-
Die
Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung mit wenigstens einer Projektoreinrichtung,
welche ein homogenes oder strukturiertes Lichtmuster auf ein Messobjekt
richtet, mit einer wenigstens einen aus einer Mehrzahl von Pixeln
gebildeten Detektor aufweisenden Bildaufnahmeeinrichtung, welche
das am Messobjekt gestreute Licht aufnimmt, mit einer hochparallelen
Datenverarbeitungseinheit mit einer Mehrzahl von Prozessoren, und
mit wenigstens einem Signalerzeugungsmittel sowie mit einer Steuer-
und Regeleinheit.
-
Bei
der Umformung von Werkstoffen handelt es sich üblicherweise
um eine Wechselwirkung zwischen einer oder mehreren Oberflächen
formgebender Werkzeuge und der Oberfläche des umzuformenden
Werkstoffes. Das Ergebnis der Umformung hängt von der Form,
der relativen Bewegung und der Oberflächenbeschaffenheit
von Werkstoff und Werkzeug ab. Alle drei Größen
(Form, seitliche Bewegung und Oberflächenqualität)
können prinzipiell mit als Kamerasystem ausgebildeten Bildaufnahmeeinrichtungen
kontrolliert werden. Allerdings handelt es sich aus Gründen
der Wirtschaftlichkeit um sehr schnelle und hoch optimierte Prozesse,
bei denen aufgrund der hohen Bildrate die eigentliche Messzeit sehr
stark limitiert ist. Aus diesem Grund ist eine Kombination aus (synchronisiertem)
Projektor und Bildaufnahmeeinrichtung erforderlich. Die Bilderzeugungseinrichtung
als eine solche Kombination dient dazu, Zustände der Oberfläche
des Werkstücks/-zeugs in einer an den Prozess angepassten
Geschwindigkeit zu erfassen.
-
Hierbei
ist weiter zu berücksichtigen, dass bei einer im Verhältnis
zur Pixelgröße zu gering auflösenden Optik
die Pixel einer Nachbarschaft bis auf zufällige Abweichungen,
z. B. das Bildrauschen, im Prinzip dieselbe Information enthalten.
Gleichzeitig bedeutet eine niedrigere Anzahl von Pixeln eine höhere
Lichtmenge pro Pixel, wodurch eine kürzere Belichtungszeit
für die Messung ausreicht und sich die Anzahl der zu verarbeitenden Daten
verringert. Enthält nun eine Nachbarschaft echt unterschiedliche
Informationen, so ist deren Zuordnung zu Prozessoren bzw. Rechenelementen
der hochparallelen Datenverarbeitungseinheit möglich, wodurch
die die Verarbeitung der Daten nochmals deutlich beschleunigt wird.
Daher sollte also das Auflösungsvermögen der Optik
der Bildaufnahmeeinrichtung so ausgelegt sein, dass die in der hochparallelen
Datenverarbeitungseinheit gekoppelten Pixel einer Nachbarschaft
auch echt unterschiedliche Informationen enthalten.
-
Um
typische Bildverarbeitungsaufgaben, z. B. Kantenfilterung, schneller
als mit konventionellen Recheneinheiten auszuführen, sind
beispielsweise aus der
WO 94/09441 hochparallele
Datenverarbeitungseinheiten bekannt, bei welchen Detektorpixeln
Prozessoren zuordenbar sind, die wiederum eine Verknüpfung
von Pixeln ermöglichen. Im Bereich der Bildverarbeitung
sind Algorithmen zur Extraktion von Oberflächenmerkmalen
be kannt. Hierzu gehören insbesondere Algorithmen zur Schwellwertfindung,
morphologische Operatoren zur Konturerkennung sowie Segmentierungsalgorithmen.
Diese Algorithmen eignen sich zur Extraktion von Oberflächenmerkmalen
von Werkstoffen, wie beispielsweise von Kratzern. Sie setzen eine
weitgehend homogene Beleuchtung voraus.
-
Weiterhin
sind aus
DE 196 33
686 A1 Anordnungen zur 3D-Messung nach dem Verfahren der
strukturierten Beleuchtung bekannt. Hierbei werden mit einer Projektionseinheit
inhomogene oder strukturierte Muster projiziert und nach dem Prinzip
der Triangulation 3D-Koordinaten berechnet. Ein solcher Projektor
eignet sich ebenfalls zur Projektion homogener Muster und er kann
eine Serie unterschiedlicher Muster projizieren.
