DE102013001808A1

DE102013001808A1 - Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung des Volumens eines Prüflings sowie zur Ausführung eines solchen Verfahrens eingerichtete Prüfvorrichtung

Info

Publication number: DE102013001808A1
Application number: DE102013001808.0A
Authority: DE
Inventors: Ingo Stuke
Original assignee: GE Sensing and Inspection Technologies GmbH
Current assignee: Baker Hughes Digital Solutions GmbH
Priority date: 2013-02-04
Filing date: 2013-02-04
Publication date: 2014-08-07
Also published as: US10360670B2; CN105144235A; BR112015017940A2; CA2899146A1; US11010890B2; EP2951780A1; WO2014118367A1; US20200051229A1; US20170330314A1; EP2951780B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung des Volumens eines Prüflings, in dessen Verlauf ein Volumenrohbild des Prüflings mittels einer geeigneten bildgebenden zerstörungsfreien Prüfmethode aufgenommen wird. Nachfolgend werden die Bereiche des Volumenrohbilds identifiziert, die nicht dem Material des Prüflings zuzurechnen sind. Es wird überprüft, ob ein identifizierter Bereich vollständig in Bereichen eingebettet ist, die dem Material des Prüflings zuzuordnen sind. Gegebenenfalls erfolgt ein Angleichen eines derartigen Bereichs an die Bereiche, die dem Material des Prüflings zuzuordnen sind, unter Ausbildung eines aufgefüllten Volumenrohbilds. Schließlich erfolgt eine Differenzbildung zwischen Volumenrohbild und aufgefülltem Volumenrohbild unter Ausbildung eines ersten Fehlerbilds. Weiterhin ist Gegenstand der Erfindung eine zur Ausführung des Verfahrens eingerichtete Prüfvorrichtung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der automatisierten zerstörungsfreien Prüfung des Volumens eines Prüflings mittels geeigneter Prüfmethoden wie Ultraschallprüfung, Wirbelstromprüfung oder Röntgenprüfung. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung des Volumens eines Prüflings sowie eine Prüfvorrichtung, die zur Ausführung eines derartigen Verfahrens eingerichtet ist. Insbesondere kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ein dreidimensionales Abbild des Prüflings erzeugt werden, in welchem aufgefundene Fehleranzeichen, die dem Volumen des Prüflings zugeordnet werden können, verzeichnet sind. Das dreidimensionale Abbild kann Ausgangspunkt weiterer Verfahrensschritte zur Fehleranalyse und ggf. Fehlerklassifikation sein. In einer vorteilhaften Weiterbildung liefert das erfindungsgemäße Verfahren zumindest teil-, bevorzugt aber vollautomatisiert, eine Klassifikation des untersuchten Prüflings als „In Ordnung”/„Nicht In Ordnung” gemäß vorgegebener Klassifikationsparameter. Weiterhin kann das Verfahren adaptiv ausgestaltet werden, um sich selbstlernend an veränderte Prüfparameter anzupassen.
Im Bereich der zerstörungsfreien Materialprüfung ist eine Vielzahl von Prüfmethoden bekannt, die auf einem Vergleich von Prüfdaten, die mittels einer zerstörungsfreien Prüfmethode an einem Prüfling gewonnen wurden, mit einem CAD-Modell des Prüflings basieren. Diese Prüfmethoden lassen sich wegen des erforderlichen CAD-Modells des Prüflings ökonomisch nur auf Prüflinge anwenden, von denen eine größere Stückzahl identischer Exemplare z. B. im Rahmen einer Serienfertigung, geprüft werden sollen. Darüber hinaus ist stets eine Ausrichtung der tatsächlichen Prüfdaten am CAD-Modell erforderlich (eine „Registrierung”), was hohe Rechenleistungen erfordert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung des Volumens eines Prüflings anzugeben, welches sich zur Echtzeitprüfung z. B. von seriengefertigten Teilen eignet. Weiterhin ist es Aufgabe, eine zur Ausführung eines solchen Verfahrens geeignete Prüfvorrichtung anzugeben.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie eine Prüfvorrichtung gemäß Anspruch 11. Die auf diese Ansprüche bezogenen Unteransprüche stellen vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahren sowie der Prüfvorrichtung dar. Die Merkmale der Unteransprüche können im Rahmen des technisch Möglichen miteinander kombiniert werden, auch wenn dies nachfolgend nicht explizit beschrieben ist. Dies gilt auch für eine Kombination von Verfahrens- und Vorrichtungsansprüchen.
Besonders vorteilhaft basieren das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Prüfvorrichtung auf der Erzeugung von Volumenrohbildern eines Prüflings mittels Röntgen-Computertomographie. Die Inline-Aufnahme von dreidimensionalen Röntgen-Tomographiebildern z. B. innerhalb einer Fertigungsstraße ist zum Anmeldezeitpunkt dank vollautomatisiert arbeitenden CT-Scannern, die automatisiert mit Prüflingen beschickt werden, möglich geworden. Die Erfindung bezieht sich insbesondere darauf, die z. B. bei einem solchen CT-Verfahren anfallenden Volumenrohbilder der gescannten Prüflinge ebenfalls Inline, bevorzugt in Echtzeit, zu analysieren und für eine Fehler- bzw. Prüflingsklassifikation nutzbar zu machen.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren weist zumindest die folgenden Verfahrensschritte auf:

