Optische Qualitätskontrolle von Turbinenschaufeln

Kantenerkennung, Mustererkennung, Metrologie, OCR, Barcode
Matrox MIL prüft Turbinenschaufeln (PresseBox) (München, ) Turbinen in Flugzeugmotoren sind sehr harten Bedingungen ausgesetzt. Bei Geschwindigkeiten von 30.000 Umdrehungen pro Minute und Temperaturen von über 800° C müssen sie stundenlang sicher funktionieren.

Den Herstellern der Turbinen ist bewußt, dass selbst kleine Oberflächenfehler die Leistung reduzieren können, die Wartungskosten erhöhen und die Lebensdauer der Turbine verkürzen. Turbinenschaufeln müssen sehr sorgfältig geprüft werden, damit die Funktionsfähigkeit erhalten bleibt und die notwendige Sicherheit im Luftverkehr gewährleistet werden kann.

Ein Hersteller von Turbinen hat seine Turbinenschaufeln in der Vergangenheit per Hand und nach Augenmaß prüfen lassen. Hochqualifizierte Kontrolleure haben Hunderte von Merkmalen überprüfen müssen und die Oberfläche auf Fehler, die ungefähr ein Tausendstel Inch tief waren, untersucht. Diese manuelle Inspektion war nicht nur teuer und arbeitsintensiv, sondern auch subjektiver Natur. Die Ergebnisse der Prüfungen waren unterschiedlich und variierten je nach Kontrolleur. Da die manuelle Prüfung so zeitaufwändig war, konnte nicht jede einzelne Schaufel systematisch geprüft werden. Es wurde offensichtlich, dass man hier eine Vorgehensweise benötigt, die eine systematische Inspektion aller Schaufeln zeitsparend und mit gleichbleibend verlässlichen Ergebnissen garantiert.

Dann hat der Hersteller mit der Firma Orus Integration Inc. (Laval, Quebec) Kontakt aufgenommen, damit sie ein Inspektionssystem für Turbinen entwickelt. Projektmanager Louis Dicaire sagt, dass das Entwicklungsteam schon zu einem frühen Projektzeitpunkt erkannte, dass Flexibilität und kontinuierliche Präzision für den Erfolg eine wesentliche Rolle spielen. Während der Entwicklungsphase konnte das Ingenieurteam von Orus auf frühere Erfahrungen zurückgreifen, die beim Design eines visionbasierten Metrologie-Systems für die Militär- und Luftfahrtindustrie gesammelt wurden. Im Bereich Maschinenbautechnik wurde bereits eng mit Genik Automation zusammengearbeitet. .

Das System

Orus nennt das System INL-1900x2T. In einem Gehäuse befinden sich zwei Stationen, die die Inpektionsaufgaben ausführen. Die Metrologie-Station verfügt über zwei GigE-Kameras mit einer Auflösung von 1920 x 1080, jede mit telezentrischen Objektiven mit einem großen Sichtfeld sowie zwei blaue kollimierte LEDs (520 nm). Die Station für die Prüfung der Oberfläche verwendet vier GigE-Kameras. Die Auflösung der ersten Kamera für die Oberflächenprüfung beträgt 1920 x 1080. Die Auflösung der anderen drei Kameras für die Oberflächenprüfung von Bereichen, die mit einer einzigen Kamera schlecht zu erreichen sind, beträgt 640 x 480. Für die Beleuchtung sorgen zwei diffuse, koaxiale CCS-Lichtquellen und eine diffuse CCD-Hintergrundbeleuchtung. Ein Fanuc 6-Axis LR Mate 200iC Roboter, ein 4U-Controller und ein Omron PLC gehören ebenfalls zu den Hardware-Komponenten. Die Software basiert auf der Matrox Imaging Library (MIL) 9.0, Processing Pack 1.

Die Reise der Schaufeln

Der INL-1900x2T führt während der Inspektion drei verschiedene Funktionen aus: Verifizierung von einigen Hundert Metrologiemerkmalen der Schaufel, Prüfung beider Seiten der Turbinenschaufel und anderer kritischer Oberflächen auf Defekte und Validierung der Kennzeichnung der Teile. Die gesamte Prüfung dauert pro Teil 15 Sekunden.

Bevor eine Fertigungsreihe geprüft wird, scannt der Operator zunächst mit einem Barcode-Scanner den Code auf dem Auftragsschein. Dann belädt er das Rad mit dem Karussell, welches die Teile hält. Das Rad indiziert das erste Teil während ein Höhendetektor seine Y-Position überprüft. So wird sichergestellt, dass das Teil korrekt geladen wurde. Danach nimmt der Roboter das Teil am Schaufelbereich auf und befördert es zur Metrologie-Station. Diese wird durch zwei parallel ausgerichtete Lichtquellen beleuchtet. Der INL-1900x2T verfügt aufgrund der telezentrischen Objektiven der Kamera und der 4 Inch Granitplatte für die Absorption von Hitze und Vibrationen über ein sehr stabiles optisches System. "Unter diesen Bedingungen ist der Kontrast der runden Bereiche der glänzenden Objekte super scharf", erläutert Dicaire.

