einfÜhrung in die industrielle bildverarbeitung · speichern zu können, wurden 2d-codes wie z. b....

EINFÜHRUNG IN DIE INDUSTRIELLE BILDVERARBEITUNGEin Leitfaden für die Automatisierung von Produktionprozessen und Qualitätsprüfungen

Einführung in die industrielle Bildverarbeitung 2

Was ist industrielle Bildverarbeitung? ............................... 3

Vorteile industrieller Bildverarbeitung.................................. 5

Anwendungen industrieller Bildverarbeitung.................................. 6

Führen ............................................. 7

Identifizieren .................................... 8

Messen............................................ 9

Prüfen............................................ 10

Komponenten der industriellen Bildverarbeitung.................................11

Beleuchtung .................................. 13

Hintergrundbeleuchtung .......... 13

Axial gestreute Beleuchtung .... 13

Strukturiertes Licht ................... 13

Dunkelfeld-Beleuchtung........... 14

Hellfeld-Beleuchtung................ 14

Diffuse Dombeleuchtung ......... 14

Stroboskopische Beleuchtung . 14

Objektive ....................................... 15

Bildsensor ..................................... 15

Bildverarbeitung ............................ 16

Kommunikation ............................. 16

Verschiedene Arten industrieller Bildverarbeitungssysteme ............... 17

1D-Bildverarbeitungssysteme ....... 17

2D-Bildverarbeitungssysteme ....... 18

Flächenscan vs. Zeilenscan .......... 19

3D-Systeme .................................. 20

Plattformen für industrielle Bildverarbeitung................................ 21

PC-basierte industrielle Bildverarbeitung ............................ 21

Vision-Controller ............................ 21

Autarke Bildverarbeitungs- systeme ......................................... 22

Bildverarbeitungssensoren und bildbasierte Barcode- Lesegeräte ................................... 22

Fazit ................................................. 21

INHALTSVERZEICHNIS


WAS IST INDUSTRIELLE BILDVERARBEITUNG?NacheinerDefinitionderAIA(AutomatedImagingAssociation)umfasstindustrielleBildverarbeitung(IBV)alleAnwendungen,beideneneineKombinationausHard-undSoftwaredieFunktionvonGerätenundAnlagendurchBilderfassungund-verarbeitungunterstützt.DieindustrielleBildverarbeitungsetztvieleAlgorithmenein,dieauchbeiAnwendungenimBereichBildung/UniversitätenoderRegierung/MilitärVerwendungfinden.DieAnforderungensindjedochsehrunterschiedlich.

ImVergleichzuakademischenAnwendungenfürBildverarbeitungerfordernindustrielleBildverarbeitungssystemeeinehöhereRobustheit,ZuverlässigkeitundStabilitätundkostenüblicherweisewenigeralssolche,diefürRegierungs-/Militäranwendungeneingesetztwerden.IndustrielleBildverarbeitung(IBV)stehtsomitfürniedrigeKosten,akzeptableGenauigkeit,hoheRobustheitundZuverlässigkeitsowiehohemechanischeund Temperaturbeständigkeit.

BildverarbeitungssystemebasierenaufdigitalenSensoreninIndustriekameras,diemiteinerspeziellenOptikzurBilderfassungausgestattetsind.EineKombinationausHardwareundSoftwareverarbeitet,analysiertundmisstverschiedeneMerkmalezurEntscheidungsfindung.

EinBeispielhierfüristdasAbfüll-Prüfsystem,dasinBrauereienzumEinsatzkommt(Abbildung1).JedeBierflaschedurchläufteinenPrüfsensor,derdannüberdasBildverarbeitungssystemeinBlitzlichtauslöstunddieFlaschefotografiert.NachdemdasBilderfasstundzwischengespeichertwurde,wirdesvonderBildverarbeitungssoftwareanalysiertundeinPass/Fail-ErgebnisbasierendaufdemFüllstandderFlascheausgegeben.ErkenntdasSystemeinenichtordnungsgemäßbefüllteFlasche,d.h.ein‘Fail’-Ergebnis,sendeteseinSignal,umdieFlascheauszuschleusen.DerBedienerkannsichdanndiezurückgewiesenenFlaschenundProzess-StatistikenamDisplayanzeigenlassen.

MitBildverarbeitungssystemensindauchobjektiveMessungenmöglich,z.B.dasErkennenderAbständevonZündkerzenoderdieBereitstellungvonPositionsdatenfüreinenRoboterzurTeileausrichtung.Abbildung2zeigtBeispieledafür,wieBildverarbeitungssystemefürPass-/Fail-PrüfungenvonÖlfiltern(rechts)undzurMessungderBreiteeinerMittellaschederKlammer(links)verwendetwerdenkönnen.


Display des Bildverarbeitungssystems Blitz

Sensor

Ölfilter ist in Ordnung (alleÖffnungensindfrei)

Ölfilter wird abgelehnt (einigeÖffnungen sindblockiert)

37.255 mm

Abbildung 1. Beispiel für eine Füllstandsmessung bei Flaschen

DasFüllstand-MesssystemindiesemBeispiellässtnurzweimöglicheRückmeldungenzu,eintypischesMerkmalfürBinärsysteme:

1.Pass,wenndasProduktinOrdnungist

2.Fail,wenndasProduktnichtinOrdnungist

Abbildung 2.

