro Farbkanal digitalisiert. Um eine robuste Verarbeitung der Signale durch den Sensor im realen Betrieb zu erreichen, wurde eine dynamische Störlicht-Unterdrückung implementiert. Diese erfolgt durch Differenz-Signalbildung und eine zweiphasige Objektbeleuchtung. Das eliminiert den Störlichtanteil, der in beiden Phasen der Objektbeleuchtung vorhanden ist. Per Software lässt sich die Intensität der Weißlicht-LED steuern. Zur Prüfung von selbstleuchtenden Objekten wie LEDs oder Glühlampen kann die eingebaute Lichtquelle abgeschaltet werden. In diesem Fall kann eine Störlicht-Kompensation erfolgen, indem das Schaltsignal zum Einschalten des Prüflings gleichzeitig dem Trigger-Eingang des Farbsensors zugeführt wird. Um die Signalverhältnisse des Sensors denen der Normspektralwert-Funktionen anzupassen, wird eine Signalkorrektur durchgeführt. Im Anschluss werden die XYZ-Signale perzeptiv transformiert.

Klassifizieren oder sortieren

Im letzten Schritt erfolgt die Bewertung (Klassifikation) des Eingangs-Farbwertes. Dabei stehen zwei Methoden zur Verfügung: Bei der Farbklassifikation (Farbsortierung) wird der aktuelle Messwert mit abgespeicherten Farbmustern verglichen und dem dichtesten Muster zugeordnet unabhängig von der Ähnlichkeit der Farben. Anwendung findet dieses Verfahren bei automatisierten Sortiervorgängen von farbigen Objekten. Bei der Farberkennung (Farbprüfung) wird festgestellt, ob Farbtoleranzen eingehalten werden. Wird sie überschritten, so gilt die Prüfung als nicht bestanden (bzw. Farbe nicht erkannt). Diese Variante wird für die Qualitätssicherung farbiger Produkte verwendet. Außerdem lässt sich hier auf einfache Weise ein Ereignis-Trigger erzeugen, was in der Produktion eine schnelle Qualitätsprüfung nach festgelegten Toleranzvorgaben ermöglicht.

Farbsensoren Silicann PCS-II

Sie erkennen jeden Farbunterschied

? perzeptive Arbeitsweise

? Verwendung farbmetrischer Farbräume

? Abstand zum Messobjekt variierbar

? 255 Farben über Software einlernbar

? variable Verstärkung des Sensorsignals

? variable Helligkeit der internen Lichtquelle

? synchroner Betrieb mehrerer Sensoren

? Haltezeit für Schaltausgänge von 0 bis 65536 ms

? LabView(R)-Treiber im Lieferumfang

? PC-basierte Steuerung des Sensors

? Firmware Update per RS232-Schnittstelle

? Gruppenbildung von Farbklassen

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