CNNs empfehlen sich überall dort, wo eine schnelle Bilderfassung und -auswertung gefragt ist: Prüfung von Draht.

Bilder: Fraunhofer IPM

Das Inspektionssystem erkennt unterschiedliche Fehler: links sind Ziehriefen dargestellt, in der Mitte Rattermarken und im rechten Bild Querriefen senkrecht zum Vorschub.

Die Draht-Testproben sind am Rand einer rotierenden Scheibe montiert (rechts unten im Bild). Zwei an die CNN-Kamera angepasste LED-Einheiten arbeiten gepulst mit bis zu 10 kHz.

Schematische Darstellung des Prüfaufbaus.

Null-Fehler-Drahtproduktion

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Beim Herstellen von Draht treten typisch folgende Fehler auf:
– Ziehriefen durch verschlissene Ziehsteine
– Rattermarken durch Resonanzschwingungen im System
– Querriefen, also Kratzer senkrecht zum Vorschub.
Die Strukturgrößen dieser Fehler liegen im Bereich von einigen Millimetern bis hinunter zu 100 Mikrometern. Bisherige Bildverarbeitungs-Systeme versagen bei der Inspektion solcher Beschädigungen auf der sich schnell bewegenden Drahtoberfläche. Das vom Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (IPM) in Freiburg entwickelte System hingegen ist aufgrund einer kamerainternen pixelparallelen Bildverarbeitung und einer speziell angepassten Beleuchtung in der Lage, bei Ziehgeschwindigkeiten von 50 m/s bis zu 1,5 mm feine Kratzer auf einem Aluminiumdraht zu erkennen und gleichzeitig auszuwerten. Selbst winzige Defekte im Bereich von 100 µm nimmt das System wahr. Die Beschädigungen werden schnell erkannt, so dass der Drahtzieh-Prozess in Echtzeit geregelt werden kann. Wesentlicher Bestandteil des Systems ist eine Cellular-Neural-Networks-Kamera (CNN). Bei dieser Technik wird eine Single-Instruction-Multiple-Data-Rechnerarchitektur (SIMD) in die Pixel des Kamerachips integriert. Jeder Programmschritt wird für eine Vielzahl von Daten parallel und auf die gleiche Weise durchgeführt.
Die Zellen des optischen CNN bestehen aus Pixeln mit jeweils einem eigenen Analogprozessor. Jede Zelle ist mit seinen Nachbarn verbunden. Das dynamische Verhalten einer Zelle kann durch Zustandsgleichungen in Form von nicht linearen, lokal gekoppelten Differentialgleichungen beschrieben werden. Ein Programm besteht aus einer Folge von Kopplungsparametern. So kann durch analoge Koppelung der benachbarten Pixel eines Eingangsbilds in einem einzigen, parallel ablaufenden Schritt eines CNN in rund 8 µs ein Kantenbild erzeugt werden. Typische Bildverarbeitungsabläufe wie morphologische Operatoren, Segmentierung, Schwellwertfindung, Maskenoperationen oder HDR-Imaging (120 dB) werden effektiv und schnell durchgeführt. Trotz der hohen Verarbeitungsgeschwindigkeit lassen sich CNN-Systeme kompakt und mit kleiner Leistungsaufnahme realisieren. Das Gewicht liegt bei 1 kg, die Leistungsaufnahme um die 10 W.

Der hier geschilderte Prozess des Kaltdrahtziehens ist ein Beispiel für viele Inspektionsaufgaben, die aufgrund der geforderten Prüfgeschwindigkeit mit bisher auf dem Markt erhältlichen Bildverarbeitungs-Systemen nicht zufriedenstellend gelöst werden können. Die CNN-Kamera wird bereits erfolgreich für die Regelung von Laserschweißaufgaben eingesetzt. Dabei werden nicht einzelne Fehler detektiert, sondern der Prozess als solcher wird auf die Größe des Durchschweißlochs geregelt, und zwar mit einer Bildrate über 10 kHz.
CNNs empfehlen sich überall dort, wo eine schnelle Bilderfassung und -auswertung gefragt ist wie in der
– Laser-Mikrobearbeitung wie Laserbohren, Laserschneiden, 3-D-Formabtrag
– Qualitätskontrolle im Prozess wie Oberflächeninspektion, Prüfung auf Vollständigkeit
– Regelung hochdynamischer Prozesse und
– Objekterkennung sowie -verfolgung.
Die dafür notwendige Vorlaufforschung wurde in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik (IWM), ebenfalls Freiburg im Rahmen des Projektes „Flexible Steuerung von Umformprozessen mit Cellularen Neuronalen Netzen“ durch die Baden-Württemberg Stiftung gGmbH finanziert. In der Fraunhofer-Allianz Vision arbeiten die Fachabteilungen aus derzeit 16 Fraunhofer-Instituten im Bereich Bildverarbeitung und optische Mess- und Prüftechnik zusammen. Unter dem Motto „Null-Fehler-Produktion“ soll die zeitige und vollständige Kontrolle aller qualitäts-relevanter Schritte im Fertigungsprozess möglich gemacht werden.