BildverarbeitungssystemekönnenMessungenundInspektioneninEchtzeitanderProduktionslinieauszuführen,z.B.fürbearbeiteteKlammern(links)oderÖlfilter(rechts).


VORTEILEINDUSTRIELLER BILDVERARBEITUNGWährendderMenschkomplexeundnichtstrukturierteSzenenqualitativbesserbeurteilenkann,soistdieIBVbeiderquantitativenMessungstrukturierterSzenenhinsichtlichGeschwindigkeit,GenauigkeitundWiederholbarkeitüberlegen.ImFalleeinerProduktionslinieistz.B.einindustriellesBildverarbeitungssysteminderLage,hunderteoderselbsttausendeTeileproMinutezuprüfen.MitderrichtigenAuflösungundOptikkanneinindustriellesBildverarbeitungssystemDetailserkennen,diefür das menschliche Auge nicht sichtbar sind.

DasTestsystemverzichtetaufeinenphysischenKontaktmitdenPrüfteilen,damitverhindertdieIBVdieBeschädigungderselben.WartungszeitenundKostendurch denVerschleißmechanischerKomponentenwerdeneliminiert.IndemdasmenschlicheEingreifenindenHerstellungsprozessreduziertwird,bringtdieindustrielleBildver-arbeitung operative und Sicherheitsvorteile. Sie vermeidet Kontaminationen von ReinräumendurchMenschenundschütztArbeitervorgefährlichenUmgebungen.

Der Beitrag der industriellen Bildverarbeitung zum Erreichen strategischer Ziele

Strategisches Ziel Anwendungen industrieller Bildverarbeitung

Höhere Qualität Inspektion,Messung,KalibrierungundMontageüberprüfung

Mehr ProduktivitätRepetitiveundfrühermanuelldurchgeführteAufgaben erfolgen nun mittels industrieller Bildverarbeitungssysteme

Flexibilität in der Produktion MessungundKalibrierung/Roboterführung/vorbetriebliche Überprüfung

WenigerStillstandszeitenundkürzereEinrichtzeiten ImVorausprogrammierteUmrüstungen

Vollständigere Informationen und strengere Prozesskontrolle

Manuelle Aufgaben können nun Computerdaten-Feedback liefern

GeringereAusgabenfürBetriebsmittelDie Integration von Bildverarbeitung in eine Anlage verbessert deren Leistung und verhindert ihre Überalterung.

GeringereProduktionskosten EinBildverarbeitungssystemvs.vieleMitarbeiter/früheFehlererkennungimProzess

Verminderung der Ausschussrate Inspektion,MessungundKalibrierung

Bestandskontrolle OptischeZeichenerkennungundIdentifikation

GeringererPlatzbedarf Bildverarbeitungssystem vs. Bediener


ANWENDUNGENINDUSTRIELLER BILDVERARBEITUNGJedeBildverarbeitungsanwendung,obeinfacheMontageprüfungoderderkomplexe,dreidimensionaleGriffindieKiste,beginntmiteinemMustervergleich,umdasObjektoderPrüfmerkmalinnerhalbdesSichtfeldsderKamerazulokalisieren.DiekorrekteLokalisierungdesgewünschtenObjektsentscheidethäufigüberErfolgoderMisserfolgderAnwendung.GelingtesmithilfederMustervergleichs-Toolsnicht,dasTeilpräziseinnerhalbdesBildeszulokalisieren,kannwederRoboterführungnochIdentifizierung,Prüfung,ZählungoderMessungdesTeilsausgeführtwerden.EsmagwieeineeinfacheAufgabeklingeneinTeilzulokalisieren,kannaberinderrealenProduktionsumgebungunterUmständenschwierigsein,wenndasTeilunterschiedlichpräsentiertwird(Abb.3).Bildverarbeitungssystemewerdentrainiert,TeileanhandvonMusternzuerkennen,dochselbstinkleinschrittiggesteuertenProzessenkanndasErscheinungsbildeinesTeilsvariieren(Abb.4).

Umgenaue,zuverlässigeundwiederholbareErgebnissezuerhalten,müssendieLokalisierungs-Tools des Bildverarbeitungssystems eintrainierte Muster schnell und exaktmitdentatsächlichenObjektenimDurchlaufabgleichen(Mustervergleich).DieTeilelokalisierungistderjeweilsersteSchrittindenvierwesentlichenAnwendungs-kategorienFühren,Identifizieren,MessenundPrüfen.

Abbildung 3.

JenachBeleuchtungoderVerdeckungändertsichdiePräsentationdesTeils,waswiederumdieLokalisierungerschwert.

Normal BeidesDunkler Heller

UnvollständigHintergrund Fokus Schmutz

Abbildung 4.