-
Es
besteht daher die Aufgabe eine Regelvorrichtung zur Verfügung
zu stellen, die bei schnellen Umformprozessen von Werkstücken
eine vollständige Überwachung und Steuerung des
Prozesses gewährleistet und durch eine zeitnahe Beeinflussung
von Betriebsparametern einen optimalen Prozessablauf mit längeren Maschinenstandzeiten
ermöglicht.
-
Die
Aufgabe wird gelöst durch eine Regelvorrichtung der eingangs
genannten Art, bei der die hochparallele Datenverarbeitungseinheit
von der Bildaufnahmeeinrichtung empfangene Bilddaten im wesentlichen gleichzeitig
mit einer identischen Abfolge von Rechenoperationen verarbeitet
und das Rechenergebnis an das Signalerzeugungsmittel zur Erzeugung
mindestens eines Steuer- und/oder Regelsignals weitergibt, mittels dessen
die Steuer- und Regeleinheit eine Stellgröße eines
Umformprozesses des Messobjekts manipuliert. Mit einer solchen Regelvorrichtung
können also Bilder durch die Aufnahmeeinrichtung synchron
mit einer Beleuchtungseinheit erfasst und in einer fest definierten
Taktzeit parallel und daher schnell räumlich und zeitlich korreliert
werden, so dass in einer fest vorgegebenen Zeit wiederum ein Regelsignal
erzeugt werden kann, welches dann in die Umformmaschine zurückkoppelbar
ist. Insbesondere eignet sich diese Regelvorrichtung zur lückenlosen
Erfassung schnell bewegter Oberflächen, aus deren Merkmalen
dann Regel- und Steuersignale abgeleitet werden.
-
Mit
der beschriebenen Datenverarbeitungseinheit sollen aus erfassten
Bilddaten extrem schnell Steuer- und oder Regelsignale erzeugt werden,
weswegen bei einer zweckmäßigen Weiterbildung
der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung jedem Prozessor
der hochparallelen Datenverarbeitungseinheit wenigstens ein Pixel,
insbesondere genau ein Pixel des Detektors der Bildaufnahmeeinrichtung,
zugeordnet ist. Der Detektor mit seinen Pixeln kann dabei etwa als
Chip einer als Kamera ausgebildeten Bildaufnahmeeinrichtung ausgebildet
sein.
-
Die
schnelle Erzeugung der Steuer- und/oder Regelsignale gelingt insbesondere
dann gut, wenn ein Prozessor, der einem Pixel zugeordnet ist, auch
mit den Prozessoren bzw. mit den Daten der räumlich und zeitlich
benachbarten Pixel verknüpft ist, weswegen bei einer besonders
bevorzugten Ausbildung der Regelvorrichtung jeder Prozessor der
hochparallelen Datenverarbeitungseinheit mit einer Mehrzahl von
der dem einen Pixel benachbarten Pixeln gekoppelt ist. Räumlich
benachbart bedeutet, dass einem Prozessor zu einem Pixel mit den
Koordinaten (u, v) auch Daten der umliegenden Pixel mit den Koordinaten
(u – 1, v), (u + 1, v), (u, v – 1), (u, v + 1)
(u – 1, v – 1), (u – 1, v + 1), (u +
1, v + 1), (u + 1, v – 1) verfügbar sind. Zeitlich
benachbart bedeutet hierbei, dass Pixel der gleichen Koordinaten
(u, v) aus nacheinander aufgenommenen Bildern verglichen werden.
