CH677538A5 - - Google Patents
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Description
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Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erkennen von Oberflächenfehlern, insbesondere von Spannfäden an mindestens einer Stirnseite einer Garnspule mit einer Anordnung zum Beleuchten mindestens eines Bereichs der Stirnseite, einer Einrichtung zur Aufnahme mindestens eines Bildes des beleuchteten Bereichs und einer Bildauswerteeinrichtung. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Erkennen von Spannfäden mit einer solchen Einrichtung.
Es ist z.B. aus der Publikation DE-A 3 630 668 bekannt, bewickelte Fadenspulen mittels optischer Prüfverfahren auf Fehler zu untersuchen. Dabei werden die Spulenendflächen zur Erkennung von Spannfäden unter einem steilen Winkel beleuchtet. Die beleuchteten Stellen werden mittels einer herkömmlichen Aufnahmeoptik auf Bildsensoren abgebildet, Das aufgenommene Bild wird digitalisiert und ausgewertet. Es hat sich indessen gezeigt, dass die herkömmliche Art der Bildauswertung das zuverlässige Erkennen von Spannfäden nur mit erheblichem Rechenaufwand und entsprechend langer Rechenzeit gestattet. Diese Zeit dauert für eine effiziente Kontrolle einer laufenden Produktion zu lange.
Es stellt sich damit die Aufgabe, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass Oberflächenfehler, insbesondere Spannfäden an einer Stirnseite einer Garnspule rasch, d.h. dem Produktionstakt entsprechend, und mit erheblich reduziertem Rechenaufwand erkannt werden können, um eine automatische Qualitätskontrolle der laufenden Spulenproduktion zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 9 gelöst.
Durch die erfindungsgemässe Verwendung einer Zylinderlinse wird die Möglichkeit geschaffen, Spannfäden um einiges rascher zu erkennen, da ein grosser Teil der Verarbeitung optisch erfolgt und nur einige einfache Rechenoperationen bei der Bildauswertung nötig sind. Insbesondere kann mit der Zylinderlinse eine Integration entlang von Linien auf optischem Weg erreicht werden, was den entsprechenden, aufwendigen Rechenvorgang erspart.
Nachfolgend wird der Aufbau und die Funktionsweise der Erfindung im Sinne von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus der Optik in perspektivischer Darstellung,
Fig. 2 die Funktionsweise der Kombination einer Zylinderlinse und einer rotationssymmetrischen Optik in der Aufsicht,
Fig. 3 die Anordnung gemäss Fig. 2 in einer seitlichen Ansicht,
Fig. 4 eine Seitenansicht des Aufbaus gemäss Fig. 1,
Fig. 5 eine Aufsicht auf die Stirnseite einer Spule mit angedeuteter Optik,
Fig. 15 eine Aufsicht gemäss Fig. 5 mit einer Beleuchtungsvariante sowie der Darstellung eines Spannfadens,
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Fig. 7 die schematische Darstellung eines gekrümmten Spiegels für die Beleuchtung der Stirnseite der Spule,
Fig. 8 vier Aufnahmen mit Helligkeitsprofilen vor 5 der Bildverarbeitung,
Fig. 9 Aufnahmen und Helligkeitsprofile von aus mehreren Aufnahmen zusammengesetzten Bildern,
Fig. 10 ein Blockdiagramm des Aufbaus der Steuer- und Verarbeitungslogik.
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Einer der gefährlichsten Fehler, die beim Bewickeln von Garnspulen entstehen können, besteht im Auftreten sog. Spannfäden. Spannfäden sind Fäden, die sich beim Bewickeln von Sputen ein 15 Stück über deren Stirnseite erstrecken und dort in der Art einer Kreissehne in Erscheinung treten. Beim Abwickeln einer solchen fehlerhaften Spule besteht die Gefahr, dass der Faden an der Stelle des Spannfadens reisst. Diese Gefahr ist um so 20 grösser, je grösser der auftretende Sehnentangen-tenwinkel ist, d.h. der Winkel v zwischen dem Spannfaden und der Tangente an den kreisförmigen Fadenverlauf bei seiner Eintrittsstelle (vgl. Fig. 6). Dieser Winkel y wächst mit zunehmender Spannfa-25 denlänge und abnehmender, radialer Distanz r zum Spuienzentrum gemäss der Beziehung tan £/2r. Spannfäden gleicher Gefährlichkeit bilden deshalb einen Kreissektor mit jeweils gleichem Öffnungswinkel.
