Machine Learning – niet zonder mijn hardware

Fraunhofer IWU

Optisch controlesysteem met hardware van mk

Intelligente software leert zelfstandig optische fouten te herkennen, te onderscheiden en te evalueren. De beschreven installatie controleert gelakte kleine onderdelen in een doorloop. Daarmee automatiseert hij de procedure voor kwaliteitscontrole bij de productie van kleine onderdelen. Dat de software de fouten zelfs maar kan zien, is te danken aan de bijbehorende hardware. De installatie is uitgevoerd door het Fraunhofer Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in Chemnitz. De uitrusting voor camera's, licht, computers en de transporttechniek wordt geleverd van mk.

Grote aantallen in een zo goed mogelijke kwaliteit - met name individuele onderdelen voor de autobranche - moeten aan hoge productie-eisen voldoen. Een voortdurend toenemende automatiseringsgraad in combinatie met intelligente machines biedt hier de kansen om aan die eisen te voldoen.

Intelligente machines, dat klinkt zo eenvoudig en het begrip wordt vaak en veel gebruikt. Maar wat betekenen intelligente machines? Een machine kan alleen maar dat weten wat de programmeur er in heeft gestopt - dus toch niet zo intelligent? Toch wel, machines kunnen zelfstandig leren, patronen herkennen en verschillende gegevens analyseren.

Het Fraunhofer Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in Chemnitz heeft nu een installatie ontwikkeld die zwart gelakte kleine onderdelen voor de autobranche op optische fouten controleert. En dat gaat volautomatisch. Niet alleen identificeert de software bekende foutpatronen. Nee, de software leert ook zelfstandig fouten te herkennen, te onderscheiden en te evalueren.

Intelligente software

"Voor het ontwikkelen van deze installatie hebben we onze ontwikkelomgeving Xeidana® gebruikt”, zegt Alexander Pierer, wetenschappelijk medewerker op het gebied van automatisering en monitoring. Alexander Pierer is verantwoordelijk voor onderzoek en ontwikkeling op het gebied van automatisering en bewaking van fabricagetechnologieën. Bij dit project heeft hij de leiding overgenomen en de software helpen ontwikkelen.

"De software die we hebben geïmplementeerd, kan bijvoorbeeld gegevens van verschillende of redundante sensorsystemen combineren.” Deze sensorfusie biedt de mogelijkheid om het spectrum van herkenbare defecten en de daarmee samenhangende betrouwbaarheid van de evaluatie te verbeteren.

Met structuur ontdekkende procedures kan de software complexe verbanden in gegevensbestanden vinden en monsters identificeren. "En daardoor leert de machine", zegt Alexander Pierer. De delen kunnen daardoor aan de hand van 'zachte’ criteria - net als bij de menselijke waarneming - als ‘in orde’ of 'niet in orde’ worden geclassificeerd.

Topprestaties met high-tech

19 camera's met elk 35 beelden per seconden in Full HD-resolutie controleren tot 250 kleine onderdelen in doorloop op optisch zichtbare fouten. Met 18 meter per minuut wordt de werkstukdrager met de te controleren onderdelen door het systeem onder de camera's door getransporteerd. De camera's maken binnen drie tot vier seconden 360 foto's die dan binnen de cyclustijd van 30 seconden geëvalueerd worden. "Bij de gegevensverwerking zetten we in op een zogenaamde massief-parallelle gegevensverwerking met behulp van 14 rekenkernen en de grafische processor. Daardoor kunnen we installaties achteraf probleemloos tot het dubbele aantal camera's of met meer sensorprincipalen uitbreiden om in de toekomst bijvoorbeeld meer kenmerken zoals kleurtint of lakdikte te controleren. In het concept van de installatie zijn de betreffende reserves met betrekking tot de mechanische bouwruimten en software-interfaces ingepland", aldus Alexander Pierer. De camera's herkennen door deflectometrie oneffenheden in het µm-bereik. Krassen en insluitingen worden herkent binnen tienden van millimeters.

Krachtige LED-lampen verlichten de producten vanaf drie kanten. Om bewegingsonscherpte en invloeden van extern licht op de foto's te voorkomen, moeten de producten heel kort en met een hoge intensiteit worden belicht: lichtflitsen in het bereik van 10 µs ondersteunen de camera's bij het maken van supernauwkeurige foto's.

Samenspel van soft- en hardware

Software en hardware moeten bij dergelijke projecten feilloos samenwerken. "We hadden voor de installatie nog de transporttechniek en de complete behuizing, camerahouders, computerbehuizingen en een werkplek nodig", zegt Alexander Pierer. Aan vroegere projecten had Pierer goede ervaringen overgehouden met de specialisten in profiel- en transporttechniek Maschinenbau Kitz GmbH uit Troisdorf. "We waren heel tevreden met de samenwerking tot nog toe. En ook bij dit project kon mk weer uitstekend voldoen aan onze eisen.”

Bij dit project kwam het vooral op zeer flexibele instelmogelijkheden voor de camera's aan. Om een naadloze controle van de onderdelen te garanderen, moesten de camera's op 1/10 mm nauwkeurig vrij over drie assen kunnen worden ingesteld. Hier hebben de constructeurs van mk samen met de medewerkers van IWU een efficiënte en flexibele oplossing gevonden die nauwkeurig aan de eisen voldoet.