In diesem Fall kann eine große Klasse von Bildverarbeitungsoperationen
sehr effizient bearbeitet werden, welche folgender Form genügen:
-
G(n,
i, u, v) bezeichnet hierbei den Grauwert, also die Intensität
eines Pixels, welche in diesem Fall dem Rechenergebnis des i-ten
Rechenschrittes des dem Pixel (u, v) zugeordneten Prozessors entspricht,
welcher auf das Bild mit der Bildnummer n angewendet wird. G(n,
0, u, v) entspricht dem Grauwert des Pixels (u, v) im Bild n, wie
es von der Bildaufnahmeeinrichtung aufgenommen wurde. Die Koeffizienten
a(k, l) bezeichnen die Verknüpfungsvorschrift mit den Grauwerten
des eigenen sowie der benachbarten Pixel, welche innerhalb des sogenannte
Radius r der Nachbarschaft liegen. Für r = 1 erhält
man eine 3 × 3-Nachbarschaft. Die Koeffizienten a(k, l)
können einfache Faktoren für die Multiplikation
sein, oder auch nichtlineare Verknüpfungen, beispielsweise
Funktionen mit einem ja/nein-Ergebnis. Sie verarbeiten die räumliche
Korrelation der Grauwerte. Der Koeffizient b beschreibt entsprechend
die Verknüpfung mit dem Grauwert eines anderen, in der
Regel älteren Bildes mit der Bildnummer m ≠ n,
auf das j Rechenschritte angewendet wurden. Der Koeffizient b verarbeitet
somit die zeitliche Korrelation der Grauwerte. Bei K handelt es
sich um eine Konstante, welche für alle Pixel (u, v) gleich
ist. Typisch für Bildverarbeitungssysteme, aber nicht notwendig,
ist es auch, dass der Wertebereich von G begrenzt ist, z. B. G ∊ [0,
1] oder G ∊ [–1, 1]. Diese Begrenzung kann die
Implementierung nichtlinearer Funktionen erleichtern. Die Parameter
a(k, l), b, und K beschreiben somit eine für alle parallelen Prozessoren
gleiche Rechenvorschrift, welche in identischer Form auf verschiedene
Datenelemente, nämlich auf die Grauwerte G(n, 0, u, v)
der Pixel (u, v) des Bildes n, angewendet werden.
-
Zwei
Beispiele dafür, wie Bildverarbeitungsoperatoren auf ei ner
solchen Struktur umgesetzt werden können, sind der nichtlineare
Schwellwertoperator und der lineare Laplace-Operator. Ein Schwellwertoperator kann
implementiert werden, indem man alle Koeffizienten mit Ausnahme
von a(0, 0) als a(k, l) = 0 wählt, dem Koeffizienten a(0,
0) einen Wert >> 1 zuordnet und die
Konstante K = –a(0, 0) G0 setzt. In diesem Fall laufen die
Werte G(i + 1, u, v) aller Pixel mit einem Grauwert G(i, u, v) > G0 in die obere Begrenzung,
während die Pixel aller Grauwerte mit G(i, u, v) < G0 in die untere
Begrenzung der Grauwerte laufen. Ein Laplace-Operator mit Radius
r = 1 zur richtungsunabhängigen Detektion von Kanten erhält
man, wenn man den Koeffizienten a(0, 0) = 8 und die übrigen
Koeffizienten a(k, l) = –1 setzt. Die Parameter b und K
sind null. Durch diese Parameterwahl werden die Grauwerte der acht
benachbarten Pixel von dem mit dem Faktor 8 gewichteten mittleren Pixel
subtrahiert. Das Ergebnis ist ein großer Grauwert G(n,
i + 1, u, v) an Stellen, an denen der Grauwert in der Nachbarschaft
variiert, und ein Wert um 0 an Stellen mit konstanten Eingangswerten
in der Nachbarschaft von G(n, i, u, v).
-
Weitere
Beispiele für Operationen, welche der obigen Gleichung
genügen, sind richtungsabhängige Mittelwertbildung,
Kantenfilterung mittels Sobel-Operator, logische Verknüpfungen
wie AND, OR oder XOR, morphologische Operatoren wie Diffusion, Erosion,
Opening oder Closing sowie die Minkowski-Addition und -Subtraktion,
auf der viele Segmentierungsalgorithmen beruhen. Diese Operationen
eignen sich beispielsweise, um Konturen von Oberflächendefekten
zu bestimmen.
-
Eine
solche Prozessorarchitektur begünstigt daher eine hochparallele
und damit schnelle Datenverarbeitung. Ein Programm besteht wesentlich
aus einer Folge von Parametern (a(k, l), b, K). Sie ist lokal in
dem Sinn, dass ein Prozessor über die Parameter (a(k, l),
b, K) nur eine begrenzte Anzahl von Daten verknüpfen kann.
