Konzept und konstruktive Umsetzung für ein Gerät zur Prüfung integrierter optischer Bauelemente für die Spektralsensorik. - Ilmenau. - 50 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Bei der Qualitätssicherung von integrierten optischen Systemen müssen sowohl die mechanischen Parameter als auch die optischen Eigenschaften bestimmt werden. Da die Eigenschaften der Einzelkomponente nicht getestet werden können, werden statt der Einzelparameter die Funktion der Baugruppe geprüft und Merkmale gemessen. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines Geräts zur Prüfung einer integrierten optischen Baugruppe für die Spektralsensorik. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Prinzipfindung und der Konstruktion, um reproduzierbare Messergebnisse im einstelligen Mikrometerbereich zu realisieren und in der Erarbeitung eines Ansatzes für das schnelle und effektive Einstellen des Nullpunktes des Messsystems. Das zu entwickelnde Gerät wird zur Prüfung von zwei unterschiedlichen Varianten der optischen Baugruppe ausgelegt.
Untersuchungen zum konstruktiven Entwurf einer motorisierten, höhenverstellbaren Z-Achse für das modulare Sichtprüfgerät Qualileo. - Ilmenau. - 84 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Die vorliegende Bachelorarbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Konstruktion einer motorisierten, höhenverstellbaren (vertikalen) Z-Achse, welche in das modulare Sichtprüfgerät Qualileo des Unternehmens Steinbeis Qualitätssicherung und Bildverarbeitung GmbH (SQB GmbH) integriert werden soll. Dazu wurden eingangs die Grundlagen zu den Themen industrieller Bildverarbeitung, Antriebe und Autofokusverfahren behandelt und die Basis für die folgenden Untersuchungen zum aktuellen Stand des modularen Sichtprüfgerätes Qualileo geschaffen. Dabei wurde geprüft, ob das aktuell genutzte Objektiv für die künftige Anwendung des Autofokusverfahrens geeignet ist. Anhand des Problemlösungsprozesses - dem Konstruktiver Entwicklungsprozess (KEP) - wurde im Anschluss die motorisierte, höhenverstellbare Z-Achse entwickelt. Die vier Phasen Aufbereitung, Konzept, Entwurf und Ausarbeitung wurden hierfür durchgeführt. Letztere diente dazu, eine Dokumentation inklusive CAD-Modell und Zeichnungsableitungen zu erstellen.
Dreidimensionale Rekonstruktion der Kapillarfront beim Laserstrahlschweißen. - Ilmenau. - 111 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Das Laserstrahlschweißen stellt eine gute Alternative zu etablierten Schweißprozessen wie dem Schutzgasschweißen dar. Hohe Vorschubgeschwindigkeiten sowie eine geringe Wärmeausdehnung des Materials aufgrund einer sehr hohen aber örtlich begrenzten Energieeinbringung spiegeln nur einzelne Vorteile des Prozesses wider. Trotz langjähriger Erforschung dieses sehr komplexen Prozesses, besteht weiterhin ein großes Potential in der Verbesserung des allgemeinen Verständnisses. Die besonders in höheren Geschwindigkeitsbereichen 8-20m/min auftretende Spritzerbildung repräsentiert dabei eine fundamentale Herausforderung des Laserstrahlschweißens. Um tiefgreifendere Erkenntnisse zu erlangen, wird in dieser Arbeit eine dreidimensionale Rekonstruktion der Kapillarfront entwickelt. Eine detailliertere Betrachtung der Front ist deshalb sinnvoll, da dieser Bereich der Kapillare einen Großteil der Strahlung absorbiert und somit ausschlaggebend für den Prozess und dessen Stabilität ist. Der dafür notwendige Algorithmus basiert auf der Analyse einzelner Bilder einer zweidimensionalen Hochgeschwindigkeitsaufnahme des Prozesses. Diese Aufnahmen stellen die entscheidende Grundlage der Rekonstruktion dar. Demzufolge ist die Wahl passender Aufnahmeparameter wie beispielsweise der Kameraposition, dem Filterglas, der Beleuchtung und der Belichtungszeit von großer Bedeutung. Durch den entwickelten Algorithmus wird automatisiert die Front segmentiert, die Austrittsöffnung detektiert, der Neigungswinkel berechnet und das Oberflächenprofil aus den Grauwerten ermittelt sowie die Front mit diesen Informationen dreidimensional dargestellt. Um diesen Algorithmus als Werkzeug für die Prozessanalyse nutzbar zu machen, wird dieser zudem in ein anwendergerechtes Expertensystem überführt. Mithilfe dieser Benutzeroberfläche können einzelne Bilder schnell und effizient ausgewertet werden, um Veränderungen der Kapillarfront besser nachvollziehen und dadurch die Nahtqualität verbessern zu können.
