Bildverarbeitungssensoren

Die Bildverarbeitung gehört wegen ihrer flexiblen Einsatzmöglichkeiten sowie der guten Visualisierung des Objekts und der gemessenen Merkmale zur Grundausstattung der meisten optischen und Multisensor-Koordinatenmessgeräte. Ähnlich der Bilderzeugung beim visuellen Messen mit Messmikroskopen wird das Messobjekt in der in Abbildung 7 vereinfacht dargestellten Weise durch ein Objektiv auf eine Matrixkamera abgebildet. Die Kameraelektronik wandelt die optischen Signale in ein digitales Bild um, das zur Berechnung der Messpunkte in einem Auswerterechner mit entsprechender Bildverarbeitungssoftware herangezogen wird. Hierbei wird die Intensitätsverteilung in diesem Bild ausgewertet. Maßgeblichen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit von Bildverarbeitungssensoren haben die Einzelkomponenten wie Beleuchtungssysteme, Abbildungsoptik, Halbleiterkamera, Signalverarbeitungselektronik und Bildverarbeitungsalgorithmen [1, 4].

Eine Abbildungsoptik mit telezentrischem Objektiv führt zu den geringsten Messabweichungen. Durch die Telezentrie bleibt der Abbildungsmaßstab bei Veränderung des Objektabstands innerhalb des Telezentriebereichs nahezu konstant (Abb. 9). Eine Blende bewirkt, dass für jeden Bildpunkt nur nahezu parallele Lichtstrahlen an der Bilderzeugung beteiligt sind. Dies ist insbesondere bei Objektiven mit Telezentrie für konstanten Abbildungsmaßstab geringen Vergrößerungen wichtig, denn diese weisen eine große Schärfentiefe auf, weshalb nur grob auf das Objekt fokussiert werden kann. Die beste Qualität erreichen telezentrische Objektive mit fester Vergrößerung.

Die größte Flexibilität ermöglicht eine Zoomoptik. Bei herkömmlichen Zoomoptiken wird die Bewegung der Linsenpakete durch mechanische Kurven realisiert (Abb. 10a). Die Positionierbewegungen der optischen Komponenten im Objektiv verursachen Genauigkeitsverluste, die jedoch durch geeignete Maßnahmen reduziert werden können. Die einfachste, aber sehr zeitaufwendige Methode besteht im wiederholten Einmessen nach jedem Zoomvorgang. Um eine hohe Reproduzierbarkeit beim Zoomen zu erzielen, werden motorische Linearführungen mit geringster Positionierunsicherheit eingesetzt (Abb. 10b). Die mechanischen Kurven werden durch entsprechende Kennlinien in der Steuerungssoftwareersetzt. Dadurch lassen sich neben unterschiedlichen Vergrößerungen auch unterschiedliche Arbeitsabstände realisieren. Praktisch werden etwa Vergrößerungen von 0,5 bis 10 sowie Arbeitsabstände in einem Bereich von 30 mm bis maximal 250 mm erreicht.

Durch geeignete Wahl der Vergrößerung kann der günstigste Kompromiss zwischen dem Messbereich des Sensors und der erreichbaren Messunsicherheit gewählt werden. Der Arbeitsabstand lässt sich weitgehend unabhängig davon an die Erfordernisse des Messobjekts anpassen: genaues Messen mit normalem Arbeitsabstand bei bester Bildqualität oder Messen mit großem Arbeitsabstand zur Vermeidung von Kollisionen.

Die Beleuchtungssysteme sind die Basis für jede optische Messung und sorgen für das möglichst kontraststarke Darstellen der zu messenden Merkmale. Am einfachsten gelingt dies an den Außenkanten der Messobjekte. In diesem Fall kann im Durchlicht gearbeitet werden (Abb. 11a). Ideale Voraussetzungen bieten flache Messobjekte. Im Gegensatz hierzu ist bei räumlich ausgedehnten Kanten (prismatische oder zylindrische Objekte) die Wechselwirkung zwischen Beleuchtung, Messobjekt und Abbildungsstrahlengang stärker zu beachten. Die Öffnungswinkel (Aperturen) der Beleuchtungssysteme und der Objektive sind unter Berücksichtigung der Anwendung (Gestalt des Messobjekts) aufeinander abzustimmen.

