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Bildverarbeitung in der Lebensmittelindustrie und Pharmazie: Aufzeigen von werkstofftechnischen, technologischen sowie konstruktiven Anforderungen an ... in der Lebensmittelindustrie und Pharmazie
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Bachelor thesis
Mechanical Engineering

University, School

Staatliche Studienakademie Eisenach

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Technische Universität Carolo-Wilhelmi­na zu Braunschweig Institut für Germanistik: Abteilung: Deutsche Literatur Ausarbeitung zum Referat „Prinz Friedrich von Homburg“ Inhaltsverzeich­nis 1. Einleitung 2. Vorbetrachtung: von Traum zu Traum 2.1 Räumliche Strukturierung 2.2 Figurenkonstell­ati­onen 2.2.1 Hohenzollern 2.2.2 Der Kurfürst und seine Familie 2.2.3 Homburg 2.2.4 Kottwitz und Homburg 2.2.5 Resümee 3. Identität als Integrationsver­suc­h 3.1 Homburg als Sohn 3.1.1 Der Identitätsverlu­st: Homburgs Verurteilung 3.1.2 Homburgs Lösungsversuche 3.2 Homburg als anerkannter Staatsbürger 3.2.1 Kalkuliertes Risiko? 3.2.2 Homburg vs. Kurfürst? 4. Schlussbetracht­ung Literaturverzei­chn­is  1. Einleitung „Nein sagt! Ist es ein Traum? Ein Traum, was sonst?“1.) Dieser kurze Dialog im letzten Akt des letzten Auftritts zwischen Homburg und Kottwitz wird in der Kleist-Forschun­g als Sinnbild für eine Ebene des Dramas angesehen, welche über die politische und im engeren Sinne historische Lesart hinausgeht. Die Anfangsszene und die dazu respondierende Schlussszene, aus der der obige Dialog stammt, bilden eine in sich geschlossene Einheit, welche Kleist hier versucht hat als Traum und Wirklichkeit darzustellen.2.­) Diese Ebene, in Verbindung mit den beiden anderen aufgezählten Lesarten Politik und Historie, versucht ein Bild des Prinzen zu entwerfen, welches  sein Handeln
Inhaltsverzeich­nis 2 FACHHOCHSCHULE MÜNSTER - Fachbereich Wirtschaft - Die Komponenten der Transformationa­le Führung - Theorie und Praxis im Vergleich - B A C H E L O R T H E S I S Inhaltsverzeich­nis Abbildungsverze­ich­nis IV Tabellenverzeic­hni­s V Abkürzungsverze­ich­nis VI Anhang 60 Anhang I: Interviewleitfa­den (deutsch) 60 Anhang II: Interviewleitfa­den (englisch) 61 Anhang III: Interview Transkription (Frau Todd) 62 Anhang IV: Interview Transkription (Frau Merkel) 64 Anhang V: Interview Transkription (Herr Döring) 66 Anhang VI: Interview Transkription (Herr Tuncay) 68 Anhang VII: Interview Transkription (Frau Fischer-Weinszi­ehr­) 71 Anhang VIII: Auswertung (Frau Todd) 74 Anhang IX: Auswertung (Frau Merkel) 75 Anhang X: Auswertung (Herr Döring) 76 Anhang XI: Auswertung (Herr Tuncay) 77 Anhang XII: Auswertung (Frau Fischer-Weinszi­ehr­) 78 Abbildungsverze­ich­nis Tabellenverzeic­hni­s Abkürzungsverze­ich­nis Abb. Abbildung bzw. beziehungsweise etc. et cetera f. folgende F Führungskraft ff. folgende http Hypertext Transfer Protocol Hrsg. Herausgeber M Mitarbeiter MLQ Multifactor ..

