DD251014A1 - Verfahren und vorrichtung zur visuellen erkennung und vermessung von markierungen und werkstuecken im kontinuierlichen materialfluss zum steuern und ausloesen von bearbeitungsvorgaengen - Google Patents

Abstract

Mit der Erfindung werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur visuellen Bilderkennung und Vermessen von Markierungen und Werkstuecken fuer die Wiederholung von gleichen Bearbeitungsvorgaengen an gleichen Positionen mit hoher Praezision dargelegt. Durch das Prinzip der Bildaufnahme und Verarbeitung bei sofortiger Verdichtung der Bilddaten wird gegenueber bisheriger Methoden Speicherplatz eingespart und eine schnellere Auswertung ermoeglicht.

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur visuellen Erkennung und Vermessung von Markierungen und Werkstücken im kontinuierlichen Materialfluß mit Hilfe einer mit zellenförmigen Fotosensoren versehenen Verarbeitungseinheit zum Steuern und Auslösen von Bearbeitungsvorgängen. Das Anwendungsgebiet erstreckt sich auf Positionieraufgaben in allen Bereichen der Volkswirtschaft, in denen laufende Materialbahnen ver-öder bearbeitet werderi. Weitere Anwendungsbeispiele ergeben sich in der Realisierung des der Erfindung zugrunde liegenden Prinzips in Lösungen für Vermessungs- und Erkennungsaufgaben an Werkstücken zur Qualitätsprüfung.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

In der Patentschrift DD 231443 wird ein Verfahren zum Steuern bzw. Auslösen von Bearbeitungsvorgängen an bzw. mit einer mit Markierungen und einem Dekor versehenen laufenden Materialbahn vorgestellt. Die Erfassung von Markierungen erfolgt mit fotoelektrischen Mitteln. Zur Durchführung der genannten Verfahren sind spezielle Markierungen in Form von Strichmarkierungen bestehend aus 2 Gruppen auf die Materialbahn zu drucken. Das Verfahren verlangt zwei Erfassungseinheiten, die jeweils den zwei Gruppen von Markierungen zugeordnet sind und sequentiell nacheinander aktiviert werden, indem bei Erkennung der ersten Markierung die Erfassungseinheit der zweiten Markierung aktiviert wird. Das Erfassungsergebnis der beiden Erkennungseinheiten wird mit einem abgespeicherten Referenzsignal verglichen. Die Auslösung der Bearbeitungsvorgänge erfolgt in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis. Mit dem Verfahren soll eine Auslösung von Fehlsignalen verhindert werden. Ein Nachteil des Verfahrens ist es, daß nur Materialbahnen mit den geforderten Markierungen verarbeitet werden können bzw. diese extra aufgebracht werden müssen.

In der Druck- und Verpackungstechnik ist es z. B. üblich, Bearbeitungsvorgänge an einer laufenden Materialbahn dadurch zu steuern, daß auf die Bahn Steuermarkierungen aufgedruckt werden, die durch Fotorezeptoren erfaßbar sind. Diese Markierungen werden in einem Farbton aufgedruckt, der zu der Umgebung kontrastiert und sind auf solche Bereiche der Materialbahn aufgebracht, die keine sonstigen gedruckten Markierungen oder Muster aufweisen. Hierzu ist es erforderlich, die Materialbahn entweder mit einem in Längsrichtung verlaufenden leeren Streifen zu versehen, auf dem sich nur Steuermarkierungen befinden dürfen, wobei die Fotozelle nur dann aktiviert wird, wenn sicher ist, daß der Bereich mit dem zu erwartenden Zeichen erreicht ist. Das erfordert zwischen den Zeichen eine relativ große leere Zone.

Es ergeben sich sehr große Probleme, denn die zur Erfassung der Markierung verwendeten Elemente reagieren nicht nur auf die gewünschten Steuermarkierungen, sondern auch auf Teile des Dekors oder auf weitere Markierungen, so daß es zur Auslösung von Fehlsignalen kommt.

