Entwicklung eines automatisierten Bremseninspektionssystems mit LabVIEW und NI-Bildverarbeitungstechnologien

"Jedes Mal, wenn wir einen neuen Algorithmus erstellten oder einen bestehenden änderten, mussten wir ihn mit hunderten Bildern von Bremssätzen validieren, um sicher zu sein, dass er für den gesamten Mustersatz verlässlich war. Der NI Vision Builder mit seinen Stapelverarbeitungsfunktionen erwies sich als unverzichtbares Werkzeug für diese Aufgabe."

- A. Ashok Kumar, Soliton Automation Private Limited

Die Aufgabe:

Entwicklung eines zuverlässigen Bildverarbeitungssystems für die automatisierte Prüfung von Trommelbremsen, das Abweichungen bei Beschaffenheit, Glanz, Farbe und Schattierung der Bauteile sowie Unterschiede bei den Baugruppen erfassen kann.

Die Lösung:

Einsatz von Technologien von National Instruments für die Entwicklung der wesentlichen Bildverarbeitungsalgorithmen, die Validierung der erstellten Algorithmen mit einem großen Mustersatz und das Überwinden der aufgeführten Herausforderungen, um ein äußerst zuverlässiges Bildverarbeitungssystem zu erstellen.

Autor(en):

Anand Chinnaswamy - Soliton Automation Private Limited
P. Kannan - Soliton Automation Private Limited
A. Ashok Kumar - Soliton Automation Private Limited

 

Unser Kunde ist ein Tier-1-Automobilzulieferer von Trommelbremsen mit Kunden in Indien und weiteren Ländern. In der Vergangenheit hat der Kunde eine Reihe unterschiedlicher Bildverarbeitungssysteme für die Prüfung von Trommelbremsen getestet, allerdings mit wenig Erfolg. Das Hauptproblem bei den früheren Systemen bestand in deren Abhängigkeit vom Einsatz der Mustererkennung, die sich als unzureichend im Umgang mit stark unterschiedlichen und komplexen Baugruppen erwies.
The test requirements call for the detection of:

 

  • Vorhandensein verschiedener Bauteile
  • Falscher Einbau von Federn
  • Richtiges Einrasten bzw. Greifen der Bauteile
  • Richtung der Montage von gezahnten Bauteilen
  • Winkelausrichtung von Klammern
  • Position der Bremsbeläge
  • Vorhandensein von Gewinde bei bestimmten Bauteilen
  • Vorhandensein von Beschriftung
  • Vermessen von Durchmessern, Längen und Dicke

 

Unser Kunde suchte nach einem kosteneffizienten Testsystem, das die folgenden Anforderungen erfüllen konnte:

  • Flexibilität: die Fähigkeit, verschiedene Trommelbremsen zu testen
  • Zuverlässigkeit: zuverlässige und beständige Prüfergebnisse
  • Vernetzung: Testergebnisse sollen über das lokale Netzwerk zugänglich sein
  • Lieferung: kurze Lieferzeit von 10 Wochen für die gesamte Prüfstation
  • Kompakte Stellfläche: effiziente Nutzung wertvoller Fläche in der Fertigung

 

Wir entschieden uns für eine Sony-FireWire-Digitalkamera (1280 x 960 Pixel) mit einer Reihe programmierbarer Funktionen, darunter mehr als zwölf Parameter wie die Auswahl der Verschlusszeit und Filter, die wir über die Anwendungssoftware konfigurieren konnten. Als Schnittstelle zur Kamera verwendeten wir die Treibersoftware NI-IMAQdx.

 

Von Anfang an machte unser Kunde klar, dass er ein Bildverarbeitungssystem mit absoluter Flexibilität benötigen würde. Aufgrund früherer Erfahrungen war er davon überzeugt, dass gängige konfigurierbare Bildverarbeitungssysteme nicht geeignet seien. Eine Demonstration des National Instruments Vision Development Module von National Instruments überzeugte ihn allerdings, dass dies das richtige Produkt für seine Anwendung sei.

 

Kombinieren von Hard- und Software für Genauigkeit und Zuverlässigkeit

Die Bremsprüfstation besteht aus einem Rundschalttisch mit einer darauf montierten Befestigungsvorrichtung. Jede Art Bremssatz hat eine entsprechende Befestigung. Nachdem die Bremsbaugruppe manuell auf der Befestigung montiert wird, sorgt eine pneumatische Klemme dafür, dass sich die Baugruppe nicht verschiebt. Ein Mechanismus stellt sicher, dass die Bremsbacken mittig sind, bevor der Bildverarbeitungsprozess beginnt.



