DE102011018263B4 - Process for the pulse thermographic quality and error classification of a joint connection such as a structural bonding in the automotive bodywork sector - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur impulsthermografischen Qualitäts- und Fehlerklassifikation einer Fügeverbindung wie einer Strukturverklebung im Kfz-Karosseriebereich, bei dem ein gefügtes Bauteil (Fügeprobe) impulsthermografisch zerstörungsfrei auf Fehler untersucht wird, indem die Fügeprobe mittels Ultraschall angeregt und der transiente Erwärmungs- und/oder Abkühlungsvorgang in der Fügeprobe mittels einer Thermografiekamera vor, während und nach dessen Anregung thermografisch erfasst wird und mittels eines mit der Thermografiekamera verbundenen Rechners alternative Repräsentationen des Thermografiefilms berechnet werden, und bei dem zudem folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden: in einer Lernphase (Kalibrierung) (1. Schritt bis 10. Schritt) werden nach Wahl der Fügeprobe (1. Schritt) aus dem von der Thermografiekamera in einer impulsthermografischen Prüfung erfassten Thermografiefilm (2. Schritt) der gewählten Fügeprobe (1. Schritt) rechnermäßig normierte Filme auf der Basis der Zeit als Differenzfilm, zeitlich normierter Film und örtlich normierter Film erzeugt, dann werden mittels des Rechners zusätzlich zu den Bildern (Repräsentationen) des Originalfilms, des Differenzfilms und den normierten Filme aus den Daten des Originalfilms, des Differenzfilms sowie den Daten der erzeugten normierten Filme mittels FFT, HKA und NMF zusätzliche Repräsentationen des Thermografiefilms erzeugt (3. Schritt), wobei die Anzahl der zusätzlich erzeugten Repräsentationen von der jeweiligen Verfahrensweise abhängt, die erhaltenen alternativen Repräsentationen werden in einer dem Rechner nachgeschalteten Komparatorstufe abgelegt (3. Schritt), anschließend wird als zerstörend geprüfte Referenz mechanisch ein Horizontalschliff derselben Fügeprobe hergestellt, aus dem die gesuchten Fehler in der Fügeprobe optisch zu erfassen sind (4. Schritt), hierauf wird bei reproduzierter Einspannung des Horizontalschliffs und reproduzierter Positionierung der Thermografiekamera im identischen Verfahrensaufbau mittels der Thermografiekamera ein Thermogramm (einzelnes Thermografiebild) des identischen Ausschnitts der zerstörten Fügeprobe bei gleicher örtlicher Auflösung erstellt (5. Schritt), und der Thermografiefilm dieses Ausschnitts in dem der Thermografiekamera nachgeschalteten Rechner registriert, ...Process for the pulse thermographic quality and defect classification of a joint, such as structural bonding in the vehicle body area, in which a joined component (joint sample) is subjected to non-destructive pulse thermographic testing for defects by exciting the joint sample using ultrasound and the transient heating and / or cooling process in the joint sample is thermographically recorded by means of a thermographic camera before, during and after its excitation and alternative representations of the thermographic film are calculated by means of a computer connected to the thermographic camera, and in which the following process steps are also carried out: in a learning phase (calibration) (1st step to 10. Step), after the joining sample has been selected (1st step), from the thermographic film (2nd step) recorded by the thermographic camera in a pulse thermographic test of the selected joining sample (1st step), computer-standardized films based on time as differences Reference film, time-standardized film and locally standardized film are generated, then in addition to the images (representations) of the original film, the difference film and the standardized films from the data of the original film, the difference film and the data of the standardized films generated using FFT, HKA and NMF generated additional representations of the thermographic film (3rd Step), whereby the number of additionally generated representations depends on the respective procedure, the obtained alternative representations are stored in a comparator stage downstream of the computer (3rd step), then a horizontal section of the same joining sample is mechanically produced as a destructively tested reference, from which the The desired defects in the joint sample are to be detected optically (4th step), then with reproduced clamping of the horizontal section and reproduced positioning of the thermographic camera in the identical process structure using the thermographic camera, a thermogram (individual thermographic image) of the identical section of the destroyed joint sample is created with the same spatial resolution (5th step), and the thermographic film of this section is registered in the computer downstream of the thermographic camera, ...
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur impulsthermografischen Qualitäts- und Fehlerklassifikation einer Fügeverbindung wie einer Strukturverklebung im Kfz-Karosseriebereich, bei dem ein gefügtes Bauteil (Fügeprobe) impulsthermografisch zerstörungsfrei auf Fehler untersucht wird, indem die Fügeprobe mittels Ultraschallimpuls angeregt und der transiente Erwärmungs- und/oder Abkühlungsvorgang in der Fügeprobe mittels einer Thermografiekamera vor, während und nach dessen Anregung thermografisch erfasst wird und mittels eines mit der Thermografiekamera verbundenen Rechners alternative Repräsentationen des Thermografiefilms berechnet werden.The invention relates to a method for pulse thermographic quality and error classification of a joint connection such as structural bonding in the motor vehicle body area, in which an assembled component (joining sample) is investigated by impulse thermometry nondestructive error by the joining sample excited by ultrasonic pulse and the transient heating and / or Cooling process in the joining sample by means of a thermographic camera before, during and after its excitation thermographically detected and using a computer connected to the thermographic camera alternative representations of the thermographic film are calculated.
Die Thermografie wie die Impulsthermografie als bildgebendes Messverfahren besitzt aufgrund ihrer Eigenschaft, Strukturen nahe unter inspizierten Oberfläche detektieren zu können, ein großes Potential in der zerstörungsfreien Prüfung (zfP) dünnwandiger Strukturen, wie sie z. B. in der Automobilindustrie eingesetzt werden, und zwar z. B. als zerstörungsfreie Prüfverfahren von Schweißpunkten und Laserschweißnähten.Due to its property of being able to detect structures close to the surface being inspected, thermography, such as pulse thermography as an imaging measurement method, has great potential in non-destructive testing (zfP) of thin-walled structures, as described, for example, in US Pat. B. used in the automotive industry, namely z. B. as a non-destructive test method of welds and laser welds.
Bei der Impulsthermografie wird ein im thermischen Gleichgewicht befindlicher Körper durch einen Wärmeimpuls angeregt, wobei die auch an seiner Oberfläche stattfindenden Wärmeausgleichsvorgänge mit der Thermografiekamera erfasst werden. Auf diese Weise wird für jeden Pixel des Thermografiefilms ein Zeitverlauf erfasst, der qualitativ den Temperaturverlauf an der Oberfläche des Körpers wiedergibt. Diese Ausgleichsvorgänge folgen Fouriers Gesetz der Wärmeleitung In pulse thermography, a body in thermal equilibrium is excited by a heat pulse, whereby the heat balance processes also taking place on its surface are detected with the thermographic camera. In this way, a time course is recorded for each pixel of the thermographic film, which qualitatively reflects the temperature profile at the surface of the body. These balancing procedures follow Fourier's law of heat conduction
In dieser Gleichung stellen dar: den Wärmefluss
λ
die Wärmeleitfähigkeit und
T(x →)
die Temperatur.In this equation represent: the heat flow
λ
the thermal conductivity and
T (x →)
the temperature.
Besitzt der Körper Inhomogenitäten hinsichtlich der Materialeigenschaften λ, beeinflusst das die Wärmeausbreitung im Körper und somit auch die für die Thermografiekamera sichtbare Wärmeverteilung an seiner Oberfläche. Zur thermischen Anregung werden z. B. Fotoblitz, defokussierter Laser, Induktion, Kalt- oder Warmluft oder Ultraschall eingesetzt. Hinzu kommt die thermografische Inspektion von Klebenähten.If the body has inhomogeneities with regard to the material properties λ, this influences the heat propagation in the body and thus also the heat distribution visible on the surface of the thermographic camera. For thermal excitation z. B. photo flash, defocused laser, induction, cold or hot air or ultrasound used. Added to this is the thermographic inspection of adhesive seams.
