Leistungsfähiges Kompakt-Bildverarbeitungssystem in einer Fertigungslinie Viele Augen sehen mehr - KEM

Leistungsfähiges Kompakt-Bildverarbeitungssystem in einer Fertigungslinie

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Kompakt-Bildverarbeitungssysteme eignen sich auf Grund ihrer Flexibilität für Fertigungslinien. Der Beitrag beschreibt die Prüfung von Druck- sensoren auf Vorhandensein und Richtigkeit der Automobilhersteller-Logos beziehungsweise der Farbringe sowie der Aufbringung der Laserbeschriftung auf den Steckergehäusen.

Kompakt-Bildverarbeitungs (BV)-Systeme sind angesiedelt zwischen PC-basierten Bildverarbeitungslösungen und Smartkameras. Anders als letztere beinhalten sie Framegrabber oder digitale Kameraschnittstellen zur Bilddatenerfassung. Diese Schnittstellen für Firewire, USB2.0 oder Gigabit-Ethernet sind mit weiteren Komponenten auf engstem Raum im industrietauglichen Gehäuse untergebracht. Das betrifft Prozessoreinheiten, digitale (PLC) sowie Feldbus- und Kommunikationsschnittstellen. Zudem kommt ein offenes Betriebssystem zum Einsatz.

