WO2010130401A2 - Regelvorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung (1) mit wenigstens einer Projektoreinrichtung (5), welche ein homogenes oder strukturiertes Lichtmuster auf ein Messobjekt (2) richtet, mit einer wenigstens einen aus einer Mehrzahl von Pixeln gebildeten Detektor (15) aufweisenden Bildaufnahmeeinrichtung (6), welche das am Messobjekt (2) gestreute Licht aufnimmt, mit einer hochparallelen Datenverarbeitungseinheit (8) mit einer Mehrzahl von Prozessoren, und mit wenigstens einem Signalerzeugungsmittel (10) sowie mit einer Steuer- und Regeleinheit (12). Um eine Regelvorrichtung (1) zur Verfügung zu haben, die bei schnellen Umformprozessen von Werkstücken bzw. Werkstoffen (3) eine vollständige Überwachung und Steuerung des Prozesses gewährleistet und durch eine zeitnahe Beeinflussung von Betriebsparametern einen optimalen Prozessablauf mit längeren Maschinenstandzeiten ermöglicht, wird vorgeschlagen, dass die hochparallele Datenverarbeitungseinheit (8) von der Bildaufnahmeeinrichtung (6) empfangene Bilddaten im wesentlichen gleichzeitig mit einer identischen Abfolge von Rechenoperationen verarbeitet und das Rechenergebnis an das Signalerzeugungsmittel (10) zur Erzeugung mindestens eines Steuer- und/oder Regelsignals weitergibt, mittels dessen die Steuer- und Regeleinheit (12) eine Stellgröße eines Umformprozesses des Messobjekts (2) manipuliert.

Description

RegelVorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung mit wenigstens einer Projektoreinrichtung, welche ein homogenes oder strukturiertes Lichtmuster auf ein Messobjekt richtet, mit einer wenigstens einen aus einer Mehrzahl von Pixeln gebildeten Detektor aufweisenden Bildaufnahmeeinrichtung, welche das am Messobjekt gestreute Licht aufnimmt, mit einer hochparallelen Datenverarbeitungseinheit mit einer Mehrzahl von Prozessoren, und mit wenigstens einem Signalerzeugungsmittel sowie mit einer Steuer- und Regeleinheit.

Bei der Umformung von Werkstoffen handelt es sich üblicherweise um eine Wechselwirkung zwischen einer oder mehreren Oberflächen formgebender Werkzeuge und der Oberfläche des umzuformenden Werkstoffes. Das Ergebnis der Umformung hängt von der Form, der relativen Bewegung und der Oberflächenbeschaffenheit von Werkstoff und Werkzeug ab. Alle drei Größen (Form, seitliche Bewegung und Oberflächenqualität) können prinzipiell mit als Kamerasystem ausgebildeten Bildaufnahmeeinrichtungen kontrolliert werden. Allerdings handelt es sich aus Gründen der Wirtschaftlichkeit um sehr schnelle und hoch optimierte Prozesse, bei denen aufgrund der hohen Bildrate die eigentliche Messzeit sehr stark limitiert ist. Aus diesem Grund ist eine Kombination aus (synchronisiertem) Projektor und Bildaufnahmeeinrichtung erforderlich. Die Bilderzeugungseinrichtung als eine solche Kombination dient dazu, Zustände der Oberfläche des Werkstücks/- zeugs in einer an den Prozess angepassten Geschwindigkeit zu erfassen. Hierbei ist weiter zu berücksichtigen, dass bei einer im Verhältnis zur Pixelgröße zu gering auflösenden Optik die Pixel einer Nachbarschaft bis auf zufällige Abweichungen, z.B. das Bildrauschen, im Prinzip dieselbe Information enthalten. Gleichzeitig bedeutet eine niedrigere Anzahl von Pixeln eine höhere Lichtmenge pro Pixel, wodurch eine kürzere Belichtungszeit für die Messung ausreicht und sich die Anzahl der zu verarbeitenden Daten verringert. Enthält nun eine Nachbarschaft echt unterschiedliche Informationen, so ist deren Zuordnung zu Prozessoren bzw. Rechenelementen der hochparallelen Datenverarbeitungseinheit möglich, wodurch die die Verarbeitung der Daten nochmals deutlich beschleunigt wird. Daher sollte also das Auflösungsvermögen der Optik der Bildaufnahmeeinrichtung so ausgelegt sein, dass die in der hochparallelen Datenverarbeitungseinheit gekoppelten Pixel einer Nachbarschaft auch echt unterschiedliche Informationen enthalten.

