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Vision-Doctor

Kamera

Das Auge des Inspektionssystems

Auswahl der richtigen Kamera

Die Bilderzeugung ist ein komplexe Wechselwirkung aus den Material- und Oberflächeneigenschaften des Prüfobjekts und der verwendeten Beleuchtung. Eine zentrale Rolle nimmt jedoch auch das Kamera-System als "Detektor-Einheit" ein. In diesem Schritt wird ein Bild auf dem Sensor erfasst, verarbeitet und digitalisiert.

 Die erforderte Genauigkeit und Geschwindigkeit der Prüfung, sowie die Anforderungen der Applikation an den Bildsensor legen die Auswahl der passenden Kameratechnologie fest.

Typische Arten von industriellen Kameras

Flächenkameras

Mit Hilfe eines matrixförmigen Sensors wird zeitgleich ein zweidimensionales Bild aufgenommen, das dann ein einen PC etc. gesendet und dort ausgewertet wird. Dank ihrer einfachen Implementierung und der Möglichkeit, ein 2D-Bild mit nur einer Aufnahme zu erzeugen, entfallen aufwendige Scans, Encoder oder Antriebssysteme. 

Zeilenkameras

Eine einzige linienförmige Sensorzeile erfasst in sehr schneller Folge sehr viele Einzelzeilen. Aus dem Bewegungsvorschub von Förderband oder Kameraeinheit wird ein zweidimensionales Bild erzeugt und an einen PC etc. gesendet. Dieses Verfahren ist ideal zur Erfassung von Endlosmaterialien etc.

3D-Kamerasysteme

Im Vergleich zu 2D-Lösungen bieten sie eine Reihe von Vorteilen. Die Farbe oder Helligkeit des Prüfobjekts spielt dabei eine untergeordnete Rolle bei der Erzeugung von Objektinformationen. Statt dessen wird eine 3D-Punktewolke des Objekts zur Auswertung verwendet.

Intelligente Kameras

Smart Cameras sind meist Flächenkameras, sehr selten auch Zeilenkameras oder auch 3D-Kameras. Die Bildaufnahme, aber auch die komplette Auswertung des Bildes findet innerhalb der Kamera statt. Über verschiedene Schnittstellen und Protokolle werden direkt Ergebnisse und Messdaten direkt an eine SPS, Robotersteuerung etc. kommuniziert. Ein PC wird nur noch zum Einrichten des Systems benötigt.

Auswahlkriterien für Kameras (allgemein)

Flächenkamera oder Zeilenkamera

Kommen die Teile vereinzelt an oder handelt es sich um Material, das transportiert wird? Im einfachsten Fall werden Bilder mit einer Flächenkamera aufgenommen, die kontinuierlich oder getriggert arbeitet. Mit Hilfe einer Zeilenkamera können Objekte, die an der Kamera vorbeitransportiert werden, nahtlos abgescannt werden. Lange Bauteile, endlose Bandware oder zylindrische Objekte, die gedreht werden können, bieten sich für die Bildaufnahme mit einer Zeilenkamera an.

2D-Kamera oder 3D-Kameralösung

Lassen sich alle Merkmale sicher mit einer konventionellen 2D-Lösung prüfen, oder werden explizit auch 3D-Informationen wie Koplanitäten, Höheninformationen und Volumen benötigt?

Auflösung und Sensorgröße

Welche feinsten Merkmale und Objektstrukturen am Bauteil müssen mit welcher Detailgenauigkeit erfasst werden? Besonders bei großen Bauteilen ist eine hohe Kameraauflösung notwendig. Wie groß soll der Sensor sein und welche Optik muss verwendet werden?

Geschwindigkeit

Wie viele Bilder pro Sekunde oder wie viele Zeilen pro Sekunde müssen von der Kamera erfasst werden? Besonders schnelle Kameras erfordern schnelle Übertragungsschnittstellen. Oftmals sind diese Sensoren in CMOS-Technik gefertigt, die jeden Pixel direkt auslesen können und eine höhere Framerate als CCD-Sensoren bieten.

Bildqualität

Wie gut muss das Kamerabild sein? Hochwertigere Sensoren mit größeren Pixeln zeigen ein homogeneres Bild. Achten Sie auch auf die richtige Verwendung von Rolling- und Global Shutter-Sensoren.

Monochrom- oder Farbsensor

Kann die Applikation mit einer Monochrom- oder Farbkamera gelöst werden? Monochromkameras sind deutlich lichtempfindlicher und die übertragenen Bilddaten sind typischerweise mit 8 Bit kodiert. Farbbilder mit 24 Bit Signalinformation lassen zusätzliche Bildauswertungen zu, um verschiedene Farben mit gleicher Helligkeit (=Grauton) voneinander zu trennen, aber die Datenmengen sind deutlich größer. Bei 1-Chip-Farbkameras gehen aufgrund der Bayer-Farbinterpolation zusätzliche Detailinformationen verloren, die Messgenauigkeit wird reduziert.

Übertragungsschnittstelle

Multipliziert man Bittiefe, Framerate und Bildgröße, kann die benötigte Bandbreite pro Sekunde ausgerechnet werden. Die Schnittstelle muss in der Lage sein, schnell und zuverlässig die Bilder zur Auswerteeinheit (PC) zu transportieren. Wichtig ist auch, dass die verwendete Software die Übertragungsschnittstelle mit der angeschlossenen Kamera unterstützt.