Das Kleben kommt in der Automobilindustrie verstärkt zum Einsatz in Kombination mit anderen Fügeverfahren wie z. B. beim Falzkleben oder dem Punktschweißen. So wird angestrebt, durch den Einsatz von Epoxydklebstoffen die Strukturfestigkeit des Bauteils zu erhöhen oder die Dichtigkeit der Verbindung sicherzustellen.Gluing is increasingly used in the automotive industry in combination with other joining methods such. B. when seam gluing or spot welding. Thus, the aim is to increase the structural strength of the component or to ensure the tightness of the compound through the use of epoxy adhesives.
Mittels ultraschallangeregter Lockin-Thermografie besteht die Möglichkeit, Klebnähte auf Lufteinschlüsse, Fehlstellen und bedingt auf Anbindungsfehler wie z. B. kissingbonds zu untersuchen und zu charakterisieren. Speziell bei der Ermittlung von Fehlstellen und Lufteinschlüssen wird dabei ausgenutzt, dass Luft, Klebstoff und Stahl die angeregten mechanischen Schwingungen unterschiedlich stark dämpfen und somit unterschiedlich stark mechanische Energie in Wärmeenergie wandeln.By means of ultrasound-excited lockin thermography it is possible to use adhesive seams for air pockets, imperfections and conditional on connection errors such. B. explore and characterize kissing bonds. Especially in the determination of imperfections and air pockets is exploited that air, adhesive and steel attenuate the excited mechanical vibrations different degrees and thus convert varying degrees of mechanical energy into heat energy.
Um eine automatisierte, zerstörungsfreie Prüfung zu realisieren, ist es notwendig, die gesamte Information des Thermografiefilms schrittweise auf die Information fehlerfrei oder fehlerbehaftet zu reduzieren. So wird in einem ersten Schritt der Thermografiefilm auf ein einzelnes, informationstragendes Bild reduziert, d. h. es wird die Repräsentation des Films hergestellt. Um derartige Repräsentation zu ermitteln, finden Verfahren Anwendung, die teils auf physikalischen Ansätzen fundiert sind und teils auf heuristischen Ansätzen basieren.In order to realize an automated, nondestructive testing, it is necessary to reduce the entire information of the thermographic film step by step to the information error-free or error-prone. Thus, in a first step, the thermographic film is reduced to a single, information-bearing image, i. H. the representation of the film is made. In order to determine such representation, methods are used, which are partly based on physical approaches and partly based on heuristic approaches.
Bei physikalischen Ansätzen handelt es sich z. B. um die Fourieranalyse bei Lockin- und Impulsthermografie oder um die sog. Thermal-Signal-Reconstruction”.In physical approaches are, for. For example, the Fourier analysis in Lockin- and pulse thermography or the so-called. Thermal Signal Reconstruction.
Bei der Ermittlung alternativer Repräsentationen des Thermografiefilms können Fourieranalyse (FFT), Hauptkomponentenanalyse (HKA) und Non-Negative-Matrix-Factorization (NMF) auf sämtliche Repräsentationen auf der Basis der Zeit angewendet werden. In determining alternative representations of the thermographic film, Fourier Analysis (FFT), Principal Component Analysis (HKA), and Non-Negative Matrix Factorization (NMF) can be applied to all representations based on time.
Die oben beschriebenen, zu jedem Pixel gehörigen Zeitverläufe des Thermografiefilms lassen sich in verschiedenen Basissystemen darstellen, z. B.: Über die Zeit, spektral, hinsichtlich der Hauptkomponenten und bezogen auf ein Basissystem, das mittels NMF ermittelt wird, wobei diese Repräsentationen zum Teil auch zu kombinieren sind. Die Repräsentationen des Thermografiefilms stellen in diesen Fällen sämtliche zur jeweiligen Basis gehörenden Koeffizientenbilder dar.The above-described, for each pixel associated time histories of the thermographic film can be represented in various basic systems, eg. B .: over time, spectral, in terms of the main components and based on a base system, which is determined by means of NMF, these representations are partly to be combined. The representations of the thermographic film in these cases represent all coefficient images belonging to the respective base.
Aus der
DSL den Schweißlinsendurchmesser,
DSH den thermografischen Durchmesser von Schweißlinse und Zinksaum,
HBI den Blechabstand im Bereich der Schweißlinse,
HRP die Restpunktdicke, d. h. die originale Blechstärke der verzinkten Bleche vermindert um die Einsinktiefe der Schweißelektroden,
EOK die Oberflächenemissivität der anregungsabgewandten Seite des Schweißpunktes,
C0 bis C5 Konstanten.From the
D SL is the nugget diameter,
D SH is the thermographic diameter of weld nugget and zinc fringe,
H BI the sheet spacing in the area of the weld nugget,
H RP is the residual point thickness, ie the original sheet thickness of the galvanized sheets reduced by the sinking depth of the welding electrodes,
E OK the surface emissivity of the side of the welding point away from the excitation,
C 0 to C 5 constants.
Die Parameter DSH, HBI, HRP und EOK werden zuvor über die Zeitverläufe der Impulsintensität aus dem Thermografiefilm jeweils wie folgt bestimmt:
- – der thermografische Durchmesser DSH von Schweißlinse und Zinksaum, indem die Zeitverläufe der Impulsintensität aus dem Thermofilm auf Standardnormalverteilung normiert werden, nach Maskierung von Bereichen, die weniger als sämtliche Blechlagen enthalten, eine Hauptkomponentenanalyse für die normierten Zeitverläufe der Impulsintensität erfolgt, dann ein binäres Bild mittels Schwellwertanalyse auf dem Koeffizientenbild der ersten Hauptkomponente bestimmt wird und daraus durch Hough-Transformation der thermografische Durchmesser DSH von Schweißlinse und Zinksaum ermittelt wird,
- – der Blechabstand HBI im Bereich der Schweißlinse, indem das Koeffizientenbild der ersten Hauptkomponente erstellt und die Koeffizienten außerhalb des Schweißpunktes und außerhalb der Maskierung gemittelt werden, wobei der erhaltene Mittelwert mit dem Blechabstand HBI in diesem Bereich korreliert,
- – die Restpunktdicke HRP, indem über die Zeitverläufe der Impulsintensität des Thermografiefilms Radius und Lage von Schweißlinse und Zinksaum auf Standardnormalverteilung normiert werden, in diesem Bereich ein repräsentativer Zeitverlauf der Impulsintensität durch Mittelung oder Wahl des Zeitverlaufes der Impulsintensität bestimmt wird, bei dem das Maximum zuerst erreicht wird, und dann die Totzeit berechnet wird, deren Wert mit der Restpunktdicke HRP korreliert,
- – die Oberflächenemissivität EOK der anregungsabgewandten Seite des Schweißpunktes, indem auf dem Koeffizientenbild zur ersten Hauptkomponente eine Schwellwertanalyse zur Bestimmung eines Bereiches durchgeführt wird, auf dem die Oberflächenemissivität auszuwerten ist, dann die Bestimmung der Maxima der Zeitverläufe der Impulsintensität in diesem Bereich erfolgt und über die Mittelung der Maxima die Kenngröße EOK als Oberflächenemissivität erhalten wird, und
- – die Konstanten C0 bis C5 bestimmt werden, indem zuvor der Schweißpunkt eines Referenzbauteils aus verzinkten Blechen zerstört und der Referenzschweißlinsendurchmesser RSL-RE gemessen und die mittlere quadratische Abweichung von DSL zum gemessenen Wert DSL-RE aus der zerstörenden Prüfung minimiert wird.
