DE3842636A1

DE3842636A1 - Verfahren zur ueberpruefung von bauteilen

Info

Publication number: DE3842636A1
Application number: DE3842636A
Authority: DE
Inventors: Guenther Dipl Phys Dr Rer Coen; Rudolf Kretschmer; Friedhelm Dipl Phys Niehues; Roland Dipl Phys Dr Rer N Keck
Original assignee: BETR FORSCH INST ANGEW FORSCH
Current assignee: BETR FORSCH INST ANGEW FORSCH
Priority date: 1988-12-18
Filing date: 1988-12-18
Publication date: 1990-06-21
Anticipated expiration: 2008-12-19
Also published as: DE3842636C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überprüfung von Bauteilen gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bezeichne ten Art.

Ein derartiges Verfahren ist nach der Veröffentlichung von R. Keck und G. Coen "Automatische Auswertung von Röntgenbildern mit dem System REBUS" in QZ 32, 1987, Heft 1, Seiten 33 bis 36 für die Untersuchung von Bauteilen mit Schweißnähten auf Schweißnahtfehler bekannt. Das Röntgenbild dient als Urbild, das beim Einzug zu Bild punkten eines Originalbildes diskretisiert und dann einer AD-Wand lung, einer Segmentierung, einer Rauschunterdrückung, einer Fehler randerkennung, einer Eventualfehlerisolierung, einer Fehlermerk mals-Extraktion, einer Pseudofehlerausschließung, einer Fehler klassierung und -bewertung und schließlich einer Archivierung in einem Datendarstellungssystem unterzogen wird. Das Urbild wird zu nächst in 512 Bildpunkte zerlegt. Die zunächst noch analogen Bildintensitäten werden dann in 256 diskrete Intensitätswerte, also in Graustufen, die der Wiedergabemöglichkeit im Datendarstellungs system entsprechen, digitalisiert. Der durch diese Transformation bedingte Informationsverlust durch Diskretisierungsrauschen bzw. Digitalisierungsrauschen wird durch die Erzeugung mehrerer Origi nalbilder und Aufsummierung derselben mit anschließender Division durch die Bildanzahl verringert, zu welchem Zweck die optimale An zahl der erforderlichen Originalbilder mittels eines Programmseg mentes berechnet wird. Die Segmentierung führt zu einem grauwert kodierten Wanddickenrelief, von dem ein synthetisches Hintergrund bild erzeugt wird, welches zunächst die Schweißnahtfehler über sieht. Ein aus dem Wanddickenrelief und seinem Hintergrundbild er zeugtes Differenzbild führt sodann zur Fehlerdarstellung, die der weiteren Verarbeitung unterliegt.

Demgegenüber ist die Aufgabenstellung der Erfindung einerseits die Ausdehnung des Verfahrens auf beliebiges, der Qualitätssicherung von Bauteilen dienendes Bildmaterial, welches bei der zerstörungs freien wie auch bei der zerstörenden Werkstoffprüfung entsteht.

Neben Röntgenbildern sollen daher vor allem Ultraschallbilder, Magnetstreuflußbilder, Farbeindring-Bilder sowie makroskopische und mikroskopische Bilder des Gefüges und der Oberfläche der Bauteile in Betracht kommen. Dabei soll die Aussagefähigkeit des Datendar stellungssystems wesentlich gesteigert werden, indem eine dem Ver halten des menschlichen Auges ähnliche Akkommodation in Hinblick auf die Fehlerdarstellung verwirklicht wird. Das dargestellte Ergebnis soll sodann in sinnvoller Weise für die Sicherstellung der Qualität der Bauteile eingesetzt werden, so daß Schäden an Anlagen, bei denen die Bauteile eingesetzt sind, vermieden bzw. herabgesetzt werden.

Die Erfindung löst diese Aufgabenstellung durch die in den Patent ansprüchen gemachten Vorschläge.