Um typische Bildverarbeitungsaufgaben, z.B. Kantenfilterung, schneller als mit konventionellen Recheneinheiten auszuführen, sind beispielsweise aus der WO 94/09441 hochparallele Datenverarbeitungseinheiten bekannt, bei welchen Detektorpixeln Prozessoren zuordenbar sind, die wiederum eine Verknüpfung von Pixeln ermöglichen. Im Bereich der Bildverarbeitung sind Algorithmen zur Extraktion von Oberflächenmerkmalen bekannt. Hierzu gehören insbesondere Algorithmen zur Schwellwertfindung, morphologische Operatoren zur Konturerkennung sowie Segmentierungsalgorithmen. Diese Algorithmen eignen sich zur Extraktion von Oberflächenmerkmalen von Werkstoffen, wie beispielsweise von Kratzern. Sie setzen eine weitgehend homogene Beleuchtung voraus.

Weiterhin sind aus DE 196 33 686 A1 Anordnungen zur 3D-Messung nach dem Verfahren der strukturierten Beleuchtung bekannt. Hierbei werden mit einer Projektionseinheit inhomogene oder strukturierte Muster projiziert und nach dem Prinzip der Triangulation 3D-Koordinaten berechnet. Ein solcher Projektor eignet sich ebenfalls zur Projektion homogener Muster und er kann eine Serie unterschiedlicher Muster projizieren.

Es besteht daher die Aufgabe eine Regelvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die bei schnellen Umformprozessen von Werkstücken eine vollständige Überwachung und Steuerung des Prozesses gewährleistet und durch eine zeitnahe Beeinflussung von Betriebsparametern einen optimalen Prozessablauf mit längeren Maschinenstandzeiten ermöglicht.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Regelvorrichtung der eingangs genannten Art, bei der die hochparallele Datenverarbeitungseinheit von der Bildaufnahmeeinrichtung empfangene Bilddaten im wesentlichen gleichzeitig mit einer identischen Abfolge von Rechenoperationen verarbeitet und das Rechenergebnis an das Signalerzeugungsmittel zur Erzeugung mindestens eines Steuer- und/oder Regelsignals weitergibt, mittels dessen die Steuer- und Regeleinheit eine Stellgröße eines Umformprozesses des Messobjekts manipuliert. Mit einer solchen Regelvorrichtung können also Bilder durch die Aufnahmeeinrichtung synchron mit einer Beleuchtungseinheit erfasst und in einer fest definierten Taktzeit parallel und daher schnell räumlich und zeitlich korreliert werden, so dass in einer fest vorgegebenen Zeit wiederum ein Regelsignal erzeugt werden kann, welches dann in die Umformmaschine zurückkoppelbar ist. Insbesondere eignet sich diese Regelvorrichtung zur lückenlosen Erfassung schnell bewegter Oberflächen, aus deren Merkmalen dann Regel- und Steuersignale abgeleitet werden.

Mit der beschriebenen Datenverarbeitungseinheit sollen aus er- fassten Bilddaten extrem schnell Steuer- und oder Regelsignale erzeugt werden, weswegen bei einer zweckmäßigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung jedem Prozessor der hochparallelen Datenverarbeitungseinheit wenigstens ein Pixel, insbesondere genau ein Pixel des Detektors der Bildaufnahmeem- richtung, zugeordnet ist. Der Detektor mit seinen Pixeln kann dabei etwa als Chip einer als Kamera ausgebildeten Bildauf- nahmeemrichtung ausgebildet sein.

Die schnelle Erzeugung der Steuer- und/oder Regelsignale gelingt insbesondere dann gut, wenn ein Prozessor, der einem Pixel zugeordnet ist, auch mit den Prozessoren bzw. mit den Daten der räumlich und zeitlich benachbarten Pixel verknüpft ist, weswegen bei einer besonders bevorzugten Ausbildung der Regelvorrichtung jeder Prozessor der hochparallelen Datenverarbeitungseinheit mit einer Mehrzahl von der dem einen Pixel benachbarten Pixeln gekoppelt ist. Räumlich benachbart bedeutet, dass einem Prozessor zu einem Pixel mit den Koordinaten (u,v) auch Daten der umliegenden Pixel mit den Koordinaten (u-1,v), (u+1,v), (u,v-1), (u,v+1) (u-1,v-1), (u-1,v+1), (u+1,v+1), (u+1,v-1) verfügbar sind. Zeitlich benachbart bedeutet hierbei, dass Pixel der gleichen Koordinaten (u,v) aus nacheinander aufgenommenen Bildern verglichen werden. In diesem Fall kann eine große Klasse von Bildverarbeitungsoperationen sehr effizient bearbeitet werden, welche folgender Form genügen:

