Warum misst nicht jedes 3D-AOI-System bis zu 25 mm?

Seit dem Aufkommen der Smart Factory 4.0-Konzepte und der intensiven Konzentration auf Konnektivität und Datenaustausch hat der Fokus auf die technischen Fähigkeiten der angeschlossenen Systeme abgenommen. Diese Konnektivität ist jedoch nur dann sinnvoll, wenn die bereitgestellten Daten korrekt sind. AOI-Systeme, und insbesondere AOI-Systeme mit 3D-Messfähigkeit, sind eine Schlüsselkomponente in einer Smart Factory-Umgebung, da sie die Drehscheibe für die Qualitätskontrolle sind und wertvolle Rückmeldungen an die Produktionsmaschinen geben. Fehler, die von einem AOI gemacht werden, wie z.B. tatsächliche Fehler die als „gut“ erkannt wurden, werden normalerweise nicht direkt entdeckt, und im Falle von Pseudo-Fehlern werden die angeschlossene Maschinen in der Linie mit fehlerhaften Informationen versorgt. Smart Factories mit AOI können also nur dann funktionieren, wenn die Ergebnisse der AOI-Systeme zuverlässig sind.

Da 3D-AOI so wichtige Knotenpunkte sind, müssen sie sich verstärkt auf ihre technischen Möglichkeiten konzentrieren. Da die Industrie übereinstimmend der Ansicht ist, dass die technischen Spezifikationen eines AOI-Systems dessen Fähigkeiten nicht erklären, ist es für Interessenten wahrscheinlich die schwierigste Wahl, das beste System herauszufiltern. In der Regel müssen Evaluierungsingenieure ihre Wahl auf nur wenige Stunden Systembewertung stützen. Je nachdem, wie gründlich eine Bewertung ist, basieren die meisten Entscheidungen letztendlich auf Emotionen und dem, was andere verwenden. Dies führt dazu, dass neue, technologisch fortschrittliche Lösungen nicht die Aufmerksamkeit erhalten, die sie verdienen.

In der japanischen Zentrale von Mek (Marantz Electronics Ltd.) befasst sich ein großes Ingenieurteam mit der Entwicklung der Konnektivitätsfähigkeit von AOI-Systemen, aber ein noch größeres Team arbeitet an der Verbesserung der Inspektion selbst. Die jüngste Ergänzung der breiten Produktpalette ist der Mek ISO-Spector M2 Full 3D AOI mit künstlicher Intelligenz.

Kamera – Field of View

Damit ein selbstlernendes AOI eingesetzt werden kann, müssen die ersten Messergebnisse genau und zuverlässig sein. Das Herzstück des ISO-Spector M2 ist eine 25-Megapixel-Kamera. Die hohe Anzahl von Pixeln ist notwendig, um ein möglichst großes Sichtfeld zu erzeugen, damit größere Bauteile, wie z.B. Steckverbinder, erfasst werden können, während die Auflösung für die kleinen Lötstellen in der gleichen Ansicht möglich ist. Zudem wird die Inspektionsgeschwindigkeit erhöht, da die Kamera weniger Bewegungen macht. Das Sichtfeld beträgt 69mm x 69mm.

Projektoren

Um die Höhenmessung für volumetrische Berechnungen von Bauteilen und Lötstellen zu ermöglichen, ist eine aktive Projektion von Licht erforderlich. Der ISO-Spector M2 verfügt über 4x Multifrequenz-Moiré-Fringe-Projektoren, die 16 Projektoren entsprechen. Die Projektion erfolgt aus einem Winkel von 80 Grad und eliminiert fast alle Schatteneffekte, die durch hohe Komponenten und andere Objekte verursacht werden. Mehrfrequenz-Projektoren bedeuten, dass verschiedene Moiré-Streifenmuster projiziert werden können, um eine höhere Reichweite zu messen, wobei die Z (Höhen)-Schrittauflösung in den kritischen Bereichen beibehalten wird. Die maximal messbare Höhe beträgt 25 mm. Komponenten mit unebenen Oberflächen können immer noch gemessen werden, selbst wenn diese Oberfläche reflektierend ist.

