DE10104355B4

DE10104355B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Bildabtastung der Oberfläche eines Objekts

Info

Publication number: DE10104355B4
Application number: DE10104355A
Authority: DE
Inventors: Enis Dipl.-Ing. Ersü; Jörg Dr.-Ing. Amelung
Original assignee: Isra Vision Systems AG
Current assignee: Isra Vision AG
Priority date: 2000-03-09
Filing date: 2001-02-01
Publication date: 2010-02-18
Anticipated expiration: 2021-02-02
Also published as: DE10104355A1

Abstract

Vorrichtung zur Bildabtastung eines Objekts (2), das durch ein steuerbares Transportmittel (6) entlang einer ersten Achse (X) relativ zu einem Aufnahmesystem (3) bewegbar ist,
– mit einem Verfahrmittel (4), welches das Aufnahmesystem (3) entlang einer zweiten Achse (Z) linear bewegt,
– mit einem Drehmittel (5), welches das Aufnahmesystem (3) um eine dritte Achse (B) dreht,
und
– mit einem Positioniersystem (8), welches die Position und Ausrichtung des Aufnahmesystems (3) entlang der zweiten und um die dritte Achse (Z, B) in Abhängigkeit von der Position des Objekts (2) entlang der ersten Achse (X) der Art bestimmt, dass eine horizontale Bildabtastung des Objekts (2) erfolgt, d. h. der Vektor des Aufnahmesystems (3) stets senkrecht zu der Oberfläche (1) des Objekts (2) steht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bildabtastung der Oberfläche eines Objekts.
In einer Lackierstrasse ist es z. B. nicht zu vermeiden, dass Staubpartikel oder sonstige Einflüsse zu Verunreinigungen oder Fehlerstellen des Lackes führen. Trotz der häufig nur geringen Größe sind diese Verunreinigung und Fehlerstellen mit dem bloßen Auge gut sichtbar und daher störend.
Bekannte Verfahren zur Bestimmung von Verunreinigungen von Fehlerstellen verwenden z. B. gerichtetes Licht, das eine streifenförmige Abbildung von Lampen auf der Oberfläche des Objekts hervorruft. Die Topologie der Fehler ergibt sich aus der geänderten Reflexionsrichtung. So erscheinen Fehler hell in dunklen Streifen und dunkel in hellen Streifen. Fehler werden somit an ihrem Hof erkannt.
Aus der DE 198 20 536 A1 ist eine Einrichtung zur Überprüfung einer Oberfläche eines Körpers, insbesondere einer Lackoberfläche bekannt, bei der an der Decke und den Seitenbereichen einer Prüfstation Leuchtstoffröhren parallel zueinander angebracht sind. Neben der Karosserie befindet sich ein mattgrauer Boden mit gelben Linien. Anhand des Verlaufs der gelben Linien, die sich im Karosserielack spiegeln, kann das Prüfpersonal Unebenheiten von Flächenteilen und Farbstrukturmängel erkennen.
Aus der DE 34 11 578 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung von Lackfehlern bekannt, wobei die Karosserie durch eine Leuchtstoffröhre angestrahlt und eine Kamera auf das Spiegelbild der Leuchtstoffröhre fokussiert wird. Durch feststehende optoelektronische Mittel (CCD-Kameras) erfolgt eine Auswertung der leuchtenden Lackfehler.
Aus der JP 06235700 AA sind ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, bei der eine an einem Roboter geführte Kamera Karosseriebilder aufnimmt. Mit Hilfe von Bildverarbeitungstechniken werden Lackfehler bestimmt.
Die DE 197 17 593 A1 offenbart ein Meßsystem zur Beurteilung der Oberflächenqualität von serienweise automatisch beschichteten Werkstücken, in welchem ein Wellenverlaufmeßgerät an einem mehrachsigen Roboter montiert ist, das berührungslos über die beschichtete Oberfläche bewegbar ist.
Aus der DE 195 34 145 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Inspektion spiegelnder und halbspiegelnder Oberflächen bekannt. Am zu untersuchenden Gegenstand werden reflektierte Bilder, vorzugsweise geometrische Formen von beleuchteten Abschnitten betrachtet, um die Inspektion durchzuführen.