+r +r

G(n,ι+\,u,v) = ∑∑a(k,l)G(n,i,u+k,v+l) +b-G{mJ,u,v)+K k=-ri=-r

G(n,i,u,v) bezeichnet hierbei den Grauwert, also die Intensität eines Pixels, welche in diesem Fall dem Rechenergebnis des 1- ten Rechenschrittes des dem Pixel (u,v) zugeordneten Prozessors entspricht, welcher auf das Bild mit der Bildnummer n angewendet wird. G(n,0,u,v) entspricht dem Grauwert des Pixels (u,v) im Bild n, wie es von der Bildaufnahmeeinrichtung aufgenommen wurde. Die Koeffizienten a(k,l) bezeichnen die Verknüpfungsvorschrift mit den Grauwerten des eigenen sowie der benachbarten Pixel, welche innerhalb des sogenannte Radius r der Nachbarschaft liegen. Für r=1 erhält man eine 3x3-Nachbarschaft . Die Koeffizienten a(k,l) können einfache Faktoren für die Multiplikation sein, oder auch nichtlineare Verknüpfungen, beispielsweise Funktionen mit einem ja/nein-Ergebnis . Sie verarbeiten die räumliche Korrelation der Grauwerte. Der Koeffizient b beschreibt entsprechend die Verknüpfung mit dem Grauwert eines anderen, in der Regel älteren Bildes mit der Bildnummer m ≠ n, auf das j Rechenschritte angewendet wurden. Der Koeffizient b verarbeitet somit die zeitliche Korrelation der Grauwerte. Bei K handelt es sich um eine Konstante, welche für alle Pixel (u,v) gleich ist. Typisch für Bildverarbeitungssysteme, aber nicht notwendig, ist es auch, dass der Wertebereich von G begrenzt ist, z.B. G e [0,1] oder G e [-1,1]. Diese Begrenzung kann die Implementierung nichtlinearer Funktionen erleichtern. Die Parameter a(k,l) , b, und K beschreiben somit eine für alle parallelen Prozessoren gleiche Rechenvorschrift, welche in identischer Form auf verschiedene Datenelemente, nämlich auf die Grauwerte G(n,0,u,v) der Pixel (u,v) des Bildes n, angewendet werden.

Zwei Beispiele dafür, wie Bildverarbeitungsoperatoren auf einer solchen Struktur umgesetzt werden können, sind der nichtlineare Schwellwertoperator und der lineare Laplace-Operator . Ein Schwellwertoperator kann implementiert werden, indem man alle Koeffizienten mit Ausnahme von a(0,0) als a(k,l) = 0 wählt, dem Koeffizienten a(0,0) einen Wert >> 1 zuordnet und die Konstante K = - a(0,0) GO setzt. In diesem Fall laufen die Werte G(i+1,u,v) aller Pixel mit einem Grauwert G(i,u,v) > GO in die obere Begrenzung, während die Pixel aller Grauwerte mit G(i,u,v) < GO in die untere Begrenzung der Grauwerte laufen. Ein Laplace-Operator mit Radius r=1 zur richtungs-unabhängigen Detektion von Kanten erhält man, wenn man den Koeffizienten a(0,0) = 8 und die übrigen Koeffizienten a(k,l)= -1 setzt. Die Parameter b und K sind null. Durch diese Parameterwahl werden die Grauwerte der acht benachbarten Pixel von dem mit dem Faktor 8 gewichteten mittleren Pixel subtrahiert. Das Ergebnis ist ein großer Grauwert G(n,i+1,u,v) an Stellen, an denen der Grauwert in der Nachbarschaft variiert, und ein Wert um 0 an Stellen mit konstanten Eingangswerten in der Nachbarschaft von G(n, i,u,v) .

Weitere Beispiele für Operationen, welche der obigen Gleichung genügen, sind richtungsabhängige Mittelwertbildung, Kantenfilterung mittels Sobel-Operator , logische Verknüpfungen wie AND, OR oder XOR, morphologische Operatoren wie Diffusion, Erosion, Opening oder Closing sowie die Minkowski-Addition und -Subtraktion, auf der viele Segmentierungsalgorithmen beruhen. Diese Operationen eignen sich beispielsweise, um Konturen von Oberflächendefekten zu bestimmen.

Eine solche Prozessorarchitektur begünstigt daher eine hochparallele und damit schnelle Datenverarbeitung. Ein Programm besteht wesentlich aus einer Folge von Parametern (a (k, 1) , b, K) . Sie ist lokal in dem Sinn, dass ein Prozessor über die Parameter (a(k,l),b,K) nur eine begrenzte Anzahl von Daten verknüpfen kann. Die Zahl der Verknüpfungen bestimmt andererseits die Komplexität der elektronischen Schaltung, welche vorteil- hafterweise möglichst gering sein sollte, sich aber trotzdem für eine große Klasse von Bildverarbeitungsoperationen eignen sollte. Das Ergebnis einer solchen Rechnerarchitektur ist eine Anzahl von Grauwerten, welche der Zahl der parallelen Prozessoren entspricht, und, welche den Pixelkoordinaten (u,v) zugeordnet werden können. Es kann daher als Bild gesehen werden. Der Werteberexch der Grauwerte dieses Ergebnisbildes kann dem Wertebereich der Grauwerte des Bildes entsprechen, er kann jedoch auch eingeschränkt sein, beispielsweise auf zwei Ja/Nein- Werte, oder erweitert, beispielsweise auf eine größere Anzahl von Grauwerten oder auf einen größeren Wertebereich.

