Möglichkeiten und Grenzen der Bildverarbeitung in der Qualitätssicherung

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2 Eine Gemeinschaftsveranstaltung der Control und der Vision Academy Erfurt. Möglichkeiten und Grenzen der Bildverarbeitung in der Qualitätssicherung Dipl.-Ing. Ingmar Jahr Schulungsleiter

3 Ein Wissensbaustein aus Modulen der Vision Academy - Kurse 3

4 Die Vision Academy Industrie-Dienstleister für industrielle Bildverarbeitung und Machine Vision Geschäftsfelder: SCHULUNG BERATUNG WISSEN Unterstützung / Begleitung von Unternehmen zum erfolgreichen Technologie-Einsatz Leitspruch: Verstehen Begreifen Anwenden effektive und fachrichtungsübergreifende Vermittlung von Praxiswissen weltweiter Aktionsradius Zielgruppe: Maschinenbauer, Produzenten, Systemintegratoren Ziele: weniger Kosten mehr Zeit mehr Sicherheit selbständiges Verstehen / Beherrschen der Technologie passgenaue Beratung / Wissen zuverlässig arbeitende Maschinen mit Bildverarbeitung zukunftsfähige Unternehmen Vision Academy Möglichkeiten und Grenzen der BV, Control

5 Unsere Kunden Vision Academy Möglichkeiten und Grenzen der BV, Control

6 Und das erwartet Sie jetzt Große Erwartungen bei Einsatz von BV Mensch Maschine - Vergleich Möglichkeiten beim Einsatz von BV Grenzen beim Einsatz von BV Vision Academy Möglichkeiten und Grenzen der BV, Control

7 Große Erwartungen bei Einsatz von Bildverarbeitung (BV) BV kann alles, weiß alles, macht alles Genau / geringe Messunsicherheit Kennen Sie die vielen Einflussfaktoren? 100% Kontrolle Schafft die BV die Geschwindigkeit? 100% Verfügbarkeit Wie steht es um das Drumherum an der Maschine? Keine Wartung nötig Kostet nichts Die BV löst alle Probleme Nie mehr Ausschuss Keine Kosten mehr für Prüfpersonal Kann jeder bedienen / warten Zukunftsfähig / schnelle Anpassung an neue Teile.. Berührungslos, aber pflegelos? Ist billig auch funktionsfähig? Vielleicht sind ganz andere Teile des Prozesses verbesserungsbedürftig? Wie wird die Anlage optimiert? Und wer kümmert sich um die Anlage? Wo kommen die Kenntnisse dazu her? Kennen Sie die Teile von morgen? Vision Academy Möglichkeiten und Grenzen der BV, Control

8 Möglichkeiten / Grenzen hängen von der Aufgabe ab maßliches Prüfen (Messen) geometrisch Koordinaten Längen (Breiten, Höhen, Abstände) Winkel / Orientierung Flächeninhalte Schwerpunkte Gerad-, Rundheit Formen / Konturen fotometrisch Helligkeit, Intensität colorimetrisch Farben, Wellenlängen thermometrisch Temperaturen nichtmaßliches Prüfen (Lehren) alle Aufgaben maßliches Prüfen plus: Anwesenheits-/ Vollständigkeitskontrolle Grad der Ausprägung / attributiver Test Lage-/ Drehlageerkennung Oberflächenkontrolle Struktur-, Texturerkennung Druckbild-, -inhaltskontrolle Mustererkennung Objekterkennung / Teileidentifikation Zeichen lesen / prüfen Code lesen Anzahlen, Mengen Vision Academy Möglichkeiten und Grenzen der BV, Control

9 von den beteiligten Technikdisziplinen Die gesamte Signalkette beeinflusst das Prüfergebnis Querverbindungen: Optik Lichttechnik Informatik Maschinenbau Elektrotechnik Elektronik Automatisierungstechnik Handhabungstechnik Robotik Umwelt Bediener Vision Academy Möglichkeiten und Grenzen der BV, Control

10 und von unserer Referenz dem Auge Menschliches Sehen Produkt von Jahrmillionen Optimierung Ein Bild sagt mehr als 1000 Worte Auge: % menschlicher Wahrnehmung 130 Mio. Pixel, 10 Mrd. verarbeiteter! Pixel / s Schnelles Erfassen / Reduzieren komplexer Informationen durch Tausende parallel arbeitende BV-Prozessoren Große Hell-/ Dunkel-Dynamik (Sonne / Mond) 3D-Farbbildverarbeitung am Tag Graubildverarbeitung in der Nacht Schnelle abgeleitete Aktionen am Bewegungsapparat Abgestimmte Zusammenwirken von Hard- und Software Kognitives Sehen: flexibel und schnell umzutrainieren Sieht das Auge zu wenig? Zapfen und Stäbchen (elektronenmikroskopische Aufnahme) Vision Academy Möglichkeiten und Grenzen der BV, Control

