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Forschung und Praxis
Band 203
Berichte aus dem
Fraunhofer-Institut fOr Produktionstechnik
und Automatisierung (lPA), Stuttgart,
Fraunhofer-Institut fOr Arbeitswirtschaft
und Organisation (lAO), Stuttgart,
Institut fOr Industrielle Fertigung und
Fabrikbetrieb der Universitat Stuttgart und
Institut fOr Arbeitswissenschaft und
Technologiemanagement, Universitat Stuttgart
Herausgeber: H.J. Warnecke und H.-J. Bullinger
Knut Kille
Verfahren der Konturanalyse
zur Automatisierung
visueller Priifvorgange
Mit 50 Abblldungen und 15 Tabellen
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg New York
London Paris Tokyo
Hong Kong Barcelona
Budapest 1994
Dipl.-Ing. Knut Kille
Fraunhofer-Instltut fOr Produktlonstechnlk und Automatlsierung (IPA), Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Dr.-Ing. E. h. H. J. Warnecke
o Professor an der Unlversitat Stuttgart
Fraunhofer-Institut fur Produktlonstechnik und Automatlsierung (IPA), Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h. c. H.-J. Bullinger
o. Professor an der Universitat Stuttgart
Fraunhofer-Institut fOr Arbeitswlrtschaft IJnd Organisation (lAO), Stuttgart
093
ISBN-13: 978-3-540-58513-8 e-ISBN-13: 978-3-642-47872-7
001: 10.10071 978-3-642-47872-7
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© Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg 1994
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SPIN 10483836 62/3020-6543210
Geleitwort der Herausgeber
Uber den Erfolg und das Bestehen von Unternehmen in einer markt
wirtschaftlichen Ordnung entscheidet letztendlich der Absatzmarkt.
Das bedeutet, moglichst fruhzeitig absatzmarktorientierte Anforde
rungen sowie deren Veranderungen zu erkennen und darauf zu reagie
reno
Neue Technologien und Werkstoffe ermoglichen neue Produkte und er
offnen neue Markte. Die neuen Produktions- und Informationstechno
logien verwandeln signifikant und nachhaltig unsere industrielle
Arbeitswelt. Politische und gesellschaftliche Veranderungen signa
lisieren und begleiten dabei einen Wertewandel, der auch in unse
ren Industriebetrieben deutlichen Niederschlag findet.
Die Aufgaben des Produktionsmanagements sind vielfaltiger und an
spruchsvoller geworden. Die Integration des europaischen Marktes,
die Globalisierung vieler Industrien, die zunehmende Innovations
geschwindigkeit, die Entwicklung zur Freizeitgesellschaft und die
ubergreifenden okologischen und sozialen Probleme, zu deren Losung
die Wirtschaft ihren Beitrag leisten muB, erfordern von den Fuh
rungskraften erweiterte Perspektiven und Antworten, die uber den
Fokus traditionellen Produktionsmanagements deutlich hinausgehen.
Neue Formen der Arbeitsorganisation im indirekten und direkten
Bereich sind heute schon feste Bestandteile innovativer Unterneh
men. Die Entkopplung der Arbeitszeit von der Betriebszeit, inte
grierte Planungsansatze sowie der Aufbau dezentraler Strukturen
sind nur einige der Konzepte, die die aktuellen Entwicklungsrich
tungen kennzeichnen. Erfreulich ist der Trend, immer mehr den Men
schen in den Mittelpunkt der Arbeitsgestaltung zu stellen - die
traditionell eher technokratisch akzentuierten Ansatze weichen ei
ner starkeren Human- und Organisationsorientierung. Qualifizie
rungsprogramme, Training und andere Formen der Mitarbeiterent
wicklung gewinnen als Differenzierungsmerkmal und als Zukunftsin
vestition in Human Recources an strategischer Bedeutung.
Von wissenschaftlicher Seite muB dieses Bemuhen durch die Ent
wicklung von Methoden und Vorgehensweisen zur systematischen
Analyse und Verbesserung des Systems Produktionsbetrieb ein
schlieBlich der erforderlichen Dienstleistungsfunktionen unter
stutzt werden. Die Ingenieure sind hier gefordert, in enger Zusam
menarbeit mit anderen Disziplinen, z.B. der Informatik, der Wirt
schaftswissenschaften und der Arbeitswissenschaft, Losungen zu er
arbeiten, die den veranderten Randbedingungen Rechnung tragen.
