Der Sondermaschinenbauer Zorn Maschinenbau ist auf Klein- und Kleinstteile spezialisiert und entwickelt für deren Bearbeitung Montageanlagen, Roboterzellen sowie Prüfautomaten. Das Spektrum der Anwendungen für diese Maschinen ist breit; die Bauteile aber, die mit diesen bearbeitet werden, sind klein. So produziert das Unternehmen beispielsweise Glühwendel mit einem Durchmesser von 0,02 bis 0,05 mm; aufgewickelt werden sie auf einen Stift, dessen Durchmesser 0,1 mm beträgt. Zudem sind die Bauteile extrem unterschiedlich hinsichtlich ihrer Oberfläche – eine große Herausforderung für die Qualitätsprüfung.

Herkömmlicher Bildverarbeitung sind bei der Inspektion von Oberflächen enge Grenzen gesetzt. Je nach Art der Oberfläche können die Systeme nicht alle vorhandenen Fehler entdecken. Probleme gibt es zum Beispiel oft mit glänzenden Oberflächen. „Je nach Art der vorangegangenen Bearbeitung – etwa durch Fräsen, Drehen oder Schleifen – bietet die Oberfläche ein sehr unterschiedliches Bild“, erklärt Jörg Schmitz, Bildverarbeitungsexperte bei Stemmer Imaging. „Glanzstellen in direkter Nachbarschaft mit dunklen Bereichen lassen oft nur grobe Aussagen zu. Zudem variiert das Bild je nach Zuführung der Teile, der Bearbeitungsparameter und der Materialcharge sehr stark.“ Die Wahl einer geeigneten Beleuchtung erfordert in diesen Fällen häufig einen Prozess von Trial and Error. Zusätzlich bereiten gekrümmte Oberflächen in der Regel Probleme.

Zorn Maschinenbau setzt daher auf das Bildverarbeitungssystem ‚Trevista‘, das Stemmer Imaging als Komplettsystem inklusive Kamera und PC vertreibt. Das System eignet sich insbesondere für die Inspektion metallisch glänzender Bauteile mit unterschiedlicher Oberfläche bis hin zu schwarzem Kunststoff. Da das System die Textur-eigenschaften der Oberfläche eliminiert, ist nur die Topologie sichtbar. So liefert eine strukturierte, diffuse Beleuchtung des Prüfteils zusammen mit einem speziellen Berechnungsalgorithmus hochwertige Bilder für die nachfolgende automatische Bewertung. Reliefbilder stellen die Oberflächenform plastisch dar und machen auch Fehlermerkmale von wenigen Mikrometern Tiefe sichtbar.

Dom als Beleuchtung der Wahl

Die Beleuchtungseinrichtung in der Form eines Doms hält störendes Fremdlicht ab und lässt sich einfach in den Produktionsprozess oder einen Prüfautomaten integrieren. Im Unterschied zu anderen Dom-Beleuchtungen wird die Kuppel bei Trevista nacheinander aus vier unterschiedlichen Richtungen beleuchtet und dabei jeweils ein Kamerabild aufgenommen. Der Berechnungsalgorithmus verarbeitet die vier Eingangsbilder und erzeugt daraus die Relief- sowie Ergebnisbilder und eine Texturansicht. Die Reliefbilder verkörpern die lokale Neigung der Oberfläche in Richtung der x- beziehungsweise y-Achse. Das so genannte Krümmungsbild stellt die lokale Krümmung der Oberfläche dar und erfasst die Topografie der Oberfläche richtungsunabhängig. Diese Bilder werden an das Bildverarbeitungssystem weitergegeben, das die automatische Auswertung der Reliefbilder übernimmt.

Der Berechnungsalgorithmus arbeitet PC-basiert und ist in die Software-Plattformen ‚Sherlock‘ von Teledyne Dalsa und ‚Common Vision Blox‘ von Stemmer Imaging eingebunden. Diese Programme übernehmen die automa-tische Auswertung der Reliefbilder. Für Zorn hat der Systemintegrator Xactools seine eigene Nutzeroberfläche auf Sherlock aufgesetzt, um die Bedienung zu vereinfachen.

Die von Xactools entwickelte Nutzeroberfläche ­vereinfacht die Bedienung des Systems.

© Stemmer Imaging

Da die Reliefbilder die Formmerkmale der Ober­fläche deutlich herausstellen, lassen sich Fehler prüfen, die bisher nicht automatisch ausgesondert werden konnten. Zudem lassen sich flache oder auch stark gekrümmte Oberflächen sicher erfassen. Und auch Ungenauigkeiten bei der Teilezuführung wie beispielsweise Verkippungen gegenüber der Beleuchtung werden kompensiert.

Die Trevista-Systeme wurden bei Zorn in eine Prüfanlage für kleine Hartmetallbauteile integriert, die für Einspritzpumpen in Fahrzeugen verwendet werden. Zwei dieser Anlagen wurden für einen Kunden aus der Automobilindustrie entwickelt. Pro Anlage kommen drei Trevista-Systeme zum Einsatz. Zwei weitere Kamerasysteme mit herkömmlicher Technik prüfen die Geometrie der Bauteile im Durchlicht. Die ­Zykluszeit pro Bauteil liegt bei vier bis fünf Sekunden.

Thomas Erb von Xactools füttert mit Zahlen: „Bei einer normalen optischen Prüfung liegt der Pseudo-Ausschuss-Anteil bei etwa 10 %. Dank Trevista lässt sich dieser auf weniger als 2 % ­re­duzieren.“ Die Prüfkosten sinken deutlich.

Martin Zeiher, Geschäfts­führer von Zorn Maschinenbau, rechnet mit ähnlichen Werten für seine Anlagen. Allerdings: Das Trevista-System muss für jede spezielle Anwendung eingelernt werden – was Zeit kostet. So berichtet Zeiher, dass besagter Kunde für eine Woche vor Ort war, um seine Bauteile probeweise durch die Anlage laufen zu lassen.

Eine Frage der Toleranz

Bildverarbeitung ist grundsätzlich ein empirischer Prozess – so entdecken Anwender beim Einsatz von Trevista immer wieder Dinge, die sie vorher nicht gesehen haben. Nutzer möchten natürlich die Leistungsfähigkeit des ­Systems voll ausnutzen und möglichst viele Fehler erkennen. Diese Möglichkeiten der Technik können dann allerdings leicht zur Herausforderung werden – denn in der laufenden Produktion ist es nicht immer wirtschaftlich, auch noch die kleinsten Fehler zu entdecken. Schließlich soll die Ausschussmenge möglichst gering gehalten werden. Daher werden einmal gezogene Toleranzgrenzen oft auch ­wieder vergrößert.

Derzeit liegt die Auflösung von Trevista bei 2K (Auflösung maximal 2048 ­Pixel), an einer 4K-Variante wird ge­arbeitet. Grundsätzlich eignet sich das System für alle Branchen, in denen ­anspruchsvolle Oberflächen schnell und automatisiert geprüft werden müssen – in erster Linie in der Automobilindustrie ­sowie der Elektronik- und Halbleiterindustrie. Martin Zeiher sieht im Sondermaschinenbau einen großen Markt für das automatisierte Prüfen: „In diesem Bereich gibt es noch viele Manufakturen, die wie vor 30 oder 40 Jahren arbeiten. Doch wenn ein Unternehmen mit der ­Automatisierung beginnt, müssen die anderen nachziehen.

Autor: Peter Stiefenhöfer ist Leiter Marketing und Öffentlichkeitsarbeit bei Stemmer Imaging in Puchheim.