Fachartikel: Mehr Präzision und Tempo bei Vision-Systemen mit Robotik

Mitutoyo legt die Messlatte in der Qualitätssicherung mal wieder höher. Der Premium-Messtechnikhersteller bietet Anwendern nun die Möglichkeit, seine innovative Lösung Taglens an Roboterarme anzupassen.

Produkte der Taglens-Serie (Tunable Acoustic Gradient Index of Refraction Lens) eignen sich in besonderer Weise für Prüfanwendungen. Die Taglens für sich genommen ist schon außergewöhnlich, denn sie verbessert anspruchsvolle statische Inspektionsaufgaben bereits entscheidend – in Kombination mit einem Roboterarm liegt jedoch das eigentlich verborgene Potenzial. Mit ihrer Fähigkeit, Bilder mit bis zu 22-fach erweiterter Schärfentiefe eines Objektivs zu erzeugen, eignet sie sich in besonderem Maße für Anwendungen mit Industrierobotern. Die Möglichkeiten, Bewegungsabläufe der Arme zu minimieren, Inspektionen zu verbessern sowie die Einrichtung und Programmierung für den Nutzer zu vereinfachen, machen die Lösung für alle Branchen attraktiv.

Mitutoyo Robotag bei der Inspektion einer Turbinenschaufel.
Mitutoyo Robotag bei der Inspektion einer Turbinenschaufel.Bild: Mitutoyo Europe GmbH

Reichweite vergrößert

Industrierobotersysteme mit ausgezeichneter Wiederholgenauigkeit kommen häufig zur Beobachtung bestimmter Abschnitte von Werkstücken zum Einsatz. In diesem Aufbau hat der Roboterarm, an dem die Taglens installiert ist, eine Wiederholgenauigkeit von 20µm: In typischen Robot-Vision-Systemen ein hervorragender Wert, um den genauen Abstand und die exakte Positionierung für Autofokus-Einstellungen zu liefern, bevor ein Bild aufgenommen werden kann. Mit der Anwendung des ultraschnellen Taglens steigt die Effizienz solcher Inspektionen entscheidend. Das Besondere an der Linse ist ihre Fähigkeit, unabhängig von Höhenunterschied, Positionstoleranzen oder gekrümmten Oberflächen immer im Fokus zu stehen. Infolgedessen sind keine beweglichen Teile entlang der optischen Achse mehr nötig – und das erhöht den Prüfdurchsatz deutlich.

Bei Inspektionssystemen mit physikalisch begrenzter Schärfentiefe kann es vorkommen, dass Bilder oder Bildteile nicht immer im Fokus sind. Dies ist bei der Verwendung des Robotag aufgrund seiner erweiterten Schärfentiefe nahezu ausgeschlossen. Dank Mitutoyos Software mit EDOF-Funktion (Extended Depth Of Focus) und der Möglichkeit, die Brennweite mit hoher Geschwindigkeit zu scannen, sind alle erfassten Objekte scharf abgebildet.

In Kombination mit einem Algorithmus lässt sich die Software in einzigartiger Weise mit dem Einsatz von KI (künstlicher Intelligenz) zu einem automatischen Fehlererkennungssystem kombinieren. Es eignet sich dann selbst für industrielle Inspektionsaufgaben mit besonders hohem Durchsatz. Diese spezielle Anwendung ist nicht nur ein Merkmal des Robotag allein, sondern kann durch die Anpassung der Taglens an jedes Robotersystem durchgeführt werden. Taglens bietet entscheidende Vorteile bei automatisierten Bildverarbeitungssystemen gegenüber herkömmlichen Objektiven und ist bei der Verbesserung bestehender Anwendungen im gesamten industriellen Sektor bisher konkurrenzlos.

Unschlagbares Paar

Beide Hauptkomponenten ergänzen sich in dieser Kombination hervorragend, ihre Leistungsfähigkeit verdankt die Lösung aber vor allem der Taglens. Ihre Fähigkeit, Bildabstand, Arbeitsabstand und Schärfentiefe zu verbessern, ist im Vergleich zu herkömmlichen Linsensystemen überragend.

Die Funktionsweise beruht auf dem beeindruckend innovativen physikalischen Prinzip der Taglens: Es wird eine Flüssigkeit auf Silikonbasis verwendet, die speziell aufgrund ihrer thermischen und viskosen Eigenschaften ausgewählt wurde sowie wegen der Art und Weise, wie einfallendes Licht sie durchdringt. Die Taglens generiertin dieser optisch transparenten Flüssigkeit in der Mitte unterschiedliche Dichten, um die Lichtstrahlen beim Durchgang zu beeinflussen – genau wie bei Glaslinsen.

