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Qual der Wahl in der Bildverarbeitung

Bild 1: Vision-Sensor Lightpix AE10
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So vielseitig wie die Einsatzmöglichkeiten der Bildverarbeitung, so unterschiedlich sind auch die auf dem Markt angebotenen Systeme. Bei der Entscheidung für ein System ist natürlich der wichtigste Punkt, dass es der Aufgabe, für die es eingesetzt werden soll, gerecht wird. Andererseits ist die Anschaffung eines überdimensionierten Systems von der Kostenseite her nicht zu vertreten. Hier sind die Hersteller gefragt, ihren Kunden ein System mit einer optimalen Kosten-Nutzen-Auslastung anzubieten.

Die Automatisierung garantiert in den letzten Jahren eine international anerkannte und wettbewerbsfähige Industrieproduktion in Deutschland. Beispielhaft steht hierfür der Aufstieg der Bildverarbeitung zur etablierten Technik in Sachen Qualitätskontrolle und –sicherung bei der Serienfertigung. Die Umstellung von Stichproben-Kontrollen auf eine 100%ige Überwachung und Dokumentation garantiert eine nur mehr von der Messgenauigkeit des Bildverarbeitungssystems abhängige Produktqualität. Gleichzeitig sinken Produktions- und Personalkosten.

In der Industrie gibt es vielfältige Aufgaben für Bildverarbeitungssysteme. Ähnlich wie talentierte Menschen kann auch ein gutes Vi- sion-System variabel eingesetzt werden. Natürlich lassen sich nicht alle Applikationen mit einem System lösen, aber eine solide Basis an Funktionen kann viele Aufgabengebiete erschließen. Die Einsatzmöglichkeiten der Bildverarbeitung sind fast grenzenlos. Die typischen Aufgaben dabei sind:
  • Montagekontrollen,
  • Lageerkennung,
  • Typunterscheidung,
  • Vollständigkeitskontrollen,
  • Vermessungen,
  • Oberflächenkontrollen,
  • Farbinspektionen,
  • Positionierungsaufgaben (Pick&Place),
  • Aufdruckkontrolle bis zum Lesen von Ziffern und Buchstaben (OCV/OCR) sowie
  • Konturvergleich (auch bei Überlappungen).
Entscheidende Randbedingungen
Bei vielen automatisierten Fertigungsabläufen muss lediglich ein Produkt auf Vorhandensein oder Maßhaltigkeit kontrolliert werden. Ein gewöhnlicher Sensor (Lichtaster beziehungsweise Lasersensor) erledigt solche „einfachen“ Aufgaben effizient und preiswert, vorausgesetzt das zu erkennende Detail ist immer exakt positioniert, von gleicher Oberflächenbeschaffenheit und gleich bleibender Geometrie. Diese scheinbar unwesentlichen Randbedingungen sind verantwortlich für den Siegeszug der Bildverarbeitung. Denn der Vorteil solcher Systeme liegt darin, dass Ungenauigkeiten hinsichtlich der Lage des Prüflings durch Positions- und Rotationskorrekturen ausgeglichen werden. Ein weiteres Plus von Bildverarbeitungs-Systemen gegenüber Sensoren ist die Flexibilität der Software. Das heißt, es können mehrere Prüfalgorithmen überlagert werden, um selbst komplexere Aufgabenstellungen ohne Probleme zu meistern.
Universell einsetzbare Bildverarbeitungs-Systeme lassen sich grob in drei Kategorien einteilen:
  • Vision-Sensoren,
  • Kompakt-Systeme und
  • PC-basierte Systeme.
Vision-Sensoren – kompakt und kostengünstig
Seit einigen Jahren sind Vision-Sensoren auf dem Markt erhältlich. Ohne Zweifel stellen sie mit einem Preis bis circa 2000 Euro die kostengünstigste Kategorie an optischen Prüfsystemen dar. Die Bildaufnehmer und die Auswerteelektronik sind in einem Gehäuse in kleiner Bauform integriert. Sind bei einer Applikation, aufgrund der Auflösung oder Form des Prüflings, mehrere Kameras notwendig, wird bei diesem Konzept eine zusätzliche Auswerteelektronik benötigt. Eingesetzt werden diese Low-Cost-Systeme meist bei Anwendungen im Bereich von Sortieraufgaben, einfachen Anwesenheitskontrollen, einfachem Vermessen oder bei Farb- identifikationen. Für die externe Datenübertragung stehen je nach Hersteller digitale Ausgänge oder serielle Schnittstellen zur Verfügung. Matsushita hat dieses Jahr erstmals ein Produkt in diesem Marktsegment vorgestellt, den Lightpix AE10. Seine universelle Software umfasst Kantendetektion, Längen- und Breitenvermessung sowie Farb-identifikation.
