Die Automatisierung einer Laminatbodenproduktion mittels Bildverarbeitung erforderte aufgrund der hohen Bandgeschwindigkeiten Belichtungs­zeiten von maximal 100 µs. Die Blitzbeleuchtung eines Suhler Beleuchtungsherstellers erfüllte diese Anforderung. In Kombination mit einer 2-Punkt-Kalibrierung arbeitet die Anlage nun effizienter und die Qualität der Bodenbeläge stieg.

Holzfußböden erfreuen sich seit jeher großer Beliebtheit. In den letzten Jahren kamen zu den klassischen Böden aus Echtholz immer mehr Bodenbeläge in Holzoptik hinzu. Mittlerweile ist deren Qualität so gut, dass eine Unterscheidung zu echtem Parkett auf den ersten Blick oft gar nicht mehr möglich ist. Damit diese eindrucksvolle Optik erreicht werden kann, müssen die Hersteller bei der Produktion präzise vorgehen und strenge Prüfungen durchführen. Um diesen Prozess noch effizienter zu gestalten, hat die Firma Proksys zusammen mit IIM ein komplexes Bildverarbeitungssystem mit spezialisierten Prüfalgorithmen für einen Hersteller von bedruckten Bodenbelägen realisiert.

Während des Entwicklungsprozesses galt es, gleich mehrere Herausforderungen zu meistern: Bei der Herstellung werden auf den jeweiligen Bodenbelägen an zwei Positionen farbige Markierungen aufgebracht, welche die Lage der Druckwalzen widerspiegeln. Mittels der beiden Marker lässt sich der Versatz in X- und Y-Achse sowie im Winkel bestimmen. Die Lage der Druckmarkierungen muss das Bildverarbeitungssystem zuverlässig detektieren. Dabei sollen die Marker im Zielbereich gehalten werden. Die Markierungen werden jeweils beidseitig im vorderen und hinteren Plattenbereich aufgedruckt.

Bildverarbeitungssystem muss 200 Farbkombinationen unterscheiden

Über den gemessenen und gemittelten Versatz der Marker soll später die Druckwalzenposition automatisch nachgeführt werden, um die einzelnen farbigen Dekorlagen möglichst genau reproduzierbar und mit geringen Qualitäts- beziehungsweise Chargenschwankungen drucken zu können. Die Schwierigkeiten bestanden hierbei zum einen darin, dass der Hersteller bis zu 200 Farbkombinationen im Sortiment hat und zum anderen, dass der Hintergrund des Prüfbildes aufgrund der Holzoptik sehr inhomogen ist. Zudem schwankt die Druckqualität der Marker sehr stark und sie unterscheiden ­­sich farblich zum Teil nur geringfügig vom Druckbild des Bodenbelags. Außerdem ist die Produktionsanlage so schnell, dass die Prüfbilder mit 0,0001 s (100 μs) belichtet werden müssen. Trotzdem wird eine enorme Helligkeit benötigt, um auch sehr feine Farbunterschiede zu erkennen. Um diese Applikationsaufgabe zu lösen, haben die beiden Thüringer Unternehmen ihr jeweiliges Expertenwissen gebündelt und ein gemeinsames Konzept erarbeitet.

Aufgrund der hohen Geschwindigkeit der Anlage ergab sich ein besonderer Anspruch bei der Auswahl der Beleuchtungskomponenten. Da das konzipierte Bildverarbeitungssystem den laufenden Produk­tionsprozess nicht unterbrechen soll, werden die Prüfbilder direkt in der Bewegung aufgenommen und ausgewertet. Mit einer Permanent- oder Schaltbeleuchtung ist eine auswertbare Bildaufnahme undenkbar. Neben einer enormen Bewegungs­unschärfe ist die Lichtstärke aufgrund der genannten Rahmenbedingungen nicht ausreichend. Außerdem ist die Einschaltverzögerung einer Schaltbeleuchtung mit etwa 5 ms für diese Anwendung zu lang.

Beleuchtungen mit integrierter Blitztechnologie

Darum fiel die Wahl auf Beleuchtungen mit integrierter Blitztechnologie. Diese Blitzbeleuchtungen reagieren enorm schnell auf den Triggerimpuls der Kamera, sodass die maximale Lichtleistung innerhalb von 2 bis 3 µs verfügbar ist. Neben der geringen Einschaltverzögerung ist es essenziell, dass diese Geschwindigkeiten reproduzierbar und somit prozessstabil abgerufen werden können. Die geforderten Belichtungszeiten von maximal 100 µs lassen sich mit den Blitzbeleuchtungen realisieren. Die Bewegung des Objekts wird quasi eingefroren und wirkt für das menschliche Auge und die Kamera wie ein Stillstand. Das ermöglicht die prozessstabile Auswertung der Bildaufnahme.

