Optische Oberflächeninspektion

Endoskopie-System des Fraunhofer EZRT
© Fraunhofer IIS
Mithilfe von Endoskopie können wir vollständige automatische Oberflächeninspektionen durchführen.

Viele Werkstücke aus dem Automobil- und Maschinenbau, der Luft- und Raumfahrt oder der Medizintechnik besitzen funktionale, innere Oberflächen, die nur mittels Endoskopie auf Fehler hin untersucht werden können. Die Verwendung von Videotechnik in Verbindung mit Endoskopie sowie geeigneter Beleuchtung macht hierbei zunächst die ergonomische Online-Visualisierung für den Prüfvorgang möglich.

Der Einsatz digitaler Technik erlaubt aber weit mehr: Die vollständige automatische Oberflächeninspektion von Bohrungen, Hohlräumen von Werkstücken aus Metall, Kunststoffen, etc. Eine 100-prozentige, prozessintegrierte Serienprüfung mit hohen Stückzahlen und kurzen Taktzeiten wird so möglich.

Am Fraunhofer EZRT ist langjähriges Know-how, spezielle Kameratechnik und Beleuchtung vorhanden. Damit kann die Lösung solch schwieriger Prüfaufgaben zuverlässig und präzise durchgeführt werden. Die Kernstücke des neuen, vollautomatischen Bohrungsprüfsystems sind eine neuartige Bohrungssonde sowie eine neuartige Software. Damit ist nun auch die Inspektion von kleinen Sack-Bohrungen möglich.

Systemlösung PanCam

Die Systemlösung PanCam besteht aus einer Bohrungssonde und einem damit verbundenen Rechner zur automatischen Auswertung der gewonnenen Signale. Der Rechner verfügt über Prozess-Schnittstellen, so dass eine automatisierte Protokollierung und Sortierung der geprüften Werkstücke erfolgen kann. Die Bohrungssonde arbeitet Kamera-basiert nach bildgebenden Prinzipien. Ihre wesentlichen Komponenten sind dabei:

  • der bildgebende Sensor (Videokamera),
  • die miniaturisierte Abbildungsoptik (Endoskop),  zur Abbildung der inneren Oberflächen auf den Sensor sowie
  • eine geeignete, miniaturisierte Beleuchtungsvorrichtung (LED oder Kaltlicht).

Zur automatisierten Betriebsweise wird die Bohrungssonde mittels einer Rechner-gesteuerten, motorisierten Linearachse in die Bohrung eingeführt. Während der Ein- bzw. Ausfahrt in der Bohrung werden Bilder der inneren Oberflächen in Form kurzer Videosequenzen aufgezeichnet. Die Innenflächen werden dabei mit Hilfe spezieller 360°-Optiken lückenlos rundum erfasst, so dass sie ohne Drehung der Bohrungssonde, einfach durch lineares Befahren der Bohrung, vollständig aufgenommen werden können. Dadurch ist eine sehr schnelle Datenaufnahme in wenigen Sekunden möglich. Durch den Einsatz hochempfindlicher Hochgeschwindigkeitskameras wird die Prüfgeschwindigkeit weiter gesteigert. Um eine optimale Bildqualität bei stark unterschiedlichen Aufgabenstellungen zu erzielen, müssen Videokamera, Abbildungsoptik und Beleuchtung jeweils angepasst werden. Da die Bildqualität abhängig vom Durchmesser der Bohrungssonde (größerer Durchmesser bedeutet höhere Bildqualität) ist, wird je nach Prüfobjekt immer der größtmögliche Sondendurchmesser gewählt. Die vorzugsweise Verwendung von Standardkomponenten sorgt für eine hohe Modularität des Systems. So besteht die Plattform des Auswertungsrechners aus einem Industrie-PC unter dem Betriebssystem MS Windows®. Die Auswerte-Software analysiert die von der Kamera der Bohrungssonde erzeugten Videosequenzen blitzschnell. Intelligente Algorithmen »klappen« den gescannten Innenraum auf und bilden ihn auf eine ebene Fläche ab. Verschiedene Prüfkriterien können somit automatisch, gleichzeitig und schritthaltend mit dem Fertigungstakt an einem Werkstück präzise analysiert werden.

Anwendungsbeispiel: Bohrungsprüfung

  • Prüfobjekte: Bohrungen von 2–50 mm Durchmesser
  • Oberflächen: Metalloberflächen bearbeitete
  • Fehlertypen: Lunker, Poren (Guss), Kratzer, Kantenausbrüche
  • Fehlergröße: > 0,1 mm (abhängig von Bohrungsdurchmesser)
  • Prüfgeschwindigkeit: ca. 3 Sekunden für die Erfassung einer 100 mm tiefen Bohrung
  • Bildgewinnung: Bildgebende Bohrungssonde mit Hochgeschwindigkeitskamera (bis zu 500 Bilder/s) und Endoskop mit Panorama-Optik
  • Rechner: Kompatibler Industrie-PC (Windows-Betriebssystem)

Anwendungsbeispiel: Prüfung unregelmäßig geformter, komplexer Hohlräume

  • Prüfobjekte: Hohlräume mit einem Zugang > 2 mm Durchmesser
  • Oberflächen: Technische Oberflächen aus Metall, Kunststoff, Keramik, etc
  • Fehlertypen: Oberflächendefekte, sonstige Anomalien verschiedener Ausprägung
  • Fehlergröße: > 0,1 mm (abhängig von Bohrungsdurchmesser)
  • Prüfgeschwindigkeit: ca. 3 Sekunden für die Erfassung einer 100 mm tiefen Bohrung
  • Bildgewinnung: Bildgebende Bohrungssonde mit Hochgeschwindigkeitskamera (bis zu 500 Bilder/s) und Problem-angepasstem Endoskop
  • Rechner: Kompatibler Industrie-PC (Windows-Betriebssystem)

  • Prüfobjekte: Bohrungen und Hohlräume mit einem Zugang > 2 mm Durchmesser
  • Fehlertypen: Oberflächendefekte verschiedener Ausprägung
  • Fehlergröße: > 50 µm (abhängig von Bohrungsdurchmesser)
  • Prüfgeschwindigkeit: Werkstück-abhängig, ca. 3 Sekunden für die Erfassung einer 100 mm tiefen Bohrung
  • Bildgewinnung: Bildgebende Bohrungssonde mit Hochgeschwindigkeitskamera (bis zu 500 Bilder/s) und Problemangepasster Abbildungsoptik, z. B. Endoskop
  • Rechner: Kompatibler Industrie-PC (Windows-Betriebssystem)

Vorteile und Nutzen

  • Serienprüfung durch hohe Prüfgeschwindigkeit und verwendete Panoramaoptik
  • Parallele Prüfung von unterschiedlichen Kriterien sowie unterschiedlicher Oberflächenbereiche in einem Prüfvorgang
  • Vollständige Automatisierung des Prüfprozesses
  • Darstellung und Protokollierung von Prüfergebnissen für Qualitätszertifizierung
  • Hohe Wirtschaftlichkeit durch hohe Taktraten und geringe Prüfzeiten
  • Zusätzliches Plus: Prozessüberwachung der Werkzeuge