So wählen Sie die richtige industrielle Bildverarbeitungskamera für Ihre Anwendung aus

Die Auflösung bestimmt das kleinste Merkmal, das ein industrielles Bildverarbeitungssystem erkennen kann. Für zuverlässige Gut-/Schlecht-Bewertungen sollte dieses Merkmal mindestens durch ein 3×3-Pixel-Raster abgebildet werden.

Schnelle Produktionslinien erfordern Kameras mit hoher Bildrate, um scharfe Bilder ohne Bewegungsunschärfe zu erfassen und ausreichend Zeit für eine präzise Bildverarbeitung zu gewährleisten.

Eine geeignete Beleuchtung ist entscheidend, um Kanten und Oberflächenfehler zuverlässig zu erfassen. Die optimale Beleuchtung hängt vom Material, der Form des Objekts und den Inspektionsanforderungen ab.

Das Sichtfeld definiert den Bereich, den die Kamera erfassen kann. Es wird beeinflusst von der Sensorgröße, der Brennweite des Objektivs und dem Arbeitsabstand.

Industrielle Bildverarbeitungskameras arbeiten typischerweise mit 24 V Gleichstrom oder Power over Ethernet (PoE). PoE vereinfacht die Installation, da Strom und Daten über ein einziges Kabel übertragen werden. Das ist ideal für beengte Platzverhältnisse oder Mehrkamera-Systeme. Bei klassischen Setups sind 24 V in industriellen Umgebungen der Standard.
Die Art der Integration hängt von der jeweiligen Systemarchitektur ab. Kameras können entweder direkt per Feldbus-Protokoll an SPS-Systeme angeschlossen oder über Schnittstellen wie GigE Vision für eine PC-basierte Verarbeitung betrieben werden. Welche Lösung gewählt wird, richtet sich nach Faktoren wie Datenvolumen, Geschwindigkeit und Anzahl der eingesetzten Kameras.

Viele industrielle Bildverarbeitungssysteme sind darauf ausgelegt, die Einrichtung zu vereinfachen und eine direkte Integration mit SPS- und Robotersteuerungen zu ermöglichen. Die Modellreihe VS von KEYENCE bietet eine intuitive Benutzeroberfläche, die sowohl regelbasierte als auch KI-basierte Bildverarbeitungs-Tools unterstützt. Eine zusätzliche Middleware ist nicht erforderlich und die Software-Kompatibilität bleibt über verschiedene Produktlinien hinweg gewährleistet.

Branchenspezifische Anforderungen bestimmen oft die Kamerawahl präziser als allgemeine Leistungskennzahlen:

• Automobilindustrie: Kameras müssen bewegte Bauteile bei hoher Geschwindigkeit prüfen, die Montagegenauigkeit verifizieren und kleine Defekte an Metall- und Kunststoffkomponenten erfassen.
• Elektronik: Systeme müssen auch kleinste Bauteile und Strukturen erfassen, reflektierende Oberflächen prüfen und präzise Pin-Ausrichtungen oder Lötstellen kontrollieren.
• Medizinprodukte und Pharma: Industrielle Bildverarbeitungssysteme müssen die Korrektheit von Etiketten, die Lesbarkeit der Chargencodes sowie die Erkennung von Kontaminationen gewährleisten, häufig auf transparenten oder glänzenden Oberflächen.

Der Bildsensor (CCD oder CMOS) einer Bildverarbeitungskamera besteht aus einer Anordnung kleiner Pixel in einem Raster. Standard-Sensoren haben üblicherweise 310.000 Pixel (640 × 480), während hochauflösende Modelle zwischen 2 und 64 Megapixeln aufweisen können. Die Anforderungen der Anwendung bestimmen, welcher Kameratyp geeignet ist.
Als allgemeine Regel gilt: Wählen Sie eine Kamera basierend auf der Größe des Sichtfelds (Field of View) und der Pixelauflösung.