- - the thermographic diameter D SH of weld nugget and zinc fringe, by normalizing the time-lapse of the momentum intensity from the thermofilm to standard normal distribution, after masking areas containing less than all sheet layers, a principal component analysis for the normalized pulse intensity timings, then a binary image is determined by means of threshold value analysis on the coefficient image of the first main component and the thermographic diameter D SH of the weld nugget and zinc seam is determined therefrom by Hough transformation,
- The sheet spacing H BI in the region of the weld nugget, by creating the coefficient image of the first main component and averaging the coefficients outside the weld point and outside the mask, the average obtained being correlated with the sheet spacing H BI in this region,
- - the residual point thickness H RP by normalizing over the time profiles of the pulse intensity of the thermographic film radius and position of weld nugget and zinc fringe on standard normal distribution, in this area a representative time course of the pulse intensity is determined by averaging or choice of the time course of the pulse intensity, where the maximum first is reached, and then the dead time is calculated, the value of which correlates to the residual point thickness H RP ,
- The surface emissivity E OK of the side of the welding point away from the excitation, by performing a threshold value analysis on the coefficient image for the first main component to determine a region on which the surface emissivity is to be evaluated, then determining the maxima of the pulse intensity variations in this region and Averaging the maxima the characteristic E OK is obtained as surface emissivity, and
- - the constants C 0 to C 5 are determined by previously destroying the welding point of a reference component made of galvanized sheets and the reference Welding lens diameter R SL-RE measured and the mean square deviation of D SL is minimized to the measured value D SL-RE from the destructive test ,
Anschließend wird der formelmäßig berechnete Schweißlinsendurchmesser DSL klassifiziert als:
i. O. wenn sich ergibt: DRL ≥ DSLmin oder
n. i. O. wenn sich ergibt: DSL < DSLmin Subsequently, the formula calculated weld nugget diameter D SL is classified as:
i. O. if it results: D RL ≥ D SLmin or
ni O. if it results: D SL <D SLmin
Weiterhin ist aus der
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art zu Verfügung zu stellen, mit dem effektiv die Qualitäts- und Fehlerklassifikation einer Fügeverbindung wie einer Strukturverklebung im Kfz-Bereich automatisiert in Großserie zu gewährleisten ist.The invention is therefore based on the object to provide a method of the type mentioned, with which effectively the quality and error classification of a joint connection such as a Strukturverklebung in the automotive sector is automated in mass production.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Verfahren der eingangs erwähnten Art, bei dem folgende weitere Verfahrenschritte durchgeführt werden:
in einer Lernphase (Kalibrierung) (1. Schritt bis 10. Schritt) werden nach Wahl der Fügeprobe (1. Schritt) aus dem von der Thermografiekamera in einer impulsthermografischen Prüfung erfassten Thermografiefilm (2. Schritt) der gewählten Fügeprobe (1. Schritt) rechnermäßig normierte Filme auf der Basis der Zeit als Differenzfilm, zeitlich normierter Film und örtlich normierter Film erzeugt,
dann werden mittels des Rechners zusätzlich zu den Bildern (Repräsentationen) des Originalfilms, des Differenzfilms und den normierten Filmen aus den Daten des Originalfilms, des Differenzfilms sowie den Daten der erzeugten normierten Filme mittels FFT, HKA und NMF zusätzliche Repräsentationen des Thermografiefilms erzeugt (3. Schritt), wobei die Anzahl der zusätzlich erzeugten Repräsentationen von der jeweiligen Verfahrensweise abhängt,
die erhaltenen alternativen Repräsentationen werden in einer dem Rechner nachgeschalteten Komparatorstufe abgelegt (3. Schritt),
anschließend wird als zerstörend geprüfte Referenz mechanisch ein Horizontalschliff derselben Fügeprobe hergestellt, aus dem die gesuchten Fehler in der Fügeprobe optisch zu erfassen sind (4. Schritt),
hierauf wird bei reproduzierter Einspannung des Horizontalschliffs und reproduzierter Positionierung der Thermografiekamera im identischen Verfahrensaufbau mittels der Thermografiekamera ein Thermogramm (einzelnes Thermografiebild) des identischen Ausschnitts der zerstörten Fügeprobe bei gleicher örtlicher Auflösung erstellt (5. Schritt), und der Thermografiefilm dieses Ausschnitts in dem der Thermografiekamera nachgeschalteten Rechner registriert,
das somit in gleicher Lage und Auflösung vorhandene Thermogramm des Horizontalholzschliffs wird als Referenz für eine pixelweise Klassifizierung des Thermografiefilms verwendet, wobei die Referenz jeden Pixel des Thermografiefilms einer der Klassen i. O., n. i. O. bzw. „nicht zu berücksichtigender Bereich” zuordnet (6. Schritt),
die so erzeugte Referenz wird der Komparatorstufe als Referenz zugeführt und mit sämtlichen in dieser bereits abgelegten Repräsentationen des Thermografiefilms der Fügeprobe zur Identifizierung der thermografisch gesuchten fehlerbehafteten und fehlerfreien Bereiche der Repräsentationen verglichen, indem für jede Repräsentation des Thermografiefilms ein Schwellwert zur Unterscheidung der in der Referenz als i. O. bzw. n. i. O. festgelegten Pixel bestimmt wird, wobei die nicht zu berücksichtigenden Pixel in diese Optimierung nicht eingehen, und indem die fehlklassifizierten Pixel gezählt werden und der Schwellwert solange verändert wird, bis die Anzahl der fehlklassifizierten Pixel minimal ist und hierdurch die Unterscheidbarkeit zwischen intakten und nichtintakten Bereichen optimiert wird (7. Schritt),
dann werden die n (10) besten Repräsentationen hinsichtlich des Kriteriums der fehlklassifizierten Bereiche (der Anzahl von fehlklassifizierten Pixel) bestimmt (8. Schritt) und
sämtliche Kombinationsmöglichkeiten dieser n besten Repräsentationen so gebildet, dass für jede Kombination jedem Pixel ein Vektor zugeordnet wird, deren Koordinaten die zum Pixel gehörigen, mit Mittelwert und Streuung normierten Koeffizienten der jeweiligen Repräsentation enthalten,
wodurch Mengen von Merkmalsvektoren zugeordneter Pixel (Punktwolken) gebildet werden, die als Koordinaten die Koeffizienten von Einzelrepräsentationen aufweisen und die einer Clusteranalyse unterzogen werden, bei der zwei Cluster mit jeweiligem Clusterschwerpunkt i. O. (C1) und Clusterschwerpunkt n. i. O. (C2) ermittelt werden, wobei der Abstand jedes Vektors zu dem Clusterschwerpunkt i. O. (C1) und zu dem Clusterschwerpunkt n. i. O. (C2) die fusionierte Repräsentation des Thermografiefilms darstellt, die für alle Kombinationsmöglichkeiten analog zu den Einzelrepräsentationen mittels der Anzahl fehlklassifizierter Pixel bewertet wird, und
wobei durch Bilden einer Rangfolge der Einzelrepräsentationen und der fusionierten Repräsentationen entsprechend der fehlklassifizierten Fläche die optimale Repräsentation erhalten wird (9. Schritt) und das Ergebnis im Sinne eines auf den Thermografiefilm der Fügeverbindungen angewandten Algorithmus die Angabe der zu fusionierenden Einzelrepräsentationen und den Schwellwert für die Größe D = l1 – l2 (Differenz der Euclidischen Abstände l1 und l2 zu dem Schwerpunkt i. O. (C1) und zu dem Schwerpunkt n. i. O. (C2) für jedes Pixel) beinhaltet (10. Schritt), und insofern Repräsentationen aus HKA und NMF zu diesen Einzelrepräsentationen gehören, ebenfalls die entsprechenden Analysefunktionen im Algorithmus verwendet werden, und
anschließend an die Lernphase (Kalibrierung) (1. Schritt bis 10. Schritt) wird in einer automatischen Anwendungsphase eine bisher unklassifizierte Probe gewählt (11. Schritt) und analog zur impulsthermografischen Prüfung der Lernphase (Kalibrierung) impulsthermografisch geprüft und dabei ein Thermografiefilm dieser Probe erstellt (12. Schritt), aus dem die zuvor (10. Schritt) ermittelten Repräsentationen berechnet und zu Vektoren (entsprechend 9. Schritt) verbunden werden (13. Schritt), worauf jeder einzelne Pixel dieser optimalen Repräsentation mit Hilfe des ermittelten Schwellwertes (10. Schritt) als i. O. oder n. i. O. klassifiziert wird (13. Schritt), und sich somit die örtlich klassifizierte Fügeprobe ergibt (14. Schritt).This object is achieved by the method of the type mentioned, in which the following further process steps are carried out:
In a learning phase (calibration) (1st step to 10th step), after selection of the joining sample (1st step) from the thermographic film recorded by the thermographic camera in a pulse thermographic examination (2nd step) of the selected joining sample (1st step) normalized films based on time as differential film, time normalized film and locally normalized film,