a. Aufnehmen eines Volumenrohbilds des Prüflings mittels einer geeigneten bildgebenden zerstörungsfreien Prüfmethode wie Röntgen-Computertomographie,
b. Identifizieren der Bereiche des Volumenrohbilds, die nicht dem Material des Prüflings zuzurechnen sind (im Folgenden: „Dunkelbereiche”), z. B. über eine Grauwerterfassung und Schwellwertanalyse,
c. Überprüfen eines identifizierten Dunkelbereichs darauf, ob er vollständig in Bereichen eingebettet ist, die dem Material des Prüflings zuzuordnen sind (im Folgenden: „Hellbereiche”), und gegebenenfalls Angleichen eines derartigen Dunkelbereichs an die umgebenden Hellbereiche unter Ausbildung eines aufgefüllten Volumenrohbilds bzw. eines diesem zugrundliegenden Datensatzes, und
d. Differenzbildung zwischen Volumenrohbild und aufgefülltem Volumenrohbild unter Ausbildung eines ersten Fehlerbilds bzw. eines diesem zugrundliegenden Datensatzes.

Alle im Rahmen des Verfahrens erzeugten Bilder stellen graphische Darstellungen von Datensätzen dar, die das Volumen des Prüflings ganz oder zumindest teilweise mit einschließen. Die diskutierten Bildverarbeitungsschritte werden daher typisch auf den zugrundeliegenden Datensätzen ausgeführt. Die graphischen Darstellungen dienen in erster Linie zur Veranschaulichung des Prüfergebnisses für einen menschlichen Bediener einer erfindungsgemäß eingerichteten Prüfvorrichtung. Im Folgenden werden die Begriffe „Bild” bzw. „graphische Darstellung” einerseits und „Datensatz” andererseits im Wesentlichen synonym verwendet.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung eines ersten Fehlerbilds kann vorteilhaft vollautomatisiert ausgeführt werden und liefert eine zuverlässige Erkennung von Fehleranzeigen, die auf größere Fehler wie Lufteinschlüsse, Lunker etc. im Volumen des Prüflings zurückgehen. Die erkannten Fehler können dann einer teil- oder bevorzugt vollautomatisierten Fehlerklassifikation mittels geeigneter Verfahren wie Schwellwertbetrachtungen etc. unterworfen werden, oder als Ausgangspunkte dienen („seed points”) für das aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren des „region-growing” bzw. dessen Weiterbildung gemäß dem Fachaufsatz „Interactive Volume Exploration for Feature Detection and Quantification in Industrial CT Data" von Markus Hadwiger et al. in IEEE Transactions on Visualisation and Computer Graphics, Vol. 14, No. 6 (November/December 2008), 1507–1514.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Volumenrohbild zusätzlich wie folgt verarbeitet:

e. Anwenden eines Filteralgorithmus wie eines Kantenfilters oder eines Medianfilters zur Verstärkung eventueller Fehleranzeichen unter Ausbildung eines gefilterten Volumenrohbilds, und
f. Grenzwertbildung des gefilterten Volumenrohbilds unter Ausbildung eines zweiten Fehlerbilds bzw. eines diesem zugrundliegenden Datensatzes.

