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Effiziente Bauteil-Prüfung durch 360-Grad-Inspektion

  • Abb. 1a: Eine Kamera mit einem perizentrischen Objektiv erfasst ein 360-Grad-Gesamtbild inklusive Objekt-OberflächeAbb. 1a: Eine Kamera mit einem perizentrischen Objektiv erfasst ein 360-Grad-Gesamtbild inklusive Objekt-Oberfläche
  • Abb. 1a: Eine Kamera mit einem perizentrischen Objektiv erfasst ein 360-Grad-Gesamtbild inklusive Objekt-Oberfläche
  • Abb. 1b: Eine Kamera mit einem perizentrischen Objektiv erfasst ein 360-Grad-Gesamtbild inklusive Objekt-Oberfläche
  • Abb. 2a: Multi-Spiegel-Systeme mit telezentrischem Objektiv ermöglichen verschiedene Seitenansichten des Objektes
  • Abb. 2b: Multi-Spiegel-Systeme mit telezentrischem Objektiv ermöglichen verschiedene Seitenansichten des Objektes
  • Abb. 3a: PolyView-Objektive eignen sich, um sowohl Innen- als auch Außenflächen von Objekten wie Dichtungs-, Sicherungsringen oder Muttern abzubilden
  • Abb. 3b: PolyView-Objektive eignen sich, um sowohl Innen- als auch Außenflächen von Objekten wie Dichtungs-, Sicherungsringen oder Muttern abzubilden

Viele Anwendungen in der industriellen Bildverarbeitung erfordern eine Komplettansicht aller Oberflächen eines Prüfteils. Dafür werden mehrere Kameras um das Objekt positioniert. Entsprechend hoch sind Material- und Kostenaufwand. Doch es gibt eine effektivere und wirtschaftlichere Möglichkeit für solche Aufgaben: Intelligente Hightech-Objektive, die eine 360-Grad-­Inspektion ermöglichen.

Ob Bier, Wasser oder Wein - bevor Flüssigkeiten abgefüllt werden, müssen die Flaschen auf Glassplitter und Verunreinigungen hin untersucht werden. Auch das Gewinde der Flasche wird kontrolliert. Sitzt es gerade auf der Flasche? Des Weiteren wird der Barcode des Objekts ausgelesen. Um all diese Flächen von innen und außen zu inspizieren, kommen meist Multi-Kamera-Systeme zum Einsatz. Drei oder vier Kameras prüfen dabei das Objekt aus unterschiedlichen Blickwinkeln. Für die Draufsicht des Prüfteils ist eine weitere Kamera notwendig. Die Aufnahmen der Objektseiten von den verschiedenen Kameras müssen nach erfolgter Bilderfassung von Rechner und Bildverarbeitungssoftware zu einem Gesamtbild aneinander gefügt werden. Obwohl Multi-Kamera-Systeme zuverlässig arbeiten, ist ihr Einsatz mit relativ hohen Kosten verbunden. Zudem erschweren beengte Platzverhältnisse häufig die Integration mehrerer Kameras. Aus diesen Gründen fordern Systementwickler Ein-Kamera-Lösungen. Denn bei diesen entfällt die Zusammensetzung der Einzelbilder und sie kommen ohne Prüfteil- bzw. Kamera-Rotation aus.

Außenflächeninspektion am laufenden Band
Für die Außenflächen-Inspektion von Objekten, die auf dem Förderband bewegt werden, eignen sich Multi-Kamera-Systeme nicht, da benachbarte Teile die Sicht auf die Seiten des Prüfteils behindern. Eine Ein-Kamera-Lösung mit perizentrischem Objektiv erfasst dagegen Oberseite und 360-­Grad-Bild der Seitenflächen gleichzeitig. Abbildung 1 zeigt das resultierende Bild: Die Außenflächen sind um das Abbild der Oberseite herum gruppiert. Der Anwender erhält ein einziges Bild, das über alle Informationen verfügt, die für die Fehlererkennung des Prüfobjekts benötigt werden. Bei Bedarf können die gekrümmt dargestellten Außenflächen einfach mit geeigneter Software linear transformiert werden.

