DE102018133567A1 - Process for computer-aided optical status assessment of an object - Google Patents
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Abstract
Eine computergestützte optische Zustandsbewertung eines Gegenstands, in der eine optische Aufnahme eines Ist-Zustands des Gegenstands in Form einer Ist-Pixeldarstellung mit einer optischen Aufnahme eines Ausgangszustands des Gegenstands oder eines vergleichbaren Gegenstands in Form einer Ursprungs-Pixeldarstellung durch folgende Schritte in Zusammenhang gebracht wird: Festlegen eines flächigen Vergleichsbereichs des Gegenstands, der aufgrund eines äußeren Einflusses veränderbar und über eine äußere Zugänglichkeit optisch erfassbar ist, Erstellen einer Aufnahme des Vergleichsbereichs des Gegenstands mit einer optischen Kamera und Speichern der Aufnahme als Ist-Pixeldarstellung des Vergleichsbereichs, die einen Ist-Zustand des Gegenstands im Vergleichsbereich repräsentiert, Vergleichen der Ist-Pixeldarstellung des Vergleichsbereichs mit der Ursprungs-Pixeldarstellung des Vergleichsbereichs, die den Vergleichsbereich des Gegenstands im Ursprungszustand oder den Vergleichsbereich eines dem Gegenstand im Ursprungszustand entsprechenden Vergleichsgegenstands umfasst, Bestimmen eines Korrelationsfaktors aus dem Vergleich der Ist-Pixeldarstellung mit der Ursprungs-Pixeldarstellung und Zuordnen des bestimmten Korrelationsfaktors zu einem Zustandswertebereich, aus dem anhand des bestimmten Korrelationsfaktors ein Zustand des Gegenstands auf Grundlage des ausgewerteten Vergleichsbereichs des Gegenstands bestimmbar ist.A computer-aided optical status evaluation of an object, in which an optical recording of an actual state of the object in the form of an actual pixel representation is associated with an optical recording of an initial state of the object or a comparable object in the form of an original pixel representation by the following steps: Determining a flat comparison area of the object, which can be changed due to an external influence and can be optically detected via an external accessibility, taking a picture of the comparison area of the object with an optical camera and storing the picture as an actual pixel representation of the comparison area, which shows an actual state of the Represented object in the comparison area, comparing the actual pixel representation of the comparison area with the original pixel representation of the comparison area, the comparison area of the object in the original state or the comparison area of one of the Includes the object of comparison corresponding to the original state, determining a correlation factor from the comparison of the actual pixel representation with the original pixel representation and assigning the determined correlation factor to a state value range, from which a state of the object can be determined on the basis of the evaluated comparison region of the object on the basis of the determined correlation factor .
Description
Gebiet der ErfindungField of the Invention
Die vorliegende Erfindung betrifft eine computergestützte optische Zustandsbewertung eines Gegenstands, insbesondere eines Werkzeugs, wie eine Matrize oder ein Stempel, eines Bauteils, einer Fügestelle oder einer Verbindung, in der eine optische Aufnahme eines Ist-Zustands des Gegenstands in Form einer Ist-Pixeldarstellung mit einer optischen Aufnahme eines Ausgangszustands des Gegenstands oder eines vergleichbaren Gegenstands in Form einer Ursprungs-Pixeldarstellung in Zusammenhang gebracht wird. Zudem betrifft vorliegende Erfindung ein neuronales Netz zur Überwachung von Zuständen von verwendeten Werkzeugen, in welchem die obige computergestützte optische Zustandsbewertung eingesetzt wird.The present invention relates to a computer-aided optical status evaluation of an object, in particular a tool, such as a die or a stamp, a component, a joint or a connection, in which an optical recording of an actual state of the object in the form of an actual pixel representation with a optical recording of an initial state of the object or a comparable object in the form of an original pixel representation. In addition, the present invention relates to a neural network for monitoring the status of tools used, in which the above computer-aided optical status evaluation is used.
Hintergrund der ErfindungBackground of the Invention
Die großtechnische Herstellung von Teilen, beispielsweise im Maschinenbau durch spanabhebende Verfahren, ist durch eine hohe Effizienz bestimmt. Eine Grundlage dieser Effizienz ist die Taktzeit, innerhalb derer ein bestimmter Gegenstand hergestellt oder seine Bearbeitung abgeschlossen wird. Eine Reduktion der Taktzeit bedeutet gleichzeitig eine Reduktion von Bearbeitungskosten, Maschinenarbeitszeit und häufig auch Arbeitszeit von damit beschäftigten Arbeitskräften.The large-scale production of parts, for example in mechanical engineering by machining processes, is determined by high efficiency. A basis of this efficiency is the cycle time within which a certain item is manufactured or its processing is completed. A reduction of the cycle time means at the same time a reduction in processing costs, machine working hours and often also working hours of the workers involved.
Während dieser Herstellung von Gegenständen werden beispielsweise in Kombination mit zerspanenden Verfahren Werkzeuge eingesetzt, wie Bohrer, Fräser, Sägeblätter oder dergleichen. Werden großtechnisch Klebeverfahren eingesetzt, dann bildet eine Düse zum Aufbringen einer Klebstoffmenge eine Grundlage für ein zeiteffizient ablaufendes Klebeverfahren. Die Düse kann somit ebenfalls als Werkzeug betrachtet werden.During this manufacture of objects, tools such as drills, milling cutters, saw blades or the like are used, for example, in combination with machining processes. If adhesive processes are used on an industrial scale, a nozzle for applying an amount of adhesive forms the basis for a time-efficient adhesive process. The nozzle can thus also be viewed as a tool.
Wird im oben genannten Bearbeitungsverfahren ein Werkzeug beschädigt oder zerstört, hat dies Stillstandszeiten der Werkzeugmaschine zum Wechseln des Werkzeugs zur Folge. Diese Stillstandszeiten reduzieren die Effizienz der ablaufenden Verfahren und bewirken in der Gesamtbetrachtung eine Steigerung der Taktzeiten und Kosten zur Herstellung einzelner Gegenstände.If a tool is damaged or destroyed in the machining process mentioned above, this results in downtimes of the machine tool for changing the tool. These downtimes reduce the efficiency of the processes running and, when viewed as a whole, increase the cycle times and costs for the production of individual items.
Zur Vermeidung von Stillstandszeiten beschreibt
Die oben zusammengefassten Überwachungsverfahren zeichnen sich durch einen hohen apparativen sowie zeitlichen Aufwand aus. Zudem greifen sie erst dann in den Bearbeitungszyklus ein, wenn tatsächlich die Schädigung eines Werkzeugs vorliegt. Das hat zur Folge, dass zwangsläufig der Bearbeitungszyklus unterbrochen werden muss, um ein Werkzeug auszutauschen. The monitoring methods summarized above are characterized by a high expenditure of equipment and time. In addition, they only intervene in the machining cycle when there is actually damage to a tool. As a result, the machining cycle has to be interrupted in order to replace a tool.
Aufbauend auf diese bekannten Überwachungsverfahren ist es die Aufgabe vorliegender Erfindung, eine effektivere Überwachung zu realisieren, die den Ausfall von Bearbeitungszeiten reduziert und eine effizientere Bewertung von Werkzeugzuständen ermöglicht. Based on these known monitoring methods, it is the object of the present invention to realize more effective monitoring, which reduces the loss of machining times and enables a more efficient evaluation of tool states.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Die obige Aufgabe wird durch eine computergestützte optische Zustandsbewertung eines Gegenstands gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Zudem löst obige Aufgabe ein neuronales Netz gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 13, mit dem eine Zustandsbewertung von gleichen Werkzeugen, vorzugsweise eine Stanznietmatrize, bei mindestens einem Anwender im Betrieb erfolgt und ein Ergebnis der Zustandsbewertung verarbeitet wird.The above object is achieved by a computer-aided optical status evaluation of an object according to
Die computergestützte optische Zustandsbewertung eines Gegenstands dient insbesondere der Überwachung eines Werkzeugs, wie eine Matrize oder ein Stempel eines Stanznietsetzgeräts, der Überwachung eines Bauteils, einer Fügestelle oder einer hergestellten Verbindung. Im Rahmen der optischen Zustandsbewertung wird eine optische Aufnahme eines Ist-Zustands des Gegenstands in Form einer Ist-Pixeldarstellung mit einer optischen Aufnahme eines Ausgangszustands des Gegenstands oder eines vergleichbaren Gegenstands in Form einer Ursprungs-Pixeldarstellung in Zusammenhang gebracht. Diese Zustandsbewertung weist die folgenden Schritte auf: Festlegen eines flächigen Vergleichsbereichs des Gegenstands, der aufgrund eines äußeren Einflusses veränderbar und über eine äußere Zugänglichkeit optisch erfassbar ist, Erstellen einer Aufnahme des Vergleichsbereichs des Gegenstands mit einer optischen Kamera und Speichern der Aufnahme als Ist-Pixeldarstellung des Vergleichsbereichs, die einen Ist-Zustand des Gegenstands im Vergleichsbereich repräsentiert, Vergleichen der Ist-Pixeldarstellung des Vergleichsbereichs mit der Ursprungs-Pixeldarstellung des Vergleichsbereichs, die den Vergleichsbereich des Gegenstands im Ursprungszustand oder den Vergleichsbereich eines dem Gegenstand im Ursprungszustand entsprechenden Vergleichsgegenstands umfasst, Bestimmen eines Korrelationsfaktors aus dem Vergleich der Ist-Pixel Darstellung mit der Ursprungs-Pixeldarstellung und Zuordnen des bestimmten Korrelationsfaktors zu einem Zustandswertebereich, aus dem anhand des bestimmten Korrelationsfaktors ein Zustand des Gegenstands auf Grundlage des ausgewerteten Vergleichsbereichs des Gegenstands bestimmbar ist.The computer-aided optical status evaluation of an object is used, in particular, to monitor a tool, such as a die or a stamp of a punch rivet setting device, to monitor a component, a joint or a connection that has been made. As part of the optical status evaluation, an optical recording of an actual state of the object in the form of an actual pixel representation is associated with an optical recording of an initial state of the object or a comparable object in the form of an original pixel representation. This condition assessment has the following steps: defining a flat comparison area of the object, which can be changed due to an external influence and can be optically detected via an external accessibility, creating a picture of the comparison area of the object with an optical camera and storing the picture as an actual pixel representation of the Comparison area, which represents an actual state of the object in the comparison area, comparing the actual pixel representation of the comparison region with the original pixel representation of the comparison region, which includes the comparison region of the object in the original state or the comparison region of a comparison object corresponding to the object in the original state, determining a correlation factor from the comparison of the actual pixel representation with the original pixel representation and assignment of the determined correlation factor to a state value range, from which on the basis of the determined correlation a factor of the object can be determined on the basis of the evaluated comparison region of the object.