Analyse und Verbesserung eines Verfahrens zur Erstellung einer digitalen Übersichtskarte in der industriellen Bildverarbeitung. - Ilmenau. - 85 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Die Image-Stitching-Technologie ist, wie der Name schon sagt, eine Technologie, die mehrere überlappende Bilder zu einem großen nahtlosen hochauflösenden Bild zusammenfügt. Es hat sich zu einem Hotspot in der Forschung in den Bereichen Fotographik, Computer Vision, Bildverarbeitung und Computergrafik entwickelt. Das Problem der Bildzusammenfügung besteht im Allgemeinen darin, eine Reihe von sich räumlich überlappenden Bildern auszurichten, um ein nahtloses, hochauflösendes Bild zu bilden, das eine höhere Auflösung und ein größeres Sichtfeld als ein einzelnes Bild hat. In der industriellen Bildverarbeitung dient das kamerabasierte Verfahren der Qualitätssicherung. Um größere Objekte zu erfassen, werden mehrere Kameras in einem Array angeordnet und die Bilder zu einem größeren Gesamtbild zusammengefügt. Hochwertige Objektive werden für hochpräzise Messtechnik verwendet, die den Einsatz hochwertiger Kamerasensoren ermöglicht. Bei Verwendung mehrerer Sensoren und entsprechender Mehrfachobjektive steigen die Kosten jedoch exponentiell an, so dass der Einsatz kostengünstigerer Sensoren und Objektive sinnvoll ist, aber auch die Zusammenführung einzelner Bilder erschwert wird. Daher wird diese Arbeit die bestehenden Bildregistrierungs- und Bildfusionsalgorithmen analysieren und den genaueren Surfalgorithmus durch die OpenCV-Bibliothek basierend auf der Programmiersprache Python verwenden, kombiniert mit dem RANSAC-Algorithmus und einem vollständigeren Blending-Algorithmus. Entsprechend den Mängeln des Image-Stitching-Algorithmus wurden ein umfassender Einsatz mehrerer Verarbeitungsalgorithmen in der Bildverarbeitung, entsprechende Verbesserungen vorgenommen und mehrere Image-Stitching-Algorithmen mit hoher Geschwindigkeit, hoher Präzision und starker Robustheit entwickelt. Schließlich dient es dazu, Einzelbilder, die mit kostengünstigen Kamerasensoren und Objektiven gewonnen wurden, zu einer hochgenauen Übersichtskarte zu kombinieren. Darüber hinaus kann dieser Satz von Algorithmen derzeit für 2x2- und 3x3-Kamera-Arrays verwendet werden. Bei Bedarf können in Zukunft weitere Kamera-Arrays hinzugefügt werden, um ein breiteres Spektrum an industriellen Bildverarbeitungsanforderungen zu erfüllen. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass der in dem Artikel vorgeschlagene Algorithmus die Bildzusammenfügung bei der digitalen Bildzusammenfügung genau und schnell vervollständigen und einen zufriedenstellenden Zusammenfügungseffekt erzielen kann.
Verfahren zur Bewertung der Plausibilität von Entscheidungen und zur Erkennung des Nachlernbedarfs von neuronalen Objektklassifikatoren. - Ilmenau. - 69 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
In den letzten Jahren wurden neuronale Netze mit tiefem Lernen in vielen Bereichen mit hervorragenden Ergebnissen eingesetzt. Aber wegen aufwändiger Belehrung und schwerer Nachvollziehbarkeit der Klassifikatorentscheidungen ist die Verbreitung im industriellen Umfeld noch begrenzt. In einer konkreten industriellen Bildverarbeitungsanwendung zur Erkennung von Prozessmarken werden durch einen neuronalen Objektklassifikator manchmal neue, "unbekannte" Objekte als "bekannte" Objekte klassifiziert (falsch-positive Entscheidungen). Außerdem können auch false-positive Klassenentscheidung zwischen Objekten bekannter Klassen auftreten, weil ihre geometrischen Aufbauelemente sehr ähnlich sind. Deshalb ist es wichtig, für die Erkennung von Objekten neuer, bisher unbekannter Objektklassen und false-positiver Klassenentscheidungen des Objektklassifikators zu bewerten und zu unterstützen. Im Rahmen dieser Arbeit wird dafür ein weiterer Klassifikator, der Plausibilitäts-Klassifikator, im Verbund mit dem Objektklassifikator eingesetzt, um obengenanntes Ziele zu erreichen. Für die Plausibitätsbewertung wird ALOCC, ein GAN-basiertes Netzwerk, nach Recherche eingesetzt und unter Verwendung eines vorhandenen Bilddatensatzes von Prozessmarken" bewertet. Es werden für die Datensituation unterschiedliche Belehrungsmöglichkeiten untersucht und ein geeignetes Vorgehen abgeleitet. Anschließend werden die Ergebnisse eines gegebenen Objekterkenners (Yolov3) und des Plausibilitäts-Klassifikators praxisnah für die Anwendung "Prozessmarke" kombiniert und die Funktionalität des Plausibitäts-Klassikfikators evaluiert.