BACHELORARBEIT

 „Aufzeigen von werkstofftechnischen, technologischen sowie konstruktiven Anforderungen an Komponenten und Systeme der bildverarbeitenden Industrie in der Lebensmittelindustrie und Pharmazie“


1. Einleitung 1

1.1 Notwendigkeit vorliegender Untersuchungen 1

1.2 Die Firma Vision & Control GmbH 2

2. Stand der Kenntnisse 3

2.1 Grundlagen der industriellen Bildverarbeitung 3

2.2 Grundlagen der Materialwissenschaft 5

2.3 Grundlagen der Fertigungstechnik 6

2.4 Grundlagen der Konstruktionstechnik 7

3. Aufgabenstellung und Ziel der Arbeit 13

4. Versuchsaufbau 15

5. Versuchsdurchführung 16

5.1 Anforderungsrecherche 16

5.2 Anforderungsliste 25

5.3 Materialwissenschaftliche Analyse 26

5.4 Fertigungstechnologische Analyse 34

5.5 Wirtschaftlich-technologische Analyse 45

5.6 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung 50

5.7 Konstruktionsbeispiel 55

6. Ergebnis der Versuchsdurchführung 58

7. Diskussion der Versuchsdurchführung 59

8. Zusammenfassender Überblick 63

9. Ausblick 64


1. Einleitung

Vor einigen Jahrzehnten war es unmöglich, ein digitales Bild als Ausgangspunkt für eine Qualitätskontrolle anzunehmen. Erst die dynamische Entwicklung im Bereich der innovativen Technologien, insbesondere in der industriellen Bildverarbeitung, ließ diese fortschrittliche Art der Qualitätssicherung zu. Das Fundament dieser Evolution stellte die Möglichkeit dar, Bilder zu digitalisieren sowie die Erkenntnis digitalisierte Bilder abspeichern bzw. übertragen zu können.


Die Anwendungsmöglichkeit industrieller Bildverarbeitungsaufgaben war zu Beginn der Entwicklung aus Kostengründen nur auf professionellen Bereichen, wie z.B. Ingenieurwissenschaft und Medizin anzutreffen. Einen Wandel der hohen Produktions- und Entwicklungskosten erfuhr die industrielle Bildverarbeitung mit der schnellen Entwicklung der Halbleitertechnik.

Mit diesem Fortschritt stand der Bildverarbeitung ein Einsatz in anderen Bereichen, wie beispielsweise der Automation von Prozessen im Maschinenbau nichts mehr im Weg. Heutzutage übernehmen Machine-Vision[1] Komponenten große Teile der Qualitäts-kontrollen und Qualitätssicherungen in der Automatisierungsbranche.

Aufgaben, die für den Menschen eintönig oder gefährlich erscheinen, werden bequem an Maschinen übertragen. Auf diese Weise werden Ermüdungserscheinungen aber auch menschliches Versagen bei Qualitätskontrollen ausgeschlossen. Demzufolge können komplexe Fertigungsprozesse exakt überprüft und protokolliert werden.



1.1 Notwendigkeit vorliegender Untersuchungen

In den vergangenen Jahren ist eine rasante Verbreitung der industriellen Bildverarbeitung in den verschiedensten Industriebranchen zu dokumentieren. Diese Branchenvielfalt lässt viele neue Anwendungsmöglichkeiten folgen. Demgemäß sind Einsatzbereiche wie pharmazeutische Industrie und Lebensmittelindustrie zu Standardsektoren in der industriellen Bildverarbeitung herangewachsen.

Anlässig dieser Entwicklung sind in den verschiedenen Branchen speziell zugeschnittene Anforderungen, Richtlinien und Leitfäden sowie Normen und Vorschriften bezüglich der technologischen Eigenschaften, wie z.B. Staubdichtheit und Wasserdichtheit der Bildverarbeitu.....[read full text]

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Die industrielle Bildverarbeitung stellt hierbei lediglich einen Teilbereich der Computer Vision dar. Einer dieser Bereiche ist als Maschinensehen (Machine-Vision) benannt. Die Machine Vision beschreibt Systeme, die mit nicht berührenden Sensoren ein Bild aufnehmen, dieses in eine digitale Form umwandeln, darstellen und entsprechend der jeweiligen Forderungen auswerten.

