Kamera-Messsystem Exakt unrund

Zum Produktportfolio des techischen Unternehmens FCC PS gehört unter anderem ein Machine-Vision-System, das den Durchmesser und die Ovalität von Produkten mit zylindrischen Formen misst. So werden zum Beispiel die Profildurchmesser von strukturellen Hohlprofilen wie Stahlrohren geprüft, für die ein exakt kreisförmiger Querschnitt angestrebt wird.

Aufgrund von Fehlern in der Produktion treten jedoch immer Abweichungen vom idealen runden Querschnitt auf und führen zu Ovalen. So kann sich die Ovalität zum Beispiel erhöhen, wenn die formgebenden Werkzeuge Verschleißspuren zeigen und dadurch nicht mehr präzise genug arbeiten. Gerade Hohlstrukturen sind eine besondere Herausforderung in der Fertigung: Sie werden typischerweise kontinuierlich, also ohne Unterbrechung, produziert. Daher gibt es keine Möglichkeit, sie zu drehen, um ihren maximalen und minimalen Durchmesser zu prüfen. Also muss das Messsystem sehr schnell die Ovalität anhand weniger Durchmessermessungen ermitteln.

Die Augen des Systems

FCC PS entwickelte eine Lösung, in der das gemessene Profil durch Messkopfrollen läuft, wo es in parallel gerichtetem Licht von einer hochauflösenden Kamera aufgenommen wird, die mit einem telezentrischen Objektiv ausgestattet ist. Diese Konfiguration ermöglicht eine kontinuierliche Messung sich bewegender Profile mit verschiedenen Durchmessern. In dieser konkreten Anwendung wurden drei acA2000-50gm-Flächenkameras von Basler mit GigE-Schnittstelle integriert. Mit einer Auflösung von 2048 x 1088 Pixeln und einer Bildrate von 50 Bildern pro Sekunde erfüllen die Kameras die Anforderungen an Detailerkennung und hohe Geschwindigkeit, die nötig sind um die Messungen präzise durchzuführen. Wichtig bei der Konzeption der Systemlösung war außerdem, dass die Kameras kompatibel zur FCC-Software sein mussten. Diese verarbeitet die Bilddaten der Flächenkameras weiter, die notwendigen Ergebnisse der Messungen können durch die Software dargestellt und analysiert werden.

Die Norm CSN EN 10210-2 verlangt zum Feststellen der Ovalität eine Messung des Profildurchmessers in drei radialen Richtungen. Auf Basis dieser drei Datensätze lässt sich mithilfe mathematischer Verfahren sehr schnell – zum Beispiel alle 50 ms – ein Ovalitätswert berechnen. Mit der entsprechenden Abtastfrequenz von 20 Hz kann ein Stab, der sich mit einer Geschwindigkeit von 1 m/s bewegt, alle 50 mm gemessen werden. Die Differenz zwischen dem maximalen und dem minimalen Durchmesser, also die absolute Ovalität, lässt sich mit einer Genauigkeit von 5 µm erhalten.

Messen auch bei Bewegung

Das Besondere an dieser Methode ist, dass sie aufgrund ihrer Messkonstruktion die Ovalität auch bei Objekten in Bewegung erkennen kann. Da die Objekte nicht in einer exakten Position fixiert werden müssen, um sie genau zu vermessen, eignet sich dieses Verfahren auch für Verschleißprüfungen von Wellen, Kollektoren, Kommutatoren und anderen zylindrischen Objekten. Einzige Bedingung ist, dass das gemessene Objekt mit der Messkopfachse ausgerichtet sein muss.

Grundsätzlich können Anlagen auf diese Weise die Rundheit im Sinne jeglicher Abweichungen vom runden Profil prüfen, so wie sie zum Beispiel in Ausbuchtungen an Kabelgehäusen auftreten. Weniger empfindlich hingegen ist sie gegenüber konkaven Abweichungen, wie sie bei Vertiefungen oder Eindrücken in einem Profil zu finden sind. Um diese Art von Mängeln präzise erkennen zu können, muss man alle notwendigen möglichen Erkennungsverfahren anhand echter Objektproben aus der laufenden Produktion finden und entsprechende Anpassungen des Messkopfes vornehmen.