Somit wird die Digitalisierung grundlegend in einem Ausmaß vollzo gen, welches entgegen der bisher bekannten Weise über die Möglich keiten des Datendarstellungssystems beträchtlich hinausgeht. Da durch wird die Voraussetzung für eine generalisierte Segmentierung geschaffen, um die Reduzierung auf die darstellbare Graustufenan zahl vornehmen zu können, indem die unwichtigen Graustufenbereiche ausgeschieden werden. Für die zu lösenden Probleme sind Parameter in der Segmentierung enthalten, deren Werte jeweils genau angepaßt werden können, um so eine problemorientiert optimale Wahl zu tref fen, so daß der Vielfalt der zu bewertenden Bildinformationen Rech nung getragen werden kann. Der Vergleich mit den tolerablen Fehler maßen geht auf in der Regel empirisch aufgefundene Fehlerdaten zurück. Sowie sich ergibt, daß das Bauteil das tolerable Maß über schreitende Fehler aufweist, werden Maßnahmen zur Qualitätssiche rung getroffen, indem entweder in den Herstellungsablauf mit der Zielsetzung einer Herabsetzung des Fehlermaßes unter die Toleranz grenze eingegriffen wird (quasi online), oder indem bei einem bereits eingebauten Bauteil eine Entfernung oder ein Austausch durchgeführt werden.

Während bei der üblichen Digitalisierung entsprechend dem Umfang des Datendarstellungssystems in der Regel 8-bit-Graustufen aufge löst werden, wird gemäß der Erfindung der Auflösungsumfang mit 12 oder sogar 16 bit gewählt, wobei das Datendarstellungssystem seine Begrenzung mit 8 bit entsprechend 256 Graustufen beibehält.

Bei der Äquidensitendarstellung kommt es im zweidimensionalen Bild zu einer optimierten Graustufenzumessung, so daß jede 8-bit-Grau stufe nach der Transformation mit nahezu gleicher Häufigkeit reprä sentiert ist. Zunächst wird von beispielsweise 1024 Bild punkten eine Häufigkeitsverteilung im Hinblick auf die vorhandenen Graustufen bestimmt. Möglich sind bei 12 bit 4096 Graustufen; dar stellbar sind jedoch lediglich 256 Graustufen. Die Graustufen des Originalbildes werden daher zunächst in Gruppen aufgeteilt, die ihrerseits auf 256 Klassen mit der Maßgabe aufgeteilt werden, daß jede dieser 256 Klassen eine gleiche Anzahl von Einzelwerten (Grau stufen des Originalbildes) aufnimmt. Die Einzelwerte sind mithin die in den Gruppen erfaßten Graustufen. Von den z.B. 2²⁰ Bildpunk ten des Originalbildes kann jeder nur eine von 4096 verschiedenen Graustufen annehmen; somit hat jede dieser einzelnen Graustufen eine unterschiedliche Häufigkeit, da sie in mehreren unterschied lichen Bildpunkten vertreten sind. Das mit dem Datendarstellungs system, also beispielsweise mit dem Monitor, dargestellte Bild führt im Ergebnis zu einer beträchtlich gesteigerten Auflösung des Graustufenumfanges und damit der Kontrasterkennbarkeit.

Die bevorzugte Art der Fehlerprüfung ist bei Anwendung der Äquiden sitenmethode die aufeinanderfolgende Darstellung mit unterschiedli chen Parametern.

