Ein Inspektionssystem mit neun Kameras prüft 200 Bremsscheibenmodelle in der Automobilindustrie. Zentral ist dessen mit Flussdiagrammen arbeitende Bildverarbeitungs-Software, die den Entwicklern und Anwendern viel Arbeit abnahm.

Ein zentrales Inspektionssystem in der Automobilbranche prüft die Oberflächenqualität von Bremsscheiben für Pkw und Lkw. Zwar funktionierte das System mit menschlicher Auswertung effektiv, doch suchte Mosaic, einem auf Bildverarbeitung spezialisierten Automatisierer, nach einer verbesserten Lösung für die Qualitätskontrolle, um mangelhafte Exemplare zuverlässiger und effektiver aus der Produktion auszusortieren. Das Team evaluierte mehrere Optionen und entschied sich für die Software und Komponenten von Matrox Imaging, vor allem „wegen des ausgezeichneten technischen Supports, der Software-Funktionen, der Leistung und des hervorragenden Preis-Leistungs-Verhältnisses ihrer Produkte“, bestätigt Marco Pistilli, IT-Ingenieur, Entwickler von Machine-Vision-Systemen und -Software bei Mosaic.

Bei der Herstellung von Bremsscheiben, die mittels Sandgussverfahren gefertigt werden, einem Metallgussverfahren, bei dem Sand als Formmaterial zum Einsatz kommt, ist die bestmögliche Qualitätssicherung unabdingbar. Nach dem Sandgussverfahren werden die Scheiben in einer großen Reinigungstrommel vom Sand befreit. Gelegentlich verläuft der Reinigungsprozess nicht optimal und es bleiben Rückstände zurück. Das System von Mosaic prüft auf Sand- und Sinterspuren auf der Scheibenoberfläche und entfernt schlechte oder nicht optimale Exemplare aus der Produktionslinie. Diese könnten das Bearbeitungswerkzeug ansonsten beschädigen oder seine Lebensdauer in weiteren Produktionsschritten verringern.

„Bei menschlichen Prüfern ist es nur natürlich, dass Produktproben, insbesondere solche, die nahe an der Grenze zwischen gut und schlecht liegen, von den verschiedenen Mitarbeitern unterschiedlich bewertet werden. Die Gefahr dieser Abweichungen nimmt zu, wenn der Mensch ein paar Stunden gearbeitet hat und müde wird“, bemerkt ­Pistilli, „doch mit einem Bildverarbeitungssystem sind die Prüfungen zusätzlich zu der verbesserten Qualitätskontrolle rund um die Uhr durchführbar und die Maschinen arbeiten schneller, als es jeder Bediener könnte“.

Inspektionssystem erkennt unsichtbare Fehler

Der Produktionsprozess von Bremsscheiben umfasst von Anfang bis Ende die Sandguss­phase, die Sandentfernung und die Scheibentrennung, das Reinigen/Strahlen, die maschinelle Qualitätskontrolle und schließlich die Bearbeitungsphase der Scheiben.

Drei Mitarbeiter von Mosaic waren an der Entwicklung des Bildverarbeitungssystems beteiligt: Luciano Cecchi, ein leitender Fachingenieur, der für die Maschinenkonstruktion und die optische Berechnung verantwortlich war; Pistilli, der die Auswahl und Einrichtung der Hardware und die Software-Entwicklung überwachte und Alessandro Viola, ein Experte für die Programmierung von speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS), der für die Auswahl der SPS-Hardware und die Entwicklung der Software-Logik zuständig war.

Sie optimierten das Bildverarbeitungssystem dahingehend, dass es subtile Defekte hervorhebt, die nur erfahrenen Qualitätsprüfern auffallen würden, sowie Defekte, die mit dem bloßen Auge nicht zu erkennen sind. Mosaic entschied sich aufgrund der Effektivität, Präzision und schnellen Reaktion für die auf Flussdiagrammen basierende Bildverarbeitungs-Software Matrox Design Assistant X.

Die Software läuft auf einer HP Workstation, die mit einem Intel-Core-i9-Prozessor und drei Matrox-Concord-PoE-Framegrabbern ausgestattet ist. Diese erfassen und verarbeiten die Bilder von neun Teledyne-Dalsa-Kameras – sieben Genie Nanos und zwei Zeilenkameras. Das Beleuchtungssystem verwendet Midopt-Filter auf Kameraobjektiven und Scheinwerfern. Das Bildverarbeitungssystem interagiert mit einer SPS über Fast-Scan-Module und einen Encoder. Hardware-Trigger kommen direkt von der SPS.