Kompakt-BV-Systeme sind in Fertigungslinien effektiv einsetzbar für Mess- und Prüfaufgaben, die mehrere Kameras erfordern. Das ist beispielsweise der Fall, wenn unterschiedliche Ansichten des Prüfobjekts mit verschiedenen Auflösungen erforderlich sind oder/und Farb- und Grauwertbildverarbeitung kombiniert werden müssen.
In einer Fertigungslinie zur Prüfung von Drucksensoren dient beispielsweise das Kompakt-BV-System „Vicosys“ von Vision & Control der Prüfung von Drucksensoren auf Vorhandensein und Richtigkeit der Automobilhersteller-Logos bzw. der Farbringe sowie der Aufbringung der Laserbeschriftung auf den Steckergehäusen.
Prüfanordnung, Bildaufnahme
Die Prüfstation enthält zwei Kameras. Kamera 1, eine Firewire (IEEE 1394)-Farbkamera mit einem ½“-CCD-Bildaufnehmer, kontrolliert Logos und Farbringe; Kamera 2 (IEEE 1394 s/w) die Laserbeschriftung. Das BV-System befindet sich abgesetzt im Schaltschrank. Ein SVGA-Monitor visualisiert die Ergebnisse und den Prozessstatus.
Beide Kameras sind über Standardkabel mit den Firewire-Schnittstellenmodulen von Vicosys verbunden. Bei ihrer Inbetriebnahme sind keine Parametrierungen oder Treiberinstallationen erforderlich. Linux erkennt die Kameras automatisch und stellt beim ersten Start die Standardparameter ein. Die Bilddaten gelangen mit der maximalen Geschwindigkeit der Bilddatenbusse in die Bildspeicher der Prozessoreinheit, da bei den Vicosys-Geräten jede Kameraschnittstelle über einen separaten Controller verfügt. Neben Firewire-Schnittstellen stehen auch USB2.0 oder künftig Gigabit-Ethernet zur Verfügung.
Der Bildeinzug wird mit Triggersignalen an den Kameras bzw. an den digitalen I/Os der Prozessschnittstelle oder per Software ausgelöst. Die Triggersignale können gleichzeitig an den Triggereingängen anliegen oder asynchron den Bildeinzug jeder Kamera auslösen.
Die Bildverarbeitungsaufgabe
Zu Beginn jeder Messung erfolgt eine Lagevermessung des Steckergehäuses, auf die sich alle weiteren Auswertungen beziehen. Ist kein Teil vorhanden oder konnte die Lage nicht bestimmt werden, kommt es zur Fehlermeldung. Das Gehäuse sollte im Bildfeld grob mittig angeordnet sein. Die Bildverarbeitungsroutine bestimmt dann selbstständig die genaue Lage und setzt relevante Antastungen an die richtigen Stellen.
Mit der Farbkamera werden die Farbringe überprüft. Dazu werden für jeden Ring in rechteckigen Prüffenstern (ROI) die Farbanteile Rot, Grün und Blau ermittelt und mit eingelernten Werten verglichen. Besteht bei allen Farbanteilen Übereinstimmung innerhalb der Toleranz und zusätzlich Nichtübereinstimmung zu den anderen Farbringen, wird das Teil „IO“, andernfalls „NIO“ bewertet. Die Kontrolle auf Nichtübereinstimmung zu den anderen Farbringen erhöht die Sicherheit der Prüfung.
Mit den Bildern der s/w-Kamera erfolgt die Kontrolle des Logos über einen Vergleich der eingelernten Grauwertmuster. Dabei wird das aktuell gelesene Muster mit allen Eingelernten verglichen. Auch hier muss das Muster mit der Vorgabe und gleichzeitig nicht mit den anderen Mustern übereinstimmen. Für die Mustererkennung muss der Übereinstimmungsgrad beispielsweise mindestens 65 % betragen.
Erstellung des Prüfprogramms
Grundlage der Prüfprogramme ist die Bildverarbeitungsbibliothek „Pictor“ mit über 100 komplexen Funktionen, die bei Vicosys-Systemen unter Linux läuft. Die Prüfprogramme werden aus vorgefertigten Bildanalysealgorithmen zusammengestellt. Im Anwendungsbeispiel werden die Pictor-Befehle zur Objektfindung, zur Vermessung und zur Farbbildverarbeitung genutzt. Die Auswahl der Algorithmen und ihre Parametrierung erfolgt remote mit der Parametrieroberfläche „vcwin“ von einem Host-PC über die Ethernet- oder RS232-Schnittstelle. Die Trennung von Parametriersoftware und Bildverarbeitungsbibliothek – ein Merkmal von Smart-Kameras – wird bei den Vicosys-Systemen beibehalten.
Zusätzlich zu den Befehlen der Bildverarbeitungsbibliothek lassen sich anwenderspezifische Algorithmen in C++ programmieren und als externe Module in das System implementieren. Die externen Module lassen sich auch mit Pictor-Befehlen in einem Prüfablauf kombinieren. Freie Programmierbarkeit ist ein Vorzug von PC-basierten Bildverarbeitungslösungen, die für Kompakt-Bildverarbeitungssysteme übernommen wurde.
Abarbeitung, Visualisierung
Die Abarbeitung der Prüfprogramme erfolgt im Run-Mode auf der Embedded-Recheneinheit des Kompaktsystems. Visuell werden die Ergebnisse der Prüfprozesse gemeinsam auf einem Monitor dargestellt. Das ist im Gegensatz zu Smart-Kameralösungen ohne zusätzliche Hardware realisierbar.
Vicosys bietet die Möglichkeit, das Monitorbild viergeteilt darzustellen: Die Live-Bilder beider Kameras und allgemeine Meldungen zu ihrem Betriebszustand und zu Prozessparametern werden in unterschiedlichen Quadranten dargestellt. In den Live-Bildern wird „Teil IO“ (grün) für Gutteile und „Teil NIO“ (rot) für Ausfallteile eingeblendet. In einem weiteren Quadranten werden Messstatistiken übersichtlich dargestellt.
Kommunikation mit Steuerung
Die Bedienung des Bildverarbeitungssystems erfolgt über eine übergeordnete SPS, die in diesem Fall über digitale Aus- und Eingänge mit Vicosys verbunden ist. Die Vorgaben über das Steckergehäuse und der damit verbundenen Prüfkriterien erfolgt durch eine binäre Kodierung einer Typ-Nummer. Das Bildverarbeitungssystem erkennt an seinen bis zu acht digitalen PLC-Eingängen die von der SPS-vorgegebene Kodierung und führt die erforderlichen Prüfungen aus.
Die Ergebnisse werden der SPS über digitale Ausgangssignale mitgeteilt. Die Meldungen IO bzw. NIO erfolgen im vorliegenden Fall ebenfalls über die digitalen SPS-Ausgänge.
Werden die digitalen I/Os ausschließlich zur Prozesssteuerung verwendet, sind bei den Vicosys-Geräten auch serielle Feldbus-Schnittstellen (Ethernet, RS232, Profibus) zur Übertragung von Parametern und Messwerten verfügbar. Insbesondere über die 1GBit-Ethernetschnittstelle können Prozess- und Bilddaten an übergeordnete Systeme gesendet werden.
Industrietauglichkeit
Bezüglich der Industrietauglichkeit besitzen die Kompakt-Bildverarbeitungssysteme die gleichen Eigenschaften wie Smartkameras. Das Ganzmetallgehäuse von Vicosys hat Compact-Flash-Speicher statt einer Festplatte. Somit sind keinerlei rotierende Teile (Lüfter, oder Festplatten) verbaut. Die integrierten optoentkoppelten digitale I/Os mit 24 V SPS-Pegel garantieren ebenfalls eine hohe Industrietauglichkeit. Der Kühlkörper gestattet lüfterlosen Betrieb bis zu Umgebungstemperaturen von 50 °C. Die CPU ist in allen Geräten gelötet und bietet gegenüber einer gesockelten Variante erhöhte Industrietauglichkeit.
BV-System Vicosys KEM 526
Vision & Control-Portfolio KEM 527
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