Grundlage der bevorzugten computergestützten optischen Zustandsbewertung eines Gegenstands bildet dessen optische Zugänglichkeit und somit die Möglichkeit, diesen mithilfe einer optischen Kamera zu erfassen. Bei derartigen Gegenständen handelt es sich beispielsweise um Werkzeuge, wie eine Stanznietmatrize oder ein Stempel zum Clinchen oder Fügen von Stanznieten. Zudem ist es bevorzugt, die Geometrie einer Düse zu erfassen, mit der definierte Klebstoffmuster auf eine Klebefläche aufgebracht werden müssen. Denn sobald diese Düse eine Beschädigung erfährt oder durch Klebstoff zumindest teilweise zugesetzt ist, wird das prozessmäßig erforderliche Klebstoffmuster gestört und dadurch die Verbindungsqualität beeinträchtigt.The basis of the preferred computer-aided optical status evaluation of an object is its optical accessibility and thus the possibility of capturing it with the aid of an optical camera. Such objects are, for example, tools such as a punch rivet die or a punch for clinching or joining punch rivets. It is also preferred to record the geometry of a nozzle with which defined adhesive patterns have to be applied to an adhesive surface. Because as soon as this nozzle is damaged or at least partially clogged by adhesive, the adhesive pattern required for the process is disturbed and the connection quality is thereby impaired.
Im Weiteren wird vorliegende Erfindung am Beispiel der Überwachung einer Stanznietmatrize als Werkzeug beschrieben. Derartige Stanznietmatrizen zeichnen sich durch eine Rotationssymmetrie in ihrer Formgebung aus. Während der Benutzung der Stanznietmatrize, ist diese hohen mechanischen Belastungen während der Herstellung einer Verbindung ausgesetzt. Eine Vielzahl von Fügevorgängen kann zu einer Verschmutzung und somit zu einer Beeinträchtigung der ursprünglichen Form der Matrize führen. Des Weiteren können die mechanischen Belastungen im Rahmen einer Vielzahl von Fügevorgängen die Matrize beschädigen, sodass ihre rotationssymmetrische Form gestört ist.The present invention is described below using the example of monitoring a punch rivet die as a tool. Such punch rivet dies are distinguished by a rotational symmetry in their shape. When using the punch rivet die, it is exposed to high mechanical loads during the establishment of a connection. A large number of joining processes can lead to contamination and thus to an impairment of the original shape of the die. Furthermore, the mechanical loads in the course of a large number of joining processes can damage the die, so that its rotationally symmetrical shape is disturbed.
Zur optischen Überwachung der Funktionsfähigkeit einer Matrize oder einer schrittweisen Beeinträchtigung der Konfiguration der Matrize werden bevorzugt regelmäßige Aufnahmen der Matrize angefertigt. Dazu wird zunächst ein Teil der Matrize als Vergleichsbereich definiert. Eine charakteristische Abbildung einer Matrize bildet vorzugsweise eine Draufsicht auf eine Vertiefung der Matrize, mit deren Hilfe der Schließkopf, beispielsweise einer Stanznietverbindung, ausgebildet wird. In gleicher Weise ist es bevorzugt, die Struktur eines Amboss oder eines Stanzwerkzeugs oder Ähnliches zu überwachen.For optical monitoring of the functionality of a die or a gradual impairment of the configuration of the die, regular recordings of the die are preferably made. For this purpose, part of the die is first defined as a comparison area. A characteristic illustration of a die preferably forms a plan view of a recess in the die, with the aid of which the closing head, for example a punch rivet connection, is formed. In the same way, it is preferred to monitor the structure of an anvil or a punch or the like.
Um eine möglichst schnelle und vorzugsweise vom Ort der Benutzung des Werkzeugs, hier der Matrize, unabhängige Auswertung des Zustands der Matrize zu gewährleisten, wird der Vergleichsbereich durch eine optische Kamera erfasst. Nach dem Erfassen wird diese Aufnahme in Form einer Ist-Pixeldarstellung gespeichert. Die Speicherung und spätere Auswertung findet bevorzugt in einem an die Kamera angeschlossenen Computer statt. Um im Rahmen der erfassten Ist-Pixeldarstellung mögliche Schädigungen der Matrize erkennen zu können, findet ein Vergleich mit der ursprünglichen Form dieser Matrize statt. Für diesen Vergleich ist eine Ursprungs-Pixeldarstellung bevorzugt, die dem Ursprungszustand der verwendeten Matrize entspricht, nicht aber ursprünglich mit dieser aufgenommen worden sein muss. Entsprechend repräsentiert die Ursprungs-Pixeldarstellung eine optische Aufnahme des Vergleichsbereichs der Matrize vor deren Benutzung. In diesem Zusammenhang ist es bevorzugt, anstelle der Matrize vor der Benutzung eine vergleichbare Matrize gleicher Geometrie im Vergleichsbereich als ursprungs-Pixeldarstellung aufzunehmen.In order to ensure that the status of the die is evaluated as quickly as possible and preferably independently of the location of the use of the tool, here the die, the comparison area is captured by an optical camera. After the acquisition, this image is saved in the form of an actual pixel representation. The storage and later evaluation preferably takes place in a computer connected to the camera. In order to be able to recognize possible damage to the matrix within the scope of the recorded actual pixel representation, a comparison is made with the original shape of this matrix. For this comparison, an original pixel representation is preferred which corresponds to the original state of the die used, but does not have to have been originally recorded with it. Accordingly, the original pixel representation represents an optical image of the comparison area of the die before it is used. In this context, it is preferred to record a comparable matrix of the same geometry in the comparison area as the original pixel representation instead of the matrix before use.
Die Pixel der Ursprungs-Pixeldarstellung repräsentieren die rotationssymmetrischen Geometriemerkmale, die die Matrize noch vor Beeinträchtigung durch die Benutzung auszeichnen. Um einen Hinweis auf eine eventuelle Schädigung oder Abnutzung der betrachteten Matrize im Vergleichsbereich zu erhalten, wird ein Korrelationsfaktor zwischen der Ist-Pixeldarstellung und der Ursprungs-Pixeldarstellung bestimmt. Dieser Korrelationsfaktor ist ein Maß dafür, inwieweit die Ist-Pixeldarstellung gegenüber der Ursprungs-Pixeldarstellung optische Veränderungen wiedergibt.The pixels of the original pixel representation represent the rotationally symmetrical geometry features which characterize the die before it is impaired by use. A correlation factor between the actual pixel representation and the original pixel representation is determined in order to obtain an indication of possible damage or wear of the matrix under consideration in the comparison area. This correlation factor is a measure of the extent to which the actual pixel representation reflects optical changes compared to the original pixel representation.
Vorzugsweise signalisiert der Korrelationsfaktor mit einem Wert von 1 oder nahe 1 eine annähernde Identität zwischen der Ist-Pixeldarstellung und der Ursprungs-Pixeldarstellung. Das bedeutet, dass die Matrize durch die bisherige Benutzung nahezu keine Veränderungen erfahren hat.The correlation factor with a value of 1 or close to 1 preferably signals an approximate identity between the actual pixel representation and the original pixel representation. This means that the die has undergone almost no changes due to its previous use.