PerspektivischeoderpräsentationsbedingteEffektekönnenebenfallsdieTeilelokalisierungerschweren.

Normal

Breiter

Kleiner

Höher

Größer

Linear verzerrt

Gedreht

Nicht linear


FÜHREN

FührenkannverschiedeneZweckehaben.ErstenskanndieIBVPositionundAusrichtungeinesTeilsbestimmen,miteinerfestgelegtenToleranzabgleichenundsicherstellen,dassder Winkel für die korrekte Montage stimmt. Weiterhin können Lage und Ausrichtung desTeilsineinem2D-oder3D-RaumandieRoboter-oderMaschinensteuerungweitergegebenwerden,damitdannderRoboterdasTeillokaliserenoderdieMaschinedasTeilausrichtenkann.DasFührenmittelsindustriellerBildverarbeitungistwesentlichschnellerundgenaueralsdiemanuellePositionierung,z.B.beimPalettieren/De-palettieren,demVerpackenvonTeilenvomFließband,demAuffindenundAusrichtenvonTeilenfürdieBestückungmitanderenKomponenten,derAnordnungvonTeilenaufeinemArbeitsregaloderderEntnahmevonTeilenausBehältern.

DasFührenkannaußerdemauchvonanderenBildverarbeitungswerkzeugengenutztwerden.DieseFunktionistdeshalbsowichtig,daimProduktionsprozessdiePrüfteilederKameraoftnichtausgerichtetpräsentiertwerden.DieLokalisierungdesTeilsundAusrichtung der nachfolgenden Bildverarbeitungs-Tools ermöglicht die automatische Tool-Fixierung.DiewichtigstenMerkmaledesTeilswerdenlokalisiertunddieseDatenfürdieFunktionandererWerkzeugez.B.desCaliper-,Blob-oderKanten-Werzeugsverwendet.DieserAnsatzermöglichtesHerstellern,mehrereProdukteaufeinerLiniezuprüfen.GleichzeitigwerdensowenigerWerkzeugefürdieBeibehaltungderTeilepositionwährenddesPrüfvorgangsbenötigt,waswiederumdieKostensenkt.

In manchen Fällen ist für die Führung ein geometrischer Musterabgleich erforderlich. Mustervergleichs-Toolsmüssenimstandesein,großeKontrastschwankungensowieAbweichungeninBeleuchtung,SkalierungundDrehungundweiterenFaktorenzutolerieren,umdasTeiljederzeitzuverlässigzufinden.Grundhierfürist,dassdiedurchden Mustervergleich erhaltenen Lageinformationen für die Ausrichtung nachfolgender IBV-Toolsverwendetwerden.

Abbildung 5a.BeispielefürBilder,diefürdasFührenverwendetwerden.

Verpackungen für Tomatensoße Gedruckte Leiterplatte 90 Grad Winkel


Abbildung 5b.DerMusterabgleichisteinäußerstanspruchsvollerVorgang.

IDENTIFIZIEREN

EinindustriellesBildverarbeitungssystemfürIDundOCR/OCV-Anwendungenkann1D-Barcodes,2D-Codes,direktmarkierteCodes(DirectPartMark-DPM)undZeichenlesen,dieaufTeilen,EtikettenundVerpackungenaufgebrachtsind.EinOCR-System(optischeZeichenerkennung)istinderLage,alphanumerischeZeichenzulesen,ohnediesevorabzukennen.EinOCV-System(optischeZeichenverifikation)hingegenbestätigtdas Vorhandensein einer Zeichenfolge. Industrielle Bildverarbeitungssysteme können TeileaufgrundeineseinzigartigenMerkmalsoderanhandvonFarbe,FormoderGrößeidentifizieren.

BeiDPM-AnwendungenisteinCodeodereineZeichenfolgedirektaufdemTeilmarkiert.DieseMethodewirdquerdurchalleBranchenzurFehlervermeidungeingesetzt,füreffizienteContainment-Strategien,dieÜberwachungvonProzess-undQualitätskontroll-metrikenunddieQuantifizierungvonz.B.Engpässen.DieRückverfolgbarkeitdurchDirektmarkierungermöglichteinverbessertesBestandsmanagementsowiedieÜberprüfungderEchtheiteinesTeils.DurchDatenaufKomponenten-EbenekanndertechnischeServicebeiReparatur,WartungoderGarantieverbessertwerden,dadieseDatenimStammbaumderUnterbaugruppe,diezumFertigproduktgehört,dokumentiertsind.

Trainiertes Teil

Außerhalb des Fokus

Abweichung in der Skalierung/Unterbelichtung

Verwirrender Hintergrund

180º Drehung

Verdeckte StelleUmgekehrte Polarität


Herkömmliche1D-BarcodeshabensichimHandelanderKasseundimLagerweitest-gehenddurchgesetzt.FürdieRückverfolgbarkeitsindjedochmehrDatenerforderlich,alsaufeinemStandard-Barcodegespeichertwerdenkönnen.UmgrößereDatenmengenspeichernzukönnen,wurden2D-Codeswiez.B.derDataMatrixCodeentwickelt.InformationenüberHersteller,Produktkennzeichnung,ChargennummerundeindeutigeSeriennummernkönnensofürnahezujedesbeliebigeFertigproduktgespeichertwerden.