Das passiert unter industriellen Umgebungsbedingungen, wobei technische und ökonomische Rahmenbedingungen eingehalten werden [Naw01].


Die Hauptkompetenz der Bildverarbeitung besteht in der Erzeugung, der Manipulation und/oder der Auswertung vorgegebener Fragestellungen von zwei- oder dreidimensionalen Intensitätsverteilungen. Diese Intensitätsverteilungen werden als Bilder benannt. Im Falle einer zusätzlichen Abhängigkeit zu der veränderlichen Größe Zeit, resultiert eine Bildfolge, auch als Szene vertraut.

In der industriellen Bildverarbeitung werden ausschließlich Bilder oder Szenen eingesetzt, die mittels Computer bearbeitet werden. Hierbei resultieren orts-, zeit- und wertdiskrete Intensitätsverteilungen, kurz digitale Bilder [Naw01].


Aus den neuen Erkenntnissen resultieren drei Aufgabengebiete der digitalen Bildverarbeitung. Sie bestehen aus Bildanalyse/ Mustererkennung, Bildcodierung und Computergrafik/Computeranimation. Im Aufgabenfeld der Bildanalyse und Mustererkennung werden Auswertungen von Bildern vorgenommen, die von einem bildgebenden System in den unterschiedlichsten Umgebungsverhältnissen gewonnen werden.

Grundsätzlich wird hierbei in natürliche und in quasi-natürliche Umgebung unterschieden. Natürliche Umgebungsverhältnisse stellen u.a. Landschaften oder Straßenszenen dar und besitzen keine künstlich erzeugte Lichtintensität. Im Gegensatz dazu veranschaulichen quasi-natürliche Umgebungssituationen, von Menschenhand beeinflusste Beleuchtungsverhältnisse z.B. in Gebäuden, Studios oder Fabrikhallen.

Weiterhin lassen sich Bilder nach Art des Prüfgegenstandes unterteilen. Hiernach spricht man von einer Mustererkennung oder Bildanalyse, wenn die Untersuchung einem tatsächlichen Objekt gilt. Ein Beispiel dafür sind die Füllgradbestimmungen von Flaschen und Verpackungen sowie die Ermittlung der Oberflächenqualität von Profilbrettern. Gilt hingegen die Aufgabenstellung der Ermittlung diverser Qualitätsmerkmale ei.....

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Die Objektivart bildet Objekte, unabhängig von ihrer Entfernung zum Objektiv, auf die gleiche Sensorfläche ab. Gewiss können nur Objekte ganz auf dem Sensor abgebildet werden, deren Größe geringer als der Objektivdurchmesser ist [Naw01].


Eine weitere Komponente der Bildverarbeitungstechnologie illustriert der Framegrabber. Dieses Bauelement hat die Aufgabe, das analoge Ausgangssignal des bildgebenden Systems über einen Analog-Digital-Wandler in ein digitales Signal umzusetzen, die digitalen Bilder in einem Bildspeicher abzulegen sowie die gespeicherten Bilder über einen Digital-Analog-Wandler auf einem TV-Monitor darzustellen.

Der Bildspeicher wird durch einen Datenbus an einem Prozessor gekoppelt. Ein Framegrabber erzeugt die für die Abtastung des Bildgebersignals notwendigen Taktsignale und die für die Bildwiedergabe geforderten Synchronsignale [Naw01].


In rein PC basierenden Bildanalysesystemen laufen Bildoperationen, spezielle Bildtransformationen zur Bildverbesserung, Segmentierungen, Postsegmentierungen sowie Klassifikationsalgorithmen zu langsam ab. Auf Grund dessen werden spezielle Bildprozessoren zur Beschleunigung eingesetzt [Naw01].


2.2 Grundlagen der Materialwissenschaft

Der Begriff Materialwissenschaft beschreibt eine interdisziplinäre Wissenschaft, die sich auf die Disziplinen Chemie, Physik, Ingenieurwesen, Mineralogie, Kristallographie und Petrologie[4] stützt.