Für Regelungsaufgaben ist eine solche Rechnerarchitektur ebenfalls vorteilhaft, da die Operationen parallel und damit m einem gemeinsamen Zeittakt ausgeführt werden können und müssen. In vielen Fällen wird die Bearbeitungszeit durch die hochparallele und an Pixel gekoppelte Rechnerarchitektur von der Anzahl der Ereignisse entkoppelt. Beispielsweise hängt hierbei die Bearbeitungszeit nicht von der Anzahl der beobachteten Defekte ab, da die Informationen aller betroffenen Pixel parallel verarbeitet werden. Dadurch können für viele Aufgaben konstante Rückkopplungszelten und damit eine zeitlich stabile Regelung erreicht werden.

Wie oben gezeigt wurde, arbeiten solche hochparallelen Rechnerarchitekturen nur für eine bestimmte Klasse lokaler Operationen effizient und die Anzahl der Ergebnisse übersteigt die Anzahl der Regelparameter. Für Regelungsaufgaben ist es daher notwendig, die lokal arbeitende, hochparallele Datenverarbeitungseinheit mit einem global arbeitenden Signalerzeugungsmittels zu kombinieren. Diese zeichnet sich dadurch aus, dass sie Zugriff auf alle Ergebnisse der hochparallelen Datenverarbeitungseinheit hat, diese zu einem oder wenigen Regel- und Steuersignalen verknüpft und diese in digitaler oder analoger Form - beispielsweise als Steuerspannung - an die Regelemheit übergibt.

Mittels der Signalerzeugungsemheit können beispielsweise Ja/Nein-Werte ausgezählt oder globale Operationen, beispielsweise einer Fouriertransformation, angewandt werden. Bei ihrer Rechnerarchitektur kann es sich um eine konventionelle Architektur mit einem oder wenigen Prozessoren, um ein FPGA (Field Programmable Gate Array) oder andere Logikschaltungen handeln. Diese können, müssen aber nicht für alle Aufgaben programmierbar sein.

Die Nutzung der vorstehend beschriebenen Datenverarbeitungseinheit zur Regelung bzw. Steuerung aufgrund ermittelter Ober- flächenzustände verlangt eine Abstimmung der Bildaufnahmem- richtung in mehrfacher Hinsicht. Zunächst müssen die Pixel der oben beschriebenen Nachbarschaft, welche in der hochparallelen Datenverarbeitungseinheit verknüpft sind, unterschiedliche Informationen enthalten.

Das geometrische Auflösungsvermögen einer Optik mit dem Vergrößerungsfaktor F wird üblicherweise durch die Modulations- übertragungsfunktion (Modulation Transfer Function, MTF) angegeben. In ihrer üblichen Form zeigt sie das Auflösungsvermögen eines Systems als Kontrastverhältnis zwischen Gegenstand und Bild in Abhängigkeit der Feinheit der zu übertragenden Objektstruktur, welche in Linienpaaren pro Millimeter auf der Gegenstandsseite gemessen wird. Je niedriger das Kontrastverhältnis ist, desto stärker „verschwimmen" dabei die Helligkeitsunter- schiede im Bild. Die Voraussetzung dafür, dass eine Information von einem nachbarschaftsbasierten Datenverarbeitungssystem verarbeitet werden kann, ist, dass die Information, d.h. der Intensitätsunterschied im Bild, größer als der Intensitätsfehler Δl des Bildes ist, welcher zum Beispiel durch Rauschen verursacht werden kann. Aus dieser Überlegung ergibt sich ein minimales Kontrastverhältnis KVmm, mit welchem ein Linienpaar in eine Nachbarschaft abgebildet werden muss. Die bildseitige Größe dieser Nachbarschaft ergibt sich aus der Größe der Kamerapixel. Für eine 3x3 -Nachbarschaft mit einer Pixelgröße p muss ein Linienpaar auf diese Nachbarschaft abgebildet werden, d.h. es ergibt sich eine minimale Strukturgröße von 3 Pixeln auf der Bildseite bzw. F*3*p auf der Gegenstandsseite. Damit ist eine maximale Ortsfrequenz fp = 1 / (F*3*p) abgeleitet, bei der das Kontrastverhältnis der Optik größer als KVmin sein muss. Anschaulich ausgedrückt heißt das, dass das Auflösungsvermögen durch die Pixelgröße und nicht durch die Optik beschränkt sein muss. Bei den heute üblichen Megapixel-Kameras ist es in der Regel umgekehrt.

