Oberflächeninspektion

Oberflächeninspektion
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1.Allgemeines
Bei der Oberflächeninspektion oder Oberflächenprüfung wird die sichtbare Hülle eines
Werkstückes geprüft. Beschädigungen im Inneren des Objekts sind nicht mit
Oberflächeninspektion erfassbar.
Oberflächeninspektion ist da erforderlich wo jedes Teil auf Fehlerfreiheit überprüft werden
soll. Methoden wie Six Sigma oder die Null-Fehler-Strategie helfen Produktionsprozesse zu
verbessern.
Es gibt verschiedene Arten der Oberflächeninspektion:
•
•
Taktile Oberflächeninspektion (Tastschnittverfahren)
Optische Oberflächeninspektion
o Prüfung durch den Menschen
o Automatisierte optische Oberflächeninspektion
Die Motivation zu einer automatisierten Prüfung ist dass bei der Prüfung durch den
Menschen oft auch gravierende Fehler unerkannt bleiben, sei es wegen Unaufmerksamkeit
oder Ablenkung. Bei der automatisierten Prüfung erfolgt eine protokollierte 100%-Kontrolle.
1.1 Automatisierte optische Oberflächeninspektion
Die Bildaufnahme wird mit Hilfe von Kameras durchgeführt entweder mit:
•
•
Zeilenkameras (Punkt 2) oder mit
Flächenkameras (Punkt3)
Mit Hilfe der Bildverarbeitung werden die gemachten Bilder aufgearbeitet. Nun gibt es zwei
grundsätzlich unterschiedliche Herangehensweisen für die Fehlersuche
•
•
Bei der einfacheren Variante wird das Bild mit einem Sollbild verglichen, eventuelle
Abweichungen führen zum Ausschluss. Der Nachteil bei dem Verfahren ist, dass nur
genau die Fehler die eingescannt wurden, detektiert werden können.
Erkennung des Fehles durch Software anhand einer Fehlerbeschreibung, hier
kommen hochkomplexe Algorithmen zum Einsatz. Das ist die wesentlich komplexere
und anspruchsvollere Herangehensweise.
Bei sehr geringen Taktzeiten besteht die besondere Herausforderung darin eine geeignete
Software zu programmieren die die Bauteile so schnell scannen und die Bilddaten auswerten
kann. Die Qualität der Auswertesoftware entscheidet in den meisten Fällen, ob die Anlage
den Anforderungen (d.h. den sehr schnellen Prüfzeiten) entspricht. Dank der stetig
wachsenden Rechnerleistung ist eine automatisierte In-Line Oberflächenprüfung meistens
durchführbar
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2. Zeilenkameras
Als Zeilenkamera bezeichnet man einen Kameratyp, der nur eine lichtempfindliche Zeile
(Zeilensensor) aufweist. Weil eine Zeile nur eine relativ geringe Chipfläche benötigt, lassen
sich im Vergleich zum Flächensensor wesentlich mehr Pixel auf einer Zeile unterbringen.
Darüber hinaus lässt sich eine Zeile wesentlich schneller als eine Fläche auslesen.
2.1 Spektrale Empfindlichkeit
Während sich der Empfindlichkeitsbereich der Sensoren auf Siliziumbasis vom UV Bereich
(ab etwa 200 nm) bis ins nahe Infrarot (bis 1000 nm) erstreckt, sind Sensoren aus
Germanium oder Indium Gallium Arsenid im infraroten Wellenlängenbereich von 1 µm bis
über 2 µm einsetzbar.
Die UV-Sensoren werden mit einem Abdeckglas meist aus Quarz versehen, weil normales
Glas für Licht mit einer Wellenlänge unter etwa 400 nm nicht mehr durchlässig ist.
2.2Pixel
Die Zahl und Form der Pixel hängt von den Anforderungen der Anwendung ab. Es gibt
Kameras mit monochromen und Farbsensoren. Bei diesen Sensoren ist für jede Grundfarbe
meist eine eigene Zeile mit dem entsprechenden Farbfilter vorhanden.
2.3Funktionsweise
Die in den Zeilenkameras eingesetzten CCD-, CMOS-, NMOS (n-Kanal-Metall-Oxid-HalbleiterFeldeffekttransistoren) - oder InGaAs-Sensoren unterscheiden sich zwar mitunter erheblich,
es werden aber immer mindestens zwei Schritte ausgeführt: Belichten und Auslesen, das
hier am Beispiel eines CCD-Sensors erläutert werden soll:
2.3.1 CCD Sensoren
Ein CCD-Zeilensensor besteht aus den lichtempfindlichen Pixeln und einem analogen
Schieberegister (Charge-coupled Device), das dem Sensor seinen Namen gibt. Während der
Belichtungszeit generieren die einfallenden Photonen in den Pixeln Elektronen, die am Ende
der Belichtungszeit in das Schieberegister umgeladen werden. Dieses wird über ein am
Sensor angelegtes Taktsignal ausgelesen. Während die Ladungen aus dem Schieberegister
ausgelesen und in eine Spannung umgewandelt wird, werden in den Pixeln durch die
Belichtung des Sensors neue Elektronen gesammelt. Die ausgelesenen Signale stammen
damit nicht aus dem aktuellen Belichtungszyklus, sondern aus dem letzten.
2.3.1 CMOS Sensoren
CMOS Sensoren arbeiten im Prinzip gleich wie die CCD Sensoren mit dem Unterschied, dass
keine Ladungen verschoben werden. Die, durch den Lichteinfall, erzeugten Ladungen
werden an jedem einzelnen Pixel ausgelesen. Jedes Pixel hat einen eigene
Transistorverstärker (Enable Transistor) der die Ladungen in ein analoges Signal umwandelt.