Generell ist bei diesen Vorgängen Präzision extrem wichtig. Der Roboter arbeitet reproduzierbar, kann aber die Schaufeln nicht mit der erforderlichen Genauigkeit von weniger als 10 Mikrometer platzieren. Die Lösung von Orus bestand darin, das Teil zu drehen und das Bild mit hoher Geschwindigkeit zu erfassen. In Abhängigkeit von dem zu prüfenden Merkmal minimiert oder maximiert die Software ein spezielles Merkmal. Wenn das Bild eines bestimmten Referenzpunktes, des Meßwertes der angegebenen Größe, mit der originalen CAD-Zeichnung übereinstimmt, identifiziert es die Software als Referenzbild. Danach werden mit der Metrologie-Software Parallelität, Länge, Radius, Winkel und andere Merkmale des Teils erfasst. Da viele verschiedene Meßwerte optimiert werden müssen, wird dieser Schritt mehrmals ausgeführt. Die Software zeichnet Ergebnisse für Hunderte von Merkmalen und 50 Toleranzen auf.

Nachdem die Software die Ergebnisse der Metrologieprüfung aller Merkmale der Schaufeln aufgezeichnet hat, platziert der Roboter die Schaufeln in einem dreizinkigen Greifer, der an einer Y-Theta-Station montiert ist. Die Befestigung dreht die Schaufel um 360°, damit beide Seiten auf Oberflächendefekte untersucht werden können. Dann verifiziert die Software die Markierung des Teils. Zuerst werden verschiedene Bilder zu einem kompletten Bild zusammengefügt und dann wird mit Hilfe von OCR-Algorithmen die Markierung gelesen.

Sobald die Prüfungen vollständig sind, werden alle Ergebnisse protokolliert und die Daten können für einen Bericht abgerufen werden. Nach Durchlaufen der Inspektion legt der Roboter das Teil in eine Rutsche für "gute Teile". Sobald aber ein Merkmal nicht in Ordnung war, verbleibt das Teil in der Befestigung. Eine Meldung im Display informiert den Operator darüber, was an diesem speziellen Teil korrigiert werden muss. Danach legt der Greifer das Teil in eine Rutsche für fehlerhafte Teile. Das Rad dreht sich und das nächste Teil wird indiziert. Dieser Vorgang wiederholt sich für alle Teile im Karussell.

Die Leistung der Imaging Library

Orus verwendet die Matrox Imaging Library (MIL) schon seit neun Jahren. "Das ist wahrscheinlich das Projekt, bei dem wir am tiefsten in der Bibliothek gegraben haben" sagt Dicaire. Einer der implementierten Algorithmen verfügt über einen anpassungsfähigen Schwellenwert. Der Algorithmus lokalisiert dynamisch helle Punkte in dunklen Bereichen und dunkle Punkte in hellen Bereichen. Für andere Operationen haben die Entwickler bei Orus das GUI-Interface für verschiedene MIL-Module verwendet: OCR, Kantenerkennung, Geometrische Mustererkennung und natürlich das Metrologie Modul. Die Metrologie-Software wurde ausschließlich mit der GUI-Schnittstelle entwickelt, so dass das System auch lernfähig ist. In der Tat bedeutet Flexibilität bei INL-1900x2T, dass sich das System an mehrere verschiedene Teile anpassen kann, selbst an neue Teile, die sich noch in der Entwicklungsphase befinden. "Mit GUIs" erläutert Dicaire "konnten wir ein System bauen, das den Kunden mehr Eigenständigkeit beim Endprodukt lässt. Wir haben durch das komplexe Niveau unserer Projekte festgestellt, dass die einfache Anwendbarkeit von MIL, die Leistungsfähigkeit, die Flexibilität und der großartige Support durch das Matrox Imaging Vision Squad Team die Gründe sind, weswegen wir auch zukünftig mit MIL Anwendungen entwickeln."

Messen als Herausforderung

Dicaire meint, dass die Herauforderungen beim Design von Metrologie-Maschinen immer die gleichen sind: Wiederholbarkeit, Genauigkeit und Linearität. Damit das System voraussehbare, reproduzierbare Ergebnisse liefern kann, muss die Software eine ausgezeichnete Subpixel-Genauigkeit aufweisen, hier zeigt die Maschine +/- 3 Sigma unter 5 Mikrons. Natürlich kann ein Bild immer nur so gut wie seine Beleuchtung sein und Dicaire bemerkt, dass das System eine stabiles und hochleistungsfähiges optisches System erforderte. Orus verwendete ein Kalibrierungsgerät nach militärischem Standard, um beide Kameras zur gleichen Zeit zu kalibrieren und die erforderliche Genauigkeit zu erreichen.

Obwohl das INL-1900x2T viele Tausend Arbeitsstunden einspart, ist sein wichtigster Vorteil die Möglichkeit, sehr komplexe Analysen auszuführen, und das mit einer einfachen Oberfläche und einem leicht anzuwendenden Konzept für den Operator. Bei diesem Projekt werden verschiedene praxiserprobte Techniken eingesetzt: Roboter, Achsen, Bildverarbeitungsbibliotheken. Dadurch kann die Maschine "wachsen" und sich an die zukünftigen Anforderungen der Kunden anpassen. Mit Ausnahme des mechanischen Designs sind fast alles handelsübliche Komponenten.

"Diese Maschine besteht aus einem Mix von Technologien, die alle dafür sorgen, dass das Vision-System unter optimalen Bedingungen arbeiten kann" sagt Dicaire. "Das ist ein großartiges Beispiel für unsere Leistungsfähigkeit."Sarah Sookmann, Matrox Imaging

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