Nach einem anderen Merkmal der Erfindung wird für die Fehlerüber prüfung von der Falschfarbenmethode Gebrauch gemacht. Dieser Metho de liegt der bekannte Farbwürfel zugrunde, bei welchem die vom Koordinatenanfangspunkt ausgehende Raumdiagonale 2¹², also 4096, Graustufen aufweist. Wenn man nun aus der Graustufenanzahl für jede einzelne der Grundfarben rot, grün und blau den Anteil von vier bit zugrundelegt, so würde dies bei der Falschfarbenzuordnung zwar zu einer eindeutigen Aussage führen, aber die Fehlerauswertung ihr Ziel verfehlen, weil die Zuordnung zwischen Graustufen und Farben für das menschliche Auge nicht mehr nachvollziehbar wäre. Zur Ver ringerung dieser Schwierigkeit sieht die Erfindung vor, stattdessen pro Grundfarbe (rot, grün, blau) je 8 bit zu verwenden, und sich dafür auf äquiluminante Stufen der einzelnen Farbmischungen zu be schränken, so daß von an sich 2²⁴ Farbmischungen (2⁸)³ nur 2¹² Farbmischungen verbleiben. Damit wird jede Farbmischung auf gleiche Leuchtdichte abgestellt, womit für die Zuordnung zu den Graustufen eine notwendige Voraussetzung erfüllt wird, die indes noch nicht hinreichend ist. Durch Reduzierung der Farbmischungen auf diejeni gen, die besonders gut voneinander unterscheidbar sind, läßt sich indes auch die hinreichende Bedingung erfüllen. Beispielsweise kann man sich auf das Rot-Grün-Koordinatensystem beschränken und die Mischfarbe gelb einführen, so daß die Grundfarbe blau völlig aus der Auswertung ausscheidet, was eine Reduzierung von 2²⁴ auf 2¹⁶ zur Folge hätte. Indes lassen sich auch andere, unter dem Gesichts punkt der jeweils optimalen Erkennbarkeit geeignete Kriterien ein führen, um zu der erforderlichen Transformation zwischen Graustufen und äquiluminanten Farbmischwerten zu kommen.

Für die Überprüfung von Fehlern nach der Falschfarbenmethode eignet sich gemäß der Erfindung insbesondere die gleichzeitige Darstellung bei Anwendung mehrerer Parameter.

Sowohl bei der sukzessiven als auch bei der gleichzeitigen Dar stellung der Fehler weicht die Erfindung mithin von der bekannt ge wesenen, parameterfreien Diskriminierung von Bildvordergrund und Bildhintergrund ab, indem von den problemspezifischen Parametern jeder gezielt Einfluß auf bestimmte Fehlermerkmale nimmt. Bei der gleichzeitigen Darstellung finden insbesondere zwei Parameter An wendung, die beispielsweise eine artspezifische und eine größen spezifische Trennung der einzelnen Fehler gestatten, indem der er ste Parameter bevorzugt auf artspezifische Merkmale und der zweite Parameter bevorzugt auf größenspezifische Merkmale anspricht.

Die Segmentierung mit den vorerwähnten Parametern ist Voraussetzung für die Anwendung eines ersten Expertensystems, welches es ge stattet, beliebige Bilder, die eine Qualitätsaussage zulassen, einer Auswertung zu unterziehen. Bei einer derartigen Auswertung wird im Rahmen der Segmentierung die Anzahl der Parameter und die Art der Algorithmen nicht geändert. Wohl können in die Parameter eingebbare Zahlenwerte eine Änderung erfahren, um auf diese Weise die Problemorientierung vorzunehmen. Auch die Expertensysteme wer den als solche nicht geändert. Bei ihnen wird lediglich die Wissensbasis je nach Aufgabenstellung modifiziert, wohingegen der überwiegende In halt des Expertensystems (shell) erhalten bleibt. In beiden Fällen, also sowohl bei den Parametern als auch beim Expertensystem, kommt es also lediglich auf den Austausch von Zahlen an, die bei den Parametern von geringer Anzahl sind, während sie beim Experten system einige tausend betragen können. Hierfür ist maßgeblich, daß jede Bildart einer anderen Wissensbasis und einem anderen System seiner Auswahlkriterien entspricht. Somit hat das erste Experten system im Zusammenhang mit der Erfindung einen wesentlich größeren Umfang als bislang, weil ihm verschiedene vorhandene Wissensbasen zugrundelegbar sind.

Das zweite Expertensystem wird zwecks Vorgabe eines tolerablen Feh lermaßes zur Klassifizierung nach Art, Lage, Größe und Orientie rung benötigt und setzt, da es auch mehrere Wissensbasen benötigt, einen gleichfalls vergrößerten Umfang voraus.

Der Rahmen der Erfindung wird nicht verlassen, wenn der Dynamikbe reich der Digitalisierung noch künstlich erweitert wird, indem bei spielsweise die 12-bit-Graustufen auf 16-bit-Graustufen aufgeweitet werden. Eine derartige Aufweitung der Graustufen führt jedoch nicht zu einer Zunahme der Graustufenauflösung beim Originalbild. Eine derartige Aufweitung hat aber den Vorteil, daß eine Verschlechte rung der Signal-Dynamik beim Durchlauf durch mehrere Verarbeitungs stufen weniger ausgeprägt wird. Der Informationsverlust läßt sich auf diese Weise sehr stark herabsetzen, wenn nicht sogar ganz aus schalten.

