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Deutschland

Der Einfluss von Stößen und Vibrationen auf industrielle Bildverarbeitungssysteme

22.01.2018

Industrielle Bildverarbeitungssysteme sind häufig starken Beschleunigungen, Stößen und Vibrationen ausgesetzt. Dies gilt insbesondere für mobile Systeme, wie z.B. Roboter-geführte 3D-Scanner, aber auch für ortsfeste Installationen. Fujifilm untersuchte in einer speziellen Testprozedur den Einfluss von Stößen und Vibrationen auf industrielle Kameraobjektive mit Festbrennweite. Es zeigte sich ein teils erheblicher Abfall des Auflösungsvermögens sowie eine Verschiebung der optischen Achse. Die Intensität dieser Effekte hängt jedoch stark von dem mechanischen Design eines Objektivs ab – ein oft unterschätzter Faktor bei der Auswahl von Festbrennweiten-Objektiven.

Moderne Roboterarme sind so leistungsstark, dass sie signifikante Lasten mit mehreren Vielfachen der Erdbeschleunigung (Einheit G, 1 G = 9.81 m/s²) in Bewegung versetzen und bremsen können. Roboter-geführte Bildverarbeitungssysteme, wie sie bei Schweiß- und Montagerobotern und in 3D-Scanning-Anlagen zum Einsatz kommen, müssen diesen Beschleunigungen standhalten. Zusätzlich sind sie den Vibrationen an der Spitze der Roboterarme ausgesetzt. Gleiches gilt jedoch auch für Kamera-Objektiv-Installationen an großen Maschinen mit rotierenden Elementen, wie z.B. Druckanlagen.

In den meisten Machine-Vision Installationen kommen industrielle Kameras und Festbrennweitenobjektive mit C-Mount zum Einsatz, die auch unter den schwierigen Bedingungen im industriellen Umfeld eine konstante Bildqualität liefern müssen. Daher hat Fujifilm einen Testaufbau zur Messung der Robustheit gegen Stöße und Vibrationen für Objektive entwickelt: In der Anordnung werden den Objektiven erst Stöße aus 6 unterschiedlichen Richtungen senkrecht zur optischen Achse mit einer Stärke von bis zu 10 G zugefügt. Anschließend setzt eine spezielle Plattform die Objektive verschiedenen sinusförmigen Vibrationen aus, gemäß IEC 60068-2-6 (bis zu 500 Hz und 100 m/s²). Zum Abschluss wiederholt sich der Stoß-Test.

Im Ergebnis verschiebt sich die optische Achse eines konventionellen Objektivs um bis zu 26 µm, was bei Sony Pregius-Sensoren der zweiten Generation ca. 7 Pixeln entspricht. Ihr Auflösungsvermögen, gemessen mit einem Kontrast-Chart, sinkt dramatisch (siehe Falschfarbendarstellung). Für die meisten Machine-Vision-Anwendungen, bei denen starke Beschleunigungen und Vibrationen auftreten können, sind diese Objektive somit unbrauchbar. Andererseits widerstehen alle Objektive der Fujinon HF-12M Serie sowie die HF-5M-Objektive mit 6 und 50 mm Brennweite den Stößen und Vibrationen, so dass sich die optische Achse lediglich um nur 4 bis maximal 10 µm verschiebt.

Möglich wird dies durch das Fujinon Anti-Shock & Vibration Design, eine elastische und bereits zum Patent angemeldete Fixierung der internen Linsenanordnung. In konventionellen Objektiven werden die Linsen mit Kleber befestigt, der langfristig Stößen und Vibrationen nicht standhält, sowie empfindlich auf Feuchtigkeit und Temperaturwechsel reagiert. Das Anti-Shock & Vibration Design der Fujinon Objektive dagegen minimiert die Menge des benötigten Klebers und bietet auch langfristig eine stabile Performance und konstant gute Bildqualität.

Entwickler von Bildverarbeitungssystemen, die mechanisch beansprucht werden, sollten daher bei Kameraobjektiven neben dem optischen Format, dem Auflösungsvermögen und der Brennweite insbesondere auch auf die Robustheit gegen Stöße und Vibrationen achten.

Folgende Objektive besitzen bereits das Fujinon Anti-Shock & Vibration-Design:

HF-12M-Serie für Pixelgrößen ab 2,1 µm und Sensoren bis zu 1“:
HF-12M

HF-5M-Serie für Pixelgrößen ab 3,45 µm und Sensoren bis zu 1,1“: 6 mm:
HF-5M  6 mmHF-5M  50 mm 

Video des Testablaufs:  

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