Fehlerdetektion mit USB-2.0-Kamera Qualitätsprüfungen an spiegelnden und reflektierenden Oberflächen

Autor / Redakteur: Thomas Schmidgall* / Gerd Kucera

Bei der Kontrolle glänzender Oberflächen ist die automatisierte Bildverarbeitung bisher schnell an ihre Grenzen gestoßen, weil gängige Prüfverfahren mit Auflicht oder Durchlicht versagten. So war die Erkennung von Einschlüssen, Textur- oder Farbabweichungen bis dato dem menschlichen Auge vorbehalten. Jetzt kommt ein neues Verfahren zum Einsatz, um die Qualitätsprüfung spiegelnder und reflektierender Oberflächen mit erhältlichen Machine-Vision-Komponenten zu realisieren.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Beim Prüfen von Oberflächen auf Fehler oder Unregelmäßigkeiten besitzt das menschliche Auge bisher unerreichte Fähigkeiten, trotz aller technischen Fortschritte der industriellen Bildverarbeitung. Weil aber das menschliche Auge rasch ermüdet, muss wann immer nur möglich automatisch geprüft werden. Die Vorteile sind neben der Wirtschaftlichkeit vor allem ein Höchstmaß an Reproduzierbarkeit und Objektivität in der Serienfertigung realisierbar. Eine hohe Auswertegeschwindigkeit und die Möglichkeit, die Inspektion direkt in den Fertigungsprozess zu integrieren, sind wichtige Argumente für eine automatisierte Inspektion.

Bisher nur stickprobenartige, visuelle Prüfung

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Maschinelle Oberflächenprüfverfahren nutzen bisher Auflicht oder Durchlicht in Verbindung mit einem Kamerasystem für die optische Qualitätskontrolle. Wegen der entstehenden Reflektionen, die dann entweder unterbunden oder in das Messverfahren mit einbezogen werden müssen, ist diese Methode für die automatische Inspektion von spiegelnden und glatten Oberflächen problematisch. Entweder benötigt man sehr aufwendige Beleuchtungsverhältnisse mit polarisiertem Licht oder Streifenlicht im Dunkelraum oder aber die Teile müssen exakt und absolut erschütterungsfrei positioniert werden. Wie auch immer.

Beide Lösungen stehen einer automatisierten 100%-Prüfung im laufenden Produktionsprozess im Weg. Zwar lässt sich softwaretechnisch durchaus nachhelfen, doch daraus folgt ein enormer Rechenaufwand, der wiederum die Kontrolle und somit den Fertigungstakt erheblich verlangsamt. Die Begutachtung glänzender Oberflächen wird daher in den meisten Fällen nur stichprobenartig und per Auge durchgeführt - gleichgültig ob in der Automobilindustrie, bei der Herstellung von Sanitär- und Küchenzubehör, in der CD- und DVD-Produktion oder in der glasverarbeitenden Industrie.

Jetzt ist die 100%-Prüfung im Fertigungsprozess möglich

In Zusammenarbeit mit der Universität Karlsruhe hat sich das Dortmunder Unternehmen ELCO-PRO GmbH & Co. KG dieser besonderen Aufgabenstellung angenommen und eine Lösung entwickelt, die die berührungslose Qualitätsprüfung von spiegelnden oder glänzenden Teilen zu 100% im Fertigungsablauf ermöglicht, das heißt mit einer Prüfgeschwindigkeit im Produktionstakt und weitgehend unempfindlich gegenüber Lageveränderung, Erschütterungen oder Fremdlicht.

VisionFlex setzt dabei auf die sogenannte Deflektometrie, ein neu entwickeltes Verfahren, das auf Standardkomponenten basiert und somit kostengünstig realisiert werden kann. Um alle bisherigen Schwierigkeiten bei spiegelnden Oberflächen zu umgehen, werden auf die zu prüfende Oberfläche unterschiedliche Intensitätsmuster projiziert. Diese werden gespiegelt – bei nahezu planen Oberflächen auf flache Projektionswände und bei gekrümmten Oberflächen auf hemisphärische Anlagen - und mit einer Industriekamera aufgenommen. Anschließend werden die Abweichungen der Muster auf den Bildern ausgewertet und so etwaige Defekte und Qualitätsmängel lokalisiert. Dabei können auch gespeicherte Referenzmuster in die Prüfung mit einbezogen werden.

Eine geeignete lösung: HALCON-Software mit USB2.0-Kamera

Dieses System von ELCO-PRO basiert auf der Bildverarbeitungssoftware HALCON und auf einer USB2.0-Industriekamera aus der uEye-Familie von IDS Imaging Development Systems. IDS hat sich als einer der ersten Hersteller auf die schnelle und komfortable USB-Schnittstelle als Anschlusslösung für Industriekameras konzentriert. Mittlerweile bietet der schwäbische Machine-Vision-Spezialist über 40 verschiedene Modelle mit CMOS- oder CCD-Sensor an. In der vorliegenden Applikation kommt eine UI-1440-M (1280 x 1024 Bildpunkte, CMOS, monochrom) zum Einsatz, die sich, wie alle Kameras aus der uEye-Familie, durch eine sehr kompakte Bauweise, schnelle Bildraten und eine hervorragende Softwareintegration auszeichnet.