Ein weiteres Problem ist, daß nach mehreren Bearbeitungsvorgängen die Zahl der Zeichen so groß wird, daß mit herkömmlichen Fotorezeptoren eine sichere Identifizierung der gewünschten Steuerzeichen nicht mehr möglich ist. Lösungen zur Bilderkennung im herkömmlichen Sinne sind bekannt und derartige Techniken sind zur Lösung der Aufgabenstellung prinzipiell einsetzbar. Der Aufwand und damit die Kosten sind so hoch, daß die Bilderkennung für die Lösung der anliegenden Probleme nicht in Frage kommt. In der Patentschrift DE 2643620 wird ein Verfahren zur Erkennung einer Paßmarke für die Registerregelung beschrieben, wobei ein Orientierungszeichen mittels vier aufeinanderfolgender Testvorgänge nach Form und Lage bestimmt wird. Die vier Testvorgänge bestehen aus einem Vergleich X-Richtung, dann der Vergleich in Y-Richtung in der Ermittlung der Mittelpunktkoordinaten und des Radius und der letzte Test besteht im Vergleich der Werte des unbekannten Zeichens mit gespeicherten bekannten Zeichen. Das Verfahren beruht darauf, daß die Bilddaten von einer Flächenkamera voll in einen Bildspeicher übernommen werden, wobei der Vergleich aber zeilenweise erfolgt. Diese Arbeitsweise verlangt große Speicher zur Aufnahme des Bildes und aufwendige Algorithmen zur Realisierung der vier aufeinanderfolgenden Testvorgänge. Der Einsatz bei laufenden Materialbahnen ist nur mit erhöhtem Aufwnd möglich.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, aus einer großen Anzahl vorhandener unterschiedlicher Steuerzeichen sicher eine vorgegebene Markierung aus einer größeren Anzahl von Markierungen über einen weiten Geschwindigkeitsbereich zu erkennen, wobei sich das Zeichen sowohl auf gesonderten Steuerstreifen als auch im Muster oder Dekor befinden kann und das Aufbringen eines speziellen Steuerzeichens nicht notwendig ist. Weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines einfachen universellen Systems für Erkennungs- und Vermessungsaufgaben zur Positionierung und Qualitätsprüfung.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur visuellen Erkennung und Vermessung von Markierungen und Werkstücken im kontinuierlichen Materialfluß mit Hilfe einer mit zellenförmigen Fotosensoren versehenen Verarbeitungseinheit zum Steuern und Auslösen von Bearbeitungsvorgängen zu schaffen und mit der Identifizierung einer oder mehrerer Markierung aus einer größeren Anzahl entsprechende Bearbeitungsvorgänge auszulösen.

Dadurch wird erreicht, daß gleiche Bearbeitungsvorgänge an gleichen Positionen mit hoher Präzision wiederholt werden können. Durch besondere Maßnahmen im Erkennungsprozeß wird das Verfahren über einen weiteren Geschwindigkeitsbereich einsetzbar. Das zusätzliche Aufbringen von Strichmarkierungen oder ähnlichen Bearbeitungsvorgängen als Voraussetzung ist nicht notwendig. Die Qualität der auszulösenden Bearbeitungsvorgänge wird durch die hohe Präzision und durch Verringern von systematischen und zufälligen Fehlern entscheidend verbessert.

Durch das Prinzip der engen Verbindung von Bildaufnahme, insbesondere der Übernahme der Bilddaten in die Verarbeitungseinheit und der Verarbeitung wird ein einfaches und universelles System geschaffen um Erkennungs- und Vermessungsaufgaben für die Positionierung und Qualitätsprüfung zu ermöglichen, welches für den unteren und mittleren Geschindigkeitsbereich in Einsatzsystemen der visuellen Erkennung realisierbar ist.

Durch die aufgeführte Kopplung von zellenförmiger Bildaufnahme und sofortiger Verdichtung der Bilddaten wird Speicherplatz gegenüber herkömmlichen Verfahren der Bildverarbeitung eingespart. Als Bilddatenspeicher ist nur der Speicherumfang für eine Bildzeile notwendig.

Das Entscheidungsergebnis wird aus den vorverdichteten Daten iterativ ermittelt und ab einem Abbruchkriterium ausgegeben.

Das ausgegebene Signal wird bei der weiteren Verwendung für Markierungs- und/oder Positionierungsaufgaben über eine Steuereinheit auf eine Motorsteuerung gegeben, wobei für Grundgeschwindigkeit des kontinuierlichen Materialflusses und bei erreichter Position ein Vorzugswert, der manuell korrigierbar ist, für die Motorsteuerung geliefert und vom Motor über Wandler und eine Rückführung auf die Verarbeitungseinheit eine Regelung des Gesamtsystems möglich wird.

Lösung der Aufgabe

Erfindungsgemäß wird das Ziel mit einem Verfahren und Vorrichtung zur visuellen Erkennung von Markierungen auf einer mit Markierungen und/oder Dekor versehenen laufenden Materialbahn erreicht, indem mit Hilfe eines zellenförmigen Fotosensors der Streifen in dem sich die Markierungen befinden einschließlich eines eventuell notwendigen zusätzlichen Toleranzfeldes ständig bei laufender Materialbahn abgetastet wird.

