Wo früher das menschliche Auge mit gewissen Hilfsmitteln, wie beispielsweise einer Messlehre oder einer Lupe die Qualität von industriell hergestellten Produkten geprüft hat, werden heutzutage überwiegend optische Gesamtsysteme eingesetzt. Diese Systeme bestehen zumeist aus einer Beleuchtungseinheit, die das Prüfobjekt optimal ausleuchtet, einer Kamera, die eine Aufnahme des ausgeleuchteten Objekts aufnimmt und einer Software, welche die generierte Prüfaufnahme auswertet.
 

Vielfalt der Beleuchtungseinheit

Die Beleuchtungseinheit ist eines der vielfältigsten Teile des Gesamtsystems, da nicht nur der Beleuchtungstyp, wie beispielsweise Auflicht-, Dunkelfeld-, Hintergrundbeleuchtung, sondern auch die Beleuchtungsfarbe – zum Beispiel Rot, Grün, Blau, Infrarot, Ultraviolett – für den jeweiligen Anwendungsfall gewählt werden kann. Jeder Beleuchtungstyp hat gewisse Lichteigenschaften, die für bestimmte Prüfaufgaben sinnvoll sind. Zusätzlich lässt sich die Beleuchtung in unterschiedlichen Modi, wie beispielsweise Dauer-, Trigger- und Überblitzmodus betreiben.

Besondere Herausforderung: Prüfen mehrfarbiger Produkte

Mehrfarbige Produkte werden zumeist an mehreren einzelnen Prüfstationen mit Beleuchtungseinheiten unterschiedlicher Farben geprüft. Eine Reduzierung der Prüfstationen unterschiedlicher Farben, welche der Kosten-, Zeit- und Platzersparnis dient, kann mithilfe einer Sequenzsteuerung realisiert werden. Hierdurch werden lediglich eine oder mehrere Beleuchtungen sowie eine Sequenzsteuerung an einer Prüfstation benötigt.

Sequenzielle Steuerung

Die sequenzielle Licht-Intensitäts-Steuerung LIC-S-4256 von Falcon Illumination verfügt über acht Sequenzen pro Kanal. Für jede Sequenz lässt sich die Intensität der Kanäle in 256 Schritten von 0 bis 100 Prozent separat einstellen. Dabei kann die Einstellung über einen Taster am Gehäuse oder via Software über eine RS232- Schnittstelle erfolgen. Die Steuerung verfügt über vier Kanäle, was theoretisch 32 Intensitätseinstellungen ermöglicht. Diese Sequenzsteuerung findet zumeist in „Shape-from-Shading“ Systemen Einsatz, obwohl sie auch für den Anwendungsbereich der mehrfarbigen Produktprüfung geeignet ist.

Mit einer RGB-Beleuchtung (Rot-Grün-Blau-Beleuchtung) an drei der vier Kanäle lässt sich durch die Intensitätseinstellung der drei Kanäle eine Misch- oder Grundfarbe erzielen. Mit den acht Sequenzen können also bis zu acht Misch- oder Grundfarben eingestellt werden. 

So geht’s: Die gewünschte Farbe einstellen

Angenommen, der Kanal 1 wird mit dem roten, Kanal 2 mit dem grünen und Kanal 3 mit dem blauen Anschluss der RGB-Beleuchtung verbunden. Um eine Grundfarbe zu erzielen, werden mit dem sequenziellen Licht-Intensitäts- Controller zwei der drei Kanäle auf 0 Prozent und der übrige Kanal auf 100 Prozent eingestellt. Bei dem Beispiel einer grünen Farbe, wird der Kanal 2 auf 100 Prozent Intensität und Kanäle 1 und 3 auf 0 Prozent geregelt. Eine Mischfarbe, wie Gelb, kann durch volle Intensitätseinstellung bei Kanal 1 und Kanal 3 erreicht werden. Durch das Mischen der drei Kanäle mit unterschiedlichen Intensitäten, lassen sich auch Pastellfarben generieren. 

Praxisbeispiel: Flächen-Farb-Prüfung eines Zauberwürfels

Ein Beispiel für die Prüfung eines mehrfarbigen Objekts ist der Zauberwürfel, der bekanntlich sechs Farben besitzt. Um den Würfel zu kontrollieren, kann jede einzelne Farbe als eine eigene Sequenz über die Farbanteile der RGB-Beleuchtung eingestellt werden. Um alle Würfelfarben zu prüfen, muss ihn ein Roboter fünfmal drehen. Vorausgesetzt, das Greifersystem sendet bei jeder erfolgreichen Drehung ein Triggersignal an die sequenzielle Steuerung, verändert sich die Farbe gemäß der eingestellten Sequenz und somit der Würfelseitenfarbe.