11 Vergleich zu bisheriger visueller Prüfung Menschliches Sehen Subjektive Anpassung und ihre Folgen geschlechtsabhängige Sehleistung (Fokus, Farbe, Peripherie) Erkennung / Unterscheidung durch subjektive Referenz (Kontextorientierung) Mess genauigkeit? nur qualitative Aussagen Abbildungsfehler (Schärfe, Verzeichnung) langsame Anpassung (Akkomodation / Adaptation) optische Täuschungen, Simultankontrast, Farbe nicht alles ist sichtbar zu langsam serielle Abarbeitung von Prüfaufgaben eine Ansicht begrenzte Aufmerksamkeit, Zuverlässigkeit, Tagesform Kompensation: subjektiv-intelligente Nachbearbeitung Simultankontrast Mangelnde Mess genauigkeit Optische Täuschungen Vision Academy Möglichkeiten und Grenzen der BV, Control

12 Mensch Maschine - Vergleich Kameraaugen sehen und bewerten anders! Mensch Ind. Bildverarbeitung Bildgewinnung Auflösung ca. 130 M Pixel > 40 MPixel Grautöne > 1 Mio. (2 20 ) Farbtöne > 7 Mio. (geschlechtsabhängig!) > 16 Mio. Geschwindigkeit > 5 Bilder / s nicht aufzulösen > x khz möglich Auswertung 3D komplexe Informationen Schwankungsrobustheit Genauigkeit Konstanz Betriebskosten sehr gut sehr gut zu verarbeiten generell extrem gut qualitativ gut fallend gering bei kleinem Produktionsvolumen noch begrenzt noch begrenzt teilweise quantitativ / qualitativ gut lang anhaltend gering bei großem Produktionsvolumen Vision Academy Möglichkeiten und Grenzen der BV, Control

13 Möglichkeiten beim Einsatz von BV Prozesskettenbegleitende Messtechnik zur Optimierung der gesamten Wertschöpfungskette: vor dem Prozess Design Wareneingang Werkstückidentifikation Handhabung, Bestückung im Prozess Fertigung Prozessregelung Gesamtkonzepte, vollautom. Prüfzellen in Fertigungslinien nach dem Prozess Montage, Endprodukt Qualitätsnachweis Prüfung kompletter Geometrien Vision Academy Möglichkeiten und Grenzen der BV, Control

14 Möglichkeiten beim Einsatz von BV In Fertigungsmesstechnik und Qualitätssicherung Durchgehende automatisierte inline Lösungen objektiv -Ersatzdes Risiko-und Geschwindigkeitsfaktors Mensch Schneller, sicherer produzieren Produkte mit dokumentierter 100%-Qualität Qualitätsgüter erzielen größeren Umsatz. Produktsicherheit steigt. Lückenlose, sofortige Dokumentation der Qualität100% Prozessdaten Nur Gutteile - keine Wertschöpfung an Schlechtteilen Kostenersparnis. Größeres Produktionsvolumen. Vermeidung von Folgekosten Minimierung von Nachbearbeitung, Gewährleistung, Produkthaftung. Ohne Stillstand zu besserer Maschinenauslastung Objektiv, unbestechlich, ermüdungsfrei: 24/7. Bessere Beherrschung technologischer Prozesse Einstellen von Qualität. Prozessregelung/ Qualitätskontrolle in Einem. Vision Academy Möglichkeiten und Grenzen der BV, Control

15 Möglichkeiten beim Einsatz von BV Schnelle 100%-Kontrolle Nachweis auch bei schneller Produktion bei > 10 Teile/s keine statistischen oder Stichproben mehr Flexible, robuste Lösungen von Mikro bis Makro einsetzbar Zeit, Kosten sparen beim Umrüsten. Schnelle Weiterproduktion Verknüpfung mit anderen Technologien Vorstöße in neue Märkte Durchlässigere Warenflüsse Maschinenlesbare Codes in allen Produktionsschritten Durchgehend hohe Produktsicherheit Arbeit in gefährlicher Umgebung Schutz des Menschen. Marktfähigkeit Schnelle Amortisation. 100% Qualität wird besser bezahlt, verbessert Image, Marktposition, Kundenzufriedenheit. Vision Academy Möglichkeiten und Grenzen der BV, Control

16 Möglichkeiten beim Einsatz von BV Tastende Verfahren vs. berührungslose optische Verfahren / BV Messergebnis beeinflusst durch: Messkraft Situation der Antastung Verschleiß Oberflächenbeschaffenheit Langzeitstabilität Messzeit Vollständige Information über das Teil Fähigkeitsanalysen Erreichbare Genauigkeiten mechanische Verfahren ja ja ja ja nein, Verschleiß relativ lang nein, da nur Punkt-oder Linienmessung Probleme bei Messposition < 1 µm optische Verfahren / BV nein nein nein ja ja sehr kurz ja, wenn nötig problemlos << 1µm (Interferometrie) > 1 µm (typ. Bildverarbeitung) Vision Academy Möglichkeiten und Grenzen der BV, Control

