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Machine Vision: Ohne Licht kein Bild

: B&R


Immer mehr Maschinen und Anlagen werden mit Vision-Kameras ausgestattet, um Prozesse zu regeln, Produkte zu sortieren oder deren Qualität zu überprüfen. Eines wird dabei häufig übersehen: Neben der Kamera kommt auch der Beleuchtung eine Schlüsselrolle zu. Sie bestimmt, wie das abzubildende Objekt wahrgenommen wird.

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Bei der Vision-Lösung von B&R sind Maschinensteuerung, Kamera, Blitzcontroller und Licht Bestandteil des gleichen Systems. Die Lichtansteuerung wird im Sub-µs-Bereich mit dem Automatisierungssystem synchronisiert.

Bei der Vision-Lösung von B&R sind Maschinensteuerung, Kamera, Blitzcontroller...

„Die Beleuchtung ist eine kritische Komponente von Machine-Vision-Systemen“, verdeutlicht Andreas Waldl, Vision-Experte bei B&R. Neben Faktoren wie Lichtintensität, Abstrahlrichtung und Wellenlänge spielt eine hochpräzise und intelligente Licht-Steuerung eine entscheidende Rolle.

In der Realität bleibe eine exakte Synchronisierung aber oftmals auf der Strecke. „Vision-Sensoren, Leuchten, Blitzcontroller und Maschinensteuerung stammen sehr häufig von unterschiedlichen Herstellern. Da ein gemeinsames Kommunikationsprotokoll fehlt, erfolgt der Datenaustausch zwischen den unterschiedlichen Geräten über digitale Ein- und Ausgänge“, erklärt Waldl. Dadurch entstehen jedoch zeitliche Verzögerungen und Ungenauigkeiten. So ist es zum Beispiel nicht möglich, dass Kamera und Blitz auf die Mikrosekunde genau zur gleichen Zeit blitzen und belichten. „Also bleibt dem Ersteller der Applikation nichts anderes übrig, als die Blitzdauer zu verlängern. So kann er gewährleisten, dass während der Belichtungszeit geblitzt wird“, sagt Waldl. Der gravierende Nachteil: Die Lebensdauer der LEDs sinkt beträchtlich.

Um das zu verhindern, kann der Applikationsprogrammierer die Blitzintensität reduzieren, wodurch er jedoch die Belichtungszeit verlängern muss. Bei High-Speed-Applikationen werden die Bilder dann schnell unscharf. Alternativ verstärkt der Programmierer das Sensorsignal. „Das allerdings hat zwei Konsequenzen: Das Bildrauschen steigt und die Qualität des aufgenommenen Bildes sinkt“, beschreibt Waldl. „Ein Teufelskreis“, wie er es ausdrückt.

Exakte Synchronisierung

Bei der Vision-Lösung von B&R sind Maschinensteuerung,
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Das komplette Beleuchtungsportfolio von B&R ermöglicht bis zu vier Lichtfarben pro Leuchte. Speziell entwickelte Linsen sorgen für eine homogene Ausleuchtung.

Das komplette Beleuchtungsportfolio von B&R ermöglicht bis zu vier Lichtfarben...

Kamera, Blitzcontroller und Licht Bestandteil des gleichen Systems. Diese Integration bietet entscheidende Vorteile: Die Lichtansteuerung wird im Sub-µs-Bereich mit dem Automatisierungssystem synchronisiert und der Lichtimpuls kann extrem kurz gehalten werden. Dadurch erhöht sich die Lebensdauer der LEDs und auch bei High-Speed-Applikationen werden die Bilder gestochen scharf. Zudem ist die Ausleuchtung sehr homogen und jederzeit reproduzierbar. Die Qualität der Vision-Applikation steigt.

Hohe Lichtintensität

„Durch die extrem kurze Blitzdauer können wir die LEDs problemlos mit bis zu 300 % des Nennstroms betreiben“, erklärt Waldl. Damit erreicht B&R eine Lichtintensität, die mit herkömmlichem Dauerlicht nicht realisierbar ist. Das ermöglicht sehr kurze Belichtungszeiten, senkt das Rauschen und eliminiert zugleich nahezu jeglichen Einfluss von Fremdlicht.

„Maschinen stehen in Produktionshallen, in denen oft schwierige und tageszeitlich wechselnde Lichtverhältnisse herrschen, daher ist Fremdlicht eine häufige Quelle für Störungen“, sagt Waldl. Die Qualität von Mess- und Prüfergebnissen lässt sich wesentlich steigern, wenn der Einfluss des Fremdlichts ausgeschaltet wird. Das kann der Maschinenbauer mit aufwendigen und platzraubenden Einhausungen erreichen – oder durch Lichtblitze mit hoher
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Kamera und Beleuchtung sind vollständig in das Maschinennetzwerk integriert.

Kamera und Beleuchtung sind vollständig in das Maschinennetzwerk integriert.

Intensität.

