3D-Bildverarbeitung Höheninformationen als wichtiger Schlüssel in der Qualitätssicherung

Autor / Redakteur: Kamillo Weiß * / Gerd Kucera

Muss ein Hersteller für Produktfehler haften, sind die Folgen für ihn oft fatal: Gewinnbelastung, Image-Verlust, Schadenersatz. Industrielle Bildverarbeitung sichert die Fertigungsqualität auf hohem Niveau.

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Bild 1: Mit dem neuen modularen 3D- und 2D-Multi-Kamera-Bildverarbeitungssystem und der Designer Software erhält der Anwender eine komplette Entwicklungsumgebung zum Konfigurieren von Bildverarbeitungsaufgaben, Verwalten der Werkkommunikation und Erstellen einer Laufzeit-Benutzeroberfläche.
Bild 1: Mit dem neuen modularen 3D- und 2D-Multi-Kamera-Bildverarbeitungssystem und der Designer Software erhält der Anwender eine komplette Entwicklungsumgebung zum Konfigurieren von Bildverarbeitungsaufgaben, Verwalten der Werkkommunikation und Erstellen einer Laufzeit-Benutzeroberfläche.
(Bild: Cognex)

Rückrufaktionen sind das Horrer-Szenarium eines jeden Unternehmens. Das ist nicht nur eine teure wirtschaftliche Angelegenheit, sondern hat auch viele andere Auswirkungen wie etwa die erhebliche Schädigung des Firmen- bzw. Marken-Images und des Vertrauens der Kunden.

Ein Reifenproduzent musste im Jahr 2000 über 14 Mio. seiner Pneus zurückrufen. Schaden: rd 3 Mrd. $ Kosten und die Schließung eines Werks. Im vergangenen Jahr rief ein Autobauer über 6 Mio. seiner Fahrzeuge in die Werkstatt. Woran liegt es, dass Rückrufaktionen eher zunehmen, obwohl ständig neue Methoden und Technologien entwickelt werden, um Arbeitsvorgänge zu verbessern und zu beschleunigen?

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Durch sehr komplexe und anspruchsvolle Elektronik, die in Produkten verbaut werden, steigt die durch Programmierfehler entstehende Störungsmöglichkeit der Maschinen. Nachfragemächtige Abnehmer setzten Zulieferer unter starken Kostendruck, worunter die Qualität der Produkte leiden kann. Unternehmen stehen auch unter dem Druck, ständig neue Modelle ihrer Produkte auf dem Markt zu etablieren. Schneller Modellwechsel kann zur Folge haben, dass wenig Zeit zur Entwicklung und Konstruktion vorhanden ist. Nicht selten offenbaren sich Fehler erst im Gebrauch. Intelligente Bildverarbeitung kann versteckte Fehler frühzeitig aufdecken.

Das präzise und schnelle Erfassen von Höheninformationen ist dazu in der ganzen Vielseitigkeit ein wichtiger Schlüssel, um in der Qualitätskontrolle, Inspektion, Vollständigkeitskontrolle, Identifikation und im gesamten Logistikbereich die Prozesse sicherer zu gestalten und zu optimieren. Mit dem absolut sicheren Erkennen von 3D-Defekten lassen sich fehlerhafte Produkte rechtzeitig aussortieren und die Prozesse im Idealfall in Echtzeit nachhaltig beeinflussen.

Um das zu ermöglichen hat der Branchenkenner Cognex eine modular aufgebaute kompakte Komplettlösung entwickelt. Mit diesem robusten System sind anspruchsvolle 3D- und 2D-Multi-Kamera-Anwendungen realisierbar. 3D-Sensoren wie beispielsweise die DS-1000-Serie haben dazu umfangreiche Funktionen und sind einfach zu installieren. Durch eine Systemarchitektur mit aufeinander abgestimmter Hard- und Software entsteht eine Lösung für hohe Anwendungsflexibilität, einfache Installation und Wartung. Damit kann der Anwender auch eine bestehende Applikation jederzeit erweitern.

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Dieser Autorenbeitrag ist in der Printausgabe ELEKTRONIKPRAXIS 9/2015 erschienen. Diese ist auch als kostenloses ePaper oder als pdf abrufbar.

In der Bauteilefertigung, der Montage und vielen anderen Herstellungsbereichen muss die 3D-Inspektion zahlreiche Einzelheiten detektieren, die mit der 2D-Inspektion kaum zu bewältigen sind. Das sind etwa Vollständigkeit von Baugruppen und Unterbaugruppen, geometrisch korrekte Oberflächen ohne Defekte, sauber ausgeführte Aussparungen, Inline-Prüfungen von Perforationen und Maßhaltigkeit von 3D-Bauteilen oder Profilen. In der Lebensmittelindustrie müssen die Behältnisse in ihrer Geometrie eine glatte Oberfläche (ohne Eindellungen) aufweisen; die Dichtheit am verschweißten/geklebten Verschluss muss durch einheitliche Oberfläche nachgewiesen werden.

In der Elektronikfertigung müssen die Bauteile ohne Verkanten und Deformation von Kontakt-Pins auf der Platine exakt positioniert sein, da sonst im anschließenden Lötprozess Kontaktprobleme auftreten könnten. Auch sind Prüfungen von erhabenen oder vertieften Zeichen auf korrekte Ausführung und Positionierung am Bauteil Pflicht. Auf glänzenden oder schwarzen Oberflächen muss die OCR-Schrift überprüft und absolut sicher lesbar sein.