17 Grenzen beim Einsatz von BV Physikalische / technologische Grenzen Licht-Wellenlänge, Beugung Auflösung < 1 µm nur mit statistischen Verfahren Güte der Komponenten / technische Parameter Verbot des Einsatzes notwendiger Technologien (Laser) Genauigkeit, Robustheit der Berechnungsverfahren ( Griff in die Kiste ) z. T. noch beschränkte Modellbildung (Farbe, 3D) Fehlerfortpflanzung entlang der Signalkette Erreichbare Genauigkeiten sind anwendungs- und messfeldabhängig! Wiederholgenauigkeit in Industrieumgebung < 10 µm kaum erreichbar Zeiten Vision Academy Möglichkeiten und Grenzen der BV, Control

18 Grenzen beim Einsatz von BV Zeiten Taktzeit der Maschine = Schrittmacher für BV Transportgeschwindigkeit = Schrittmacher für Bildaufnahme BV i.a. schneller als mechanische Prozesse Aber: Verarbeitungsgeschwindigkeit sehr verschieden typisch: Bobanalyse 100 µs Kantenort finden: 1 20 ms Muster suchen 1 x ms komplettes Prüfprogramm braucht Zeit eine Aufgabe - verschiedene Lösungen: schnelle, langsame, sichere, unsichere: schnell und sicher langsam und unsicher Wissen und Erfahrung sind notwendig schneller durch Parallelisierung: Bildaufnahme und Bildverarbeitung Beleuchtung ist fast immer begrenzender Faktor bei schnellen Vorgängen Vision Academy Möglichkeiten und Grenzen der BV, Control

19 Grenzen beim Einsatz von BV Aufgabenstellung / Prüfobjekt zu viele zu prüfende Eigenschaften / Wanderpokale Schwierigkeitsgrad für Lösungsanbieter Branchenspezialisten nutzen unpräzise Aufgabenstellung standardisierte Pflichtenhefte nutzen heutige / künftige (unbekannte Teile) sollen prüfbar sein unkooperative Teile zu stark wechselnde Teileeigenschaften / Produkte: Größen, Eigenschaften (Korrosion, Farbabweichungen), ungünstige Teilegeometrie, Applikationsspezifische Grenzen: Platzbegrenzung, Kabel, Zu-/Abführung, Know-How, Vision Academy Möglichkeiten und Grenzen der BV, Control

20 Grenzen beim Einsatz von BV Umwelt- und Produktionsbedingungen Problematische Schwankungen: Fremdlicht Schutzgehäuse Schwingungen stabiler Aufbau Temperatur Kühlung Staub / Schmutz Schutzgehäuse, Abblasen Luftfeuchtigkeit Schutzgehäuse Aerosole, Ölfilm Schutzgehäuse Aggressive Chemikalien Schutzgehäuse Vision Academy Möglichkeiten und Grenzen der BV, Control

21 Grenzen beim Einsatz von BV Fremdlicht: starker Einfluss auf alle Arten Messen mit BV unbekannte Größe, da Aufstellungsort der Maschine meist unbekannt kann gesamte Messeinrichtung unbrauchbar machen konstruktiv berücksichtigen Gehäuse Temperatur / -schwankungen: starker Einfluss auf metrisches Messen Luftflimmern : Brechzahländerung der Luft (n = f(t, p)) stochastische Änderung optischer Wege instabile Messwerte Beispiel Hüttenwerk: T = 450K, Abstand 20m scheinbare Ortsänderungen am Objekt von 20cm keine Kompensationsmöglichkeit Messen bei 450 o C Umgebungstemperatur eine Herausforderung Vision Academy Möglichkeiten und Grenzen der BV, Control

22 Grenzen beim Einsatz von BV T Werkhallen typisch 5 40 o C Längenausdehnung L am Prüfobjekt = L 0 * α* T Beispiel: L = 100mm, T = 10K, Stahl: α= 12,2*10-6 /K L = 12,2 µm PVC: α= 80*10-6 /K L = 80 µm Achtung! Material Kalbrierkörper und Prüfobjekt müssen gleich sein! Ggf. Temperaturkompensation notwendig Längenausdehnungen der Messeinrichtung (Mechanik, Optik / Beleuchtung beachten) Drift / Rauschen elektronischer Bestandteile der Messeinrichtung: relevant für alle Arten des Messens Kennlinienänderungen von LED, Verstärker, ADU, stärkeres Rauschen bei höheren Temperaturen (Bildaufnehmer, Verstärker, ) Ggf. Kühlung, Klimatisierung und / oder Temperaturkompensation anwenden Vision Academy Möglichkeiten und Grenzen der BV, Control