Mit dieser Lösung können die Prüfteile ungehindert das Kamera-Objektiv-System passieren, wodurch sich die Systemintegration erheblich vereinfacht.
Zur Prüfung von Objekt-Außenflächen können auch Verfahren angewendet werden, die auf dem Einsatz von Multi-Spiegel-Systemen basieren. Eine eher unkonventionelle Methode ist dabei die Betrachtung des Prüfteils mit einem telezentrischen Objektiv durch eine Anordnung von Spiegeln. Man erhält vier oder mehr Seitenansichten des Prüfteils (siehe Abb. 2). Der Einsatz des telezentrischen Objektivs gewährleistet, dass alle Bilder gleichmäßig vergrößert werden. Dies schafft gute Voraussetzungen für das anschließende Matchen und Verarbei­ten der Bilder. Auch Messaufgaben können auf diese Weise effektiv gelöst werden.

Objektive zur Inspektion von Innen- und Außenflächen
Eine weitere Optik-Variante, die mehrere Seitenansichten eines Prüfteils ermöglicht, sind sog. PolyView-Objektive. Diese Multi-Spiegel-Systeme liefern vier, sechs, acht oder mehr Abbildungen eines Prüfteils mit nur einer Aufnahme. Solche Optiken eignen sich ideal für Inspektionsaufgaben, bei denen sowohl die Innen- als auch die Außenflächen eines Objektes geprüft werden müssen - wie beispielsweise bei der Inspektion von Dichtungs- oder Sicherungsringen. PolyView-Objektive gewährleisten eine sehr gute Bildauflösung und ermöglichen eine High-Speed-Bilderfassung, da sie mit kleinen Brennweiten arbeiten. Wie bei perizentrischen Objektiven auch sind die relevanten Bildinformationen der Innen- und Außenflächen alle in einem einzigen Bild enthalten (Abb. 3).
Mit PolyView-Objektiven können Hohlräumen effektiv inspiziert werden. Für die Inspektion tieferer Objekte gibt es jedoch wirkungsvollere und kompaktere Lösungen. Objektive zur Lochinspektion, die beispielsweise bei der Bohrlochprüfung eingesetzt werden, liefern Bilder ähnlich denen von perizentrischen Objektiven. Diese Optiken bilden runde Oberflächen ab. Durch ihren großen Blickwinkel sind detaillierte Aufnahmen von der Innenseite des Bohrlochs und dessen Grund möglich, ohne dass ein Endoskop in den Hohlraum eingeführt werden muss.

Spezielle Anwendungsfälle
Trotz der vielseitigen Einsatzmöglichkeiten solcher Objektive zur Lochinspektion können in speziellen Anwendungen nicht alle notwendigen Bildinformationen erfasst werden, bedingt durch die Betrachtung von außerhalb des Hohlraums - z. B. bei der Inspektion von Gewindegängen. In solchen Fällen muss zusätzlich ein Endoskop in das Prüfteil eingeführt werden. Dafür werden flexible Faseroptiken verwendet, Bündel von Lichtleitern, die die Bilder aus dem Hohlraum an die Kamera übertragen. Allerdings schränkt die maximale Anzahl der Fasern, die ein solches Bündel enthalten kann, die mögliche Auflösung enorm ein. Sind hochauflösende Bilder erforderlich, sollte eine direkte optische Verbindung mit der Kamera gegeben sein. Dies kann über spezielle optische Sonden geschehen, die aus Makro-Objektiven bestehen.
Bei sehr kleinen Defekten in einem Hohlraum sind jedoch sehr viel höhere optische Vergrößerungen und ein kleineres Bildfeld notwendig. Da nur Teile der Innenfläche in einem einzelnen Bild aufgenommen werden können, muss die Sonde sowohl über die Tiefe des Lochs verfahren als auch um die eigene Achse rotieren, um ein 360° Bild zu liefern. Hierfür benötigt man neben einem genauen Positionierungssystem für die ­Bewegungen der Sonde auch spezielle Software zum Bildabgleich, da das Gesamtabbild des Lochs mehrere Einzelbilder beinhaltet, die durch das Scannen der Innenfläche über die Tiefe des Lochs entstehen.
Intelligente Optik-Systeme sind effektive Lösungen für die vollständige Er­fassung von Objekten. Im Vergleich zu Multi-Kamera-Systemen ist der Zeit-, Material- und damit Kostenaufwand um ein Vielfaches geringer und sie können häufig auch dort verwendet werden, wo die Platzverhältnisse den Einsatz von Multi-Kamera-Systemen unmöglich machen.

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