30 Gemäss dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird zum Ermitteln eines Spannfadens ein Sektor 3 an der Stirnseite 5 einer Spule 1 beleuchtet. Der Lichteinfall 4 erfolgt radial zur Spulenachse und streifend auf die zu prüfende Stirn-35 seite 5, wie sich insbesondere aus den Fig. 1 und 4 entnehmen lässt.
Ein Spannfaden 2 im beleuchteten Sektor 3 erscheint in der Aufsicht als helle Sehne vor der kreisförmigen Fadenstruktur der Stirnfläche (vgl. 40 Fig. 1). Erfolgt nun über den beleuchteten Sektor 3 eine Integration des Helligkeifsverlaufs senkrecht zum Spulenradius R, und zwar bei einer Spulenposition, bei welcher der Spannfaden diese Richtung einnimmt, so addieren sich die Helligkeitswerte 45 längs des Spannfadens zu einem relativ hohen Wert, während sich in seiner Nachbarschaft helle und dunklere Stellen längs des Integrationswegs abwechseln und damit ein kleinerer Wert resultiert. Der Spannfaden erscheint damit in einem radialen 50 Helligkeitsprofil nach der erwähnten Integration als Spitze.
Diese Integration erfolgt nun bei der Erfindung auf optischem Weg. Dazu ist oberhalb des beleuchteten Sektors 3 vor einer Aufnahmeoptik 7 eine Zy-55 linderlinse 6 angeordnet.
Die integrierende Wirkung der Zylinderlinse in einer Richtung wird anhand der Fig. 2 und 3 näher erläutert. Sie beruht auf dem Umstand, dass sich die Brennweiten der Zylinderlinse 6 in zwei Hauptrich-60 tungen unterscheiden. Entlang ihrer Längsrichtung wirkt die Zylinderlinse 6 wie eine ebene Platte, d.h. hat keinen wesentlichen Einfluss auf den Strahlengang (Fig. 2). In ihrer Querrichtung wirkt sie wie eine Linse einer bestimmten Brennweite (Fig. 3). 65 Wird ein Gegenstand g mittels einer Optik 7 in ei2
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ner Bildebene b scharf abgebildet, so hat die Zylinderlinse entlang ihrer Längsrichtung (gemäss Fig. 2) keinen Einfluss auf den Strahlengang. In der Querrichtung dagegen werden die auf die Zylinderlinse treffenden Lichtstrahlen gebrochen, so dass in der Bildebene b eine Verschmierung eintritt. Da sich nun die Information vieler Gegenstandspunkte überlappen, ergibt sich in der Querrichtung eine Integrationswirkung. Es entstehen dadurch Bilder des beleuchteten Sektors 3, wie sie in den Figuren 8 a bis d (jeweils oben) gezeigt sind, bei denen die Fadenstruktur des aufgenommenen Bereichs der Stirnseite als Streifenmuster erscheint. Dabei ist zu beachten, dass alle horizontalen Zeilen eines solchen Bildes ungefähr dieselbe Information enthalten, d.h. den in Spannfadenrichtung integrierten Helligkeitsverlauf längs eines Spulenradius. Zur Charakterisierung einer Aufnahme reicht es deshalb aus, jeweils eine Zeile eines solchen Bildes weiter auszuwerten. Aus diesem Grund kann die Aufnahmeoptik 7 auch lediglich einen Zeiiensensor besitzen, mittels welchem eine Zeile jedes Bildes aufgenommen wird. Bei Verwendung von zweidimensionalen Sensoren wird aus jedem Bild eine Zeile als Repräsentant entnommen.
