Eine höhere Rechenleistung kann bei Bildverarbeitungssystemen zu deutlichen Kosteneinsparungen führen. Dabei ist der erste Gedankengang: „schnellere Bildverarbeitung = höherer Produktionstakt“ bei weitem nicht der Entscheidende. Es gibt bessere, aber weniger offensichtliche Einsparungsmöglichkeiten,     über die im folgenden berichtet werden soll.

Die einfache Formel „mehr Rechenleistung = höherer Produktionstakt“ ist in der industriellen Bildverarbeitung meist nur noch bei Spezialfällen richtig. Die Kontrolle von Bahnware wie Papier, Stoff oder Folie sind Beispiele dafür. Bei dem Großteil der Anwendungen müssen Teile gehandhabt und transportiert werden, z. B. in der Automobil- und Zulieferindustrie.

Der Produktionstakt wird hier vor allem durch die mechanischen Gegebenheiten begrenzt. Bildverarbeitungssysteme sind hier in der Zwischenzeit weit schneller. Für die Bestimmung eines Maßes oder einer Position benötigen Standardsysteme nur zwischen 20 und 50 ms. Selbst in der Stanzindustrie mit ihren hohen Taktraten reicht das für die Vermessung aus.

Wo liegen dann die Einsparmöglichkeiten leistungsfähigerer Bildverarbeitungssysteme, wenn nicht bei einer Steigerung der Taktrate? Dazu ist ein Blick auf die Kostenstruktur nötig. Die reinen Investitionskosten in Bildverarbeitungshard- und software sind nur ein Teil. Ebenso wichtig, aber oft vernachlässigt, sind die Folgekosten für das Einrichten, Optimieren und die Wartung der Anlage. Besonders das Anlegen neuer Teile kann viel Zeit und damit Kosten verursachen.

Gerade bei einer großen Typenvielfalt, wie man sie in der Automobil-, Lebensmittel- oder Verpackungsindustrie findet, entscheiden diese Folgekosten oft weit mehr über die Gesamtkosten eines Bildverarbeitungssystems als die direkten Investitionskosten. Der dritte Kostenfaktor sind Investitionen, die erforderlich sind, um dem Bildverarbeitungssystem eine optimale Prüfumgebung zu bieten.

Dazu zählen z. B. Fremdlichtabschirmungen oder das Ausrichten und Vorpositionieren von Teilen. Die Gesamtkosten einer Bildverarbeitungskontrolle setzen sich damit aus den direkten Investitionen in das System, den Investitionen zur Schaffung einer bildverarbeitungsspezifischen Arbeitsumgebung und den Folgekosten zusammen.

Rechenleistung ermöglicht niedrigere Folgekosten

Bildverarbeitungssysteme mit hoher Rechenleistung reduzieren vor allem die Kosten für die Peripherie und die Nachfolgekosten. Ein Beispiel hierfür ist das PV500-System von Panasonic (Abb. 1). Es verfügt über insgesamt fünf Prozessoren. Zu der zentralen Steuerungs-CPU kommen ein Spezialprozessor zur Bildvorverarbeitung, ein Grafikbeschleuniger und zwei unabhängig arbeitende DSPs.

Damit ist der PV500 in der Lage auch sehr große Bilddatenmengen schnell zu verarbeiten. So können die vier 2 Megapixel-Kameras über 230 MB/s Bilddaten liefern. Die hohe Rechenleistung erlaubt den Einsatz von leistungsfähigen Algorithmen, wie sie bis vor kurzem nur auf PC-basierten Systemen möglich waren.

So arbeitet der Konturvergleich des PV500 praktisch unabhängig von der Beleuchtung und Oberflächenbeschaffenheit des Teils. Dadurch reduzieren sich vor allem die Kosten für das Optimieren. Teileschwankungen, z. B. durch Zweitlieferanten oder veränderte Lichtverhältnisse, erfordern keine Anpassungen mehr. Da das Verfahren per Teach-In einfach konfigurierbar ist, sinkt nebenbei auch der Einrichtaufwand – und das bei gleichzeitig höherer Erkennungssicherheit.

Auch der Aufwand für Fremdlichtabschirmung sinkt durch die leistungsfähigeren Verfahren. Dies ist besonders bei Roboterstationen oder offenen Handarbeitsplätzen wichtig, denn welcher Mitarbeiter arbeitet gerne in einer abgeschirmten dunklen Ecke, nur damit die Kamera vor Störlicht geschützt ist.

Zudem ermöglichen die neuen Methoden des PV500 auch eine sicherere Positionsbestimmung. Teile müssen nicht mehr so genau platziert oder vereinzelt werden. Eine einfachere Zuführmechanik schont nicht nur den Geldbeutel, sondern arbeitet auch störungsfreier.