MESSEN

EinindustriellesBildverarbeitungssystemfürMessungenberechnetdenAbstandzwischenzweiodermehrPunktenodergeometrischenStelleneinesObjektsundlegtfest,obdieseMessungendenSpezifikationenentsprechen.IstdiesnichtderFall,sendet das Bildverarbeitungssystem ein Signal an die Maschinensteuerung und löst einen Ausschleusmechanismus aus.

Praktischbedeutetdies,dasseinestationärbefestigteKameraBildervonTeilen erfasst,währenddiesedasSichtfeldderKameradurchlaufen.DasSystemnutztdanndieSoftwarezurBerechnungdesAbstandszwischenmehrerenPunktenimBild.DavieleindustrielleBildverarbeitungssystemeObjektmerkmalebiszueinerGrößevon0,0254Millimeternmessenkönnen,sindsieinderLage,Anwendungenzuadressieren,dietraditionelldurchtaktileMesstechnikendurchgeführtwurden.

Abbildung 6.DieID-TechnologienreichenvoneinfachemScanneneinesBarcodesbishinzuOCR


PRÜFEN

EinindustriellesBildverarbeitungssystemerkenntFehler,Kontaminierungen,optischeMängelsowiesonstigeUnregelmäßigkeiteninhergestelltenProdukten.BeispielehierfürsinddasPrüfenvonTablettenaufRisse,vonDisplaysaufdieVollständigkeitvonSymbolenoderPixeln,odervonTouchscreenszurMessungdesKontrastniveaus.DieIBVdientaußerdemzurPrüfungvonProduktenaufVollständigkeit,z.B.inderLebensmittel-undPharmaindustrie,umsicherzustellen,dassInhaltundVerpackungpassen,oderVerschlüsse,KappenundRingesicherheitsverpackterFlaschenkorrektsind.

Abbildung 7. MessanwendungenkönnenTeiletoleranzenvonbiszu0,0254Millimeternmessen.

Abbildung 8. Industrielle Bildverarbeitungssysteme können optische Fehler oder Funktionsmängel erkennen.


KOMPONENTEN DER INDUSTRIELLEN BILDVERARBEITUNGZudenwichtigstenKomponenteneinesindustriellenBildverarbeitungssystems(Abbildung9)zählenBeleuchtung,Objektiv,Bildsensor,BildverarbeitungundKommunikation.DieBeleuchtungsorgtfürdieBelichtungdesPrüfteils,damitdieMerkmaleklarvonderKameraerkanntwerden.DasObjektiverfasstdasBildundstelltesinFormvonLichtfürdenSensordar.DerKamerasensorwandeltdiesesLichtineindigitalesBildum,dasdannzuAnalysezweckenandenProzessorgesendetwird.

DieBildverarbeitungbestehtausAlgorithmen,diedasBildüberprüfen,dieerforderlichenDatenextrahieren,dienotwendigePrüfungausführenundeineEntscheidungtreffen.DieKommunikationerfolgtüblicherweiseübereindiskretesI/O-SignaloderDaten,dieübereinenSerienanschlussandasGerätgesendetwerden,dasdieDatenprotokolliertoderdieseverwendet.

BeidenmeistenHardware-KomponentenderindustriellenBildverarbeitung,z.B.Beleuchtungsmodulen,SensorenundProzessoren,handeltessichumStandardkomponenten „von der Stange“. Die industriellen Bildverarbeitungssysteme könnenentwederausdiesenStandardkomponentenzusammengesetztwerdenodermankaufteinintegriertesSystem,beidemalleKomponentenbereitsineinemeinzigenGerätintegriertsind.

AufdenfolgendenSeitensinddiewichtigstenKomponenteneinesindustriellenBildverarbeitungssystems aufgeführt.


Abbildung 9. Hauptkomponenten eines industriellen Bildverarbeitungssystems.

Bildverarbeitungssystem

Beleuchtung

Bildschirm

Kamera

Objektiv

Bild Sensor

Geprüfte Teile

Eingang/Ausgang

•Seriell •Parallel •ISA,PCI,VMEBus

Operatives Eingabegerät

•Touchscreen •Maus •Trackball


BELEUCHTUNG

DieBeleuchtungisteinwichtigerFaktor,umguteBildverarbeitungsergebnissezuerhalten.IndustrielleBildverarbeitungssystemeerstellenBilder,indemsiedasvomObjektreflektierteLichtanalysieren,anstatteineAnalysedeseigentlichenObjektsauszuführen.DieBeleuchtungstechnikumfassteineLichtquelleundihreAnordnunginBezugaufdasTeilunddieKamera.DurchdiejeweiligeBeleuchtungstechnikkönnenMerkmaleaufeinemBildentwederausgeblendetoderauchverstärktwerden.

