Linienbeleuchtungen für die Bahninspektion: Maximierung des Durchsatzes in der kontinuierlichen Produktion

Die Bahninspektion umfasst eine breite Kategorie industrieller Qualitätskontrollanwendungen, bei denen ein sich kontinuierlich bewegendes Material – Film, Papier, Metallfolie, Gewebe, Vliesstoff, beschichtete Substrate oder bedruckte Bahnen – bei voller Produktionsgeschwindigkeit inspiziert wird. Ziel ist es, Oberflächenfehler, Druckfehler, Beschichtungsabweichungen und Verunreinigungen zu erkennen, bevor das Material aufgewickelt oder zu einem Endprodukt verarbeitet wird. Durch die Erkennung von Fehlern in der Produktion entfallen die Kosten für die Weiterverarbeitung von fehlerhaftem Material und es wird verhindert, dass fehlerhafte Produkte den Kunden erreichen.

Zeilenkameras sind die Standard-Bildgebungslösung für die Bahninspektion. Eine Zeilenkamera nimmt pro Belichtungszyklus eine Zeile der Bahn auf und erstellt ein zweidimensionales Bild der Bahnoberfläche, während sich das Material an der Kamera vorbeibewegt. Die Beleuchtung für Zeilenkameras muss eine hohe, gleichmäßige Intensität über die gesamte Breite der Bahn in einer schmalen Linie liefern, die genau auf das Sichtfeld der Kamera ausgerichtet ist. LED-Zeilenbeleuchtungen sind die bevorzugte Beleuchtungsquelle für diese Anwendung. Sie bieten eine hohe Intensität in einem schmalen Strahl, eine stabile Leistung über lange kontinuierliche Tastverhältnisse und eine präzise Steuerung der Beleuchtungsgeometrie.

Anforderungen an die Zeilenkamera-Beleuchtung

Zeilenkameras arbeiten mit Zeilenraten von einigen Kilohertz bis über 100 kHz bei Hochgeschwindigkeitsanwendungen. Jede Zeilenbelichtung ist entsprechend kurz: Bei einer Zeilenrate von 50 kHz wird jede Zeile 20 Mikrosekunden lang belichtet. Bei 100 kHz wird jede Zeile für 10 Mikrosekunden belichtet. Die Beleuchtung muss während dieser kurzen Belichtungszeit genügend Photonen an den Sensor abgeben, um den gewünschten Grauwert im Bild zu erreichen.

Bei einer Bahn, die sich mit 300 m/min (5 m/s) bewegt, und einer Kameraauflösung von 0,1 mm pro Pixel beträgt die Zeilenrate, die erforderlich ist, um eine Dehnung der Pixel in Bahnrichtung zu vermeiden, 50.000 Zeilen pro Sekunde. Die 20-Mikrosekunden-Belichtung bei dieser Zeilenrate begrenzt die verfügbare Integrationszeit auf einen sehr kleinen Bruchteil einer Millisekunde. Die Beleuchtungsstärke, die erforderlich ist, um bei diesen kurzen Belichtungszeiten angemessene Graustufen zu erzielen, ist sehr hoch. Beleuchtungseinheiten für die Bahninspektion müssen diese Intensität gleichmäßig über die gesamte Bahnbreite liefern, die von 200 mm bis über 3000 mm reichen kann.

Linienlicht-Geometrie für die Bahninspektion

Die Geometrie des Linienlichts in Bezug auf die Bahnoberfläche und die Kamera bestimmt, welche Arten von Defekten erkannt werden können und welche Oberflächenmerkmale einen Kontrast im Bild erzeugen. Die drei grundlegenden Beleuchtungsgeometrien, die bei der Bahninspektion verwendet werden, sind Hellfeld, Dunkelfeld und Durchlicht.

Hellfeld-Beleuchtung

Bei der Hellfeldbeleuchtung wird das Linienlicht so positioniert, dass sein spiegelnder Reflexionswinkel in den Aufnahmekegel des Kameraobjektivs fällt. Die Kamera bildet die spiegelnde Reflexion der Beleuchtungseinheit von der Bahnoberfläche ab. Diese Geometrie erzeugt hochintensive Bilder von glatten, reflektierenden Oberflächen. Defekte, die die spiegelnde Reflexion unterbrechen oder stören, wie z. B. Kratzer, Gruben, Einschlüsse und Beschichtungslücken, erscheinen als dunkle Merkmale vor dem hellen Hintergrund. Die Hellfeld-Beleuchtung ist die bevorzugte Geometrie für die Inspektion von glatten, reflektierenden Bahnen wie Metallfolien, glänzend beschichtetem Papier und kalandriertem Film.

