Alles in einem – einer für alles

Vision-Sensoren lassen sich schnell und einfach in verschiedene Fertigungsabläufe integrieren und kommen daher bei immer mehr Anwendungen zum Einsatz. Vision & Control hat eine Serie vorgestellt, die vor allem für nichtmaßliche Prüfaufgaben konzipiert ist und die sich bequem auf die jeweilige Applikation einstellen und einlernen lässt. Dabei stehen dem Anwender eine reihe von leistungsfähigen Bildverarbeitungs-Werkzeugen beispielsweise für die Anwesenheits- und Positionskontrolle sowie zur Typunterscheidung zur Verfügung.

Der Grund für die leichte Handhabung und den einfachen Einsatz von Vision-Sensoren liegt darin, dass in einem kompakten Gehäuse alle notwendigen Komponenten wie Optik, Beleuchtung, Bildaufnahme- und Verarbeitungselektronik sowie die Software integriert sind. Die Vision-Sensoren stellen somit eine vollständige Bildverarbeitungseinheit dar. Dies ist für den Anwender interessant, da er sich so ganz auf die Lösung seiner Aufgabenstellung konzentrieren kann, ohne vor der Herausforderung zu stehen, einzelne Bildverarbeitungskomponenten auswählen und aufeinander abstimmen zu müssen.

Diese integrierten Komplettlösungen lassen sich zwar nicht universell einsetzen. Doch insbesondere die Spezialisierung auf eindeutig festgelegte Aufgabenstellungen garantiert dem Nutzer ein leistungsfähiges Bildverarbeitungssystem. Mit Hilfe integrierter Softwaretools lassen sich komplexe Bildverarbeitungsaufgaben mit geringem Bildverarbeitungs-Know-How auf einfache Art und Weise lösen.

Im Wesentlichen wird bei einem Vision-Sensor zwischen Erfassungs-, Einlern- und Erkennungsbereich unterschieden. Im Erfassungsbereich wird das zu prüfende Merkmal definiert und im Einlernbereich als Muster eingelernt. Der Erkennungsbereich zeigt die gefundene Eigenschaft an. Nach dem Einlernen der Sollwerte und Toleranzen können in Abhängigkeit davon, ob das Prüfergebnis innerhalb des Toleranzbereiches liegt, die digitalen und analogen Ausgänge gesetzt oder die Ergebnisse an eine übergeordnete Steuereinheit weitergegeben werden.

Einfache Einstellung der Funktionalität des Sensors

Vision-Sensoren der Camat-Serie von Vision & Control eigenen sich vor allem zum nichtmaßlichen Prüfen wie Vollständigkeits-, Anwesenheits- und Positionskontrolle sowie Typunterscheidung. Im Prüfprogramm lässt sich die Funktionalität des Sensors über die Bedienoberfläche einfach einstellen. Dabei können unter anderem der Programmstart, die Bildaufnahme, die Verarbeitung, die Ergebnisausgabe und die Steuerung konfiguriert werden.

Eine Anwesenheitskontrolle kann beispielsweise durch einen Grauwerttest erfolgen. Bei diesem Test ermittelt der Sensor den mittleren Grauwert innerhalb eines Suchfensters. Ein Beispiel aus der Praxis für diesen Test ist die Anwesenheitskontrolle einer Schelle an einem Rohransatz (Bild 2). Der mittlere Grauwert wird in einem definierten Rechteck ermittelt. Über die Software lassen sich Sollwert und Toleranzen nach oben und unten in Grauwerten einstellen. Entsprechend dem Ergebnis (Schelle vorhanden oder nicht vorhanden) kann beispielsweise über den digitalen Ausgang eine Fehlermeldung ausgeben oder an ein übergeordnetes System gemeldet werden, um weitere Aktionen im Qualitätskontrollprozess auszulösen.

