Im Rahmen der Fertigung von elektronischen Baugruppen, welche mit LEDs bestückt sind, kommt es trotz einer kontrollierten Produktion sporadisch zu Ausfällen einzelner Dioden (z.B. durch bereits fehlerhafte Lieferung), Defekten auf Grund von Bestückungs- und Lötfehlern sowie Funktionsunfähigkeit wegen falscher oder fehlerhafter Montage der Gehäusebaugruppen.
Jens Rudolph, Göpel electronic, Jena
Deshalb erweist sich in zunehmendem Maße eine optische Zwischen- oder Endkontrolle der Baugruppen als zwingend notwendig. Bei der visuellen LED-Kontrolle müssen folgende Prüfaufgaben realisiert werden:
- Kontrolle auf Anwesenheit und Lagerichtigkeit der bestückten LEDs
- Kontrolle der Funktionsfähigkeit der Bauelemente nach Stimulierung durch den elektrischen Tester
- Überprüfung der Farbrichtigkeit der LEDs.
Für diese Aufgaben ist ein optisches Inspektionssystem eine Lösung. Ein System, das je nach Komplexität der entsprechenden Baugruppen mit einer oder mehreren feststehenden Farbkameras arbeitet. Eine Beispiel wäre das TOM ColorLine, eine Erweiterung des TOM ComfortLine der Firma Göpel electronic für Farbinspektionsaufgaben. Anstelle von S/W-Komponenten kommen in dieser Konfiguration Farbkameras mit entsprechenden Bildverarbeitungsfunktionen zum Einsatz. Neben den Prüfaufgaben des TOM ComfortLine kann mit dieser Systemvariante u.a. die Prüfung auf Farbrichtigkeit von LEDs, Displays und sonstigen Bauelementen erfolgen. Außer den herkömmlichen LEDs sind heutzutage in vielen Geräten der Industrieelektronik und in zunehmendem Maße auch in fast allen Geräten der Haushaltselektronik LCD- Anzeigen in verschiedensten kundenspezifischen Varianten zu finden. Bei der Fertigung dieser Baugruppen kann es trotz größter Sorgfalt zu Fehlfunktionen und zu vollständigen oder partiellen Ausfällen der LCD-Anzeigen kommen. Mögliche Ursachen sind dabei: mechanische Beschädigungen der Displayelemente, Fehler beim Montieren der Displays sowie vor allem Kontaktschwierigkeiten zwischen der Ansteuerelektronik und dem LCD-Display.
Um zu vermeiden, dass diese fehlerhaften Baugruppen ausgeliefert oder in das Endgerät eingebaut werden, setzen mittlerweile eine große Anzahl Anwender das System zur optischen Zwischen- oder Endprüfung ein.
Typischerweise wird bei der optischen Inspektion des LCD-Displays mit einem Prüfmuster – oft eingesetzt wird ein Schachbrettmuster (Bild 1) – durch die übergeordnete Steuerung beaufschlagt. Mit dem Schachbrettmuster lassen sich sehr gut fehlerhaft angesteuerte Dots sowohl im Ein-Zustand als auch im Aus-Zustand erkennen. Darüber hinaus erweist es sich als sinnvoll, das Display mit signifikanten Mustern anzusteuern, welche maßgeblich aus bereits bestehenden Fehlererfahrungen der Abteilung Qualitätssicherung gespeist werden.
Außerdem ist es mit dem Bildverarbeitungssystem möglich, angezeigte Symbole mit Gut-Musterbildern zu vergleichen oder auch eine OCR-Texterkennung zu realisieren.
