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Bildverarbeitungssysteme: Ausgabe 09/2019, 08.09.2019

Perfektes Licht ergibt das perfekte Bild

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 – besonders beim Implementieren einer zuverlässigen und präzisen Vision-Lösung.

Andreas Waldl, Vision-Experte bei B&R, stellt klar. «Die Beleuchtung ist eine kritische Komponente von Machine-Vision-Systemen.» Die Beleuchtung bestimmt, wie die Kamera das abzubildende Objekt wahrnimmt. Neben Faktoren wie Lichtintensität, Abstrahlrichtung und Wellenlänge spielt eine hochpräzise, intelligente Licht-Steuerung die entscheidende Rolle.

Eine exakte Synchronisierung lässt sich nicht umsetzen, wenn Vision-Sensoren, Leuchten, Blitzcontroller und Maschinensteuerung von unterschiedlichen Herstellern stammen. Da ein gemeinsames Kommunikationsprotokoll fehlt, erfolgt der Datenaustausch zwischen den Geräten über digitale Ein- und Ausgänge. So entstehen zeitliche Verzögerungen und Ungenauigkeiten, die verunmöglichen, dass Kamera und Blitz auf die Mikrosekunde genau synchron blitzen und belichten. «Also bleibt nichts anderes übrig, als die Blitzdauer zu verlängern, damit während der Belichtungszeit geblitzt wird», sagt Waldl. Nachteil: Die Lebensdauer der LEDs sinkt stark. Um das zu verhindern, kann man die Blitzintensität reduzieren, wodurch jedoch die Belichtungszeit verlängert werden muss. Bei High-Speed-Applikationen ergibt dies unscharfe Bilder. Alternativ verstärkt der Programmierer das Sensorsignal. «Das allerdings hat zwei Konsequenzen: Das Bildrauschen steigt und die Bildqualität sinkt», erklärt Waldl.

Bei der Vision-Lösung von B&R sind Maschinensteuerung, Kamera, Blitzcontroller und Licht Teil des gleichen Systems. Diese Integration bietet grosse 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.

«Durch die extrem kurze Blitzdauer können wir die LEDs problemlos mit bis zu 300 Prozent 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 nahezu jeden Einfluss von Fremdlicht.

«Maschinen stehen in Produktionshallen, in denen Fremdlicht eine häufige Störquelle ist», sagt Waldl. Die Qualität von Mess- und Prüfergebnissen lässt sich stark steigern, wenn der Einfluss des Fremdlichts ausgeschaltet wird. Dies kann der Maschinenbauer mit aufwendigen Einhausungen erreichen – oder durch Lichtblitze mit hoher Intensität. 

Um in einer Vision-Applikation gleichbleibende Ergebnisse zu erzielen, muss das Objekt 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 Lichtes garantiert. Die Leuchten werden im Werk abgeglichen und benötigen keinen manuellen Abgleich mehr. Auch die LED-typische Veränderung der Lichtintensität im Laufe der Lebensdauer wird automatisch kompensiert. 

«Es reicht jedoch nicht, wenn eine Vision-Lösung nur einen Anwendungsfall gut abdeckt», betont Waldl. In Zeiten von Industrie 4.0 und IIoT werde Produktwechsel im laufenden Betrieb immer häufiger – darauf müsse auch die Bildverarbeitung ausgerichtet sein. Mit der vollständig integrierten Vision-Lösung von B&R gelingt dies, da alle Parameter in Rezepten gespeichert und jederzeit abgerufen werden können. Der Anwender kann alle Einstellungen per Software jederzeit ändern. Dazu gehören Lichtfarbe, Blitzdauer und -länge, Belichtungszeit und der Abstrahlwinkel der Balkenleuchten. Dadurch lässt sich sogar mit den gleichen Leuchten eine Hell- und eine Dunkelfeldbeleuchtung nur durch Anpassen der Parameter realisieren. 

«Viele Maschinenbauer unterschätzen die Möglichkeiten, die sich durch unterschiedliche Blitzfarben ergeben», sagt Waldl. Dabei lassen sich etwa 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 Lichtfarben, inklusive Infrarot und Ultraviolett. So können von einem Produkt mehrere Fotos mit unterschiedlicher Beleuchtung gemacht und so unterschiedliche Produktmerkmale erfasst werden.

«Klassische Programmierarbeit ist für die Einrichtung einer Vision-Lösung übrigens nicht mehr nötig», ergänzt Waldl. B&R hat auch vorkonfigurierte Software-Bausteine für Vision-Applikationen entwickelt.  (msc)

B&R Industrie-Automation
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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. (Bilder: B&R)


Die kamerainternen LEDs der B&R-Vision-Lösung leuchten eine Fläche homogen aus (rechts). Bei anderen kamerainternen Beleuchtungslösungen ist ein deutlicher Randabfall erkennbar (links); wird wegen niedriger Lichtintensität das Sensorsignal verstärkt, steigt das Bildrauschen (erkennbar an den zahlreichen Spitzen im Signal). Die Qualität des mit der B&R-Lösung aufgenommenen Bildes ist deutlich höher.


Andreas Waldl, Vision-Experte bei B&R.