27. SEPTEMBER 2016

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Für die schwierigen Fälle


Farbsensoren - Bei dunklen Farbtönen oder schlecht reflektierenden Oberflächen strecken konventionelle Farbsensoren schnell die Waffen. Ein neuer Sensor berücksichtigt neben der Farbe auch die Helligkeit.

Farbe ist wichtig; wer möchte schon als farblos gelten oder sein Leben in farbloser Umgebung verbringen. Auch auf moderne, automatisierte Produktionsanlagen lässt sich diese Aussage übertragen. Farbe ist heute bei unzähligen industriell gefertigten Produkten ein wichtiges Qualitätsmerkmal. An Hand unterschiedlicher Farben lassen sich aber auch bestimmte Produktgruppen und Chargen unterscheiden, Objekte identifizieren oder sortieren. Farbsensoren haben sich darum in der Industrie einen festen Platz erobert. Allerdings steigen auch hier die Anforderungen an die Geräte ständig. Für dunkle Farbtöne oder schlecht reflektierende Oberflächen reicht die Empfindlichkeit konventioneller Farbsensoren in vielen Anwendungsfällen nicht aus, weil hier neben Farbton und Farbsättigung als dritte Größe auch die Farbtiefe beziehungsweise Helligkeit berücksichtigt werden muss.
Farbsensoren, die in der Industrie eingesetzt sind, messen Farben nicht absolut, sondern erfassen sie „vergleichend“. Das Prüfobjekt wird mit Weißlicht bestrahlt. Die Oberfläche des Prüflings absorbiert, reflektiert und bricht das Licht. Das Empfängerelement trennt das reflektierte in die Spektralbereich Rot, Grün und Blau. Die Farbwert- und Intensitätsanteile der Einzelfarben werden dann mit den zuvor eingestellten und hinterlegten Referenzdaten verglichen und ausgewertet.

2D- und 3D-Farberkennung
Das chromatische Farbmodell ist zweidimensional; der Fachmann spricht deshalb auch von einer 2D-Farberkennung. Die Farbwerte für Rot, Grün und Blau werden auf den Achsen als Prozentwerte dargestellt. Gleiche Anteile aller drei Farben ergeben Weiß. Rote Oberflächen erscheinen rot, weil sie rote Farbanteile stark reflektieren und nur gering absorbieren. Blau und Grün dagegen wird absorbiert. Eine Oberfläche, die Gelb erscheint, reflektiert Rot und Grün, während sie die Blauanteile schluckt.
Die Helligkeit der jeweiligen Farbe lässt sich auf diese Weise allerdings nur bedingt berücksichtigen, da eine Änderung der Helligkeit bei diesem Verfahren zu einer Veränderung der RGB-Anteile und damit zu einer anderen Farbe führt. Sehr dunkle oder helle Farbtöne mit gleichen Rot-, Grün- und Blau-Anteilen können nicht unterschieden werden. Das ist jedoch in vielen Applikationen nötig, zum Beispiel wenn Prüflinge trotz Perforationen, strukturierten Oberflächen und damit unterschiedlich reflektierenden Bereichen zuverlässig erkannt werden sollen. Bei Qualitätskontrollen der Innenausstattung von Kraftfahrzeugen, die aus Leder, Kunststoff oder Textilien bestehen kann, ist das häufig der Fall. Typisch sind auch Produkte mit unterschiedlichen Randstrukturen wie Teppichware. Um hier zuverlässige Ergebnisse zu erzielen, müssen die eingesetzten Farbsensoren nach einem anderen Verfahren arbeiten.
Das Munsell-Farbdiagramm berücksichtigt als zusätzliche Größe die Helligkeit einer Farbe. Dieses Modell wurde vom amerikanischen Maler Albert Henry Munsell entwickelt und hat heute immer noch Gültigkeit. Es bildet Farbe in einem drei-dimensionalen Raum ab und ähnelt damit sehr dem HSV- oder HSB-Farbmodell, das viele Computerprogramme verwenden. Farbe wird hier mithilfe des Farbtons (Hue), der Sättigung (Saturation) und der Helligkeit (Value oder Brightness) definiert. Dabei wird der Farbton als Winkel auf dem Farbkreis angegeben. Die Sättigung wird ist als Prozentwert beschrieben. Ein weiterer Prozentwert gibt die Helligkeit an. Damit lassen sich im Gegensatz zum zweidimensionalen chromatischen CIE-Modell bei einem solchen dreidimensionalen Modell Farben unterschiedlicher Helligkeit gut voneinander unterscheiden bzw. bestimmen.
Der neue Farbsensor BFS 27K von Balluff macht sich ein solches dreidimensionales Farbmodell zunutze. Er eignet sich deshalb auch zum Erkennen dunkler oder schlecht reflektierender Materialien. Zu den typischen Einsatzbereichen gehören deshalb die bereits erwähnten Qualitätskontrollen bei Innenausstattungen im Kraftfahrzeug, aber auch Prüfaufgaben in der Montage-, Handling- oder Verpackungstechnik. In der Kosmetikindustrie wird der Sensor beispielsweise eingesetzt, um trotz großer Lagetoleranzen farbige Markierungsbalken zu erkennen, die die Drehrichtung der Flaschen anzeigen. Lagetoleranzen von bis zu +/- 15 Millimeter sind für den Sensor unkritisch. Auch wenn die Flaschen verdreht auf dem Band stehen, werden sie sicher erkannt.

