DE10140374A1 - Verfahren zur optoelektronischen Prüfung von Mantelflächen an zylindrischen Körpern auf Fehlerstellen mit Kamerasystemen - Google Patents

Abstract

Dargestellt und beschrieben ist ein Verfahren und eine Prüfeinrichtung (Fig. 1) zur optoelektronischen Prüfung von Mantelflächen an zylindrischen Körpern z. B. an Wellen, Schrauben und Gewindestiften auf Beschädigungen und das Vorhandensein von Beschichtungen. Die Prüfeinrichtung besteht aus einem Matrix-Kamerasystem (2) mit Objektiv (3), einer Strahllenkungsoptik (4) und einer elektronischen Auswerteeinheit (1), wobei das Kamerasystem einen CCD- oder CMOS-Arraysensor und die Auswerteeinheit zumindest einen Mikrocontroller und Speicherbausteine aufweisen und das von dem Sensor gelieferte Bild (6) auf Veränderungen hin, die auf Gewindefehler oder einen Fehler in der Beschichtung hinweisen, überprüft. DOLLAR A Das Bild (6) wird je nach Anforderung aus der Applikation mittels einer Ringleuchte (7) oder mittels einer Kaltlichtquelle direkt durch die Optik ausgeleuchtet. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist das Gesamtsystem dadurch besonders gekennzeichnet, daß die Optik eine 360 DEG -Abwicklung von der Mantelfläche des zu prüfenden Körpers auf das Sensorfeld der Kamera abbildet und die Auswerteeinheit mittels Verfahren der Bildverarbeitung und des Bildvergleichs auf Abweichungen der Bilddaten in Bezug auf ein Referenzbild hin überwacht. Der sensitive Überwachungsbereich kann durch Anpassung der Optik oder durch softwaremäßige Fensterung der sensitiven Bildbereiche derart gestaltet werden, daß eine optimale Kontrolle der gesamten Mantelfläche möglich ist. Des Weiteren ist das System und das Verfahren ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Prüfeinrichtung (Fig. 1) zur optoelektronischen Prüfung von Mantelflächen an zylindrischen Körpern, z. B. Oberflächen an Wellen, Außengewinde an Schrau­ ben und Gewindestiften auf Beschädigungen und das Vorhandensein von Beschichtungen, mit zu­ mindest einem digitalen Bildsensor und einer elektronischen Auswerteeinheit, wobei der Bildsensor einen CCD-/oder CMOS-Arraysensor und die Auswerteeinheit zumindest einen Mikrocontroller und Speicherbausteine aufweisen. Desweiteren nutzt die Erfindung die von einem Außengewinde oder von der Mantelfläche reflektierte Lichtstrahlung zur erfindungsgemäßen Abbildung der Mantelfläche auf dem Bildsensor. Die Auswerteeinheit überprüft die von dem Sensor gelieferten digitalen oder analo­ gen Datenwerte auf Veränderungen hin, die auf Oberflächenfehler, Gewindefehler oder einen Fehler in der Oberflächenstruktur hinweisen, errechnet aus diesem Abgleich ein digitales Steuersignal und stellt dieses der Maschinensteuerung zur Aktionssteuerung bereit.

Fehler auf Mantelflächen von rotationssymmetrischen Körpern, wie z. B. Stiften, Schrauben, Zahnrä­ dern, usw. wurden bisher visuell durch Betrachten der Flächen von Kontrolleuren gesucht. Damit die Mantelfläche über 360° rundum geprüft werden konnte mußte das Teil gedreht werden. Dies erhöhte die Anforderungen an den Prüfer erheblich und reduzierte die Prüfleistung sehr. Deshalb wird der Prüfling häufig vor Spiegel so positioniert, das die Prüfer den kompletten Umfang der zu prüfenden Mantelfläche mit einem Blick erfassen kann.

Eine automatische Methode; Mantelflächen zu kontrollieren bedient sich einer Zeilenkamera die kon­ tinuierlich während der Prüfling gedreht wird die zu kontrollierende Fläche abscannt, die Bilddaten speichert und nach Abschluß des Scannvorgangs die Daten auf Fehlermerkmale hin überprüft.

Ebenso kann die Mantelfläche während sich der zu prüfende Körper dreht durch mehrere Aufnahmen mit einer Matrixkamera erfaßt werden und ein Rechner die Bilddaten automatisch auswerten. Allen diesen Verfahren liegt die Tatsache zu Grunde, das immer verschiedene Blickrichtungen oder Drehbewegungen erforderlich sind um die gesamte Mantelfläche zu erfassen. Dies ist zeitaufwendig und erschwert die Kontrolle von Mantelflächen an zylindrischen Körpern bei liniarer Bewegung des Teils erheblich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur optoelektronischen Kontrolle von Au­ ßengewinden und Mantelflächen von Stiften bereitzustellen bzw. ein optoelektronisches Kontrollsys­ tem zur Verfügung zu stellen, mit dem zum einen Fehler am kompletten Umfang von Außengewinden oder Mantelflächen von Zylinderkörpern bei nur einer Bildaufnahme sicher erkannt und äußerst zu­ verlässig der Maschinensteuerung signalisiert werden können. Je nach Art der Steuerung (automatisch oder personengebunden) erfolgt die Signalübergabe elektronisch (SPS-Signal) oder durch optische Signalschaltung.