Bildwiederholraten, wie sie die Steuerung/Regelung hoch dynamischer Prozesse erfordert, haben zur Folge, dass für die Bildaufnahme nur sehr kurze Belichtungszeiten zur Verfügung stehen. So beträgt die für die Belichtung zur Verfügung stehende Zeit bei einer Bildwiederholrate von 10.000 Bildern pro Sekunde weniger als 100 μs , wenn man die Zeit zum Auslesen der Bilder berücksichtigt. Reicht die zur Verfügung stehende Lichtmenge nicht aus, um den zur Bildaufnahme verwendeten Sensor bei entsprechend kurzer Belichtungszeit auszusteuern, kann die Dynamik des Sensors nicht oder nur eingeschränkt ausgenutzt werden. Demzufolge steht für die Steuerung/Regelung unter Umständen gar kein oder nur ein schlechtes - weil stark verrauschtes - Signal zur Verfügung.

Ohne eine Maßnahme zur Erhöhung der Lichtmenge, die pro Zeiteinheit auf die lichtempfindliche Fläche des Detektors fällt, bliebe nur die Verlängerung der Belichtungszeit. Dies hätte wiederum unmittelbar zur Folge, dass die Bildrate sänke und die Steuerung/Regelung damit langsamer würde. Da Umformprozesse hoch optimiert sind und normalerweise sehr schnell ablaufen, wäre keine vollständige Überwachung mehr möglich. Zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung können daher beispielsweise darin bestehen, dass die Bildaufnahmeeinrichtung zur Verstärkung der Lichtmenge mit einem aktiven Bau- element in Art eines Bildverstärker versehen ist oder eine Adaption einer speziell an den Detektor angepassten Optik zur besseren Ausnutzung der lichtsensitiven Fläche des Detektors, z. B. mittels eines Mikrolinsenarrays vorgenommen wird. Beide Maßnahmen verbessern unabhängig voneinander die Quanteneffizienz des Detektors der Bildaufnahmeeinrichtung.

Die zu messenden Oberflächen möglichst hell zu beleuchten, um kurze Belichtungszeiten zu ermöglichen, ist Aufgabe der wenigstens einen Projektoreinrichtung. Vorteilhaft ist dabei die Verwendung von Lichtquellen mit hoher optischer Lichtleistung, also beispielsweise Laser, LED's oder Bogenlampen.

Je nach zu erkennendem Merkmal kann es sich um eine homogene oder um eine strukturierte Beleuchtung handeln. Homogene Beleuchtungen dienen dazu, Oberflächen möglichst gleichmäßig auszuleuchten, um bildhafte Merkmale wie Kratzer oder andere Unregelmäßigkeiten zu detektieren. Strukturierte Beleuchtungen können nach den Prinzipien der Triangulation oder der Holographie bzw. Interferometrie zur Erfassung von 2D- oder SD-Profilen verwendet werden. Hier ist es vorteilhaft, Folgen von unterschiedlich strukturierten Lichtmustern zu projizieren. Durch die Verknüpfung der aus den Bildern unterschiedlicher Lichtmuster gewonnenen Daten können beispielsweise bildhafte Merkmale 3D-Daten zugeordnet werden.

Durch den Vergleich mehrerer Profile können auch Bewegungsdaten, also etwa Vibrationen von Oberflächen, gemessen werden. Hier ist die obere Grenzfrequenz durch die Anzahl der verarbeiteten Profile bestimmt (fmax = Bildrate/2) . Es ist daher von Vorteil, wenn Bilder oder Bildfolgen möglichst schnell aufgenommen und verarbeitet werden können. Für die Verarbeitung von Bildfolgen ist eine Synchronisation zwischen Projektoreinrichtung und Bildaufnahmeeinrichtung erforderlich. Ebenso kann es vorteilhaft sein, die Lichtmusterfolgen und/oder die Bildaufnahme der Bildaufnahmeeinrichtung mit dem Vorschub der Umformmaschine in X-Richtung zu synchronisieren. Hierbei kann zum Beispiel stets und in festen Abständen ein Lichtmuster ausgelöst werden.