im unteren Teil jeder der Fig. 8 a bis d ist der entsprechende Helligkeitsverlauf über eine solche Zeile graphisch dargestellt. In den Fig. 8 a und 8 b sind an den mit Pfeilen markierten Stellen Spannfäden durch deutliche Helligkeitsspitzen erkennbar, während in den Fig. 8 b und 8 c Sektoren dargestellt sind, die keine Spannfäden aufweisen. Die darin erkennbaren Spitzen ergeben sich wegen Unregelmässigkeit in der Beleuchtung und in der Spulenoberfläche.
Zur Erzielung dieser Bilder wird die Aufnahmeoptik 7 beim dargestellten Ausführungsbeispiel so eingestellt, dass der beleuchtete Sektor 3 der Stirnseite 5 der Spule scharf abgebildet wird. Vor dieser Aufnahmeoptik 7 wird in Radialrichtung der Spule die Zylinderlinse 6 im Strahlengang angeordnet, in radialer Richtung wird die scharfe Abbildung dadurch nicht beeinflusst, während senkrecht dazu die beschriebene Integrationswirkung auftritt.
Die so aufgenommenen Bilder (vgl. Fig. 8 a bis d) erlauben indessen noch nicht eine zweifelsfreie Identifizierung gefährlicher Spannfäden, da durch die unregelmässige Spulenstirnfläche auch andere Helligkeitsspitzen auftreten. Zudem ist der Einfluss der Beleuchtung dadurch zu erkennen, dass die Helligkeit nach aussen, d.h. mit zunehmendem Radius ansteigt. Diese Zunahme kann grösser sein als die meisten Helligkeitsspitzen.
Zur Eliminierung dieser langsamen Schwankung wird der Helligkeitsverlauf bei der Bildverarbeitung in radialer Richtung einer Hochpassfilterung unterworfen. Diese erfolgt durch Berechnung des gleitenden Mittelwerts des Helligkeitsverlaufs. Zur weiteren Auswertung wird dann anstelle der Helligkeit eines Punktes die Differenz seiner Helligkeit zum gleitenden Mittelwert betrachtet. So wird bei dieser Hochpassfilterung die Helligkeit jedes Bildpunktes Xi transformiert in einen Wert:
y. _ x £_ z: *.
Xi - 2ti+i fr-N *
Die Grösse 2N+1 stellt die Länge der Strecke (in Anzahl Bildpunkten) dar, über die die Helligkeitswerte gemittelt werden.
Die Bildung des gleitenden Mittelwerts kann weiter verbessert werden durch die Gewichtung der aufsummierten Bildpunkte mittels einer Gaussfunk-tion anstelle einer blossen Rechtecksfunktion gemäss der angegebenen Formel.
Diese Hochpassfilterung lässt die kurzen Helligkeitsspitzen deutlich aus den langsamen Schwankungen hervortreten.
Die Beleuchtung des aufzunehmenden Bereichs oder Sektors an der Stirnseite 5 der Spule "1 erfolgt zur Erzielung eines hohen Kontrastes. Durch streifenden Lichteinfall werden hauptsächlich die oben liegenden Spannfäden beleuchtet, so dass sie sich als helle Linien von der Stirnseite abheben. Wie in Fig. 4 gezeigt, wird deshalb das Licht aus einer Lichtquelle 10 mittels Spiegein 11,11'so geführt, dass es streifend oder tangential auf die Stirnseite 5 auftrifft. Ist diese gekrümmt, so wird die optimale Spiegelform durch einen entsprechend gekrümmten Spiegel 11" gebildet, der mit Parallellicht beleuchtet wird, wie in Fig. 7 dargestellt.
Die optimale Spiegelform kann indessen durch zwei flache Spiegel 11,11' gemäss Fig. 4 angenähert und das Parallellicht durch einen stark gebündelten Scheinwerfer ersetzt werden. Diese Annäherung rechtfertigt sich dadurch, dass die Spulen in der Regel keine klar definierten Konturen besitzen.
