Virtuelle Inspektionsplanung – Paradigmenwechsel durch Simulation

Fabriken werden immer stärker automatisiert. Produktionsanlagen sind flexibler, so dass bei Umstellung auf neue Produkte keine neuen Anlagen gebaut werden müssen. Die Hardwarekonfiguration der visuellen Inspektionssysteme – der letzte Nagel, der verhindert, dass die Inspektionssysteme wirklich zweckflexibel und damit bereit für die Implementierung als Teil der Industrie 4.0-Prozesskette sind. Die Produktionslinien werden immer vielseitiger, und die Produkte ändern sich schnell, so dass die Inspektionssysteme mit immer komplexeren Oberflächen und Materialien konfrontiert werden. Jeder Schritt der Produktion wird kontrolliert und digitalisiert, um so flexibel wie möglich zu sein. Wenn es jedoch um die Inspektion geht, sind monatelange Vorstudien erforderlich, und es gibt keine Lösung von der Stange, die sich leicht an verschiedene Anwendungsfälle und Oberflächen unterschiedlicher Komplexität anpassen lässt.

 

Prozesse flexibler und effizienter gestalten

Der Begriff Industrie 4.0 ist inzwischen weit verbreitet und in aller Munde. Ein wichtiger Aspekt, der oft vernachlässigt wird, ist die anschließende visuelle Inspektion der Produkte. Selbst wenn diese automatisiert stattfindet, ist sie meist relativ starr und nur auf spezifische Produkte zugeschnitten. Neue Systeme werden iterativ entwickelt. Experten entwerfen ein initiales System, das anschließend solange modifiziert wird, bis es das Produkt ausreichend genau inspizieren kann. Diese Tests verschiedener Hardwarelösungen kosten viel Zeit und Mühe – mehrere Stunden pro Testlauf.

Daher wird oft eine Konfiguration gewählt, die funktioniert, jedoch nicht annährend optimal ist. Daraus erwachsende Schwächen bei der Bildqualität müssen später algorithmisch ausgeglichen werden. Um diese Schwachstelle zu schließen, entwickeln wir ein adaptives, simulationsbasiertes Framework, das den Entwicklungsprozess für Inspektionssysteme revolutionieren wird. Künftig sollen industrielle Inspektionssysteme vollständig virtuell entworfen und mit diesem Framework auf ihre Zuverlässigkeit getestet werden.

Forschergruppe
© Fraunhofer ITWM
Die Arbeitsgruppe besteht aus Petra Gospodnetic, Dascha Dobrovolskij, Markus Rauhut, Prof. Hans Hagen, Markus Kronenberger und Dennis Mosbach. Auf dem Foto fehlt Falco Hirschenberger.
Airplane Wing Detection
© Fraunhofer ITWM
Parametric texture synthesis over multiple-scales for the purpose of physically correct inspection simulation and dataset generation.

Framework Entwicklung

Die Forschungsgruppe Virtuelle Inspektionsplanung unseres Instituts hat sich zum Ziel gesetzt, einen Paradigmenwechsel herbeizuführen, indem sie einen modularen Rahmen entwickelt, der in der Lage ist, die Erfassungsanforderungen für die vollständige Inspektion eines beliebigen Produkts zu planen. Mit Hilfe von Computer Vision, Computergrafik, maschinellem Lernen und Robotik ist es möglich, einen Rahmen zu entwickeln, der Werkzeuge für die Designoptimierung bietet und die Annahme eines flexiblen Bilderfassungsaufbaus ermöglicht. Gegenwärtig gibt es nur sehr wenig oder gar keine Forschung, die sich auf den Entwurf und die Optimierung von Inspektionssystemen konzentriert.

Darüber hinaus entwickeln wir Computer Vision Algorithmen und testen diese an simulierten Daten, um das Problem zu lösen, dass oft nicht genug Proben der zu untersuchenden Defekte vorhanden sind. Dies ist besonders häufig in Bereichen der Fall, in denen Fehler selten auftreten, aber wenn sie vorkommen, verheerende Auswirkungen haben können – wie zum Beispiel bei einer Turbinenscheibe im Flugzeug oder bei Bremsen im Auto. Daher haben wir eine modulare Pipeline eingeführt, die sich auf folgende Punkte konzentriert:

  • Erzeugung/Optimierung von Gesichtspunkten
  • Interaktive Auswertung und Planung
  • Modellierung von Defekten
  • Plansimulation und Datensatzerstellung
  • Physikalische Verifizierung

Video: Neue Wege in der Bildverarbeitung

Mit Hilfe von Computer Vision, Computergrafik, maschinellem Lernen und Robotik wird bei uns am Fraunhofer ITWM ein virtuelles Framework konzipiert, welches das iterative Design eines Inspektionssystems unterstützt und somit ein fixes Bildaufnahme-Setup als Ausgangspunkt umgeht.

Virtuelle Bildverarbeitung

Video: Planung der visuellen Inspektion der Internationalen Raumstation

Die ISS befindet sich seit über 20 Jahren in der Erdumlaufbahn. Wie bei jedem anderen Produkt können auch ihre Komponenten ausfallen oder beschädigt werden. Das Problem ist jedoch, dass sie kaum "zur Hand" ist, um inspiziert und repariert zu werden. Anhand der öffentlich zugänglichen Daten haben wir das Inspection Planning Framework angewendet, um herauszufinden, was für eine Inspektion notwendig wäre.