Check the Checker des Bildverarbeitungssystems der Produktionslinie Niederdrucksensor 3. Generation. - Ilmenau. - 95 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Im Werk der Robert Bosch Fahrzeugelektrik Eisenach GmbH werden kontinuierlich mehr Bildverarbeitungssysteme in die hochautomatisierten Fertigungslinien integriert. Die Bildverarbeitungssysteme überwachen die Produktspezifikationen in den Herstellungsprozessen und die daraus resultierenden Zwischenergebnisse. Die vorliegende Bachelorarbeit fokussiert sich auf dem Bildverarbeitungssystem für die O-Ring-Prüfung (Dichtungsringe) bei der Produktion DS-X3. Für die O-Ring-Prüfung gibt es aktuell noch kein freigegebenes Standardprüfverfahren in Bezug auf das "Check-the-Checker" Prinzip. Dies überprüft die Eignung des Bildverarbeitungssystems und ist in der Norm IATF 16949 und der Bosch interne Richtlinie CDQ 00519 als Pflichtprozess spezifiziert. Darüber hinaus hat die Fehleranalyse im Prozess der O-Ring-Montage aus den vergangenen Jahren (2019-2021) ergeben, dass die Fehlerrate des Prozesses relativ hoch ist und die Fehler unregelmäßig in den Linien auftreten. Ohne ein zuverlässiges Prüfverfahren für das Bildverarbeitungssystem könnten Prozessfehler auftreten, die in den nächsten Fertigungsschritten weitergereicht werden. Im schlimmsten Fall gelangen fehlerhafte Teile zum Kunden. Um das oben beschriebene Problem zu vermeiden, werden zunächst Untersuchungen an den Fertigungslinien im Bereich Niederdrucksensor (NDS) der 3. Generation durchgeführt. Anschließend werden verschiedene Konzepte zur regelmäßigen Überwachung des BVS für die O-Ring-Prüfung entwickelt. Schließlich soll das beste Konzept aus den entwickelten Konzepten mit Hilfe einer Bewertungsmethodik ermittelt werden. Zuletzt wird versucht das beste Konzept in den Produktionslinien der NDS der 3. Generation umzusetzen.
Analyse der spektralen Charakteristik ausgewählter Gesteinsklassen für die effiziente automatisierte Klassifikation. - Ilmenau. - 119 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Die vorliegende Arbeit widmet sich der Analyse der spektralen Charakteristiken unterschiedlicher Gesteinskörnungen. Die betrachteten Gesteinskörnungen unterscheiden sich dabei in ihrer Eignung für die Beton- und Zementherstellung. Für die Analyse wird auf Verfahren der Multivariaten Datenanalyse zurückgegriffen, welche in erster Linie für die Dimensionsreduktion von spektralen Daten Anwendung finden. In einem ersten Schritt werden Punktspektren mittels Laborspektrometer erfasst und analysiert. Die Lineare Diskriminantenanalyse, kurz LDA, hat sich als Methode der Dimensionsreduktion für die Klassifikation der Gesteinskörnungen als besonders geeignet herausgestellt. Mit dieser ist es möglich die unterschiedlichen Gesteinskörnungen in gut erkennbare Cluster zu unterteilen. Dieses Wissen ermöglichte es in einem zweiten Schritt hyperspektrale Bilder der Gesteinskörnungen in einem ausgewählten Spektralbereich an einer hyperspektralen Werkbank aufzunehmen. Für die Analyse der Gesteinskörnungen ist es notwendig diese Bilder mit einer ersten Vorverarbeitung zu segmentieren. Hierfür werden Algorithmen der klassischen Bildverarbeitung verwendet Die segmentierten Gesteinskörnungen werden anschließend mittels der untersuchten Verfahren der Multivariaten Datenanalyse von einem höher dimensionalen Raum in einen dreidimensionalen Raum transformiert, um sie für die Klassifikation mittels bekannter und bereits vortrainierter Deep-Learning-Modelle aus dem Bereich der Bildklassifikation nutzbar zu machen. Mit einer Gesamterkennungsrate von rund 94 % hat sich das als ResNet50 bekannte Deep-Learning-Modell in Kombination mit der LDA als Dimensionsreduktionsverfahren als besonders gut geeignet herausgestellt. Über das sogenannte Feintuning konnte die Gesamterkennungsrate nochmals etwas angehoben werden. Insgesamt bedarf es dennoch einer Optimierung innerhalb der Verfahrenskette zur Klassifikation von Hyperspektralbildern, die sowohl die Bildaufnahmetechnik, die Bildvorverarbeitung und -segmentierung sowie die Dimensionsreduktion betreffen.