Sollte der Korrelationsfaktor Werte < 1 angeben, dann zeigt dies die Auswirkungen der Benutzung auf die Konfiguration der Matrize im Vergleichsbereich. Entsprechend ist es bevorzugt, einen Wertebereich für den Korrelationsfaktor zwischen Ist-Pixeldarstellung und der Ursprungs-Pixeldarstellung zu definieren, aus dem ein Zustand der verwendeten Matrize ableitbar ist. Somit repräsentiert vorzugsweise der Korrelationsfaktor einen Indikator für die Funktionsfähigkeit der verwendeten Matrize im Vergleich zur Ursprungsform der Matrize. In Abhängigkeit von der Matrizenform signalisiert ein unterschiedlicher Korrelationsfaktor eine fehlende Funktionstüchtigkeit der Stanznietmatrize. Der Korrelationsfaktor kann bei 0,8 oder 0,72 liegen, was in Abhängigkeit von der Matrizenform definiert werden muss.If the correlation factor specifies values <1, then this shows the effects of the use on the configuration of the die in the comparison area. Accordingly, it is preferred to define a value range for the correlation factor between the actual pixel representation and the original pixel representation, from which a state of the matrix used can be derived. Thus, the correlation factor preferably represents an indicator of the functionality of the die used in comparison to the original form of the die. Depending on the shape of the die, a different correlation factor signals that the punch rivet die is not functioning properly. The correlation factor can be 0.8 or 0.72, which must be defined depending on the form of the matrix.
Während man vorzugsweise aus dem Korrelationsfaktor eine Schädigung der Matrize im Vergleichsbereich ablesen kann, die auf die Vermeidung einer weiteren Benutzung der Matrize hinweisen soll, ist es ebenfalls bevorzugt, ein bevorstehendes Versagen der Matrize anhand der zunehmenden Abnahme des Korrelationsfaktors zu erkennen. Ein derartiger Hinweis aus dem Korrelationsfaktor wird vorzugsweise dazu verwendet, um Stillstandszeiten von Maschinen zu vermeiden. Denn im Rahmen einer produktionsbedingten Pause ist es möglich, eine Matrize mit einem kritischen Zustand im Vergleichsbereich auszutauschen, bevor diese im Rahmen der Produktion versagt. Entsprechend erfolgt im Rahmen der erfindungsgemäß bevorzugten Zustandsbewertung eine Zuordnung des bestimmten Korrelationsfaktors zu einem Zustandswertebereich des Gegenstands bzw. der hier beispielgebend diskutierten Matrize.While damage to the die in the comparison area, which should indicate the avoidance of further use of the die, can preferably be read from the correlation factor, it is also preferred to recognize imminent failure of the die on the basis of the increasing decrease in the correlation factor. Such an indication from the correlation factor is preferably used to avoid machine downtimes. Because during a production-related break it is possible to replace a die with a critical condition in the comparison area before it fails during production. Correspondingly, in the context of the state assessment preferred according to the invention, the determined correlation factor is assigned to a state value range of the object or the die discussed here by way of example.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorliegende Erfindung wird die Zustandsbewertung mit den folgenden weiteren Schritten durchgeführt: Darstellen der Ist-Pixeldarstellung mit n·m Pixelwerten gemäß {x1,1 ... xn,m}, Darstellen der Ursprungs-Pixeldarstellung mit n·m Pixelwerten gemäß {y1,1 ... yn,m}, Berechnen des Korrelationskoeffizienten für beide Darstellungen gemäß
Mithilfe der bevorzugten optischen Aufnahme des Vergleichsbereichs und dessen digitale Erfassung und Speicherung in einer Mehrzahl von Pixeln ist gewährleistet, dass jedem betrachteten Bildpunkt des Vergleichsbereichs die Datenmenge eines Pixels zugeordnet ist. Zu dieser Datenmenge gehört eine Angabe der Anteile der Grundfarben Rot, Grün, Blau eine Angabe der Sättigung sowie der Helligkeit des Pixels. Da sich der optisch betrachtete und digital abgespeicherte Vergleichsbereich aus der Mehrzahl der Pixeldaten zusammensetzt, lassen sich diese gezielt nach Regelmäßigkeiten, vorzugsweise in der Helligkeit, auswerten. Wird eine Änderung in dieser Regelmäßigkeit durch den Vergleich zwischen der Ist-Pixeldarstellung und der Ursprungs-Pixeldarstellung erkannt, deutet dies auf einen veränderten Zustand der Matrize im Vergleichsbereich hin. Eine Änderung des Zustands der Matrize im Vergleichsbereich hat vorzugsweise ihre Ursache in den mechanischen Belastungen aufgrund der durchgeführten Fügeprozesse. Zudem haben diese mechanischen Belastungen die Wirkung einer Beschädigung der Matrize im Vergleichsbereich oder einer Verschmutzung der Matrize im Vergleichsbereich.The preferred optical recording of the comparison area and its digital acquisition and storage in a plurality of pixels ensures that the data volume of a pixel is assigned to each pixel of the comparison area under consideration. This amount of data includes an indication of the proportions of the primary colors red, green and blue, an indication of the saturation and the brightness of the pixel. Since the optically viewed and digitally stored comparison area is composed of the majority of the pixel data, these can be evaluated specifically according to regularities, preferably in terms of brightness. If a change in this regularity is recognized by the comparison between the actual pixel representation and the original pixel representation, this indicates a changed state of the matrix in the comparison area. A change in the state of the die in the comparison area is preferably due to the mechanical loads due to the joining processes carried out. In addition, these mechanical loads have the effect of damage to the die in the comparison area or contamination of the die in the comparison area.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens zur Zustandsbewertung sind die weiteren Schritte vorgesehen: Aufnehmen zeitlich voneinander beabstandeter und aufeinanderfolgender Ist-Pixeldarstellungen des Vergleichsbereichs als zumindest aktuelle Ist-Pixeldarstellung und vorhergegangene Ist-Pixeldarstellung und Berechnen des Korrelationsfaktors aus einem Vergleich der aktuellen Ist-Pixeldarstellung und der der aktuellen Ist-Pixeldarstellung vorhergegangenen, vorzugsweise der direkt vorhergegangenen Ist-Pixel darstellung. According to a further preferred embodiment of the method for status evaluation, the further steps are provided: recording temporally spaced and successive actual pixel representations of the comparison area as at least the current actual pixel representation and previous actual pixel representation and calculating the correlation factor from a comparison of the current actual pixel representation and the one that preceded the current actual pixel representation, preferably the directly preceding actual pixel representation.
Erfindungsgemäß bevorzugt findet der Vergleich der Ist-Pixeldarstellung und der Ursprungs-Pixeldarstellung rechnergestützt statt. Denn mit üblichen Computern steht mittlerweile ausreichend Rechenleistung zur Verfügung, dass ein derartiger Pixelvergleich zwischen der Ist-Pixeldarstellung und der Ursprungs-Pixeldarstellung mit keiner Verzögerung in der Bearbeitung von Werkstücken verbunden ist. In diesem Zusammenhang wurde als bevorzugt festgestellt, dass neben dem Vergleich zwischen der Ist-Pixeldarstellung und der Ursprungs-Pixeldarstellung ebenfalls ein Vergleich zwischen der Ist-Pixeldarstellung und einer dieser vorhergegangenen Ist-Pixeldarstellungen aussagekräftig ist. Denn in einer zeitlichen Sequenz oder Aufeinanderfolge von Ist-Pixeldarstellungen sind schrittweise stattfindende Veränderungen an dem Werkzeug bzw. der Matrize im Vergleichsbereich erkennbar. Häufig ist es der Fall, dass die mechanische Belastung des Werkzeugs bzw. der Matrize sukzessive zu einer Schädigung im Vergleichsbereich führt, die in ihrem Schädigungsgrad mit der Zahl der Fügeprozesse zunimmt. Betrachtet man also eine Sequenz von Ist-Pixeldarstellungen, die vorzugsweise zeitlich hintereinander aufgenommen worden sind, dann ist in diesen bevorzugt bereits eine bevorstehende Schädigung erkennbar, die eine weitere Nutzung des Werkzeugs bzw. der Matrize verneint.According to the invention, the comparison of the actual pixel representation and the original pixel representation preferably takes place with the aid of a computer. Sufficient computing power is now available with conventional computers that such a pixel comparison between the actual pixel representation and the original pixel representation is not associated with any delay in the processing of workpieces. In this context, it was found preferred that in addition to the comparison between the actual pixel representation and the original pixel representation, a comparison between the actual pixel representation and one of these preceding actual pixel representations is also meaningful. Because in a temporal sequence or a succession of actual pixel representations, step-by-step changes to the tool or the die can be seen in the comparison area. It is often the case that the mechanical load on the tool or the die gradually leads to damage in the comparison range, which increases in its degree of damage with the number of joining processes. If you therefore consider a sequence of actual pixel representations, which have preferably been recorded one after the other in time, then an impending damage is preferably already recognizable, which denies further use of the tool or the die.