Die Fähigkeit, solche Höhen (25 mm) zu messen, ist für eine zuverlässige Messung von Lötverbindungen von großer Bedeutung. Natürlich gibt es in diesem Höhenbereich keine Lötstellen, aber die Messung der Körperhöhe ist immer notwendig. Einer der größten Vorteile der 3D-Messung ist die genaue Bestimmung der Position und Drehung des Bauteils. Da sich Bauteile während des Produktionsprozesses verschieben und/oder drehen können, verschieben und/oder drehen sich auch die Positionen, an denen Lötstellen gemessen werden müssen. Wenn die Messung der Bauteiloberflächenhöhe ignoriert wird, weil sie außerhalb des Bereichs liegt, muss das „3D“-AOI 2D-Bildalgorithmen verwenden, um die Position und Rotation des Bauteilkörpers zu erkennen. Die meisten 3D-AOI-Systeme sind auf eine Höhenmessung von nur 5 mm beschränkt, während das Mek ISO-Spector M2 standardmäßig bis zu 25 mm misst.

3D-Messung bis zu 25 mm?

Nicht jeder Hersteller setzt Mehrfrequenz-Projektoren ein, um damit den messbaren Höhenbereich aufgrund der Komplexität und der Hardwarebeschränkungen zu verbessern. Die projizierten Muster müssen den gesamten Bereich des Sichtfeldes aus einem bestimmten Abstand und Winkel abdecken. Die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Messung hängt stark von der Parallelität des projizierten Musters ab. Es ist eine optische Herausforderung, den durch den Projektionswinkel bedingten Parallaxeneffekt des projizierten Musters zu überwinden. Die optische Einheit schafft es, selbst aus einem steilen Winkel von 80 Grad perfekte Muster über das riesige Sichtfeld von 69 mm x 69 mm zu projizieren. Eine weitere Herausforderung ist die Schärfentiefe des verwendeten Objektivs. Telezentrische Objektive, die in 3D-AOI’s verwendet werden, haben das Problem einer kürzeren Schärfentiefe im Vergleich zu herkömmlichen Makroobjektiven. Projizierte Muster müssen vom Aufnahmesensor mit derselben Schärfe und Brillanz auf der Leiterplattenebene wie auch auf dem höchsten messbaren Punkt gesehen werden. Ohne eine größere Schärfentiefe werden die projizierten Muster auf den höheren Messflächen im Vergleich zu den unteren Messflächen unscharf.

2D-Aspekte

Selbst mit einem vollständigen 3D-AOI-System erfordern einige Aspekte der Inspektion immer noch 2D-Algorithmen. Farben, Referenzmarken, eine Art von Polaritätsmarken, Text, Fremdmaterialien und einige Lötbrücken sind typische Beispiele. Geniale 2D-Beleuchtungsprojektionen sind dann für eine 100%ige Inspektion genauso wichtig wie die Moiré-Projektoren. Der ISO-Spector verfügt über eine 2-stufige RGB-Beleuchtung aus zwei verschiedenen Höhen und Winkeln. Mit 24 Beleuchtungskombinationen, einschließlich additiver und subtraktiver Beleuchtung, gibt es immer eine Kombination (oder einzelne Beleuchtung), die den 2D-Testpunkt für eine optimale Inspektion hervorhebt. Die Textinspektion kann aufgrund der unterschiedlichen Druckqualität eine anspruchsvolle Aufgabe für ein AOI sein. Beispielsweise kann gelaserter Text auf kleinen Dioden oder kleinen Transistoren unter normalen Beleuchtungsbedingungen kaum oder gar nicht sichtbar sein. Der Mek ISO-Spector M2 mit zweistufiger RGB-Beleuchtung und zahlreichen Kombinationen überwindet dieses Problem und kann praktisch jeden anspruchsvollen Texttyp sichtbar machen. Sobald der Text sichtbar wird, kann das System OCR- (Optical Character Recognition) oder OCV- Algorithmen (Optical Character Verification) verwenden, um den Text auf den Bauelementen zu prüfen.