Thermografie in der Bildverarbeitung


Diese Webseite gibt Ihnen einen Überblick über das Thema Thermografie mit Bildverarbeitungskomponenten von Vision & Control


Wo wird Thermografie angewandt?

Mittels Thermografie lässt sich Wärmestrahlung sichtbar machen. In Prozessen in denen Wärme eine Rolle spielt ist dies ein einfaches und direktes Mittel.

Zwar kommt ein großer Teil der Thermografieentwicklung aus dem militärischen Bereich, da sich Personen, Fahrzeuge und Flugzeuge hervorragend erkennen lassen, aber industrielle Prozesse mit Temperatureinwirkung sind nicht weniger verbreitet.


Bereiche bei denen Temperatur im Prozess entsteht sind zum Beispiel:

 

  • Kunststoffspritzguss
  • Druckguss
  • Löten
  • Schweißen
  • Versiegeln von Siegelbeuteln
  • Verschließen von Lebensmittelverpackungen
  • Warmumformung
  • Laserschneiden
  • Prozesse mit aktiver Kühlung
  • Konservieren durch Hitze
  • Verschmelzen von Kunststoffen

Der wesentliche Vorteil ist, dass bei gleichbleibenden Oberflächenmaterialien die Temperatur anhand der Wärmeausstrahlung direkt ermittelt werden kann. Schon 5°C Unterschied liefern einen zuverlässigen Kontrast.

Auf eine aktive Beleuchtung kann verzichtet werden. Da die Hauptarbeit der Bildverarbeitung sprichwörtlich in der Ermittlung einer passenden Beleuchtung liegt, ist Thermografie in temperaturbehafteten Szenen eine große Vereinfachung der Lösung.


Applikationsbeispiele


Schicke Ausstattung im PKW

Thermografie im Kunststoffspritzguss - die Prüfung großer Kunststoffteile für Autos ist eine herausfordernde Aufgabe.

Im Auto sind immer mehr große Teile aus Plastik enthalten: Mittelkonsolen, Stoßstangen, Armaturenbretter aber auch diverse Verkleidungselemente, sowie deren versteckte Träger.

Defekte Rastnasen, Überspritzungen und fehlendes Material kann bei später Entdeckung teure Folgen für den Automobilzulieferer haben.

Ein innovativer Ansatz ist die Prüfung großer Bauteile direkt nach dem Spritzen. An dieser Stelle entnimmt ein Roboter das Teil aus der Form und hält es vor der Ablage auf ein Förderband vor eine Wärmebildkamera. Um die Details sichtbar zu machen, werden verschiedene Detailpositionen nacheinander angefahren. Damit können die letzte Füllstelle, Rastnasen, der Einspritzpunkt und funktionsrelevante Details 100% kontrolliert werden.

Da das Teil selbst noch warm ist, kann mit Wärmebildkameras für alle Bauteiltypen leicht ein aussagekräftiges Bild erzeugt werden. Dies ist ein großer Einrichtungsvorteil, da die Beleuchtungsauslegung für verschiedene Bauteile sehr fehleranfällig und aufwändig ist.

Zudem sind Rastnasen, die vor einem Material positioniert sind, mit klassischen Beleuchtungen nicht zuverlässig prüfbar. Durch die Betrachtung der Wärmeverteilung des Bauteils ist dies aber mit Wärmebildkameras leicht möglich, da Rastnasen gegenüber massivem Material wesentlich schneller auskühlen und damit ein Kontrast zum Hintergrund entsteht.

Durch das einfache Konzept mit webHMI kann der Endkunde schnell selbst neue Bauteile anteachen.

In Zusammenarbeit mit Industriethermografie Schweiger wurde eine Lösung erarbeitet, die schneller und zuverlässiger als alle uns bekannten Systeme am Markt ist.

Das System wurde standardisiert und unter dem Namen „ThermoInspection“ beworben.

Branche:

Automotive (Kunststoffspritzguss)

Verwendete Komponenten:

 
  • vicosys® 5400  Mehrkamerasystem mit 4x PoE und webHMI
  • vcwin®-Bediensoftware
  • 1x FLIR Ax5 - Kamera für die Temperaturüberwachung
 

Kunde/Systempartner:

Magna HIG / Industriethermographie Schweiger


Glühendes Blech im Pressenraum

Lagekontrolle von Blechen im Warmformungsprozess.