Das Ziel einer Zeile wird während des Integrationszyklusses Belichtungszeit des Fotosensors aufgenommen, digitalisiert und in einem anschließenden Auslesevorgang in die Verarbeitungseinheit übernommen und hier als Zeilenbild zwischengespeichert.

Nach Auslesen des aktuellen Zeilenbildes wird das im Speicher vorhandene Zeilenbild zu zeilenrelevanten Zwischenergebnissen verdichtet und in einem weiteren Speicher abgelegt. Der Speicher für das Zeilenbild wird im darauffolgenden Zeilenzyklus mit dem aktuellen Zeilenbild überschrieben.

Parallel zum darauffolgenden Integrationszyklus werden die zeilenrelevanten Zwischenergebnisse iterativ zu markierungstypischen Merkmalen aufbereitet, die als internes Abbild der Zeichen dienen. Dabei werden die neuen Merkmale Epeu aus den alten vorliegenden Merkmalen E_ai, durch Verknüpfung op mit den aktuellen Zeilenergebnissen E ermittelt. Als Verknüpfung sind alle bisher aus der Bilderkennung bekannten geeignet. Sie müssen aber für die iterative Verarbeitung aufbereitet werden.

Die Markierungen auf der Materialbahn bestehen dabei in der Regel aus einfachen geometrischen Figuren. Die Beschreibung und der Vergleich erfolgt mittels Merkmalen, die den geometrischen Figuren eigen sind.

Die Eigenschaft einer sicheren Erkennung in einem großen Geschwindigkeitsbereich wird durch Ermittlung geschwindigkeitsvarianter Merkmale erreicht. Die Auswertung der Markierungen erfolgt nachdem diese den Erfassungsbereich des zellenförmigen Fotosensors passiert hat, indem während der Bildung der zeilenrelevanten Zwischenergebnisse ein Kriterium geprüft wird, welches feststellt, ob ein Zeichen den Erfassungsbereich passiert hat.

Eine Variante zur Erkennung und Vermessung von Werkstücken im kontinuierlichen Materialfluß arbeitet in der Art, daß zusätzlich zur Bestimmung der Zeilenrelevanten, die einzelnen Werkstücke bei Passieren des zellenförmigen Fotosensors identifiziert und gegeneinander segmentiert werden. Der hier zu gründe gelegte iterative Entscheidungsbaum ist so ausgelegt, daß bei Feststellen ein er Entscheidung, ab der festgelegten Entscheidungsknoten ein neuer Abschnitt zur Verarbeitung gestartet wird. Jeder Verarbeitungsabschnitt ist nach den zuvor aufgeführten Grundsätzen der Bestimmung zeilenrelevanter Zwischenergebnisse und der iterativen Ermittlung von Merkmalen über die Zeilenzyklen gestaltet. Damit wird der Entscheidungsweg dem Materialfluß angepaßt. Die Abschlußentscheidung wird anhand eines Abbruchkriteriums von der Verarbeitungseinheit analog zur Variante zur Erkennung von Markierungen auf laufenden Materialbahnen gebildet.

Eine weitere Variante besteht darin, daß die Phasen der Auswertung zu zeilenrelevanten Zwischenergebnissen parallel zum Integrationszyklus der darauffolgenden Zeile gestartet wird und die iterative Auswertung zu Merkmalen nach dem Auslesen der aktuellen Bildzeile vorgenommen wird. Das von der Verarbeitungseinheit ausgegebene Signal wird über die Steuereinheit zur Lösung von Positionierungsaufgaben durch Geschwindigkeitsveränderung des Materialflusses im großen Bereich genutzt, wobei bei Erreichen bzw. Übereinstimmung der Ist-Position mit der Sollposition ein Verzugssignal ausgegeben wird.

Als Vergleichswert bei durchzuführenden Positionieraufgaben wird durch ein markantes Kennzeichen des Materials oder Werkstücks in derVerärbeitungseinheitein Signal gebildet, das in der Steuereinheit mit dem Sollwert verglichen wird und hier 3 verschiedene Signale für die Motorsteuerung bildet und ausgibt.

Damit besteht grundsätzlich die Möglichkeit, die Geschwindigkeit des Materialflusses zu bestimmen und für Markierungs- und/oder Positionierungsaufgaben heranzuziehen.

Ausführungsbeispiel

Das Verfahren zur visuellen Erkennung und Vermessung von Markierungen und Werkstücken im kontinuierlichen Materialfluß mit Hilfe einer mit zellenförmigen Fotosensoren versehenen Verarbeitungseinheit zum Steuern und Auslösen von Bearbeitungsvorgängen ist gegenständlich realisiert worden in einer Vorrichtung zur visuellen Erkennung von Markierungen auf einer mit Markierung und/oder Dekor versehenen laufenden Materialbahn. Das Verfahren und die Vorrichtung soll in einem Beispiel unter Bezugnahme auf folgende Zeichnungen erläutert werden.