then, by means of the computer, in addition to the images (representations) of the original film, the difference film and the normalized films from the data of the original film, the difference film and the data of the produced normalized films by means of FFT, HKA and NMF, additional representations of the thermographic film are produced (3. Step), wherein the number of additionally generated representations depends on the respective procedure,
the obtained alternative representations are stored in a computer downstream comparator stage (3rd step),
Subsequently, as a destructively tested reference, a mechanical horizontal grinding of the same joining sample is produced, from which the sought defects in the joining sample are to be optically detected (4th step),
Then, with reproduced clamping of the horizontal grinding and reproduced positioning of the thermographic camera in the identical process structure by means of the thermographic camera, a thermogram (individual thermographic image) of the identical section of the destroyed joint sample at the same spatial resolution created (5th step), and the thermographic film of this section in the thermographic camera registered downstream computer,
the thus existing in the same position and resolution thermogram of Horizontalholzschliffs is used as a reference for a pixel-by-pixel classification of the thermographic film, wherein the reference each pixel of the thermographic film of one of the classes i. O., ni O. or "area not to be considered" (step 6),
the reference thus generated is referenced to the comparator stage and compared with all of the already plotted representations of the thermographic film of the joining sample to identify the thermographically searched for errored and error free areas of the representations by setting a threshold value for each representation of the thermographic film to distinguish them in the reference i. O. or ni O. pixels, the pixels not to be taken into account in this optimization and by counting the misclassified pixels and the threshold value is changed until the number of misclassified pixels is minimal and thereby the distinctness between intact and non-intact areas is optimized (7th step),
then the n (10) best representations are determined for the criterion of misclassified regions (the number of misclassified pixels) (8th step) and
all possible combinations of these n best representations are formed in such a way that for each combination a vector is assigned to each pixel whose coordinates contain the coefficients of the respective representation that belong to the pixel, averaged and scattered,
whereby sets of feature vectors of associated pixels (point clouds) are formed having as coordinates the coefficients of individual representations and subjected to a cluster analysis in which two clusters with respective cluster centroid i. O. (C 1 ) and cluster centroid ni O. (C 2 ) are determined, wherein the distance of each vector to the cluster centroid i. O. (C 1 ) and to the cluster focus ni O. (C 2 ) represents the fused representation of the thermographic film, which is evaluated for all possible combinations analogous to the individual representations by means of the number of misclassified pixels, and
wherein by forming a ranking of the individual representations and the merged representations corresponding to the misclassified area, the optimal representation is obtained (9th step) and the result in terms of an algorithm applied to the thermographic film of the joints, the indication of the individual representations to be merged and the threshold for the size D = l 1 -l 2 (difference of the Euclidean distances l 1 and l 2 to the center of gravity i.O. (C 1 ) and to the center of gravity ni O. (C 2 ) for each pixel) (step 10), and inasmuch as representations of HKA and NMF belong to these individual representations, also the corresponding analysis functions are used in the algorithm, and
following the learning phase (calibration) (1st step to 10th step), an as yet unclassified sample is selected in an automatic application phase (11th step) and, by analogy with the impulse thermographic examination of the learning phase (calibration), checked by pulse thermography and a thermographic film of this sample is created (12th step), from which the representations determined before (10th step) are calculated and combined into vectors (corresponding to the 9th step) (13th step), whereupon each individual pixel of this optimal representation is determined by means of the determined threshold value (10th step). Step) as i. O. or ni O. is classified (13th step), and thus results in the locally classified joining sample (14th step).
Die 10 besten Repräsentationen werden auf Basis der fehlklassifizierten Fläche ermittelt und mittels Clusteranalyse verbunden.The 10 best representations are determined based on the misclassified area and joined by cluster analysis.
Vorzugsweise erfolgt die Bestimmung aller n2 – 1 fusionierten Repräsentationen sowie des zugehörigen Schwerpunktes i. O. (C1) und des zugehörigen Schwerpunktes n. i. O. (C2) mittels an sich bekanntem k-means Algorthmus,
wobei zur Bewertung jeder fusionierten Repräsentation für jeden Pixel die Euclidischen Abstände l1 und l2 zu dem Schwerpunkten i. O. (C1) bzw. zu dem Schwerpunkt n. i. O. (C2) ermittelt werden,
dann durch Substrahieren der beiden Abstände l1 und l2 eine Größe D = l1 – l2 gebildet wird, die negativ ist, wenn das jeweilige Pixel näher zum Schwerpunkt i. O. (C1) ist, und positiv ist, wenn das jeweilige Pixel näher zu dem Schwerpunkt n. i. O. (C2) ist,
für jede fusionierte Repräsentation der Schwellwert bestimmt wird und dann gezählt wird, wie viele Pixel als intakt oder fehlerbehaftet gelten und so die fehlklassifizierte Fläche bestimmt wird,
anschließend, wenn das für alle n2 – 1 Repräsentationen erfolgt ist, ein Rangfolge aller fusionierten und Einzel-Repräsentationen anhand der fehlklassifizierten Fläche erstellt wird, und
dann der erhaltene optimale Schwellwert für die Größe D = l1 – l2 auf die optimale Repräsentation des von der Thermografiekamera erfassten Thermografiefilms der Fügeprobe angewendet wird, wobei sich für jedes Pixel deren Repräsentation das Ergebnis „Klebstoff vorhanden” oder „Klebstoff nicht vorhanden” automatisch ergibt.Preferably, the determination of all n 2 - 1 fused representations and the associated focus i. O. (C 1 ) and the associated center of gravity ni O. (C 2 ) by means of known per se k-means Algorthmus,
wherein for evaluating each fused representation for each pixel, the Euclidean distances l 1 and l 2 are focussed i. O. (C 1 ) or to the focus ni O. (C 2 ) are determined,
then by subtracting the two distances l 1 and l 2 a size D = l 1 - l 2 is formed, which is negative if the respective pixel closer to the center of gravity i. O. (C 1 ), and is positive if the respective pixel is closer to the center of gravity ni O. (C 2 ),
for each fused representation, the threshold value is determined and then it is counted how many pixels are considered to be intact or defective and thus the misclassified area is determined,
then, if this has been done for all n 2 -1 representations, a ranking of all fused and single representations is made based on the misclassified area, and
then the obtained optimal threshold value for the quantity D = l 1 -l 2 is applied to the optimal representation of the thermographic film of the joining sample detected by the thermographic camera, whereby for each pixel whose representation the result "adhesive present" or "adhesive not present" automatically results.
Bevorzugt werden mehrere Referenzen gleichzeitig zur Ermittlung der zu fusionierenden Repräsentationen und des Schwellwertes für die Größe D = l1 – l2 verarbeitet.Preferably, several references are processed simultaneously to determine the representations to be merged and the threshold value for the quantity D = l 1 -l 2 .
Weiterhin kann eine Kombination der Lernphase und der Anwendungsphase und damit die Integration von HKA und NMF erfolgen, indem neben einer oder mehreren Referenzen auch ein unbewerteter Thermografiefilm mitverarbeitet wird, der während der Auswertung dem nicht zu bewertenden Bereich zugeordnet wird und somit dennoch in die Berechnung der Analysefunktionen von HKA und NMF eingeht, jedoch nicht in die Ermittlung des optimalen Schwellwertes für jede Einzelrepräsentation oder den Schwellwert für die Größe D = l1 – l2 und anschließende Klassifikation jedes Pixels des unbewerteten Thermografiefilms auf der Basis der gefundenen Fusionsrepräsentationen und des Schwellwertes.Furthermore, a combination of the learning phase and the application phase and thus the integration of HKA and NMF can be carried out by also processing an unweighted thermographic film in addition to one or more references, which is assigned to the non-evaluated area during the evaluation and thus still in the calculation of the Analysis functions of HKA and NMF, but not in the determination of the optimum threshold value for each individual representation or the threshold value for the quantity D = l 1 -l 2 and subsequent classification of each pixel of the unweighted thermographic film on the basis of the found fusion representations and the threshold value.
