High-Speed-Kameras für Analyse und Prozessoptimierung
Im Interview erklären Markus Krause, Produktmanager bei Quantum Design, und Stephan Trost, Vizepräsident Vertrieb & Marketing bei Kamerahersteller AOS, wie High-Speed-Kameras Produktionsfehler sichtbar machen, Forschungsanwendungen unterstützen und Stillstände vermeiden.
inspect: In welchen Bereichen kommen High-Speed-Kameras typischerweise zum Einsatz?
Stephan Trost: Highspeed-Kameras werden zum Beispiel eingesetzt, um Produktionsfehler aufzudecken. Die Bildanalyse hilft bei der Kalibrierung der Maschinen. So wird Produktausschuss reduziert und Anlageausfall vermieden. Bei der Inbetriebnahme von Anlagen helfen sie sicherzustellen, dass die gewünschte Sollkadenz erreicht wird.
Markus Krause: In der Forschung kommen schnelle Kameras unter anderem in den Materialwissenschaften zum Einsatz, zum Beispiel bei Fallversuchen, der Mikrofluidik oder der Optimierung schneller Schaltvorgänge. Spezielle crashfeste Highspeed-Kameras werden in der Automobilindustrie eingesetzt, um die Sicherheit zu verbessern und den Innenraum des Fahrzeugs während eines Crashs genau zu beobachten.
Welche Anwendungsfelder für High-Speed-Kameras sind heute möglich, die vor wenigen Jahren technisch oder wirtschaftlich noch nicht realisierbar waren?
Trost: Highspeed-Kameras haben heute sehr lange Aufnahmezeiten, teilweise bis zu mehreren Stunden. Diese Streaming-Kameras sind auch im Vergleich zu früher deutlich günstiger. Es ist viel komfortabler und auch preiswerter, selbst selten auftretende Fehler zu erfassen und deren Ursache zu analysieren.
In welchen Fällen reicht eine günstigere Kamera, die weniger fps erreicht, nicht mehr?
Trost: Wenn die zeitliche Auflösung entscheidend ist. Bei sehr schnellen Bewegungsabläufen führt eine zu geringe Bildrate zu großen Bewegungsdistanzen zwischen den Einzelbildern. Wichtige Phasen oder Ereignisse werden dann schlicht nicht erfasst und eine höhere Bildfrequenz – sprich Abtastrate – ist von Nöten.
Krause: Entscheidend ist für die konkrete Anwendung die richtige Balance zwischen Bildrate, Auflösung und Aufnahmezeit zu finden. Wir unterstützen unsere Kunden dabei, die für sie passende Kamera auszuwählen.
Viele Produktionsprobleme treten nur sporadisch auf. Wie helfen High-Speed-Kameras dabei, solche schwer reproduzierbaren Fehler sichtbar zu machen?
Trost: Hochwertige Highspeed-Kameras können heute über längere Zeiträume im Ringspeicherbetrieb aufzeichnen. Die Zeitlupenanalyse macht schnelle Abläufe sichtbar und zeigt, wie sich ein Fehler entwickelt. Wenn Produktionsausfälle so vermieden werden, macht sich die Investition in eine solche Kamera sehr schnell bezahlt.
Müssen Anwender Spezialisten für Bildverarbeitung sein, um High-Speed-Kameras effektiv zur Fehlersuche einzusetzen, oder sind moderne Systeme auch für Instandhalter und Prozessingenieure geeignet?
Trost: Die Bedienung der Systeme ist viel anwenderfreundlicher geworden und auf die Bedienung durch Instandhalter und Prozessingenieure ausgelegt. Unsere mobile Tablet-Lösung, das Promon Scope G4, ermöglicht die schnelle Analyse von Bewegungsabläufen direkt an der Anlage. Über die intuitive Touch-Oberfläche lässt es sich mit wenigen Befehlen einfach bedienen. Wir nennen es daher auch das Oszilloskop des Maschinenbauers.
Welche technischen Kenngrößen – neben den Bildern pro Sekunde – sind bei der Auswahl einer High-Speed-Kamera entscheidend?
Trost: Viele Parameter sind heute weniger kritisch als früher. Zum Beispiel die Lichtempfindlichkeit oder Verschlusszeit. Moderne Kameras decken diese Anforderungen in der Regel sehr gut ab. Auch die Bittiefe ist nicht zwingend eine kritische Größe. Wichtiger ist die Größe des Sensors, da sie direkten Einfluss auf die Auswahl der Objektive hat. Auch, ob eine Farb- oder Monochromkamera eingesetzt werden soll, ist eine wichtige Frage. Eine Monochromkamera liefert mehr Details und damit ein klareres Bild.