Die Zahl der Verknüpfungen bestimmt andererseits die Komplexität
der elektronischen Schaltung, welche vorteilhafterweise möglichst
gering sein sollte, sich aber trotzdem für eine große
Klasse von Bildverarbeitungsoperationen eignen sollte. Das Ergebnis
einer solchen Rechnerarchitektur ist eine Anzahl von Grauwerten,
welche der Zahl der parallelen Prozessoren entspricht, und, welche
den Pixelkoordinaten (u, v) zugeordnet werden können. Es
kann daher als Bild gesehen werden. Der Wertebereich der Grauwerte
dieses Ergebnisbildes kann dem Wertebereich der Grauwerte des Bildes
entsprechen, er kann jedoch auch eingeschränkt sein, beispielsweise
auf zwei Ja/Nein-Werte, oder erweitert, beispielsweise auf eine
größere Anzahl von Grauwerten oder auf einen größeren
Wertebereich.
-
Für
Regelungsaufgaben ist eine solche Rechnerarchitektur ebenfalls vorteilhaft,
da die Operationen parallel und damit in einem gemeinsamen Zeittakt
ausgeführt werden können und müssen.
In vielen Fällen wird die Bearbeitungszeit durch die hochparallele
und an Pixel gekoppelte Rechnerarchitektur von der Anzahl der Ereignisse
entkoppelt. Beispielsweise hängt hierbei die Bearbeitungszeit
nicht von der Anzahl der beobachteten Defekte ab, da die Informationen
aller betroffenen Pixel parallel verarbeitet werden. Dadurch können für
viele Aufgaben konstante Rückkopplungszeiten und damit
eine zeitlich stabile Regelung erreicht werden.
-
Wie
oben gezeigt wurde, arbeiten solche hochparallelen Rechnerarchitekturen
nur für eine bestimmte Klasse lokaler Operationen effizient
und die Anzahl der Ergebnisse übersteigt die Anzahl der
Regelparameter. Für Regelungsaufgaben ist es daher notwendig,
die lokal arbeitende, hochparallele Datenverarbeitungseinheit mit
einem global arbeitenden Signalerzeugungsmittels zu kombinieren.
Diese zeichnet sich dadurch aus, dass sie Zugriff auf alle Ergebnisse
der hochparallelen Datenverarbeitungseinheit hat, diese zu einem
oder wenigen Regel- und Steuersignalen verknüpft und diese
in digitaler oder analoger Form – beispielsweise als Steuerspannung – an
die Regeleinheit übergibt.
-
Mittels
der Signalerzeugungseinheit können beispielsweise Ja/Nein-Werte
ausgezählt oder globale Operationen, beispielsweise einer
Fouriertransformation, angewandt werden. Bei ihrer Rechnerarchitektur kann
es sich um eine konventionelle Architektur mit einem oder wenigen
Prozessoren, um ein FPGA (Field Programmable Gate Array) oder andere
Logikschaltungen handeln. Diese können, müssen
aber nicht für alle Aufgaben programmierbar sein.
-
Die
Nutzung der vorstehend beschriebenen Datenverarbeitungseinheit zur
Regelung bzw. Steuerung aufgrund ermittelter Oberflächenzustände
verlangt eine Abstimmung der Bildaufnahmeinrichtung in mehrfacher
Hinsicht. Zunächst müssen die Pixel der oben beschriebenen
Nachbarschaft, welche in der hochparallelen Datenverarbeitungseinheit
verknüpft sind, unterschiedliche Informationen enthalten.
-
Das
geometrische Auflösungsvermögen einer Optik mit
dem Vergrößerungsfaktor Γ wird üblicherweise
durch die Modulationsübertragungsfunktion (Modulation Transfer
Function, MTF) angegeben. In ihrer üblichen Form zeigt
sie das Auflösungsvermögen eines Systems als Kontrastverhältnis
zwischen Gegenstand und Bild in Abhängigkeit der Feinheit
der zu übertragenden Objektstruktur, welche in Linienpaaren
pro Millimeter auf der Gegenstandsseite gemessen wird. Je niedriger
das Kontrastverhältnis ist, desto stärker „verschwimmen” dabei
die Helligkeitsunterschiede im Bild. Die Voraussetzung dafür, dass
eine Information von einem nachbarschaftsbasierten Datenverarbeitungssystem
verarbeitet werden kann, ist, dass die Information, d. h. der Intensitätsunterschied
im Bild, größer als der Intensitätsfehler ΔI
des Bildes ist, welcher zum Beispiel durch Rauschen verursacht werden
kann. Aus dieser Überlegung ergibt sich ein minimales Kontrastverhältnis
KVmin, mit welchem ein Linienpaar in eine Nachbarschaft abgebildet
werden muss. Die bildseitige Größe dieser Nachbarschaft
ergibt sich aus der Größe der Kamerapixel. Für
eine 3 × 3-Nachbarschaft mit einer Pixelgröße p
muss ein Linienpaar auf diese Nachbarschaft abgebildet werden, d.