Vorzugsweise wird das Bild des Horizontalschliffs der Fügeprobe (1. Schritt) mit einer beliebigen Kamera aufgenommen, die eine andere Auflösung als die Thermografiekamera sowie einen anderen Abstand und eine andere Ausrichtung zum Horizontalschliff der Fügeprobe als die Thermografiekamera aufweist, wobei eine algorithmische Ausrichtung des Bildes der zerstörten Fügeprobe zum Thermografiefilm sowie die Umrechnung dieses Bildes in den Ausschnitt und die Auflösung des Thermografiefilms erfolgen.Preferably, the image of the horizontal cut of the joining sample (step 1) is taken with any camera having a different resolution than the thermographic camera and a different distance and a different orientation for horizontal grinding of the joining sample as the thermographic camera, wherein an algorithmic orientation of the image destroyed joining sample to the thermographic film as well as the conversion of this image into the cutout and the resolution of the thermographic film done.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist mit Hilfe der ultraschallangeregten Thermografie und einer Auswertung der erhaltenen Thermografiefilme mittels FFT, HKA und NMF bei anschließender Fusion der erzeugten thermografischen Repräsentationen gewährleistet, zerstörungsfrei Bereiche fehlenden Klebstoffs automatisch insbesondere in Großserie zu detektieren.With the inventive method is with the help of ultrasound excited thermography and an evaluation of the resulting thermographic films using FFT, HKA and NMF in subsequent fusion of thermographic representations guaranteed to detect non-destructive areas missing adhesive automatically, especially in mass production.
Die Erfindung wird nun unter Bezug auf die Zeichnungen erläutert. In diesen sind:The invention will now be explained with reference to the drawings. In these are:
Die Probe
Die beiden sich überlappenden Stahlbleche
Zur Auswertung der Thermografiesequenzen werden Phasenbilder mittels Fourieranalyse erzeugt, die eine deutlich stärkere Zeichnung von Defekten besitzen, als dies in den Originaldaten der Fall ist.For evaluation of the thermographic sequences, phase images are generated by means of Fourier analysis, which have a much stronger drawing of defects than is the case in the original data.
Die
Um Bauteile für eine automatisierte Qualitätssicherung anhand derartiger Repräsentationen hinsichtlich intakt oder fehlerhaft zu klassifizieren, sind entweder Bildverarbeitungsansätze notwendig oder Repräsentationen sind zu ermitteln, die eine noch eindeutigere Zeichnung von Fehlern besitzen.In order to classify components for automated quality assurance based on such representations with regard to intact or defective, either image processing approaches are necessary or representations are to be determined which have an even clearer characterization of errors.
In diesem Zusammenhang wird auf die
Bei den Repräsentationen auf Basis der Zeit sind neben der Darstellung der Originaldaten auf Basis der Zeit drei weitere Darstellungsmöglichkeiten des Thermografiefilms über die Zeit gegeben, und zwar werden aus dem von der Thermografiekamera erfassten Thermografiefilm der Fügeprobe rechnermäßig normierte Filme auf der Basis der Zeit als Differenzfilm, zeitlich normierter Film und örtlich normierter Film erzeugt.In addition to the presentation of the original data on the basis of time, the representation on the basis of time provides three further possibilities of depicting the thermographic film over time, namely from the thermographic film of the joining sample recorded by the thermographic camera with normalized films on the basis of time as difference film, temporally normalized film and locally normalized film produced.
Bei der Repräsentation Differenz zu Bild eins wird von jedem Bild des Thermografiefilms das erste Bild abgezogen. Auf diese Weise ist der Einfluss von Emissionsunterschieden sowie von Reflexionen zu verringern.In the representation difference to image one, the first image of each image of the thermographic film is subtracted. In this way, the influence of emission differences and reflections should be reduced.
Bei der Erzeugung des zeitlich normierten Films (Repräsentation Normierung über die Zeit) werden die Temperaturverläufe, bei nicht kalibrierten Aufnahmen die Verläufe der digitalen Level, zu allen Pixeln auf eine Standardnormalverteilung normiert. Hierzu wird für jeden Zeitverlauf xij(t) sein Mittelwert μij und seine Standardabweichung σij berechnet und die normierten Ergebnisse
x
werden folgendermaßen berechnet: In the production of the time-normalized film (representation normalization over time), the temperature profiles, for non-calibrated images, the gradients of the digital levels are normalized to all pixels to a standard normal distribution. For this purpose, its mean value μ ij and its standard deviation σ ij are calculated for each time course x ij (t) and the normalized results
x
are calculated as follows:
Auf diese Weise wird wie beim Differenzfilm der Einfluss von Emissionsunterschieden auf der Fügeprobe verringert, da der zeitlich normierte Film keine Amplitudeninformation mehr besitzt. Sämtliche Zeitverläufe haben nun einen Mittelwert
μ ~ij = 0
und eine Standardabweichung
σ ~ij = 1 In this way, as in the case of the difference film, the influence of emission differences on the joining sample is reduced since the time-normalized film no longer has any amplitude information. All time courses now have an average value
μ ~ ij = 0
and one standard deviation
σ ~ ij = 1
Speziell bei Zeitverläufen mit geringem Temperaturhub führt dies zur Verstärkung des Rauschens, bei gleichbleibendem Signal-Rauschabstand, wie aus den
Analog zu der zuvor beschriebenen Vorgehensweise wird bei der Repräsentation Normierung über den Ort jedes Bild des Thermografiefilms auf eine Standardnormalverteilung normiert. Die Zeitverläufe
x
weisen nun unterschiedliche Mittelwerte und Streuungen auf, dafür gilt jedoch für jedes Bild des Thermografiefilms:
Mittelwert
μ ~(t) = 0
und Standardabweichung Analogous to the procedure described above, in the representation normalization over the location, each image of the thermographic film is normalized to a standard normal distribution. The time courses
x
now have different mean values and scatters, but for every image of the thermographic film:
Average
μ ~ (t) = 0
and standard deviation
Besonders bei Thermografiefilmen mit sehr geringen örtlichen Unterschieden im Temperaturhub kann auf diese Weise eine Verstärkung dieser Unterschiede erzielt werden, wie aus
Was die spektralen Repräsentationen anbetrifft, so ist die Fourieranalyse (FFT) auf sämtliche Repräsentationen im Zeitbereich anzuwenden. Die Ergebnisse dieser Auswertungen des Thermografiefilms können als Phasen- und Amplitudenbilder betrachtet werden. Dabei ist zu beachten, dass Abweichungen von den Ergebnissen der FFT angewendet auf den Originalfilm nur bei folgenden Repräsentationen zu erwarten sind:
- – FFT beim Differenzfilm:
Amplitude des 0. Koeffizienten (konstanter Anteil) - – FFT bei zeitlich normierten Daten: Amplitude sämtlicher Koeffizienten
- – FFT bei örtlich normierten Daten: Amplitude und Phase sämtlicher Koeffizienten
- - FFT at the difference film: amplitude of the 0th coefficient (constant proportion)
- - FFT for temporally normalized data: amplitude of all coefficients
- FFT for locally normalized data: amplitude and phase of all coefficients
In diesem Zusammenhang wird auf die
Wie die Fourieranalyse (FFT) kann auch die Hauptkomponentenanalyse (HKA) auf sämtliche Repräsentationen angewendet werden. Im Gegensatz zur FFT werden die Analysefunktionen bei der HKA nicht vorgegeben, sondern als Eigenvektoren der Kovarianzmatrix des Thermografiefilms berechnet. Aus den
Bei der Erzeugung von Repräsentationen auf der Basis der NMF berechnet diese ähnlich wie die HKA ihre Analysefunktionen aus dem Thermografiefilm, jedoch nicht durch die Lösung eines Eigenwertproblems, sondern durch die Lösung eines nichtlinearen Optimierungsproblems. NMF ist ausschließlich auf Matrizen mit positiven Koordinaten anwendbar. Daher ist es notwendig, die zu analysierende Repräsentation gegebenenfalls durch Offsetierung der Werte des gesamten Thermografiefilms anzupassen. Mittels NMF werden positive Ansatzfunktionen bestimmt, die als positiv gewichtete Summe die Zeitverläufe zu allen Pixeln optimal nähern.In the generation of representations on the basis of the NMF, like the HKA, it computes its analysis functions from the thermographic film, but not by solving an eigenvalue problem, but by solving a nonlinear optimization problem. NMF is applicable only to matrices with positive coordinates. Therefore, it is necessary to adjust the representation to be analyzed, if necessary, by offsetting the values of the entire thermographic film. By means of NMF positive approach functions are determined which optimally approximate the time courses to all pixels as a positively weighted sum.
