Intelligente Kameras als universelle 3D-Scanner

  • Abb. 1: Projektion der Laserlinie auf ein gleichförmig bewegtes Objekt.Abb. 1: Projektion der Laserlinie auf ein gleichförmig bewegtes Objekt.
  • Abb. 1: Projektion der Laserlinie auf ein gleichförmig bewegtes Objekt.
  • Abb. 2a+b: Visualisierung von 3D-Bildern mit dem mvImpact 3D Display Modul. Das Beispiel zeigt ein korrektes Rohr (a) und eines mit einer Beschädigung (b).
  • Abb. 2a+b: Visualisierung von 3D-Bildern mit dem mvImpact 3D Display Modul. Das Beispiel zeigt ein korrektes Rohr (a) und eines mit einer Beschädigung (b).
  • Abb. 3: Oberflächenkontrolle in der Holzbearbeitung:Was bei normaler Betrachtung wie ein Ast aussieht, entpuppt sich beim 3D-Scannen als tiefes Loch; ferner ist auch die Unebenheit weiter links deutlich zu erkennen.

Durch Vorgaben wie 100%-Prüfung und „Null Fehler“ Qualität werden heute hohe Anforderungen an die Produktion und die damit verbundene automatisierte Inspektion gestellt. Kosten- und Zeitdruck verschärfen die Bedingungen und führen bei zu spät erkannten Fertigungsproblemen zu existenziellen Problemen. Um dieser Situation entgegenwirken zu können, werden bestehende optische Prüfungsverfahren kontinuierlich verbessert und weiterentwickelt. Die Einbeziehung der dritten Dimension in der optischen Prüfung kann hierbei den entscheidenden Impuls geben.

Schwächen gängiger Verfahren

Gängige Verfahren, wie die zweidimensionale optische Prüfung oder der Funktionstest, reichen bei weitem nicht mehr aus, um vorgegebenen Qualitätsstandards zu genügen. Während ein Funktionstest nicht das Risiko späterer Ausfälle durch unsaubere Verarbeitung findet, zeigt die herkömmliche optische 2D-Prüfung Schwächen, da sie sich im Normalfall auf eine Betrachtung von oben beschränkt. Fehler wie z. B. schräg eingelötete Bauteile auf einer Leiterplatte (der sog. Grabstein-Effekt) können nicht gefunden werden, da bei der Bildaufnahme von oben kaum Unterschiede zwischen einem korrekt und einem fehlerhaft gelöteten Bauteil zu erkennen sind. Die Einbeziehung der dritten Dimension in den Prüfprozess führt zu zusätzlichen Informationen, über welche sonst unentdeckte Fehler erkannt werden, und damit zu einer Verbesserung der Produktqualität.

Mehr als nur eine Alternative: der 3D-Scanner

Eine Möglichkeit der 3D-Qualitätskontrolle bietet ein 3D-Scanner. Hierbei wird eine Laserlinie auf ein gleichförmig bewegtes Objekt projiziert (Abb. 1). Eine in einem bestimmten Winkel dazu angebrachte Kamera erfasst die Bilder. Weist das Objekt eine Erhöhung oder eine Vertiefung im Profil auf, wird dies im Bild durch eine seitliche Auslenkung der Laserlinie sichtbar. Dieses einfache Prinzip wird bei einem 3D-Scanner ausgenutzt, um die dritte Dimension zu erfassen. Durch die stetige Bewegung des Objektes gegenüber der Laserlinie wird ein Höhenprofil des Objektes erstellt. Dieses Höhenprofil kann als 3D-Bild visualisiert werden, indem den Höhenwerten Grau- oder Farbwerte zugeordnet werden.

Dadurch werden Höheneigenschaften des gescannten Objekts sichtbar, die bei der normalen zweidimensionalen Betrachtung völlig unsichtbar bleiben. Die eigentliche Fehlererkennung kann dann mit den aus der 2D-Prüfung bekannten Tools durchgeführt werden, z. B. durch Vergleich mit einem 3D-Bild eines korrekten Produktmusters.