Das für diese Testaufgaben eingesetzte optische Inspektionssystem stellt das Basismodul der TOM-Familie dar. Es arbeitet mit Standard S/W- Kameras und ist für die Prüfung ruhender Objekte konzipiert. Es eignet sich für Klarschrift-Leseaufgaben, zur Anwesenheitskontrolle von Bauteilen sowie für die Inspektion von Displays und zeichnet sich durch eine einfache und komfortable Bedienung aus. TOM ComfortLine ist unter Windows lauffähig und besteht aus den folgenden Softwarekomponenten:
„Anlern-Modul“ zum Erstellen von Prüfabläufen
Dieses Programm dient zur Definition von Prüfbereichen innerhalb des angezeigten Videobildes per Maus. Der Bediener kann somit aus einer Vielzahl von Bildverarbeitungsfunktionen wählen. Dazu sind jedoch keine speziellen Bildverarbeitungskenntnisse notwendig. Man wählt die gewünschte Funktion lediglich aus der vorhandenen Funktionsbibliothek aus und ordnet sie dem jeweiligen Prüfschritt zu. Gegebenenfalls sind noch einige wenige Parameter an die spezielle Prüfaufgabe anzupassen. Sind an das System mehrere Kameras angeschlossen, muss natürlich auch die Zuordnung der entsprechenden Kamera zum aktuellen Prüfschritt erfolgen. Die einzelnen Prüfschritte werden in einem so genannten Prüfablauf hinterlegt. Der so erstellte Ablauf kann unter frei definierbarem Namen gespeichert werden. Dieser Prüfablauf wird in der Regel sequenziell abgearbeitet – es sind aber auch Sprünge oder Schleifen möglich. Jeder Prüfschritt erhält ein separates Resultat, aus welchem dann durch eine boolesche Verknüpfung das Ergebnis des Prüfablaufes gebildet wird. Die Rückgabe des Prüfergebnisses erfolgt dabei in Form einer Gut-/Schlecht-Aussage oder als gelesene Zeichenkette.
„Run-Modul“ zur automatischen Abarbeitung von Prüfabläufen
Dieses Modul dient zur Fernbedienung des Systems über die serielle Schnittstelle des PCs, über DDE oder über Pipes. Optional ist die Kommunikation über potenzialfreie Ein- und Ausgänge, Profibus oder IPC möglich.
„Model-Teach“ zum Anlernen von Objekten und Schriftarten
Mit diesem Modul kann der Anwender selbstständig verschiedene Objekte und Schriftarten anlernen. Objekte jeglicher Art werden in einem Lernprogramm unter Windows hinzugeführt. Dazu werden Beispielbilder aufgenommen und die zu erkennenden Objekte in diesen Bildern markiert. Der Benutzer kann in die Lernmenge (Trainings Set, MTS) sowohl positive als auch negative Beispiele platzieren, um später zwischen „guten“ und „schlechten“ Objekten zu unterscheiden. Das Ergebnis des Lernprogramms ist ein Klassifikator, welcher die Eigenschaften der angelernten Objekte beschreibt. Das Lernprogramm bietet dem Benutzer eine Reihe von speziellen Suchfunktionen, so dass der Klassifikator innerhalb des Model- Teach-Programms getestet und gegebenenfalls durch Anlernen weiterer Testbilder erweitert und verbessert werden kann. Nach erfolgreichem Test wird der Klassifikator abgespeichert und vom TOM Lern- bzw. Run-Modul gelesen und genutzt. Objekte können automatisch in verschiedenen Rotationslagen und unterschiedlichen Größen angelernt werden. Ein besonderer Schwerpunkt wurde auf die Erkennung von Schriften (OCR) und die Vollständigkeitskontrolle gelegt.