Zur weiteren Erhöhung des Kontrasts kann die Beleuchtung bzw. die Aufnahme so vorgenommen werden, dass ein mittlerer Bereich 8 des aufgenommenen Sektors 3 ausgespart bleibt (vgl. Fig. 6). In diesem mittleren Bereich verlaufen Spannfäden nahezu parallel zur ordentlichen Fadenstruktur, wie dies aus Fig. 6 ersichtlich ist. Die Berücksichtigung dieses Bereichs trägt demnach wenig zum angestrebten Kontrast bei und erhöht den Rauschpegel. Die Ausblendung dieses mittleren Bereichs 8 kann so erfolgen, dass er nicht beleuchtet wird oder aber auch dadurch, dass im Strahlengang der Aufnahmeoptik 7 eine entsprechende Maske vorgesehen ist.
Nachdem bis zu diesem Punkt der Beschreibung jeweils von der bildlichen Erfassung nur eines einzelnen Sektors der Stirnseite einer Spule ausgegangen wurde, muss in der Praxis die gesamte Stirnseite auf unzulässige Spannfäden geprüft werden. Dazu werden nun schrittweise mehrere Bilder bei verschiedenen Winkelstellungen cp der Spule bis zur Erfassung der gesamten Stirnfläche aufgenommen. Die Spule wird dabei für jede Aufnahme um jeweils z.B. A <p = 2° oder weniger um ihre Achse gedreht. Da der Spannfaden ein gerader Faden ist, der senkrecht zum Spulenradius verläuft, ist er bei der Aufnahme durch die Zylinderlinse 6 nur in wenigen dieser Winkelstellungen sichtbar. Diese Eigenschaft macht man sich nun dadurch zu Nutze, dass je eine Zeile jeder Aufnahme zu einem neuen Bild zu5
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sammengesetzt wird. Wie in den Fig. 9 a und c ersichtlich ist, repräsentiert jede Zeiie dieses Bildes eine bestimmte Winkelstellung (p0. Längs der Zeilen stellen die Pixel den radialen Helligkeitsverlauf dar, wie er bei der betreffenden Winkelstellung in der beschriebenen Art aufgenommen wurde. Die Fig. 9 a und c zeigen einen Ausschnitt von 100° der Spule, d.h. 50 Zeilen mit einer Winkelverschiebung von jeweils A <p = 2°. Die Pixel in einer Spalte r0 eines solchen Bildes entsprechen dem Helligkeitsver-tauf längs eines Kreises des entsprechenden Radius r0 auf der Stirnseite der Spule.
Auch in der Spaltenrichtung q> des Bildes kann nun der Kontrast mittels der beschriebenen Transformation mit dem gleitenden Mittelwert erhöht werden.
Die Fig. 9 c zeigt das zusammengesetzte Bild gemäss Fig. 9 a nach dieser Transformation über 11 Spulenstellungen. Die jeweils darunter in den Fig. 9 b und d dargestellten Helligkeitsverläufe längs einer bestimmten Zeile, nämlich bei derjenigen Winkelstellung, bei weicher ein Spannfaden sich im beleuchteten Sektor befand, zeigen die Verstärkung des Kontrasts durch diese Transformation.
Die Transformation oder Hochpassfilterung in der Richtung <p des zusammengesetzten Bildes besitzt den weiteren Vorteil, dass kleinere Störungen in der Spulenoberfläche, wie Rillen oder Wülste, die nicht als Spulenfehler betrachtet werden, von Spannfäden unterschieden werden können. Solche Rillen dehnen sich über einen grösseren Winkelbereich der Spule aus als Spannfäden und treten damit über mehrere Winkelstellungen als Helligkeitsspitze auf. Sie werden deshalb durch die Hochpassfilterung in der Richtung <p des zusammengesetzten Bildes abgeschwächt, falls das Einzugsgebiet für die gleitende Mittelwertbildung relativ klein gewählt wird.