Diese Weiterbildung erzeugt ein zweites Fehlerbild, in welchem auch Fehleranzeigen von Fehlern enthalten sind, die z. B. aufgrund ihrer geringeren Größe oder auch einer lokal nur geringfügig veränderten Dichte nur schwächere Signale im Volumenroh-bild erzeugen, so dass sie möglicherweise im ersten erfindungsgemäßen Fehlerbild nicht enthalten sind. Insbesondere ist es möglich und vorteilhaft, im Zusammenhang mit der Ausbildung des gefilterten Volumenrohbilds neben der Anwendung geeigneter Filteralgorithmen weiterhin eine Subtraktion des Volumenrohbilds vorzunehmen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das erste Fehlerbild und das zweite Fehlerbild in einem kombinierten Fehlerbild bzw. einem diesem zugrundliegenden Datensatz zusammengeführt werden, was Gegenstand einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens ist.
Gegenstand einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens ist es, wenn im kombinierten Fehlerbild die Bereiche unterdrückt werden, die im aufgefüllten Volumenrohbild z. B. aufgrund ihres lokalen Grauwerts nicht dem Material des Prüflings zugeordnet sind. Hierdurch können Fehleranzeigen, die nicht auf den Prüfling zurückzuführen sind, sondern z. B. Artefakte der bilderzeugenden Prüfmethode sind, sicher unterdrückt werden. Dies führt einerseits zu einer verbesserten Interpretierbarkeit der graphischen Darstellung des Ergebnisses des erfindungsgemäßen Verfahrens, andererseits bietet dies Vorteile bei einer nachfolgenden, teil- oder vollautomatisiert durchgeführten Fehlererkennung und -klassifikation.
Bei der verwendeten bildgebenden zerstörungsfreien Prüfmethode kann es sich neben der bereits erwähnten Röntgen-Computertomographie vorteilhaft auch um eine Tomographiemethode basierend auf Ultraschall oder Wirbelströmen handeln.
Das Verfahren ist insbesondere geeignet zur Prüfung von seriengefertigten Werkstücken, z. B. im Rahmen einer In-Line-Echtzeitprüfung.
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erlaubt es, vermeintliche Fehleranzeigen, die tatsächlich nicht mit als fehlerhaft anzusehenden Strukturen eines seriengefertigten Prüflings korreliert sind, zu unterdrücken. Bei solchen Fehleranzeigen kann es sich z. B. um Artefakte der für die Bilderzeugung verwendeten Prüfmethode handeln. Bei der Röntgentomographie werden z. B. Reflexionen an (inneren) Grenzflächen des Prüflings beobachtet, die zu lokalen Schattenbildungen führen können. Auch die Schwächung der Röntgenstrahlung im Material des Prüflings führt – zumindest bei Prüflingen mit größerem Volumen bzw. aus stark absorbierenden Werkstoffen, zu einem Abfall der Röntgenintensität zum Zentrum des Prüflings hin. Aber auch produktionsbedingte Fehlstellen, die z. B. bei Gießprozessen oftmals stets an denselben Positionen auftreten können und denen z. B. mit einer geeigneten lokalen Dimensionierung des Prüflings begegnet werden kann, können derartige Fehleranzeigen darstellen, die man bei einer Fehlerbewertung außer Betracht lassen möchte. Hierzu wird das erfindungsgemäße Verfahren mittels folgender zusätzlicher Verfahrensschritte weitergebildet:

g. Erzeugen eines Volumenreferenzbilds aus Volumenrohbildern von einem oder mehreren Prüflingen, der/die anhand vorgegebener Prüfkriterien als „In Ordnung” klassifiziert wurde/n,
h. Differenzbildung zwischen einerseits einem von erstem Fehlerbild, zweitem Fehlerbild oder kombiniertem Fehlerbild und andererseits Volumenreferenzbild.

Das Volumenreferenzbild enthält naturgemäß Informationen über o. g. Strukturen, die unterdrückt werden sollen. Eine Subtraktion dieses Volumenreferenzbilds vom ersten, zweiten oder kombiniertem Fehlerbild eliminiert daher gerade diese unerwünschten Strukturen. Dabei umfasst diese bevorzugte Weiterbildung des Verfahrens vorteilhaft weiterhin einen Registrierungsschritt, bei welchem eine Registrierung eines Volumenrohbilds auf ein Volumenreferenzbild oder auf ein 3d-CAD-Modell des Prüflings erfolgt. Alternativ oder auch ergänzend kann das Verfahren auch eine Registrierung des Volumenreferenzbilds auf ein 3d-CAD-Modell des Prüflings umfassen. Bevorzugt erfolgt eine Registrierung sowohl des Volumenrohbilds als auch des Volumenreferenzbilds auf ein 3d-CAD-Modell des Prüflings.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Kontext der Ausführungsbeispiele erläutert, die exemplarisch und nicht einschränkend zu verstehen sind. Dies bedeutet insbesondere, dass die dort offenbarten verfahrensbezogenen Merkmale im Rahmen des technisch Möglichen mit einzelnen oder mehreren der vorstehend diskutierten Merkmalen sowie den vorteilhaften Ausgestaltungen bzw. Weiterbildungen kombiniert werden können.
Nachfolgend werden kursorisch vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung diskutiert. Bezüglich der Funktionsweise sowie der vorteilhaften Wirkungen der Vorrichtung in ihren verschiedenen offenbarten Ausgestaltungen sowie der umfassten Merkmale wird auf die vorstehende Diskussion des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen, die unmittelbar auf die äquivalenten Vorrichtungsmerkmale übertragen werden kann.
Soweit eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Aufnahme und Verarbeitung von dreidimensionalen Abbildern eines Prüflings geeignet ist und ggf. hierzu im Folgenden separat bezeichnete Komponenten umfasst, so können diese Komponenten vorteilhaft als softwarebasierte Bestandteile eines computerbasierten Systems realisiert werden. Bei dem computerbasierten System kann es sich um ein handelsübliches betriebssystembasiertes PC-System handeln, welches zur Ausführung von frei programmierten Anwendungsprogrammen geeignet ist. Alternativ können die einzelnen Komponenten auch als Mikrocode für frei programmierbare Mikroprozessoren ausgeführt sein, oder auch als hardwareimplementierte Bauteile. Letztere können insbesondere bei rechenintensiven Operationen Geschwindigkeitsvorteile aufweisen.
Eine erfindungsgemäße Prüfvorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung des Volumens eines Prüflings umfasst zumindest die folgenden Merkmale:

