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Produzieren ohne Fehler: Neues Kamerasystem zur Inline-Inspektion

Bereits während der Herstellung kann ein neuartiges Bildverarbeitungssystem beispielsweise Drähte auf Fehler überprüfen. Und dies, obwohl der Draht mit sechs Meter pro Sekunde durch die Maschine läuft. Entwickelt wurde das neuartige Kamerasystem von Wissenschaftlern der Freiburger Fraunhofer-Institute für Physikalische Messtechnik IPM und für Werkstoffmechanik IWM und ist in den Themenbereich der so genannten Null-Fehler-Produktion einzuordnen.

Der Draht, der mit sechs Meter pro Sekunde durch die Maschine läuft, wird im Laufe des Produktionsprozesses immer dünner, bis er schließlich die gewünschte Stärke erreicht hat. Dabei können verschiedene Fehler auftreten, erklärt die Fraunhofer Gesellschaft: Ziehriefen, von der Form vergleichbar mit einem langen Kratzer im Autolack; Rattermarken, ähnlich einer Delle im Auto, die etwa durch ein Hagelkorn verursacht wird. Oder es entstehen Querriefen, die senkrecht zum Draht sind, so als wolle man den Draht durchschneiden. An diesen Schwachstellen könnte der Draht später reißen. Doch nicht nur die Qualität des Drahtes wird dadurch gemindert: Reißt ein Draht während der Herstellung in der Maschine, können die Maschinen Schaden nehmen. Das wiederum kann zu kostspieligen Produktionsausfällen führen. Bisher kontrollieren die Hersteller die Qualität des Drahtes in Stichproben, da eine kontinuierliche Überwachung des Drahtes aufgrund seiner Bewegung schwierig sei.

Das Kamerasystem, das die Wissenschaftler der Freiburger Fraunhofer-Institute IPM und IWM entwickelt haben, überprüft die sich schnell bewegende Drahtoberfläche noch während der Produktion auf Fehler, berichtet die Fraunhofer Gesellschaft. Dabei erkenne es Defekte, die kleiner als hundert Mikrometer sind. "Wir verwenden eine spezielle Kamera, die extrem kurze Regelzeiten erlaubt", erläutert Andreas Hofmann, Geschäftsfeldbeauftragter am IPM. "Die kürzeste mögliche Regelzeit - also Bildaufnahme, Auswertung und Signalerzeugung - beträgt 100 Mikrosekunden. Innerhalb dieser Zeit wird der Draht nur zehn Mikrosekunden lang über eine LED-Beleuchtungseinheit angestrahlt, ähnlich wie bei einem Stroboskop in der Disko. Die restlichen 90 Mikrosekunden verbleibt der Draht im Dunkeln, die Kamera nimmt während dieser Zeit zwar weiterhin auf, sieht aber nichts mehr." Da der Draht sich in den dunklen 90 Mikrosekunden weiter bewegt, nehmen die Forscher einen ausreichend großen Bildausschnitt von fünf Millimeter auf, erläutert die Gesellschaft weiter. Das Bild überlappe mit der vorhergehenden und der nachfolgenden Aufnahme. So fügen sich die einzelnen Bilder lückenlos aneinander und der Draht kann auf der kompletten Länge kontrolliert werden, heißt es weiter. Vier Kameras und acht Beleuchtungseinheiten sorgen dafür, dass er von allen Seiten überprüft werden kann. Fehler fallen sofort auf. Der Knackpunkt der Entwicklung lag vor allem in den Algorithmen, die die aufgenommenen Bilder auswerten. "Wir verwenden für dieses System Cellular Neural Networks-Kameras, kurz CNN: Bei ihnen sitzt an jedem einzelnen Chip ein kleiner Rechner, der die Daten sofort auswertet und mit denen des Nachbarchips vergleicht. Weichen sie stark voneinander ab, deutet das auf einen Fehler im Material hin. Dadurch können, wenn man diese parallele Rechnerarchitektur ausnutzt, bis zu 100 Milliarden Operationen pro Sekunde in Echtzeit auf dem Kamerachip ausgeführt werden", erklärt Hofmann. Je nach Art der Abweichung ermittele das System, um welchen Fehler es sich handelt, und passe die Produktionslinie entsprechend an oder stoppt diese, wenn nötig.

Auch bei anderen schnellen Produktionsprozessen ist das System hilfreich. "Wir können diese Inline-Überwachung an jeden Prozess anpassen, bei dem bei hohen Produktionsgeschwindigkeiten kleine Fehler auftreten können. Ein Beispiel sind Laserschweißprozesse, wie sie im Automobilbau eingesetzt werden", erläutert Hofmann. Was das Drahtziehen angeht, ist das System einsatzbereit, soll das System an andere Aufgabenstellungen angepasst werden, brauchen die Forscher dafür etwa ein halbes Jahr.

Dieses Beispiel für Entwicklungen aus dem Bereich Null-Fehler-Produktion wird in Kürze auf der Messe Control in Stuttgart präsentiert. Verschiedene Forscher der Fraunhofer-Allianz Vision, eine Kooperation der Fraunhofer-Institute im Bereich des maschinellen Sehens, der Bildverarbeitung und der optischen Mess- und Prüftechnik, haben sich mit diesem Themenfeld beschäftigt. So werden auf der Messe auch noch weitere Exponate aus diesem Gebiet zu sehen sein.

(Bilder: Fraunhofer IPM)
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