Auf dieser Grundlage ist es somit bevorzugt, die Zustandsbewertung um die Angabe einer zunehmenden Versagenswahrscheinlichkeit der Matrize zu erweitern. Denn sobald anhand der zeitlich aufeinanderfolgenden Ist-Pixeldarstellungen eine zunehmende Schädigung im Vergleichsbereich der Matrize vorhersehbar oder erkennbar ist, dann deutet dies auf ein zeitlich bevorstehendes Versagen der Matrize hin.On this basis, it is preferred to extend the condition assessment to include an increasing probability of failure of the die. Because as soon as an increasing damage in the comparison area of the die is predictable or recognizable on the basis of the successive actual pixel representations, then this indicates an imminent failure of the die.
Erfindungsgemäß bevorzugt wird im Rahmen der Zustandsbewertung ein rotationssymmetrischer Gegenstand, hier vorzugsweise eine Matrize, ausgewertet. Des Weiteren erfindungsgemäß bevorzugt ist der rotationssymmetrische Gegenstand eine rotationssymmetrische Matrize oder Stanznietmatrize, eine rotationssymmetrische Fügestelle oder eine rotationssymmetrische Stempelfläche.According to the invention, a rotationally symmetrical object, here preferably a die, is preferably evaluated as part of the condition assessment. Furthermore, according to the invention, the rotationally symmetrical object is preferably a rotationally symmetrical die or punch rivet die, a rotationally symmetrical joint or a rotationally symmetrical stamp surface.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform vorliegender Erfindung sind folgende weitere Schritte vorgesehen: Definieren einer Mehrzahl von sternförmig verlaufenden Linien
Der rotationssymmetrisch angeordnete Vergleichsbereich der Matrize zeichnet sich durch charakteristische Geometriemerkmale aus, die konzentrisch angeordnet sind. Entsprechend ist es bevorzugt, sternförmig im Zentrum des Vergleichsbereichs startende Linien radial auswärts verlaufend zu legen. Diese Linien werden durch die Helligkeitswerte der sie bildenden Pixel charakterisiert. Denn die Helligkeitswerte der Pixel geben in der Darstellung des Vergleichsbereichs vorzugsweise eine Höhen- und Tiefenänderung im Hohlraum der betrachteten Matrize wieder. Aufgrund der Rotationssymmetrie des Vergleichsbereichs, also der Matrize selbst, sollte sich jede zentral beginnende Linie durch den gleichen Helligkeitsverlauf auszeichnen. Sobald aber ein geometrischer Schaden in der Matrize vorliegt, wird eine diesen schädigenden Bereich kreuzende Linie einen anderen Helligkeitsverlauf im Vergleich zu den übrigen Linien zeigen. Vergleicht man nun vorzugsweise direkt die Vielzahl der sternförmig verlaufenden Linien untereinander, dann ist aus den erkennbaren Unterschieden zwischen den Linien eine Schädigung oder eine Verschmutzung oder beides innerhalb des Vergleichsbereichs der Matrize erkennbar.The rotationally symmetrically arranged comparison area of the die is characterized by characteristic geometry features that are arranged concentrically. Accordingly, it is preferred to place lines starting in a star shape in the center of the comparison area and extending radially outward. These lines are characterized by the brightness values of the pixels forming them. This is because the brightness values of the pixels in the representation of the comparison area preferably reflect a change in height and depth in the cavity of the matrix under consideration. Due to the rotational symmetry of the comparison area, i.e. the die itself, each centrally starting line should be characterized by the same brightness curve. However, as soon as there is geometrical damage in the die, a line crossing this damaging area will show a different brightness curve compared to the other lines. If one compares the plurality of star-shaped lines directly with one another, then damage or soiling or both can be recognized from the discernible differences between the lines within the comparison area of the die.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform vorliegender Erfindung zeichnet sich die Zustandsbewertung durch die weiteren Schritte aus: Berechnen jeweils einer Mittelwert-Linie
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung vorliegender Erfindung ist es nicht zwingend erforderlich, einen absoluten Vergleich zwischen der Mehrzahl von sternförmig verlaufenden Linien der Pixeldarstellung durchzuführen. Bevorzugt ist es ebenfalls möglich, aus der Mehrzahl von sternförmig verlaufenden Linien für die Ist-Pixeldarstellung eine Mittelwert-Linie zu berechnen. Diese Mittelwert-Linie repräsentiert dann einen mittleren Helligkeitsverlauf für den Vergleichsbereich der betrachteten Matrize bzw. des betrachteten Gegenstands. Im Vergleich dazu wird aus einer ähnlichen Mehrzahl von sternförmig verlaufenden Linien der Ursprungs-Pixeldarstellung ebenfalls eine Mittelwert-Linie berechnet. Ein bevorzugter Vergleich der Mittelwert-Linien für die Ist-Pixeldarstellung und die Ursprungs-Pixeldarstellung signalisiert bei Übereinstimmung eine bevorzugte Funktionstüchtigkeit der betrachteten Matrize. Sollte der Vergleich der Mittelwert-Linien der Ist-Pixeldarstellung und der Ursprungs-Pixeldarstellung erkennbare Abweichungen zeigen, dann weist dies auf Verschmutzungen und/oder Beschädigungen der Matrize im Vergleichsbereich hin. According to an alternative embodiment of the present invention, it is not absolutely necessary to carry out an absolute comparison between the plurality of star-shaped lines of the pixel representation. It is also preferably possible to calculate an average value line from the plurality of star-shaped lines for the actual pixel representation. This mean value line then represents an average brightness curve for the comparison area of the matrix under consideration or of the object under consideration. In comparison, a mean value line is also calculated from a similar plurality of star-shaped lines of the original pixel representation. A preferred comparison of the mean value lines for the actual pixel representation and the original pixel representation signals, if they match, a preferred functionality of the matrix under consideration. Should the comparison of the mean value lines of the actual pixel representation and the original pixel representation show recognizable deviations, then this indicates dirt and / or damage to the die in the comparison area.
Anhand der Unterschiede zwischen den verglichenen Mittelwert-Linien wird bevorzugt ein Entscheidungskriterium definiert, ob eine betrachtete Matrize weiter benutzt werden darf oder nicht.On the basis of the differences between the compared mean value lines, a decision criterion is preferably defined whether a matrix under consideration may continue to be used or not.
