In der gesamten Wertschöpfungskette zur Herstellung von kleinen, insbesondere sicherheitsrelevanten Präzisionsbauteilen der Stanz-, Biege- und Spritzgießtechnik oder auch Medizintechnik sind viele technische Herausforderungen zu bewältigen. Bei sicherheitsrelevanten Bauteilen wie etwa in der Automobilindustrie oder Medizintechnik sind dann sind auch die Anforderungen an Prüftechnik zur Qualitätskontrolle dieser Bauteile entsprechend hoch; in der Regel muss dann jedes Bauteil auf seine ordnungsgemäße Geometrie und letztlich Funktionsfähigkeit geprüft werden.

2D-Technik erfordert viel Aufwand zur Vermessung in mehreren Ebenen

Die Qualität eines Steckverbinders steht und fällt mit seiner Passgenauigkeit, Oberflächenbeschaffenheit und der gleichmäßigen Höhe der Kontaktstifte. Defekte an der vergoldeten Oberfläche oder zu kurze Stifte können zum elektrischen Kontaktverlust führen, zu lange Stifte hingegen zur Beschädigung von Stift und Stecker. Wird nach dem 2D-Verfahren geprüft, werden die Pins eines Steckers durch mehrere, konventionelle 2D-Kameras aus unterschiedlichen Aufnahmerichtungen in allen ihren Ebenen vermessen und auf Defekte kontrolliert. Das gesamte mechanische und elektronische Engineering kann sich dabei aber als sehr aufwendig erweisen und benötigt durch die Anzahl der Kameras enorm viel Platz. Die dabei erzielbare Detektionssicherheit, die Taktrate und die Flexibilität einer solchen Kontrollstation können sich darüber hinaus schnell als ungenügend erweisen. In diesen Fällen bietet die 3D-Bildverarbeitung als innovativerer Technologieansatz die bessere, sicherere und letztendlich auch preisgünstigere Lösung.

Vor diesem Hintergrund entschied sich ein Automobilzulieferer aus der kunststoffverarbeitenden Industrie bei der Qualitätsprüfung eines Steckverbinders für ein 3D-Kamerasystem, das von den Firmen Vester und der SAC Sirius Advanced Cybernetics geliefert wurde. Die beiden Bildverarbeitungsunternehmen arbeiten seit vielen Jahren partnerschaftlich zusammen, und mittlerweile hat sich Vester auch an SAC beteiligt. Durch diesen Firmenverbund erhalten die Anwender eine Komplettlösung für die Bildverarbeitung wie aus einer Hand.

Textur und Oberfläche können mit 3D-Verfahren auch erfasst werden

Mit dem 3D-Prüfsystems Pulsar von SAC für die Inline-Inspektion kann man eine Reihe von Problemen vermeiden und die erforderliche hohe Messgenauigkeit in Verbindung mit robuster Funktionssicherheit gewährleisten. Dieses auf dem Prinzip der Streifenlichttopometrie basierende Verfahren ermittelt über intelligente und hochoptimierte Auswertealgorithmen sowohl die exakten 3D-Daten als auch die Textur und Oberflächenbeschaffenheit des Prüflings. Diese raumsparende Systemlösung mit nur einer Kamera macht die Detektion robust und erlaubt eine weitaus flexiblere und schnellere Anpassung an neue Prüfaufgaben als eine 2D-Lösung. Den Kern des Systems bildet ein LED-basierter Musterprojektor mit einem matrixförmigen, extrem schnellen Mikrospiegel-Aktor; diese beruhen auf dem gleichen technischen Prinzip wie DMD- und DLP-Videoprojektoren. Eine hochauflösende Digitalkamera erfasst die Bildsequenzen der vom Projektor kodierten Lichtmuster. Im Rahmen der vollautomatisch ablaufenden Bildvorverarbeitung werden Störeinflüsse wie Bildrauschen, Reflexe oder auch durch die Optik bedingte Bildverzeichnungen bereits während des Bildeinzugs minimiert bzw. korrigiert. Neben der hochgenauen metrischen Erfassung der Objektgeometrie wird parallel ein farbig kalibriertes Texturbild aus drei Farbkanälen erzeugt. Dies ermöglicht mit nur einem Bildeinzugsvorgang die farbmetrische und dimensionale Prüfung des Objektes. Aus den kalibrierten Geometriedaten erstellt das System ein sehr genaues 3D-Modell des Prüflings.

Die Bewertung von Ist- zu Soll-Koordinaten in allen drei Raumachsen wird dann durch den intuitiv konfigurierbaren Bildverarbeitungsinterpreter SAC Coake vorgenommen, der für medizintechnische Anforderungen zusätzlich mit einem sogenannten „Part 11“-Modul ausgestattet werden kann.

Dieser Bildverarbeitungsinterpreter bildet den Kern einer jeden Bildverarbeitungslösung und ist eines der weitverbreitetsten und leistungsfähigsten Produkte am Machine-Vision-Markt; diese Software ermöglicht es dem Anwender, die Prüfaufgaben auf einfache, intuitive Art und Weise zusammenzustellen und zu konfigurieren. Bei dem Projekt Steckverbinder wurde durch Eingabe von eingrenzenden Toleranzwerten, wahlweise für einzelne Merkmale oder auch für globale Merkmalsketten im Prüfprogramm, die objektive Vorgabe für die IO/NIO-Entscheidung für die Prüfteile hinterlegt. Die Ergebnisse im Betrieb werden im Prüfbild visualisiert und in tabellarischer Form dokumentiert. Die daran anschließende statistische Auswertung macht den Fertigungsprozess transparent und ermöglicht damit Rückkopplungen und den frühzeitigen Einfluss auf Prozessänderungen. Gerade wenn es gilt, im Umfeld der Präzisionsfertigung von Endlos-Stanz- und Hybridprodukten Optimierungen im Fertigungsprozess vorzunehmen, stellt dies einen gewichtigen Faktor dar. Schließlich gilt zunehmend die Devise fehlerhafte Teile nicht nur auszusortieren, sondern diese gar nicht erst zu produzieren.

Kosteneffizienz
2D- oder 3D-Qualitätskontrolle?

Passgenauigkeit und Oberflächenbeschaffenheit sind für fast jedes Bauteils ein wichtiges Qualitätsmerkmal. In vielen Fällen ist dafür eine Qualitätsüberwachung jedes Bauteils mit 2D-Bildverarbeitung völlig ausreichend. Wird das zu prüfende Bauteil jedoch so komplex, dass zur Prüfung mehr als drei 2D-Kameras mit unterschiedlichen Aufnahmerichtungen erforderlich werden, dann wird die 3D-Bildverarbeitung in der Regel zu einer technisch besseren und sichereren Alternative. Dabei kann die 3D-Bildverarbeitung die 2D-Technik meist auch kostenmäßig, zum Teil erheblich, unterbieten.

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Über den Autor

Kamillo Weiß, freier Journalist, Leinfelden-Echterdingen