HintergrundbeleuchtungDieHintergrundbeleuchtungverstärktdenUmrissdesObjektsfürAnwendungen,dienurexterneoderKantenmessungendurchführen.DankderHintergrundbeleuchtungwerdenFormenerkannt,waswiederumMessungenzuverlässigermacht.

Axial gestreute BeleuchtungDie axial gestreute Beleuchtung koppelt das Licht in einen seitlichen optischen Pfad (koaxial).EinhalbtransparenterSpiegel,derseitlichbeleuchtetwird,wirftdanndasLichtnachuntenaufdasTeil.DasTeilreflektiertdannüberdenhalbtransparentenSpiegeldasLichtzurückandieKamera,sodasseingleichmäßigesundhomogenesBildentsteht.

Strukturiertes LichtUntereinemstrukturiertenLichtverstehtmandieProjektioneinesLichtmusters(Ebene,RasteroderkomplexereFormen)ineinembekanntenWinkelaufdasObjekt.FürkontrastunabhängigeOberflächenprüfungen,beidenenMessdatenundeineVolumenberechnungerforderlichsind,kanndieseFunktionsehrhilfreichsein.


Dunkelfeld-BeleuchtungDieBeleuchtungausmehrerenRichtungenlässtOberflächenfehlerleichtererkennen.DieseMethodeumfasstauchdieDunkelfeld-undHellfeld-Beleuchtung.FürAnwendungenmitgeringemKontrastwirdüblicherweisedieDunkelfeld-Beleuchtungbevorzugt.HierbeiwirddasspiegelndeLichtvonderKamerawegreflektiert,währendgestreutesLichtausOberflächentexturenundHöhenveränderungenindieKamerareflektiertwerden.

Hellfeld-BeleuchtungDieHellfeld-BeleuchtungistperfektfürAnwendungenmithohemKontrast.LichtquellenausverschiedenenRichtungen,z.B.Natrium-oderQuartzhalogen-HochdrucklampenkönnenjedochstechendeSchattenverursachenundbietenüblicherweisekeinedurchgängigeBeleuchtungüberdasgesamteSichtfeld.FürHotspotsundspiegelndeReflektionenaufschimmerndenoderreflektierendenOberflächenwerdensomitehergestreuteLichtquellenbenötigt,diefürgleichmäßigeBeleuchtungimHellfeldsorgen.

Diffuse DombeleuchtungDiediffuseDombeleuchtungsorgtfürdiewohlgleichmäßigsteBeleuchtungvonMerkmalen.Unregelmäßigkeiten,dienichtvonInteressesind,könnenausgeblendetwerden.

Stroboskopische BeleuchtungDiestroboskopischeBeleuchtungeignetsichfürAnwendungenmithohenGeschwindigkeiten,umsichbewegendeTeilezuPrüfzweckenanzuhalten.DurchdenEinsatzeinesStroboskoplichtswirdUnschärfeverhindert.


OBJEKTIVE

Das Objektiv erfasst das Bild und sendet es an den Bildsensor der Kamera. Objektive gibtesinunterschiedlichenQualitäts-undPreisstufen,dieWahldesObjektivsbestimmtdieQualitätundAuflösungdeserfasstenBildes.DiemeistenKamerasvonBildverarbeitungssystemenbietenzweiverschiedeneObjektivtypenan:austauschbareObjektive und fest installierte Objektive. Bei den austauschbaren Objektiven handelt es sichüblicherweiseumC-MountoderCS-Mount.DierichtigeKombinationvonObjektivundZwischenringsorgtfürdiebestmöglicheBildaufnahme.EinfestesObjektivalsTeileineseigenständigenBildverarbeitungssystemsistüblicherweisemitAutofokusausgestattet,d.h.eskannsichentwederumeinemechanischangepassteLinseoderumeineFlüssiglinsehandeln,diedasTeilautomatischfokussiert.Autofokus-ObjektivehabennormalerweiseeinfeststehendesSichtfeldbeieinembestimmtenAbstand.

BILDSENSOR

DieFähigkeitderKameraeinrichtigausgeleuchtetesBilddesPrüfobjektszuerfassenhängtnichtnurvomObjektivab,sondernauchvomBildsensorinderKamera.Bild-sensorennutzenüblicherweiseeinladungsgekoppeltesBauelement(CCDSensor)odereinezusätzlicheMetall-Oxid-Halbleitertechnologie(CMOSSensor),umdasLicht,alsodiePhotonen,inelektrischeSignale,alsoElektronen,umzuwandeln.DerBildsensordientsomitdazu,dasLichtaufzunehmenundineinoptimalesdigitalesBildumzuwandeln.DasBildbestehtauseinerAnsammlungvonPixeln.GeringesLichtführtzudunklenPixeln,währendhellesLichtauchhellerePixelerzeugt.Deshalbisteswichtig,dassdieKameramitderpassendenAuflösungfürdiejeweiligeAnwendungausgestattetist.JehöherdieAuflösung,destodetaillierterdasBildunddestogenauerdieMessungen.Teilegröße,PrüftoleranzenundsonstigeParametersindausschlaggebendfürdieerforderlicheAuflösung.


BILDVERARBEITUNG

Bildverarbeitungbedeutet,DatenauseinemdigitalenBildzuextrahieren,undkannauf einem PC-basierten System extern oder bei einem autarken Bildverarbeitungs-systeminternerfolgen.DieVerarbeitungerfolgtmittelseinerSoftwareundumfasstmehrereSchritte.ZunächstwirddasBildvomSensorerfasst.InmanchenFällenisteineVorverarbeitungzurBildoptimierungerforderlich,umsicherzustellen,dassalleerforderlichenMerkmaleerkanntwerden.ImnächstenSchrittlokalisiertdieSoftwarediespeziellenMerkmale,führtMessungenausundvergleichtdieErgebnissemitderSpezifikation.AbschließendwirdeineEntscheidunggetroffenunddieErgebnissewerdenkommuniziert.

VieleHardware-KomponenteneinesindustriellenBildverarbeitungssystems(z.B.Beleuchtung)bietenvergleichbareEigenschaften.DenUnterschiedimVergleichverschiedenerIBV-SystememacheneherdieAlgorithmen.AbhängigvomjeweiligenSystemoderderAnwendung,konfiguriertdieBildverarbeitungssoftwaredieKamera-parameter,trifftdiePass-/Fail-Entscheidung,kommuniziertmitderWerksebeneundunterstütztdieHMI-Entwicklung.

KOMMUNIKATION

DaBildverarbeitungssystemehäufigeineVielzahlanStandardkomponentenver-wenden,müssendieseElementeschnellundeinfachmitanderenMaschinenelementenkoordiniertundverbundenwerdenkönnen.ÜblicherweiseerfolgtdiesübereindiskretesI/O-SignaloderDaten,dieübereineserielleSchnittstelleaneinGerätgesendetwerden,dasdieDatendannprotokolliertoderverwendet.DiskreteI/O-PunktekönnenmiteinerspeicherprogrammierbarenSteuerung(SPS)verbundenwerden,diedieseDatennutzt,umeineMontagezelleodereinenIndikator,wiez.B.eineStapelleuchteodereinenMagnetenzusteuern,derdannalsAuslöserfürdenAusschleusmechanismusverwendetwerdenkann.

Die Datenkommunikation über eine serielle Schnittstelle kann über einen herkömm-lichenRS-232AusgangoderüberEtherneterfolgen.MancheSystemeverwendenIndustrieprotokolleeinerhöherenEbene,z.B.Ethernet/IP,diedannübereinenMonitor odereinesonstigeBenutzerschnittstellekommunizieren.SokanndiejeweiligeAn-wendungbequemüberwachtundgesteuertwerden.


VERSCHIEDENE ARTEN INDUSTRIELLER BILDVERARBEITUNGSSYSTEME

1D-BILDVERARBEITUNGSSYSTEME

Die 1D-Bildverarbeitung analysiert pro Durchlauf ein digitales Signal pro Zeile anstatt dasgesamteBildaufeinmalzubetrachten,d.h.eserfolgteineBeurteilungderAb-weichungzwischenderaktuellstenGruppederletzten10erfasstenZeilenundeinerälterenGruppe.MitdieserTechnikwerdenüblicherweiseFehlerbeiEndlosmaterialerkanntundklassifiziert,z.B.beiPapier,Metall,Kunststoff,sonstigenVliesstoffenoderRollen,wieinAbbildung10dargestellt.

ImweitestenSinnegibtesdreiKategorienvonindustriellenBildverarbeitungssystemen:1D,2Dund3D.

Abbildung 10. 1D-BildverarbeitungssystemescannenimmernureineZeile,währendderProzessweiterausgeführtwird.


Abbildung 11.

2D-Bildverarbeitungssysteme können Bilder mit verschiedenenAuflösungenerzeugen.

Abbildung 12.

BeiderZeilen-Scan-TechnikwirdZeilefürZeileein 2D-Bild erstellt.

2D-BILDVERARBEITUNGSSYSTEME

DiemeistenherkömmlichenPrüfkamerasführenFlächenscansaus,welche2D-Schnapp- schüsseinverschiedenenAuflösungenumfassen,wieinAbbildung11dargestellt. EineandereArtder2D-Bildverarbeitung,derZeilenscan,erstelltZeilefürZeileein2D-Bild,wieinAbbildung12dargestellt.

Zeilenbeleuchtung

Förderband-Bewegung

Encoder-Achse

In-Sight 5000

Erfasste Zeile Erstelltes Bild


Abbildung 13. Zeilen-Scan-Kameraskönnen(a.)zylindrischeObjektefürPrüfzweckeabwickeln,(b.)BildverarbeitungauchfürUmgebungenmitgeringemPlatzbedarfanbieten,(c.)diehöchstenPrüfanforderungenfürhoheAuflösungenerfüllenund(d.)ObjekteinEndlosbewegungprüfen.

a. b.

c. d.