Sie beschäftigt sich mit der Erforschung, d.h. Entwurf, Herstellung und Charakterisierung sowie Verarbeitung von Materialien. Lange Zeit beschränkte sich das Interesse der Materialwissenschaft fast ausschließlich auf die metallischen Werkstoffe, insbesondere Stahl, Buntmetalle und Aluminium. Erst wesentlich später entwickelte sich ein Interesse an Polymerwerkstoffen und anderen Metallen, wie z.B.

Titan. Heute werden die Eigenschaften von allen Feststoffen, die eine technische Bedeutung haben, einbezogen. In jüngster Zeit spielen auch biologische und medizinische Aspekte in der Materialwissenschaft eine wesentliche Rolle. Ein gewichtiges Ziel der Materialwissenschaft ist es, eine Aufklärung der Beziehungen zwischen der Struktur und den Eigenschaften der We.....

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Hierbei kann ein Erzeugnis ein Endprodukt oder ein Halbfabrikat sein. In Tabelle 1 auf Seite 7 sind die Fertigungsverfahren nach DIN 8580 erfasst. Hierbei werden die Fertigungsverfahren in Urformen, Umformen, Trennen, Fügen, Beschichten und Stoffeigenschaftsänderung eingeteilt [Fri06].


Tab. 1:  Einteilung der Fertigungsverfahren nach DIN 8580 in Urformen, Umformen, Trennen, Fügen, Beschichten sowie Stoffeigenschaften ändern [Fri06]


Die Hauptgruppen der Fertigungsverfahren Nach DIN 8580

Urformen

Umformen

Trennen

Fügen

Beschichten

Stoffeigen-schaften ändern

Als Umformverfahren oder Urformen bezeichnet man alle Fertigungsverfahren in denen aus formlosem Stoff ein Werkstück hergestellt wird. In diesem Verfahren wird der Zusammenhalt der Stoffteilchen geschaffen.

Mit Umformverfahren oder Umformen werden die Fertigungsverfahren bezeichnet, in denen Werkstücke aus festen Rohlingen durch bildsame plastische Formänderungen erzeugt werden. Das Volumen des Rohteils entspricht dem Volumen des Fertigteils, die Masse und der Zusammenhalt des Werkstoffs werden bei der Umformung beibehalten.

Mit Trennverfahren oder Trennen werden die Fertigungsverfahren bezeichnet, bei denen die Form eines Werkstückes verändert wird, indem der Zusammenhalt örtlich aufgehoben wird. Beim Trennen werden zur Formänderung Werkstoffteilchen vom Ausgangswerkstück abgetrennt. Die Teilchenzahl und das Volumen des Fertigteiles werden geringer. Die Endform ist in der Ausgangsform enthalten.

Fügen ist das langfristige Verbinden oder sonstige Zusammenbringen mehrerer Werkstücke geometrisch bestimmter fester Form oder von ebensolchen Werkstücken mit formlosem Stoff.

Beschichten ist Fertigen durch Aufbringen einer fest haftenden Schicht aus formlosem Stoff an ein Werkstück.

Stoffeigenschaften ändern ist Fertigen durch Verändern der Eigenschaften des Werkstoffes, aus dem ein Werkstück besteht.

Verfahren

Gießen

Sintern

Rapid Prototyping

Spinnen

Walzen

Schmieden

Prägen

Drücken

Tiefziehen

Biegen

Ziehen

Feilen

Sägen

Drehen

Fräsen

Scherschneiden

Keilschneiden

Schleifen

Verschrauben

Schweißen

Kleben

Löten

Nieten

Nageln

Lackieren

Aufdampfen

Galvanisieren

Wirbelsintern

Härten

2.4 Grundlagen der Konstruktionstechnik

Anhand ständig steigender Anforderungen an Anwendungsbereichen und Qualität ist die Arbeitsweise des methodischen Konstruierens als verpflichtend zu werten. Gerade wegen der Kenntnis, dass die Konstruktionskosten direkten Einfluss auf die Herstellkosten eines technischen Produktes aufweisen, ist eine Rationalisierung im Konstruktionsbereich notwendig.