Dunkelfeld Beleuchtungsstärke

Bei der Dunkelfeld-Beleuchtung wird das Zeilenlicht in einem niedrigen Winkel relativ zur Bahnoberfläche positioniert, außerhalb des Spiegelreflexionswinkels der Kamera. Der Bahnhintergrund erscheint auf dem Bild dunkel, da die spiegelnde Reflexion nicht in die Kamera gelangt. Defekte, die das Licht streuen, wie z. B. Oberflächenverunreinigungen, erhabene Fasern, Beschichtungsklumpen und geprägte Merkmale, erscheinen als helle Merkmale vor dem dunklen Hintergrund. Die Dunkelfeld-Beleuchtung bietet einen sehr hohen Kontrast für Oberflächenreliefdefekte, die in der Hellfeldaufnahme nicht sichtbar sind.

Der Beleuchtungswinkel für die Bahninspektion im Dunkelfeld beträgt typischerweise 5° bis 20° von der Bahnoberflächenebene. Bei diesen niedrigen Winkeln ist der Beleuchtungsweg über die Bahnbreite viel länger als der senkrecht zur Bahn gemessene Arbeitsabstand. Bei einer 1000 mm breiten Bahn, die in einem Winkel von 10° von der Oberfläche aus beleuchtet wird, und einem senkrechten Arbeitsabstand von 200 mm beträgt die Länge des Beleuchtungsweges über die Bahn etwa 1150 mm. Das Linienlicht muss eine gleichmäßige Intensität über diese große Weglänge beibehalten.

Durchlichtbeleuchtung für transparente und transluzente Bahnen

Bei transparenten und durchscheinenden Bahnen wie Klarsichtfolie, dünnem Papier, gewebten Stoffen und Vliesstoffen bietet die Durchlichtbeleuchtung durch die Bahn den besten Kontrast für Dickenschwankungen, Einschlüsse, Löcher und Verunreinigungen. Das Zeilenlicht wird unterhalb der Bahn und die Kamera oberhalb positioniert. Die Intensität des Durchlichts variiert mit der lokalen Dicke und Opazität der Bahn, so dass Dickenschwankungen und Einschlüsse als Helligkeitsmodulationen im Bild sichtbar werden.

Spezifikationen für die Lichtgleichmäßigkeit von Bahninspektionslinienleuchten

Gleichmäßigkeit ist die wichtigste optische Spezifikation für Linienlichter, die bei der Bahninspektion eingesetzt werden. Jede Abweichung in der Beleuchtungsintensität über die Länge des Linienlichts zeigt sich in einer entsprechenden Abweichung im Grauwert des Kamerabildes über die Bahnbreite. Diese scheinbare Abweichung der Graustufen kann echte Defekte verdecken oder falsche Defektanzeigen über das gesamte Bahnprofil erzeugen.

Die Anforderung an die Gleichmäßigkeit von Linienleuchten für die Bahninspektion wird in der Regel als das Verhältnis zwischen der minimalen und der maximalen Intensität angegeben, die über die Arbeitslänge bei dem definierten Arbeitsabstand gemessen wird. Für anspruchsvolle Bahninspektionsanwendungen ist eine Gleichmäßigkeit von 90% oder besser über die gesamte Bahnbreite erforderlich. RODER Vision Linienbeleuchtungen erreichen diese Gleichmäßigkeitsspezifikationen durch die Auswahl abgestimmter LEDs, ein präzises optisches Design und kontrollierte Montageprozesse, die eine gleichmäßige Lichtleistung über die gesamte Beleuchtungslänge gewährleisten.

Synchronisation mit Zeilenkameras

Zeilenkameras für die Bahninspektion arbeiten in der Regel im freilaufenden Modus mit einer festen Zeilenrate oder im Encoder-getriggerten Modus, bei dem jede Zeile durch einen Impuls eines an einer Antriebsrolle montierten Drehgebers ausgelöst wird. In beiden Fällen muss die Beleuchtungsintensität während des gesamten Inspektionslaufs konstant bleiben. Jegliche Variation der Beleuchtungsintensität, die mit der Zeilenrate der Kamera synchronisiert ist, führt zu periodischen Streifenartefakten im Bild, die die Leistung der Fehlererkennung beeinträchtigen.

