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Industrielle Automation 1/2019

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Industrielle Automation 1/2019

SENSORIK UND MESSTECHNIK

SENSORIK UND MESSTECHNIK Jetzt wird’s bunt! Wie sich Farben in industriellen Anwendungen mithilfe spezieller Sensoren kontrollieren lassen Farbe stellt für die industrielle Messtechnik eine große Herausforderung dar, da sie ein individueller, visueller, durch Licht hervorgerufener Sinneseindruck ist. Aus diesem Grund geht es bei der Farbmessung immer um den Vergleich zwischen der gemessenen zur eigentlich wahrgenommenen Farbe durch das menschliche Auge. Um Farben in industriellen Anwendungen zu kontrollieren, sind jedoch entsprechende Sensoren notwendig. Bei vielen industriellen Anwendungen ist es entscheidend, dass sich kleinste Farbabweichungen erkennen lassen, da diese vom Auge bereits wahrgenommen werden können. Lackierte Teile am Auto, Druckerzeugnisse oder Fassadenplatten sind nur einige Beispiele für Produkte, deren Farbe während der Produktion kontrolliert werden muss. Die Industrie setzt daher spezielle Sensoren ein, die der Farbwahrnehmung des menschlichen Auges entsprechen. Diese erfolgt durch Licht im Wellenlängenbereich von 380 bis 780 nm. lich beschreiben. Da es drei unterschiedliche Zapfenarten gibt, ist der Farb raum dreidimensional. Seit 1931 sorgt der von einer internationalen Kommission festgelegte Normfarbraum CIE 1931 für Vergleichbarkeit bei der Beschreibung von Farben. Dieser Farbraum beruht auf einer Studie, bei der das Farbempfinden von Probanden untersucht wurde. Gleichzeitig wurden Parameter, wie Beobachtungsbedingungen und Beleuchtung, festgelegt, so dass eine Vergleichbarkeit bei Farbmessungen gegeben ist. In technischen Anwendungen ist eher der Cielab-Farbraum gebräuchlich, der sich aus dem Normfarbraum durch Transformation erzeugen lässt. Die Koordinaten dieses Farbraums sind L als Maß für die Helligkeit, a (Grün-/Rot-Buntheit) und b (Blau-/Gelb- Buntheit). Der Vorteil dieses Farbraums liegt darin, dass jeder Bunt-Ton, der vom Wenn die Beobachtungsgeometrie feststeht, ist die Farbe physikalisch gesehen ein reflektiertes Intensitätsspektrum im sichtbaren Wellenlängenbereich. Dieses Reflexionsspektrum ist natürlich neben der Farbe des Objekts abhängig von der Beleuchtung. Für die Beleuchtung sind verschiedene Lichtquellen definiert, zum Beispiel Glühlampe, Tageslicht, Leuchtstofflampen oder kaltweiße LED. Ein Farbsensor muss in der Lage sein, das reflektierte Spektrum zu detektieren und sollte dabei die Funktionsweise des menschlichen Auges imitieren. Für die Messung wird das reflektierte Licht in spektrale Anteile zerlegt. Die einfachste Methode hierzu sind Filter, die jeweils nur für einen Teil des Spektrums durchlässig sind. Auf dieser Methode basieren auch die meisten CCD-Kameras, deren Sensor in grüne, rote und blaue Pixel unterteilt ist. True-Color-Sensoren haben Farbabweichungen im Blick Mit einem genaueren Prinzip arbeiten Farbsensoren für industrielle Anwendungen, wie die ColorSensor-CFO-Serie von Micro-Epsilon Eltrotec. Die Probe wird mit Der Anwender profitiert von einer Einbindung der Systeme in industrielle Steuerungsaufgaben Exkurs in die menschliche Farbwahrnehmung Das menschliche Auge hat unterschiedliche Sinneszellen: 120 Millionen Stäbchen, die für das Hell-Dunkel-Sehen zuständig sind und 6 Mio. Zapfen, die für die Farbwahrnehmung sorgen. Die Zapfen bestehen in drei verschiedenen Arten, die in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen des sichtbaren Spektrums empfindlich sind. Stäbchen habe eine höhere Empfindlichkeit als Zapfen – der Grund, warum das Farbsehen von der Beleuchtung abhängig ist. Auf Basis der menschlichen Farbempfindungen lassen sich Farben unterschied­ Dipl.-Ing. (FH) Joachim Hueber, Produktmanager Farbsensoren, Micro-Epsilon Eltrotec GmbH, Uhingen menschlichen Auge als separate Farbe wahrgenommen wird, ein gleiches Volumen einnimmt. Weniger gebräuchlich ist der HSV/HSI-Farbraum. Die bei Bildschirmen und in der Drucktechnik verwendeten Farbräume RGB und CMYK sind deutlich kleiner als der CIE-Normfarbraum – sie können also nicht alle Farben abbilden und sind somit für eine präzise Farbmessung ungeeignet. Filter zerlegen reflektiertes Licht in spektrale Anteile einer Lichtquelle beleuchtet – i. d. R. sind dies heute Weißlicht-LED-Beleuchtungen. Das von der Probe reflektierte Licht trifft dann auf den Sensor, wo das Licht durch drei verschiedene Filter auf lichtempfindliche Sensorelemente trifft. Die Absorptionsspektren der verwendeten Filter sollten so gewählt sein, dass sich die Bereiche überlappen. Die Filter teilen das Licht auf in langwellige (X), mittelwellige (Y) und kurzwellige (Z) Anteile. Die einzelnen Signale werden dann in L*a*b*-Farbwerte transformiert. Auf diese Weise werden Messwerte generiert, die eine Einordnung der Farbe entsprechend der Farbwahrnehmung des menschlichen Auges ermöglichen. Man spricht daher auch von perzeptiven Farbsensoren oder True-Color-Sensoren. Diese Sensoren eignen sich ideal um Farbabweichungen zu erkennen. Über eine Teach­ In-Funktion kann der Anwender die ge­ 14 INDUSTRIELLE AUTOMATION 1/2019