Alexander Pierer, Fraunhofer IWU, Chemnitz
We waren heel tevreden met de samenwerking tot nog toe. En ook bij dit project kon mk weer uitstekend voldoen aan onze eisen.

Een concept wordt tot leven gebracht

Gabriel Jaramillo, verantwoordelijk constructeur bij mk, kon hier de juiste ideeën leveren: "We hebben van klanten een concepttekening ontvangen onder welke hoek de camera's ingesteld worden en hoe het geheel er kan uitzien. En dat hebben we vervolgens gemaakt.” Dit conceptmodel is opgezet door Dirk Hoffmann, constructeur bij Fraunhofer IWU: "De samenwerking met de constructeurs van mk is uitstekend verlopen", zegt Dirk Hoffmann. “Ze hebben ons ontwerp volledig tot leven gebracht.”

Ook bijzondere eisen waren geen probleem. Zo moesten de gebruikte materialen bijvoorbeeld vrij zijn van substanties die een nadelig effect op het lakken hebben (LABS)  en daarbij ook nog antistatisch zijn uitgevoerd. Behuizingen voor computers, houders voor monitor en toetsenbord en als centraal bestanddeel van de installatie een tandriemtransportband ZRF-P 2010, waarop de werkstukdragers door de gehele installatie worden vervoerd, behoorden eveneens tot de omvang van het project. De motor is rechtstreeks op de aandrijfas gestoken. Dat beperkt de benodigde ruimte en het onderhoud. De aandrijfpositie kan vrij over de gehele lengte van de transportband worden gekozen, waardoor de transportband gemakkelijk kan worden geïntegreerd. Een encoder op de motor van de transportband geeft op een honderdste millimeter nauwkeurig door waar de werkstukdrager zich op de transportband bevindt.

Het gehele cameragebied moest van een ondoorzichtige behuizing worden voorzien. "We hadden geen echte donkere kamer nodig, omdat door de korte belichtingstijd de invloed van extern licht optimaal kan worden gecompenseerd",  legt Dirk Hoffmann uit. "Maar toch moest de behuizing ondoorzichtig worden uitgevoerd om vooral te beschermen tegen verblinding van de bediener en om de optiek te beschermen.” Tevens moest de installatie voor onderhoudsdoeleinden snel en gemakkelijk te openen zijn.

Modulair systeem

Aan dat alles kon de installatie van mk voldoen. Dat wordt mogelijk gemaakt door het uitgebreide modulaire systeem van mk van Profiltechnik und Fördertechnik, waarmee ook systeemoplossingen gemakkelijk uitvoerbaar zijn.

“Voor ons vormde de taak geen grote hindernis”, zegt Gabriel Jaramillo. Veel was al bruikbaar uit het standaardaanbod van mk of kon worden aangepast. Het gebruik van standaardcomponenten heeft een positieve invloed op de prijs. "De prijs-kwaliteitverhouding heeft ons overtuigd", aldus Alexander Pierer. Ten slotte heeft hij precies gekregen wat hij nodig had. "De installatie loopt probleemloos en tot volle tevredenheid.” De definitieve integratie van de gehele installatie bij de klant moet nog plaatsvinden. De installatie wordt geïntegreerd tussen de stappen fabricage/lakken en het uitsorteren van NiO-onderdelen. Dankzij de systeemgroeven van het mk-profielsysteem zijn geen grote moeilijkheden te verwachten bij de integratie van de hardware.

In de toekomst

Voor de eindgebruikers betekent de installatie een naadloze 100 %-controle van alle onderdelen. Tot nog toe is de controle visueel door medewerkers uitgevoerd. Met de geautomatiseerde controle moet de kwaliteitswaarborg nog nauwkeuriger en sneller plaatsvinden. De medewerkerscapaciteit komt beschikbaar voor andere taken die niet door machines kunnen worden overgenomen. Want ondanks alle machinale intelligentie: veel vaardigheden waarover mensen beschikken, zullen niet of moeilijk te leren zijn door machines.

Software en taakspecifieke hardwarecomponenten kan het Fraunhofer IWU het beste zelf ontwikkelen. Transporttechniek en de mechanische montage van installaties behoren echter niet tot de kerntaken van het IWU. Alexander Pierer is overtuigd van de verdere samenwerking met mk: "We zullen ons ook voor toekomstige projecten graag tot mk richten. Om voor onze software de noodzakelijke omgeving te scheppen.”

Über Fraunhofer IWU

Het Fraunhofer Instituut voor Machine Tools en Vormtechniek IWU is een motor voor innovaties op het gebied van onderzoek en ontwikkeling van productie-engineering. Fraunhofer IWU opent potentieel, ontwikkelt oplossingen, verbetert technieken en bevordert innovaties in wetenschap en contractonderzoek. In focus: componenten en processen, technologieën en processen, complexe machinesystemen - de hele fabriek.

Das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU
Reichenhainer Straße 88
09126 Chemnitz

 

Tel. +49 371 5397 0

www.iwu.fraunhofer.de