Die DE 43 38 223 B4 beschreibt ein System zur Erfassung von Fehlern in einer Lackierung, bei dem ein Prüfroboter ein Bild des zu untersuchenden Objekts anfertigt, während ein Träger das zu untersuchende Objekt bewegt. Das angefertigte Bild wird von einer Bildverarbeitungseinrichtung verarbeitet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Verunreinigungen und sonstige Fehlerstellen der Oberfläche eines Objekts durch eine rechnergesteuerte Bildanalyse zu erkennen, wobei das optische Aufnahmesystem möglichst kostengünstig und genau an dem zu untersuchenden Objekt entlanggeführt werden soll.
Gelöst wird diese Aufgabe nach einem Aspekt der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1, d. h. insbesondere durch eine Vorrichtung zur Bildabtastung eines Objekts, das durch ein steuerbares Transportmittel entlang einer ersten, vorzugsweise horizontalen Achse relativ zu einem Aufnahmesystem bewegbar ist. Mit einem Verfahrmittel wird ein optisches Aufnahmesystem entlang einer zweiten, vorzugsweise vertikalen Achse linear bewegt. Ein Drehmittel dreht das optische Aufnahmesystem um eine dritte, vorzugsweise horizontale Achse. Ein Positioniersystem bestimmt die Position und Ausrichtung des optischen Aufnahmesystems entlang der zweiten und um die dritte Achse in Abhängigkeit von der Position des Objekts entlang der ersten Achse der Art, dass eine horizontale Bildabtastung des Objekts erfolgt, d. h. der Vektor des Aufnahmesystems stets senkrecht zu der Oberfläche des Objekts steht. Es ist denkbar, dass das Aufnahmesystem vollständig um das Objekt geführt wird, wenn das Transportsystem dieses zulässt. Für eine z. B. vorgegebene Karosseriekontur können alle Achspositionen und die dazu relevanten Steuersignale für das Aufnahmesystem erzeugt werden, so dass dadurch eine vollständige Abtastbahn beschrieben wird. Diese Daten können in einer Abtastdatei gespeichert sein. Die Vorgabe der Karosseriekontur erfolgt auf der Grundlage eines Längsschnitts durch die Karosserie. Der Längsschnitt bildet einen Polygonzug, welcher sich durch eine definierte Anzahl von Stützpunkten beschreiben lässt, die sich aus dem Längsschnitt an Hand eines Gitterrasters ablesen lassen. Alle Stützpunkte beziehen sich z. B. auf ein Koordinatensystem der Karosserie, welches seinen Ursprung in der Radnabe des Vorderrades hat. Die Auslösung der Abtastung kann durch eine Lichtschranke erfolgen.
Für eine besonders genaue Untersuchung mit Hilfe eines z. B. eine Kamera und eine Beleuchtung aufweisenden Aufnahmesystems, wird der Abstand zum Objekt konstant gehalten. Eine solche äquidistante Abtastung ist für bekannte Mustererkennungsalgorithmen von großem Vorteil. Aufgrund der in der Regel fest vorgegebenen Auflösung einer CCD-Kameras können unterschiedliche Abstände dazu führen, dass bestimmte Fehler nicht mehr als solche erkannt bzw. geringe Abweichungen als Fehler betrachtet werden. Um diesen Anforderungen zu genügen, ist das Positioniersystem so ausgebildet, dass das optische Aufnahmesystem äquidistant über die Oberfläche des Objekts geführt wird.
Für den Aufbau des Positioniersystems gibt es unterschiedliche Ansätze. Das Positioniersystem kann als Steuerung, als Regelung oder als Kombination von beidem ausgebildet sein.
Bei der Ausbildung als Steuerung kennt das Positioniersystem für jeden Typ eines Objektes, über den das optische Aufnahmesystem geführt wird, die einzelnen z. B. durch CAD-Daten vorausgeplanten Koordinaten des optischen Aufnahmesystems sowie die Geschwindigkeit des Objekts und damit die Position des Objekts auf seiner Bewegungsachse in Abhängigkeit von der Zeit. Die Steuerung des optischen Aufnahmesystems kann als mehrdimensionale Funktion dargestellt werden.
Einfacher, jedoch ungenauer ist der Einsatz einer Regelung als Positioniersystem. Hierbei ist das Positioniersystem z. B. mit einem Abstandssensors verbunden, der kontinuierlich den Abstand des optischen Aufnahmesystems zur Oberfläche des Objektes misst. Beim Übertreten eines Abstandsschwellenwertes wird das optische Aufnahmesystem durch Ansteuern des Transportmittels und/oder des Drehmittels und/oder des Verfahrmittels so positioniert, dass der Abstandsschwellenwert wieder unterschritten wird. Hierbei pendelt das optische Aufnahmesystem um ein Optimum.