Zudem ist es bevorzugt, dass derartig bestimmte Mittelwert-Linien der Ist-Darstellung und einer zeitlich vorhergegangenen Ist-Darstellung miteinander verglichen werden. Aus diesem Vergleich ist ablesbar, ob eine zunehmende Verschmutzung und/oder Beschädigung der Matrize im Vergleichsbereich auf eine bevorstehende Funktionsstörung der betrachteten Matrize hinweist.In addition, it is preferred that average lines of the actual representation and a previous actual representation determined in this way are compared with one another. From this comparison it can be seen whether increasing soiling and / or damage to the die in the comparison area indicates an impending malfunction of the die in question.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Zustandsbewertung werden die folgenden weiteren Schritte durchgeführt: Berechnen einer Mittelwert-Linie
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Zustandsbewertung wird für die Ist-Pixeldarstellung sowie für die Ursprungs-Pixeldarstellung jeweils eine Mittelwert-Linie aus den Helligkeitsverläufen (siehe oben) bestimmt. Während es gemäß der oben beschriebenen Ausgestaltung bevorzugt ist, diese Mittelwert-Linien untereinander zu vergleichen, ist es ebenfalls alternativ bevorzugt, den Korrelationsfaktor zwischen der Mittelwert-Linie der Ist-Pixeldarstellung und der Mittelwert-Linie der Ursprungs-Pixeldarstellung zu berechnen. Vorzugsweise liegt der Korrelationsfaktor zwischen 1 und 0. In Abhängigkeit von der Abweichung des Korrelationsfaktors von 1, also der Annahme von Werten < 1, ist eine mögliche Schädigung der Matrize im Vergleichsbereich bestimmbar. In diesem Zusammenhang ist es erfindungsgemäß bevorzugt, einen Wertebereich für den Korrelationsfaktor anzugeben, aus dem sich der Grad der Schädigung der Matrize im Vergleichsbereich ablesen lässt.According to a further preferred embodiment of the state evaluation according to the invention, a mean value line is determined from the brightness profiles for the actual pixel representation and for the original pixel representation (see above). While it is preferred according to the embodiment described above to compare these mean value lines with one another, it is also alternatively preferred to calculate the correlation factor between the mean value line of the actual pixel representation and the mean value line of the original pixel representation. The correlation factor is preferably between 1 and 0. Depending on the deviation of the correlation factor from 1, ie the assumption of values <1, possible damage to the die can be determined in the comparison range. In this context, it is preferred according to the invention to specify a range of values for the correlation factor from which the degree of damage to the die in the comparison range can be read.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Zustandsbewertung sind folgende weitere Schritte vorgesehen: Berechnen des Korrelationsfaktors zwischen jeder Linie
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Zustandsbewertung wird die Pixel-Darstellung des Ist-Zustands und des Ursprungs-Zustands oder eines vorhergegangenen Ist-Zustands in die bereits oben beschriebene Mehrzahl von Linien zerlegt. Neben den oben beschriebenen Verfahrensalternativen ist es gemäß einer weiteren Verfahrensalternative bevorzugt, den Korrelationsfaktor zwischen jeder Linie und dem Rest des Satzes an Linien für jede Pixeldarstellung zu berechnen. Entsprechend ergibt sich eine Mehrzahl an Korrelationsfaktoren, die der Anzahl an Linien der jeweils betrachteten Pixel-Darstellung entspricht. Aus dieser Mehrzahl an Korrelationsfaktoren wird dann vorzugsweise der Mittelwert der berechneten Korrelationsfaktoren für die jeweils betrachtete Matrize berechnet. Daraus ergibt sich ein Mittelwert der berechneten Korrelationsfaktoren für die Matrize im Ausgangszustand sowie für die Matrize im Ist-Zustand. Vergleicht man diese Mittelwerte der berechneten Korrelationsfaktoren ist auch daraus ein Grad der Schädigung der Matrize im Vergleichsbereich ableitbar. Denn sobald geometrische Unterschiede zwischen untereinander korrelierten Linien vorliegen, führt dies zu einer Reduktion des Korrelationsfaktors. Diese Reduktion schlägt sich ebenfalls bei der Mittelwertbildung des Korrelationsfaktors nieder. Entsprechend ist es bevorzugt, auf Grundlage eines zuvor definierten Wertebereichs für die gemittelten Korrelationsfaktoren der Matrize im Ist-Zustand ein Grad der Schädigung im Vergleich zum gemittelten Korrelationsfaktor der Matrize im Ausgangszustand festzulegen.According to a further preferred embodiment of the state evaluation according to the invention, the pixel representation of the current state and the original state or a previous current state is broken down into the plurality of lines already described above. In addition to the method alternatives described above, according to another method alternative, it is preferred to calculate the correlation factor between each line and the rest of the set of lines for each pixel representation. Correspondingly, a plurality of correlation factors result, which corresponds to the number of lines of the pixel representation in each case. From this plurality of correlation factors, the mean value of the calculated correlation factors for the matrix in question is then preferably calculated. This results in an average of the calculated correlation factors for the matrix in the initial state and for the matrix in the actual Status. If one compares these mean values of the calculated correlation factors, a degree of damage to the die in the comparison range can also be derived therefrom. Because as soon as there are geometric differences between correlated lines, this leads to a reduction in the correlation factor. This reduction is also reflected in the averaging of the correlation factor. Accordingly, it is preferred, based on a previously defined range of values for the averaged correlation factors of the die in the actual state, to determine a degree of damage in comparison to the averaged correlation factor of the die in the initial state.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Zustandsbewertung ist folgender weiterer Schritt vorgesehen: Bestimmen des Mittelpunkts der Matrize in der Ist-Pixeldarstellung und in der Ursprungs-Pixeldarstellung.According to a further preferred embodiment of the condition assessment according to the invention, the following further step is provided: determining the center point of the matrix in the actual pixel representation and in the original pixel representation.
Vorzugsweise bildet der Mittelpunkt der jeweiligen Pixeldarstellung einen Ausgangspunkt, um die radial auswärts laufenden sternförmigen Linien zur Auswertung der Geometriemerkmale im Ursprungs-Zustand und im Ist-Zustand durchzuführen. Da die auszuwertenden Gegenstände bevorzugt rotationssymmetrisch aufgebaut sind, bildet ein im Zentrum bzw. im konzentrischen Mittelpunkt des betrachteten Vergleichsbereichs angeordneter Mittelpunkt eine optimale Ausgangsposition, um die sternförmig verlaufenden Linien miteinander zu vergleichen. Das gilt gleichermaßen für einen direkten Vergleich derartiger Linien der Ist-Pixeldarstellung und der Ursprungs-Pixeldarstellung wie auch für einen Vergleich der Mittelwert-Linien und/oder einen Vergleich der berechneten Korrelationsfaktoren der unterschiedlichen oben beschriebenen Ausführungsformen.The center point of the respective pixel representation preferably forms a starting point in order to carry out the radially outward running star-shaped lines for evaluating the geometry features in the original state and in the actual state. Since the objects to be evaluated are preferably constructed to be rotationally symmetrical, a center point arranged in the center or in the concentric center point of the comparison region under consideration forms an optimal starting position for comparing the star-shaped lines with one another. This applies equally to a direct comparison of such lines of the actual pixel representation and the original pixel representation as well as to a comparison of the mean value lines and / or a comparison of the calculated correlation factors of the different embodiments described above.
Zur Unterstützung der Bestimmung des Mittelpunkts der Matrize ist es ebenfalls bevorzugt, die aufnehmende optische Kamera konzentrisch zum aufzunehmenden Vergleichsbereich und insbesondere zum Mittelpunkt der konzentrisch ausgebildeten Matrize anzuordnen. Eine derartige Anordnungsgenauigkeit zwischen Matrize und Kamera ist vorzugsweise durch die Verwendung eines genau arbeitenden Bewegungsmechanismus, wie beispielsweise ein Industrieroboter, realisierbar.To support the determination of the center point of the die, it is also preferred to arrange the recording optical camera concentrically to the comparison area to be recorded and in particular to the center of the concentrically formed matrix. Such an accuracy of arrangement between the die and the camera can preferably be achieved by using a precisely working movement mechanism, such as an industrial robot.
Zudem erfindungsgemäß bevorzugt sind die folgenden Schritte zum Bestimmen des Mittelpunkts in der jeweiligen Pixeldarstellung vorgesehen: Definieren einer Mehrzahl von sternförmig verlaufenden Linien
Vorliegende Erfindung offenbart zudem ein neuronales Netz, mit dem eine Zustandsbewertung von gleichen Werkzeugen, vorzugsweise eine Stanznietmatrize, bei mindestens einem Anwender im Betrieb erfolgt, in welchem ein Ergebnis einer Zustandsbewertung gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche verarbeitbar ist.The present invention also discloses a neural network with which a condition assessment of the same tools, preferably a punch rivet die, is carried out for at least one user in the company, in which a result of a condition assessment according to one of the preceding claims can be processed.
Vorzugsweise wird eine Mehrzahl von gleichartigen Werkzeugen, im Speziellen von gleichartigen Stanznietmatrizen, bei einem oder mehreren Anwendern eingesetzt. Diese Stanznietmatrizen werden basierend auf der oben beschriebenen computergestützten optischen Zustandsbewertung regelmäßig bewertet und überwacht. Anhand der Vielzahl von Fügevorgängen, die mit der gleichen Stanznietgeometrie realisiert werden, werden Daten zur Beschreibung der Lebensdauer und der Versagenswahrscheinlichkeit der Stanznietmatrize in Abhängigkeit von den Fügevorgängen gesammelt. Als weitere Parameter werden in diesem Zusammenhang bevorzugt die gefügten Materialien, die Umgebungsbedingungen sowie weitere denkbare Begleitumstände des jeweiligen Fügevorgangs gespeichert. Unter bevorzugter Berücksichtigung der verschiedenen Umgebungsbedingungen erfasst das neuronale Netz Zusammenhänge zwischen den äußeren Bedingungen und deren Beeinflussung von Versagensmechanismen des verwendeten Werkzeugs, im Speziellen der Stanznietmatrize. Diese gesammelten Daten und in diesen bevorzugt erkannte Zusammenhänge unterstützen die Möglichkeit einer Voraussage, nach wievielen Fügevorgängen ein kritischer Schädigungszustand einer verwendeten Stanznietmatrize eintreten könnte. Somit unterstützt die Auswertung der Daten der computergestützten optischen Zustandsbewertung einen wirtschaftlichen aber dennoch rechtzeitigen Austausch einer Stanznietmatrize bzw. eines Werkzeugs, bevor deren/dessen Versagen zu einem Produktionsstillstand führt.A plurality of similar tools, in particular punch rivet dies of the same type, are preferably used by one or more users. These punch rivet matrices are regularly evaluated and monitored based on the computer-assisted optical condition assessment described above. On the basis of the large number of joining processes which are realized with the same punch rivet geometry, data for describing the service life and the failure probability of the punch riveting die are collected depending on the joining processes. In this context, the joined materials, the ambient conditions and other conceivable accompanying circumstances of the respective joining process are preferably stored as further parameters. Taking the various environmental conditions into account, the neural network captures relationships between the external conditions and their influence on failure mechanisms of the tool used, in particular the punch rivet die. These collected data and the relationships that are preferably recognized in these support the possibility of predicting after how many joining processes a critical damage state of a punch rivet die used could occur. Thus, the evaluation of the data of the computer-aided optical condition assessment supports an economical but nevertheless timely exchange of a punch rivet die or a tool before its failure leads to a production shutdown.