Im einfachsten Fall kommen für das Dunkelfeld-Auflicht ringförmige Anordnungen von Licht emittierenden Dioden (LED) zum Einsatz. Durch Zuschalten von verschiedenen Diodengruppen kann die Beleuchtung des Objekts aus verschiedenen Raumrichtungen erfolgen und so optimal an die Messaufgabe angepasst werden (Abb. 11c). Bei der MultiRing®-Beleuchtung (Abb. 11d) ist es in Kombination mit einer Zoomoptik mit veränderlichem Arbeitsabstand (s. Abb. 10, S. 16 Bildverarbeitungssensoren ) möglich, auch den Winkel zur optischen Achse in einem weiten Bereich zu variieren. Zusätzlich kann mit ausreichend großem Arbeitsabstand zu den Objekten gemessen werden. Abbildung 12 zeigt Beispiele für die Auswirkungen verschiedener Beleuchtungsarten. Die Lichtquellen lassen sich durch den Bediener oder – im Automatikbetrieb – durch die Messsoftware steuern. Um praxisgerecht, d. h. auf wechselnden Materialoberflächen wie Metalloberflächen mit unterschiedlichen Glanzgraden und verschiedenfarbigen Kunststoffteilen messen zu können, wird eine Lichtregelung eingesetzt. Sie passt die Beleuchtung den vom Programm vorgegebenen Werten anhand des vom Objekt reflektierten Lichts automatisch an. Eine rechnerische Korrektur der Beleuchtungskennlinien (Lichtstärke bezogen auf den Einstellwert in der Bedienoberfläche) gestattet auch das Nutzen der CNC-Programme bei unterschiedlicher Beleuchtungshardware mit verschiedenen Beleuchtungskennlinien, z. B. an verschiedenen Geräten oder nach Reparaturen.

Auch die Bildverarbeitungsalgorithmen, mit denen die Bildinhalte ausgewertet und die Messpunkte ermittelt werden, beeinflussen wesentlich die Qualität der Messergebnisse von Bildverarbeitungssensoren. Die Auswertung wird heute überwiegend durch PC-Hard- und -Software realisiert. In einem ersten Verarbeitungsschritt kann das Bild mit Bildfiltern verbessert werden (Kontrast optimieren, Oberflächenstörungen glätten: Abb. 13a, b). Bei der einfachsten Methode zur Bestimmung der Messpunkte werden die Schnittpunkte von im Bild vordefinierten Linien mit den sichtbaren Konturen des Objekts z. B. durch Schwellwertoperationen ermittelt (umgangssprachlich Edge Finder). Dies wird nacheinander an vielen Stellen in einem vorher festgelegten Auswertebereich (Fenster) wiederholt. So entsteht eine große Anzahl von Messpunkten, die durch das Fenster zu einer Gruppe zusammengefasst werden. Für jede Einzelpunktbestimmung erfolgt jedoch eine separate eindimensionale Auswertung. Die im Bild enthaltene umfassende zweidimensionale Information wird so nicht berücksichtigt. Dies ist insbesondere beim Messen im Auflicht von Nachteil. Störkonturen durch Oberflächenstrukturen, Ausbrüche und Verschmutzungen können nur bedingt erkannt und kompensiert werden.