Um kraftstoffsparende leichte Karosserieteile zu fertigen, kommt zunehmend die Warmumformungstechnologie zum Einsatz. Dabei werden die Bleche zuerst erhitzt, dann in einer Presse in einem Schritt in Form gebracht, gehärtet und auf Maß geschnitten.

Es ist dabei wichtig, dass die Bleche stehts korrekt eingelegt werden, da sonst das teure Presswerkzeug beschädigt werden kann.

Der Einsatz von Wärmebildkameras ermöglicht eine absolut sichere Erkennung von Fehllagen in einer sonst sehr staubigen Umwelt. In Kombination mit dem zuverlässig reagierenden Bildverarbeitungssystem vicosys® bildet die Presse eine perfekte Einheit.

Das System kann binnen weniger Millisekunden über ein Signal das Schließen des Werkzeugs verhindern und damit einen großen Schaden verhindern.

In einem zweiten Schritt kann nach der Entnahme der Teile aus dem Pressenraum geprüft werden, ob noch heiße Schrottteile im Pressenraum liegen geblieben sind. Auch diese können die Mechanik verklemmen und den nachfolgenden Pressvorgang stören.

In Zusammenarbeit mit Industriethermografie Schweiger wurde eine Lösung erarbeitet, die schneller und zuverlässiger als alle uns bekannten Systeme am Markt ist.

 

Branche:

Automotive (Warmumformung)

Verwendete Komponenten:

 
  • vicosys® 5400 Mehrkamerasystem mit 4x PoE
  • vcwin®-Bediensoftware
  • 2 x FLIR Ax5 - Kamera für die Temperaturüberwachung
  • 2 x Basler ace - Kamera für Schrottkontrolle
 

Kunde/Systempartner:

Volkswagen AG / Industriethermographie Schweiger


Ist Thermografie kompliziert?

 

Für die meisten Bildverarbeitungsexperten ist der Einsatz von Thermografie noch sehr neu. Um den Einstieg zu vereinfachen, hat  Vision & Control eine Kooperation mit dem bewährten Wärmebildkamerahersteller Flir gestartet. Durch intensive Zusammenarbeit ist es gelungen, dass die relevante Industriekameraserie Flir Ax5 durch Plug & Play mit dem Vision System vicosys® zusammenarbeitet.  

Hier kann die Kamera nach dem normalen Ethernet-Kabel verbunden werden und dann das Bild über die üblichen vorgefertigten Bildaufnahmekommandos in der Parametriersoftware vcwin direkt eingezogen und verarbeitet werden.

Es gibt ein paar Sonderbefehle für die Messung von Temperatur, der Auswahl des dargestellten Temperaturbereichs und die Steuerung der Selbstkalibrierung (NUC).

 

Non-Uniformity-Correction (NUC)

 

Da die Kameras selbst warm wird, würden die Messwerte der wärmeempfindlichen Pixel nach dem Anschalten der Kamera aus dem Ruder laufen. Um diese wieder auf die bekannte Temperatur zu bringen, kann ein kleines Blech vor den Sensor geschoben, und alle Pixel auf die Temperatur eines Sensors auf dem Blech kalibriert werden. Dieser Schritt dauert nicht lange, sollte aber im Prüfprogramm gelegentlich alle 20 bis 30 Minuten ausgelöst werden. Da der Zeitpunkt nicht genau während einer Messung erfolgen soll, kann dies durch den Prüfprogrammeditor vcwin an eine durch den Anwender festzulegende Stelle platziert werden. Typisch sind zwei Stellen: Beim Start der Anlage und gelegentlich nach einer Messung.

 

Spreizung

 

Im Gegensatz zu visuellen Kameras verfügen Wärmebildkameras nicht über eine Belichtungszeit. Sie arbeiten immer mit einer festen Aufnahmedauer. Der aufgenommene Temperaturbereich ist aber ziemlich groß und reicht von –50 °C bis 600 °C. Um zu einem kontrastreichen Bild zu kommen, muss der verwendete Bereich sinnvoll eingegrenzt werden. Dieser Bereich (z.B. 30 – 80 °C) ist die eingestellte Spreizung.

