Bildverarbeitung

Effiziente Beleuchtungen für individuelle Anforderungen in der Bildverarbeitung

07.12.2023 - Flexible Flächenbeleuchtungen

Sonderbeleuchtungslösungen sind immer dann gefragt, wenn besondere, applikationsspezifische Anforderungen an Baugröße, Lichtcharakteristik oder Beständigkeit erfüllt werden müssen. Je nach Komplexität und Entwicklungsaufwand sind solche Produkte in der Regel jedoch zeit- und kostenintensiv. Hier setzt das flexible Konzept einer neuen Flächenbeleuchtung an. Durch den modularen Aufbau sind individuelle Anpassungen von Größe, Form und Lichtcharakteristik für die Entwicklung ohne zusätzlichen Zeit- und Kostenaufwand problemlos möglich. Die Serie füllt somit die Lücke zwischen schnell verfügbarem Standard und aufwendigen Sonderprodukten.

Mit den LED-Flächenbeleuchtungen der ML-Serien platziert Lumimax ein neues flexibles Beleuchtungskonzept im Portfolio. Was zunächst wie eine einfache Flächenbeleuchtung für Machine-Vision-Applikationen scheint, ist vielmehr das Grundgerüst für vielfältige Möglichkeiten: Durch das modulare Konzept lassen sich individuell zugeschnittene Beleuchtungs­lösungen konfigurieren, ohne dabei Zeit und Kosten für Entwicklung und Beschaffung in die Höhe zu treiben. Darüber hinaus ermöglicht das Konzept Beleuchtungsgrößen bis zu 1 m² und mehr. Somit können deutlich größere Prüfbereiche als bisher, selbst aus größeren Entfernungen, zuverlässig ausgeleuchtet werden. Länge und Breite der Beleuchtungen sind in 50 mm-Schritten frei definierbar. Neben einfachen rechteckigen und quadratischen Bauformen sind auch Sonderformen, beispielsweise L-Formen, U-Formen oder Beleuchtungsrahmen mit rechteckigem Durchbruch möglich. Klassische runde Kameradurchblicke lassen sich ebenso flexibel in der Leuchtfläche platzieren. So können beispielsweise komplette Prüfstationen inklusive mehrerer Kameras mithilfe einer großen Flächenbeleuchtung gleichmäßig ausgeleuchtet werden. Die Anordnung der LEDs gewährleistet dabei eine Homogenität der gesamten Leuchtfläche bis in die Randbereiche der Beleuchtung.

Beleuchtung löst QS-Problem in Kaffekapselproduktion

Obwohl die ML-Beleuchtungsserie noch nicht lange auf dem Markt ist, konnten bereits einige komplexe Applikationen mit ihrer Hilfe erfolgreich gelöst werden. Es folgen zwei kundenseitige Anwendungsbeispiele, die veranschaulichen, wie flexibel sich die neue Beleuchtungsserie integrieren lässt. So wurde gemeinsam mit dem Sonder­maschinenbauer MM-Smartmachine eine Produktionsanlage zur Vormontage von Kaffee­kapseln optimiert, nachdem der Kunde zuvor ein Problem in der Qualitätskontrolle identifiziert hatte. Die Anlage besteht aus ein- oder zweibahnigen Maschinen mit einer Aufnahme von acht beziehungsweise 16 Bauteilen. Mittels Bildverarbeitungssystem werden demzufolge maximal 16 Teile je Zyklus geprüft, wobei pro Minute 45 Zyklen durchlaufen werden. An dieser Stelle vollzieht die Kontrollstation unterschiedliche Qualitätsprüfungen an Kaffeekapseln mit Filterpapier. Neben einer Schweißnahtkontrolle wird das Filterpapier auch hinsichtlich Löcher, Fehler, Verschmutzungen sowie vorhandener Papierschnipsel überprüft. Ebenso werden während des Prüfprozesses die Abschabungen am Dom des Kunststoffteils inspiziert.

Beim bisherigen System lag die Prozesszeit für die gesamte Qualitätskontrolle bei 1,2 Sekunden für die Analyse aller 16 Bauteile inklusive Ergebnisübertragung an die eingesetzte Software. Das alte PC-basierte Kamerasystem verursachte allerdings sporadische Ausfälle und führte zu Qualitätsproblemen aufgrund eines Bildversatzes. Die Folge waren Bewertungsergebnisse, die nicht zum realen Bauteil passten. Da die geforderten Qualitätsfaktoren nicht mit dem bloßen Auge zu erkennen sind, wurde die Fehlfunktion häufig zu spät bemerkt und führte zu wiederkehrenden Produktionsausfällen und hohen Kosten. Darüber hinaus gab es für die alte Anlage aus dem Jahr 2006 vom vorherigen Systemlieferanten keinen technischen Support mehr. Auch notwendige Ersatzteile konnten nur noch eingeschränkt beschafft werden. Insgesamt war eine reibungslose Instandhaltung der Produktionsanlage nicht mehr möglich.