Figurenliste Figure list
Die bevorzugten Ausführungsformen vorliegender Erfindung werden unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine seitliche Schnittansicht einer Stanznietmatrize mit darüber angeordneter optischer Kamera, -
2 eine Draufsicht auf dieStanznietmatrize aus 1 entlang der MittelachseM , -
3 eine Veranschaulichung eines bevorzugten VergleichsbereichsV zur Auswertung der Draufsicht auf dieStanznietmatrize gemäß 2 , -
4 a-c drei vereinfachte Rastergrafiken a) einer Ursprungsmatrize, b) einer defekten oder beschädigten Matrize und c) einer gebrauchten oder abgenutzten Matrize, -
5 a-c mehrere Ist-Pixeldarstellungen einer Matrize a) im Ursprungszustand, b) im benutzten Zustand und c) im beschädigten Zustand, -
6 eine bevorzugte Mehrzahl von sternförmig von der Mitte der Pixeldarstellung der StanznietmatrizeM ausgehend radial auswärts verlaufende Linien£k nach dem Bresenham-Algorithmus, -
7 die bevorzugten Helligkeitsverläufe der Linien£k aus6 , -
8 die gemittelten und aufden Bereich 0...1 normierten Helligkeitsverlauf£k aus7 , -
9 a-c die bevorzugte Darstellung unterschiedlicher Matrizen im Vergleichsbereich als Ist-Pixel darstellungen, -
10 die bevorzugten Helligkeitsverläufe der Linien aus9 a-c , -
11 die bevorzugten gemittelten Korrelationsfaktoren inden 5 a-c , -
12 die bevorzugten Linien ähnlich zu6 ausgehend vom Mittelpunkt als Pixeldarstellung, -
13 bevorzugte Darstellung des geometrischen Schwerpunkts, -
14 ein bevorzugtes Histogramm zur Clusterung der Pixel der Ist-Pixeldarstellung, -
15 bevorzugte Ergebnisse der Clusterung der Pixel, -
16 bevorzugte berechnete kreise der drei Hauptcluster der Pixel, und -
17 bevorzugte Clusterung von Pixel einer Ist-Pixeldarstellung einer beschädigten Matrize.
-
1 2 shows a sectional side view of a punch rivet die with an optical camera arranged above it, -
2nd a plan view of the punch rivet1 along the central axisM , -
3rd an illustration of a preferred comparison areaV to evaluate the top view of the punch rivet die according to2nd , -
4 ac three simplified raster graphics a) an original matrix, b) a defective or damaged matrix and c) a used or worn matrix, -
5 ac several actual pixel representations of a matrix a) in the original state, b) in the used state and c) in the damaged state, -
6 a preferred plurality of star-shaped from the center of the pixel representation of the punch rivet dieM starting radially outward lines£ k according to the Bresenham algorithm, -
7 the preferred brightness gradients of the lines£ k out6 , -
8th the averaged brightness curve normalized to the range 0 ... 1£ k out7 , -
9 ac the preferred representation of different matrices in the comparison area as actual pixel representations, -
10 the preferred brightness gradients of the lines9 ac , -
11 the preferred averaged correlation factors in the5 ac , -
12th the preferred lines similar to6 starting from the center as a pixel representation, -
13 preferred representation of the geometric center of gravity, -
14 a preferred histogram for clustering the pixels of the actual pixel representation, -
15 preferred results of pixel clustering, -
16 preferred calculated circles of the three main clusters of pixels, and -
17th preferred clustering of pixels of an actual pixel representation of a damaged matrix.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen vorliegender ErfindungDetailed description of the preferred embodiments of the present invention
Im Bereich des Maschinenbaus werden unterschiedliche Fügeverbindungen mit rotationssymmetrisch aufgebautem Werkzeug realisiert. Zu diesen Werkzeugen zählen bevorzugt aber nicht abschließend Stempel, Stanznietmatrizen, Klebstoffdüsen und dergleichen.In the field of mechanical engineering, different joint connections are realized with a rotationally symmetrical tool. These tools preferably do not include, but are not limited to, punches, punch rivet dies, adhesive nozzles and the like.
Sobald diese Werkzeuge verschmutzt oder beschädigt sind, ist anhand einer Abbildung eines Vergleichsbereichs der einzelnen Werkzeuge eine Störung der Rotationssymmetrie erkennbar. Die Störung der Rotationssymmetrie unterstreicht eine eingeschränkte Funktionsfähigkeit des Werkzeugs. Dies wird im Folgenden beispielgebend anhand einer Stanznietmatrize erläutert. Es ist auf andere rotationssymmetrische Werkzeuge, Fügestellen, Bauteilgeometrien und dergleichen übertragbar.As soon as these tools are soiled or damaged, a disturbance in the rotational symmetry can be identified by means of an illustration of a comparison area of the individual tools. The disturbance of the rotational symmetry underlines a restricted functionality of the tool. This is explained below using a punch rivet as an example. It can be transferred to other rotationally symmetrical tools, joints, component geometries and the like.
Beispielgebend zeigt
In einer Draufsicht
Für die erfindungsgemäß bevorzugte Zustandsbewertung eines rotationssymmetrischen Werkzeugs, hier die Stanznietmatrize
Den Vergleichsbereich
Vorzugsweise werden die Bilddaten oder die Mehrzahl von Pixeln an einen Monitor
Bildaufnahmen der optischen Kamera
Der Farbton wird durch das additive Mischen der drei Grundfarben Rot (R), Grün (G), Blau (B) nachgebildet und abkürzend als RGB-Farbraum bezeichnet. Die Farbsättigung beschreibt die Qualität der Farbwirkung, also die Stärke des farbigen Reizes im Vergleich zu unbunten Farben. Die Farben Weiß, Grau und Schwarz besitzen eine Sättigung von 0. Neben Farbton und Sättigung ist die Helligkeit β eine weitere Farbeigenschaft. Diese beschreibt, wie hell oder dunkel eine Farbe erscheint. Entsprechend enthält ein Pixel p die Eigenschaften E:
Die genannten Eigenschaften können jeweils Werte zwischen 0 und 1 annehmen (entsprechend 0 % und 100 %). Dies wird anhand der nachfolgenden Beispiele von Pixeln unterschiedlicher Farbe deutlich:
Für zwei Messreihen bzw. Darstellungen mit jeweils n·m Werten {x1,1 ... xn,m} und {y1,1 ... yn,m} wird bevorzugt ein Korrelationskoeffizient r als Maß für die Ähnlichkeit dieser beiden Messreihen zueinander genutzt. Der Korrelationskoeffizient r nimmt Werte zwischen -1 und +1 an und berechnet sich nach folgender mathematischer Definition
Der Mittelwert x̅ - analog dazu der Mittelwert y̅ - berechnet sich gemäß
Bei einem Wert für r von +1 (bzw. –1) besteht ein vollständiger positiver (bzw. negativer) linearer Zusammenhang zwischen den Messreihen. Wenn der Korrelationskoeffizient r den Wert
Der Korrelationskoeffizient r wird für drei Beispielgrafiken aus
Zur vereinfachten Darstellung der berechneten Werte werden diese auf kleinere aber qualitative ähnliche Pixeldarstellungen bezogen. Diese umfassen bevorzugt nur 4·4 PixelFor a simplified representation of the calculated values, these are related to smaller but qualitatively similar pixel representations. These preferably comprise only 4 × 4 pixels
Die Helligkeitswerte
- a)
- b)
- c)
mit den Mittelwerten 10/16, 10/16und 6/16. Der Korrelationskoeffizient r zwischen der linken (4 a) und der mittleren Pixeldarstellung (4 b) beträgt r=0,66, zwischen der linken (4 a) und der rechten Pixeldarstellung (4 c) r=0,92 und zwischen der mittleren (4 b) und der rechten Pixeldarstellung (4 c) r=0,66. Dieses Ergebnis zeigt die Aussage des Korrelationskoeffizienten r zur Ähnlichkeit der gezeigten VergleichsbereicheV der StanznietmatrizeM gemäß den Pixeldarstellungen der4 a bisc .
- a)
- b)
- c)
mean values 10/16, 10/16 and 6/16. The correlation coefficient r between the left (4 a) and the average pixel representation (4 b) is r = 0.66, between the left (4 a) and the right pixel display (4 c) r = 0.92 and between the middle (4 b) and the right pixel display (4 c) r = 0.66. This result shows the statement of the correlation coefficient r on the similarity of the comparison areas shownV the punch rivet dieM according to the pixel representations of the4 a toc .