Entwicklung eines berührungslosen optischen Messsystems an einer Abkantpresse zur Bestimmung des Winkels über eine definierte Biegelänge. - Ilmenau. - 77 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Durch steigende Material- und Personalkosten steigt auch der Wunsch nach höherer Qualität. Um diese Anforderung an einer Abkantpresse umsetzen zu können, ist die Entwicklung eines berührungslosen optischen Winkelmesssystems, welches den Winkel über eine definierte Biegelänge bestimmt, erforderlich. Als Erstes werden geeignete optische 3D Messverfahren ermittelt und mit verschiedenen Anforderungen, welche aus der Messaufgabe resultieren, gegenübergestellt. Anhand dessen wurde der Intel Realsense D430 Sensor als geeignet bestimmt. Die Entwicklung eines Prototyps ermöglicht die Testung an einer Abkantpresse. Dazu wird eine mechanische Halterung entwickelt, die nötige Elektrik ermittelt und eine Software zum Testen von verschiedenen Messabläufen erstellt. Mit dem Prototyp, dem Handmessgerät und dem Lichtschnittverfahren werden Messreihen an der Maschine durchgeführt. Dafür werden Prüfteile aus unterschiedlichen Materialien (Stahl, Edelstahl und Aluminium) und unterschiedlichen Winkeln 150˚, 120˚, 90˚ und 60˚) erstellt. Im Anschluss werden die Messwerte miteinander verglichen und anhand dessen eine Aussage getroffen, wie stabil und genau der Prototyp den Winkel misst. Außerdem wird ein Vergleich von Kosten, Messgenauigkeit und anderen Faktoren des Prototyps mit aktuellen Messverfahren vorgenommen. Mittels dieser Ergebnisse wird ermittelt, ob das Messsystem sich für die industrielle Umsetzung eignet.
Analytische Anwendung des PDCA-Zyklus im Anlaufmanagement am Beispiel der Anlauflinie des wirkdruckbasierten Luftmassenmessers Robert Bosch Fahrzeugelektrik Eisenach GmbH. - Ilmenau. - 113 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Die vorliegende Bachelorarbeit thematisiert die strategische Analyse des PDCA-Zyklus im Anlaufmanagement. Dazu wird eine theoretische und methodische Einordnung des Themas erfolgen, um das Vorgehen und die Umsetzung der vier Phasen des PDCA-Zyklus zu erklären und einen Zusammenhang dieser Phasen darzustellen. Die vier Phasen des PDCA-Zyklus umfassen das Planen (Plan), Umsetzen (Do) und Kontrollieren (Check) von Verbesserungsmaßnahmen, um diese zu reflektieren und zu standardisieren (Act). Das Ziel des PDCA-Zyklus ist es, konkrete Verluste zu ermitteln und zu eliminieren, sodass ein Prozess einen idealen, stabilen Zustand anstrebt. Auch während der Anlaufphase von Prozessen, die einen instabilen Prozesszustand aufweisen, wird die Zielsetzung angestrebt, den instabilen Prozess in einen stabilen Prozess zu überführen [HER 09, S. 454-456]. [KOS 17, S. 32-33] Mit Hilfe geeigneter Methoden und Werkzeuge innerhalb jeder Phase wird eine konzeptionelle Analyse auf einen konkreten Anwendungsfall der Anlauflinie des wirkdruckbasierten Luftmassenmessers der Robert Bosch Fahrzeugelektrik Eisenach GmbH vorgenommen. Dabei wird speziell auf eine vollautomatische Anlage, Station 290, innerhalb der Anlauflinie eingegangen. Es wird ein KPI-Tree nach den unternehmenskulturellen Anforderungen erarbeitet, um Verlustarten zu ermitteln und auf den konkreten Anwendungsfall anzuwenden. Im Ergebnis wurden signifikante Abweichungen bei der Gegenüberstellung zwischen den vergangenen bzw. gegenwärtigen und zukünftigen Zuständen der Station 290 herausgearbeitet werden, der Raum für Verbesserungsmaßnahmen liefert. Aufgrund der in dieser Arbeit durchgeführten strategischen Analyse wird sowohl die methodische Vorgehensweise des PDCA-Zyklus innerhalb des Anlaufmanagements reflektiert als auch kritisch hinterfragt.