Flexibles Bildverarbeitungssystem mit passgenauer Flächenbeleuchtung

Das Projektziel mit MM-Smartmachine bestand somit darin, ein neues Bildverarbeitungssystem zu implementieren, das aktuelle Technologien, eine Remote-Bedienung und die Möglichkeit für Prüfungserweiterungen bietet. Dabei gab es einige Herausforderungen zu meistern. Zum einen konnten an den baulichen Gegebenheiten der bestehenden Produktionsanlage keine Veränderungen vorgenommen werden. Es musste daher eine passgenaue Flächenbeleuchtung zum vorhandenen Einschub entwickelt werden, da mit einer Standardbeleuchtung die konkreten Gehäusemaße nicht abgedeckt werden konnten.

Die Wahl fiel deshalb auf eine modulare Flächenbeleuchtung der Lumimax-ML-Serie. Das Beleuchtungsgehäuse besteht aus Aluminiumprofilen anstelle vollgefräster Aluminium­baugruppen und bietet daher eine hohe Flexibilität bei der Größengestaltung. Der zur Verfügung stehende Bauraum war jedoch so begrenzt, dass die Flächenbeleuchtung zusätzlich auf zwei Seiten mit einem besonders schmalen Rahmen ausgestattet werden musste. Dadurch kann eine maximale Lichtleistung trotz beengter Einbaubedingungen gewährleistet werden. Grundsätzlich ist auf Anfrage ein einseitiger oder zweiseitiger schmaler Rand für eine besonders kompakte Bauform bei allen Größen der ML-Beleuchtungsserie möglich.
Eine weitere bauliche Herausforderung war das vorhandene Längstransfersystem, welches an unterschiedlichen Positionen dunkle Stellen hervorruft und damit ein homogenes Ausleuchten der Prüfteile verhindert. Um diese Inhomogenität auszugleichen, wurde innerhalb der Flächenbeleuchtung ein bewusster Helligkeitsverlauf erzeugt. Dazu waren unter anderem spezielle Tests und entsprechende Anpassungen direkt beim Kunden vor Ort in den USA notwendig. Die abwechselnden Lichtverhältnisse konnten auf diese Weise relativiert werden, sodass alle 16 Bauteile mit nur einer Kameraeinstellung gleichzeitig geprüft und mithilfe der eingesetzten Software ausgewertet werden können. Eine positionsabhängige Bildaufnahme ist somit nicht mehr notwendig.


Aufnahme und Auswertung in 560 Millisekunden

Da es sich – wie so oft in der industriellen Automatisierung – zusätzlich um einen sehr schnellen Prüfprozess handelt, mussten bei der Optimierung des Bildverarbeitungssystems weitere Faktoren beachtet werden. Denn die Qualitätsprüfung soll die Produktion der Kaffeefilter nicht ausbremsen. Um Aufnahme und Auswertung des Prüfbilds in der Bewegung zu ermöglichen, wird die Flächenbeleuchtung im geblitzten Modus betrieben. Die Blitzbeleuchtung ist vergleichsweise nicht nur um ein Vielfaches heller, innerhalb des einstelligen Mikrosekundenbereichs steht beim Anliegen eines Triggersignals auch die maximale Lichtleistung der Beleuchtung zur Verfügung. Durch diese schnelle Verfügbarkeit in Verbindung mit der enormen Lichtstärke kann die Belichtungszeit der Kamera sehr kurz gewählt werden. Die Bewegung der 16 Prüfteile kann quasi eingefroren werden. Für das menschliche Auge und die Kamera wirken die bewegten Objekte, als würden sie stillstehen. Das neue Bildverarbeitungssystem erzeugt nun alle 16 Bauteilaufnahmen inklusive Auswertung in 560 Millisekunden. Der Anwender konnte insgesamt die Qualitätskontrolle verbessern und Produktionsausfälle minimieren.


Inspektionssystem für PET-Flaschenrohlinge

In einem zweiten Anwendungsbeispiel konnte die Lumimax-ML-Serie ebenfalls mit ihrer flexiblen Baugröße punkten. Zusammen mit IMD, einem Schweizer Anbieter von industriellen Mess- und Prüfsystemen im Bereich der Kunststoffverpackungsindustrie, wurde eine Bildverarbeitungslösung für das Unternehmen Netstal entwickelt. Netstal ist ein ebenfalls in der Schweiz ansässiger weltweit führender Hersteller von Spritzgießmaschinen für Preforms (Flaschenrohlinge), Verschlüsse im Food- und Non-Food-Bereich, Dünnwand- und IML-Verpackungen sowie Medizinprodukte.
Für den Bereich PET-Preforms sollte eine neue Systemgeneration zur Produk­tionsüberwachung entwickelt werden. Das Bildverarbeitungssystem dient dabei zur Prüfung verschiedener Parameter und möglicher Defekte hinsichtlich Farbe und Form. Es können beispielsweise schwarze Punkte, Luftblasen und Flecken auftreten. Weiterhin kann es zu sogenannten Short Shots kommen. Dies sind unvollständige Einspritzungen des Materials, welche sich am oberen Rand des Gewindes zeigen, und zu undichten Flaschen führen. Als Pendant dazu können auch durch Long Gates Probleme entstehen, was bedeutet, dass der Einspritzpunkt zu lang ist.