Die Ermittlung von Spannfäden bei einer Spule 1 geschieht nach den vorstehenden Ausführungen wie folgt: Die zu untersuchende Spule wird auf einem Drehtisch 12 positioniert. Die hierzu vorgesehene Automatik ist nicht Gegenstand der Erfindung und wird hier nicht näher beschrieben. Der Drehtisch 12 wird mittels eines Motors 13 und Motorsteuerung 17, die mit einem Rechner 15 verbunden ist, schrittweise oder kontinuierlich gedreht (vgl. Fig. 10), wobei mittels einer Video- oder Zeilenkamera 14 mit einem Zeilensensor die Bildzeilen in der beschriebenen Art aufgenommen werden. Die Bildzeilen werden über ein Zeilensensor-Interface 14 und einen Rechner-Bus 16 in den Rechner 15 eingegeben und dort gespeichert, im Rechner 15 findet dann die Hochpassfilterung in beiden Dimensionen <p und R des zusammengesetzten Bildes statt. Treten im transformierten Bild Heiligkeitsspitzen auf, die einen bestimmten Schwellenwert übersteigen, so ist ein gefährlicher Spannfaden erkannt. Dies löst auf dem Rechnerbus ein Signal aus zur Steuerung einer Sortiereinrichtung, mittels welcher die fehlerhafte Spule separiert wird. Ferner kann eine entsprechende Anzeige erfolgen.
Das erläuterte Vorgehen führt zu einem wesentlich verminderten Rechenaufwand. Geht man von einer Ausdehnung des zusammengesetzten Bildes $, R von 256x256 Bildpunkten aus, so ergibt sich für die Unterdrückung der Helligkeitsschwankungen und für die Ermittlung der charakteristischen Helligkeitsspitzen mit einem Mikroprozessor 8086 (Intel) eine Rechenzeit von ca. 6 bis 7 Sekunden.
Die Vorrichtung kann, wie in Fig. 10 ersichtlich ist, mit einer Vorrichtung zur optischen Spulenidentifikation kombiniert werden, womit die geprüften Spulen identifiziert werden können. Hierzu kann in an sich bekannter Weise eine Kamera 17 und ein Standard-Bildspeicher 18 vorgesehen sein, mittels welchen ein Identifikationsmerkmal erkannt und zugeordnet wird.
Der optische Bereich der erläuterten Anordnung kann so ausgebildet werden, dass mittels einer Aufnahme nicht nur ein Sektor 3 der Spulenstirnseite, sondern zugleich zwei einander diametral gegenüberliegende Sektoren aufgenommen werden. Hierzu erfolgt die streifende Beleuchtung diametral von zwei Seiten, und es werden entsprechend zwei Zylinderlinsen vorgesehen. Mitteis eines Zeilensensors wird hernach ein Bild über den .ganzen Spulendurchmesser aufgenommen, wobei natürlich die Bildpunkte im Zentrum bei der Auswertung nicht berücksichtigt werden.
Mit dieser Anordnung muss die Spule auf dem Drehtisch 12 nur um 180° gedreht werden, um deren ganze Stirnseite zu erfassen.
Auch die anhand der Fig. 6 beispielhaft erläuterte Ausblendung des mittleren Sektorbereichs kann durch die Verwendung zweier Zylinderlinsen erzielt werden, wobei für jeden Teilsektor eine Zylinderlinse vorgesehen ist. Die beiden parallel zueinander angeordneten Zylinderlinsen bilden dann je einen Teilsektor auf der Aufnahmevorrichtung ab.
Wesentlich erscheint, wie bereits eingangs erwähnt, dass durch die geeignete Verwendung einer oder mehrerer Zylinderlinsen im Strahlengang die Rechenzeit der Bildauswertung erheblich reduziert werden kann, so dass die Prüfung von Garnspulen auf Fehler an ihren Stirnflächen mit vertretbarem Rechenaufwand im Produktionstakt vorgenommen und dass fehlerhafte Garnspulen auf Grund dieser Prüfung automatisch aus der Produktion ausgeschieden werden können.