Eine Stufe oberhalb der Vision-Sensoren ist die Kompaktklasse von Matsushita angesiedelt: Die Systeme verfügen über einen Risc-Prozessor. In Kombination mit Double-Speed-Kameras sind Auswertezeiten (inklusive Bildeinzug) von bis zu 15 ms möglich. Neben der weit verbreiteten RS232C-Schnittstelle stehen digitale optoentkoppelte I/Os und Profibus- beziehungsweise Ethernet-Module zur Verfügung. Das Anwendungsgebiet dieser Gattung reicht von Montage- kontrollen, Vermessung, Positionierung, Typunterscheidung, Oberflächenkontrolle, High-Speed-Prüfungen über Druckkontrollen (OCV), Schrifterkennung (OCR) bis hin zu Farbinspektionen. Die Preise beginnen bei ungefähr 2500 Euro für eine Auswerteeinheit.
PC-gestützte Systeme für komplexe Aufgaben
PC-basierende High-End-Systeme decken den Bereich komplexer Aufgabenstellungen und Speziallösungen ab. Auch hier ist Matsushita mit dem Vision P400 vertreten. Die vorkonfigurierten Standardsysteme lassen sich leicht durch Softwareschnittstellen sowie Hardware (Rechner, Framegrabber, Anzahl der Kameras usw.) an kundenspezifische Wünsche anpassen. Durch die modulare Bauweise und der Rechenleistung von PC-Systemen der neuen Generation sind hier fast keine Grenzen mehr gesetzt. Der Vision P400 wird in einem robusten 19-Zoll-Rack ausgeliefert. Neben einer schnell wechselbaren Slot-CPU bietet das System die Möglichkeit, bis zu zwölf Kameras zu betreiben.
Im Gegensatz zur Kompakt-Klasse ist man bei High-End-Systemen auf keine vom Hersteller vorgegebene Schnittstelle festgelegt. Durch Einsteckkarten können neben den Standardschnittstellen, wie 24-V-Digital-I/O und RS232- oder RS485-Interface, auch die gängigsten Bus-Anbindungen (CAN, Profibus, usw.) verwendet werden. Für eine grafische und statistische Ausarbeitung lassen sich die aktuellen Messwerte speichern und für eine spätere Dokumentation verwalten. Der Anwendungsbereich liegt schwerpunktmäßig bei Applikationen, die mehrere Kameras benötigen (mit Auflösungen bis zu 1380 x 1035 Pixeln) oder spezielle Softwarealgorithmen erfordern.
Bild 2 zeigt eine Design- und Vollständigkeitskontrolle an Taschentuchverpackungen. Die Position der Klebelaschen kann produk-tionsbedingt schwanken. Problematisch bei der Kontrolle ist die hohe Geschwindigkeit sowie die fast beliebige Anzahl unterschiedlicher Typen und Muster, die sich nicht sinnvoll abspeichern lassen und für jeden Typ neu eingelernt werden müssen. Über den Teach-in-Betrieb des Vision-Sensors Lightpix AE10, lässt sich die gewünschte Laschenfarbe und ihre Sollposition schnell einlernen. Nach nur zwei Minuten ist die Kontrolle wieder einsatzbereit. Mit den anderen Prüfbereichen des Sensors werden charakteristische Farbbereiche geprüft. Falsche Typen oder fehlerhafte Verpackungen gehören damit der Vergangenheit an.
Die zweite Applikation beschreibt die Überprüfung der Galvanisierung an Steckkontakten. Wegen der glänzenden Metalloberfläche ist eine Unterscheidung im Schwarz-weiß-Bild schwierig. Der Einsatz eines Farbsystems (AX30) ist daher nahe liegend. Das gilt insbesondere bei dieser Anwendung, da über die Anlage verschiedene Kontaktmaterialien mit unterschiedlichen Galvanisierungen laufen. Somit können die angewandten Gold- und Silberbeschichtungen sowie Zinnaufträge eindeutig vom Trägermaterial unterschieden werden (Bild 3).
eA 541

Wer wissen will, was sich in der Forschung zur industriellen Bildverarbeitung tut, wird auf der Hompage der Fraunfofer-Allianz Vision unter www.vision-fraunhofer.de fündig. Die Vision-Allianz ist ein Forschungsverbund mehrerer Fraunhofer-Institute, mit dem Ziel Synergieefekte im Bereich automatisierte Bildverarbeitung zu nutzen.

Universell einsetzbare Bildverarbeitungs-Systeme lassen sich grob in Vision-Sensoren, Kompakt-Systeme und PC-gestützte Systeme einteilen. Bei den kostengünstigen Vision-Sensoren sind Kamera und Auswerteelektronik in einem Gehäuse integriert, sodass sie in der Regel als kompaktes Stand-alone-System betrieben werden können. Darüber hinaus sind sie einfach in ihre Aufgabe einzulernen und zu installieren. Bei komplexen Aufgabenstellungen und Speziallösungen kommen die PC-basierenden High-End-Systeme zum Einsatz, die sich besonders durch Flexibiltät auszeichnen.
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