Die obige theoretische Vorgehensweise wird beispielgebend auf Aufnahmen einer realen Stanznietmatrize, also Ist-Pixeldarstellungen des Vergleichsbereichs
Die Kameraaufnahmen weisen jeweils bevorzugt 1624·1234=2004016 Pixel auf, wobei an dieser Stelle auch andere Auflösungen mit mehr oder weniger Pixeln nutzbar sind. Erfindungsgemäß bevorzugt werden alle Pixel des Vergleichsbereichs
Zwischen der Ursprungs-Pixeldarstellung der Stanznietmatrize (
Die obigen Ergebnisse zeigen, dass eine defekte Stanznietmatrize
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorliegender Erfindung wird der Korrelationsfaktor r einer Ist-Pixeldarstellung des Vergleichsbereichs
Um noch genauer auf den Zustand der Stanznietmatrize
Die betrachtete Stanznietmatrize
In
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorliegender Erfindung werden die Helligkeitswerte der einzelne Pixel jeder Linie
Der direkte Vergleich der Helligkeitsverläufe der Linien
Die blaue Linie in
In der roten Linie ist im Bereich der Pixel 350 bis etwa 450 bevorzugt die defekte Stelle erkennbar. Aufgrund des Ausbruchs im Stanznietmatrizenprofil ist die Reflektion bzw. Helligkeit im Mittel deutlich geringer als in den Helligkeitsverläufen der gemittelten Linien
Anhand der gemittelten Helligkeitsverläufe bestätigen sich auch bevorzugt die Ergebnisse der Korrelationsberechnung. Werden nämlich die gemittelten Helligkeitsverläufe korreliert bzw. in Zusammenhang gebracht, ergeben sich folgende Korrelationskoeffizienten r. Für den Vergleich zwischen der Ursprungs-Pixeldarstellung des Vergleichsbereichs
Ebenfalls bevorzugt besteht eine weitere Verwendungsmöglichkeit dieser Helligkeitsverläufe der Linien
Vorzugsweise sind die entsprechenden Helligkeitsverläufe der Linien
Dieses Verfahren lässt sich bevorzugt auf mehrere Matrizentypen im Vergleich erweitern. Dabei werden die Korrelationsfaktoren r zu jedem einzelnen Matrizentyp berechnet. Anhand der größten Übereinstimmung, d. h. des größten Korrelationsfaktors r, lässt sich der entsprechende Matrizentyp bestimmen bzw. verifizieren. Dieses Verfahren ist ebenfalls bevorzugt auf gebrauchte Matrizen anwendbar.This method can preferably be expanded to compare several types of matrices. The correlation factors r are calculated for each individual matrix type. Based on the closest match, i.e. H. of the largest correlation factor r, the corresponding matrix type can be determined or verified. This method is also preferably applicable to used matrices.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bewertungsverfahrens wird folgendes Verfahren genutzt: Statt die Helligkeitsverläufe der Linien
Entsprechend ergeben sich aus den zehn Helligkeitsverläufen der Linien
Wird dieses bevorzugte Verfahren für die Stanznietmatrizen
Ähnlich ist es bei der Ist-Pixeldarstellung für die gebrauchte Stanznietmatrize
Ein anderes Ergebnis liefern die Helligkeitsverläufe der Linien
Die beschriebenen Verfahren lassen sich nicht nur auf Stanznietmatrizen anwenden. Es ist ebenfalls bevorzugt, diese auf beliebige Oberflächen oder Werkstücke, vorzugsweise mit rotationssymmetrischer Geometrie, anzuwenden, bei denen ein Verlauf der vorhandenen Pixeleigenschaften (Helligkeit, Farbe, Sättigung) betrachtet und mit bekannten (Verlaufs-) Mustern verglichen werden kann.The described methods can not only be applied to punch rivet dies. It is also preferred to apply these to any surfaces or workpieces, preferably with rotationally symmetrical geometry, in which a course of the existing pixel properties (brightness, color, saturation) can be viewed and compared with known (course) patterns.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung oben beschriebener Verfahren wird der Mittelpunkt der rotationssymmetrischen Stanznietmatrize
Da der Matrizenmittelpunkt unbekannt ist, werden zunächst bevorzugt pro Linie
Die auf diese Weise gewonnenen Pixel sind in
Die Koordinaten der Punktewolke ergeben sich bevorzugt aus einem ausgewählten Bereich in der betrachtet Pixeldarstellung. Gemäß unterschiedlicher bevorzugter Ausführungsformen vorliegender Erfindung ist dieser Bereich unterschiedlich groß, der in die Berechnung des geometrischen Schwerpunkts einfließt.The coordinates of the point cloud preferably result from a selected area in the pixel representation considered. According to different preferred embodiments of the present invention, this area has different sizes, which is included in the calculation of the geometric center of gravity.
In der bevorzugten Ausgestaltung gemäß
Weiterhin erfindungsgemäß bevorzugt werden nur die Pixel zur Kreisberechnung herangezogen, die auf einer (Kreis-)Kontur der Stanznietmatrize
Da die Pixelkoordinaten des wahren Mittelpunkts der Matrize unbekannt sind, wird zunächst der Schwerpunkt der Punktewolke als Mittelpunkt verwendet.Since the pixel coordinates of the true center of the matrix are unknown, the center of gravity of the point cloud is used as the center.
Danach wird vorzugsweise der Abstand eines jeden Pixels zu dem angenommenen Mittelpunkt berechnet. Ein beispielhaftes Histogramm dieser Abstände zeigt der farbige obere Balken in
Die Abstandswerte werden vorzugsweise der Gaußfunktion mit der höchsten Wahrscheinlichkeit in diesem Bereich zugeordnet. In
Diese Art des Clusterns ist als „Gaußsches Mischungsmodell“ bekannt. Die Eigenschaften der einzelnen Gaußverteilungen werden iterativ mit Hilfe des sogenannten Expectation-Maximization-Algorithmus (kurz EM-Algorithmus) berechnet. Insgesamt bezeichnet man das Verfahren als Maximum-Likelihood-Schätzmethode (kurz ML-Schätzer).This type of clustering is known as the "Gaussian mixture model". The properties of the individual Gaussian distributions are calculated iteratively using the so-called Expectation Maximization algorithm (EM algorithm for short). Overall, the method is referred to as the maximum likelihood estimation method (ML estimator for short).
Angenommen es liegen die Abstandswerte ai mit i = {1 ... n} vor, die bevorzugt k verschiedenen Clustern - also Gaußverteilungen - zugeordnet werden. Dann läuft bevorzugt der EM-Algorithmus in vier Schritten ab (der in Klammern angegebene und hochgestellte Buchstabe m steht dabei für die Anzahl der Durchläufe): Assume there are the distance values a i with i = {1 ... n}, which are preferably assigned to k different clusters - that is, Gaussian distributions. Then the EM algorithm preferably runs in four steps (the letter m in brackets and superscript stands for the number of runs):
Initialisierung:Initialization:
Wähle erste Schätzwerte für die Gaußverteilungen, also
E-Schritt:E step:
Berechne für j = {1... k} jeweils den Wert
M-Schritt:M-step:
Berechne die neuen Schätzwerte für j = {1... k}:
Prüfen des Abbruchkriteriums:Checking the termination criterion:
Berechne die neue Likelihood-Funktion:
Das Ergebnis dieser Berechnung basierend auf den Daten aus
Losgelöst von dem Histogramm in
Mit den Punkten aus den signifikantesten jeweiligen Clustern - also die Cluster, denen die meisten Pixel zugeordnet sind - werden mit Hilfe des „Modified Least Squares Circle Fit“-Verfahrens bevorzugt Kreise berechnet.
With the points from the most significant respective clusters - i.e. the clusters to which the most pixels are assigned - circles are preferably calculated using the “Modified Least Squares Circle Fit” method.
Wie bereits erwähnt, wird vorzugsweise der Schwerpunkt sämtlicher Punkte zu Beginn als erste Schätzung für den Mittelpunkt der rotationssymmetrischen Pixeldarstellung herangezogen. Je nach Lage der Punkte ist diese Schätzung ungenau. Daher wird vorzugsweise nach der ersten Ausführung des EM-Algorithmus der Cluster mit den meisten zugeordneten Punkten gewählt und darauf die MLS-Berechnung angewendet. Die Berechnung liefert einen Kreis und damit einen neuen Wert für den Mittelpunkt. Die ML-Clusterung wird bevorzugt darauf aufbauend erneut durchgeführt.As already mentioned, the center of gravity of all points is preferably used at the beginning as a first estimate for the center point of the rotationally symmetrical pixel representation. Depending on the location of the points, this estimate is inaccurate. Therefore, the cluster with the most assigned points is preferably selected after the first execution of the EM algorithm and the MLS calculation is applied to it. The calculation provides a circle and thus a new value for the center. The ML clustering is preferably carried out again based on this.