Bisher sind Konstruk-tionsaufgaben meist durch intuitive Vorgehensweisen gelöst worden. Dies setzt allerdings eine umfassende Konstruktionserfahrung und künstlerische Phantasie eines konstruktiv-kreativen Einzelkönners voraus. Mit der Arbeitsweise des methodischen Konstruierens ist ein Konzept gefunden, welches weitgehend durch den Zufall die Lösung bestimmt.

Hierbei ist eine analytische Vorgehensweise durch Funktionsdenken, zielgerichtete Suche nach Lösungen und Varianten, sowie eine technisch-wirtschaftliche Wertanalyse durchzuführen. Mit dem Hilfsmittel des methodischen Konstruierens kann vor allem der Anfänger systematischer und zielgerechter sein Lösungskonzept entwickeln. Hierbei ist besondere Aufmerksamkeit auf die Methode der Lösungsfindung zu legen.

Dabei werden prinzipiell drei Arten – die Neu-, Varianten- und Anpassungskonstruk-tion – unterschieden. Die letztgenannte Anpassungskonstruktion dient zur Anpassung eines bereits bekannten technischen Produktes mit gleichem Funk-tionsprinzip, aber veränderten Randbedingungen. Diese Methode ist in der gegenwärtigen Analyse anzuwenden [Pah06]. Aus diesem Grund sind im Nachstehenden besondere Gestaltungsmerkmale vorhandener Machine-Visions, explizit an drei Produkten der Firma Vision & Con.....

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Weitere konstruktive Details sind in Anlage I vorhanden. Hier liegt eine Montageanleitung des T240 vor.



2.4.2 Konstruktive Gestaltung Flächenbeleuchtung vicolux® BL100x80

Die Flächenbeleuchtung vicolux® BL100x80 besitzt identische Gestaltungsmerkmale zum T240. Sie besteht, wie auch das T240, aus einem staubgeschützten, schwarz eloxierten Gehäuse aus Aluminium, welches in Anlage II als technische Zeichnung dargestellt ist. Dieses Bauteil stellt das Grundelement der Beleuchtungseinheit dar.

In seinem Inneren sind integrierte Regelungen inklusive Steuer- und Stabilisierungselektronik vorhanden. In Kombination mit einer LED Beleuchtung ermöglicht diese Elektronik eine maximale Helligkeit mit einer homogenen Lichtverteilung über die gesamte Leuchtfläche. Damit die vorhandenen elektronischen Bauelemente vor äußeren Einwirkungen geschützt sind, ist wie in Abbildung 3 demonstriert, eine transparente, schlagfeste Kunststoffscheibe auf eine definierte Fläche des eloxierten Aluminiumgehäuse aufgeklebt.


Abb. 3: Konstruktive Gestaltung der Flächenbeleuchtung vicolux® BL100x80

2.4.3 Konstruktive Gestaltung Vision-Sensor camat® S47-2

Vision-Sensoren zeichnen sich durch das aufeinander abgestimmte Zusammenspiel der Bildverarbeitungskomponenten Optik, Beleuchtung, Bildaufnehmereinheit, Software und Schnittstelle in einem robusten Gehäuse aus. Das Schema in Abbildung 4 stellt die Etappen der Zusammenführung der einzelnen Baugruppen dar ..... Die hier von eins bis vier bezifferten Komponenten erzeugen die Grundbausteine eines bildverarbeitenden Sensors, hierzu zählen Beleuchtungseinheit (1), optische Einheit (2), Bildaufnahmeeinheit (3) und Schnittstelleneinheit( 4).