Es handelt sich somit hierbei um ein geschachteltes Optimierungsproblem zur Bestimmung geeigneter Ansatzfunktionen, für die zudem geeignete Gewichte gesucht werden. Da die zu minimierende Qualitätsfunktion nichtlinear ist und in der Regel mehrere Minima besitzt, ist davon auszugehen, dass nicht das globale, sondern ein lokales Optimum gefunden wird.This is therefore a nested optimization problem for determining suitable approach functions for which suitable weights are also sought. Since the quality function to be minimized is non-linear and usually has several minima, it can be assumed that it is not the global but a local optimum that is found.
Üblicherweise kann der analysierte Datensatz aus den Koeffizienten und den Ansatzfunktionen nicht exakt rekonstruiert werden, selbst wenn die gleiche Anzahl von Ansatzfunktionen wie bei FFT oder HAK gewählt wird.Usually, the analyzed data set can not be exactly reconstructed from the coefficients and the mapping functions, even if the same number of mapping functions as in FFT or HAK is chosen.
Die
FFT, HKA und NMF werden auf sämtliche Repräsentationen auf Basis der Zeit angewendet. Bei diesen handelt es sich um die folgenden:
Originalfilm: Tij(tm),
Differenz zum ersten Bild des Films:
T
Normierung der Zeitverläufe mit Mittelwert und Streuung: FFT, HKA and NMF are applied to all representations based on time. These are the following:
Original film: T ij (t m ),
Difference to the first picture of the film:
T
Standardization of time courses with mean and variance:
Normierung der einzelnen Bilder mit Mittelwert und Streuung: Standardization of the individual images with mean and variance:
In obigen Formeln sind:
T eine Temperatur bzw. Strahlungsintensität, gemessen als digitaler Level (DL).
i und j Laufindices der Position des betrachteten Pixels.
m der Laufindex des Zeit
T ~ij der Mittelwert des Zeitverlaufs zu Pixel i j
T ~(tm) der Mittelwert eines Bildes zum Zeitpunkt tm
σij und σ(tm) die entsprechenden StreuungenIn the above formulas are:
T is a temperature or radiation intensity, measured as a digital level (DL).
i and j run indices of the position of the considered pixel.
m the running index of the time
T ~ ij the mean of the time course to pixel ij
T ~ (t m ) is the mean value of an image at time t m
σ ij and σ (t m ) the corresponding scattering
Auf diese Weise ergeben sich bei einem Film mit 176 Bildern insgesamt 2.124 teils redundante Repräsentationen des Thermografiefilms, und zwar bei vier Repräsentationen auf der Basis der Zeit jeweils 176 Thermogramme, darauf angewendet die FFT – jeweils 176 Phasen- und Amplitudenbilder, die HAK – jeweils 176 Koeffizientenbilder und die NMF – jeweils drei Koeffizientenbilder. Bei dieser Vielzahl teils redundanter Repräsentationen ist eine Methode notwendig, die gesuchten Fehlstellen zu detektieren, zu bewerten und auf der Basis der Besten zu neuen aussagekräftigeren Repräsentationen zu verbinden.In this way, a total of 2,124 partially redundant representations of the thermographic film result for a film with 176 images, in each case 176 thermograms for four representations on the basis of which the FFT applies 176 phase and amplitude images, the HAK 176 in each case Coefficient images and the NMF - three coefficient images each. With this multitude of partly redundant representations, a method is necessary to detect the defects sought, to evaluate them and to connect them on the basis of the best to new more meaningful representations.
Um bei dieser Vielzahl der Repräsentationen diese hinsichtlich ihrer Eignung, die gesuchten Fehlstellen zu detektieren, zu bewerten und auf der Basis der besten Repräsentationen diese zu neuen, aussagekräftigeren Repräsentationen zu verbinden, wird erfindungsgemäß ein Fusionsverfahren eingesetzt, das auf einer Clusteranalyse auf Pixelebene basiert und bei dem ein Algorithmus Anwendung findet, dem eine Fusion der informationstragenden Repräsentationen zugrundeliegt. Welche diese sind, wird an einer Referenzprobe gelernt, bei der die optimale Klassifikation durch eine zerstörende Prüfung mittels Horizontalschliff bekannt ist.In order to evaluate these in terms of their suitability to detect the missing defects in this multiplicity of representations and to combine them on the basis of the best representations to form new, more meaningful representations, a fusion method based on pixel-level cluster analysis is used in accordance with the invention an algorithm is used, which is based on a fusion of the information-bearing representations. What these are is learned on a reference sample, in which the optimal classification by a destructive test by means of horizontal grinding is known.
Aus einer Referenzprobe, bei der die optimale Klassifikation z. B. durch eine zerstörende Prüfung mittels Horizontalschliff in Erfahrung gebracht wird, werden die informationstragenden Repräsentationen ermittelt.From a reference sample in which the optimal classification z. B. by a destructive examination by means of horizontal grinding in experience, the information-bearing representations are determined.
So wird als zerstörend zu prüfende Referenz mechanisch ein Horizontalschliff derselben Fügeprobe hergestellt, aus dem die gesuchten Fehler in der Fügeprobe optisch zu erfassen sind. Anhand der zerstörten Probe werden die thermisch gesuchten fehlerbehafteten und fehlerfreien Bereiche identifiziert und als Referenz für die Klassifizierung in Form einer binären Bildes zur Verfügung gestellt. Um sicher zu stellen, dass sowohl der gleiche Ausschnitt erfasst wird, als auch die gleiche Auflösung des Bildes vorliegt, wird bei reproduzierter Einspannung des Horizontalschliffs und reproduzierter Positionierung der Thermografiekamera im identischen Versuchsaufbau mittels der Thermografiekamera der identische Ausschnitt der zerstörten Fügeprobe bei gleicher örtliche Auflösung erstellt. Anhand dieser Aufnahmen lassen sich sog. Region Of Interest (ROIs) definieren und Fehlerklassen zuweisen.Thus, as a reference to be tested destructively a horizontal grinding of the same joining sample is produced, from which the sought defects in the joining sample are to be optically detected. From the destroyed sample, the thermally searched error-prone and error-free regions are identified and provided as a reference for classification in the form of a binary image. In order to ensure that both the same section is captured and the same resolution of the image is present, the identical section of the destroyed joint sample is created at the same local resolution with reproduced clamping of the horizontal section and reproduced positioning of the thermographic camera in the identical experimental setup by means of the thermographic camera , Based on these images, so-called Region Of Interest (ROIs) can be defined and error classes assigned.
Aus den
So zeigt
Zur Bewertung jeder thermografischen Repräsentation hinsichtlich ihres Informationsgehaltes findet ein pixelweiser Vergleich mit der zerstörenden Prüfung statt. Zu diesem Zweck wird ein optimaler Schwellwert für die jeweilige Repräsentation ermittelt, so dass die Anzahl falsch klassifizierter Pixel und damit die fehlklassifizierte Fläche minimal wird. Diese Fläche wird für eine Rangfolge sämtlicher Repräsentationen verwendet, anhand der die Auswahl der zu fusionierenden Repräsentationen stattfindet.In order to evaluate each thermographic representation in terms of its information content, a pixel-by-pixel comparison with the destructive test takes place. For this purpose, an optimal threshold value for the respective representation is determined, so that the number of incorrectly classified pixels and thus the misclassified area becomes minimal. This area is used for a ranking of all representations on the basis of which the selection of representations to be merged takes place.
Aus
Im Idealfall lassen sich intakte von fehlerbehafteten Bereichen durch eine Schwellwertanalyse von einander trennen. In der Regel kommt es jedoch zu Überlappungen von intakten und fehlerbehafteten Bereichen. Pixel in diesem Überlappungsbereich sind nicht eindeutig klassifizierbar. Es gibt jedoch stets einen Schwellwert, der die Anzahl der fehlklassifizierten Pixel minimiert. Die Anzahl der fehlklassifizierten Pixel entspricht einer Fläche, die wiederum ins Verhältnis zur Gesamtfläche des thermografisch erfassten Bereiches gesetzt werden kann. In
Die minimale fehlklassifizierte Fläche wird für eine Rangfolge sämtlicher Repräsentationen verwendet. Anhand dieser Rangfolge findet die Auswahl der fusionierenden Repräsentationen statt.The minimum misclassified area is used for a ranking of all representations. Based on this ranking, the selection of merging representations takes place.