Da zudem der vorhandene Platz in der Anlage sehr knapp war, mussten die Beleuchtungen neben ihrer Leistungsfähigkeit ebenso mit einer sehr kompakten Bauform punkten. Die Entscheidung fiel aus diesem Grund auf die LQHP80-­Serien der Marke Lumimax in der Lichtfarbe Weiß. Diese Beleuchtungen verfügen im Blitzbetrieb über einstellbare Blitzzeiten von 10 bis 100 μs und eine maximale Blitzfrequenz von 100 Hz und erfüllen somit die oben erwähnten hohen Anforderungen von lediglich 0,0001 s Belichtungszeit.

Außerdem ist es möglich, die Abstrahlcharakteristik und somit die Lichtführung mit modularen Vorsatzoptiken auf die Rahmenbedingungen abzustimmen. Hierbei sind insbesondere die Beleuchtungsstärke und das FOV anzupassen. Der Wechsel der Optiken ist dabei unkompliziert und schnell durchzuführen: Anstatt einzelner Linsen wird ein komplettes Lens Array in die Beleuchtung eingesetzt. Die verwendeten 16°-Vorsatzoptiken ermöglichten eine gerichtete und leistungsstarke Ausleuchtung der Fußbodenbeläge. Durch die geringe Bauhöhe, den schmalen Gehäusewandungen und einem flexiblen 3D-Kabelauslass ließen sich die Komponenten trotz der Einschränkungen des vorhandenen Bauraumes problemlos in die Anlage integrieren.

Kalibrierung sorgt für scharfe Bilder

Neben dem durchdachten Beleuchtungskonzept waren für die Lösung der Applikation ebenso spezielle Prüf­algorithmen und eine optimale Kalibrierung notwendig. Das Unternehmen Proksys hat sich unter anderem auf diese Thematik spezialisiert. Als Experte für Systemintegration arbeiten sie branchenübergreifend, ­selektieren, konfigurieren sowie inte­grieren umfassende Bildverarbeitungssysteme und bieten somit Anwendern auf deren Bedarf zugeschnittene, schlüsselfertige Lösungen an. Eben dieses Know-how kam auch hier zum Einsatz. Um eine optimale Auswertung zu ermöglichen, wird mit einer 2-Punkt-Kalibrierung die Verzerrung des Objektivs und die entsprechende Skalierung im gewünschten Bereich der Laminathöhe ermittelt und korrigiert. Der abzubildende Tiefenschärfebereich beträgt 11 mm. Mit einer Kalibrierplatte werden optimale Voraussetzungen für die Referenzierung der Einstellungen geschaffen.
So konnten die Markierungen mittels eines Weißabgleichs und der hohen Farbtreue der Beleuchtung in Kombination mit einem Algorithmus, der Histogrammanalysen in jedem Farbkanal durchführt, vom Hintergrund genau separiert werden. Danach wurde die Kantenerkennung in jedem Kanal realisiert und die Informationen zu einem Muster zusammen­gesetzt. Zum Schluss wurde die Position des Musters zum Rahmen abgeglichen und damit die Regelung der Druckwalzenposition gesteuert.

Automatisierte Anlage durch intelligentes Bildverarbeitungssystem

Es wurde ein intelligentes Bildverarbeitungssystem entwickelt, welches in den laufenden Produktionsprozess integriert werden konnte. Die Anlage kann nun vollautomatisch geregelt werden. Im Vorfeld kann die praktische Erfahrung des Werkers, der sich bisher den Versatz der produzierten Teile angesehen hat, in einer Vorabeinstellung definiert werden. Somit ist ein schnelleres und genaueres Einstellen der Druckwalzen in Bezug auf die Platten, die bedruckt werden sollen, möglich.

Die optimale Auswahl der Komponenten hinsichtlich der Leistungsparameter und Bauraumanforderungen wurde nicht zuletzt durch die regionale Nähe des Bildverarbeitungslabors von IIM sichergestellt. Gemeinsam mit Proksys erarbeiteten die Suhler Beleuchtungsspezialisten ein lichttechnisches Konzept und stellten dieses im Rahmen einer Machbarkeits­analyse vor. Um zukünftige Aufgabenstellungen noch flexibler begegnen zu können, ergänzt das Unternehmen die Serie des eingesetzten Hochleistungsstrahlers LQHP80 um weitere Größen und Leistungsklassen.
Alles in allem erreicht der ­Laminathersteller mit dem entwickelten Bildverarbeitungssystem eine entscheidende Verbesserung in der Qualitätskontrolle, die Ausfall- und Reklamations­raten verringert und das Qualitätsniveau erhöht. Durch den platzsparenden Aufbau ließ sich das System problemlos in den bestehenden Produktionsprozess integrieren und sich die Abläufe so weiter automatisieren. Im konkreten Fall stieg die Produktivität der Herstellung von bedruckten Fußbodenbelägen signifikant. Insgesamt eignet sich dieses System jedoch für sämtliche schnelle Druckprozesse in vielen Branchen.

Autoren
Anne Kehl, Marketing Managerin bei IIM
Christian Weiß, Key Account Manager bei IIM