Die simultane Erfassung mehrerer Kamerabilder ist möglich

Gerade mal 24 mm x 32 mm x 27,4 mm misst das kleinste Modell der Kameraserie, die dennoch mit verlangter Leistung aufwartet. Bei einer Auflösung bis zu 3,1 Megapixel schaffen die Minis bis zu 75 Bilder/s im Vollbildmodus, noch weit höhere Bildraten sind im AOI-Modus (Area of Interest) möglich.

Die aktuelle Modellpalette umfasst verschiedene Monochrom- oder Farbkameras (mit Bayer-Mosaik-Farbumrechnung) mit Rolling- oder Global Shutter, wahlweise mit oder ohne Speicher. Eigenschaften wie Windowing, Binning, Sub Sampling und Bildspiegelung in x- und y-Richtung ergänzen den Funktionsumfang. Mit der USB2.0-Schnittstelle kommt die Kamera ohne zusätzliche Hardware aus und kann sofort an einen Laptop oder PC angeschlossen werden. Die hohe Bandbreite des Busses erlaubt maximale Datenraten bis 480 MByte/s und, falls erforderlich, die simultane Erfassung und Darstellung von Bildern mehrerer Kameras am Computer. Die Stromversorgung erfolgt ebenfalls über den Universal Serial Bus.

Ob Lack, Chrom, Spiegel, Glas oder Kunststoff, je glänzender die Oberfläche, desto mehr kann VisionFlex seine Leistungsfähigkeit unter Beweis stellen. In Prüfteilen in der Größe von 5 bis 5000 mm werden Dellen, Beulen, Einschlüsse, Kratzer, Pickel und Löcher zuverlässig aufgespürt. Auch Polierfehler und Schlieren lassen sich identifiziert und am Bildschirm angezeigen, wobei das System durchaus zwischen Schmutz und Defekt unterscheiden kann. Die Messgenauigkeit liegt im mm-Bereich und erfordert keine speziellen Lichtverhältnisse.

Fassettenreiche Integration in diverse Applikationen

Die Bildauswertung von VisionFlex erfolgt (wie erwähnt) mit der Bildverarbeitungssoftware HALCON. Die zeichnet sich vor allem durch eine flexible Architektur und schnelle Entwicklungsmöglichkeit von unterschiedlichen Bildverarbeitungs- und Bildanalyseanwendungen aus. Zu HALCON und vielen weiteren gängigen Machine-Vision-Programmen, etwa Activ Vision Tools, Common Vision Blox oder NeuroCheck, besitzt die uEye-Kamera eine entsprechende Schnittstelle. Für die Anwender von Standard-Softwarelösungen steht überdies ein Twain-Treiber, eine ActiveX-Komponente und ein WDM zu Verfügung. Diese Softwareunterstützung erleichtert die schnelle Applikationsintegration.

Alle uEye-Kameras unterstützen grundsätzlich die aktuellen Windows-Betriebssysteme und Linux. Jede Kamera wird mit einer kostenlosen Softwaresammlung, bestehend aus Software-Development-Kit (SDK), Demo-Programmen für die Bilderfassung und -analyse und den zugehörigen in C/C++ geschriebenen Source-Codes ausgeliefert. Für die Applikation können die Quellcodes schnell an spezielle Anforderungen angepasst bzw. ins Programm eingebaut werden. Das SDK ermöglicht die Kontrolle aller kameraspezifischen Parameter und bietet neben Speichermanagement mit Ring-Buffer- und Double-Buffer-Verwaltung auch ein Direct-Draw-Interface. Letzteres erlaubt das flimmerfreie Einblenden von individuellen Informationen (z.B. Datum, Zeit, Grafik) in das Live-Video.

Durch die Verwendung von Standardkomponenten ist VisionFlex ein flexibles Verfahren. Es ersetzt bei spiegelnden und glänzenden Oberflächen die Prüfung durch das menschliche Auge, das mit der Geschwindigkeit des Produktionsprozesses nicht Schritt halten kann und überdies rasch ermüdet. VisionFlex als automatisierte 100%-Prüfung in der laufenden Produktion erfüllt auch gesteigerte Qualitätsansprüche und senkt durch das frühzeitige Erkennen von systematischen Fehlern die Ausschussquote bzw. die Nacharbeit drastisch.

*Thomas Schmidgall ist Marketingleiter bei IDS, Obersulm.

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