h. es ergibt sich eine minimale Strukturgröße
von 3 Pixeln auf der Bildseite bzw. Γ·3·p
auf der Gegenstandsseite. Damit ist eine maximale Ortsfrequenz fp
= 1/(Γ·3·p) abgeleitet, bei der das Kontrastverhältnis
der Optik größer als KVmin sein muss. Anschaulich
ausgedrückt heißt das, dass das Auflösungsvermögen
durch die Pixelgröße und nicht durch die Optik
beschränkt sein muss. Bei den heute üblichen Megapixel-Kameras
ist es in der Regel umgekehrt.
-
Bildwiederholraten,
wie sie die Steuerung/Regelung hoch dynamischer Prozesse erfordert,
haben zur Folge, dass für die Bildaufnahme nur sehr kurze
Belichtungszeiten zur Verfügung stehen. So beträgt
die für die Belichtung zur Verfügung stehende
Zeit bei einer Bildwiederholrate von 10.000 Bildern pro Sekunde
weniger als 100 μs, wenn man die Zeit zum Auslesen der
Bilder berücksichtigt. Reicht die zur Verfügung
stehende Lichtmenge nicht aus, um den zur Bildaufnahme verwendeten
Sensor bei entsprechend kurzer Belichtungszeit auszusteuern, kann
die Dynamik des Sensors nicht oder nur eingeschränkt ausgenutzt
werden. Demzufolge steht für die Steuerung/Regelung unter
Umständen gar kein oder nur ein schlechtes – weil
stark verrauschtes – Signal zur Verfügung.
-
Ohne
eine Maßnahme zur Erhöhung der Lichtmenge, die
pro Zeiteinheit auf die lichtempfindliche Fläche des Detektors
fällt, bliebe nur die Verlängerung der Belichtungszeit.
Dies hätte wiederum unmittelbar zur Folge, dass die Bildrate
sänke und die Steuerung/Regelung damit langsamer würde.
Da Umformprozesse hoch optimiert sind und normalerweise sehr schnell
ablaufen, wäre keine vollständige Überwachung
mehr möglich. Zweckmäßige Weiterbildungen
der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung können
daher beispielsweise darin bestehen, dass die Bildaufnahmeeinrichtung
zur Verstärkung der Lichtmenge mit einem aktiven Bauelement
in Art eines Bildverstärker versehen ist oder eine Adaption
einer speziell an den Detektor angepassten Optik zur besseren Ausnutzung
der lichtsensitiven Fläche des Detektors, z. B. mittels
eines Mikrolinsenarrays vorgenommen wird. Beide Maßnahmen
verbessern unabhängig voneinander die Quanteneffizienz des
Detektors der Bildaufnahmeeinrichtung.
-
Die
zu messenden Oberflächen möglichst hell zu beleuchten,
um kurze Belichtungszeiten zu ermöglichen, ist Aufgabe
der wenigstens einen Projektoreinrichtung. Vorteilhaft ist dabei
die Verwendung von Lichtquellen mit hoher optischer Lichtleistung,
also beispielsweise Laser, LED's oder Bogenlampen.
-
Je
nach zu erkennendem Merkmal kann es sich um eine homogene oder um
eine strukturierte Beleuchtung handeln. Homogene Beleuchtungen dienen
dazu, Oberflächen möglichst gleichmäßig
auszuleuchten, um bildhafte Merkmale wie Kratzer oder andere Unregelmäßigkeiten
zu detektieren. Strukturierte Beleuchtungen können nach
den Prinzipien der Triangulation oder der Holographie bzw. Interferometrie
zur Erfassung von 2D- oder 3D-Profilen verwendet werden. Hier ist
es vorteilhaft, Folgen von unterschiedlich strukturierten Lichtmustern
zu projizieren. Durch die Verknüpfung der aus den Bildern
unterschiedli cher Lichtmuster gewonnenen Daten können beispielsweise
bildhafte Merkmale 3D-Daten zugeordnet werden.