Es wurde eine hochauflösende IEEE-1394-Kamera mit entsprechender PCI-Karte eingesetzt. Ein softwaregesteuertes, motorbetriebenes Zoomobjektiv ermöglicht unserem Kunden die Nutzung der vollen Kameraauflösung für verschiedene Bremsenmodelle. Zudem setzten wir Polarisationsfilter ein, um die Blendwirkung stark reflektierender Bauteile zu reduzieren. Des Weiteren wählten wir hochfrequente Lichtquellen, deren Intensität wir mithilfe der Software steuern können.

 

Der Rundschalttisch sorgt dafür, dass alle vier Quadranten des Bremssatzes separat aufgenommen werden können, damit die verfügbare Auflösung erhöht werden kann. Die so erfassten Bilder werden zur Analyse auf den PC übertragen. Die anwenderspezifisch erstellte Software analysiert die Bilder mithilfe verschiedener Verfahren und löst den Markierungsmechanismus in Abhängigkeit davon aus, ob die Trommel akzeptiert wurde oder nicht.
Software spielte eine entscheidende Rolle beim Erfolg des Systems. Einige sichtbare Abweichungen bei den Komponenten werden, wie bereits erwähnt, bei einer Anwendung „unter der Haube“ als normal angesehen. Außerdem beeinflusst das Vorhandensein, Fehlen oder Ändern der Position der Komponenten im Hintergrund das Erkennen von Bauteilen. Auch das Bewegen der Bremsbacken, das zwar zu einem gewissen Grad vom Zentralisierungsmechanismus beschränkt wird, stellt eine Herausforderung dar.


Wir erstellten benutzerdefinierte Algorithmen, weil die Mustererkennung für die zuvor genannten Bedingungen unzuverlässig war. So entwarfen wir beispielsweise einen Algorithmus für die Erkennung des falschen Einbaus einer Feder. Immer wenn wir einen neuen Algorithmus erstellten oder einen bestehenden änderten, mussten wir ihn mit hunderten Bildern von Bremssätzen validieren, um sicher zu sein, dass er für den gesamten Mustersatz verlässlich war. Der NI Vision Builder mit seinen Stapelverarbeitungsfunktionen erwies sich als unverzichtbares Werkzeug für die Umsetzung dieser Aufgabe.

 

Zwar konnten wir keine neuen Algorithmen mithilfe dieser Methode erstellen oder verifizieren, aber wir stellten fest, dass sie aufgrund der erwähnten Abweichungen nicht zu 100 Prozent zuverlässig waren. Um sicher zu sein, dass das System gut funktionierte, setzten wir ein adaptives Verfahren ein, bei dem wir bestimmte Parameter im Algorithmus iterativ änderten, z. B. Schwellwerte, bis wir das Merkmal finden konnten. Falls wir am Ende des Durchlaufs die Funktion nicht fanden, schlossen wir daraus, dass es nicht vorhanden war. Ausgehend von den Bildern des Beispielsatzes waren wir in der Lage, einen Bereich zu identifizieren, den wir für diese iterativen Durchläufe nutzen konnten. Dadurch wurde die erforderliche Verarbeitungszeit verkürzt. Die Schwellwerte mussten iterativ von 50 auf 100 geändert werden, und zwar in Fünferschritten, bis ein einzelnes Teilchen eines bestimmten Bereichs übrig blieb.

 

Vollautomatisiertes System passt sich an Abweichungen bei Bauteilen an

Wir erstellten ein vollautomatisiertes Bremseninspektionssystem mithilfe der neuesten virtuellen Messtechnik und Bildverarbeitungstechnologie innerhalb eines Zeitraums von zehn Wochen. Dazu nutzten wir anwenderdefinierte, sich selbst anpassende Algorithmen, um eine zuverlässige Überprüfung unabhängig von den vielfältigen Abweichungen bei den Bauteilen sicherzustellen. Unser System, das auf NI-Produkten basiert, bietet unserem Kunden die Flexibilität, sowohl die zu überprüfenden Eigenschaften als auch die Kontrollkriterien auszuwählen. Daher ist der Wechsel von einem Modell zu einem anderen sehr einfach.


Andere konfigurierbare Bildverarbeitungssysteme ermöglichten keine Fehleranalyse. Mit unserem System kann unser Kunde statistische Informationen zu verschiedenen Fehlern nutzen, um Probleme beim Rohmaterial einzudämmen und Problemursachen entlang der Prozesskette bis zur Quelle zu verfolgen. Unser System erlaubt zudem den Zugriff auf angepasste Berichte über das Netzwerk.


Die Leistungsfähigkeit der Software für die virtuelle Instrumentierung in dieser Anwendung ist offensichtlich. Die Entwicklungsplattform NI LabVIEW development platform ain Verbindung mit den Werkzeugen für die Bildverarbeitung von National Instruments erwies sich als Hauptgrund für den Erfolg dieses Systems.

 

Informationen zum Autor:

A. Ashok Kumar
Soliton Automation Private Limited
India
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