 

Emissionsgrad

 

Der Emissionsgrad beschreibt das Maß, mit dem Strahlung an der Grenze der Oberfläche durchgelassen wird. Der nicht durchgelassene Anteil wird zurück in den warmen Körper reflektiert. Ein Wert von 100 % bedeutet, dass alle Strahlung durch die Trennschicht durchgelassen wird. D. h. bei Wärmebildkameras kann man die Temperatur der Materialien mit einem Emissionsgrad von 100 % direkt durch die Umrechnung der empfangenen Strahlung messen.

Interessanterweise gilt der Emissionsgrad für beide Richtungen. Materialien mit einem Emissionsgrad nahe 0 % sind Spiegel. Die Aussage über die Temperatur kann nur getroffen werden, wenn die Umgebung extrem konstant ist. Glücklicherweise haben die Kunststoff-Materialien auf Leiterplatten einen recht hohen Emissionsgrad. Damit ist diese Prüfung der Chiptemperaturen eine recht unkomplizierte Sache.

 

Was tun wenn der Emissionsgrad unbekannt ist?

 

Um die echte Temperatur zu ermitteln kann einmalig durch geeignete schwarzmatte Farbe ein Teil eines Prüfobjekts auf annähernd 100% gesetzt werden. In dieser künstlichen Szene spielen Reflexionen keine Rolle und die Temperatur kann direkt ermittelt werden. Der Emissionsgrad kann so eingestellt werden, dass die in nichtlackierten Bereich gemessene Temperatur der Temperatur im lackierten Bereich entspricht.

Eine Alternative für diesen Prozess bieten taktile Temperaturfühler.

 


Warum sind Thermografielösungen im Vergleich zu visueller Inspektion am Markt so teuer?

 

Dies ist ein weit verbreiteter Irrtum. Da bei einer Thermografie-Lösung die Beleuchtung in der Regel entfällt, sind die Hardwarekosten mittlerweile vergleichbar zu traditionellen visuellen Inspektionen.

Ein erheblicher Unterschied stellen jedoch Kosten der Arbeitszeit dar. Thermografie ist noch ein neuer Markt, den sich die Spezialisten gut bezahlen lassen.


Warum sind Objektive aus Glas ungeeignet?

 

 

Da typische optische Materialien, wie z. B. Glas die Wärmestrahlung nicht durchlässt sind Linsen aus einem speziellen Material notwendig.

Praktisch durchgesetzt haben sich für diese Art von Kameras Linsen aus dem Halbleiter Germanium. Preiswerte Systeme verwenden Linsen aus einem für infrarot transparenten Plastikkörper mit einer Germaniumbeschichtung.

Die komplexe Germaniumoptik ist bei der FLIR Ax5 Serie schon bereits in die Kamera integriert. Für den passenden Arbeitsabstand ist dabei zwischen verschiedenen Bildwinkeln wählbar.

Aus dem Bildwinkel ergibt sich das Objektfeld.


Wie erstelle ich ein Prüfprogramm?

 

 

Mit der etablierten vcwin-Software zur Erstellung eines Prüfablaufs kann nun einfach mit dem Bildaufnahme-Kommando ein Bild eingezogen und mit einem weiteren Befehl die Temperatur eines Prüfbereichs kontrolliert werden. Natürlich sind ebenfalls alle bekannten Bildverarbeitungsbefehle anwendbar (Muster vergleichen, Abstände messen, …). Auch die speziellen Befehle muss man jedoch bei dem Einsatz von Wärmebildkameras im Vergleich zu normalen Kameras beachten:

NUC, Spreizung und Emissionsgrad.

 

  

 

           Anwendungen mit Flir-Kameras und vicosys®

 


Export

 

 

Da Wärmebildkameras für militärische Zwecke genutzt werden können, unterliegen Wärmebildkameras Exportbeschränkungen. Diese Hürde ist jedoch kein wirkliches Problem. Beim Export außerhalb der EU muss eine Exportgenehmigung und eine Endverbleibserklärung ausgefüllt werden.


Welche Kameras werden unterstützt?


Wie fange ich nun an?

 

Die Basis unserer Komponenten für den Thermografiebereich ist das vicosys® 5300 bzw. vicosys® 5400 mit FLIR Ax5. Wichtig ist die Berücksichtigung der Thermografie-Lizenz zur Freischaltung der Zusatzbefehle (NUC).

 

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