-
Durch
den Vergleich mehrerer Profile können auch Bewegungsdaten,
also etwa Vibrationen von Oberflächen, gemessen werden.
Hier ist die obere Grenzfrequenz durch die Anzahl der verarbeiteten
Profile bestimmt (fmax = Bildrate/2). Es ist daher von Vorteil,
wenn Bilder oder Bildfolgen möglichst schnell aufgenommen
und verarbeitet werden können.
-
Für
die Verarbeitung von Bildfolgen ist eine Synchronisation zwischen
Projektoreinrichtung und Bildaufnahmeeinrichtung erforderlich. Ebenso
kann es vorteilhaft sein, die Lichtmusterfolgen und/oder die Bildaufnahme
der Bildaufnahmeeinrichtung mit dem Vorschub der Umformmaschine
in X-Richtung zu synchronisieren. Hierbei kann zum Beispiel stets
und in festen Abständen ein Lichtmuster ausgelöst
werden.
-
Eine
mit Blick auf kurze Belichtungszeiten besonders vorteilhafte Maßnahme
ist die Anwendung der Schattenwurftechnik. Bei dieser wird das Messobjekt
im Strahlengang zwischen Projektoreinrichtung und Bildaufnahmeeinrichtung
angeordnet, um dann die Kontur des Messobjektes anhand der Schattenränder
auszuwerten. Sie eignet sich daher beispielsweise besonders für
die Bestimmung von Durchmessern. Diese Anordnung ist besonders lichtstark,
weil die Bildaufnahmeeinrichtung nicht mit Streulicht, sondern direkt
mit dem Licht aus der Projektoreinrichtung beleuchtet wird.
-
Die
Steuer- und Regeleinheit der Regelvorrichtung kann aus einem oder
mehreren elektronischen Geräten oder Recheneinheiten bestehen,
die elektrische Signale von dem Signalerzeugungsmittel empfängt,
verarbeitet und in Regel- bzw. Steuersignale für einen
Umformprozess umsetzt. Vorteilhafterweise können die von der
Steuer- und Regeleinheit beeinflussbaren Stellgrößen
des Umformprozesses sowohl das Werkzeug oder das Werkstück
direkt beeinflussende physikalische Größen, als
auch Hilfsmittel des Umformprozesses oder Handlungsanweisungen an
Bedienpersonen gebildet sein. Steuer bzw. Regelparameter können
dabei im Bereich Umformtechnik Geschwindigkeiten (z. B. Band- oder
Ziehgeschwindigkeiten), Drücke (z. B. Umformdruck, Anpressdrücke
von Werkzeugen), Temperaturen (z. B. Prozesstemperaturen, Abkühlraten),
Schmiermittel- oder Reinigungsmittelmengen (z. B. Schmiermittel-
bzw. Reinigungszufuhr), Handlungsanweisungen für das Bedienpersonal
(z. B. Werkzeugwechsel) oder adaptive Werkzeugansteuerungen (z.
B. adaptive Anpassung des Ziehwinkels oder einer Werkzeugform an
die Oberflächenbeschaffenheit) sein.
-
Die
Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen
in der Zeichnung näher erläutert. In teilweise
stark schematisierter Darstellung zeigen dabei die
-
1 eine
Seitenansicht der Komponenten einer ersten Ausführungsform
der Regelvorrichtung, die aus einer Bildfolge Regelsignale auf eine
einen Werkstoff mit einem Werkzeug bearbeitende Umformeinheit zurückkoppelt;
-
2 eine
Diagramm einer typischen Modulationsübertragungsfunktion;
-
3 eine
Abbildung eines Linienmuster auf eine Nachbarschaft mit dem zugeordneten
Intensitätsverlauf in der Fokusebene;
-
4 eine
Seitenansicht der Bildaufnahmeinrichtung einer anderen Ausführungsform
der Regelvor richtung.