Zusammenfassen mehrerer Kontrollen

Durch ihre hohe Rechenleistung ist die Auswerteeinheit des PV500 in vielen Fällen „unterbeschäftigt“, wenn nur eine oder zwei Kameras auszuwerten sind. Da das System mit einer zentralen Auswerteeinheit arbeitet, können einfach weitere Kameras angeschlossen werden, um es voll auszulasten.

Anders als bei „Intelligenten Kameras“ ist eine Erweiterung sehr kostengünstig, denn es ist nur eine normale Kamera ohne Auswerteelektronik erforderlich. Auch entstehen keine Kosten für zusätzliche Verdrahtung, denn die Schnittstellen zur Steuerung bleiben unverändert an der Auswerteinheit im Schaltschrank.

Zusätzlich unterstützt der PV500 den asynchronen Bildeinzug, so dass die zusätzlichen Kameras zeitlich unabhängig voneinander arbeiten können, was deren Einsatzmöglichkeiten nochmals erweitert. Damit bei der hohen Rechenleistung nicht die Bildaufnahme selbst zum Flaschenhals wird, arbeitet der PV500 mit digitalen Quad- Speed-Kameras.

Bei ihnen werden Bilder mit der vierfachen Geschwindigkeit von Standardkameras übertragen. Ein Vollbild steht damit schon in 8 ms statt sonst 33 ms zur Auswertung bereit. Muss nicht das gesamte Bild, sondern nur Teile davon, übertragen werden, sind sogar nur 2 ms erforderlich: 16x schneller als eine Standardkamera.

Die hohe Rechenleistung ist auch die Voraussetzung, dass die hochauflösenden Kamerabilder effizient ausgewertet werden können. Die 2 Megapixel Kamera hat eine fast 8 x größere Auflösung als die Standardkamera des Vorgängersystems. Damit muss aber auch die achtfache Datenmenge ausgewertet werden.

Die 1.600 x 1.200 Pixel der 2 Megapixel Kamera sind besonders in der Messtechnik oder bei der Oberflächenkontrolle interessant, wo kleinste Fehler gefunden werden müssen. Wird diese hohe Genauigkeit nicht gebraucht, lassen sich oftmals Kameras einsparen, denn um 1.200 x 1.600 Pixel zu erreichen sind zwischen vier und sechs Standardkameras erforderlich.

Optimierung in der laufenden Produktion

Bei vielen Kunden ist inzwischen die Produktionszeit so kostbar geworden, dass sie erforderliche Anpassungen auf Pausen oder Wochenenden gelegt werden müssen. Hier bietet der PV500 eine interessante Einsparmöglichkeit: Änderungen und Optimierungen können während der laufenden Produktion an dem Gerät vorgenommen werden.

Dank der fünf Prozessoren läuft die normale Auswertung unbeeinflusst weiter. In einem getrennten Speicherbereich testet und optimiert man die neuen Parameter, um sie dann mit einem Knopfdruck in das laufende Programm zu übernehmen. So treten in der Produktion keine teuren Stillstandzeiten mehr auf.

200 Messungen bei einem Takt von 10 Teilen pro Sekunde

Ein gutes Beispiel für die Rechenleistung des PV500 ist die Kontrolle von Board-to-Board Steckern. Panasonic ist einer der größten Produzenten dieser Stecker, die in praktisch allen Geräten zur Verbindung von Leiterplatten untereinander dienen. Die Pins der Stecker müssen auf Pinabstand (Pitch), Überstand und Koplanarität kontrolliert werden.

Am dem 60poligen Stecker in Abbildung 2 sind über 200 Messungen nötig und das bei einem Takt von bis zu 10 Teilen pro Sekunde. Obwohl vier Kameras an den PV500 angeschlossen sind, stellt dies kein Zeitproblem dar. Je eine Kamera blickt seitlich von links und rechts auf Anschlüsse und prüft deren Koplanarität (Höhenunterschied zwischen den Pins, s. Abb. 2 unten links und Mitte).

Die beiden anderen Kameras blicken von oben auf den Stecker und bestimmen die restlichen Maße. Dabei wird jeweils nur der Bereich übertragen, in dem die Anschlussleisten zu sehen sind (in Abb. 2 wird zur besseren Übersicht der komplette Stecker gezeigt). Innerhalb von 2 ms können so vier Kamerabilder aufgenommen und übertragen werden.

Die Auswertung benötigt, dank speziell angepasster Prüfverfahren, nur 32 ms, so dass theoretisch bis zu 30 Teile/s geprüft werden können. Da bei diesen hohen Geschwindigkeiten kein Mensch mehr die Bilder der Fehlteile betrachten kann, speichert der PV500 diese intern zwischen. So können Fehlteile automatisch dokumentiert und später genauer analysiert werden.

Auf einer SD-Karte ist Platz für fast 9.000 hochaufgelöste Bilder oder über 25.000 Projekte. Alternativ können die Bilder und Messwerte auch über die Gigabit Ethernet- Schnittstelle direkt an einen PC übertragen werden.