Im Anwendungsbereich der Verpackung und dem Versandhandel müssen am schnell laufenden Fließband die nicht positionierten variierenden Päckchen und Pakete in ihrem Volumen sehr schnell erfasst werden, denn das Durchsatzvolumen bestimmt die Versandkosten. Darüber hinaus lassen sich mit diesen Daten auch die weiteren Kapazitätsplanungen beim Abpacken, bei der Palettierung bis hin zur Beladung von LKWs und Containern optimieren. Während der Handhabung gilt es mit dem „Griff in die Kiste“ oder vom Förderband die unsortierten Teile präzise aufzunehmen. Und in der automatisierten Montage muss das Bauteil exakt im Raum positioniert werden.

3D-Vision punktet besonders bei komplexen Aufgaben

Gegenüber komplexen Anwendungslösungen mit mehreren 2D-Kameras erweisen sich die Systemlösungen mit echter 3D-Bildverarbeitung weitgehend robuster. Das liegt an ihrem einfacheren Aufbau und ihrer leichten Installation sowie den 3D-Vision-Algorithen, die zusätzliche Informationen aus den erfassten Bildern liefern können. Echte 3D-Lösungen zeigen sich deshalb nicht selten auch erheblich wirtschaftlicher.

Mit der neuen kompletten Systemlösung liefert Cognex dem Anwender eine modulare Struktur, die weit über die reine Bildverarbeitung hinausreicht und die viele Aspekte von vernetzten Prozessen zusätzlich integriert. Diese Kombination besteht aus den aufeinander abgestimmten Modulen von Vision Controller VC5, den neuen 3D-Profil-Sensoren der Serie DS 1000, den neuen Hochleistungs-Industriekameras der Serie CIC sowie der neuen Designer Software.

Der VC5 Vision Controller nutzt den Dual-Core-Prozessor von Intel, und ein weiterer Prozessor ist die Basis eines eigenen Echtzeit-Subsystems. Der Dual-Core-Prozessor im VC5 Vision Controller erledigt die sehr schnelle Bildverarbeitung, während im Subsystem die gesamte Kommunikation zur Prozessebene mit mehreren integrierten Schnittstellen wie GigE/IP und PROFINET sowie dem Präzision-E/A erfolgt. Damit kann man in Echtzeit zur SPS und rückgekoppelt reagieren.

Losgelöst von einem externen PC erschließt das eine präzise Steuerung für das Tracking und I/O-Monitoring. Als Alleinstellungsmerkmal ermöglicht das ein Arbeiten mit exakten Zeitstempeln, und das System kann die gesamte Bildverarbeitung im Echtzeitverhalten virtuell simulieren – ein ganz wichtiger Aspekt bei der Entwicklung von komplexen Aufgaben der Bildverarbeitung und Prozessoptimierung. Der lüfterlose VC5 verfügt über einen großen schnellen wartungsfreien SSD-Speicher. Es sind bis zu vier 3D-Profilsensoren aus der Serie DS 1000 oder GigE-Flächen-/Zeilenkameras, alternativ auch Kombinationen daraus, direkt an die VC5-Einheit anschließbar.

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Die in ihrer Leistung anwendungsspezifisch abgestuften neuen 3D-Sensoren DS 1050, DS 1101 und DS 1300 sind optimierte komplette Systemlösungen aus Laserprojektion und 3D-Bildverarbeitung mit Hochgeschwindigkeit. Sie sind werkseitig kalibriert und bieten neben den bewährten 2D-Vision-Tools PatMax, IDMax und OCRMax weitere hochentwickelte Bildverarbeitungswerkzeuges. Dazu zählen Höhenprofile (Topologie), Ebenenabgleich, Ebene-zu-Ebene-Winkel, Volumen und Querschnitt. Das erschließt ein sehr breites Spektrum an 3D-Prüfungen, darunter Messungen im Mikrometerbereich sowie kontrastunabhängige OCR- und An-/Abwesenheits-Anwendungen.

Die im VC5 vorinstallierte neue Designer Software mit einfacher grafischer Bedienoberfläche bietet eine komplette Entwicklungsumgebung zum Konfigurieren von anspruchsvollen Bildverarbeitungsaufgaben. Sie bietet den umfassenden Zugang zum Grafik- und Programmierbereich der 3D-Tools zum Prüfen von Höhe, Volumen, Schieflagen und Querschnitt, Oberflächenbeschaffenheit sowie zur VisionPro-2D-Tool-Bibliothek inklusive PatMax, IDMax und OCRMax. Darüber hinaus ermöglicht sie das direkte Verwalten der Werkkommunikation, das Erstellen einer Laufzeit-Benutzeroberfläche, integrierte Benutzerzugangslevels, Echtzeitalarme, lokalisierbare Schnittstellen und SQL-Datenbankprotokollierung.

Für den Anwender bietet dieses umfangreiche Paket einer kompletten Systemlösung der 3D-Bildverarbeitung auch alle Voraussetzungen einer umfassenden Prozessoptimierung und Vernetzung mit der gesamten Unternehmenskommunikation.

* Kamillo Weiß ist Fachjournalist für Bildverarbeitung in Leinfelden.

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