Eine bessere Lösung besteht in der Kombination von Steuerung und Regelung, bei der die Steuerung durch eine Regelung überwacht wird. Wird ein bestimmter Wert aus Gründen der Ungenauigkeit der Steuerung oder anderer Toleranzen überschritten, so wird die Steuerung zumindest für einen gewissen Zeitraum abgeschaltet und durch die Regelung ersetzt.
Bei den zu untersuchenden Objekten handelt es sich vornehmlich um Kraftfahrzeug-Karosserien, welche mittels eines Transportbandes oder dgl. befördert werden. Die Geschwindigkeit des Transportbandes kann entweder konstant sein oder durch das Positioniersystem bestimmt werden. Hierbei kann das Transportmittel vorzugsweise physisch von einem ggf. vorhandenen An- und Abtransportsystem getrennt sein, um somit mehr Möglichkeiten bei der Bestimmung der Geschwindigkeit des Transportmittels zu haben.
Die einzelnen Achsen sind vornehmlich so angeordnet, dass sie alle im rechten Winkel zueinander stehen, um den 3-dimensionalen Raum abzudecken. Hierbei ist das Verfahrmittel in linearer vorzugsweise vertikaler Form realisiert. Es ist rechtwinklig zu der ersten Achse des ebenfalls linearen, vorzugsweise horizontalen Transportmittels angeordnet, so dass das Objekt seitlich am Verfahrmittel vorbeigeführt wird. Die dritte Achse ist durch ein Drehmittel realisiert, das durch das Verfahrmittel entlang der zweiten Achse auf und ab bewegt werden kann.
Das optische Aufnahmesystem kann sich in einer möglichen Ausführungsform entlang der dritten Achse über die gesamte Breite des Objektes erstrecken.
In einer weiteren Ausführungsform kann das optische Aufnahmesystem entlang der dritten Achse linear verfahrbar sein, wenn sich das optische Aufnahmesystem nicht über die gesamte Breite des Objektes erstreckt.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird nach einem anderen Aspekt durch die Merkmale des Anspruchs 14, d. h. insbesondere durch ein Verfahren zur Bildabtastung eines Objekts, welches das optische Aufnahmesystem entlang der zweiten und um die dritte Achse in Abhängigkeit von der Position des Objektes entlang der ersten Achse so ausrichtet, dass der Vektor des Aufnahmesystems stets senkrecht zu der Oberfläche des Objekts steht und vorzugsweise der Abstand des optischen Aufnahmesystems zu dem Objekt, d. h. zu dessen Oberfläche, stets äquidistant ist.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird zusätzlich die Position des Objektes z. B. bei konstanter Geschwindigkeit des Objekts entlang der ersten Achse durch eine Steuerung und/oder eine Regelung so ausgerichtet, dass der Vektor des Aufnahmesystems stets senkrecht zu der Oberfläche des Objekts steht und vorzugsweise der Abstand des optischen Aufnahmesystems zu dem Objekt konstant bleibt.
Weitere Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprüchen angegeben.
Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.
Die einzige Figur zeigt eine Vorrichtung zur kontinuierlichen äquidistanten Bildabtastung eines Objekts 2, mit einem eine Kamera-/Beleuchtungseinheit aufweisenden Aufnahmesystem 3, mit einem in Richtung einer horizontalen X-Achse (erste Achse) wirkenden Transportmittel 6 für das Objekt 2, mit einem in Richtung einer vertikalen Z-Achse (zweite Achse) wirkenden Verfahrmittel 4 und mit einem eine horizontale Drehachse B (dritte Achse) bestimmenden Drehmittel 5 für das Aufnahmesystem 3, welches auf Grund der Bewegung des Objektes 2 in Richtung des Pfeiles über das Objekt 2 geführt wird, sowie mit einem Positioniersystem 8, das die Antriebsmittel für die Bewegungen in bzw. bezüglich der einzelnen Achsen X, Z, B so steuert und/oder regelt, dass der Abstand der des Aufnahmesystems 3 zu der Oberfläche 1 des Objekts 2 konstant bleibt, während das Objekt 2 unter dem Abtastsystem 3 hindurchbewegt wird. Die verschiedenen Positionen des Aufnahmesystems 3 werden dann aufgenommen, wenn sich das Objekt 2 mittels des Transportmittels 6 durch die Vorrichtung hindurch bewegt.
Das Transportmittel 6 kann physikalisch getrennt von den An- und Abtransportmitteln 9, 10 sein. Es besteht somit die Möglichkeit, die Abtastgeschwindigkeit V_A von den An- und Abtransportmitteln 9, 10 getrennt zu steuern. Das Abtransportmittel 10 ist jedoch vorzugsweise synchron zu dem Transportmittel 6.