Gleichfalls ist die lokale Diskretisierung aufweitungsfähig, indem man beispielsweise Unterbildpunkte bis zum Ausmaß von 64 neuen Bildpunkten je ursprünglichen Bildpunkt erzeugt.

Die Ausführbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht auf Prozessoren der Serie 680XX, also beispielsweise MC 68000, 68010, 68020. Hinzu kommen Coprozessoren, wie beispielsweise MC 68881. Weiterhin wird eine Graphikkarte und ein Bildeinzugssystem, zum Beispiel ein Laserscanner mit wenigstens 12-bit-Dyna mik, verwendet. Das Datendarstellungssystem ist mit einem Kompara tor verbunden, um mit den Vorgabewerten vergleichen zu können, ob das Fehlermaß tolerabel ist. Das sich hieraus ergebende Signal greift dann, wenn das tolerable Fehlermaß überschritten wird, ent weder steuernd in den Herstellungsprozeß ein, oder es veranlaßt, daß das Bauteil aus seiner betrieblichen Lage entfernt und ausge tauscht wird.

Zur weitergehenden Veranschaulichung der Erfindung wird auf die sich auf Ausführungsbeispiele beziehenden, schematischen Zeichnun gen Bezug genommen. Darin zeigen:

Fig. 1 eine Gesamtdarstellung des erfindungsgemäßen Verfah rens,

Fig. 2 einen Farbwürfel zur Veranschaulichung der Fehlerer kennung mittels der Falschfarbendarstellung und

Fig. 3 die Anwendung der Erfindung bei der Prüfung einer Schmiedewelle.

Nach Fig. 1 wird ein Ausgangsprodukt in Richtung des Pfeiles 2 auf eine Straße 1 aufgegeben, um im Herstellungsprozeß 3 zu Bauteilen 4 verarbeitet zu werden. Bei dem Herstellungsprozeß 3 handelt es sich um eine steuerbare Maschine, die sich auf die fehlerfreie Erzeugung von Bauteilen einstellen läßt. Von den Bauteilen 4 sei vorausge setzt, daß ihre Herstellung mit äußerlich wahrnehmbaren Fehlern verbunden sein kann. Das Gesamtbild eines Bauteils 4 wird von der Videokamera 5 erfaßt, die das Urbild zur Weiterverarbeitung er zeugt. Allgemein kann die Videokamera durch ein beliebiges Bildein zugssystem ersetzt sein. Das Urbild wird in der Diskretisierung 6 zu Bildpunkten verarbeitet, die in der Digitalisierung 7 erfindungsgemäß weiterbehandelt werden. Die Digitalisierung geht also um wenigstens ein bit über den Umfang des Datendarstellungs systems 8 hinaus. Gekoppelt mit der Digitalisierung 7 ist die Segmentierung 20, in die erfindungsgemäß von außen eine Eingriffs möglichkeit 11 besteht, um problemorientiert mit spezifischen Fehlermerkmalen zugeordneten Parametern unwichtige Bildbereiche ausscheiden zu können. Dabei verringert sich die Grau stufenanzahl auf den Umfang, wie er im anschließenden Darstellungs system 8 weiterverarbeitbar ist. Maßgeblich für diese Verringerung ist entweder die Äquidensitendarstellung oder die Falschfarben zuordnung, wie schon beschrieben wurde, sowie das Resultat der Bildauswertung nach Anwendung des bereits erwähnten, ersten Expertensystems.