Fig. 1: Aufbau der Vorrichtung zur Durchsetzung des Verfahrens

Fig. 2: Ablauf des Verfahrens

Fig. 3: Zugriff der Verarbeitungseinheit

Fig. 1 zeigt den Aufbau der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Die Vorrichtung besteht aus einem Bildaufnahmesystem mit zellenförmigen Fotosensor 1, der mit einer Verarbeitungseinheit 2 gekoppelt ist. Die Verarbeitungseinheit 2 arbeitet mit 4 Speichern zusammen. Der Bildzeilenspeicher 3 nimmt die vom zellenförmigen Fotosensor 1 bereitgestellten Daten auf. Die Größe des Bildzeilenspeichers 3 ist abhängig von der Größe des zellenförmigen Fotosensors 1. Alle weiteren Speicher, auf die während der Abarbeitung des Verfahrens zurückgegriffen wird, sind ein Speicher für die zeilenrelevante Zwischenergebnisse 4 der iterative Merkmalspeicher 5 und ein Vergleichsregister 6 vorhanden. Fig. 2 zeigt den Ablauf des Verfahrens und Fig.3 zeigt den Zugriff.der Verarbeitungseinheit auf die einzelnen Komponenten der Vorrichtung.

Bei Start des Zeilenzyklus η werden die auf den zellenförmigen Fotosensor 1 fallenden Helligkeitswerte aufintegriert. Parallel zur Integrationszeit werden die im Speicher für zeilen relevante Zwischenergebnisse 4 vorhandenen Daten der Bildzeilen - 1 iterativ mit den im Merkmalspeicher 5 vorhandenen Daten verarbeitet und als neues Ergebnis in diesen Speicher abgelegt. Nach Abschluß der Integrationszeit werden die Bilddaten aus den zellenförmigen Fotosensor 1 ausgelesen, digitalisiert und in den Bildzeilenspeicher 3 geschrieben. Diese Daten werden anschließend von der Verarbeitungseinheit zu zeilenrelevanten Zwischenergebnissen verdichtet und im Speicher für zeilenrelevante Zwischenergebnisse 4 abgelegt. Damit kann der nächstfolgende Zeilenzyklus η + 1 gestartet werden. Im Zeilenzyklus η + 1 werden während der Integrationszett die aus Zeilenzyklus η im Speicher für zeilenrelevante Zwischenergebnisse 4 mit den Daten im Merkmalspeicher iterativ verarbeitet.

Das Ergebnis wird im anschließenden Entscheidungsknoten dem Vergleichsregister gegenübergestellt. Bei Übereinstimmung wird von der Verarbeitungseinheit eine Ausgabe ausgelöst.

Hebt sich während der iterativen Abarbeitung im Zeilenzyklus η eine Markierung gegenüber dem normal vorhandenen Bildgeld im Zeilenzyklus η + 1 durch seine Kontur hervor, so wird für die erste Abwicklung in Zeilenzyklus η gegenüber den Zeilenzyklus η + 1 eine Basislinie gelegt, auf die nun alle zeilenrelevanten Zwischenergebnisse bezogen werden, indem die zeilenrelevanten Zwischenergebnisse als Abweichung der Korrekturlinie von der Basislinie mit Vorzeichen und Betrag abgespeichert wird. Mit diesen Größen kann die Kontur iterativ nachgezeichnet werden und in Form und Merkmalen im iterativen Merkmalspeicher abgelegt werden. Ein Entscheidungskriterium wird abgeleitet, wenn die Konturlinie maximal von der Basislinie abweicht. Ein weiteres Entscheidungskriterium wird abgeleitet, wenn die Konturlinie wieder zur Basislinie zurückkehrt. Hat die Konturlinie die Basislinie erreicht und wird diese im folgenden Zyklus bzw. eines Toleranzbereiches nicht fortgeführt, gilt die Markierung als beendet. Damit wird im Entscheidungsknoten die Auswertung der iterativ ermittelten Merkmale vorgenommen. Als Merkmale sind alle in der Bilderkennung üblichen Merkmale ermittelbar.