Gemäß der zeichnerischen Darstellung soll z. B. das auf dem Transportmittel 6 befindliche Objekt 2 mittels des Aufnahmesystems 3 bezüglich seiner Oberflächenbeschaffenheit untersucht werden. Dies ist insbesondere bei Objekten 2 von Interesse, welche eine lackierte Oberfläche 1 haben, wie Kraftfahrzeug-Karosserien. Das Aufnahmesystem 3 ist dabei z. B. in der Lage, den Lack auf Fehler zu untersuchen.
Das Aufnahmesystem 3 ist mit einem – nicht dargestellten – Auswertrechner verbunden, der unter Verwendung von bekannten Mustererkennungsalgorithmen die einzelnen Lackfehler automatisch erkennt, um sie dann einer automatischen oder manuellen Nachbearbeitung zuzuführen.
Um möglichst genaue und schnelle Ergebnisse bei der Analyse zu erhalten, wird das Aufnahmesystem 3 mit Hilfe des Positioniersystems 8 äquidistant und mit konstanten Abtastgeschwindigkeiten V_A über das Objekt 2 geführt, wie dem punktiert dargestellten zeitlichen Verlauf des Aufnahmesystems 3 entnommen werden kann, und zwar der Art, dass der Beobachtungsvektor des Aufnahmesystems 3 stets senkrecht zu der Oberfläche 1 des Objekts 2 steht. Ein Positioniersystem 8 bestimmt die konstant zu haltende Abtastgeschwindigkeit V_A des Transportmittels 6, welche die Resultierende aus den Geschwindigkeitsvektoren V_X, V_Z und V_B ist. In Abhängigkeit von der auf Grund der Abtastgeschwindigkeit V_A erreichten Positionen des Objektes 2 längs der X-Achse wird das Aufnahmesystem 3 mit Hilfe des Drehmittels 5 und des Verfahrmittels 4, von denen das Aufnahmesystem 3 getragen wird, ausgerichtet. Das Verfahrmittel 4 bewegt das Aufnahmesystem 3 linear auf der Z-Achse. Über das Drehmittel 5 ist das Aufnahmesystem 3 mit dem Verfahrmittel 4 verbunden.
Hierdurch ist es möglich, das Aufnahmesystem 3 relativ zu der Drehachse B zu drehen. Dies ist insbesondere notwendig, während sich das Objekt 2 aufgrund des zeitlichen Vorschubs längs der X-Achse unterhalb des Aufnahmesystems 3 hindurchbewegt.
Das Positioniersystem 8 ist, wie oben ausgeführt, mit einer Steuerung oder einer Regelung ausgestattet oder beides.

1: Oberfläche des Objekts
2: Objekt
3: Aufnahmesystem
4: Verfahrmittel
5: Drehmittel
6: Transportmittel
8: Positioniersystem
9: Antransportmittel
10: Abtransportmittel
B: Drehachse (dritte Achse)
V_A: Abtastgeschwindigkeit
X: X-Achse (erste Achse)
Z: Z-Achse (zweite Achse)

Claims

Vorrichtung zur Bildabtastung eines Objekts (2), das durch ein steuerbares Transportmittel (6) entlang einer ersten Achse (X) relativ zu einem Aufnahmesystem (3) bewegbar ist, – mit einem Verfahrmittel (4), welches das Aufnahmesystem (3) entlang einer zweiten Achse (Z) linear bewegt, – mit einem Drehmittel (5), welches das Aufnahmesystem (3) um eine dritte Achse (B) dreht, und – mit einem Positioniersystem (8), welches die Position und Ausrichtung des Aufnahmesystems (3) entlang der zweiten und um die dritte Achse (Z, B) in Abhängigkeit von der Position des Objekts (2) entlang der ersten Achse (X) der Art bestimmt, dass eine horizontale Bildabtastung des Objekts (2) erfolgt, d. h. der Vektor des Aufnahmesystems (3) stets senkrecht zu der Oberfläche (1) des Objekts (2) steht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Positioniersystem (8) das Aufnahmesystem (3) so positioniert, dass es äquidistant an dem Objekt (2) entlang geführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Positioniersystem (8) eine Steuerung enthält, welche für jeden Typ an Objekt (2), entlang dessen das Aufnahmesystem (3) geführt wird, die einzelnen Koordinaten des Aufnahmesystems (3) entlang der ersten und zweiten sowie relativ zu der dritten Achse (X, Z, B) in ihrer Relation zueinander kennt, um danach die Position des Aufnahmesystems (3) auf der ersten Achse (X) und/oder der zweiten Achse (Z) und/oder die Ausrichtung des Aufnahmesystems (3) um die dritte Achse (B) zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Positioniersystem (8) eine Regelung enthält, welche mit Hilfe mindestens eines Abstandssensors kontinuierlich den Abstand des Aufnahmesystems (3) zu der Oberfläche (1) des Objektes (2) und/oder die Drehstellung des Aufnahmesystems (3) zu der Oberfläche (1) des Objektes (2) misst und beim Übertreten eines jeweiligen Abstandsschwellenwertes das Aufnahmesystem (4) durch Ansteuern des Verfahrmittels (4) und/oder des Drehmittels (5) und/oder des Transportmittels (6) so positioniert, dass der Schwellenwert wieder erreicht oder unterschritten wird.