Die Bildauswerteeinheit hat ein Bild bzw. Helligkeitsmuster pixelweise als Referenzdaten für einen fehlerfreien Kontrollbereich hinterlegt. Fehler, wie z. B. Beschädigungen an Gewinden oder Oberflä­ chenfehler, die das Helligkeitsmuster verändern werden elektronisch mittels Bildvergleich oder se­ quenzieller Bildauswertealgorithmen mit den Referenzdaten verglichen und als fehlerhaft erkannt. Im Überwachungsbetrieb erfasst die Kamera auf Triggerimpuls hin das Helligkeitsmuster vom zu prüfen­ den Teil. Die Auswerteeinheit vergleicht die von der Kamera erfassten Helligkeitswerte mit den Refe­ renzdaten, so daß durch den pixelweisen Vergleich des fortlaufend erfassten Helligkeitsprofils mit dem Referenzprofil Abweichungen, die auf einen Fehler am Teil hindeuten eindeutig erkannt und de­ tektiert werden. Die Größe der Objekte wird u. a. durch die physikalische Auflösung des Sensors, die verwendete Optik, die Einbauverhältnisse und die Größe des kontrollierten Teils bestimmt.

Vorteilhafterweise erfolgt der Vergleich und die Auswertung zwischen dem aktuellem Helligkeitspro­ fil und dem Referenz-Helligkeitsprofil dadurch, daß die Differenz zwischen den Profilsegmenten ge­ bildet wird. Überschreitet der Absolutbetrag dieser Differenz einen vorher eingestellten Schwellwert, so wird das dieser Messung zugrundeliegende Segment als fehlerhaft gewertet. In Abhängigkeit da­ von erzeugt die elektronische Auswerteeinheit dann ein SPS-Signal. Liegt der Helligkeitswert unter­ halb des Grenzwertes, so erzeugt die Auswerteeinheit ein "ok"-Signal. Durch den Vergleich der Hel­ ligkeitswerte der einzelnen Bereiche ist eine einfache und schnelle aber dennoch sehr sichere Kontrol­ le der Mantelfläche möglich, da eine sehr feine Aufteilung des Überwachungsbereichs in viele - bei­ spielsweise 200 - Profilsegmente möglich ist. Auch kann durch Fensterung des Kontrollfeldes eine Anpassung der sensitiven Bildbereiche an die jeweiligen Erfordernissen aus der Anwendung vor­ genommen werden.

Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Verfahren zur op­ toelektronischen Überwachung von Mantelflächen bzw. das erfindungsgemäße Überwachungssystem auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die den Patentansprüchen nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung, mit den Bildern.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen und Bildern dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert.

Die Darstellungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Zeichnung einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur optoelektroni­ schen Kontrolle der Mantelfläche von zylindrischen Körpern.

Fig. 2 eine schematische Zeichnung zum Strahlengang der optischen Strahlung von Prüfobjekt bis zum Bildaufnahmesensor.

Fig. 3 Abbildung einer fehlerfreien glatten Mantelfläche eines Bolzens.

Fig. 4 Abbildung einer glatten Mantelfläche mit Fehlerstellen.

Fig. 5 Abbildung eines fehlerfreien Außengewindes.

Fig. 6 Abbildung eines beschädigten Außengewindes.

Fig. 7 Abbildung einer Bohrungswandfläche.

Fig. 8 Abbildung eine Bohrung mit Innengewinde.

Beschreibung des Ausführbeispiels

In Fig. 1 ist schematisch Anlage zur optoelektronischen Kontrolle von Mantelflächen an zylindrischen Körpern dargestellt. Sie besteht aus einer Matrixkamera (2), einem Objektiv (3) mit vorgesetzter Strahllenkungsoptik (3), einer Bildauswerteeinheit (1) und einem Monitor (6). Unter der Kamera ist ein Prüfobjekt (5) positioniert. Dieses wird mit einer Ringleuchte (8) rundum gleichmäßig beleuchtet. Eine Transorteinrichtung (9) oder einem Handhabungsgerät bringt das Prüfobjekt (5) in die automatisch in die Meßposition.

Die Kamera enthält vorzugsweise einen CCD-Sensor zur Umsetzung des optischen Bildes in elek­ tronische Signale, die ggf. vorverarbeitet, einem in der Bildauswerteeinheit (1) enthaltenen Rechner zugeführt wird. Sie liegen dann dort in digitalisierter Form vor und können in einem entsprechenden Speicher gespeichert werden. Die Grauwert- und Geometriedaten des Videobildes (7) lassen sich auf­ grund des Helligkeitsmusters aus dem Bild softwaremäßig ermitteln.