Am Anfang war die Packungsdichte und somit die Auflösung der CMOS Sensoren noch ein
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Problem, weil die Pixel mit dem Auslesetransistor mehr Platz beanspruchten aber
mittlerweile kann man auch schon mit CMOS Sensoren Auflösungen von mehreren
Megapixeln erreichen.
Einfache CCD- und CMOS-Zeilensensoren benötigen nur noch zwei Eingänge:
•
•
Start of Scan Eingang (SOS) und einen
Clock Eingang.
Eine einfache Zeilenkamera kann daher mit wenigen Komponenten realisiert werden.
Zeilenkameras enthalten neben den erforderlichen Taktsignalen mitunter einen AnalogDigital-Wandler. Die digitalen Daten werden mitunter in einem RAM zwischengespeichert
und dann meist über ein USB- oder CameraLink-Interface zum Rechner geleitet.
2.4 Einsatzgebiete
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•
Spektroskopie (Zerlegung des Lichts in seine Spektralfarben)
Barcode (Strichcode), Fax & Scanner
Industrielle Bildverarbeitung: Bildverarbeitende Systeme, die auf Zeilenkameras
basieren, werden sowohl für Qualitätssicherungsaufgaben wie auch Sortierverfahren
eingesetzt. Durch die Möglichkeit, hohe Objektgeschwindigkeiten zu nutzen, lassen
sich sehr hohe Durchsatzraten erzielen.
3. Flächenkameras
Im Gegensatz zu Zeilenkameras, wird bei Flächenkameras nicht nur jeweils eine Zeile
belichtet, sondern eine komplette Fläche. Bei den Flächenkameras kommen sowohl CCD, als
auch CMOS – Sensoren (Erklärung oben) zum Einsatz. Sollte ein Farbbild benötigt werden,
muss, da sich der Sensor nur hell oder dunkel merken kann, mittels eines Filters für die
jeweilige Grundfarbe das Bild insgesamt 3 x erstellt werden, bzw. man splittet die
Sensorfläche so, das jeweils 1/3 der Sensorfläche die gewünschte Farbe aufnehmen kann.
Dadurch sinkt aber logischerweise die Auflösung. Die restliche Bildinformation wird
errechnet, liegt aber nicht wirklich vor.
Zeilenkamera
Barcode
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4.Abis II
5.1 Allgemeines zu Abis II
Abis II ist das Oberflächeninspektionsgerät von Steinbichler. ABIS II setzt Maßstäbe - das
Messsystem ist in der Lage, sämtliche relevanten Fehlertypen zu erkennen mit einer hohen
Auflösung sicher und schnell zu detektieren und auszuwerten. Unabhängig von den
umgebenden Lichtverhältnissen liefert der Sensor genaueste Messergebnisse; d.h. es sind
keinerlei zusätzliche Maßnahmen zur Abdunkelung notwendig.
Ein großer Vorteil für den Anwender liegt in der Erweiterbarkeit des Systems. ABIS II ist
individuell erweiterbar und bietet dadurch äußerst flexible Einsatzmöglichkeiten
5.2 Detektierbare Fehlerarten
Viele Fehler sind im Stadium der Herstellung nicht sichtbar, jedoch können diese später
durch Lackierung oder andere Bearbeitungen sichtbar werden. Diese Fehler sind im
Nachhinein nur durch sehr kostspielige Korrekturmaßnahmen zu beheben sind.
Um eine hochwertige Oberfläche bei maximaler Kostenoptimierung zu erreichen, muss ein
großes Spektrum an Fehlerarten erkannt werden. Dabei ist die sichere und vor allem
rechtzeitige Detektion und Bewertung bzw. Klassifikation von Dellen, Beulen, Einfallstellen,
Welligkeiten, Einschnürungen, Rissen, etc. erforderlich da die Kosten zur Fehlerbehebung
nahezu exponentiell ansteigen.
So stellt vor allem die Nachbearbeitung von Fehlstellen, einen hohen Personal- und
Zeitfaktor dar, der die Wirtschaftlichkeit des Herstellungsprozesses erheblich beeinflusst. Mit
ABIS II - einem optischen Sensorsystem, dass in mehreren Ausbaustufen eingesetzt werden
kann, können Fehler schnell, sicher und hochgenau erfasst, ausgewertet und den
Anforderungen des Kunden entsprechend klassifiziert werden. Ausschuss und Nacharbeit
können somit effektiv reduziert werden.
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Beispiele für Fehler:
5.3 Technische Daten von ABIS II:
Abmessungen Sensor (mm³)
Gewicht Sensor
Bildaufnahmezeit
Robotertauglichkeit
Messfeldgröße (mm²)
Datenschnittstelle
Auflösung CCD-Kamera
Fehlerauflösungsgrenze (Tiefe)
laterale1) Fehlerauflösung
Arbeitsabstand Sensor-Objekt
670 x 80 x 100
4,7 kg
0,1 ms
ja
220 x 300
CamLink
1200 x 1600 Pixel
10 µm (oberflächenabhängig)
1,5 mm (min.)
432 mm +/- 20 mm
Lichtquelle
Lebensdauer der Blitzlichtlampe
Xenon Blitzlichtlampe
106 - 107 Blitze
bei 1 Hz Wiederholfrequenz
50°
Triangulationswinkel2)
1) lateral = lat. seitlich
2) Triangulation bezeichnet in der optischen Messtechnik eine Methode zur Entfernungsmessung mit Licht.
Durch diverse Winkelfunktionen kann ein Abstand berechnet werden.
QUELLEN: www.wikipedia.org, www.steinbichler.org, www.gicpl.com
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