a. eine Bilderzeugungseinheit zum Aufnehmen eines Volumenrohbilds des Prüflings mittels einer geeigneten bildgebenden zerstörungsfreien Prüfmethode,
b. eine Bildverarbeitungseinheit zur Weiterverarbeitung eines Volumenrohbilds, die dazu eingerichtet ist:
i. Bereiche des Volumenrohbilds zu identifizieren, die nicht dem Material des Prüflings zuzurechnen sind,
ii. einen identifizierten Bereich darauf zu überprüfen, ob er vollständig in Bereichen eingebettet ist, die dem Material des Prüflings zuzuordnen sind, und diesen Bereich gegebenenfalls an die Bereiche anzugleichen, die dem Material des Prüflings zuzuordnen sind, unter Ausbildung eines aufgefüllten Volumenrohbilds, und
iii. unter Differenzbildung zwischen Volumenrohbild und aufgefülltem Volumenrohbild ein erstes Fehlerbild zu erzeugen.

Dabei kann die Bilderzeugungseinheit insbesondere dazu eingerichtet sein, Volumenrohbilder eins Prüflings mittels einer Tomographiemethode basierend auf Röntgenstrahlung, Ultraschall oder Wirbelströmen zu erzeugen. Insbesondere kann sie dazu eingerichtet sein, eine In-Line-Prüfung von seriengefertigten Bauteilen durchzuführen, wozu sie vorteilhaft eine weitgehend oder vollständig automatisierte Manipulatoreinheit für eine Zufuhr der Prüflinge zur Bilderzeugungseinheit umfasst. Insbesondere kann es sich bei der Bilderzeugungseinheit um einen Röntgen-Computertomographen handeln, der zur Erzeugung von dreidimensionalen Volumenbildern von Prüflingen eingerichtet ist.
In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemä0en Prüfvorrichtung ist die Bildverarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, das Volumenrohbild weiterhin wie folgt zu verarbeiten:

c. Anwenden eines Filteralgorithmus wie eines Kantenfilters oder eines Medianfilters zur Verstärkung eventueller Fehleranzeichen unter Ausbildung eines gefilterten Volumenrohbilds, und
d. Grenzwertbildung des gefilterten Volumenrohbilds unter Ausbildung eines zweiten Fehlerbilds.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung ist die Bildverarbeitungseinheit dazu eingerichtet, das erste Fehlerbild und das zweite Fehlerbild in einem kombinierten Fehlerbild zusammenzuführen.
Allgemein kann die Prüfvorrichtung eine Anzeigeeinheit umfassen, auf der die erzeugten Fehlerbilder zur Anzeige für einen Bediener gebracht werden können. kann
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Bildverarbeitungseinheit der Prüfvorrichtung dazu eingerichtet, im kombinierten Fehlerbild die Bereiche zu unterdrücken, die im aufgefüllten Volumenrohbild nicht dem Material des Prüflings zuzuordnen sind.
Die Bildverarbeitungseinheit kann weiterhin dazu eingerichtet sein, zur Ausbildung des gefilterten Volumenrohbilds eine Subtraktion das Volumenrohbilds vorzunehmen.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst die erfindungsgemäße Prüfvorrichtung weiterhin eine Klassifizierungseinheit, die dazu eingerichtet ist, einen Prüfling anhand vorgegebener Prüfkriterien als „In Ordnung”/”nicht in Ordnung” zu klassifizieren. Eine solche Klassifikation kann z. B. anhand einer teil- oder vollautomatisierten Prüfung von Fehleranzeigen in den erfindungsgemäß erzeugten ersten, zweiten oder kombinierten Fehlerbildern vorgenommen werden. Ggf. kann hier auch ein ergänzender Benutzereingriff vorgesehen werden.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist die Bildverarbeitungseinheit der Prüfvorrichtung weiterhin dazu eingerichtet:

e. ein Volumenreferenzbild zu erzeugen aus Volumenrohbildern von einem oder mehreren Prüflingen, der/die anhand vorgegebener Prüfkriterien als „In Ordnung” klassifiziert wurde/n, und
f. die Differenz zu bilden zwischen einerseits erstem Fehlerbild, zweitem Fehlerbild oder kombiniertem Fehlerbild und andererseits Volumenreferenzbild.

In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Prüfvorrichtung weiterhin eine Registrierungseinheit umfasst, die dazu einrichtet ist, zumindest einen der beiden nachfolgenden Registrierungsschritte auszuführen:

g. Registrierung eines Volumenrohbilds auf ein Volumenreferenzbild oder auf ein 3d-Modell des Prüflings, oder
h. Registrierung des Volumenreferenzbilds auf ein 3d-Modell des Prüflings.