01 Der L*a*b*-Farbraum umfasst alle für das menschliche Auge erkennbare Farben 02 Der Farbsensor CFO100 lässt sich komfortabel per Teach-In konfigurieren wünschte Farbe einlernen und zusätzlich eine maximal erlaubte Farbabweichung angeben. Der Sensor vergleicht dann im Betrieb die Farbe der Produkte und kann z. B. über einen digitalen Ausgang signalisieren, ob die Farbe der Probe innerhalb des Toleranzbereichs liegt. Messsystem kann Farben eindeutig identifizieren 01 Mit einem anderen Funktionsprinzip arbeiten Farbmesssysteme, wie etwa ColorControl vom Typ ACS7000. Das System zerlegt das Spektrum des einfallenden Lichts über Brechung an einem Gitter in 256 Anteile, die hinter dem Gitter auf eine CCD-Sensorzeile abgebildet werden. Damit kann das komplette sichtbare Spektrum genau mit einer spektralen Auflösung von 5 nm vermessen werden. Das Farbmesssystem liefert im Gegensatz zum Farbsensor nicht nur einen Vergleich zu Referenzfarben, sondern kann einzelne Farben eindeutig identifizieren und als Koordinaten im Farbraum ausgeben. Sowohl Sensorsystem als auch Weißlicht-LED sind im Gehäuse des Systems verbaut, an das sich verschiedene Messköpfe über LWL anschließen lassen. Somit lassen sich z.B. strukturierte, glänzende oder transparente Objekte wie Folien oder Glas messen. Die Farbsensoren und Farbmesssysteme sind komfortabel zu bedienen. Zum Einlernen der Farben sind Teach-In-Tasten vorhanden und über ein integriertes Web- Interface können alle Einstellungen für eine optimale Farberkennung oder Farbmessung vorgenommen werden. Von der Automobilindustrie bis hin zu Druck-Erzeugnissen Farbmessungen sind in zahlreichen industriellen Anwendungen unverzichtbar, um die geforderte Qualität garantieren zu können. Ein Beispiel ist die Automobilindustrie: Stoßfänger, Türgriffe und Außenspiegel sind bei den meisten Pkw in Wagenfarbe lackiert. Hinzu kommen Abstandssensoren und Scheinwerfer-Reinigungsanlagen, die in den Stoßfängern integriert sind. Alle Teile werden getrennt lackiert, müssen aber trotzdem perfekt zur Farbe der Karosserie passen. Auch im Fahrzeuginnenraum müssen alle Farben exakt stimmen. Hier kommen strukturierte, gekrümmte und reflektierende Oberflächen noch als zusätzliche Herausforderungen an die Farbmesstechnik hinzu. Für alle Beispiele und weitere Anwendungen bietet Micro-Epsilon Eltrotec mit seinen perzeptiven Farbsensoren und Farbmesssystemen Lösungen. Auch kleine Delta-E-Werte, hohe Messfrequenzen und Messungen direkt in der Produktion sind möglich. Fotos: Micro-Epsilon www.micro-epsilon.de 02 Das kompakte modulare IO-System Cube67 by Murrelektronik Dezentral Flexibel Systemoffen Cube ist das einzigartig modular aufgebaute Feldbussystem für perfekte dezentrale Installationskonzepte. Durch seine Flexibilität wird für jede Anwendung die optimal passende Lösung realisiert – durchgängig von Schutzart IP20 bis zu IP69K. Cube-Lösungen bieten in jeder Phase des Lebenszyklus einer Maschine den maximalen Kosten-Nutzen-Effekt. INDUSTRIELLE AUTOMATION 1/2019 15 www.murrelektronik.de

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