Claims (12)
1. Vorrichtung zum Erkennen von Oberflächenfehlern, insbesondere Spannfäden an mindestens einer Stirnseite einer Garnspule (1), mit einer Anordnung (10,11 ) zum Beleuchten mindestens eines Bereichs der Stirnseite, einer optischen Einrichung (6, 7, 14) zur Aufnahme mindestens eines Bildes des beleuchteten Bereichs und einer Bildauswerteeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsanordnung (1Q, 11) zum Erzeugen eines im wesentlichen radial zur Spulenachse verlaufenden, streifenden Lichteinfalls auf die Stirnseite (5) der Spule (1) ausgebildet ist und dass die optische Einrichtung (6, 7, 14) mindestens eine Zylinderlinse (6) sowie eine Aufnahmevorrichtung (7, 14) aufweist, wobei die Zylinderlinse im Strahlengang zwischen dem beleuchteten Bereich (3) und einer Bildebene
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(b) der Aufnahmevorrichtung (7, 14) derart angeordnet ist, dass sich eine optische Integration des Bildes senkrecht zu einem Spulenradius (R) ergibt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das aufgenommene Bild jeweils im wesentlichen einem Sektor (3) der Stirnseitenfläche (5) der Spule entspricht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein zentraler, sektorieller Teil (8) des Sektors (3) bei der Aufnahme abgedeckt bzw. ausgeblendet ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlinse (6) im Strahlengang zwischen dem beleuchteten Bereich (3) und der Aufnahmevorrichtung (7, 14) derart angeordnet ist, dass die durch die Beleuchtungsrichtung bestimmte Bildachse im wesentlichen in der Längsachse der Zylinderlinse verläuft.
5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Aufnahmevorrichtung (7, 14) für jede Aufnahme ein als Bildzeile darstellbarer, radialer Helligkeitsverlauf des aufgenommenen, optisch integrierten Bildes in der Bildauswerteeinrichtung (15) speicherbar ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anordnung (12, 13) zur schrittweisen optischen Abtastung der gesamten Stirnseite der Spule vorgesehen ist, wobei die aufgenommenen Bilder von Schritt zu Schritt um einen Winkel (A <p) um die Spulenachse verschoben sind und für jeden Schritt ein als Bildzeile darstellbarer, radialer Helligkeitsverlauf des aufgenommenen, optisch integrierten Bildes in der Bildauswerteeinrichtung speicherbar ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schrittwinkel (Acp) einen Wert von max. 4° aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildauswertevorrichtung (15) einen Rechner zum Ermittein einer durch einen Spannfaden erzeugten Störung im aufgenommenen Bild aufweist, sowie eine Ausgabeeinrichtung (16) zur Erzeugung eines vom Ergebnis abhängigen Signals bzw. einer entsprechenden Anzeige.
9. Verfahren zum Erkennen von Spannfäden mit einer Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der in einer Bildzeile dargestellte, radiale Helligkeitsverlauf einer Hochpassfilterung unterzogen wird zur Ab-schwächung langwelliger, örtlicher Helligkeitsschwankungen.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochpassfilterung durch die Bildung des gleitenden Mittelwerts des Helligkeitsverlaufs und dessen Subtraktion vom Originalbild erfolgt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung des gleitenden Mittelwerts die eingehenden Bildpunkte gemäss einer Gewichtungsfunktion, vorzugsweise einer Gauss-funktion, berücksichtigt werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 und
10, wobei die gesamte Stirnseite der Spule schrittweise optisch abgetastet wird, indem die aufgenommenen Bilder von Schritt zu Schritt um einen Winkel um die Spulenachse verschoben werden und für jeden Schritt ein als Bildzeile darstellbarer, radialer Helligkeitsverlauf gespeichert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das aus den Bildzeilen zusammengesetzte Bild längs seiner Winkelachse einer Hochpassfilterung unterzogen wird.
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Date | Code | Title | Description |
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PL | Patent ceased |