Da bei HKA und NFM die Analysefunktionen nicht wie bei der FFT vorgegeben, sondern aus den Repräsentationen auf der Basis der Zeit berechnet werden, können sie sich von Film zu Film unterscheiden, wie aus den
Die Koeffizientenbilder (Repräsentationen) Bk sind bei den Vorgehensweisen mit den Analysefunktionen Al und den Repräsentationen des Thermografiefilms auf der Basis der Fkl über die Gleichung Bk = FklAl verknüpft. Zur Durchführung von HKA und NMF wird der Thermografiefilm in eine zweidimensionale Darstellung überführt. Aus diesem Grunde besitzt der Thermografiefilm in diesem Fall nur zwei Indices (Pixelnummer und Zeit) und das Bild nur einen Index (Pixelnummer).The coefficient images (representations) B k are linked in the procedures with the analysis functions A l and the representations of the thermographic film on the basis of F kl via the equation B k = F kl A l . To carry out HKA and NMF, the thermographic film is converted into a two-dimensional representation. For this reason, the thermographic film in this case has only two indices (pixel number and time) and the image only one index (pixel number).
Die Koeffizientenbilder – die Repräsentationen – ändern sich somit abhängig von der Analysefunktion von Film zu Film, aus welchem Grund sich auch ihre Position in der zuvor genannten Rangfolge ändern kann. Daher kann die Auswahl der informationstragenden Repräsentationen nicht in einer Vorab-Lernphase getroffen werden, sondern die Auswahl muss für jeden Thermografiefilm erneut entschieden werden. Um dies zu gewährleisten, muss in jeder Auswertung eines Films erneut der Bezug zu Referenz hergestellt werden. Zu diesem Zweck werden HKA und NMF stets auf zwei Filme gleichzeitig angewendet, und zwar auf den zu klassifizierenden Film und auf den Referenzfilm, für den das optimale Klassifikationsergebnis bekannt ist. So kann sichergestellt werden, dass Referenz und zu klassifizierender Film mit den gleichen Analysefunktionen ausgewertet werden. In diesen Zusammenhang wird auf die
Mit Hilfe dieser Bewertung wurden, wie
Werden die Binärbilder in
Um eine beliebige Anzahl von Repräsentationen pixelweise zu fusionieren und um aus einer mehrdimensionalen Darstellung eine neue Repräsentation- ein Bild zu ermitteln, wird gemäß der Erfindung wie folgt vorgegangen.In order to merge any number of representations on a pixel-by-pixel basis and in order to determine a new representation from a multi-dimensional representation, the procedure according to the invention proceeds as follows.
Jedem Pixel ist in jeder Repräsentation ein Wert zugewiesen. Zur Fusion von Repräsentationen werden für jedes Pixel diese Werte als Koordinaten eines Punktes aufgefasst. Auf diese Weise kann der gesamte Film als mehrdimensionale Mengen von Merkmalsvektoren zugeordneter Pixel (Punktwolke), die als Koordinaten Koeffizienten von Einzelrepräsentationen aufweisen, dargestellt werden, wie aus
Werden die beiden Repräsentationen isoliert betrachtet und zwar durch Projektion der Mengen von Merkmalsvektoren zugeordneter Pixel (Punktwolken) auf die jeweilige Koordinatenachse, so existieren bei beiden Repräsentationen Überlappungen von Bereichen fehlenden Klebstoffs und Bereichen, in denen Klebstoff vorhanden ist. Erst durch die Fusion beider Repräsentationen können diese Bereiche in zwei Mengen von Merkmalsvektoren zugeordneter Pixel (in zwei Punktwolken) nahezu separiert werden.If the two representations are considered in isolation by projecting the sets of feature vectors of associated pixels (point clouds) onto the respective coordinate axis, then both representations have overlaps of areas of missing glue and areas where glue is present. Only by the fusion of both representations can these regions be nearly separated into two sets of feature vectors of assigned pixels (in two point clouds).
Für eine entsprechende Partionierung des Raumes kann der an sich bekannte k-means-Algorithmus angewendet werden. K-means bestimmt bei vorgegebener Anzahl von Clustern deren Schwerpunkte, so dass die Summe der Abstände aller Punkte zum zugehörigen Schwerpunkt minimal ist.For a corresponding partitioning of the space, the k-means algorithm known per se can be used. K-means determines their centers of gravity for a given number of clusters, so that the sum of the distances of all points to the corresponding center of gravity is minimal.
Um eine Verbesserung der Klassifikationsgenauigkeit im Sinne einer Verringerung der fehlklassifizierten Fläche zu bewirken, werden für alle Kombinationen der Repräsentationen Clusteranalysen mit dem an sich bekannten k-means Algorithmus durchgeführt. Bei 8 Analysen ergeben sich 255 Kombinationsmöglichkeiten.In order to effect an improvement of the classification accuracy in the sense of a reduction of the misclassified area, cluster analyzes are carried out for all combinations of the representations with the k-means algorithm known per se. With 8 analyzes there are 255 possible combinations.
Die 20 besten Ergebnisse der Clusteranalyse sind in
Tabelle I Table I
Werden bezüglich der diagrammmäßigen Darstellung der Fusion von zwei Repräsentationen zwei als Anzahl der gesuchten Cluster vorgegeben, und zwar: 1. Cluster intakter Bereich, 2. Cluster: Bereich fehlenden Klebstoffs, so ergeben sich als Grenze zwischen diesen Cluster die Orte, die von beiden Schwerpunkten den gleichen Abstand besitzen, und zwar die Ebene, die senkrecht auf der Mitte der Verbindungslinie der beiden Schwerpunkte liegt. Ist die gesuchte Partitionierung bekannt, so kann die Grenze entsprechend verschoben werden.
Da sich die Wertebereiche der Repräsentationen stark unterscheiden, wird jedoch vor der Fusion der Repräsentationen eine Normierung auf Mittelwert und Streuung der jeweiligen Repräsentation vorgenommen.Since the ranges of values of the representations differ strongly, however, before the fusion of the representations a normalization on mean value and scatter of the respective representation is made.
Aus der nachfolgenden Tabelle II gehen die 11 besten Einzelergebnisse der gemeinschaftlich analysierten Thermografiefilme der Referenzprobe P1 und der Probe P2 hervor, die sämtlich für die Referenzprobe P1 eine fehlklassifizierte Fläche von über 8,24% liefern. Das hinsichtlich des Kriteriums „fehlklassifizierte Fläche” beste Klassifikationsergebnis auf Basis einer Fusion ist eine fehlklassifizierte Fläche von 7,17%.
An diesem Ergebnis sind folgenden Einzelrepräsentationen beteiligt.
Repräsentation auf Basis der Zeit, 52. Bild, Vorverarbeitung : TΔ(t),
FFT Phase, 1. Koeffizient, Vorverarbeitung: Ton (t),
FFT Phase, 3. Koeffizient, Vorverarbeitung: Ton(t),
HKA, 3. Koeffizient, Vorverarbeitung: T (t),
HKA, 3. Koeffizient, Vorverarbeitung: Ton(t),
NMF, 3. Koeffizient, Vorverarbeitung: Tzn(t).The following individual representations are involved in this result.
Representation on the basis of time, 52nd image, preprocessing: T Δ (t),
FFT phase, 1st coefficient, preprocessing: T on (t),
FFT phase, 3rd coefficient, preprocessing: T on (t),
HKA, 3rd coefficient, preprocessing: T (t),
HKA, 3rd coefficient, preprocessing: T on (t),
NMF, 3rd coefficient, preprocessing: T zn (t).
In der nachfolgenden Tabelle III sind für alle 3 Proben die fehlklassifizierte Fläche bei Fusion der fehlklassifizierten Fläche der besten Einzelrepräsentation gegenübergestellt.
