Selbst in einer rauen Industrieumgebung erledigen Vision-Systeme mittlerweile zuverlässig ihre Aufgaben, beispielsweise in der Prozessüberwachung und -steuerung. Allerdings müssen alle Faktoren genau aufeinander abgestimmt sein.
Von unserem Redaktionsmitglied Uwe Böttger uwe.boettger@konradin.de
Die industrielle Bildverarbeitung (BV) ist eine anspruchsvolle Disziplin. Daher verwundert es nicht, dass es länger gedauert hat, bis BV-Systeme die Produktionsbereiche erobert haben. Und noch sind lange nicht alle Möglichkeiten in der Industrie ausgereizt. Joachim Rohwedder, Vorstandsvorsitzender des VDMA-Fachverbands Robotik + Automation, geht davon aus, „dass erst 15 bis 20 Prozent aller möglichen Anwendungsgebiete erschlossen sind“.
Die junge Technik profitiert vor allem von der fortschreitenden Automatisierung in der Fertigung und den hohen Anforderungen an die Qualitätssicherung. Und es gibt Bereiche, die ohne Bildverarbeitung nicht mehr denkbar sind. Hierzu gehört der Robotereinsatz in der Automobilproduktion.
In dieser Branche muss alles perfekt sein: Karosserie, Lack, Scheiben, Motoren und Felgen. Untersuchungen haben ergeben, dass bereits geringe Fehler auf lackierten Oberflächen beim Kunden oft größere Ablehnung hervorrufen als kleine technische Mängel. Zugleich ist die Lackierung einer der fehleranfälligsten Arbeitsgänge. Verunreinigungen der Spritzwerkzeuge, Partikel aus der Umgebungsluft oder Inkonsistenzen des eingesetzten Lacks führen zu Blasen, Schlieren oder Einschlüssen. Damit solche Fehler rechtzeitig erkannt werden, tasten hochauflösende Kameras auch schwierige Formen zuverlässig ab.
Aber auch die Anforderungen an das Vision-System sind im Automobilbau überdurchschnittlich hoch. Neben Geschwindigkeit, Präzision und Industrietauglichkeit wird eine Verfügbarkeit von mehr als 99 % erwartet. Zudem muss das BV-System nicht nur als Einzelkomponente funktionieren, die Systemfunktionalität ist gefordert. Spätestens jetzt stellt sich die Frage: Wie lassen sich all diese Forderungen in Einklang bringen?
BV-Systeme bestehen aus bewährten Standardkomponenten wie Kamera, Beleuchtung und Rechner. Hohe Lebensdauer und geringe Ausfallwahrscheinlichkeit zeichnen diese Produkte aus, was zur Stabilität des Gesamtsystems beiträgt. Wesentlich ist auch eine einfache Bedienung. So muss die Benutzeroberfläche genau auf die Anwendung zugeschnitten sein, denn das Personal in der Fertigung versteht oft nur den Teilprozess, für welchen es zuständig ist und verfügt über keinerlei BV-Kenntnisse. Robuste Erkennungsalgorithmen machen die Systeme immun gegen Fremdlicht oder Schmutz. Und sie ermöglichen, dass Variationen der zu inspizierenden Objekte innerhalb der festgelegten Grenzen toleriert werden.
Die Isra Vision Systems AG mit Sitz in Darmstadt hat langjährige Erfahrung mit dem Einsatz von BV-Systemen in anspruchsvollen Applikationen und weiß, worauf es in der Lackinspektion, der Montage an bewegten Fertigungsobjekten oder dem Vermessen von Karosserien ankommt.