Querschnitt der innovativen Lösung Taglens
Querschnitt der innovativen Lösung Taglens – Bild: Mitutoyo Deutschland – Katja Geisler

Da das Element der Linse flüssig ist, ist eine definierte konstante Dichteänderung nicht durch Kompression möglich und kann auch durch Temperaturänderungen nicht präzise genug gesteuert werden. Die lokale Dichte eines gasförmigen oder flüssigen Mediums hingegen kann mithilfe von Schallwellen beeinflusst werden. Die oszillierende Schallfrequenz kann zwischen 50 und 500kHz liegen und Wellenfronten bilden, die sich aus entgegengesetzten Richtungen durch die Flüssigkeit ausbreiten. Daraus folgen Interferenzen, die zu einer stehenden Welle führen. Das bedeutet, dass die in beiden Richtungen erzeugten Wellen in der Mitte zusammentreffen, wo die Amplitudenverstärkung deutlich größer ausfällt als in den äußeren Bereichen.

Unter Verwendung eines Piezorings der einen Hohlraum umschließt, in dem das flüssige Medium eingeschlossen ist, werden akustische Schwingungen in radialer Richtung gesendet. Die durch Interferenz resultierende stehende Welle, die die Dichteschwankung und damit den Brechungsindex moduliert, wird durch eine Besselfunktion beschrieben, die sich im Zentrum ähnlich wie eine parabolische Linse verhält.

Die innovative Taglens wirkt also praktisch wie eine ideal funktionierende parabolische Linse und bündelt Lichtstrahlen genau in einem Brennpunkt. Durch Anpassung der Amplitude ändert sich die Stärke der Krümmung, während die parabolische Form der Dichteverteilung erhalten bleibt. Durch das Verschieben des perfekten Brennpunkts mit hoher Geschwindigkeit zwischen Minimum und unendlich, wird die Linse varifokal. Dann scheint das erzeugte Bild wiederum alles im Fokus zu haben, unabhängig von Entfernung oder Ausrichtung.

Robotergestützte Anwendungen erhöhen die Effizienz und Produktivität auch bei Inspektionsprozessen.
Robotergestützte Anwendungen erhöhen die Effizienz und Produktivität auch bei Inspektionsprozessen.Bild: Mitutoyo Europe GmbH

Dies ist äußerst vorteilhaft für zahllose Aufgaben, die große Mengen an Informationen aus einer einzigen Perspektive benötigen, wie Hochgeschwindigkeitsinspektion, Mikroskopie, automatisches Fahren und so weiter. Da sich die Effizienz damit wesentlich verbessert und die Kosten in vielen Systemen sinken, scheinen die möglichen Anwendungen nahezu endlos zu sein.

Gepulstes Licht: 70.000 Mal pro Sekunde

Als Add-on für den Robotag erhältlich: eine speziell entwickelte breitbandige gepulste Lichtquelle (PLS) zur automatischen Fokuskontrolle durch Synchronisation an die hohen Frequenzen der Taglens. Da das vom Controller ausgegebene Impulssignal für die PLS mit der Taglens-Resonanzfrequenz synchron läuft, lässt sich die beobachtete Tiefenposition durch einfache Phasenverstellung ändern. So ist es möglich, bei sequenzieller Variation der Phase durch Einschalten der gepulsten Lichtquelle die gewünschten Fokuspositionen einzustellen. Dadurch entsteht nicht nur ein Bild, bei dem alles scharf dargestellt ist, sondern auch die Möglichkeit, selektiv Ebenen entlang der Höhe der Probe abzutasten und ein 3D-Bild zu rekonstruieren.

Die gepulste Lichtquelle optimiert visuelle Inspektionen entscheidend und ergänzt die bereits leistungsstarke Taglens um viele neue Funktionen.
Die gepulste Lichtquelle optimiert visuelle Inspektionen entscheidend und ergänzt die bereits leistungsstarke Taglens um viele neue Funktionen.Bild: ©Katja Geisler/Mitutoyo Deutschland GmbH

Jedes Bild wird mithilfe des externen Triggermodus aufgenommen, wobei das Licht auf die entsprechenden Amplitudenposition der Taglens gepulst wird. Perfekt für unterschiedlich hohe Objekte, wirft dies buchstäblich ein ganz neues Licht auf geneigte oder abgestufte Arbeitsabschnitte. Mit Mitutoyos neuester Software-Version von Tagpak lassen sich diese Mehrfachbilder mit hoher Frequenz beobachten und der Anwender erhält eine Software zur Fehlererkennung mit verschiedenen spezifischen Optionen.

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