Anspruchsvolle Oberflächen zuverlässig inspizieren

In vielen Bereichen der industriellen Fertigung ist die Bildverarbeitung als fester Bestandteil der Qualitätssicherung schon lange nicht mehr wegzudenken. Besonders in Sektoren mit hohen Qualitätsanforderungen, wie z.B. in der Automobil- und Zulieferindustrie, übernimmt diese Technologie zuverlässig die 100 %-Prüfung von Bauteilen. Typische Aufgaben sind dabei Vollständigkeits- oder Lagekontrollen, die Maßprüfung in 2D oder die Identifikation mittels Codes.

Bei der Inspektion von Oberflächen sind der Bildverarbeitung aber enge technische Grenzen gesteckt. Gerade Bauteile mit unterschiedlich glänzenden Oberflächen bereiten häufig Schwierigkeiten bei ihrer Überprüfung. Je nach Art der vorangegangenen Bearbeitung – z. B. durch Fräsen, Drehen, Schleifen, Stanzen oder Prägen – bietet die Oberfläche in diesen Fällen ein sehr unterschiedliches Bild. Glanzstellen in direkter Nachbarschaft mit dunklen Bereichen lassen oft nur grobe Aussagen über die Oberfläche zu. Zudem variiert das Bild je nach Zuführung der Teile, der Bearbeitungsparameter und der Materialcharge sehr stark. Die Wahl einer geeigneten Beleuchtung erfordert in diesen Fällen häufig einen Prozess von Trial and Error – oft mit ungewissem Ergebnis. Zusätzlich bereiten gekrümmte Oberflächen in der Regel Probleme.

Lösung mit trevista

Das Bildverarbeitungs-System trevista der OBE GmbH & Co. KG bietet eine interessante Bildverarbeitungs-Lösung für die Inspektion glänzender oder diffus streuender Oberflächen. Insbesondere metallisch glänzende Bauteile mit unterschiedlichster Oberfläche bis hin zu schwarzem Kunststoff können damit problemlos geprüft werden. Eine strukturierte, diffuse Beleuchtung des Prüfteils, zusammen mit einem speziellen Berechnungsalgorithmus, liefert hochwertige Bilder für die nachfolgende automatische Bewertung. Die Oberflächenform wird anhand von Reliefbildern plastisch dargestellt, die selbst Fehlermerkmale von wenigen Mikrometern Tiefe sichtbar machen. Darüber hinaus wird ein so genanntes Texturbild erzeugt – vergleichbar einer konventionellen Aufnahme ohne störenden Glanz. Damit lassen sich Formmerkmale sicher von Helligkeitseigenschaften des Materials oder auch Verunreinigungen durch Schmiermittel sowie korrodierten Bereichen unterscheiden. Form- und Texturinformation gelangen auf verschiedenen Kanälen, den Reliefbildern und dem Texturbild zur Weiterverarbeitung.

Die Beleuchtungs-Einrichtung in der Form eines Doms sorgt für eine optimale Ausleuchtung und hält störendes Fremdlicht ab. Die robuste Konstruktion erlaubt eine einfache Integration in den Produktionsprozess oder einen Prüfautomaten. Im Unterschied zu anderen Dom-Beleuchtungen wird die Kuppel nacheinander aus vier unterschiedlichen Richtungen beleuchtet und dabei jeweils ein Kamerabild aufgenommen. Der Berechnungsalgorithmus verarbeitet diese vier Eingangsbilder und erzeugt daraus die Ergebnisbilder, die Texturansicht und die Reliefbilder.

Reliefbilder mit hohem Kontrast

Die Reliefbilder verkörpern die lokale Neigung der Oberfläche in Richtung der x- bzw. y-Achse. Ein weiteres Bild, das so genannte Krümmungsbild, stellt die lokale Krümmung der Oberfläche dar und erfasst die Topografie der Oberfläche richtungsunabhängig. Diese Bilder werden an das Bildverarbeitungs-System weitergegeben, welches die automatische Auswertung der Reliefbilder übernimmt. Dabei arbeitet der Berechnungsalgorithmus PC-basiert und ist in die Software-Plattformen Sherlock von Teledyne DALSA und Common Vision Blox (CVB) von STEMMER IMAGING eingebunden. Diese Software-Umgebungen übernehmen die automatische Auswertung der Reliefbilder.

Die Parametrisierung der Bildverarbeitungs-Software gestaltet sich einfach und sicher, da die Reliefbilder Formmerkmale der Oberfläche deutlich herausstellen. So lassen sich Fehler prüfen, die bisher nicht automatisch ausgesondert werden konnten. Gleichzeitig sinkt der Pseudoausschuss auf ein Minimum, was zu wesentlichen Einsparungen von Prüfkosten beiträgt. Zudem können flache, aber auch stark gekrümmte Oberflächen sicher erfasst werden. Selbst Ungenauigkeiten bei der Teilezuführung wie beispielsweise Verkippungen gegenüber der Beleuchtung werden sicher kompensiert.