Eine mit Blick auf kurze Belichtungszeiten besonders vorteilhafte Maßnahme ist die Anwendung der Schattenwurftechnik. Bei dieser wird das Messobjekt im Strahlengang zwischen Projektoreinrichtung und Bildaufnahmeeinrichtung angeordnet, um dann die Kontur des Messobjektes anhand der Schattenränder auszuwerten. Sie eignet sich daher beispielsweise besonders für die Bestimmung von Durchmessern. Diese Anordnung ist besonders lichtstark, weil die Bildaufnahmeeinrichtung nicht mit Streulicht, sondern direkt mit dem Licht aus der Projektoreinrichtung beleuchtet wird.

Die Steuer- und Regeleinheit der Regelvorrichtung kann aus einem oder mehreren elektronischen Geräten oder Recheneinheiten bestehen, die elektrische Signale von dem Signalerzeugungsmittel empfängt, verarbeitet und in Regel- bzw. Steuersignale für einen Umformprozess umsetzt. Vorteilhafterweise können die von der Steuer- und Regeleinheit beeinflussbaren Stellgrößen des Umformprozesses sowohl das Werkzeug oder das Werkstück direkt beeinflussende physikalische Größen, als auch Hilfsmittel des Umformprozesses oder Handlungsanweisungen an Bedienpersonen gebildet sein. Steuer bzw. Regelparameter können dabei im Bereich Umformtechnik Geschwindigkeiten (z.B. Band- oder Ziehgeschwindigkeiten), Drücke (z.B. Umformdruck, Anpressdrücke von Werkzeugen), Temperaturen (z.B. Prozesstemperaturen, Abkühlraten), Schmiermittel- oder Reinigungsmittelmengen (z.B. Schmiermittel- bzw. Reinigungszufuhr) , Handlungsanweisungen für das Bedienpersonal (z.B. Werkzeugwechsel) oder adaptive Werkzeugansteuerungen (z.B. adaptive Anpassung des Ziehwinkels oder einer Werkzeugform an die Oberflächenbeschaffenheit) sein.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung näher erläutert. In teilweise stark schematisierter Darstellung zeigen dabei die

Fig.1 eine Seitenansicht der Komponenten einer ersten Ausführungsform der Regelvorrichtung, die aus einer Bildfolge Regelsignale auf eine einen Werkstoff mit einem Werkzeug bearbeitende Umformeinheit zurückkoppelt;

Fig.2 eine Diagramm einer typischen Modulationsüber- tragungsfunktion;

Fig.3 eine Abbildung eines Linienmuster auf eine Nachbarschaft mit dem zugeordneten Intensitätsverlauf in der Fokusebene;

Fig.4 eine Seitenansicht der Bildaufnahmeinrichtung einer anderen Ausführungsform der Regelvorrichtung.

In der Fig.1 ist eine schematisierte Anordnung der Komponenten einer im Ganzen mit 1 bezeichneten Regelvorrichtung für Umformprozesse einer Oberfläche 2 eines Werkstoffs 3 mittels eines Werkzeugs 4 zu erkennen. Beispielhaft weist dabei die Oberfläche des Werkstoffs 3 einen Riss und eine größer Fehlstelle als aufzulösende Merkmale auf. Die Oberfläche 2 des Werkstoffs 3 wird als Messobjekt 2 von einer Projektoreinrichtung 5 be- leuchtet, deren Beleuchtung mit der Bildaufnahmeinrichtung 6 synchronisiert ist, wie es durch den Doppelpfeil angedeutet ist. Der Detektor 15 der Bildaufnahmeeinrichtung 6, die das an dem Messobjekt 2 gestreute Licht aufnimmt, ist hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht weiter dargestellt. Von der Bildaufnahmeeinrichtung 6 wird eine durch das zugeordnete Diagramm angedeutete Bildfolge 7 an eine hochparallele Datenverarbeitungseinheit 8 weitergeleitet, die eine Mehrzahl nicht weiter dargestellter Prozessoren aufweist, von den jeweils einer einem Pixel des Detektors 15 der Bildaufnahmeeinrichtung 6 zugeordnet ist. Mittels der in den Prozessoren implementierten Algorithmen wird ein durch das nächste Diagramm angedeutetes Ergebnisbild 9 berechnet und an ein Signalerzeugungsmittel 10 weitergeleitet. Dieses erzeugt ein in dem nächsten Diagramm stilisiertes Regelsignal 11 , mittels dessen die Steuer- und Regeleinheit 12 eine Stellgröße des Umformprozesses manipuliert. Diese Manipulation wirkt mittels des der Umformeinheit 13 zugeordneten Werkzeugs 4 wiederum direkt zurück auf den Werkstoff 3, so dass über die ermittelte Bildfolge 7 und damit letztlich die Merkmale der Oberfläche des Werkstoffs 3 der Umformprozess steuerbar ist.