Die Berechnung der für die Fusion verwendeten Größe D = l1 – l2 ist in
Aus dem Flussdiagramm der
- 1. Auswahl einer Probe
- 2. Impulsthermografische Prüfung
- 3. Ermittlung alternativer Repräsentationen auf Basis des Originalfilms, des Differenzfilms, örtlich normiertem Film, zeitlich normiertem Film mittels FFT, HKA, NMF
- 4. Zerstörende Prüfung der ausgewählten identischen Probemittels Horizontalschliff
- 5. Thermografische Aufnahme der zerstörten Probe
- 6. Ermittlung von i. O., n. i. O. und nicht zu berücksichtigender Pixel als Referenzklassifikation,
- 7. Eingabe der Ergebnisse aus 3.
Schritt und 6. Schritt in Komparatorstufe zum pixelweisen Vergleich jeder einzelnen Repräsentation mit der Referenzklassifikation zur Bestimmung eines jeweiligen Schwellwertes, so dass die fehlklassifizierte Fläche minimal ist, - 8.
Bestimmung der 10 besten Repräsentationen hinsichtlich fehlklassifizierter Fläche, - 9. Berechnung der optimalen Repräsentation aus den n besten mittels Clusteranalyse, wobei von allen mittels Clusteranalyse berechneten Repräsentationen diejenige mit der geringsten fehlklassifizierten Fläche die optimale Repräsentation ist,
- 10. Ergebnis der Lernphase (Kalibrierung) sind bei automatisierter Qualitäts- bzw. Fehlerklassifikation einer Fügeverbindung zu bestimmende Repräsentationen, die einer Fusion mittels Clusteranalyse zuzuführen sind sowie der Schwellwert für die Größe D = l1 – l2.
- 11. Auswahl einer Probe zur Anwendung des gewonnenen Algorithmus aus der Lernphase (Kalibrierung),
- 12. Impulsthermografische Prüfung der
Probe aus 11. Schritt - 13a.
Berechnung der im 10. Schritt ermittelten Repräsentationen des Thermografiefilms aus 12. Schritt, - 13b. Berechnung der optimalen Repräsentation mittels Clusteranalyse entsprechend Algorithmus aus 10. Schritt,
- 13c. pixelweise Klassifikation der optimalen Repräsentation entsprechend Schwellwert für die
Größe D aus 10. Schritt, - 14. Ergebnis: örtlich klassifizierte Fügeprobe
- 1. Selection of a sample
- 2. Impulse thermographic examination
- 3. Determination of alternative representations on the basis of the original film, the difference film, spatially normalized film, time normalized film by means of FFT, HKA, NMF
- 4. Destructive testing of selected identical samples by means of horizontal grinding
- 5. Thermographic image of the destroyed sample
- 6. Determination of i. O., ni O. and unobservable pixel as a reference classification,
- 7. Input of the results from the third step and the sixth step in the comparator stage for the pixel-by-pixel comparison of each individual representation with the reference classification for the determination of a respective threshold value, so that the misclassified area is minimal,
- 8. Determination of the 10 best representations regarding misclassified area,
- 9. Calculation of the optimal representation from the best by means of cluster analysis, wherein of all the representations calculated by means of cluster analysis, the one with the least misclassified area is the optimal representation,
- 10. Result of the learning phase (calibration) representations to be determined in the case of automated quality or defect classification of a joint connection, which are to be supplied to a fusion by means of cluster analysis and the threshold value for the quantity D = l 1 -l 2 .
- 11. Selection of a sample for the application of the algorithm obtained from the learning phase (calibration),
- 12. Impulse thermographic examination of the sample from
step 11 - 13a. Calculation of the representations of the thermographic film from
step 12 determined in the 10th step, - 13b. Calculation of the optimal representation by means of cluster analysis according to algorithm from 10th step,
- 13c. pixel-by-pixel classification of the optimal representation corresponding to the threshold value for the size D from the 10th step,
- 14. Result: locally classified joining sample
Das Flussdiagram gemäß
So wird gemäß 21. Schritt eine erste Probe A ausgewählt und im 22. Schritt einer thermografischen Prüfung unterzogen. Gemäß 23. Schritt wird eine zweite Probe B ausgewählt und im 24. Schritt ebenfalls einer thermografischen Prüfung unterzogen. Die bildweise Verbindung der beiden erhaltenen Thermografiefilme erfolgt dann im 25. Schritt, worauf im 26. Schritt alternative Repräsentationen auf der Basis des Originalfilms, des Differenzfilms sowie der örtlich normierten und der zeitlich normierten Filme mittels FFT, HKA und NMF für beide Filme gemeinschaftlich ermittelt werden.Thus, according to the 21st step, a first sample A is selected and subjected to a thermographic examination in the 22nd step. According to the 23rd step, a second sample B is selected and likewise subjected to a thermographic test in the 24th step. The imagewise connection of the two thermographic films obtained is then in the 25th step, whereupon in the 26th step alternative representations on the basis of the original film, the difference film as well as the spatially normalized and temporally normalized films are jointly determined by FFT, HKA and NMF for both films ,
Die im 21. Schritt ausgewählte erste Probe A wird dann im 27. Schritt einer zerstörenden Prüfung mittels Horizontalschliff ausgesetzt. Hierauf wird im 28. Schritt eine thermografische Aufnahme der zerstörten Probe A erstellt, The first sample A selected in the 21st step is then subjected to a destructive test by means of horizontal grinding in the 27th step. Then, in the 28th step, a thermographic image of the destroyed sample A is created,
Im 29. Schritt werden dann als Referenzklassifikation i. O., n. i. O. und nicht zu berücksichtigen Pixel ermittelt, worauf im 30. Schritt die Vergrößerung des Bildbereiches auf die Größe der im 25. Schritt bildweise verbundenen Thermografiefilme erfolgt und Pixel im Bereich der im 23. Schritt ausgewählten Probe B als nicht zu berücksichtigende Pixel klassifiziert werden.In the 29th step, the reference classification i. O., n. I. O. and unaccounted for pixels are determined, whereupon in the 30th step the enlargement of the image area to the size of the imagewise connected in the 25th step thermographic films takes place and pixels are classified in the range of the sample B selected in 23 step as not to be considered pixels.
Die Ergebnisse aus dem 26. Schritt sowie dem 30. Schritt werden im 31. Schritt einer Komparatorstufe eingegeben zum pixelweisen Vergleich jeder einzelnen Repräsentation mit der Referenzklassifikation zur Bestimmung eines jeweiligen Schwellwertes, so dass die fehlklassifizierte Fläche minimal ist.The results from the 26th step and the 30th step are entered in the 31st step of a comparator stage for the pixel-by-pixel comparison of each individual representation with the reference classification for the determination of a respective threshold value, so that the misclassified area is minimal.
Im 32. Schritt erfolgt dann die Bestimmung der 10 besten Repräsentationen hinsichtlich der fehlklassifizierten Fläche, und im 33. Schritt wird die optimale Repräsentation aus den n besten Repräsentationen mittels Clusteranalyse ermittelt, wobei von allen mittels Clusteranalyse berechneten Repräsentationen diejenige mit der geringsten fehlklassifizierten Fläche die optimale ist.In the 32nd step, the 10 best representations are determined for the misclassified area, and in the 33rd step, the optimal representation is determined from the n best representations by cluster analysis, of which all representations calculated by cluster analysis are those with the least misclassified area is.
Im 34. Schritt erfolgt dann die Klassifikation der im 23. Schritt gewählten Probe durch Anwendung des im 33. Schritt berechneten Schwellwertes auf die Pixel der optimalen Repräsentation im Bereich der im 23. Schritt gewählten Probe, wodurch sich im 36. Schritt die im 23. Schritt ausgewählte Fügeprobe pixelweise klassifiziert ergibt.In the 34th step, the classification of the sample selected in
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DE102006061794B3 (en) * | 2006-12-21 | 2008-04-30 | Thermosensorik Gmbh | Welded joint i.e. welded point, checking method, involves examining region from sequence of regions of heat flow dynamic according to sudden extension of its periphery, where welding lens is evaluated according to its position and size |
DE102009031605A1 (en) * | 2009-07-03 | 2011-01-13 | INPRO Innovationsgesellschaft für fortgeschrittene Produktionssysteme in der Fahrzeugindustrie mbH | Method for classification of quality of spot-welds of adding partners, involves arising surface temperature distribution as result of heat flow on turned away side of construction unit |
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2011
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