Das Datendarstellungssystem 8 stellt für den in Fig. 1 wiedergege benen Regelkreis die Ist-Werte zur Verfügung. Die Soll-Werte werden aufgrund des zweiten Expertensystems im Sollwertgeber 10 bereitge stellt. Die Soll-Werte legen das tolerable Fehlermaß bezüglich Art, Größe, Orientierung und Lage der Fehler fest. Diese vorgegebenen Soll-Werte werden mit den Ist-Werten im Regler 9 verglichen und führen zum Eingriff in den Herstellungsprozeß 3, wenn die Fehler toleranzen überschritten sind. Der Eingriff geschieht über ein Stellglied derart, daß Herstellungsbedingungen mit der Maßgabe ver ändert werden, die festgestellten Fehler auszuschalten oder sie zu mindest in ihrem Ausmaß unter das tolerable Maß herabzusetzen.

Der in Fig. 2 dargestellte Farbwürfel geht von einem Koordinaten anfangspunkt S aus, dem die Farbe schwarz zugrundegelegt wird. Die drei Raumkoordinaten R = rot, G = grün und B = blau führen jeweils, von schwarz ausgehend, bis zur 100%igen Farbsättigung. Sie kenn zeichnen einen Raumpunkt W = weiß, der mit S durch die Raumdiago nale der Graustufen verbunden ist. Wenn je Farbkanal R, G bzw. B eine Auflösung von 8 bit zugrundegelegt wird, führt dies zu 2²⁴ Farbwerten. Die Raumdiagonale S/W gestattet jedoch lediglich die Wiedergabe von 12 bit entsprechend 2048 Graustufen. Aus den 2²⁴ Farbwerten müssen also 2¹² Pseudofarben für die Falschfarbendar stellung ausgewählt werden. Das für die visuelle Fehlererkennbar keit vorgesehene System der Falschfarbenzuordnung muß von der Empfindlichkeit des menschlichen Auges ausgehen, die sich aus drücken läßt durch die Luminanz:

L = 0,30 × R+0,59 × G+0,11 × B

wobei die Buchstaben R, G und B die Farben rot, grün und blau prä sentieren. Eine besonders hohe Empfindlichkeit besteht demnach für die Farbe grün. Eine sehr große Farbempfindlichkeit besteht noch in der RG-Ebene. Die Farbe gelb zeigt sich im Farbwürfel der Fig. 2 durch Mischung von R und G im Punkt Y. Man gelangt entsprechend der Flächendiagonale SY von schwarz mit zunehmender Sättigung bis zum folglichen Wert der gelben Farbe. Dies läßt sich durch die ent sprechende Flächendiagonale S-Y darstellen. Wenn man somit die ohnehin visuell benachteiligte Farbe blau ausklammert, läßt sich mit den Farben rot und grün zusätzlich die Farbe gelb darstellen, so daß man bereits eine Reduzierung um 8 bit erreicht, indem die genannte Farbe gelb eingeführt wird. Wie bereits beschrieben, lassen sich auch weitere, nach Maßgabe der optimalen Erkennbarkeit geeignete Kriterien einführen, um die Transformation zwischen Grau stufen und den Äquiluminanten Farbmischwerten herzustellen. Im Ergebnis führt dies zur Reduzierung auf den Umfang, den das Daten darstellungssystem zu verarbeiten gestattet.

Die Überprüfung einer Schmiedewelle angesichts der Erfindung ergibt sich aus Fig. 3. Die Schmiedewelle 12 wird mittels der Reibräder 13 umlaufend angetrieben, wobei ein Umdrehungsgeber 14 mit einem der Reibräder 13 eines Rollenbockes in Verbindung steht, der die Drehstellung auf den Roboter 15 überträgt, welcher nach jeweils einer vollen Drehung den Ultraschall-Wandler um eine Breite seines Kopfes vorschiebt, so daß die gesamte Schmiedewelle der Ultra schalluntersuchung ausgesetzt wird. In der Zeichnung ist der Ultra schallwandler mit Abstand von der Schmiedewelle wiedergegeben, wie es bei einer berührungslosen Ultraschalluntersuchung der Fall sein kann. Indes könnte auch ein Übertragungsmedium (Fließwasser) zwi schen Ultraschallwandler und der Oberfläche vorgesehen werden, wenn beispielsweise ein Piezo-Ultraschallwandler verwendet werden soll.