Jede Kamera hat eine andere Aufnahmeposition. Die Bilder werden aufgenommen, während die Scheiben durch den Inspektionstunnel der sich bewegenden Produktionslinie laufen. Da das System aus mehreren Kameras besteht, stellt Pistilli fest: „Matrox Design Assistant X ist das richtige Werkzeug, da es die Arbeitslast auf die verfügbaren CPU-Kerne verteilen kann und die Möglichkeit bietet, alle Elemente des Systems zu synchronisieren. Außerdem konnten sich unsere Entwickler dank dieser auf Flussdiagrammen basierenden Software mehr auf das Erreichen der gewünschten Genauigkeit und Leistung sowie auf die Algorithmuslogik konzentrieren, anstatt sich um die Programmierung kümmern zu müssen.“

200 Bremsscheibenmodelle mit einem System prüfen

Um die Qualitätsanforderungen zu erfüllen, hat das Mosaic-Team mehrere Monate lang Beleuchtungs- und Kameraeinstellungen sowie optimale Kombinationen von geometrischen Bedingungen getestet. Drei Herausforderungen waren besonders entscheidend.

Erstens wollte Mosaic jeden Winkel der Scheibenoberfläche prüfen, ohne die Produktionslinie anzuhalten oder jede Scheibe beim Durchlauf zu drehen oder zu wenden. Die kurze Durchlaufzeit ließ die physische Verschiebung der Scheibe während des Prozesses nicht zu, was durch den Einsatz mehrerer Kameras dann nicht nötig war. Die Integration von neun Kameras, die jeden Winkel der Scheibe erfassen, half, dieses Problem zu lösen.
Das Mosaic-Team wollte außerdem eine Qualitätssicherung bei mehr als 200 Scheibenmodellen durchführen und dabei im Idealfall dieselbe Bildverarbeitungseinrichtung verwenden. „Wir haben diese Herausforderungen gemeistert, indem wir einen effektiven Algorithmus zur Entfernung des Hintergrunds entwickelt haben, um alle Scheibenmodelle mit derselben Logik und demselben Verarbeitungsalgorithmus zu analysieren. Dank dieser Funktion ist es nicht mehr nötig, bestimmte Bereiche neu zu definieren“, berichtet Pistilli. „Mit dem Matrox Design Assistant X können wir auch effiziente Algorithmen für die Analyse erstellen, Schleifen implementieren und Schritte dynamisch rekonfigurieren, um die besten Leistungs­ergebnisse zu erzielen.“

Und schließlich stand bei der Entwicklung des Systems die präzise Bildaufnahme im Mittelpunkt. Mit der Bedieneransicht im Matrox Design Assistant X verwaltet der Bediener Vorlagen und erstellt verschiedene Parametersätze für jede Kamera der Anlage. Die Bediener können das Farbschema des Bildes an ihre Bedürfnisse anpassen. Ein Filmstreifen ermöglicht es, ältere Bilder und relative Datensätze für weitere Analysen abzurufen. Für jede Analyse wird ein Datensatz erstellt, der von der Abteilung für Qualitätssicherung weiter untersucht wird.

„Die Benutzeroberfläche ist derart einfach zu bedienen, dass es sich wegen des großen Touchscreens wie ein Tablet anfühlt“, sagt Pistilli. „Das Mosaic-Team nutzte die industriellen Kommunikations-Tools und implementierte Fast-Scan-SPS-Hardware sowie einen Encoder, um perfekt getimte Aufnahmen zu erzielen“, bekräftigt Viola.

Nächster Schritt: Inspektion von Labormaschinen

Nachdem das Qualitätssicherungssystem für Bremsscheiben in Betrieb ging, hat das Mosaic-Team mit der Arbeit an einem ähnlichen Projekt für die Automatisierung von pharmazeutischen Labormaschinen begonnen. Nicht zuletzt wegen der Implementierung dieses Bildverarbeitungssystems für die Automobilindustrie erwägt das Unternehmen, auch das System auf der Hardware und Software von Matrox Imaging aufzubauen. „Mit der Software Matrox Design Assistant X können wir Machbarkeitsstudien und Anwendungsdemos schnell in der Produktions-Software einsetzen. Die Vollständigkeit der Tools hilft uns, sowohl mit 2D- als auch mit 3D-Systemen zu arbeiten“, so Pistilli abschließend.

Autorin
Katia Ostrowski
Communications Specialist bei Matrox Imaging