Weitere Vorteile und Merkmale der verschiedenen Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung ergeben auch sich aus den nachfolgenden Ausführungsbeispielen. Es wird darauf hingewiesen, dass sich die dort diskutierten Verfahrensmerkmale unmittelbar auf die erfindungsgemäße Vorrichtung übertragen lassen, soweit diese im Rahmen der vorliegenden Erfindung als zur Ausführung bestimmter Verfahrensschritte charakterisiert ist.
Die exemplarischen Ausführungsbeispiele werden anhand der Zeichnung erläutert, in der die Figuren folgendes zeigen:
1: ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
2: einen beispielhaften Schnitt durch ein zu verarbeitendes Volumenrohbild eines Prüflings,
3: einen Schnitt durch ein erfindungsgemäß gewonnenes bereinigtes kombiniertes Fehlerbild des Prüflings, wobei der dargestellte Schnitt dem Schnitt aus 2 entspricht,
4: ein gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren gewonnenes bereinigtes kombiniertes dreidimensionales Fehlerbild des Prüflings gemäß 2, und
5: eine schematische Darstellung einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt schematisch den Ablauf einer bevorzugten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. In diesem Ausführungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Verfahren angewendet auf ein dreidimensionales Volumenrohbild, welches mittels Röntgen-Computertomografie an einem als Gussteil ausgebildeten Pumpengehäuse gewonnen wurde. Ausgangspunkt des Verfahrens ist in Block 100 ein dreidimensionales Volumenrohbild des Pumpengehäuses. Dieses wird in Block 101 einem im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Segmentierung bezeichneten Verfahrensschritt unterworfen. Beim Segmentieren werden diejenigen Bereiche des Volumenrohbilds identifiziert, die nicht dem Material des Prüflings zuzurechnen sind. Grundlage für eine solche Zuordnung kann beispielsweise eine Analyse der Grauwerte im Volumenrohbild einschließlich einer Schwellwertbetrachtung sein.
Problematisch an einer derartig ausgeführten Zuordnung ist jedoch, dass beispielsweise größere Fehlstellen, Lunker oder eingeschlossene Gasblasen im Prüfling lokal einen Grauwert im Volumenrohbild hervorrufen, der dem Grauwert der dem Prüfling umgebenden Luft entspricht. Bei diesen Fehlerbereichen besteht daher die Gefahr, dass diese nicht dem Volumen des Prüflings zugerechnet werden. Im Segmentierungsschritt wird daher das Volumenrohbild analysiert, um diejenigen Bereiche im Volumenrohbild zu identifizieren, die nicht dem Material des Prüflings zuzurechnen sind. In einem nachfolgenden Bearbeitungsschritt werden die hier identifizierten Bereiche des Volumenrohrbilds dahingehend überprüft, ob sie vollständig in Bereichen eingebettet sind, die dem Material des Prüflings zuzuordnen sind. In einem sich daran anschließenden Bearbeitungsschritt werden die vollständig im Material des Prüflings eingebetteten identifizierten Bereiche an die Bereiche angeglichen, die dem Material des Prüflings zuzuordnen sind, beispielsweise indem ihnen ein mittlerer Grauwert des Volumens des Prüflings zugeordnet wird. Durch Angleichen der identifizierten Bereiche an die umgebenden Bereiche, die dem Material des Prüflings zuzuordnen sind, wird in Schritt 102 ein aufgefülltes Volumenrohbild erzeugt.
Im nachfolgenden Verfahrensschritt in Block 103 erfolgt eine Differenzbildung zwischen dem Volumenrohbild gemäß Block 100 und dem aufgefüllten Volumenrohbild gemäß Block 102 ergibt sich ein erstes Fehlerbild, aus welchem erste Fehleranzeigen ersichtlich sind.
Parallel wird das Volumenrohbild aus Block 100 in einem zweiten Zweig des Verfahrens weiteren Bearbeitungsschritten unterworfen. In Block 201 wird das Volumenrohbild gefiltert, beispielsweise mittels eines Kantenfilters oder eines Medianfilters. Im nachfolgenden Bearbeitungsschritt 202 erfolgt eine Differenzbildung zwischen dem Volumenrohbild aus Block 100 und dem gefilterten Volumenrohbild aus Block 201. Hieran anschließend erfolgt in Verfahrensschritt 203 eine Grenzwertbildung des gefilterten Differenzbilds aus Block 202, wodurch Fehleranzeigen, die eine vorgegebene Höhe nicht übersteigen, ausgeblendet werden. Es verbleiben zweite Fehleranzeigen, die mit kleineren Fehlern im Material des Prüflings korreliert sind. Die Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens kann wesentlich durch die Wahl der hier angewendeten Schwelle beeinflusst werden. Als Ergebnis dieses zweiten Bearbeitungszweigs liegt in Block 204 ein zweites Fehlerbild vor.
