Machine Learning – Nicht ohne meine Hardware

Fraunhofer IWU

Optisches Prüfsystem mit Hardware von mk

Eine intelligente Software lernt selbstständig optische Fehler zu erkennen, zu unterscheiden und zu bewerten. Die beschriebene Anlage prüft lackierte Kleinteile im Durchlauf. Damit automatisiert sie den Qualitätssicherungsprozess in der Produktion der Kleinteile. Dass die Software die Fehler überhaupt sehen kann, verdankt sie der dazu passenden Hardware. Ausgeführt wurde die Anlage vom Fraunhofer Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in Chemnitz. Das Gerüst für Kameras, Licht, Computer und die Fördertechnik für die Anlage kommen aus einer Hand von mk.

Große Stückzahlen in möglichst ausgezeichneter Qualität – Einzelteile insbesondere für die Automobilbranche müssen hohe Produktionsanforderungen erfüllen. Ein immer größer werdender Automatisierungsgrad verbunden mit intelligenten Maschinen bietet hier die Chancen, den Aufgaben gerecht zu werden.

Intelligente Maschinen, das klingt so einfach, der Begriff wird oft und viel verwendet. Doch was bedeuten intelligente Maschinen? Eine Maschine kann immer nur das Wissen, was die Programmierer ihr mitgegeben haben – also doch nicht so intelligent? Doch, Maschinen können selbstständig lernen, Muster erkennen und unterschiedliche Daten analysieren.

Das Fraunhofer Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in Chemnitz hat jetzt eine Anlage entwickelt, die schwarz lackierte Kleinteile für die Automobilbranche auf optische Fehler überprüft. Und das läuft vollautomatisch. Nicht nur, dass die Software bekannte Fehlermuster identifiziert. Nein, die Software lernt, selbstständig Fehler zu erkennen, zu unterscheiden und zu bewerten.

Intelligente Software

„Wir haben für die Entwicklung dieser Anlage unsere Entwicklungsumgebung Xeidana® eingesetzt“, sagt Alexander Pierer, Wissenschaftlicher Mitarbeiter im Bereich Automatisierung und Monitoring. Alexander Pierer ist für Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Automatisierung und der Überwachung von Fertigungstechnologien zuständig. Bei diesem Projekt hat er die Leitung übernommen und die Software mitentwickelt.

„Die Software, die wir hier implementiert haben, kann zum Beispiel die Daten unterschiedlicher oder redundanter Sensorsysteme kombinieren.“ Diese Sensorfusion bietet die Möglichkeit, das Spektrum erkennbarer Defekte und die damit verbundene Bewertungszuverlässigkeit zu erhöhen.

Mithilfe von strukturentdeckenden Verfahren kann die Software komplexe Zusammenhänge in Datenbeständen finden und Muster identifizieren. „Und somit lernt die Maschine“, sagt Alexander Pierer. Die Teile können dadurch auch anhand ‚weicher‘ Kriterien - ähnlich der menschlichen Wahrnehmung - in ‘in Ordnung‘ oder ‚nicht in Ordnung‘ klassifiziert werden.

Hochleistung mit High-Tech

19 Kameras mit jeweils 35 Bildern pro Sekunde in Full-HD-Auflösung, prüfen bis zu 250 Kleinteile im Durchlauf auf optisch sichtbare Fehler. Mit 18 Metern pro Minute wird der Werkstückträger mit den zu prüfenden Kleinteilen durch das System unterhalb der Kameras transportiert. Die Kameras machen innerhalb von drei bis vier Sekunden 360 Bilder, die dann innerhalb der Taktzeit von 30 Sekunden ausgewertet werden. „Bei der Datenverarbeitung setzen wir hier auf eine sogenannte massiv-parallele Datenverarbeitung unter Einbeziehung von 14 Rechenkernen und des Grafikprozessors. Dadurch könnten wir die Anlage problemlos auf die doppelte Anzahl an Kameras oder mit weiteren Sensorprinzipien nachrüsten, um künftig z.B. weitere Merkmale wie Farbton oder Lackdicke zu prüfen. Im Anlagenkonzept sind entsprechende Reserven hinsichtlich der mechanischen Bauräume und Softwareschnittstellen eingeplant“, erzählt Alexander Pierer. Die Kameras erkennen mittels Deflektometrie Unebenheiten im µm-Bereich. Kratzer und Einschlüsse werden im Zehntel-Millimeterbereich erkannt.

Leistungsstarke LED-Lampen beleuchten die Produkte von drei Seiten. Um Bewegungsunschärfe und Fremdlichteinflüsse auf den Bildern  zu vermeiden, müssen die Produkte sehr kurz und mit hoher Intensität belichtet werden: Lichtblitze im Bereich von 10 µs unterstützen die Kameras, super-präzise Bilder zu schießen.

Zusammenspiel von Soft- und Hardware

Software und Hardware müssen bei solchen Projekten einwandfrei zusammenspielen. „Wir brauchten für die Anlage noch die Fördertechnik und die komplette Umhausung, Kamerahalterungen, Computer-Einhausungen und einen Arbeitsplatz“, sagt Alexander Pierer. Aus früheren Projekten hatte Pierer gute Erfahrungen mit mk als Profil- und Fördertechnikspezialist gemacht. „Wir waren mit der bisherigen Zusammenarbeit sehr zufrieden. Und auch bei diesem Projekt konnte mk unsere Anforderungen wieder bestens erfüllen.“

Bei diesem Projekt kam es vor allem auf sehr flexible Einstellmöglichkeiten für die Kameras an. Um eine lückenlose Prüfung der Teile zu gewährleisten, mussten die Kameras 1/10mm-genau, frei in drei Achsen eingestellt werden können. Hier haben die mk-Konstrukteure gemeinsam mit den IWU-Mitarbeitern eine effiziente und flexible Lösung gefunden, die die Anforderungen genau passend erfüllt.