Das Signal des Ultraschallwandlers 16 wird in bekannter Weise mit tels des Gerätes 17 zu einem Urbild verarbeitet, welches alsdann zum Originalbild diskretisiert wird. Letzteres wird in dem er findungsgemäß gestalteten Computer 18 in der bereits beschriebenen Weise weiterverarbeitet. Dieser Computer 18 umfaßt die in Fig. 1 im einzelnen dargestellten Blöcke 6 bis 11 sowie 20. Der Bildschirm des Computers 18 weist das Steuerungsbild für die Regelung aus, wenn das tolerable Fehlermaß überschritten wurde. Demgemäß wird ein Steuerbefehl auf ein Stellglied übertragen, welches beispielsweise bei Schmiedefehlern die Einstellung der Schmiedepresse 19 mit der Maßgabe verändert, daß der genannte Fehler ausgeschaltet oder in Größe und Häufigkeit herabgesetzt wird.

Claims

1. Verfahren zur Überprüfung von in der Herstellung oder im Einsatz befindlichen Bauteilen auf nach Art, Größe, Orientierung und Lage zu kennzeichnende Fehler mittels bildlicher Darstellung, wobei ein Urbild beim Einzug zu Bildpunkten eines Originalbildes diskretisiert, in einer AD-Wandlung in Graustufen digitalisiert und danach einer Segmentierung und der Weiterverarbeitung bis zur Archivierung in einem Datendarstellungssystem unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet,
daß die Bildpunkte des Originalbildes in einem Ausmaß digitalisiert werden, das um wenigstens ein bit größer ist als es mit dem Datendarstellungssystem wiedergegeben werden kann,
und daß bei der Segmentierung mit spezifischen Fehlermerk malen entsprechenden Parametern die jeweils problemorien tiert wichtigen von den problemorientiert unwichtigen Bildbereichen mit der Maßgabe unterschieden werden, daß lediglich eine dem Datendarstellungssystem entsprechende Graustufenanzahl weiterverarbeitet wird,
und daß ein bei einem befriedigenden Bauteil gewonnenes, tolerables Fehlermaß bezüglich der Art, Größe, Orientie rung und Lage des Fehlers vorgegeben sowie mit den darge stellten Fehlerdaten verglichen wird,
und daß das überprüfte Bauteil bei Überschreitung des Feh lermaßes entweder im Verlaufe seiner weiteren Herstellung mit der Maßgabe der Verringerung seines Fehlermaßes unter das Toleranzmaß weiterbehandelt oder aus seiner Lage im Betrieb entfernt und ausgetauscht wird (Fig. 1).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildpunkte des Originalbildes in einem Ausmaß digitalisiert werden, daß um wenigstens vier bit größer ist als es mit dem Datendarstellungssystem wiedergegeben werden kann.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß für die Segmentierung eine Äquidensitendarstellung derart gewählt wird, daß zunächst bei den digitalen Bild punkten eine Häufigkeitsverteilung der Graustufen (Histo gramm) vorgenommen wird,
und daß die Graustufen bereichweise in aufeinanderfolgende Gruppen aufgeteilt werden
und daß die Gruppen von dem Umfang des Datendarstellungs systems entsprechenden Klassen derart aufgenommen werden, daß in jeder Klasse eine gleichgroße Anzahl von Graustufen enthalten ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmentierung im Verlaufe aufeinanderfolgender Darstellungen ausgeführt wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Segmentierung eine Falschfarbendarstellung ge wählt wird, wobei die Zuordnung der Farben zu den vom Da tendarstellungssystem wiedergebbaren Graustufen auf äqui luminanten Mischfarben der Grundfarben rot, grün und blau beschränkt wird, und wonach die Anzahl der Mischfarbwerte weiterhin nach Maßgabe ihrer differenzierten Erkennbarkeit herabgesetzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmentierung im Verlaufe einer gleichzeitigen Darstellung ausgeführt wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch Variation der durch die Segmentierung zur Verfü gung gestellten Parameter eine Auswahl nach unterschiedli chen Kriterien der darzustellenden Fehler getroffen wird.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Bildeinzug die Diskretisierung über das Ausmaß der vom Datendarstellungssystem wiedergebbaren Bildpunkte hinausgehend vergrößert wird.