Das von der Kamera aufgenommene Bild des zylindrischen Körpers wird auf dem Monitor (6) darges­ tellt. Die Strahllenkungsoptik (4) mit dem Objektiv (3) bewirken, daß die Abbildung des Körpers auf dem CCD-Chip aus ungewöhnlicher Blickrichtung dargestellt wird. Fig. 2 zeigt schematisch einen möglichen Strahlengang, der die komplette Mantelfläche des zu prüfenden Objekts im Videobild er­ laubt. Das besondere ist dabei, daß Strahlen die rundum von der Mantelfläche des Körpers ausgehen von der Optik erfaßt und so gelenkt werden, daß sich auf dem CCD-Chip ein Abbild der gesamten Mantelflächen abgebildet werden.

Fig. 3 bis Fig. 8 zeigen Videobilder von verschiedenen Körpern, die durch eine derartige Strahllen­ kungsoptik (4) mit einem Strahlengang entsprechend Fig. 2 aufgenommen wurden.

Fig. 3 zeigt die Abbildung einer glatten fehlerfreien Mantelfläche eines Metallbolzens. Die sich im Vi­ deobild als heller Ring repräsentierende Mantelfläche kann mit einfachen Bildauswerteprogrammen auf Fehlerfreiheit überprüft werden.

Fig. 4 zeigt die Abbildung einer glatten Mantelfläche mit eine Fehlerstelle. Der Fehler zeichnet sich im Videobild als dunkle Stelle deutlich ab.

Fig. 5 zeigt die Mantelfläche einer Schraube mit fehlerfreien Gewindegängen als Videobild. Die Linie der Gewindespitze wird in dieser Abbildung als saubere Spirallinie wiedergegeben.

Fig. 6 zeigt ein Gewinde mit beschädigten Gewindegängen als durch die Strahlablenkungsoptik auf­ genommenes Videobild. Beschädigungen im Gewinde zeigen sich deutlich als dunkle Bereiche inner­ halb der das Gewinde darstellenden Spirallinie. Solche Bereiche können mittels Bildanalysesoftware detektiert werden.

Fig. 7 zeigt die Abbildung einer glatten fehlerfreien Bohrungswand. Die sich im Videobild als heller Ring repräsentierende Fläche kann mit einfachen Bildauswerteprogrammen auf Fehlerfreiheit über­ prüft werden.

Fig. 8 zeigt die Mantelfläche einer Bohrung mit fehlerfreien Gewindegängen als Videobild. Die Linie der Gewindespitze wird in dieser Abbildung als saubere Spirallinie wiedergegeben.

Claims (11)

1. Verfahren zum Abbilden der gesamten Mantelflächen von zylinderförmigen Körpern, ins­ besondere die Oberfläche von Zylinderstiften, Passbolzen, Schrauben und Gewindestiften, usw. auf Bildsensoren wie CCD-Matrixsensoren oder CMOS-Helligkeitssensoren in Video­ kameras als ein Videobild.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Einsatz spezieller Beleuchtung Qualitätsmerkmale der zu prüfenden Fläche oder Teilen davon in dem Videobild optisch hervorgehoben werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Videobild optoelek­ tronisch detektiert, in einem Bildspeicher als digitales Helligkeitsmuster abgespeichert und von einer Bildauswerteeinheit mit zumindest einer Rechnerlogik derart ausgewertet wird, daß Qualitätsmerkmale der Abbildung bestimmt und vermessen oder im Vergleich zu Referenzdaten bewertet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vermessung oder der Ver­ gleich der errechneten Qualitätsmerkmale mit den Referenzdaten zu einer qualitativen Bewertung des abgebildeten zylindrischen Körpers in Form einer Maßzahl oder eines Gut/Schlecht-Ergebnisses führt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ergebnis zur Maschinensteu­ erung, zur Steuerung eines Prozessablaufs oder eines Materialflusses genutzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren für die Abbildung und Prüfung von glatten Mantelflächen von Drehteilen eingesetzt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren für die Abbildung und Prüfung von Mantelflächen mit Verzahnungen eingesetzt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren für die Abbildung und Prüfung von Mantelflächen mit Rändelungen eingesetzt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren für die Abbildung und Prüfung von Flächen an Kunststoffteilen eingesetzt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren für die Abbildung und Prüfung von Wandflächen in Bohrungen (Durchgangsbohrungen, Sackloch­ bohrungen, Bohrungen mit Gewinde, usw.) eingesetzt wird.

11. Einrichtung zum Abbilden und optoelektronischen Prüfen von Mantelflächen von zylinder­ förmigen Körpern nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 9, insbesondere die Oberflä­ che von Zylinderstiften, Passbolzen, Schrauben und Gewindestiften, nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 5 bestehend aus:
einer Videokamera,
einer Strahllenkungsoptik mit Objektiv,
einem Speicher zur Ablage der Bilddaten,
einer Rechnereinheit zur Bestimmung von Qualitätsmerkmalen und zum Vergleich die­ ser mit Solldaten,
Schnittstellen zur Kommunikation mit Peripheriegeräten zwecks Prüfergebnisübermitt­ lung.