Alexander Pierer, Fraunhofer IWU, Chemnitz
Wir waren mit der bisherigen Zusammenarbeit sehr zufrieden. Und auch bei diesem Projekt konnte mk unsere Anforderungen wieder bestens erfüllen.

Ein Konzept wird mit Leben gefüllt

Gabriel Jaramillo, verantwortlicher Konstrukteur bei mk, konnte hier die richtigen Ideen liefern: „Wir haben vom Kunden eine Konzeptzeichnung erhalten, in welchem Winkel die Kameras eingestellt werden und wie das Ganze aussehen kann. Und das haben wir dann auskonstruiert.“ Dieses Konzeptmodell hat Dirk Hoffmann, Konstrukteur des Fraunhofer IWU erstellt: „Die Zusammenarbeit mit den mk-Konstrukteuren hat hervorragend funktioniert“, sagt Dirk Hoffmann. „Sie haben unseren Vorentwurf kompetent mit Leben gefüllt.“

Auch besondere Anforderungen waren kein Problem. So mussten die verwendeten Materialien zum Beispiel frei von lackbenetzungsstörenden Substanzen (LABS) und dazu noch antistatisch ausgeführt sein. Einhausungen für Computer, Halterungen für Monitor und Tastatur und als zentraler Bestandteil der Anlage ein Zahnriemenförderer ZRF-P 2010, auf dem der Werkstückträger durch die gesamte Anlage gefördert wird, gehörten ebenfalls zum Umfang des Projekts. Der Motor ist direkt auf die Antriebswelle aufgesteckt. Dadurch verringern sich Platzbedarf und Wartungsaufwand. Die Antriebsposition kann frei auf der gesamten Länge des Förderers gewählt werden, wodurch der Förderer leicht zu integrieren ist. Ein Drehgeber am Motor des Förderers sagt der Software im hundertstel mm-Bereich genau, wo der Werkstückträger sich auf dem Förderer befindet.

Der gesamte Kamerabereich musste mit einer Blickdichten Einhausung versehen sein. „Wir brauchten keine richtige Dunkelkammer, da durch die starke Kurzzeitbelichtung der Fremdlichteinfluss weitestgehend kompensiert werden kann“, erklärt Dirk Hoffmann. „Dennoch musste die Einhausung blickdicht ausgeführt werden, um vor allem den Blendschutz für die Bediener zu gewährleisten und die Optik zu schützen.“ Zudem sollte die Anlage zu wartungszecken schnell und einfach geöffnet werden können.

Modulares Baukastensystem

All das konnte die mk-Anlage erfüllen. Ermöglicht wird das durch den umfangreichen mk-Systembaukasten aus Profiltechnik und Fördertechnik, mit dem auch Systemlösungen einfach umsetzbar sind.

„Für uns bot die Aufgabe keine große Hürde.“, sagt Gabriel Jaramillo. Vieles konnte er bereits aus dem mk-Standard-Repertoire verwenden oder entsprechend anpassen. Die Verwendung von Standard-Komponenten wirkt sich wiederum günstig auf den Preis aus. „Das Preis-Leistungs-Verhältnis hat uns überzeugt“, sagt Alexander Pierer. Er hat letztlich genau das bekommen, was er brauchte. „Die Anlage läuft bei uns einwandfrei, zu unserer vollsten Zufriedenheit.“ Die finale Integration der gesamten Anlage beim Endkunden steht noch aus. Die Anlage wird zwischen den Schritten Fertigung / Lackierung und dem Aussortieren von NiO-Teilen integriert. Dank der Systemnuten des mk-Profilsystems sind größere Schwierigkeiten bei der Integration der Hardware nicht zu erwarten.

In Zukunft

Für den Endkunden bedeutet die Anlage eine lückenlose 100%-Kontrolle aller Bauteile. Bisher wurde die Kontrolle visuell durch Mitarbeiter ausgeführt. Mit der automatisierten Prüfung soll die Qualitätssicherung noch genauer und schneller werden. Mitarbeiterkapazitäten werden für andere Aufgaben frei, die von Maschinen nicht übernommen werden können. Denn trotz aller maschineller Intelligenz – Manche Fähigkeiten des Menschen werden Maschinen nur schwerlich bis gar nicht erlernen können.

Software und aufgabenspezifische Hardwarekomponenten kann das Fraunhofer IWU am besten selber entwickeln. Fördertechnik  sowie die mechanische Montage von Anlagen gehören aber nicht zum Kern-geschäft des IWU. Alexander Pierer ist von einer weiteren Zusammenarbeit mit mk überzeugt: „Wir werden uns auch für zukünftige Projekte gerne wieder an mk wenden. Um für unsere Software das ebenso wichtige Drumherum zu schaffen.“

Über Fraunhofer IWU

Das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU ist Motor für Neuerungen im Umfeld der produktionstechnischen Forschung und Entwicklung. Fraunhofer IWU erschließt Potenziale, entwickelt Lösungen, verbessert Techniken und treibt Innovationen in Wissenschaft und Auftragsforschung voran. Im Fokus: Bauteile und Verfahren, Technologien und Prozesse, komplexe Maschinensysteme – die ganze Fabrik.

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

Tel. +49 371 5397 0

www.iwu.fraunhofer.de