Praxisbeispiel: Druck­kontrolle von mehrfarbigen Mini-Schokoladen 

Eine weitere Möglichkeit, wie diese Beleuchtungs- und Steuerungseinheit genutzt werden kann, ist die optische Kontrolle verschiedenfarbiger, nacheinander zu prüfender Objekte. Ein möglicher Anwendungsfall ist das Zusammenmischen einzeln verpackter Mini-Schokoladen in einem Schokoladenmix. Zu prüfen ist die schwarze Bedruckung der Schokoladenfirma. Wenn in diesem Mix jeweils die gleiche Anzahl an grün, gelb, rot, blau, und lila verpackten Mini-Schokoladen nacheinander in die Mix-Verpackung gefördert werden sollen, müssen fünf Verpackungsfarben so ausgeleuchtet werden, dass die Kamera die schwarze Bedruckung gut erfassen kann. 

Würden alle Verpackungen mit nur einer Farbe ausgeleuchtet werden, beispielsweise mit der Farbe Rot, so würde die schwarze, zu prüfende Aufschrift der roten Mini-Schokoladen perfekt hervorgehoben werden, während die schwarze Aufschrift der blauen Mini-Schokolade kaum mit der Kamera zu erfassen wäre. Dieses Verhalten tritt auf, da Blau die Komplementärfarbe von Rot ist. Somit absorbiert die blaue Verpackung das rote Licht. Die Kamera sieht daher eine schwarze Schrift auf einem schwarzen Hintergrund und kann die Prüfaufgabe nicht erfüllen.

Auch in diesem Beispiel kann ein Triggersignal die nächste Sequenz auslösen. Dieses kann beispielsweise eine Lichtschranke an die Sequenzsteuerung geben, wobei es immer zu einem Triggerimpuls kommt, wenn die Mini-Schokolade auf dem Förderband diese Lichtschranke unterbricht.

Praxisbeispiel: mehrstufige Produktprüfung unter­schied­lich farbiger Spraydosen

Ein dreiteiliges Spraydosenset lässt sich ebenfalls mit dem LIC-S und einer RGB-Beleuchtung prüfen. Im Gegensatz zu den letzten beiden Beispielen muss bei dieser Produktprüfung nicht nur ein Merkmal – die Farbe des Dosendeckels – sondern auch das Vorhandensein der Gefahrenzeichen auf der Dosenseite gegeben sein. Der Prüfprozess wird in zwei Stufen gegliedert: die Spraydose wird in aufrechter Lage auf einem Förderband zur Prüfstation transportiert. Vor der Prüfstation ist eine Lichtschranke angebracht. Bei dem Passieren der Lichtschranke hält das Förderband und ein Triggersignal wird an die sequenzielle Lichtsteuerung gegeben. Die eingestellte Farbe leuchtet den Spraydosendeckel an und die Kamera nimmt ein Bild auf. Eine Software überprüft, ob die Spraydose die richtige Farbe hat. Im nächsten Schritt nimmt ein Greifer die Dose und legt diese mit der Mantelfläche auf das Förderband. Sobald der Greifer diesen Prozessschritt erledigt hat, wird erneut ein Triggersignal an die Steuerung gegeben und die Gefahrenzeichen können mit dem eingestellten Farblicht optimal ausgeleuchtet werden. Die Kamera kann anschließend ein zweites Bild von der gleichen Spraydose machen, das die Software erneut auswertet. 

Die Vielfalt, die sich durch die Kombination aus der sequenziellen Lichtsteuerung und einer RGB-Beleuchtung ergibt, kam durch die drei beschriebenen Beispiele zum Vorschein. Dieses Beleuchtungssystem ist trotz der hohen Variationsbreite für viele Produktprüfungen einfach umsetzbar.

Rückblick Vision 2021

Auf der Bildverarbeitungsmesse Vision in Stuttgart stellte Falcon in diesem Jahr ebenfalls eine mehrfarbige Produktprüfung vor. Ein Förderband transportierte verschiedenfarbige Kartons mit Barcodes. Beim Passieren der Lichtschranke leuchtete die RGB-Beleuchtung den farbigen Karton an, wodurch der Barcode klar zu erkennen war, wenn die Beleuchtung und der Karton dieselbe Farbe hatten. Wenn die Kartons jedoch mit der Komplementärfarbe beleuchtet wurden, war der Barcode kaum zu lesen.