Bei der Kontrolle von Bauteilen im Stillstand und in Bewegung kommen im trevista-System grundsätzlich Flächenkameras zum Einsatz. Im Falle der Inspektion von Mantelflächen rotationssymmetrischer Bauteile werden Zeilenkameras für eine lückenlose Kontrolle eingesetzt. Das Zeitverhalten der Beleuchtung ist hierbei speziell auf die Besonderheiten dieser Kameras abgestimmt.

Einsatzbeispiel: Spanend bearbeitete Oberflächen

Bild 1 zeigt ein Drehteil aus dem Automotive-Bereich. Über die geprüfte Planfläche wird der Kraftstofffluss beim Einspritzvorgang in den Verbrennungsraum reguliert. Diese Funktion wird maßgeblich von topografischen Eigenschaften der so genannten Polfläche beeinflusst. Insbesondere können Material-, Bearbeitungs- und Handlingfehler eines Bauteils zu Funktionsstörungen in der späteren Baugruppe führen. Eine zuverlässige Aussortierung dieser beschädigten Drehteile mittels konventioneller Bildverarbeitung ist nahezu unmöglich und führt in der Regel zu einem hohen Pseudofehleranteil. trevista ist in der Lage, diese Mikrodefekte der Oberfläche anhand der Reliefbilder mit hohem Kontrast sichtbar zu machen.

Einsatzbeispiel: Oberflächenverfärbungen

Durch Korrosion von Metallen kann sich das optische Erscheinungsbild einer Oberfläche stark verändern. Bereiche mit Korrosionsspuren erscheinen einer Kamera sehr viel dunkler als die benachbarten metallisch glänzenden Bereiche. Bild 2 zeigt ein Bauteil aus Bronze, das erst zu einem späteren Zeitpunkt beschichtet wird. Bei konventioneller Beleuchtung sind Formmerkmale der Oberfläche und Texturmerkmale (Korrosion) praktisch nicht zu unterscheiden. Mit trevista werden getrennte Darstellungen erzeugt und waagerechte Riefen sichtbar gemacht. Diese Riefen werden auch dann eindeutig erkannt, wenn die Bauteile mit Schmiermitteln unterschiedlich stark benetzt sind.

Einsatzbeispiel: Gekrümmte Oberflächen

Oberflächenfehler werden in der Bildverarbeitung üblicherweise mit Hilfe einer Dunkelfeld-Beleuchtung sichtbar gemacht. Die Beleuchtung strahlt dabei unter einem flachen Winkel auf die Oberfläche und wird an deren Unebenheiten in Richtung der Kamera gelenkt. Dieser Ansatz ist in der Regel nicht möglich, wenn das Prüfteil gekrümmt ist, da keine passende Richtung für alle Bereiche der Oberfläche gefunden wird. Schwierigkeiten entstehen ebenfalls, wenn bei der automatischen Zuführung die Teile nicht immer in exakt derselben Orientierung präsentiert werden. Schon kleinste Verkippungen führen bei konventioneller, gerichteter Beleuchtung zum Versagen der automatischen Auswertung. Das trevista-System ist hingegen tolerant gegenüber diesen beiden Einflüssen. Eine Verkippung stellt lediglich einen Helligkeitsoffset im Reliefbild dar. Bei gekrümmten Oberflächen wie im Bild 3 gezeigt variiert die Helligkeit des Reliefbildes allmählich, genau so wie es der gemessenen Neigung entspricht. Eine automatische Auswertung ist daher möglich.

trevista – die Standard-Lösung für anspruchsvolle Aufgaben

Die erläuterten Praxisbeispiele wurden mit derselben standardisierten Beleuchtungs-Einrichtung und identischen Beleuchtungs-Parametern gewonnen. Das System leistet somit einen Beitrag dazu, dass gerade für schwierige Aufgaben der Oberflächenprüfung standardisierte Lösungen angeboten werden können. Je nach notwendigem Messfeld von 20 mm bis 200 mm stehen dazu drei Dom-Größen zur Auswahl, die als Komponente oder integrierte Bildverarbeitungs-Lösung bis hin zum kompletten Prüfautomaten angeboten werden können.

Die robuste Konstruktion erlaubt eine einfache Integration in den Produktionsprozess oder einen Prüfautomaten. STEMMER IMAGING macht die trevista-Technologie dabei als Komplettsystem mit industrietauglichen PCs für den Anwender verfügbar.

Anwendung in allen Märkten

Anwendung findet trevista in allen Märkten, in denen anspruchsvolle Oberflächen schnell automatisiert geprüft werden müssen – in erster Linie in der Automobilindustrie sowie der Elektronik- und Halbleiterindustrie. Überall dort, wo eine hohe Stückzahl an Bauteilen vollständig automatisiert geprüft werden muss, kommt ein Einsatz von trevista in Frage. Für eine automatisierte Lösung spricht neben den reduzierten Prüfkosten pro Teil vor allem die gewonnene Objektivität. Zwar lässt die herkömmliche Bildverarbeitung möglicherweise auch das Erkennen von Defekten zu – jedoch nur unter Inkaufnahme einer Ausschleusung von Gutteilen. Dies kann mit trevista vermieden werden.

Messe Vision: Halle 1, Stand E52 und I51