Bei der Funktion „Ermittlung des Hellanteils" wird in einem Suchfenster der Anteil der hellen Bildpunkte ermittelt. Dieses Werkzeug eignet sich zur Kontrast- und Anwesenheitskontrolle. Bei der Prüfung in Bild 3 sollen zum Beispiel die möglichen Ausbrüche an bestimmten Stellen überprüft werden. Dazu wird der Anteil hellerer Pixel in Prozent als eingestellte Grauwertschwelle in einem Suchfenster ermittelt. Dabei kann der Nutzer entsprechend den Verhältnissen über die Software den Sollanteil (%) und Toleranz (%) nach oben und unten in Grauwerten einstellen. Je nach Ergebnis ordnet der Sensor dem Prüfteil das Merkmal „Gut" oder „Schlecht" zu.

Mit dem Werkzeug „Pixel zählen" wird die Anzahl von Pixeln in einem bestimmten Grauwertbereich im Suchfenster beurteilt. Mit dieser Prüfung lassen sich beispielsweise Flächengrößen von Bauteilen, Bauteilformen oder Merkmalen unterscheiden oder Muster suchen. Dazu wird im Einlernbereich der Software das Muster eingelernt. Danach erfolgt die Einstellung des Grauwertbereiches in dem gezählt werden soll, wobei die Sollanzahl an Pixeln und Toleranz in Pixeln nach oben und unten einstellbar ist. Ein Anwendungsbeispiel dafür ist die Überprüfung der Druckqualität von Pässen nach der vollautomatischen Prägung. Bei Abweichungen wird hier der Anpressdruck der Heißprägeeinrichtung entsprechend nachgeregelt. Die Prüfung erfolgt in 130 separaten Feldern durch klassisches Pixel zählen.

Problematisch ist hierbei die Festlegung der Qualitätskriterien. Aufwändige Vorarbeiten sind notwendig, um die menschlichen Beurteilungskriterien auf die Software zu übertragen. Wie nimmt der Mensch ein „guten", einen „schlechten" und ein gerade noch guten Buchstaben wahr? Das Ermitteln der Toleranzwerte erfolgte hier durch statistische Untersuchungen im Abgleich mit den menschlichen Erfahrungswerten.

Bei der Prüfung „Muster suchen" wird kontrolliert, ob ein bestimmtes Muster oder ein Schriftzug auf dem zu untersuchenden Prüfteil vorhanden ist. Dazu wird wiederum über die Software das Muster eingelernt. Hier gilt die Faustregel: Je kleiner das Feld desto schneller erfolgt der Vergleich unabhängig von der Lage des Musters im Bild. Bild 4 zeigt eine Anwendung, in der überprüft wird, ob ein aufgebrachter Schriftzug vorhanden ist und der eingelernten Vorgabe entspricht.

Nahezu alle Materialien und Teile lassen sich prüfen

Die hier dargestellten Beispiele lassen sich beliebig erweitern. Dabei spielt es keine Rolle um welche Art und welches Material es sich bei den zu prüfenden Teilen handelt: Ob Schrauben, Muttern, Ringe, ob aus Metall, Kunststoff oder Holz etc. – es ist fast alles prüfbar. So inspizieren Vision-Sensoren der Camat-Serie beispielsweise in den Branchen der Lebensmittel-, Pharma- und Chemieindustrie Flüssigkeitsstände. Selbst bei montierten Baugruppen ist der Sensor in der Lage zu erkennen, ob auch das richtige Teil eingebaut wurde.

Die Vision-Sensoren sind komplette Bildverarbeitungssysteme für konkrete Anwendungen, das heißt aber nicht, dass der Anwender sich für jede Applikation auf die Suche nach einem geeigneten Sensor machen muss. Hier kommt vor allem der modulare Aufbau der Camat-Serie zum Tragen. Ein Beispiel dazu ist die Vermessung eines Sägeritzes an Sägemaschinen, bei denen die Baugruppen Optik, Beleuchtung, Gehäuseteile angepasst wurden. Andere Lösungen, welche auf dem modularen Baukastenprinzip beruhen, sind die Positionsermittlung an Robotergreifern, die Ermittlung der dritten Dimension mittels Lichtschnittverfahren oder die Endkontrolle von Kontaktbaugruppen.

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Enrico Schöppach ist Entwicklungsleiter Systeme bei der Vision & Control GmbH in Suhl (www.vision-control.com)