Nachfolgend werden das erste Fehlerbild (Block 104) aus dem ersten Bearbeitungszweig und das zweite Fehlerbild (Block 203) aus dem zweiten Verarbeitungszweig in ein kombiniertes Fehlerbild zusammengeführt, was in Schritt 301 erfolgt.
Im nachfolgenden Maskierungsschritt gemäß Block 302 werden im kombinierten Fehlerbild gemäß Block 301 diejenigen Bereiche des Fehlerbilds maskiert, die nicht dem Volumen des Prüflings zuzurechnen sind. Hierbei kann auf das aufgefüllte Volumenrohbild aus Block 102 zurückgegriffen werden. Aus dem aufgefüllten Volumenrohbild lässt sich z. B. mittels Schwellwertbetrachtung extrahieren, welche Bildbereiche dem Volumen des Prüflings zuzurechnen sind. Durch diesen Maskierungsschritt werden alle Fehleranzeigen eliminiert, die außerhalb des Prüflings liegen, bei denen es sich daher um Artefakte handeln muss. Als Ergebnis dieses Maskierungsschritts liegt in Block 303 ein bereinigtes kombiniertes Fehlerbild vor, welches dann nachfolgenden Bearbeitungsschritten beispielsweise für eine teil- oder vollautomatisierte Fehlererkennung und Klassifizierung unterzogen werden kann.
2 zeigt ein Schnittbild durch den Prüfling, welches anhand eines als Ausgangspunkt des erfindungsgemäßen Verfahrens dienenden Volumenrohbilds gemäß Block 100 gewonnen wurde.
3 zeigt nun ein äquivalentes Schnittbild desselben Prüflings, welches an dem bereinigten kombinierten Fehlerbild gemäß Block 303 gewonnen wurde, welches Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens ist. Deutlich zu erkennen ist, dass die Zahl der aus dem Schnittbild ersichtlichen Fehleranzeigen in 3 gegenüber 2 deutlich erhöht ist. Zugleich sind alle innerhalb der Umrisslinie des Prüflings liegenden Bereiche des Bilds dem Material des Prüflings zugeordnet, so dass sämtliche Fehleranzeigen in 3 einer automatisierten Weiterverarbeitung unterzogen werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es daher, zuverlässig solche Fehler zu vermeiden, die dadurch verursacht werden, dass Fehleranzeigen oberhalb einer bestimmten Größe nicht mehr dem Material des Prüflings zugerechnet werden.
4 zeigt nun eine perspektivische Darstellung eines kombinierten Fehlerbilds des Pumpengehäuses, von dem 2 und 3 Schnittbilder zeigen. Die Darstellung gemäß 4 sowie die zugrunde liegenden Daten wurden gewonnen durch eine Überlagerung des erfindungsgemäß gewonnenen bereinigten kombinierten Fehlerbilds gemäß Block 303 mit dem im Verlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens ebenfalls gewonnenen aufgefüllten Volumenrohbilds gemäß Block 102. Aus dieser kombinierten Darstellung ist einerseits die Struktur des untersuchten Prüflings deutlich zu entnehmen, andererseits sind die Fehleranzeigen sehr gut für einen Bediener einer erfindungsgemäß eingerichteten Prüfanlage zu erkennen. In dem Datensatz, der der Darstellung gemäß 4 zugrunde liegt, können die Fehleranzeigen weiterhin sehr einfach einer automatisierten Überprüfung und Klassifizierung zugeführt werden.
5 zeigt eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens, welches in das Verfahren gemäß 1 mit umfasst. Es handelt sich hierbei um eine vorteilhafte Weiterbildung, die es erlaubt, Artefakte in einem Volumenrohbild eines Prüflings, die durch die verwendete bilderzeugende zerstörungsfreie Prüfmethode hervorgerufen wurden, effektiv zu unterdrücken. Voraussetzung für die Ausführbarkeit des weiterentwickelten Verfahrens ist es, dass Referenz-Volumenrohbilder von einer Mehrzahl von Prüflingen vorliegen, die beispielsweise mittels anderer zerstörungsfreier Prüfverfahren untersucht und als im Rahmen der auszuführenden Prüfaufgabe als „In