In der Fig.2 ist der typische Verlauf einer Modulationsüber- tragungsübertragungsfunktion für eine Abbildungsoptik zu erkennen, mit der das geometrische Auflösungsvermögen einer Optik mit dem Vergrößerungsfaktor T angegeben wird. In ihrer üblichen Form zeigt sie das Auflösungsvermögen eines Systems als Kontrastverhältnis zwischen Gegenstand und Bild in Abhängigkeit von der Feinheit der zu übertragenden Objektstruktur, welche in Linienpaaren pro Millimeter auf der Gegenstandsseite gemessen wird. Wie bereits weiter oben beschrieben, ist die Voraussetzung dafür, dass eine Information von einem nachbarschafts- basierten Datenverarbeitungssystem verarbeitet werden kann, dass der Intensitätsunterschied im Bild größer ist, als der beispielweise durch Rauschen verursachte Intensitätsfehler Δl des Bildes. Aus dieser Überlegung ergibt sich ein minimales Kontrastverhältnis KVmin, mit welchem ein Linienpaar in eine Nachbarschaft abgebildet werden muss. Die bildseitige Größe dieser Nachbarschaft ergibt sich aus der Größe der Kamerapixel. Für eine 3x3-Nachbarschaft mit einer Pixelgröße p muss ein Linienpaar auf diese Nachbarschaft abgebildet werden, d.h. es ergibt sich, wie bereits erläutert, eine minimale Strukturgröße von 3 Pixeln auf der Bildseite bzw. F*3*p auf der Gegenstandsseite, wodurch eine eine maximale Ortsfrequenz fp = 1/(F*3*p) abgeleitet ist, bei der das Kontrastverhältnis der Optik größer als KVmin sein muss.

Die Fig.3 zeigt links oben die Abbildung eines Linienmusters mit einer gerade noch abbildbaren Ortsfrequenz fp mit dem dazugehörigen Bild in der Fokusebene rechts oben. Trägt man die Intensitätsverläufe der beiden Bilder entlang der gepunkteten Linie auf und normiert man die Intensität des Liniemusters auf 1 , dann erhält man das unten dargestellte Diagramm. Dort ist auch ein Linienpaar markiert, welches auf eine Nachbarschaft aus drei Pixeln abgebildet wird. Aufgrund der Normierung gilt, dass der Intensitätsfehler Δl dem minimalen Kontrastverhältnis KVmin entspricht.

In der Fig.4 sind Teile einer Bildaufnahmeeinrichtung 6 einer anderen Ausführungsform der Regelvorrichtung 1 zu erkennen. Hier ist die Bildaufnahmeeinrichtung 6 mit einem Bildverstärker 14 versehen, der die Empfindlichkeit des Detektors 15 erhöht. Von dem Messobjekt 2 kommendes Licht wird zunächst durch eine erste Linse 16 auf den Bildverstärker 14 geleitet und nachdem dieser passiert wurde mittels einer zweiten Linse 17 auf den als Kamerachip ausgebildeten Detektor 15 der Bildaufnahmeeinrichtung 6 der Regelvorrichtung 1 abgebildet. Weiter ist zu erkennen, dass der Bildverstärker mit einer Photokathode 18, einer Mikrokanalplatte 19 und einem Phosphorschirm 20 versehen ist. Der Aufbau des Bildverstärkers 14 kann auch noch weiter optimiert werden, indem die Abbildung auf dem Detektor 15 nicht, wie dargestellt über eine Linsenoptik, sondern über eine direkte Ankopplung des Phosphorschirms 20 an nicht erkennbare Photosensoren des Detektors 15 erfolgt, beispielsweise über Faserbündel .