High-Speed-Aufnahmen bedeuten kurze Belichtungszeiten. Wie wichtig sind Beleuchtung und Optik?
Krause: Sehr wichtig! Oft ist zusätzliches Licht erforderlich, um aussagekräftige Aufnahmen zu machen. Auch die Auswahl des Objektivs hat einen entscheidenden Einfluss auf die Qualität der Aufnahmen und damit der Fehleranalyse. Deshalb besprechen wir infrage kommende Objektive und Beleuchtungskonzepte bereits vor dem Kauf mit unseren Kunden. Einzelne Kamera-Setups stellen wir nach Absprache auch im Rahmen einer Demo oder Leihe zum Testen direkt am Messobjekt zur Verfügung.
Krause: Fast alle Promon-Kameras nutzen eine USB-Schnittstelle. Die Ausnahme ist das Promon 2000 HSR, unser neuestes System. Hier nutzen wir die GigE-Schnittstelle, um den Messrechner mit dem Kameracontroller zu verbinden.
Haben Streaming-Kameras technische Beschränkungen im Vergleich zu den Kameras mit eingebautem Speicher?
Krause: Mit dem Promon 2000 HSR erreichen wir Bildraten wie mit Kameras mit internem Speicher. Die Datenübertragungsrate des USB-Interfaces ist allerdings insgesamt geringer als die der GigE-Schnittstelle. Bei kleinerem Sichtfeld sind jedoch ebenfalls hohe Frameraten möglich.
Welche Rolle spielt Software – von der Ereigniserkennung über Zeitlupenauswertung bis hin zur Messdatenanalyse – für den praktischen Nutzen einer High-Speed-Kamera?
Trost: Die Software ist ein Schlüsselfaktor bei der Aufnahme und Analyse von Highspeed-Aufnahmen. Mit einer guten Software lässt sich die Kamera so konfigurieren, dass genau die gewünschte Sequenz aufgezeichnet wird. Über die Software werden Trigger- und Motion-Detection-Funktionen aktiviert und umfangreiche Wiedergabe- und Zeitlupenanalysen sowie einfache quantitative Analysen möglich. Die Software Imaging Studio V4 von AOS bietet diese und weitere Werkzeuge für Aufnahme, Wiedergabe und Analyse. Sie kann auf beliebig vielen Rechnern installiert werden. So lassen sich Aufnahmen zum Beispiel direkt in der Produktion auswerten und später im Konstruktions- oder Entwicklungsbüro analysieren.
Quantum Design vertreibt die Kameras von AOS. Welche Leistungen bieten Sie Anwendern über den reinen Verkauf hinaus?
Krause: Außer Pre- und Aftersales-Service, ausführlicher Beratung, Installationen und einfachen Service- und Wartungsarbeiten, bieten wir die Möglichkeit, eine breite Auswahl an Demogeräten für ein bis zwei Wochen zu testen.
Unser Portfolio an Imaging-Kameras deckt den gesamten Bereich von Röntgen bis langwelliges Infrarot ab. Außer Highspeed- bieten wir auch IR- und Hyperspektralkameras an. Auch Zubehör wie Optiken, Kabel, Halterungen und vieles mehr kann über uns bezogen werden.
Welche Entwicklungen werden den Bereich High-Speed-Kameras in den nächsten Jahren prägen?
Trost: Definitiv höhere Geschwindigkeiten und Auflösungen bei den Sensoren. Erste Sensoren mit Back-Side-Illumination-Technologie (BSI) sind ebenfalls schon erhältlich und verändern die Lichtempfindlichkeit. Durch Schnittstellen wie USB4 und 10GigE werden noch höhere Datenraten möglich. Algorithmen und KI werden intelligente Analyseverfahren ermöglichen, mit denen bereits im Vorfeld gesehen werden kann, wie und wo sich ein Fehler entwickelt.
Was werden Sie auf der Vision 2026 konkret im Bereich High-Speed zeigen?
Trost: Wir zeigen sowohl AOS-Streaming- als auch die klassischen Highspeed-Kameras mit internem Speicher. Besonderes Augenmerk legen wir jedoch auf das Promon Scope G4 und das Promon 2000 HSR.
Krause: Ebenfalls stellen wir eine Kamera für den Einsatz bei extremen Umweltbedingungen vor. Röntgen-, Infrarot- und Hyperspektralkameras runden die Ausstellung ab.