Auf Grund der engen Kooperationen von Göpel electronic mit vielen führenden Automobilherstellern und deren zahlreichen Zulieferfirmen auf dem Gebiet der elektronischen Messtechnik und Diagnose entwickelte sich in der Vergangenheit der Wunsch, die eingesetzten TFT-Displays vor Auslieferung bzw. vor der Montage in das Fahrzeug nicht nur elektrisch zu testen, sondern auch optisch auf ihre einwandfreie Funktionsfähigkeit hin zu untersuchen. Diese TFT-Displays kommen zunehmend in den Fahrzeugmodellen der Oberklasse und der gehobenen Mittelklasse zum Einsatz. Fehlfunktionen oder eine fehlerhafte Darstellung von Texten bzw. Symbolen würde nicht nur zu einem Imageverlust des Zulieferers oder des Herstellers führen. Außerdem ist eine nachträgliche Beseitigung der Fehler enorm kosten- und zeitaufwändig, da zumeist große Stückzahlen gefertigt werden. Das TOM-Bildverarbeitungssystem kommt sowohl in der Vorserienentwicklung (Soft- und Hardwaretest) als auch in der Serienfertigung (Zwischen-/Endkontrolle) zum Einsatz.
Dabei sollen die folgenden möglichen Fehler erkannt und klassifiziert werden:
- Test auf fehlerhafte Pixel im nichtangesteuerten Zustand (Erkennung von ständig leuchtenden Pixeln): Dazu wird lediglich die TFT-Hintergrundbeleuchtung angesteuert. Die Kamera wird hierbei mit einem X/Y- Achssystem über das Display bewegt. Das angeschlossene Bildverarbeitungssystem kontrolliert dabei, ob einzelne Pixel leuchten. Die fehlerhafte Position kann dann dem übergeordneten Prüfsystem mitgeteilt werden.
- Test auf Inhomogenitäten innerhalb der gesamten TFT-Fläche: Dieser Test wird ebenfalls mit angesteuerter TFT-Hintergrundbeleuchtung ausgeführt. Auch in diesem Falle wird das entsprechende Display mit einem Achssystem abgerastert. Es erfolgt daraufhin eine Überprüfung hinsichtlich unerlaubter Helligkeitsschwankungen innerhalb des TFT-Displays. Dazu werden in den einzelnen Bereichen die Helligkeitsmittelwerte ermittelt und mit einem Sollwertbereich verglichen.
- Kontrolle des Displays mit angesteuerten Pixeln: Als Bestandteil dieser Überprüfung wird vom Leitrechnersystem ein 64-stufiges Graukeilmuster auf dem Display abgebildet. Das Display muss dieses Graukeilbild mit den entsprechenden Abstufungen fehlerfrei darstellen. Für diese Prüfaufgabe ist der Einsatz einer qualitativ hochwertigen Kamera mit einer Grauwertauflösung von 12 bit zwingend notwendig.
- Test der anzuzeigenden Symbole auf Anwesenheit, Detailtreue und Vollständigkeit: Hierbei wird das jeweilige Display nacheinander mit allen vorhandenen Symbolen und Schriftzeichen stimuliert. Dem Bildverarbeitungssystem wird parallel das zu erwartende Symbol mitgeteilt.
Bei der nachfolgenden Überprüfung wird eine OCR-Texterkennung oder ein Bildvergleich mit einem Gut-Musterbild vorgenommen (Bild 3). Dabei kann die zu erwartende Übereinstimmung mit dem Original-Prüfmuster stufenlos (Qualität in %) eingestellt werden.
Goepel electronic beschäftigt sich seit vielen Jahren mit optischen Inspektionsaufgaben in verschiedensten Wirtschaftsbranchen. Auf besonders umfangreiche Erfahrungen kann das Unternehmen in den Bereichen Paperhandling/Mailprocessing, Plastspritzguss, Automobilzulieferindustrie und vor allem in der Elektronikindustrie verweisen. In den genannten Branchen erhielten die Thüringer in der Vergangenheit äußerst viele Anfragen bezüglich der optischen Inspektion von LED-, LCD- und TFT-Displays und Anzeigeelementen.
Productronica, Stand A1.454
EPP 498
Unsere Webinar-Empfehlung
Applikationen aus dem Bereich der Leistungselektronik gewinnen immer mehr an Bedeutung. Die Inspektion dieser Applikation lässt sich mit der bewährten Standardtechnologie der 3D-Messtechnik bewerkstelligen.
Teilen:
