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
Einführung in die industrielle Bildverarbeitung 3
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.
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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).
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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FAZITUnterindustriellerBildverarbeitungverstehtmandasautomatischeExtrahierenvonDatenausdigitalenBildernfürdieProzess-oderQualitätskontrolle.VieleHerstellerverwendenanstellevonmenschlichenPrüfernautomatischeBildverarbeitungssysteme,dadiesebessergeeignetsind,umrepetitivePrüfaufgabenzuverlässigauszuführen.DieseMethodeistschneller,objektiverundsiekanndauerhafteingesetztwerden.Mitindustriellen Bildverarbeitungssystemen können hunderte oder auch tausende Teile pro MinutegeprüftwerdenundsiebietengleichbleibendeundzuverlässigePrüfergebnissetäglichrundumdieUhr.
Messen,Zählen,LokalisierenundDekodierensindeinigederhäufigstenAnwendungenfürBildverarbeitungssystemeinderProduktion.DurchdieReduktionvonFehlern,SteigerungdesDurchsatzes,GewährleistungdesEinhaltensvongesetzlichenVorgabenunddieRückverfolgbarkeitvonTeilenkönnenHerstellerunterEinsatzindustriellerBildverarbeitungKostensparenunddieRentabilitäterhöhen.
FürweitereInformationendarüber,wiedieindustrielleBildverarbeitungSieunterstützenkann,Ausschusszureduzieren,AusfallzeitenzuminimierenundProzessezuverbessern,wendenSiesichgerneanCognex.
OderbesuchenSieunsonline:• Cognex Bildverarbeitung• Cognex Vision-Systeme• Cognex Vision-Sensoren• Cognex 3D-Bildverarbeitung• Cognex Industrielle Barcode-Lesegeräte
Mit Cognex Bildverarbeitungssystemen können Sie lückenlose Produktprüfungen durchführen,MarkenqualitätsichernundProzesseoptimieren.MitmehralseinerMillionweltweitinstalliertenSystemenwirdCognexBildverarbeitunginnahezujederBrancheundbeidenmeistengrößerenHerstellerneingesetzt.
Bei den Herstellungsprozessen fast aller Systeme und Komponenten eines Kraftfahrzeugs werden industrielle Bildverarbeitungslösungen eingesetzt.
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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