Kontinuierlicher Modus vs. Stroboskopmodus für Zeilenscan

Zeilenkameras für die Bahninspektion werden meist mit kontinuierlicher Beleuchtung eingesetzt. Die Belichtung der Kamera wird durch die Einstellung der Integrationszeit der Kamera gesteuert, und die Beleuchtung bleibt kontinuierlich eingeschaltet. Dies vereinfacht die Synchronisierung, da für die Beleuchtungseinheit kein Triggersignal erforderlich ist. Die Beleuchtungseinheit muss über die gesamte Dauer des Inspektionslaufs, der bei großen Bahnrollen Stunden oder Tage dauern kann, eine sehr stabile Leistung erbringen.

Für Anwendungen mit sehr hoher Zeilenfrequenz, bei denen die erforderliche Intensität im Dauerbetrieb die thermische Belastbarkeit der Beleuchtungseinheit übersteigt, wird der Stroboskopmodus verwendet. Die Beleuchtungseinheit wird einmal pro Zeile gepulst, synchronisiert mit dem Zeilentriggerausgang der Kamera. Die Impulsdauer ist gleich der Integrationszeit der Kamera. Auf diese Weise kann die Beleuchtungseinheit während des kurzen Integrationsfensters eine höhere Spitzenintensität liefern, ohne ihre durchschnittliche thermische Leistung zu überschreiten. Die Beleuchtungseinheiten von RODER Vision unterstützen sowohl den Dauer- als auch den Stroboskopbetrieb.

Auswahl der Wellenlänge für Bahnmaterialien

Die optimale Beleuchtungswellenlänge für die Bahninspektion hängt von den optischen Eigenschaften des Bahnmaterials und der Art der zu erkennenden Fehler ab. Für die meisten Oberflächenfehler auf undurchsichtigen Bahnen wird eine rote oder nahe Infrarot-Beleuchtung bei 625 nm bis 850 nm bevorzugt, da sie das Signal-Rausch-Verhältnis mit Standard-Silizium-Zeilensensoren maximiert und die Sichtbarkeit der Bahnstruktur reduziert, die subtile Oberflächenfehler verdecken kann.

Für die Inspektion von Farbdrucken und die Erkennung von Farbabweichungen auf bedruckten Bahnen wird eine weiße Beleuchtung mit einer stabilen Farbtemperatur verwendet, um eine genaue Farbwiedergabe über die gesamte Bahnbreite zu gewährleisten. UV-Beleuchtung wird für die Inspektion von fluoreszierenden Sicherheitsmerkmalen auf Banknotenpapier, Sicherheitsdrucksubstraten und Authentifizierungsetiketten in Bahnform verwendet. Die Nahes Infrarot-Beleuchtung durchdringt Oberflächenbeschichtungen und kann unterirdische Merkmale in mehrlagigen Papier- und Kartonbahnen aufdecken, die bei sichtbaren Wellenlängen unsichtbar sind.

Thermische Stabilität bei lang andauernden Bahninspektionsläufen

Bahninspektionsanlagen arbeiten über längere Zeiträume ohne Unterbrechung. Rollenwechsel können alle paar Stunden stattfinden, aber das Inspektionssystem läuft zwischen den Wechseln kontinuierlich. Die Beleuchtungsintensität muss während des gesamten Durchlaufs stabil bleiben. Jede Abweichung in der Beleuchtungsintensität, die durch die Erwärmung der LEDs während des Inspektionslaufs verursacht wird, zeigt sich in einer allmählichen Veränderung des Grauwertes des Bildes über die Länge der Bahnrolle. Diese Abweichung kann dazu führen, dass Defekte am Anfang oder am Ende der Rolle übersehen werden, wenn die Beleuchtungseinheit nicht den Wert liefert, auf den die Inspektionsschwellen kalibriert wurden.

Die RODER Vision Beleuchtungseinheiten sind mit der HTTM-Wärmemanagement-Technologie ausgestattet. Das HTTM-System minimiert die thermische Drift, indem es die Temperatur der LED-Sperrschicht vom Moment des Einschaltens der Beleuchtungseinheit an steuert, das thermische Gleichgewicht schnell erreicht und die Leistung während des gesamten Inspektionslaufs stabil hält. Dadurch werden Aufwärmzeiten vor Beginn der Inspektion überflüssig und eine Leistungsabweichung bei langen Produktionsläufen verhindert.

Produkte und Technologien

RODER Vision Beleuchtungseinheiten für die Bahn- und Zeilenscan-Inspektion

Die folgenden Produktfamilien von RODER Vision eignen sich für die Inspektion von Linienbahnen in kontinuierlichen Produktionsumgebungen.

Häufig gestellte Fragen