Integration eines Brenner Moduls zur Bewältigung zukünftiger Emissionsanforderungen in Acht- und Vierzylinderabgassysteme. - Ilmenau. - 116 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Neue Abgasgesetze beinhalten immer striktere Grenzwerte und Testrandbedingungen der Schadstoffemissionen. Diese Verschärfung der gesetzlichen Anforderungen verlangt neue technische Konzepte in der Abgasnachbehandlung (AGN). Mit der Einführung der geplanten Emissionsgesetzgebungen EU7 in Europa und CN7 in China gewinnt dabei zunehmend die Kaltstartphase des Verbrennungsmotors an Relevanz. Um die Schadstoffkonzentration im Abgas weiter senken zu können, muss insbesondere der Katalysator schnell auf seine Konvertierungstemperatur gebracht werden. Zu diesem Zweck werden Konzepte zum zusätzlichen Eintrag von thermischer Energie in die Abgasanlage (AGA) untersucht. Eine vielversprechende Technologie stellt in diesem Zusammenhang ein Kraftstoffbrennersystem dar. Die vorliegende Bachelorarbeit verfolgt dabei das Ziel, die Integration eines solchen Brennersystems in den Fahrzeugen der Mercedes-AMG GmbH zu untersuchen. Dazu werden durch eine Systembeschreibung und eine Marktanalyse die Rahmenbedingungen für eine Integrationsstudie geschaffen. Auf dieser Grundlage wird eine technische Umsetzung des Brennersystems im Fahrzeug erarbeitet. Die erstellten Lösungsvarianten werden nach festgelegten Bewertungskriterien bezüglich ihrer Vor- und Nachteile miteinander verglichen, um anschließend die besten Konzepte auszuwählen. Nach simulativen Untersuchungen der erstellten Konzepte folgt eine Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse, um die Risiken der Integration sowie weiterführende Fragestellungen aufzuzeigen. Die Ergebnisse der Marktanalyse zeigen, dass der Brenner von Daimler das derzeit größte Potential für eine Integration im Fahrzeug bietet. Nach Prüfung der Konstruktionsrandbedingungen ist eine Positionierung des Systems nur im Motorbauraum der Fahrzeuge möglich. Durch die konstruktive Erstellung von Konzepten kann gezeigt werden, dass eine Integration des Daimler Brenners sowohl in Baureihen mit M139 Reihenvierzylindermotoren als auch mit M177 Achtzylindermotoren aus bauraum- und fertigungstechnischer Sicht möglich ist. Es besteht außerdem die Option einer Vereinbarkeit des Daimler Brenners mit einer Niederdruckabgasrückführung als weitere emissionsmindernde Maßnahme beim M177-Aggregat. Strömungssimulationen zeigen, dass mit konventionellen Isolationskonzepten hohe Oberflächentemperaturen der Komponenten auftreten, welche Auswirkungen auf umliegende Bauteile haben und somit ein Risiko für die Realisierbarkeit der Integrationskonzepte darstellen. Anhand von Hardwareversuchen muss bewiesen werden, ob der Brenner allein oder in Kombination mit weiteren Maßnahmen in der Lage ist, die EU7 und CN7 Anforderungen zu erfüllen. Aufgedeckte Risikofaktoren zu den Brennereigenemissionen, zur passiven Sicherheit und zum Regelungskonzept des Brenners führen zu der Entscheidung, dass der Einsatz eines Brennersystems zur Bewältigung zukünftiger Emissionsanforderungen derzeit in Fahrzeugen der Mercedes-AMG GmbH nicht weiterverfolgt wird. Um das System für einen potenziellen Einsatz in einem Fahrzeug zu ertüchtigen, bedarf es weiterführender Entwicklungsarbeit in den genannten Risikobereichen.