Prozesssynchronisation mit Industriekameras Wenn es genau sein muss

Autor / Redakteur: Dr. Albert Schmidt, Geschäftsführer, und Denis Dietsch, Produktmanager im Vision Competence Center / Andreas Leu

In optischen Inspektionssystemen muss ein Bild genau dann aufgenommen werden, wenn sich das in der Regel bewegte Objekt vollständig unter dem Objektiv befindet und die Beleuchtung aktiviert ist. Eigentlich einfach – aber im Detail liegen Fallstricke.

Arbeiten Maschinentakt und Kamera nicht synchron, befinden sich Objekte bei der Bildaufnahme nicht genau unter der Kamera (rechts), was eine einwandfreie Funktion bildverarbeitender Algorithmen erschwert.
Arbeiten Maschinentakt und Kamera nicht synchron, befinden sich Objekte bei der Bildaufnahme nicht genau unter der Kamera (rechts), was eine einwandfreie Funktion bildverarbeitender Algorithmen erschwert.
(Bild: Baumer)

Die Synchronisierung zwischen Maschinentakt im Verarbeitungsprozess, Kamera und Beleuchtung erfolgt über so genannte Trigger: externe Signale oder Ereignisse, die den Bildeinzug der Kamera starten und deren Quellen Hardwarekomponenten sind oder in der Software liegen. Diese Signale müssen erzeugt, transportiert und verarbeitet werden. Das sind wichtige Prozessschritte, die Zeit benötigen bzw. Schwankungen unterworfen sind und damit berücksichtigt werden müssen.

Trigger verwenden

Für die Synchronisation empfiehlt sich die Verwendung von Triggern – unabhängig vom verwendeten Kameratyp. D. h., die Kamera sollte nicht im Free-Running-Modus laufen, sondern in der Software muss der TriggerMode aktiviert sein. Sobald die Kamera den Trigger empfängt, beginnt sie mit der Bildaufnahme nach einem einstellbaren TriggerDelay. Mit dieser Verzögerung wird sichergestellt, dass Schwankungen oder Verzögerungen im System (etwa durch Kabel oder Beleuchtungselektronik) berücksichtigt werden. In der Regel muss der Delay durch Versuch gefunden werden, da er von den verwendeten Komponenten abhängt. Die Verzögerung in der Kamera selbst ist als Maximalwert im Datenblatt angegeben.

Bildergalerie

Wird mit Triggern gearbeitet, gilt es ausserdem zu beachten, wann die Kamera für den nächsten Trigger empfänglich ist. Dies hängt vom verwendeten Kamera- und Sensortyp ab. Für den Anwender ist wichtig festzulegen, welche Bildrate die Applikation benötigt. Damit können dann weitere Parameter festgelegt bzw. manche Sensoren und Kameratypen ausgeschlossen werden.

Woher kommt der Trigger?

Ein Trigger wird von externer Hardware, aus der Software heraus oder durch ein Action Command gesteuert. Wenn möglich, sollte ein Hardware-Trigger eingesetzt werden, da dieser sehr viel weniger Schwankungen und Verzögerungen im Bereich von Mikrosekunden unterliegt. Bei Verwendung eines Software-Triggers liegen die Schwankungen dagegen im Millisekunden-Bereich. Ob das akzeptabel ist, muss applikationsspezifisch bewertet werden. Ein Action Command findet z. B. bei der Synchronisation mit Encodern Verwendung, um Bildaufnahmen bei bestimmten Encoder-Positionen zu starten. Bei einigen Kameratypen, wie den CX-Modellen mit Precision Time Protocol (PTP), kann der Trigger zeitsynchronisiert durch ein Action Command ausgelöst werden. In allen Fällen wird in der Software der Kamera dafür das Register TriggerSource verwendet.

Über welchen Eingang (I/O-Type) sollte der Hardware-Trigger kommen?

Der Grossteil digitaler Industriekameras ist heute mit einem oder mehreren optoentkoppelten Digital-Eingängen und/oder sogenannten GPIOs (general purpose inputs/outputs), also Allzweckeingängen und -aus­gängen, ausgestattet. Die erstgenannten Schaltkrei­se weisen eine Schaltzeit im Millisekunden-Bereich auf, können aber höhere Spannungen übertragen und sind aufgrund der galvanischen Trennung der beiden Stromkreise unempfindlich elektromagnetischen Störungen. GPIOs sind dagegen schneller – sie reagieren mit einer Latenz im Nanosekunden-Bereich, werden aufgrund der fehlenden galvanischen Trennung zwischen Signalquelle und Kamera jedoch als weniger sicher hinsichtlich ihrer Anfälligkeit für Masseschleifen und Störungen betrachtet.

Anzahl der Bilder nach dem Trigger?

In der Regel wird nur ein Bild benötigt, was für die Verwendung des FrameStart Trigger Mode spricht. Auf jeden eintreffenden Trigger wird demnach genau ein Frame – also die Kombination aus Belichtungszeit und Sensor Readout – aufgenommen (siehe Bild 2). Trigger, die während der Belichtung und des Readouts eintreffen, werden von der Kamera verworfen. Wird aufgrund einer höheren Taktrate eine Überlappung von Sensorbelichtungszeit und Readout der vorherigen Aufnahme benötigt, bietet sich der TriggerOverlap Readout Mode (siehe Bild 2) an. Das Timing wird dabei so gewählt, dass die Kamera den Trigger so annimmt und verarbeitet, dass das Readout des Frames (n) und die Belichtungszeit des Frames (n+1) sehr kurz nacheinander eintreten.

Wenn’s mehr als ein Bild braucht

Der Sequencer ermöglicht die Aufnahme von Bildserien und -sequenzen mit automatischer Umparametrierung der Kamera auf Basis verschiedener Ereignisse und Signale. Die gewünschten Kameraeinstellungen sind dafür in so genannten Sequencer-Sets gespeichert. Mehrere davon aneinandergereiht bilden eine Sequenz. Die Verbindungen innerhalb der Sequenzen erfolgen über verschiedene Pfade. Daher sind neben unterschiedlichen Kamerafunktionen auch pfadbezogene Funktionen Teil jedes Sequencer-Sets.

Jedes dieser Sets bekommt eine Nummer zugewiesen und kann bei Baumer-Kameras Funktionen wie Belichtungszeit, Gain, Partial-Scan-Parameter oder die Ansteuerung digitaler Ausgänge enthalten. Die zugewiesene Nummer ist u. a. Bestandteil der Pfadinformationen für den Wechsel zwischen den Sequencer-Sets. Ein weiterer Bestandteil ist das Signal, dessen Zustandsänderung den Set-Wechsel bewirkt und die Zustandsänderung (Flanke), die letztlich triggert. Signalquelle kann dabei ein Hardware-Trigger oder ein kamerainternes Signal sein.

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