Studienabschlussarbeiten

Die Objektdetektion auf Basis der Bildverarbeitung über Licht nimmt eine immer höhere Bedeutung in unterschiedlichen Bereichen an, insbesondere im industriellen Umfeld. Neben der Lichtintensität und -wellenlänge spielt auch die Polarisation des Lichts eine wichtige Rolle, die sie eine Vielzahl an Informationen über die Objekteigenschaften liefert. Deshalb eröffnet die Polarisationsbildgebung eine neue Modalität der Bildverarbeitung und kann für die kontakt- und zerstörungsfreie Gewinnung von spezifischen Werkstoffeigenschaften eingesetzt werden. Für die Polarisationsbildgebung wird eine neuartige Snapshot-Polarisationskamera entwickelt. Diese Kamera basiert auf einem integrierten On-Chip-Filter-Array. Das On-Chip-Filter-Array besteht aus sich räumlich wiederholenden Mikropolarisationsfiltern für unterschiedliche Polarisationsrichtungen (0 ˚, 45 ˚, 90 ˚ und 135 ˚). Unter Benutzung dieser Kamera werden die Lichtkomponenten in allen vier Polarisationsrichtungen mit einer Einzelaufnahme erfasst. Daher kann der Zeitaufwand der Bildaufnahme stark reduziert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde anhand experimenteller Untersuchungen und Evaluierung bestimmt, mit welcher Güte die Kenngrößen des Lichtpolarisationszustandes sowie die Objekteigenschaften auf Grund von Polarisationseffekten mit dieser Kamera ermittelt werden können. Darüber hinaus wurden Methoden und Algorithmen für die Kameraintegration in ein Multi-Kamera-Bildverarbeitungssystem erarbeitet und umgesetzt.

Die Firma Plansee SE ist Weltmarkt- und Technologieführer für Refraktärmetalle. In kurzen Zyklen werden mit dem Kunden neue Produkte entwickelt. Für die Umsetzung entstehen Prototypen, die in die Vorserie und Klein- oder Großserie übergehen. Das Unternehmen fertigt und betreut die Produkte über den gesamten Produktlebenszyklus. Im Rahmen der Qualitätsplanung soll unter Berücksichtigung der Kundenanforderungen und der internen Vorgaben festgelegt werden, welche Prüfdaten über den Produktlebenszyklus aufgenommen werden müssen. Dafür ist ein Prüfplanungskonzept zu entwickeln, welches den Prüfumfang rekursiv an den Reifegrad des Produkts anpasst. Zusätzlich soll das Konzept dynamisch auf die gefertigte Qualität reagieren können, indem es die Prüfplanung dem aktuellen Qualitätsniveau anpasst. Ein solches Vorgehen ist für das Unternehmen wichtig, um eine Optimierung im Sinne des Spannungsdreiecks Qualität, Zeit und Kosten zu erreichen. Die Prüfung von Produkten in einem frühen Stadium muss zum Aufbau einer besseren Datenbasis umfänglich durchgeführt werden. Produkte, die die Serienreife erreicht haben, können gezielter geprüft werden, was zu einer Kosten- und Zeitersparnis führt. Die Qualität wird dabei statistisch abgesichert. Im Rahmen dieser Arbeit soll bei der Plansee SE ein Konzept für eine Produktionslinie von Fertigteilen erarbeitet werden. Dazu ist folgende Forschungsfrage zu beantworten: "Wie kann eine dynamische und rekursive Prüfplanung in Abhängigkeit vom Produktlebenszyklus realisiert werden und wie kann dieses Konzept in der Produktion auf Shopfloor Ebene, vor allem für die Werkerselbstprüfung und Zwischenkontrolle, zur Datenerfassung, Dokumentation und Visualisierung realisiert werden?". Zur Beantwortung der Forschungsfrage ist auf Basis einer Literaturrecherche ein Konzept zur Prüfplanung in Abhängigkeit vom Produktlebenszyklus für eine Fertigteillinie entworfen worden. Um den Status quo abzubilden und mit dem erarbeiteten Konzept vergleichen zu können, wurde eine Aufnahme des Istzustands mit anschließender Bedarfsanalyse durchgeführt. Es wurden Verbesserungspotentiale in den Bereichen des organisatorischen Vorgehens, der Prüfplanung, der Datenerfassung und der