Ordnung” klassifiziert wurden. Diese Mehrzahl von Referenz-Volumenrohbildern werden auf ein Referenzmodell, beispielsweise ein dreidimensionales CAD-Modell des Prüflings registriert in Schritt 402. Registrierung bedeutet im Kontext der vorliegenden Erfindung, dass die an tatsächlichen Prüflingen gewonnenen Volumenrohbilder an einem Referenzmodell des Prüflings ausgerichtet werden. Diese Registrierung ist wesentlich für das Gelingen des weiterentwickelten Verfahrens, da hier Volumenrohbilder miteinander verglichen werden sollen, die an verschiedenen Prüflingen gewonnen wurden, die aufgrund der verwendeten Prüfmethode bei der Aufnahme der Referenz-Volumenrohbilder nicht zwangsläufig dieselbe Orientierung im Raum inne gehabt haben müssen. Als Ergebnis des Registrierungsschritts 402 liegt eine Mehrzahl von registrierten, d. h. an einem Referenzmodell ausgerichteten Referenz-Volumenrohbildern verschiedener Prüflinge vor, die als „In Ordnung” klassifiziert wurden.
Im nachfolgenden Verarbeitungsschritt 403 werden die registrierten Referenzvolumenrohbilder ggf. einer geeigneten Filterung wie wiederum einem Kantenfilter oder einem Medianfilter unterworfen, um ggf. vorhandene Strukturen deutlicher hervortreten zu lassen.
Im nachfolgenden Verarbeitungsschritt 404 erfolgt eine Mittelwertbildung über die Mehrzahl der registrierten, ggf. gefilterten Referenzvolumenrohbilder, um ein adaptives Referenz-Hintergrundbild zu erzeugen.
In Schritt 601 wird ein Volumenrohbild eines zu klassifizierenden Prüflings mit einer bildgebenden zerstörungsfreien Prüfmethode aufgenommen, welche der zur Aufnahme der Referenzbilder in Schritt 401 verwendeten bilderzeugenden Prüfmethode entspricht. Im nachfolgenden Schritt 602 wird das aufgenommene Volumenrohbild des zu klassifizierenden Prüflings in Block 602 in einem Registrierungsschritt an dem Referenzmodell gemäß Block 500 ausgerichtet. Das hierbei erzeugte ausgerichtete Volumenrohbild des zu klassifizierenden Prüflings wird dann im Block 603 dem Verfahren gemäß 1 unterworfen. Jedoch wird hier weiterhin eine Differenz gebildet zwischen Ergebnis des Verfahrens gemäß 1, d. h. zwischen dem bereinigten kombinierten Fehlerbild gemäß Block 303 und dem im Schritt 404 erzeugten registrierten Fehlerreferenzbild. Zusätzlich kann eine Schwellwertbetrachtung durchgeführt werden am erzeugten Differenzbild, um kleinere Abweichungen vom Referenzbild zu unterdrücken. Auch hier kann durch geeignete Wahl der Schwelle maßgeblich das Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens beeinflusst werden. Das sich in Block 603 ergebende Hintergrundkorrigierte bereinigte kombinierte Fehlerbild kann nachfolgend in Block 604 einer Fehlerklassifikation unterworfen werden, die insbesondere teil- oder vollautomatisiert ablaufen kann. Anhand des Ergebnisses dieser Fehlerklassifikation in Block 604 kann in Block 605 eine Entscheidungseinheit den analysierten Prüfling als „In Ordnung”/„nicht in Ordnung” klassifizieren. Dabei kann diese Klassifikation einerseits vollautomatisch ablaufen, andererseits ist hier auch ein Bedienereingriff denkbar und ggf. vorteilhaft.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Volumenrohbild, welches an einem mittels des vorstehend diskutierten Verfahrens analysiert und im Block 605 als „In Ordnung” klassifizierten Prüfling gewonnen wurde, zur Menge der Referenz-Volumenrohbilder gemäß Schritt 401 zugefügt wird. Auf diese Weise entsteht ein selbstlernendes System, bei welchem langsam veränderliche Einflüsse wie geringfügige Geometrieänderungen der analysierten Gussteile innerhalb der Serie durch Alterungserscheinungen von verwendeten Gussformen oder veränderte Blaseneinschlüsse durch geringfügig veränderte Prozessparameter bei Gießprozessen, automatisch kompensiert werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Interactive Volume Exploration for Feature Detection and Quantification in Industrial CT Data” von Markus Hadwiger et al. in IEEE Transactions on Visualisation and Computer Graphics, Vol. 14, No. 6 (November/December 2008), 1507–1514 [0008]