23 Grenzen beim Einsatz von BV Luftfeuchtigkeit, Staub, Ölnebel, Kühlemulsion, Staub: relevant für alle Arten des Messens Fehlantastungen: falsche Messwerte (geometrischer Ort, Intensität, Farbe) Wenn überhaupt, Begrenzung durch Schutzgehäuse / kurze Wartungsintervalle Maschinenumfeld: Schwingungen Bewegungsunschärfe (robuste Konstruktion, Schwingungsentkopplung, Dämpfung vorsehen) Bewegung der Teile Bewegungsunschärfe (ungleiche Teilegeschwindigkeit, Kurzzeitbelichtung vorsehen) elektrische Einflüsse: Übersprechen, Transienten, EMV, Synchronisation mechanische Einflüsse: Dejustierung, verschiedene Positionierung des Prüfobjektes Vision Academy Möglichkeiten und Grenzen der BV, Control

24 Grenzen beim Einsatz von BV Menschliche Einflüsse Tatsache: Bildverarbeitung ist leistungsfähig aber auch pflegebedürftig! BV greift stark in sozio-technische Systeme ein. Ursachen: Auftraggeber ist nicht zu technisch vernünftigen Kompromissen bereit unrealistische Erwartungen / Technikglaube des Anwenders Annahme, alle Probleme sind technischer Natur lösbar Fehleinschätzung: gute Organisation + perfekte Technik = Lösung aller Probleme unqualifiziertes / sabotierendes Personal Management stellt keine personellen Ressourcen frei für BV Technik soll Arbeit leichter machen, nicht Menschen ersetzen, sonst Ablehnung Vision Academy Möglichkeiten und Grenzen der BV, Control

25 Grenzen beim Einsatz von BV Menschliche Einflüsse Auswirkungen: Mitarbeiter werden auf einmal gereizt und aggressiv Leistungen der BV werden von Mitarbeitern angezweifelt plötzliche Konflikte zwischen Mitarbeitern und Abteilungen Ursache der Enttäuschung durch BV: Prozesse, werden transparenter, Fehler werden sichtbar Spannungen inder Vergangenheitwar ja alles richtig mit BV soll alles anders werden (Bildverarbeiter bekommt Bringschuld) Vormachtstellung von Star-Einrichtern / Mechanikern sinkt Zurückhalten von Wissen. Sichtprüfungspersonal wird überflüssig/ Angst vor Arbeitsverlust bis hin zu Sabotage Schlechte Erfahrungen mit der Technologie werden mitgenommen und weitergegeben. Vision Academy Möglichkeiten und Grenzen der BV, Control

26 Grenzen beim Einsatz von BV Was kostet die Lösung? Randbedingungen bestimmen die Kosten (Art der Teile, Komplexität, Genauigkeit, Zuverlässigkeit, Umgebung, ) selbstgrobe Kostenabschätzung oft schwierig genauere Untersuchung notwendig Diskrepanzzwischen LeistungserwartungundPreis Werbung suggeriert: BVkostet 600EUR Frage: Was kostet die BV? Gegenfrage: Was kostet ein Auto? (Tata Bugatti) Was wird zu den Kosten gezählt? (Komponenten, Engineering, Integration, Machbarkeitsuntersuchung, Schulung der Mitarbeiter, Service,?) Erwartung: Engineering ist umsonst. - Berechnet die Autowerkstatt auch nur die Teile? Vision Academy Möglichkeiten und Grenzen der BV, Control

27 Fazit Bildverarbeitung kann vieles, aber nicht alles Randbedingungen bestimmen die Möglichkeiten und Grenzen Genaue Abschätzung nur bei Kenntnis der Randbedingungen Einschätzung vor dem Einsatz von BV schützt vor Enttäuschungen und finanziellen Verlusten Fähigkeit zur Einschätzung durch Wissen oder Inanspruchnahme von Dienstleistungen Vision Academy Möglichkeiten und Grenzen der BV, Control

28 Schulung Beratung - Wissen Training Beratung Coaching verschiedene Anwendergruppen in Branchen verschiedene Leistungsniveaus praxisnah und neutral Anwendungsberatung Machbarkeitsuntersuchungen Lösungsworkshops Komponentenauswahl Vermittlung von Lösungspartnern Begleitung von Projekten Know-How-Aufbau Kundenservice Termine 2014 unter Vision Academy Möglichkeiten und Grenzen der BV, Control

29 Knacken Sie mit uns die harten Nüsse! Wir freuen uns auf Ihre Herausforderungen. Besuchen Sie Vision Academy Möglichkeiten und Grenzen der BV, Control

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