• Sichtfeldgröße: Der Bereich, der auf dem Prüfobjekt erfasst wird, der durch das verwendete Objektiv angepasst werden kann.
• Pixelauflösung: Gibt an, wie viele Millimeter ein Pixel entspricht. Sie wird mit folgender Gleichung berechnet:

Pixelauflösung = Größe des Sichtfelds in Y−Richtung (mm) / Pixelanzahl des Sensors in Y−Richtung

Beispiel: Für ein Sichtfeld von 30 mm in Y-Richtung werden folgende Sensortypen verwendet:

• 310.000-Pixel-Standardmodell (Y = 480 Pixel)
• 2-Megapixel-Hochauflösungsmodell (Y = 1200 Pixel)
  Pixelauflösung einer 310.000-Pixel-Kamera = 30 mm/480 Pixe = 0,063 mm/Pixel
  Pixelauflösung einer 2-Megapixel-Kamera = 30 mm/1200 Pixel = 0,025 mm/Pixel

Wenn die gewünschte Pixelauflösung für die Anwendung bekannt ist, kann mit derselben Gleichung die ungefähre Größe des Sichtfelds bestimmt werden, die die Kamera abbildet.

Typische Anwendungen der industriellen Bildverarbeitung:

• Oberflächenprüfung (Appearance Inspection)
• Maßprüfung (Dimension Inspection)

Bei Oberflächenprüfungen ist die Erkennungsfähigkeit entscheidend, während bei Maßhaltigkeitsprüfungen die Messgenaugkeit ausschlaggebend ist.

Allgemeine Referenzprinzipien:

• Erkennungsfähigkeit: Mindestfläche 4 Pixel
• Maßtoleranz: ±5 Pixel

Berechnung der Erkennungsfähigkeit für die Oberflächenprüfung:
Erkennungsfähigkeit 310.000-Pixel-Kamera = 0,063 mm/Pixel × 4 Pixel = 0,25 mm
Erkennungsfähigkeit 2-Megapixel-Kamera = 0,025 mm/Pixel × 4 Pixel = 0,1 mm

Referenz: Vergrößerte Ansicht eines 0,5 mm großen Fremdkörpers in einem Sichtfeld von 30 mm

Schlussfolgerung:
Wenn die Inspektion die Erkennung von Fremdkörpern mit einer Größe von 0,1 mm im Sichtfeld von 30 mm erfordert, ist eine Kamera mit einer Auflösung von mindestens 2 MP notwendig.

• 1
  310.000 Pixel
• 2
  2 Megapixel

Sie können eine Kamera mit der optimalen Pixelanzahl auswählen, indem Sie die Pixelauflösung als Kriterium für die Gut-/Schlecht-Entscheidung heranziehen.

Bei der Kamerawahl stellt sich häufig die Frage, ob ein Farb- oder ein Monochrom-Sensor verwendet werden soll. Im Allgemeinen bieten Farbkameras Vorteile, wenn Unterschiede an den Messpunkten auf Basis des Farbtons (Hue) erkannt werden sollen.
Beispiel: Durch Farbverarbeitung kann ein gelber Fleck auf einem weißen Untergrund erkannt werden, während er für eine Monochromkamera nur schwer erkennbar wäre.

In Fällen wie diesem, wenn der Helligkeitsunterschied gering ist, ist der Kontrast zum Hintergrund so schwach, dass eine Monochromkamera wahrscheinlich keine korrekte Erkennung liefert.

• 1
  Aufnahme mit Farbkamera
• 2
  Farbverarbeitetes Bild – intern wird der Farbkontrast zwischen Gelb und Weiß in einen Helligkeitsunterschied umgewandelt
• 3
  Kontrastbild des Defekt-Tools – zeigt, dass eine stabile Erkennung bei tatsächlichen Prüfungen mithilfe der Farbverarbeitung möglich ist
• 4
  Vergleichsaufnahme mit Monochromkamera

Maßprüfung von Metallteilen im Durchlicht

Monochromkameras haben jedoch auch einige Vorteile gegenüber Farbkameras. Bei Maßprüfungen im Durchlicht, wie links dargestellt, sind Monochromkameras ideal, da hier ein großer Kontrastunterschied vorliegt.
Darüber hinaus verwenden Farbkameras einen Bayer-Filter, bei dem jedes Pixel auf die benachbarten Pixel angewiesen ist, um vollständige Farbinformationen zu erhalten. Dadurch sind Farbkameras im Allgemeinen weniger genau als Monochromkameras für dimensionale Messungen, die auf Kanten basieren.