Bei der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung 1 konnten also unter anderem eine aus wenigstens einer Projektoreinrichtung 5 und einer Bildaufnahmeeinrichtung 6 bestehende Bilderzeugungseinrichtung 21 , eine hoch parallele Datenverarbeitungseinheit 8 und ein Signalerzeugungsmittel 10 so kombiniert werden, dass Zustände sich schnell verändernder Oberflächen (Verformung, Bewegung oder andere Merkmale) erfasst und daraus ein geeignetes Steuer- und/oder Regelsignal für den Umformprozess abgeleitet werden kann. In modernen Umformprozessen spielt die schnelle und vollständige Überwachung und Steuerung des Produktionsprozesses eine wichtige Rolle. Insbesondere liefert dabei die Oberflächenqualität der Werkzeuge wie auch des Umformgutes wichtige Informationen über den Zustand des Prozesses und der Werkzeuge. Durch die vollständige Erfassung der Oberfläche können nicht nur Rückschlüsse auf die Werkzeugqualität, sondern auch Materialfehler oder drohende Mangelschmierung gezogen werden. Dadurch können Umformprozesse näher an ihrem Betriebsoptimum betrieben werden, da Sicherheitsfenster deutlich reduziert werden können. Auch können die Maschinenstandzeiten verlängert und die Rüstzeigen der Anlagen deutlich verringert werden. Dementsprechend betrifft die vorstehend beschriebene Erfindung eine Regelvorrichtung 1 mit wenigstens einer Projektoreinrichtung 5, welche ein homogenes oder strukturiertes Lichtmuster auf ein Messobjekt 2 richtet, mit einer wenigstens einen aus einer Mehrzahl von Pixeln gebildeten Detektor 1 B aufweisenden Bildaufnahmeeinrichtung 6, welche das am Messobjekt 2 gestreute Licht aufnimmt, mit einer hochparallelen Datenverarbeitungseinheit 8 mit einer Mehrzahl von Prozessoren, und mit wenigstens einem Signalerzeugungsmittel 10 sowie mit einer Steuer- und Regeleinheit 12. Um eine Regelvorrichtung 1 zur Verfügung zu haben, die bei schnellen Umformprozessen von Werkstücken bzw. Werkstoffen 3 eine vollständige Überwachung und Steuerung des Prozesses gewährleistet und durch eine zeitnahe Beeinflussung von Betriebsparametern einen optimalen Prozessablauf mit längeren Maschinenstandzeiten ermöglicht, wird vorgeschlagen, dass die hochparallele Datenverarbeitungseinheit 8 von der Bildaufnahmeemrichtung 6 empfangene Bilddaten im wesentlichen gleichzeitig mit einer identischen Abfolge von Rechenoperationen verarbeitet und das Rechenergebnis an das Signalerzeugungsmittel 10 zur Erzeugung mindestens eines Steuer- und/oder Regelsignals weitergibt, mittels dessen die Steuer- und Regelemheit 12 eine Stellgröße eines Umformprozesses des Messobjekts 2 manipuliert.

Claims

Ansprüche

1. Regelvorrichtung mit wenigstens einer Projektoreinrichtung, welche ein homogenes oder strukturiertes Licht- muster auf ein Messobjekt richtet, mit einer wenigstens einen aus einer Mehrzahl von Pixeln gebildeten Detektor aufweisenden Bildaufnahmeeinrichtung, welche das am Messobjekt gestreute Licht aufnimmt, mit einer hochparallelen Datenverarbeitungseinheit mit einer Mehrzahl von Prozessoren, und mit wenigstens einem Signalerzeugungsmittel sowie mit einer Steuer- und Regeleinheit, dadurch gekennzeichnet, dass die hochparallele Datenverarbeitungseinheit (8) von der Bildaufnahmeeinrichtung (6) empfangene Bilddaten im wesentlichen gleichzeitig mit einer identischen Abfolge von Rechenoperationen verarbeitet und das Rechenergebnis an das Signalerzeugungsmittel (10) zur Erzeugung mindestens eines Steuer- und/oder Regelsignals weitergibt, mittels dessen die Steuer- und Regeleinheit (12) eine Stellgröße eines Umformprozesses des Messobjekts (2) manipuliert .

2. Regelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Prozessor der hochparallelen Datenverarbeitungseinheit (8) wenigstens ein Pixel, insbesondere genau ein Pixel, des Detektors (15) der Bildaufnahmeeinrichtung (6) zugeordnet ist.

3. Regelvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Prozessor der hochparallelen Datenverarbeitungseinheit (8) mit einer Mehrzahl von der dem einen Pixel benachbarten Pixeln gekoppelt ist.

4. Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dass die hochparallele Datenverarbeitungseinheit (8) mit dem Chip der Bildaufnahmeeinrichtung (6) eine bauliche Einheit bildet, insbesondere in den Chip integriert ist.

5. Regelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildaufnahmeeinrichtung (6) einen Bildverstärker (14) aufweist.

6. Regelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildaufnahmevorrichtung

(6) eine Anordnung von Mikrolinsen aufweist.

7. Regelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messobjekt (2) durch die Oberfläche eines Werkstoffs (3) , die Oberfläche eines den Werkstoff bearbeitenden Werkzeugs (4) oder die Oberfläche eines Wechselwirkungsprodukts der ersten beiden gebildet ist.

8. Regelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels ihrer bildverarbeitenden Komponenten sowohl strukturelle Merkmale, als auch solche der Lage, Position oder Bewegung von Werkstoff (3) und/oder Werkzeug (4) zuordenbare Merkmale erfassbar sind.

9. Regelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch sie beeinflussbare Stellgrößen des Umformprozesses sowohl durch das Werkzeug (4) oder den Werkstoff (3) direkt beeinflussende physikalische Größen, als auch durch Hilfsmittel des Umformprozesses oder durch Handlungsanweisungen an Bedienpersonen gebildet sind.