Die von den Herausgebern geleiteten Institute, das
- Institut fur Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb der
Universitat Stuttgart (IFF),
- Institut fur Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement (IAT
- Fraunhofer-Institut fur Produktionstechnik und Automatisierung
(IPA) ,
- Fraunhofer-Institut fur Arbeitswirtschaft und Organisation (lAO
arbeiten in grundlegender und angewandter Forschung intensiv an
den oben aufgezeigten Entwicklungen mit. Die Ausstattung der
Labors und die Qualifikation der Mitarbeiter haben bereits in der
Vergangenheit zu Forschungsergebnissen gefuhrt, die fur die Praxi
von groBem Wert waren. Zur Umsetzung gewonnener Erkenntnisse wird
die Schriftenreihe "IPA-IAO - Forschung und Praxis" herausgegeben
Der vorliegende Band setzt diese Reihe fort. Eine Obersicht uber
bisher erschienene Titel wird am SchluB dieses Buches gegeben.
Dem Verfasser sei fur die geleistete Arbeit gedankt, dem Springer
Verlag fur die Aufnahme dieser Schriftenreihe in seine Angebots
palette und der Druckerei fur saubere und zugige Ausfuhrung. Mage
das Buch von der Fachwelt gut aufgenommen werden.
H.J. Warnecke H.-J. Bullinger
Vorwort
Die vorliegende Arbeit entstand wahrend meiner Tatigkeit als wissenschaftlicher Mitar
beiter am Institut fUr Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb (IFF) und am Fraunhofer
Institut fur Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), Stuttgart.
Mein Dank gilt Herrn Prof. Dr.-lng. H.-J. Warnecke fUr die groSzugige Unterstutzung
und Forderung meiner Arbeit sowie Herrn Professor Dr.-phil. H.J. Tiziani fur die Dber
nahme des Koreferates und die konstruktive Durchsicht der Arbeit.
Daruberhinaus danke ich allen Mitarbeitern des Instituts, die mich in zahlreichen Diskus
sionen mit Anregungen und Kritik unterstutzt haben. Insbesondere gilt mein Dank Herrn
Dr.-Ing. W. Rauh fUr seine wertvollen Anregungen sowie den Herren Konrad Hager und
Ralph Bogusch fUr die Mitarbeit bei den umfangreichen Programmiertatigkeiten.
Die DurchfUhrung dieser Arbeit lieS mir oft wenig Zeit fUr meine Familie. Fur ihre Unter
stutzung und ihr Verstandnis danke ich daher ganz besonders meiner Frau Sabine.
Stuttgart, J uni 1994 Knut Kille
Inhaltsverzeichnis
o Verwendete Abkiirzungen und Fonnelzeichen ..................... 11
1 Einleitung ................................................... 15
2 Visuelle Priifung in der Qualitatssicherung ...................... 17
2.1 Problemstellung und Zielsetzung ............................. 17
2.2 Stand der Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 20
3 Bewertungskriterien fUr Sichtpriifprozesse ....................... 25
3.1 Bewertungskriterien fUr die PriifdurchfUhrung ................... 27
3.2 Bewertungskriterien fUr das Priifergebnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 30
3.3 Bewertungskriterien fUr automatische Priifanlagen ............... 31
3.4 Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 32
4 Automatisierung der Fehlstellenerkennung ....................... 35
4.1 Konzeption von Priifeinrichtungen ............................ 35
4.1.1 Sensorik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 35
4.1.2 Optik und Beleuchtung ..................................... 39
4.1.3 Bildauswertesystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 40
4.2 Ableitung einer automatisierungsgerechten Priifspezifikation ...... 41
4.3 Systemperipherie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 43
5 Basisalgorithmen fiir die Konturanalyse ......................... 45
5.1 Konturdarstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 45
5.2 Differentialgeometrie ebener Kurven .......................... 47
5.3 Filter fUr die Konturanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 49
5.4 Effiziente Berechnung von Faltungskernen ..................... 51