Leiterplattenkontrolle mit dem mvBL 3D-Scanner

Mit dem mvBL 3D-Scanner hat Matrix Vision auf Basis der intelligenten Kamera mvBlueLynx einen 3D-Scanner als kompakte Lösung entwickelt. Dabei werden die 3D-Daten direkt in der Kamera berechnet und ausgewertet. Im konkreten Fall der Leiterplattenkontrolle wird mit einem Standard-Infrarot-Lasermodul eine dünne, präzise Linie auf die Leiterplatte projiziert. Der Vorteil des Infrarot-Lasers liegt darin, dass in der Kamera ein Sperrfilter zum Einsatz kommen kann, welches den kompletten Bereich des sichtbaren Lichts eliminiert. Somit werden Störungen durch Streulicht vermieden. Zur Auswertung des aufgenommenen Bildes werden Module aus der Bildverarbeitungsbibliothek mvImpact verwendet. Das mvImpact 3D Display Modul visualisiert die 3D-Bilder (Abb. 2a+b), welche dann zur Überprüfung der Lötstellen herangezogen werden. Durch die Verwendung zusätzlicher Module können weitere Aufgaben, wie bspw. OCR zur Bestückungskontrolle, direkt auf der Kamera ausgeführt werden.

Dadurch hat der Anwender die Möglichkeit, mehrere Prüfungen in einem Schritt durchzuführen, z. B. die Kombination der Lötstellenkontrolle mit der Kontrolle der Bauteile nach Beschriftung oder Größe. Werden zur sofortigen Anpassung von Bestückungsmaschinen genaue Abweichungen benötigt, können mit dem mvImpact Measure Modul wiederum Abstände gemessen werden, zur Erhöhung der Genauigkeit kann die Kamera mit mvImpact Calibration kalibriert werden. Über die I/O Leitungen der Kamera kann Peripherie angesteuert werden, die das Aussortieren von fehlerhaften Leiterplatten veranlasst. Und über die Netzwerkverbindung können Fehlerbilder und Statistikdaten in einer zentralen Datenbank gesammelt oder auch Informationen über Häufungen von bestimmten Fehlern an die Produktionsleitstelle gemeldet werden.

Ein universeller 3D-Scanner?

Natürlich eignet sich der mvBL 3D-Scanner nicht nur für die Leiterplattenkontrolle. Vielmehr ist er überall dort einsetzbar, wo die dritte Dimension zusätzliche, qualitätsrelevante Informationen liefern kann. Neben Leiterplattenkontrolle, Lötpastenkontrolle oder der Kontrolle von Kleberaupen oder Schweißnähten sind Anwendungen in der Lebensmittelindustrie möglich, wo zerbrochene oder verformte Artikel aussortiert werden müssen. Ferner sind Montagekontrolle und Vorbereitung von Arbeitsgängen mögliche Anwendungsgebiete, ebenso das Überprüfen von Oberflächen in der Holzbearbeitung. Letzteres verdeutlicht die Schwächen der herkömmlichen 2D-Prüfung: Risse oder Astlöcher können nicht oder nur sehr unzuverlässig erkannt werden (Abb. 3). Der mvBL 3D-Scanner hingegen sieht drei Dimensionen und kann somit die Details erkennen, bei denen die herkömmlichen zweidimensionalen Verfahren nur unzureichende Ergebnisse liefern.

Qualität im Doppelpack

Die Technik des 3D-Scannens in Verbindung mit einer guten und zuverlässigen Hardware und Software bietet vielfältige Lösungen für die aufkommenden gesteigerten Anforderungen in der Qualitätskontrolle. Mit der kostengünstigen, kompakten intelligenten Kamera mvBlue- Lynx schafft Matrix Vision GmbH nicht nur ein Einstiegsprodukt im Bereich des 3D-Scannens, sondern bedient durch die Flexibilität, Vielseitigkeit und Leistung auch fortgeschrittene Ansprüche. Unterstützt wird die intelligente Kamera von den mvImpact Bildverarbeitungstools, die einen schnellen Einstieg sowie die unkomplizierte Anpassung einer Anwendung ermöglichen.

Auf der Vision 2005 wird die intelligente Kamera mvBlueLynx auf dem Stand von Matrix Vision als 3D-Scanner präsentiert.

Die Autoren:

Dipl.-Inf. Frank Höschle Software Entwickler Dipl.-Inform. (FH)

Ulli Lansche Technischer Redakteur Matrix Vision GmbH Tel. 07191/9432-0 info@matrix-vision.de www.matrix-vision.de

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