-
In
der 1 ist eine schematisierte Anordnung der Komponenten
einer im Ganzen mit 1 bezeichneten Regelvorrichtung für
Umformprozesse einer Oberfläche 2 eines Werkstoffs 3 mittels
eines Werkzeugs 4 zu erkennen. Beispielhaft weist dabei
die Oberfläche des Werkstoffs 3 einen Riss und
eine größer Fehlstelle als aufzulösende
Merkmale auf. Die Oberfläche 2 des Werkstoffs 3 wird
als Messobjekt 2 von einer Projektoreinrichtung 5 beleuchtet,
deren Beleuchtung mit der Bildaufnahmeinrichtung 6 synchronisiert
ist, wie es durch den Doppelpfeil angedeutet ist. Der Detektor 15 der
Bildaufnahmeeinrichtung 6, die das an dem Messobjekt 2 gestreute
Licht aufnimmt, ist hier aus Gründen der Übersichtlichkeit
nicht weiter dargestellt. Von der Bildaufnahmeeinrichtung 6 wird
eine durch das zugeordnete Diagramm angedeutete Bildfolge 7 an
eine hochparallele Datenverarbeitungseinheit 8 weitergeleitet,
die eine Mehrzahl nicht weiter dargestellter Prozessoren aufweist, von
den jeweils einer einem Pixel des Detektors 15 der Bildaufnahmeeinrichtung 6 zugeordnet
ist. Mittels der in den Prozessoren implementierten Algorithmen
wird ein durch das nächste Diagramm angedeutetes Ergebnisbild 9 berechnet
und an ein Signalerzeugungsmittel 10 weitergeleitet. Dieses
erzeugt ein in dem nächsten Diagramm stilisiertes Regelsignal 11,
mittels dessen die Steuer- und Regeleinheit 12 eine Stellgröße
des Umformprozesses manipuliert. Diese Manipulation wirkt mittels
des der Umformeinheit 13 zugeordneten Werkzeugs 4 wiederum
direkt zurück auf den Werkstoff 3, so dass über
die ermittelte Bildfolge 7 und damit letztlich die Merkmale
der Oberfläche des Werkstoffs 3 der Umformprozess
steuerbar ist.
-
In
der 2 ist der typische Verlauf einer Modulationsübertragungsübertragungsfunktion
für eine Abbildungsoptik zu erkennen, mit der das geometrische
Auflösungsvermögen einer Op tik mit dem Vergrößerungsfaktor Γ angegeben
wird. In ihrer üblichen Form zeigt sie das Auflösungsvermögen
eines Systems als Kontrastverhältnis zwischen Gegenstand
und Bild in Abhängigkeit von der Feinheit der zu übertragenden
Objektstruktur, welche in Linienpaaren pro Millimeter auf der Gegenstandsseite
gemessen wird. Wie bereits weiter oben beschrieben, ist die Voraussetzung
dafür, dass eine Information von einem nachbarschaftsbasierten Datenverarbeitungssystem
verarbeitet werden kann, dass der Intensitätsunterschied
im Bild größer ist, als der beispielweise durch
Rauschen verursachte Intensitätsfehler ΔI des
Bildes. Aus dieser Überlegung ergibt sich ein minimales
Kontrastverhältnis KVmin, mit welchem ein Linienpaar in
eine Nachbarschaft abgebildet werden muss. Die bildseitige Größe
dieser Nachbarschaft ergibt sich aus der Größe
der Kamerapixel. Für eine 3 × 3-Nachbarschaft
mit einer Pixelgröße p muss ein Linienpaar auf
diese Nachbarschaft abgebildet werden, d. h. es ergibt sich, wie
bereits erläutert, eine minimale Strukturgröße
von 3 Pixeln auf der Bildseite bzw. Γ·3·p
auf der Gegenstandsseite, wodurch eine eine maximale Ortsfrequenz
fp = 1/(Γ·3·p) abgeleitet ist, bei der
das Kontrastverhältnis der Optik größer
als KVmin sein muss.
-
Die 3 zeigt
links oben die Abbildung eines Linienmusters mit einer gerade noch
abbildbaren Ortsfrequenz fp mit dem dazugehörigen Bild
in der Fokusebene rechts oben. Trägt man die Intensitätsverläufe
der beiden Bilder entlang der gepunkteten Linie auf und normiert
man die Intensität des Liniemusters auf 1, dann erhält
man das unten dargestellte Diagramm. Dort ist auch ein Linienpaar
markiert, welches auf eine Nachbarschaft aus drei Pixeln abgebildet
wird. Aufgrund der Normierung gilt, dass der Intensitätsfehler ΔI
dem minimalen Kontrastverhältnis KVmin entspricht.