5.5 Behandlung des Randproblems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 56
5.6 Merkmalsextraktion ........................................ 59
5.6.1 Kriimmung ............................................... 59
5.6.2 Richtungswinkel ........................................... 62
5.7 Scale-Space Filtering ....................................... 65
- 10-
6 Konturanalyseverfahren zur Fehlstellenerkennung ................ 69
6.1 Fehlstellendetektion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 69
6.1.1 Skalenanalyse ............................................. 69
6.1.2 Analyse des Richtungswinkels ................................ 75
6.2 Merkmalsbewertung und Klassifikation ........................ 81
6.3 Programmtechnik .......................................... 82
7 Anwendungsbeispiel ........................................... 83
7.1 Sichtpriifung an Hartmetall-Wendeschneidplatten ............... 83
7.2 Beschreibung der Systemlosung ............................... 85
7.2.1 Priifeinrichtung ........................................... , 88
7.2.2 Automatische Ausbrucherkennung und Bewertung ............... 91
7.2.3 Systemperipherie zur Automatisierung von Nebentatigkeiten ...... 92
7.2.4 Integration in das Fertigungsumfeld ........................... 94
7.3 Bewertung der Automatisierungslosung ........................ 95
8 Zusammenfassung und Ausblick ................................ 97
9 Literatur .................................................... 99
o
Verwendete Abkiirzungen und Formelzeichen
a Richtungswinkel einer Kurve
A Flache
A AusschuBquote
AffEA Anteil fehlerfreier Einheiten im AusschuB
AfhEL Anteil fehlerhafter Einheiten in der Lieferung
~ AbbildungsmaBstab bzw, Normalenrichtung
B Breite
B(n,p) Binomialverteilung
Bmax,mm maximale, minimale Ausbruchbreite
BLI Bilinear-Interpolation
c,r Diskrete Ortsfrequenzen
c Faltungsmatrix bzw, ebene Kurve
C Variationskoeffizient
CAQ Computer Aided Quality Assurance
D Durchmesser
DGQ Deutsche Gesellschaft fur Qualitat
DIN Deutsches Institut fur Normung
d Richtungsdifferenz
E Relativer Fehler
Erkennungssicherheit der fehlerfreien Einheiten
Erkennungssicherheit der fehlerhaften Einheiten
f Brennweite bzw, Signal
F Flache bzw, Scale-Space Image
FAR Falschliche Akzeptanzrate
FFf Fast Fourier Transformation (Schnelle Fourier Transformation)
FRR Hilschliche Ruckweisungsrate
g Gewichtsfunktion bzw, GauBfunktion
Gewichtsfaktoren
g(l)
G Obertragungsfunktion
H Hohe
Konturparameter im diskreten Fall
/,J Diskrete Ortskoordinaten
K Allgemeiner diskreter Filterkern
Krummung einer Kurve
K
- 12-
Liinge
L Lange bzw. linearer Differentialoperator
it Merkmalsvektor
m,n Pixelzahl
MaBstabsfaktoren in x- bzw. y-Richtung
M Menge aller Einheiten im Priiflos
MA Menge aller Einheiten im AusschuB
ML Menge aller Einheiten in der Lieferung
MffE Menge der fehlerfreien Einheiten im Priiflos
MfhE Menge der fehlerhaften Einheiten im Priiflos
MffEA Menge der fehlerfreien Einheiten im AusschuB
MfhEA Menge der fehlerhaften Einheiten im AusschuB
MffEL Menge der fehlerfreien Einheiten in der Lieferung
MfhEL Menge der fehlerhaften Einheiten in der Lieferung
Normierter Normalenvektor einer Kurve
Komponenten des normierten Normalenvektors in x- bzw. y-Richtung
Nachster-Nachbar-Interpolation
Objektpunkt
0' Bildpunkt
n Streuwinkel
p Wahrscheinlichkeit
p Kurvenpunkt
Pixel Bildpunkt (eng!. von: picture element)
PWA Punktweise Abtastung
Q Qualitatslage
1> Winkel
r Kreisradius bzw. Richtungscode
Rundheit
Rauhheitswert
Standardabweichung
s Bogenlange, Kurvenlange
a Skalenparameter beim Scale-Space Filtering bzw.
Standardabweichung der GauBschen Normalverteilung
SPC Statistische ProzeB-Kontrolle (eng!. von: statistic process control)
Zeit bzw. Skalenparameter beim Scale-Space Filtering bzw.
Konturparameter (Bogenlangenparameter) im kontinuierlichen Fall
Tangentenvektor einer Kurve