Visualisierung ermittelt. Mit Hilfe einer Aufwand-Nutzen-Matrix erfolgte eine Bewertung der Potentiale und die Ableitung von Handlungsschwerpunkten. Die Ergebnisse der Bedarfsanalyse zeigten, dass Potentiale in der Prototypen- und Kleinserienfertigung vorhanden waren. Das entwickelte Konzept zur Prüfplanung berücksichtigt diese Aspekte in hohem Maß. Großer Wert wurde auch auf die Weiterentwicklung der Werkerselbstprüfung gelegt, da besonders dort Potentiale erkennbar waren. Dies spiegelt die Forschungsfrage wider, die den Schwerpunkt auf die Werkerselbstprüfung legt. Es wurde eine Möglichkeit zur Dateneingabe über Terminals analysiert. Darüber hinaus wurde eine Marktanalyse durchgeführt, welche die technischen Möglichkeiten zur Visualisierung von Messdaten am Shopfloor untersucht. Die Marktanalyse zeigt, dass verschiedene Ansätze zur Umsetzung der Visualisierung denkbar sind. Die Bewertung der Ansätze lieferte Erkenntnisse für die konkrete Aufgabe. Nach einer Analyse über die Machbarkeit des entwickelten Konzepts erfolgte die Erprobung des entwickelten Standards vor allem für Prototypen und kleine Losgrößen von mechanisch bearbeiteten Fertigteilen. Die Erprobung lieferte die Erkenntnis, dass das Konzept in vielen Punkten umzusetzen ist. Die Datenerfassung über Prüflose hilft bei der Schaffung einer digitalen Datenbasis. Die im Prüflos hinterlegten Daten sind digital verfügbar und auswertbar. Über Fertigungsvarianten kann das rekursive Vorgehen über den Produktlebenszyklus technisch umgesetzt werden. Zur Visualisierung des Messwertverlaufs wurden verschiedene Möglichkeiten betrachtet und es wurde die Frage geklärt, ob eine Softwarelösung zur Umsetzung gekauft oder entwickelt werden soll. Für die Dynamisierung wurden verschiedene Ansätze betrachtet und ein Ansatz wurde ausgewählt.

Mit der Weiterentwicklung des maschinellen Lernens in den letzten Jahren haben Deep-Learning-Architekturen eine breite Palette von Anwendungen in Computer-Vision-Aufgaben erschlossen. Immer mehr Anwendungsszenarien erfordern genaue und effiziente Erkennungs- und Segmentierungstechniken. Insbesondere bei der Intelligenz des autonomen Fahrens und der Automatisierung der industriellen Produktion spielen Deep-Learning-Architekturen eine wichtige Rolle. In dieser vorliegenden Arbeit wurden die Modelle für Instanz-Segmentierung auf die selbstaufgenommenen Videoaufnahmen untersucht. Neben einer ausführlichen Recherche zum Stand der Technik wurden mehrere vergleichende Experimente auf eigene Datensätze durchgeführt, um den Einfluss verschiedener Trainingsparameter und -strategien auf die Genauigkeit und Geschwindigkeit des Modells zu diskutieren und eine Methode zur Verbesserung der Trainingsergebnisse zu finden. Außerdem wurde ein automatisches Annotationstool entwickelt, das auf dem Modell für Instanz-Segmentierung basiert und eine schnelle Annotation der einzelnen Daten ermöglicht. Da in praktischen Situationen oft eine verdeckte Beziehung zwischen Objekten besteht, wurden schließlich die Machbarkeit und Übertragbarkeit des Modells für amodale Vervollständigung analysiert. Dieses Modell wurde zuerst mit einem öffentlich zugänglichen Datensatz trainiert, welches dann zur Vorhersage der eigenen Daten verwendet wurde. Durch die Evaluierung der experimentellen Ergebnisse konnte aufgezeigt werden, dass die geeigneten vortrainierten Gewichte, Datenaugmentation, Backbone-Netzwerke und Trainingsstrategien einen positiven Einfluss auf das Training des Modells für Instanz-Segmentierung haben. Das auf Basis dieser Erfahrungen entwickelte Annotationstool ermöglicht auch die schnelle Annotation einzelner Daten, wodurch die Effizienz des Datensatz-Labelings verbessert und die Arbeitskosten gesenkt werden können.