Claims

Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung des Volumens eines Prüflings, mit den folgenden Verfahrensschritten: a. Aufnehmen eines Volumenrohbilds des Prüflings mittels einer geeigneten bildgebenden zerstörungsfreien Prüfmethode, b. Identifizieren der Bereiche des Volumenrohbilds, die nicht dem Material des Prüflings zuzurechnen sind, c. Überprüfen eines identifizierten Bereichs darauf, ob er vollständig in Bereichen eingebettet ist, die dem Material des Prüflings zuzuordnen sind, und gebenenfalls Angleichen eines derartigen Bereichs an die Bereiche, die dem Material des Prüflings zuzuordnen sind, unter Ausbildung eines aufgefüllten Volumenrohbilds, und d. Differenzbildung zwischen Volumenrohbild und aufgefülltem Volumenrohbild unter Ausbildung eines ersten Fehlerbilds.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumenrohbild zusätzlich wie folgt verarbeitet wird: a. Anwenden eines Filteralgorithmus wie eines Kantenfilters oder eines Medianfilters zur Verstärkung eventueller Fehleranzeichen unter Ausbildung eines gefilterten Volumenrohbilds, und b. Grenzwertbildung des gefilterten Volumenrohbilds unter Ausbildung eines zweiten Fehlerbilds.
Verfahren gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Fehlerbild und das zweite Fehlerbild in einem kombinierten Fehlerbild zusammengeführt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im kombinierten Fehlerbild die Bereiche unterdrückt werden, die im aufgefüllten Volumenrohbild nicht dem Material des Prüflings zugeordnet sind.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung des gefilterten Volumenrohbilds eine Subtraktion des Volumenrohbilds vorgenommen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der bildgebenden zerstörungsfreien Prüfmethode um eine Tomographiemethode basierend auf Röntgenstrahlung, Ultraschall oder Wirbelströmen handelt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Prüfling um ein seriengefertigtes Werkstück handelt.
Verfahren gemäß den Ansprüchen 7 sowie 1, 2 oder 3, durch folgende weitere Verfahrensschritte gekennzeichnet: a. Erzeugen eines Volumenreferenzbilds aus Volumenrohbildern von einem oder mehreren Prüflingen, der/die anhand vorgegebener Prüfkriterien als „in Ordnung” klassifiziert wurde/n, b. Differenzbildung zwischen einerseits erstem Fehlerbild, zweitem Fehlerbild oder kombiniertem Fehlerbild und andererseits Volumenreferenzbild.
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin ein Registrierungsschritt umfasst ist, bei welchem eine Registrierung eines Volumenrohbilds auf ein Volumenreferenzbild oder auf ein 3d-Modell des Prüflings erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren eine Registrierung des Volumenreferenzbilds auf ein 3d-Modell des Prüflings umfasst.
Prüfvorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung des Volumens eines Prüflings, die folgenden Merkmale aufweisend: a. eine Bilderzeugungseinheit zum Aufnehmen eines Volumenrohbilds des Prüflings mittels einer geeigneten bildgebenden zerstörungsfreien Prüfmethode, b. eine Bildverarbeitungseinheit zur Weiterverarbeitung eines Volumenrohbilds, die dazu eingerichtet ist: i. Bereiche des Volumenrohbilds zu identifizieren, die nicht dem Material des Prüflings zuzurechnen sind, ii. einen identifizierten Bereich darauf zu überprüfen, ob er vollständig in Bereichen eingebettet ist, die dem Material des Prüflings zuzuordnen sind, und diesen Bereich gegebenenfalls an die Bereiche anzugleichen, die dem Material des Prüflings zuzuordnen sind, unter Ausbildung eines aufgefüllten Volumenrohbilds, und iii. unter Differenzbildung zwischen Volumenrohbild und aufgefülltem Volumenrohbild ein erstes Fehlerbild zu erzeugen.
Prüfvorrichtung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildverarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, das Volumenrohbild weiterhin wie folgt zu verarbeiten: a. Anwenden eines Filteralgorithmus wie eines Kantenfilters oder eines Medianfilters zur Verstärkung eventueller Fehleranzeichen unter Ausbildung eines gefilterten Volumenrohbilds, und b. Grenzwertbildung des gefilterten Volumenrohbilds unter Ausbildung eines zweiten Fehlerbilds.
Prüfvorrichtung gemäß Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildverarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, das erste Fehlerbild und das zweite Fehlerbild in einem kombinierten Fehlerbild zusammenzuführen.
Prüfvorrichtung gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildverarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, im kombinierten Fehlerbild die Bereiche zu unterdrücken, die im aufgefüllten Volumenrohbild nicht dem Material des Prüflings zuzuordnen sind.
Prüfvorrichtung gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildverarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, zur Ausbildung des gefilterten Volumenrohbilds eine Subtraktion das Volumenrohbilds vorzunehmen.
Prüfvorrichtung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bilderzeugungseinheit dazu eingerichtet ist, Volumenrohbilder eins Prüflings mittels einer Tomographiemethode basierend auf Röntgenstrahlung, Ultraschall oder Wirbelströmen zu erzeugen.
Prüfvorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfvorrichtung weiterhin eine Klassifizierungseinheit aufweist, die dazu eingerichtet ist, einen Prüfling anhand vorgegebener Prüfkriterien als „in Ordnung/nicht in Ordnung” zu klassifizieren.
Prüfvorrichtung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildverarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist: a. ein Volumenreferenzbild zu erzeugen aus Volumenrohbildern von einem oder mehreren Prüflingen, der/die anhand vorgegebener Prüfkriterien als „in Ordnung” klassifiziert wurde/n, b. die Differenz zu bilden zwischen einerseits erstem Fehlerbild, zweitem Fehlerbild oder kombiniertem Fehlerbild und andererseits Volumenreferenzbild.
Prüfvorrichtung gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin eine Registrierungseinheit vorgesehen ist, die dazu einrichtet ist, zumindest einen der beiden nachfolgenden Registrierungsschritte auszuführen: a. Registrierung eines Volumenrohbilds auf ein Volumenreferenzbild oder auf ein 3d-Modell des Prüflings, oder b. Registrierung des Volumenreferenzbilds auf ein 3d-Modell des Prüflings.