Bei der Konturbildverarbeitung wird das Bild innerhalb eines Auswertefensters als flächenhaftes Ganzes betrachtet. In diesem Bild werden durch geeignete mathematische Algorithmen (Operatoren) Konturen extrahiert. Jeder Bildpunkt einer Kontur entspricht einem Messpunkt. Die Messpunkte werden wie in einer Perlenkette aneinandergereiht. Dies ermöglicht, Störeinflüsse beim Messen zu erkennen und herauszufiltern (Konturfilter), ohne die Form der Konturen zu verändern (Abb. 13c, d). Wichtig für den praktischen Einsatz ist, dass innerhalb eines Fangbereichs mehrere Konturen unterschieden werden können (Abb.14c, d). Moderne Systeme interpolieren in einem weiteren Schritt die Koordinaten der Messpunkte innerhalb des Pixelrasters (Subpixeling: Abb. 15) und erlauben so höhere Genauigkeiten [5].

Konturen größer als das Sehfeld des jeweiligen Objektivs können durch automatische Konturverfolgung in Verbindung mit den CNC-Achsen des Koordinatenmessgeräts als Ganzes erfasst werden (Konturscanning). Dieses Scanningverfahren eignet sich gut, um wenige relativ große Konturen z. B. an Stanzwerkzeugen zu überprüfen. Bei dieser Anwendung werden sowohl Stempel als auch Matrizen der Schneidwerkzeuge direkt an der Schneide erfasst und können miteinander oder mit dem CAD-Datensatz verglichen werden.

Eine weitere Methode, um größere Bereiche des Werkstücks zu erfassen, ist das »Rasterscanning HD«. Hierbei nimmt der Bildverarbeitungssensor während der Bewegung mit hoher Frequenz Bilder des Werkstücks auf (Abb. 16). Diese werden durch Resampling zu einem Gesamtbild mit bis zu 4000 Megapixeln (Stand 2019) überlagert. Bei der »Im Bild«-Auswertung lassen sich dann beispielsweise 100 Bohrungen in 3 s messen (s. Sensoren und Geräteachsen, S. 89 ff.). Durch das Messen auch großer Bereiche mit hoher Vergrößerung und die Mittelung über mehrere Bilder, die das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert, wird die Genauigkeit ebenfalls erhöht. Das Verfahren kann an die Anforderungen der Messaufgabe angepasst werden (s. Messen während der Bewegung, S. 95 f.).

Die Bildverarbeitung eignet sich zunächst nur zum Messen zweidimensionaler Merkmale. Das Anwendungsgebiet umfasst dementsprechend alle zweidimensionalen Messobjekte wie flache Bleche, Folien, Leiterplatten, Schnitte von Aluminium-, Gummi- oder Kunststoffprofilen, Drucke, Schneidplatten, Leadframes und Chrommasken. Werden mit der gleichen Sensorhardware (Optik, Kameratechnik etc.) auch Fokusverfahren realisiert (s. Fokusvariationssensoren, S. 24 ff.), liegt der häufig eingesetzte Sensor-Basistyp für Multisensor-Koordinatenmessgeräte vor. Durch Kombination beider Verfahren in einer Sensorhardware lassen sich viele dreidimensionale Messaufgaben lösen. Die Bestimmung der Funktionsmaße von Kunststoffteilen wie dem Abstand von Rastnasen sowie der Geometrie von Dichtnuten und Steckerrastern sind ein Hauptanwendungsgebiet. Weitere Einsatzbeispiele sind Stanzbiegeteile aus Blech, Uhrenkomponenten, Möbelbeschläge, Düsen für die Kraftstoffeinspritzung, Druckköpfe, Werkzeuge und Drehteile.

Um mit Bildverarbeitungssensoren flexibel dreidimensional zu messen, kann ein schwenkbarer Kamerakopf eingesetzt werden. Hierin sind die beschriebenen Standardbeleuchtungsarten und eine Wechselschnittstelle für den Fasertaster (s. Messende taktil-optische Sensoren , S. 45 ff.) integriert. Ein Dreh-SchwenkGelenk, wie es auch für taktile Sensoren eingesetzt wird, erlaubt das räumliche Ausrichten des Sensors zum Werkstück. Durch eine weitere Schnittstelle können verschiedene optische oder taktile Sensoren im automatischen Wechsel betrieben werden (Abb. 17).