Maximale Homogenität

Um gleichbleibende Ergebnisse bei einer Vision-Applikation zu erzielen, muss das Objekt möglichst homogen ausgeleuchtet werden. Diese Homogenität lässt sich durch intelligent konstruierte Leuchten erreichen. B&R versieht jede einzelne LED mit einer Linse, die eine gleichmäßige Abstrahlung des Lichts garantiert. Die Leuchten werden bereits im Werk abgeglichen und benötigen somit bei einem Wechsel im Feld oder im Serienmaschinenbau keinen manuellen Abgleich mehr. Auch die LED-typische Veränderung der Lichtintensität im Laufe der Lebensdauer und bei unterschiedlichen Temperaturen wird automatisch kompensiert.

Hohe Flexibilität

„Es reicht heutzutage nicht mehr, wenn eine Vision-Lösung nur einen speziellen Anwendungsfall gut abdeckt“, weiß Andreas Waldl. In Zeiten von Industrie 4.0 und Industrial IoT werden Produktwechsel im laufenden Betrieb immer häufiger – darauf muss auch die Bildverarbeitung ausgerichtet sein. Mit der vollständig integrierten Vision-Lösung von B&R ist das ganz einfach: Sämtliche Parameter können in Rezepten gespeichert und jederzeit wieder abgerufen werden. Der Anwender kann alle Einstellungen per Software jederzeit ändern. Dazu gehört die Lichtfarbe genauso wie die Blitzdauer und -länge, die Belichtungszeit
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Die kamerainternen LEDs der B&R-Vision-Lösung leuchten eine Fläche homogen aus (rechts). Bei anderen kamerainternen Beleuchtungslösungen ist ein deutlicher Randabfall erkennbar (links). Zudem muss aufgrund der niedrigeren Lichtintensität das Sensorsignal verstärkt werden, wodurch das Bildrauschen steigt (erkennbar an den zahlreichen Spitzen im Signal).

Die kamerainternen LEDs der B&R-Vision-Lösung leuchten eine Fläche homogen...

und der Abstrahlwinkel der Balkenleuchten. Mit den gleichen Leuchten lässt sich sogar eine Hell- und eine Dunkelfeldbeleuchtung nur durch Anpassen der Parameter realisieren.

Die Bedeutung der Lichtfarben

„Viele Maschinenbauer unterschätzen die Möglichkeiten, die sich durch unterschiedliche Blitzfarben ergeben“, sagt Waldl. Dabei lassen sich zum Beispiel versteckte Produktmerkmale oder Druckmarken durch unterschiedliche Lichtfarben entweder hervorheben oder ausblenden. Daher bestückt B&R jeden Leuchtentyp – auch die kameraintegrierten LEDs – nach Kundenwunsch mit bis zu vier unterschiedlichen Lichtfarben – inklusive Infrarot und Ultraviolett.

Mit den unterschiedlichen LED-Farben können von einem Produkt mehrere Fotos mit unterschiedlicher Beleuchtung gemacht und dadurch unterschiedliche Produktmerkmale erfasst werden. Diese Beleuchtungssequenzen lassen sich so schnell umsetzen, dass eine einzige Kamera dafür ausreicht.

Parametrieren statt Programmieren

„Klassische Programmierarbeit ist für die Einrichtung einer Vision-Lösung übrigens nicht mehr nötig“, erklärt Waldl. B&R hat vorkonfigurierte Software-Bausteine für Vision-Applikationen entwickelt. Diese ermöglichen die Erstellung einer Applikation nach dem Drag-and-Drop-Prinzip. Der Datenaustausch mit anderen Maschinenfunktionen und -bestandteilen, wie Servoantrieben, User- und Rezeptmanagement sowie Alarmsystem
erfolgt durch einfache Verknüpfung der entsprechenden Funktionen. Da die Vision-Komponenten integraler Bestandteil des Maschinennetzwerks sind, stehen sämtliche Diagnoseinformationen in Echtzeit zur Verfügung. Der Aufwand für die Implementierung einer Vision-Applikation sinkt beträchtlich.

Bei der Vision-Lösung von B&R sind Maschinensteuerung, Kamera, Blitzcontroller und Licht Bestandteil des gleichen Systems. Die Lichtansteuerung wird im Sub-µs-Bereich mit dem Automatisierungssystem synchronisiert.
Das komplette Beleuchtungsportfolio von B&R ermöglicht bis zu vier Lichtfarben pro Leuchte. Speziell entwickelte Linsen sorgen für eine homogene Ausleuchtung.
Kamera und Beleuchtung sind vollständig in das Maschinennetzwerk integriert.
Die kamerainternen LEDs der B&R-Vision-Lösung leuchten eine Fläche homogen aus (rechts). Bei anderen kamerainternen Beleuchtungslösungen ist ein deutlicher Randabfall erkennbar (links). Zudem muss aufgrund der niedrigeren Lichtintensität das Sensorsignal verstärkt werden, wodurch das Bildrauschen steigt (erkennbar an den zahlreichen Spitzen im Signal).



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