Diese vier Grundelemente werden auf einer Basisplatte (5) installiert und ausgerichtet. Diese Anordnung bildet das Grundgerüst (6) des bildverarbeitenden Sensors. Zur Komplettierung des Bildverarbeitungssensors (7) wird das Sensorgrundgerüst in einem robusten Gehäuse untergebracht. In Abbildung 5 auf Seite 11 wird die konstruktive Gestaltung des Gehäuses dargestellt [Ost07].

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Für eine problemlose Programmierung des Machine-Vision-Sensors dient eine säurebeständige Tastaturfolie aus thermostabiler Polyesterfolie. Weiterhin ist zu beobachten, dass in Pos. 9 eine Displayscheibe aus PMMA Luxacryl® glasklar 1000 eingeklebt ist. Sie gewährleistet zum Einen eine aus optischer Sicht problemlose Bildaufnahme des Sensors und zum Anderen schützt sie die empfindlichen elektronischen Bauteile vor äußeren Einflüssen.

Auch eine Resistenz gegen chemisch hochaktive Medien garantiert der PMMA-Werkstoff. Beide Komponenten, Pos. 3 und Pos. 9 sowie die Basisplatte Pos. 1 sind mit Nuten versehen, in denen Dichtungsringe aus Gummi eingelegt werden. Demnach kann garantiert werden, dass die Spalten zwischen den Gehäusekomponenten nach der Montagearbeit absolut staub- und spritzwassergeschützt sind.

Zur Montage des Sensors an Maschinen oder anderen Objekten, an denen der camat® S47-2 befestigt werden soll, dienen die Gewindebohrungen in Pos. 1. Die modulare Bauweise des camat® S47-2 ermöglicht eine einfache Anpassung an neue Aufgabengebiete des Sensors. Je nach geforderten Eigenschaften des Sensors können die einzelnen Komponenten in Form der Baugruppen ausgetauscht oder für eine neue Aufgabestellung neu entwickelt werden.

Das Grundprinzip des Sensors wird auf diese Weise nicht tangiert [Ost07].

3. Aufgabenstellung und Ziel der Arbeit

Der Anwendungsbereich der Machine Vision Komponenten der Firma Vision & Control GmbH beschränkte sich momentan auf Branchen, bei denen keine hohen Anforderungen bezüglich Berührungs- und Fremdkörper- sowie Wasserschutz existieren. Nur ein Schutz gegen Stäube und Spritzwasser muss realisiert werden. Vorzugsweise werden die existierenden Komponenten und Systeme in der Automobilindustrie bzw. im allgemeinen Maschinenbau eingesetzt.

Anlässig der gegenwärtigen unvorteilhaften Lage in der Automobilindustrie und auf Grund der bestehenden Wirtschaftskrise ist die Firma Vision & Control GmbH gezwungen in andere Industriezweige einzudringen [ARC09]. Die Auswahl der Branchen lässt einen Versuch der Integration der Machine Vision Komponenten auf dem pharmazeutischen Markt und dem Markt der Lebensmittelindustrie resultieren.


Zum Zwecke der Integration der vorhandenen Machine-Vision Komponenten in die pharmazeutischer Industrie bzw. Lebensmittelindustrie seitens der Firma Vision & Control GmbH ist zu Beginn der vorliegenden Bachelorarbeit eine Recherche, bezüglich der Anforderungen in den erwähnten Industriezweigen, durchzuführen. Anhand dieser ausführlichen konstruktionswissenschaftlichen Ausarbeitung ist im Folgenden eine Anforderungsliste anzufertigen, welche die Bedürfnisse der neuen Industriezweige zu einer Gesamtheit vereint.

Unter Verwendung der Anforderungsliste sind im Anschluss werkstofftechnische und fertigungstechnische Analysen auszuarbeiten. Hierbei sind verschiedene Varianten zu finden, um im Folgenden unter Verwendung einer wirtschaftlich-technologischen Analyse und einer Wirtschaftlichkeitsprüfung die idealste Variante zu bestimmen. Im Anschluss ist der Gewinner des Variantenvergleiches zum Zweck einer ausführlichen Dokumentation .....

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