Achten Sie bei der Auswahl des Bildsensors darauf, ob die Prüfmerkmale einen Farbton- oder eine Helligkeitsvariation aufweisen!

Kameras für die industrielle Bildverarbeitung können bei gleicher Pixelanzahl unterschiedliche Bildübertragungsgeschwindigkeiten aufweisen.
Beispiel: Bei einem 310.000-Pixel-Sensor

• Standardmodell: Übertragungszeit 16,0 ms
• High-Speed-Modell: Übertragungszeit 1,7 ms

Noch höhere Geschwindigkeiten sind durch die Teilbild-Erfassungsfunktion möglich.
Vorteile von High-Speed-Kameras:

• Besonders effektiv für schnelle Produktionslinien
• Auch bei normalen Geschwindigkeiten von Vorteil

Vorteile der Auswahl einer High-Speed-Kamera
Neben kürzeren Prozesszeiten ermöglicht eine High-Speed-Kamera auch eine stabile Bildverarbeitung.

Kompaktkameras sind besonders kleine, verfügen aber über die gleichen Spezifikationen wie größere Kameramodelle. Verfügbar sind Standard- und hochauflösende (2 MP) Kompaktkameras, sowohl Farb- als auch Monochromversionen. Ihr Hauptvorteil ist die effiziente Nutzung des begrenzten Installationsraumes, insbesondere bei der Nachrüstung in bestehenden Anlagen, ohne dass Änderungen an der Maschine vorgenommen werden müssen.

Berechnung des benötigten Installationsraumes
Der gesamte Installationsraum einer Kamera setzt sich zusammen aus A: Arbeitsabstand (Entfernung zwischen Objektivvorderkante und Werkstück) B: Objektivgröße C: Kameragröße und D: Kabelbereich, einschließlich Biegungen.
Beispiel: Einsatz einer Standardkamera mit Objektiv, Brennweite 6 mm und Sichtfeld 30 mm

Für diese Installation wird ein Raum von 215 mm nach oben benötigt.
A + B + C + D = 215 mm

• 1
  40 mm
• 2
  40 mm
• 3
  50 mm
• 4
  85 mm

Eine erhebliche Platzersparnis kann erzielt werden, indem eine Kompaktkamera mit einem Seitenabstast-Aufsatz kombiniert wird, wenn die ursprünglichen 215 mm nicht verfügbar sind.
Der benötigte Installationsraum beträgt dann nur noch 45 mm für A + B:

• 1
  30 mm
• 2
  15 mm

Auswahl von Kompaktkameras basierend auf dem vorhandenen Installationsraum.
Damit keine unnötigen Änderungen an der Produktionsmaschine vorgenommen werden müssen, sollte eine Kompaktkamera entsprechend dem verfügbaren Installationsraum ausgewählt werden.

Der Kameratyp ist ein zentrales Element der Bildverarbeitung und entscheidend für eine stabile Inspektion. Die folgende Übersicht fasst die verfügbaren Kameratypen zusammen:

• [Schritt 1] Auswahl nach Auflösung: Wie viele Pixel werden benötigt, um die geforderte Genauigkeit zu erfüllen?
• [Schritt 2] Auswahl nach Übertragungsgeschwindigkeit: High-Speed-Typ wählen, wenn hohe Geschwindigkeit oder stabilere Verarbeitung erforderlich ist.
• [Schritt 3] Auswahl nach Kameragröße: Kompakt-Typ wählen, wenn der Installationsraum begrenzt ist.
• [Schritt 4] Auswahl nach Bildsensor-Typ (Farbe/Monochrom): Farbkameras wählen, wenn Farbtonunterschiede erkannt werden sollen.