FLÄCHENSCAN VS. ZEILENSCAN

FürmancheAnwendungenbringenZeilen-Scan-SystemegewisseVorteilegegenüberFlächen-Scan-Systemen.FürdiePrüfungvonrundenoderzylindrischenTeilensindz.B.unterUmständenmehrereFlächen-Scan-Kameraserforderlich,umdiegesamteTeileflächeabzudecken.WirddasTeiljedochvoreinereinzigenZeilegedreht,erfasstdieScankameradiegesamteOberfläche,indemdasBildabgewickeltwird.Zeilen-Scan-SystemesindbessergeeignetfürengeBereich,z.B.wenndieKameradurchRolleneinesFörderbandsschauenmuss,umdieUnterseitedesTeilszubetrachten.Zeilen-Scan-SystemekönneneinehöhereAuflösungalsherkömmlicheKamerasbieten.DaZeilen-Scan-SystemeeineBewegungderTeileerfordern,umdasBildzuerstellen,eignensiesichsehrgutfürProdukteinkontinuierlicherBewegung.


3D-Profil-Sensoren-AnwendungenhingegenumfassenüblicherweiseeineOber-flächenprüfungundeineVolumenmessungundliefernso3D-ErgebnissemitnureinerKamera.DurchdieVerschiebungderreflektiertenLaserpositionaufeinObjektwirdeinHöhenprofilerstellt.DasObjektoderdieKamerawirdbewegt,umdasgesamteProduktähnlichwiebeimZeilen-Scanzuscannen.MithilfeeineskalibriertenOffset-LasersmessendieProfil-SensorenParameterwiez.B.OberflächenhöheundEbenheitmiteinerGenauigkeitvon20µm.Abbildung15zeigteinen3D-Laser-Profil-Sensor,derdieOberflächeeinesBremsbelagsprüft.

Abbildung 14.

3D-BildverarbeitungssystemenutzenüblicherweisemehrereKameras.

Abbildung 15.

Hierverwendetein3D-PrüfsystemeineeinzigeKamera.

3D-SYSTEME

Industrielle3D-BildverarbeitungssystemesindüblicherweisemitmehrerenKamerasodereinemodermehrerenLaser-Profil-Sensorenausgestattet.Multi-Kamera3D-BildverarbeitungzurRobotor-FührungliefertdemRoboterDatenüberdieLageund Ausrichtung des Teils. Diese Systeme arbeiten mit mehreren Kameras an verschiedenenPositionenundderTriangulationim3D-Raum.


PLATTFORMEN FÜR INDUSTRIELLE BILDVERARBEITUNGIndustrielleBildverarbeitungkannaufverschiedenenPlattformenimplementiertsein,einschließlichPC-basiertenSystemen,Vision-Controllernfür3D-undMulti-Kamera-2D-Anwendungen,autarkenSystemen,einfachenVision-SensorenundbildbasiertenBarcode-Lesegeräten.DieAuswahldergeeignetenPlattformhängtvonderjeweiligenAnwendunghinsichtlichEntwicklungsumgebung,Möglichkeiten,Architekturund Kosten ab.

PC-BASIERTE INDUSTRIELLE BILDVERARBEITUNG

AnPC-basierteSystemewerdenKamerasoderBildaufnahme-BoardsangeschlossenundmithilfederkonfigurierbarenSoftwaredieIBV-Anwendungendurchgeführt.WeiterhinbietenPCszahlreicheOptionenfürkundenspezifischeCode-EntwicklungmitgängigenProgrammiersprachenwieVisualC/C++,VisualBasicundJavasowiegrafischenProgrammierumgebungen.DieEntwicklungistjedochmeistlangwierigundkompliziertunddaherehergeeignetfürgroßeInstallationenundfortgeschritteneBenutzerbzw.Programmierer.

VISION-CONTROLLER

Vision-ControllersindsoleistungsstarkundflexibelwiePC-basierteSysteme,aber deutlich besser geeignet für raue Produktionsumgebungen. Vision-Controller ermöglicheneineeinfachereKonfigurationvon3D-undMulti-Kamera-2D-An-wendungenundeignensichfüreinmaligeAufgaben,beidenenangemesseneZeit undGeldfürdieEntwicklungvorhandensind.AufdieseWeisekönnenanspruchs- volleAnwendungenaufsehrkostengünstigeArtkonfiguriertwerden.