Um die Preforms entsprechend der erwähnten Qualitätskriterien optimal zu kontrollieren, wurde eine Durchlichtanwendung entwickelt, die sich komplett in den Produk­tionsprozess integriert. Das System Peco Lux besteht aus einer von hinten beleuchteten Rutschfläche, oberhalb derer mehrere Kameras angeordnet sind, welche die Flaschenrohlinge im transmissiven Licht prüfen. Während das Vorgängermodell noch aus zwei kleineren Rutschflächen bestand, hat die neue Generation nun eine große, durchgängige Fläche. Dies steigert die Homogenität der Ausleuchtung, was eine wichtige Anforderung an die Applikation war. Zudem werden die hinterleuchteten Rutschen in unterschiedlichen Breiten benötigt, da sie passend zur jeweiligen Spritzgussmaschine direkt in das System integriert sind. Aktuell werden drei Größen eingesetzt.

Hier konnte die Lumimax-ML-Serie erneut mit ihrer Flexibilität – auch bei großen Abmessungen – überzeugen. Die momentan größte benötigte Beleuchtung mit einer aktiven Leuchtfläche von 1.100 x 300 mm ist zudem deutlich leichter als vergleichbare Beleuchtungsgrößen. Mittels der durchgängigen, größeren Rutschfläche sowie der höheren Anzahl an Kameras konnte die Prüfrate – das Verhältnis zwischen produzierten und geprüften Preforms – gesteigert werden. Dieser Aspekt ist vor allem bei Spritzgieß­maschinen mit großen Werkzeugen sehr wichtig. Außerdem wurde durch den Austausch der vorherigen, kleineren Beleuchtungen gegen die neue, große Flächenbeleuchtung die Staumöglichkeit der Prüfteile am Mittelsteg beseitigt, wo bisher die zwei Beleuchtungen aneinanderstießen. Da die Flaschenrohlinge in der Bewegung geprüft werden, während sie die Flächenbeleuchtung hinabrutschen, wählten die Beleuchtungsspezialisten von Lumimax auch bei dieser Applikation den geblitzten Betriebsmodus. Dadurch profitiert die Anlage ebenso von den bereits genannten Vorteilen der hohen Lichtleistung und des Stillstandeffekts der rutschenden Preforms.

Zusammenfassend wurde mit der Optimierung von Peco Lux der gesamte Prüfprozess verbessert und die Kalibrierung des Systems ist einfacher und genauer umgesetzt. Die große durchgängige Beleuchtungslösung gewährleistet eine sehr hohe Homogenität und Helligkeit. Weitere Beleuchtungsgrößen sind angesichts der flexiblen Bauweise auf Basis der Aluminiumprofile bei Bedarf schnell und pro­blemlos umsetzbar.


Grundbaukasten für individuelle Beleuchtungslösung

Die beiden beschriebenen Applikationen zeigen, dass Beleuchtungen in der industriellen Bildverarbeitung oft sehr spezifischen Anforderungen gerecht werden müssen. Mithilfe der Lumimax-ML-Serie wurde eine Alternative geschaffen, die schnelle Lösungen liefert und dabei Entwicklungskosten und -aufwand gering hält. Mit dem modularen Konzept steht für die Beleuchtungsentwickler ein praktischer Grundbaukasten zur Verfügung, der frei adaptierbar ist und womit sich mechanische Herausforderungen einfacher lösen lassen. Circa 60 Prozent der Entwicklungsarbeit kann je Projekt eingespart werden. Dies ermöglicht kurze Lieferzeiten und verbesserte Preiskonditionen. Die Beleuchtungsgehäuse aus Aluminiumprofilen bieten demnach zahlreiche Vorteile wie gute Verfügbarkeit, geringere Herstellungskosten und flexible Gestaltungsmöglichkeiten. Eine am Gehäuse umlaufende T-Nut (Größe 5) vereinfacht zudem das Handling und die mechanische Integration in industrielle Umgebungen, selbst bei großen Leuchtflächen.

Auch die elektrische Inbetriebnahme ist mittels integrierter Controllertechnologie sowie der einheitlichen M16-Steckverbindung einfach und ressourcenschonend. Schaltsignale können ebenso wie die Leistung über ein einzelnes Kabel zur Verfügung gestellt werden. Hohe Lichtleistungen ermöglichen auch bei großen Leuchtflächen helle, kontrastreiche Abbildungen und somit die zuverlässige, reproduzierbare Umsetzung der Prüfaufgaben.

Um bei allen Optionen den Überblick zu behalten, steht eine Auswahl an Produkt­konfigurationen auf der Website von Lumimax bereit, womit sich bereits viele klassische Prüfaufgaben realisieren lassen. Darüber hinaus sind vielfältige Anpassungen an spezifische Machine-Vision-Applikationen möglich.

Autorinnen
Anne Kehl, Marketing Manager bei IIM

Claudia Schriever, Junior Produktmanagerin bei IIM

Kontakt

iiM AG

Neuer Friedberg 5
98527 Suhl
Deutschland

+49 3681 455 19 0

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