Triggermodi, Kameraelektronik und Verarbeitung

Wie soll das Bild aufgenommen werden, mit welcher Bit-Signaltiefe (z.B. 8, 10 oder 12 Bit monochrom etc.)? Soll schon in der Kamera eine Bildkalibrierung erfolgen?

Mechanische Abmessungen und Formfaktor

Passt das Kameragehäuse in die Anlage? Auch hier gibt es viele verschiedene Kameras auf dem Markt, sodass der Anwender eine große Auswahl hat.

Vollständigkeit des Produktportfolios

Ein guter Anbieter sollte ein vollständiges Programm an Hardware haben, sodass Sie mit einer Kamerafamilie viele Ihrer Applikationen abdecken können.

Lieferfähigkeit, Zuverlässigkeit und Support

Suchen Sie sich einen guten, zuverlässigen Partner. Dies hilft Ihnen, die Kamera schnell zu integrieren und auch im Problemfall nicht im Regen zu stehen.

Auswahl eines 3D-Kamerasystems

1. Sichtbereich (x, y und z)

Der Sichtbereich bestimmt, wie viel von einem Objekt oder einer Szene erfasst werden kann. Es ist wichtig, einen 3D-Sensor zu wählen, dessen Sichtbereich groß genug ist, um alle relevanten Teile des Objekts abzudecken. Die Abmessungen x, y und z geben dabei die maximale Größe des Erfassungsvolumens an.

2. Bewegung

Ein weiteres Kriterium ist die Möglichkeit der Bewegung. Hierbei muss entschieden werden, ob der Sensor statisch bleiben soll oder ob er sich bewegen muss, um verschiedene Perspektiven zu erfassen. Ein statisches System ist einfacher zu implementieren, während ein bewegliches System flexibler sein kann, um komplexe Objekte vollständig zu erfassen.

3. Nötige Auflösung (x, y und z)

Die Auflösung des 3D-Sensors beeinflusst die Genauigkeit und Detailgenauigkeit der erfassten Daten. Eine hohe Auflösung ist besonders wichtig für Anwendungen, die feine Details erfordern. Die Auflösung wird oft in x, y und z angegeben und sollte den Anforderungen der spezifischen Anwendung entsprechen.

4. Freier Arbeitsabstand

Der freie Arbeitsabstand bezeichnet den Bereich zwischen dem Sensor und dem zu erfassenden Objekt. Ein geeigneter Arbeitsabstand gewährleistet, dass das System effizient arbeiten kann, ohne dass der Sensor oder das Objekt angepasst werden muss. Es ist wichtig, dass der Arbeitsabstand groß genug ist, um das gesamte Objekt zu erfassen, aber klein genug, um eine hohe Auflösung und Detailtreue zu gewährleisten.

5. Abmessungen, IP-Klasse, Gewicht

Die physischen Abmessungen, die Schutzart (IP-Klasse) und das Gewicht des 3D-Bildverarbeitungssystems sind ebenfalls wichtige Auswahlkriterien. Diese Faktoren beeinflussen die Integration des Systems in die bestehende Umgebung und die Handhabung.

Gerade im Bereich der Industrierobotik könnte ein schwerer Sensor bei kleinen Robotern zu Problemen führen. Aber auch für Anwendungen im Transportwesen oder im Drohnenbereich sind Größe und Gewicht ein ernsthaftes Problem.

6. Zykluszeit Bildaufnahme & Zeit für Datenverarbeitung

Die Zykluszeit für die Bildaufnahme und die Zeit für die Datenverarbeitung sind entscheidende Faktoren für die Gesamtleistung des 3D-Bildverarbeitungssystems. Eine kurze Zykluszeit ermöglicht eine schnellere Bildaufnahme, was für industrielle Anwendungen besonders wichtig ist. Die Datenverarbeitungszeit beeinflusst, wie schnell die erfassten Daten analysiert und verwendet werden können. Es ist wichtig, ein System zu wählen, das sowohl eine schnelle Bildaufnahme als auch eine effiziente Datenverarbeitung ermöglicht.

7. Materialart des Bauteils

Der Materialtyp des zu erfassenden Objekts spielt eine wichtige Rolle bei der Wahl des 3D-Bildverarbeitungssystems. Materialien können kooperativ (matt und undurchsichtig), glänzend oder transparent sein. Jedes Material stellt unterschiedliche Anforderungen an den Sensor und die Bildverarbeitungsalgorithmen.

8. Spezielle Features

Einige 3D-Bildverarbeitungssysteme bieten spezielle Features wie Texturbild, Multi Slope und HDR (High Dynamic Range). Diese Funktionen können die Erfassung und Analyse von 3D-Daten verbessern und sollten je nach Anwendungsbedarf in Betracht gezogen werden. Auch spezielle Trigger-Modi könnten solche Features sein, die nur bei speziellen Systemen zur Verfügung stehen.

9. Kenntnisse des Users

Die Auswahl des Systems hängt auch von den Kenntnissen des Anwenders ab. Smart-Kameras sind oft benutzerfreundlicher und eignen sich für Anwender mit weniger technischen Kenntnissen. PC-basierte Systeme bieten mehr Flexibilität und Leistung, erfordern jedoch auch fortgeschrittene Kenntnisse.

10. Budget

Manchmal stehen auch die möglichen Investionskosten deutlich im Vordergrund. Was ist die beste Lösung, die ich für ein bestimmtes Budget bekommen kann? Auch hier müssen oftmals Kompromisse eingegangen werden.

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