AUTARKE BILDVERARBEITUNGSSYSTEME

Autarke Bildverarbeitungssysteme sind kostengünstig und können schnell und einfachkonfiguriertwerden.DieSystemesindkomplettmitKamerasensor,ProzessorundKommunikationsoptionenausgestattet.MancheSystemeumfassenzusätzlichBeleuchtungundeineAutofokus-Optik.InvielenFällensinddieseSystemeäußerstkompaktundsokostengünstig,dasssieimgesamtenWerkzumEinsatzkommenkönnen.DurchdenEinsatzautarkerBildverarbeitungssystemeanSchlüsselpositionen imProzesskönnenFehlerbereitsfrühimHerstellungsprozesserkanntwerden.DiemeistendieserSystemebietenintegrierteEthernet-Kommunikation.DadurchkannBildverarbeitungdurchgängigimProzesseingesetztundzweiodermehrereSystemeineinemskalierbarenBildverarbeitungsnetzwerkverbundenwerden.DerDatenaustauschwirddurcheinenHostgemanagt.EinNetzwerkausmehrerenBildverarbeitungs-systemenlässtsichproblemlosindasWerks-oderUnternehmensnetzwerkeinbinden.Ergebnisse,Bilder,statistischeundandereDatensindvonjedemRechnermitTCP/IP-FunktionalitätperFernzugriffabrufbar.DieseSystemebietenkonfigurierbareUmgebungen,dieeineinfachesundgeführtesSetupsowieerweiterteProgrammierungoderScriptingunterstützen.MancheautarkeBildverarbeitungssystemebietenbeideEntwicklungsumgebungenfüreinerseitsschnellesSet-upmitErweiterungenundandererseitsdieFlexibilitätdurchScriptingfürmehrKonfigurationsmöglichkeitenundanwendungsspezifischeAnpassung.

BILDVERARBEITUNGSSENSOREN UND BILDBASIERTE BARCODE-LESEGERÄTE

FürBildverarbeitungssensorenundbildbasierteBarcode-LesegeräteistinderRegelkeineProgrammierungerforderlichundsiebietendarüberhinausbenutzerfreundlicheSchnittstellen.SiekönnenproblemlosinbestehendeAnlagenintegriertwerdenundbietenEinzelpunktprüfungenmitspeziellerDatenverarbeitungsowieeineintegrierteEthernet-KommunikationfürwerkweiteKommunikation.


FAZITUnterindustriellerBildverarbeitungverstehtmandasautomatischeExtrahierenvonDatenausdigitalenBildernfürdieProzess-oderQualitätskontrolle.VieleHerstellerverwendenanstellevonmenschlichenPrüfernautomatischeBildverarbeitungssysteme,dadiesebessergeeignetsind,umrepetitivePrüfaufgabenzuverlässigauszuführen.DieseMethodeistschneller,objektiverundsiekanndauerhafteingesetztwerden.Mitindustriellen Bildverarbeitungssystemen können hunderte oder auch tausende Teile pro MinutegeprüftwerdenundsiebietengleichbleibendeundzuverlässigePrüfergebnissetäglichrundumdieUhr.

Messen,Zählen,LokalisierenundDekodierensindeinigederhäufigstenAnwendungenfürBildverarbeitungssystemeinderProduktion.DurchdieReduktionvonFehlern,SteigerungdesDurchsatzes,GewährleistungdesEinhaltensvongesetzlichenVorgabenunddieRückverfolgbarkeitvonTeilenkönnenHerstellerunterEinsatzindustriellerBildverarbeitungKostensparenunddieRentabilitäterhöhen.

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AutomobilbrancheBildverarbeitungsgeführte Roboter ermöglichen eine skalierbare Endmontage von Mobiltelefonen, Tablets und tragbaren Geräten. Die Bildverarbeitungstechnologie von Cognex wird auch für die Hoch-präzisionsfertigung von Touchscreens und 3D-Qualitätsprüfungen eingesetzt.

Mobile Geräte

Verbesserte Produktions- und Verpackungsabläufe durch Hochgeschwindigkeits-Bildaufnahme, hochentwickelte Farbtools und 3-D-Inspektionssysteme.

Konsumgüter

Lebensmittel- und Getränkeanwendungen erfordern präzise und schnelle Bild-verarbeitungslösungen, die mit schnell-getakteten Linien mithalten können.

Lebensmittel und Getränke

Qualitätsprüfung ist entscheidend für den Erfolg. Die Haftung für Produkte, deren Qualität oder Kosten schwanken, sowie sich ändernde Vorschriften stellen eine Herausforderung für Hersteller medizinischer Geräte dar.

Medizinische Geräte

Mithilfe industrieller Bildverarbeitung können sämtliche Anforderungen hinsichtlich Patientensicherheit und Rückverfolgbarkeit erfüllt werden.

Pharmaindustrie

Cognex Bildverarbeitung liefert jene präzise Subpixel-Ausrichtung und Identifikation, die in jedem Schritt der Halbleiterfertigung entscheidend sind, trotz der immer feineren Geometrien und anspruchsvollen Prozessen.

HalbleiterindustrieIndustrielle Bildverarbeitung ermöglicht Hochgeschwindigkeitsausrichtung und Rückverfolgbarkeit in der Elektronikmontage, selbst mit neuesten Kleinstkomponenten und flexiblen Leiterplatten.

Elektronik

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AsiaChina +86 21 5050 9922India +9120 4014 7840Japan +81 3 5977 5400Korea +82 2 539 9047Singapore +65 632 55 700Taiwan +886 3 578 0060

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BILDVERARBEITUNG FÜR JEDE BRANCHE

einfÜhrung in die industrielle bildverarbeitung · speichern zu können, wurden 2d-codes wie z. b....

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