Für die Messung an lackierten Karossen nutzen die BV-Spezialisten unter anderem die Streifenprojektion, um an Blechbiegekanten einen besseren Kontrast zu bekommen. Denn das Verfahren muss auch bei unterschiedlichen Oberflächen und Lackfarben funktionieren. Zur Lokalisierung dienen Objektmerkmale wie Kanten, verwölbte Flächen oder Bohrungen. Dies sind charakteristische Orte auf dem Objekt, die von der Sensorik unabhängig von Farbe und Umgebungseinflüssen erkannt werden. Auch mehrdimensional gebogene Oberflächen müssen erfasst werden. Damit der Sensor diese Geometrien erkennen kann, werden Kontrastierungsmethoden verwendet: Linien oder Muster führen entsprechend der Oberflächengeometrie zu charakteristischen Formen. Doch Vorsicht ist geboten: Umgebungseinflüsse wie Temperaturschwankungen, Hallenbeleuchtung oder Sonnenlicht, das sich auf den reflektierenden Oberflächen unterschiedlich abbildet, müssen mit ins Kalkül gezogen werden. Die extrem hohen Dynamikanforderungen dieser Applikationen lassen sich nur erfüllen, wenn hochdynamische Kameras zum Einsatz kommen und die Belichtungszeiten elektronisch gesteuert werden. Für Letzteres werden oft so genannte Shuttertabellen herangezogen.
Auch die Beleuchtungtechnik muss entsprechend den Anforderungen angepasst werden. Leuchtmittel basieren heute oft auf LED, die mittlerweile mit hohen Leistungen verfügbar sind. Sie sind unter anderem in den Farben Rot, Grün, Blau und Weiß verfügbar. Somit lässt sich die Beleuchtung genau auf die Umgebungsbedingung anpassen. Mit so genannten Polarisationsfiltern lassen sich zudem Spiegelungen und Reflexe wirksam unterdrücken.
In den Lackinspektionssystemen für die Automobilindustrie folgen die mobilen Kameras den Konturen der zu prüfenden Karossen. Die zugehörigen Daten entnimmt das Vision-System einer Karosseriemodell-Datenbank. Konturen auf den Oberflächen entstehen durch Helligkeitsänderungen. Dabei spielen absolute Helligkeit und Kontrast keine Rolle. Konturen helfen, Bildinhalte oder Objekte zu modellieren und liefern somit zuverlässige Bildinformationen. Um Geometriemerkmale am Messobjekt unabhängig von Farbe und Oberflächenbeschaffenheit zu erkennen, sind dedizierte Erkennungsalgorithmen erforderlich. Gleiches gilt für das Auffinden von unbekannten Positionen.
So vielfältig die Möglichkeiten heute sind, auch Bildverarbeitung stößt in der Produktion irgendwann an Grenzen – ebenso wie der Einsatz anderer Automatisierungskomponenten. So müssen für Vision-Systeme in erster Linie optische Randbedingungen berücksichtigt werden. Sind diese nicht eingehalten, kann der Nutzer nicht mehr erwarten, dass das System noch einwandfrei funktioniert. Dieser Fall tritt beispielsweise dann ein, wenn die Sonne im Messbereich ungefiltert und direkt auf den Lack von Autokarossen scheint.
Auch bei so genannten Robot-Vision-Systemen, also der Kombination aus Bildverarbeitung und Robotik, setzt Isra Akzente. Ein neues System für die 3D-Positionierung von Robotern im Raum ist das Produkt Mono3D, das mit nur einer Kamera arbeitet. Aus einem aufgenommenen Bild lassen sich mit Hilfe der Messung von einigen wenigen Merkmalen alle sechs Freiheitsgrade eines dreidimensionalen Objekts bestimmen. Ein typisches Anwendungsbeispiel ist die Steuerung von Robotern und Handhabungsgeräten in der Montage. Mit der Technik lassen sich aber auch Klebstoff und Dichtungsmaterial aufbringen oder Teile verschrauben und verschweißen.
Hochmoderne Systeme allein helfen dem Anwender nicht weiter. Es kommt vor allem darauf an, die Technik in die laufende Fertigung zu integrieren. Aus diesem Grund liefert der Darmstädter BV-Spezialist komplette Systemlösungen, die auf die jeweilige Applikation abgestimmt sind.
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