Ähnlich wie beim EM-Algorithmus wird dieser Ablauf solange durchgeführt, bis sich die Position des Mittelpunkts nicht mehr ändert. Dies lässt sich in den
Es ist ebenfalls bevorzugt, die Stanznietmatrize
Vorzugsweise werden feste Grenzen für die Korrelationskoeffizienten r vorgeben. Aus diesen Wertebereichen der Korrelationskoeffizienten ist ableitbar, wann eine Matrize als neu, gebraucht, verschmutzt oder defekt gilt. Zudem ist bevorzugt ableitbar, welchem Matrizentyp im Vergleich zu bekannten Matrizentypen sie entspricht.Fixed limits are preferably specified for the correlation coefficients r. From these value ranges of the correlation coefficients it can be derived when a matrix is considered new, used, dirty or defective. In addition, it can preferably be derived which matrix type it corresponds to in comparison to known matrix types.
Zieht man beispielsweise die Betrachtung aus
Mit diesem heuristischen Vorgehen kann es z. B. bereits bei leichter Unterschreitung eines Schwellenwerts zu fehlerhaften Bewertungen kommen, daher werden bevorzugt künstliche neuronale Netze (KNN) zur Klassifikation des Zustand der Matrize herangezogen.With this heuristic approach it can e.g. For example, incorrect evaluations can occur even if the threshold value is slightly undershot, which is why artificial neural networks (KNN) are preferably used to classify the state of the matrix.
Künstliche neuronale Netze bestehen bekanntermaßen aus einzelnen Elementen, den Neuronen, die untereinander verknüpft sind und zusammen das neuronale Netz bilden. Die „Schaltungstechnik“ der künstlichen Neuronen kennt üblicherweise mehrere Eingänge und einen Ausgang. Wenn die Summe der Eingangssignale einen gewissen Schwellenwert überschreitet, „feuert“ das Neuron, d. h. es sendet ein Signal am Ausgang an daran angeschlossene Neuronen (entsprechend der neurobiologischen Analogie eines Aktionspotentials, das eine Nervenzelle bei einer kritischen Änderung ihres Membranpotentials aussendet). Wie stark diese Aktivierung beim angeschlossenen Neuron ankommt, ist abhängig von der Gewichtung der Verbindung.As is known, artificial neural networks consist of individual elements, the neurons, which are linked to one another and together form the neural network. The "circuit technology" of artificial neurons usually knows several inputs and one output. If the sum of the Input signals exceed a certain threshold value, the neuron "fires", ie it sends a signal at the output to connected neurons (according to the neurobiological analogy of an action potential that a nerve cell emits when its membrane potential changes critically). How strongly this activation is received by the connected neuron depends on the weighting of the connection.
Die Topologie des Netzes muss der Aufgabe des neuronalen Netzes angepasst sein, dies geschieht in unserem Fall über die Gewichtung der Verbindungen von Neuron zu Neuron und über die Anpassung der jeweiligen Schwellenwerte. Diese Darstellung eines Neurons ist unter dem Namen Perzeptron bekannt und wird bevorzugt in Form von feed-forward Perzeptron-Netzen als künstliches neuronales Netz verwendet.The topology of the network must be adapted to the task of the neural network; in our case, this is done by weighting the connections from neuron to neuron and by adapting the respective threshold values. This representation of a neuron is known under the name perceptron and is preferably used in the form of feed-forward perceptron networks as an artificial neural network.
Die Anzahl der Hidden-, Input-, Output- und Biasneuronen muss im Vorhinein festgelegt werden. Dann werden anhand von bekannten Eingangs- und Ausgangszuständen die Gewichte innerhalb des KNN trainiert. Dies wird mit Hilfe von überwachten Lernverfahren erreicht, hier mit der sog. Fehlerrückführung (engl. Backpropagation). Dieser Algorithmus funktioniert wie folgt: (1) Ein Eingabemuster wird angelegt und vorwärts durch das Netz propagiert. (2) Die Ausgabe des Netzes wird mit der gewünschten Ausgabe verglichen. Die Differenz der beiden Werte wird als Fehler betrachtet. (3) Der Fehler wird nun wieder über die Ausgabe- zur Eingabeschicht zurück propagiert. Dabei werden die Gewichtungen der Neuronenverbindungen abhängig von ihrem Einfluss auf den Fehler geändert. Dies garantiert bei einem erneuten Anlegen der Eingabe eine Annäherung an die gewünschte Ausgabe.The number of hidden, input, output and bias neurons must be determined in advance. Then the weights within the KNN are trained on the basis of known input and output states. This is achieved with the help of monitored learning processes, here with the so-called error propagation (English back propagation). This algorithm works as follows: (1) An input pattern is created and propagated forward through the network. (2) The network output is compared to the desired output. The difference between the two values is considered an error. (3) The error is now propagated back through the output to the input layer. The weights of the neuron connections are changed depending on their influence on the error. This guarantees an approximation to the desired output when the input is created again.
Damit das künstliche neuronale Netz seine Aufgabe erfolgreich durchführen kann, sind die Eingabedaten bevorzugt an das Problem angepasst. In diesem Fall reicht es also beispielsweise nicht aus, nur die Bilddaten in das neuronale Netz zu speisen und daraus eine Entscheidung abzuleiten. Stattdessen werden die Merkmalsparameter, wie die obige Berechnung des Korrelationskoeffizienten, berechnet und als Eingabedaten für das neuronale Netz herangezogen.The input data are preferably adapted to the problem so that the artificial neural network can successfully carry out its task. In this case, for example, it is not sufficient to feed only the image data into the neural network and to derive a decision from this. Instead, the feature parameters, such as the above calculation of the correlation coefficient, are calculated and used as input data for the neural network.
Die Ausgabeschicht besteht aus nur zwei Neuronen, die für die Klassifikation „funktionsfähig“ oder „defekt“ stehen. Während der Nutzung der Stanznietmatrizen wird das Netz mit den berechneten Korrelationskoeffizienten und/oder weiteren Parametern defekter, beschädigter, verschmutzter und intakter Matrizen trainiert, um entsprechende Auswertungsergebnisse zu liefern.The output layer consists of only two neurons, which stand for the classification "functional" or "defective". During the use of the punch rivet matrices, the network is trained with the calculated correlation coefficients and / or other parameters of defective, damaged, dirty and intact matrices in order to provide corresponding evaluation results.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung vorliegender Erfindung wurde ein neuronales Netz in Form eines einlagigen feed-forward Perzeptrons mit zwei Eingangs- und zwei Output-Neuronen implementiert. Einem Eingangsneuron wird bevorzugt der Wert des gesamten Korrelationsfaktors gemäß obiger Definition in den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung zugewiesen. Dem anderen Eingangsneuron wird bevorzugt ein Vektor mit Werten aus dem Korrelationsverlauf zugewiesen, wie bevorzugt in Patentanspruch 10 beschrieben. Diesen Verlauf repräsentiert beispielsweise die rote Kurve in
Die beiden Ausgangsneuronen stehen für die Zustände IO (in Ordnung) und NIO (nicht in Ordnung). Sie nehmen bevorzugt jeweils Werte im Bereich zwischen 0 und 1 an.The two output neurons stand for the states OK (OK) and NOK (not OK). They each assume values in the range between 0 and 1.
Dieses neuronale Netz wurde bevorzugt mit 15 Matrizen-Testbildern per Backpropagation trainiert. Anschließend wurden testweise fünf dem neuronalen Netz unbekannte Matrizenabbildungen im neuronalen Netz bewertet; alle mit richtigem Ergebnis.This neural network was preferably trained with 15 matrix test images by back propagation. Subsequently, five matrix mappings in the neural network unknown to the neural network were evaluated; all with correct results.
Als Entscheidung diente bevorzugt der jeweils höhere Wert in den beiden Ausgangsneuronen. Dieses neuronale Netz ließe sich natürlich noch erweitern und verbessern. Beispielsweise könnte ein Werker beim Kunden bei nicht eindeutigen Ergebnissen aus der Entscheidung des neuronalen Netzes die Klassifizierung in IO oder NIO selbst vornehmen und damit das neuronale Netz weiter trainieren.The higher value in the two output neurons was the preferred decision. This neural network could of course be expanded and improved. For example, if the results from the decision of the neural network are not clear, a worker at the customer could carry out the classification in OK or NOK himself and thus train the neural network further.
BezugszeichenlisteReference list
- 1010th
- StanznietmatrizeSelf-piercing rivet die
- 12, 1412, 14
- VertiefungenIndentations
- MM
- MittelachseCentral axis
- DD
- DraufsichtTop view
- V V
- VergleichsbereichComparison range
- CC.
- Computercomputer
- MM
- Kameracamera
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- EP 0127751 A1 [0005]EP 0127751 A1 [0005]
- WO 2000/15082542 [0006]WO 2000/15082542 [0006]
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-
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- 2018-12-21 DE DE102018133567.9A patent/DE102018133567A1/en active Pending
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