Das Sensor-Auge
Die prinzipielle Funktionsweise der neuen Sensoren ist einfach zu verstehen: Ebenso wie bei konventionellen RGB-Sensoren wird das zu prüfende Objekt mit einer Weißlichtdiode bestrahlt, das reflektierte Licht wird vom Empfänger in seine RGB-Bestandteile zerlegt und mit den vorgegebenen Referenzwerten verglichen. Die Auswerteelektronik wurde jedoch dahingehend optimiert, dass die für die Helligkeitsbestimmung notwendigen Algorithmen abgearbeitet werden können. Außerdem ist als „Sensorauge“ ein hochwertiges integrales Empfangselement eingesetzt. Während einfache Empfangselemente lediglich aus drei Segmenten aufgebaut sind, bilden hier 19 Dreifachdioden eine hexagonale Wabenstruktur.
Die einzelnen Segmente sind parallel angesteuert. Bei der Positionierung sind die Freiheitsgrade dadurch hoch. Für die in der Auswerteschaltung notwendigen Berechnungen lässt sich wahlweise auf Einzelpixel oder Pixelgruppen zugreifen. Die Ansprechzeit des Sensors beträgt lediglich 335 µs, bei schnellen Prozessen kann also mit Schaltfrequenzen von bis zu 1,5 kHz gearbeitet werden. Bei „schwierigen“ Objekten reduzieren sich diese Werte allerdings durch die Rechenzeiten der Auswerteelektronik. Die unterschiedlichen Betriebsarten kann der Anwender per Teach-In einstellen. Es spricht aber noch ein weiteres Argument für den Einsatz dieser neuen Farbsensorfamilie: Bei Bedarf lässt sich die Struktur des Empfängers an die Erfordernisse der Applikation anpassen. Auch komplizierte Aufgabenstellungen lassen sich auf diese Weise komfortabel lösen. In zahlreichen Fällen können die sensiblen Sensoren deshalb eine praxisgerechte Alternative zu weitaus kosten-intensiveren Bildverarbeitungssystemen sein. Für den elektrischen Anschluss ist ein achtpoliger M12-Steckverbinder vorgesehen.

Praxisgerechte Bedienung
Der Sensor ist mit den Abmessungen 50 x 50 x 25 Millimetern kompakt gebaut und wiegt etwa 100 Gramm. Zubehör wie Haltewinkel erleichtert die Montage. Da der Farbsensor serienmäßig die Anforderungen der Schutzart IP67 erfüllt, kann er problemlos auch bei rauen Umgebungsbedingungen eingesetzt werden. Bis zu drei Referenzwerte für die Farberkennung lassen sich direkt am Gerät per Knopfdruck im Teach-in-Verfahren einlernen. Dabei erleichtert die vierstellige Sieben-Segment-Anzeige das Vorgehen, der Bediener wird durch die einzelnen Menüpunkte geführt, alle Einstellungen werden angezeigt. Für die Feinabstimmung lassen sich außerdem für jeden Ausgangskanal bis zu zehn Toleranzstufen definieren und verschiedene Auswertealgorithmen wählen.
Noch komfortabler geht es mit der passenden Software. Hier lassen sich bis zu 20 Referenzwerte definieren, inklusive Toleranzstufen und Wahlmöglichkeit der Auswertealgorithmen. Bei unterschiedlichen Prüfaufgaben entstehen dann keinerlei Umrüstzeiten. Der Sensor kommuniziert über seine RS485-Schnittstelle mit der übergeordneten Automatisierungseinheit.



FACTSFarben und Farbmischung
- Prinzipiell unterscheidet man zwischen addi-tiver Farbmischung (RGB) und subtraktiver Farbmischung (CMYK).
- Die additive Farbmischung beschreibt die Überlagerung von Lichtstrahlen, bei der für das menschliche Auge ein neuer Farbeindruck entsteht. Dies ist auch das Funktionsprinzip eines Farbbildschirms. Die additive Mischung der Farben Rot, Grün und Blau ergibt Weiß. Rot und Grün ergibt Gelb.
- Im Gegensatz dazu beschreibt die subtraktive Farbmischung die Eliminierung einzelner Lichtfarben aus weißem Licht. Das ist beim Mischen von Lacken oder Druckfarben der Fall - wie im Wasserfarbkasten. Die Primärfarben sind Gelb, Magenta und Cyan. Die Mischung dieser drei Farben absorbiert alles Licht und ergibt Schwarz. Cyan und Gelb ergibt Grün.

Ausgabe:
aut 02/2006
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