Die Algorithmen sind aber auf die im Verfahren typischen Abarbeitung anzupassen. Durch die Gegenüberstellung des Anstiegs der Konturlinie bis zur maximalen Abweichung und dem Abfall zur Basislinie wird ein Symmtrietest durchgeführt. Dieses kann ebenfalls mit Konturlinien oberhalb und unterhalb der Basislinie durchgeführt werden. Symmetrische Markierungen sind durch diese Abarbeitung im weiten Bereich geschwindigkeitsvariant. Als Entscheidungshilfe wird die maximale Abweichung der Konturlinie von der Basislinie sowie die Folge der Abarbeitung herangezogen. Ist eine Markierung erkannt, so gelangt ein Signal zur Steuereinheit 7, die aus Verknüpfungen mit weiteren Signalen bestimmter Relation eine Entscheidung für die Motorsteuerung 8 und zur Anzeigeeinheit 9 ausgibt. Die Drehzahl des Motors 10 wird über Wandler 11 der Verarbeitungseinheit 2 zurückgeführt. .

Claims (8)

1. Verfahren und Vorrichtung zur visuellen Erkennung und Vermessung von Markierungen und Werkstücken im kontinuierlichen Materialfluß mit Hilfe einer mit zellenförmigen Fotosensoren versehenen Verarbeitungseinheit zum Steuern und Auslösen von Bearbeitungsvorgängen, gekennzeichnet dadurch, daß der Materialfluß ständig senkrecht zur Transportrichtung abgetastet wird, die digitalisierten Daten in einem anschließenden Auslesevorgang als Zeilenbild in die Verarbeitungseinheit übernommen und in einem Bildzeilenspeicherzwischengespeichertwerden, nach Auslesen des aktuellen Zeilenbildes zu zeilenrelevanten Zwischenergebnissen verdichtet in einen weiteren Speicher abgelegt werden, der Bildzeilenspeicher im folgenden Zeilenzyklus des Fotosensors mit dem aktuellen überschrieben wird, parallel zum Integrationszyklus die zeilenrelevanten Zwischenergebnisse iterativ zu typischen Merkmalen als internes Abbild aufbereitet werden, als vorgegebenes Kriterium am Entscheidungsknoten eine Auswertung erfolgt und das Entscheidungsergebnis entweder als Bearbeitungs- oder Steuersignal ausgegeben wird und/oder ein neuer Abschnitt zur Verarbeitung gestartet wird, der nach den Grundsätzen der Bestimmung zeilenrelevanter Zwischenergebnisse und der iterativen Ermittlung von Merkmalen über die Zeilenzyklen gestaltet ist, die Entscheidung durch Vergleich der am Entscheidungsknoten vorliegenden iterativ ermittelten Merkmale mit vorgegebenen Sollmerkmalen vorgenommen wird.

2. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Markierungen auf einer laufenden Materialbahn erkannt werden, die Erkennung in einem weiten Geschwindigkeitsbereich durch Ermittlung geschwindigkeitsinvarianter Merkmale erfolgt, die Signale zur Bearbeitung und Steuerung dieser Materialbahn nach Passieren eines vorgegebenen Zeichens ausgegeben werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Werkstücke vermessen und erkannt werden, indem zusätzlich zur Bestimmung der zeilenrelevanten Zwischenergebnisse die einzelnen Werkstücke bei Passieren des zellenförmigen Fotosensors identifiziert und gegeneinander segmentiert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Module der Ermittlung zeilenrelevanter Zwischenergebnisse gegen die Module der iterativen Ermittlung der Merkmale als internes Abbild gegeneinander im Zeilenzyklus ausgetauscht werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß von einer Verarbeitungseinheit über eine Steuereinheit eine Steuerung des Arbeitsmotors des Bearbeitungskomplexes in der Art gegeben ist, daß bei anzustrebendem kontinuierlichem Materialfluß und erreichter Position von Markierungen oder Bauteilen ein Vorzugswert, der manuell korrigierbar ist, für die Motorsteuerung geliefert wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß einem Bildaufnahmesystem mit zellenförmigem Fotosensor eine Digitalisiereinheit und eine Verarbeitungseinheit nachgeordnet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verarbeitungseinheit 4 Speicher zur internen Verarbeitung zugeordnet sind, die als Bildzeilenspeicher, als Zwischenspeicher für zeilenrelevante Zwischenergebnisse, als iterativer Merkmalspeicher und als Vergleichsregister ausgebildet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verarbeitungseinheit eine Steuereinheit nachgeordnet ist, die über eine Motorsteuerung die Drehzahl des Motors des Bearbeitungskomplexes steuert und über einen Wandler und Rückführung auf die Verarbeitungseinheit eine Regelung des Gesamtsystems möglich wird, wobei über ein oder mehrere externe und/oder interne Synchronisationssignale für die Motorsteuerung ein Vorzugswert festgelegt wird.