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Transportmittel (6) ein Transportband und/oder eine Rollenbahn ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Achse (Z), die von dem Verfahrmittel (4) in linearer Form realisiert ist, rechtwinklig zur ersten Achse (X) des Transportmittels (6) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Achse (B) rechtwinkelig zu der zweiten und der ersten Achse (Z, X) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehmittel (5) eine die dritte Achse (B) bestimmende Drehachse aufweist, die von dem Verfahrmittel (4) entlang der zweiten Achse (Z) bewegbar ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Aufnahmesystem (3) entlang der dritten Achse (B) über die gesamte Breite des Objektes (2) erstreckt.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufnahmesystem (3) entlang der dritten Achse (B) linear verfahrbar ist, wenn sich das Aufnahmesystem (3) nicht über die gesamte Breite des Objektes (2) erstreckt.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Transportmittel (6) von dem An- und Abtransportmittel (9, 10) entkoppelbar ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufnahmesystem (3) eine optische Kamera/Beleuchtungseinheit aufweist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt (2) seitlich an dem Verfahrmittel (4) vorbeiführbar ist.
Verfahren zur Bildabtastung eines Objekts (2), durch ein steuerbares Transportmittel (6) entlang einer ersten Achse (X) relativ zu einem Aufnahmesystem (3) bewegbar ist, wobei – das Aufnahmesystem (3) mit einem Verfahrmittel (4) entlang einer zweiten Achse (Z) linear bewegt wird, – das Aufnahmesystem (3) mit einem Drehmittel (5) um eine dritte Achse (B) gedreht wird, – das Aufnahmesystem (3) entlang der zweiten und um die dritte Achse (B) in Abhängigkeit von der Position des Transportmittels (6) entlang der ersten Achse (X) durch eine Regelung und/oder eine Steuerung so ausgerichtet wird, dass der Vektor des Aufnahmesystems (3) stets senkrecht zu der Oberfläche (1) des Objekts (2) steht.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich die Position des Objekts (2) entlang der ersten Achse (X) durch eine Regelung und/oder eine Steuerung so ausgerichtet wird, dass der Vektor des Aufnahmesystems (3) stets senkrecht zu der Oberfläche (1) des Objekts (2) steht.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des Aufnahmesystems (3) zum Objekt (2) äquidistant gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufnahmesystem (3) bei konstanter Abtastgeschwindigkeit (V_A) des Objekts (2) entlang der zweiten und dritten Achse ausgerichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausrichten des Aufnahmesystems (3) durch eine Regelung erfolgt, indem der Abstand des Aufnahmesystems (3) zu der Oberfläche des Objektes (2) kontinuierlich gemessen und bei Übertreten eines Abstandsschwellwertes das Aufnahmesystem (3) mit Hilfe des Transportmittels (6) und/oder des Drehmittels (5) und/oder des Verfahrmittels (4) so positioniert wird, dass der Abstandsschwellwert wieder unterschritten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausrichten des Aufnahmesystems (3) durch eine Steuerung erfolgt, wobei für jeden Typ eines Objektes (2) eine mehrdimensionale Funktion bereit steht, aus der die Parameter zur Steuerung des Transportmittels (6) und/oder des Drehmittels (5) und/oder des Verfahrmittels (4) zu jedem Zeitpunkt entnommen werden können.
Verfahren nach einem 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass Steuerung und Regelung kombiniert werden, indem mit der Steuerung begonnen und bei Überschreiten eines Abstandsschwellwertes in den Regelmodus umgeschaltet wird.