Entwicklungsfehler in den frühen Schritten des Produktentwicklungsprozesses führen aufgrund der Zehnerregel zu hohen Entwicklungsfolgekosten. In der vorliegenden Abschlussarbeit wird daher am Beispiel des Kaffeevollautomaten der Produktionsentwicklungsprozess der Abteilung Beverage der BSH Hausgeräte GmbH auf Potentiale und Optimierungsansätze zur Entwicklungsfehlervermeidung untersucht. Dazu werden ein Soll-/Ist-Vergleich der Realisierung der Normen und Vorschriften und eine eingehende Betrachtung vergangener Entwicklungsprojekte vorgenommen. Aufbauend auf diesen Analysen wird ein Ideen- und Maßnahmenkatalog für Entwicklungsprozessoptimierungen generiert. Die Ideen und Maßnahmen gliedern sich in inhaltliche, softwaregestützte und strukturelle Vorschläge. Die Verwendung von agiler Arbeitsweise und der aktuelle Umsetzungsstatus werden bei diesen Vorschlägen geprüft. Mögliche positive Effekte und Auswirkungen einer Umsetzung dieser Ideen und Maßnahmen auf den Entwicklungsprozess werden untersucht und bewertet.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines Soll-Prozesses zum Gesamtprozess Verpackung unter Berücksichtigung der gestellten Anforderungen in einem Beispielunternehmen. Dabei ist zu realisieren, dass ein Kunde bei Auslösen einer Produktbestellung eine adäquate Verpackung für sein Produkt erhält. Anhand des Modells der Prozessmanagement-Brille der Firma BPM&O GmbH werden die Phasen Prozesse analysieren, operative Ziele überprüfen, Prozesse entwickeln, Prozessausführung planen, Prozess einführen und ausführen sowie Prozesse messen im Beispielunternehmen eingesetzt. Zu Beginn der Bearbeitung werden die vorhandenen Abläufe hinsichtlich der Verpackung untersucht und nach dem Business Process Model and Notation (BPMN) Standard modelliert. In der anschließenden Überprüfung der operativen Ziele wird die initiale Zielstellung auf Abweichungen untersucht. Für die Entwicklung eines geeigneten Soll-Prozesses werden Mitarbeiterbefragungen durchgeführt, um Anforderungen an den Soll-Prozess zu erheben. Danach werden die Anforderungen kategorisiert und bewertet. Zur Erfüllung der Anforderungen erfolgt im Anschluss die Maßnahmenplanung. Aus modellierten Prozessszenarien wird mittels Nutzwertanalyse ein finales Szenario ausgewählt, dass in den finalen Soll-Prozess integriert wird. Die Modellierung des Soll-Prozesses erfolgte in Zusammenarbeit mit den Mitarbeitern des Beispielunternehmens. Für die Planung und Einführung sowie die Prozessausführung wird ein Ausblick beschrieben, der eine Handlungsempfehlung für die weitere Vorgehensweise aufzeigt. Letzter Bearbeitungsschritt ist der Vergleich von Ist- und Soll-Prozess mittels Kennzahlensystems.