-
In
der 4 sind Teile einer Bildaufnahmeeinrichtung 6 einer
anderen Ausführungsform der Regelvorrichtung 1 zu
erkennen. Hier ist die Bildaufnahmeeinrichtung 6 mit einem
Bildverstärker 14 versehen, der die Empfindlichkeit
des Detektors 15 erhöht. Von dem Messobjekt 2 kommendes
Licht wird zunächst durch eine erste Linse 16 auf
den Bildverstärker 14 geleitet und nachdem dieser
passiert wurde mittels einer zweiten Linse 17 auf den als
Kamerachip ausgebildeten Detektor 15 der Bildaufnahmeeinrichtung 6 der
Regelvorrichtung 1 abgebildet. Weiter ist zu erkennen,
dass der Bildverstärker mit einer Photokathode 18,
einer Mikrokanalplatte 19 und einem Phosphorschirm 20 versehen
ist. Der Aufbau des Bildverstärkers 14 kann auch
noch weiter optimiert werden, indem die Abbildung auf dem Detektor 15 nicht,
wie dargestellt über eine Linsenoptik, sondern über
eine direkte Ankopplung des Phosphorschirms 20 an nicht
erkennbare Photosensoren des Detektors 15 erfolgt, beispielsweise über
Faserbündel.
-
Bei
der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung 1 konnten
also unter anderem eine aus wenigstens einer Projektoreinrichtung 5 und
einer Bildaufnahmeeinrichtung 6 bestehende Bilderzeugungseinrichtung 21, eine
hoch parallele Datenverarbeitungseinheit 8 und ein Signalerzeugungsmittel 10 so
kombiniert werden, dass Zustände sich schnell verändernder
Oberflächen (Verformung, Bewegung oder andere Merkmale)
erfasst und daraus ein geeignetes Steuer- und/oder Regelsignal für
den Umformprozess abgeleitet werden kann. In modernen Umformprozessen
spielt die schnelle und vollständige Überwachung
und Steuerung des Produktionsprozesses eine wichtige Rolle. Insbesondere
liefert dabei die Oberflächenqualität der Werkzeuge
wie auch des Umformgutes wichtige Informationen über den
Zustand des Prozesses und der Werkzeuge. Durch die vollständige
Erfassung der Oberfläche können nicht nur Rückschlüsse
auf die Werkzeugqualität, sondern auch Materialfehler oder
dro hende Mangelschmierung gezogen werden. Dadurch können
Umformprozesse näher an ihrem Betriebsoptimum betrieben
werden, da Sicherheitsfenster deutlich reduziert werden können.
Auch können die Maschinenstandzeiten verlängert
und die Rüstzeigen der Anlagen deutlich verringert werden.
-
Dementsprechend
betrifft die vorstehend beschriebene Erfindung eine Regelvorrichtung 1 mit
wenigstens einer Projektoreinrichtung 5, welche ein homogenes
oder strukturiertes Lichtmuster auf ein Messobjekt 2 richtet,
mit einer wenigstens einen aus einer Mehrzahl von Pixeln gebildeten
Detektor 15 aufweisenden Bildaufnahmeeinrichtung 6,
welche das am Messobjekt 2 gestreute Licht aufnimmt, mit
einer hochparallelen Datenverarbeitungseinheit 8 mit einer
Mehrzahl von Prozessoren, und mit wenigstens einem Signalerzeugungsmittel 10 sowie
mit einer Steuer- und Regeleinheit 12. Um eine Regelvorrichtung 1 zur
Verfügung zu haben, die bei schnellen Umformprozessen von
Werkstücken bzw. Werkstoffen 3 eine vollständige Überwachung
und Steuerung des Prozesses gewährleistet und durch eine
zeitnahe Beeinflussung von Betriebsparametern einen optimalen Prozessablauf
mit längeren Maschinenstandzeiten ermöglicht,
wird vorgeschlagen, dass die hochparallele Datenverarbeitungseinheit 8 von
der Bildaufnahmeeinrichtung 6 empfangene Bilddaten im wesentlichen
gleichzeitig mit einer identischen Abfolge von Rechenoperationen
verarbeitet und das Rechenergebnis an das Signalerzeugungsmittel 10 zur
Erzeugung mindestens eines Steuer- und/oder Regelsignals weitergibt, mittels
dessen die Steuer- und Regeleinheit 12 eine Stellgröße
eines Umformprozesses des Messobjekts 2 manipuliert.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - WO 94/09441 [0004]
- - DE 19633686 A1 [0005]