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Die Erfindung betrifft ein Abtastsystem zur Erkennung und/oder
Prüfung von Bauteilen, bei dem Ist-Geometriedaten, die durch
Abtasten der Bauteile gewonnen werden, mit Soll-Geometriedaten
verglichen werden, die durch CAD-Daten beschrieben werden.
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Derartige Abtastsysteme gibt es vor allem im Bereich der auf
Bildverarbeitung basierten Systeme für die verschiedensten
Anwendungen. Hierbei wird durch die Abtastung der Bildinformation
von Gegenständen Information über diese gewonnen. Neben diesen
modernen Kamera basierten Abtastsystemen gibt es eine Vielzahl
von traditionellen Abtastsystemen zur Generierung von
Objektinformationen. Als Beispiel sei hier nur die Prüfung und
Vermessung von Objekten mittels mechanischer Tastspitzen angeführt.
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In bezug auf Kamera basierte optische Abtastsysteme beschreibt
die EP-A-0355377 ein Verfahren zur optischen Prüfung von
Flachbaugruppen, insbesondere zur Bestückungsanalyse von
Leiterplatten, bei dem mittels 3D-Sensoren und durch Abtasten mittels
eines Laserscanners die dreidimensionalen
Oberflächenkoordinaten der Flachbaugruppe ermittelt werden, einzelne Bauteile
anhand geometrischer Kennwerte erkannt werden und anhand eines
Soll/Ist-Wertvergleichs zwischen den geometrischen Kennwerten
einer der Flachbaugruppe entsprechenden Sollstruktur, die als
CAD-Entwurf vorliegen können, und denen der Flachbaugruppe eine
Bestückungsanalyse vorgenommen wird.
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Bildverarbeitungssysteme der oben genannten Art werden in der
Produktion allgemein zur Erkennung bzw. Prüfung von Bauteilen
eingesetzt, auch um anhand der Ergebnisse der Bildverarbeitung
zum Beispiel eine Ablaufsteuerung und Sensorsteuerung von
Produktionsrobotern durchzuführen. Wird eine neue
Erkennungs-/Prüfaufgabe gestellt, müssen die aufeinander folgend
ablaufenden Verarbeitungsprozeduren jedesmal neu zusammengestellt und
angepasst werden. Bei Änderungen der zu erkennenden bzw. zu
prüfenden Bauteile wird häufig eine erneute Anpassung der
Parameter für die Bilderzeugung und -verarbeitung notwendig. Solche
Änderungen kommen während der Laufzeit eines
Herstellungsprozesses erfahrungsgemäß häufig vor, und die Anpassungen müssen
mit hohem Zeitaufwand von hochqualifizierten Fachleuten
vorgenommen werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bei Erstellung
des Prüfablaufs und bei Änderungen dessen oder bei Änderung der
zu erkennenden bzw. zu prüfenden Bauteile nötige
Anpassungsarbeit zu vermindern.
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Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen
Bildverarbeitungssystem erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass dem
Bildverarbeitungssystem weitere CAD-Daten zugeführt werden, die neben der
Geometrie auch das Material und/oder die
Oberflächenbeschaffenheit und/oder die Funktion der Bauteile beschreiben, und dass
die Bilderzeugung und -verarbeitung außerdem auf Basis dieser
weiteren CAD-Daten durchgeführt wird.
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Ein erheblicher Teil des bei der Erstellung des Prüfablaufs und
bei dessen Änderungen oder bei der Änderung der zu erkennenden
bzw. zu prüfenden Bauteile nötigen Aufwands beruht auf dem
Umstand, dass die Bauteile unter verschiedenen Abtastbedingungen
wie z. B. den Beleuchtungsverhältnissen oder
Beobachtungsrichtungen verschieden gut zu erkennen sind. Reflexionen und
prinzipielle Unzulänglichkeiten der Abtastorgane sind störende
Faktoren, die eine Erkennung und Prüfung der Bauteile erschweren,
unter Umständen sogar unmöglich machen können. Daher muss man
bei jeder Änderung der zu erkennenden bzw. zu prüfenden
Bauteile nicht nur die Soll-Geometriedaten ändern, was
verhältnismäßig leicht ist, wenn diese durch vorhandene CAD-Daten
beschrieben werden, sondern man muss auch die Abtastbedingungen
und die Erkennungsprozeduren im Hinblick auf die neue
Erkennungs-/Prüfaufgabe optimieren, um brauchbare Ergebnisse zu
erhalten.
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Die Erfindung macht sich den Umstand zunutze, dass vorhandene
CAD-Daten der Bauteile im Allgemeinen nicht nur
Soll-Geometriedaten beinhalten, sondern auch Daten, die das Material und die
Oberflächenbeschaffenheit der Bauteile beschreiben, wobei die
Oberflächenbeschaffenheit zum Beispiel als deren Rauheit und/
oder Welligkeit im jeweiligen Fertigungsstadium angegeben wird.
Anhand dieser Daten können die notwendigen Änderungen an der
Bilderzeugung und/oder -verarbeitung im Voraus berechnet und
daher sehr schnell durchgeführt werden.
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Zum Beispiel kann man aus den CAD-Daten, die das Material und/
oder die Oberflächenbeschaffenheit der Bauteile beschreiben,
das Reflexionsverhalten der Oberflächen berechnen und die
Beleuchtungsverhältnisse und/oder Beobachtungsrichtungen
ermitteln und einstellen, unter denen der rechnerisch resultierende
Kontrast der Bauteile bzw. deren Oberflächen zueinander bzw. zu
einem Hintergrund möglichst groß wird.
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Wenn die Bauteile mit Leuchten oder Laserstrahlen beleuchtet
werden, während sie durch irgendwelche optischen Sensoren
beobachtet werden, hat man zum Beispiel die Möglichkeit, die
Beleuchtungsintensität, die Beleuchtungsrichtung(en) und/oder die
Wellenlänge(n) des zur Beleuchtung verwendeten Lichts zu ändern
und vorausschauend zu optimieren. Zusätzlich oder alternativ
besteht die Möglichkeit, die Richtungen, aus denen die Bauteile
beobachtet werden, etwa die Positionen von Kameras, die als
optische Sensoren verwendet werden, zu ändern und im Hinblick
auf die gestellte Erkennungs-/Prüfaufgabe zu optimieren, ohne
eine Vielzahl von Messungen, Versuchen, Dateneingaben und
Justierarbeiten vornehmen zu müssen.
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Nachdem man die Bilderzeugung auf diese Weise optimiert hat,
kann man durch Berechnen der Bilddaten, die man unter den
optimierten Beleuchtungsverhältnissen und/oder
Beobachtungsrichtungen voraussichtlich erhalten wird, auch die Bildverarbeitung
vorausschauend anpassen, ohne irgendwelche Messungen, Versuche,
Dateneingaben oder Justierarbeiten vornehmen zu müssen.
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Hierfür benötigt man neben den CAD-Geometriedaten nur die
Daten, die das Material und/oder die Oberflächenbeschaffenheit
der Bauteile beschreiben. Da diese in den CAD-Daten bereits
enthalten sind, können die notwendigen Berechnungen ganz oder
zumindest teilweise automatisch erfolgen, und zwar schon bevor
ein einziger Prototyp hergestellt worden ist, wodurch Umrüst-
und Stillstandszeiten erheblich verkürzt werden.
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Falls die dem System zur Verfügung gestellten CAD-Daten auch
Information über die Funktionalität des Bauteils oder Teilen
davon enthalten, ist es in vorteilhafter Weise auch möglich
optimierende Schritte oder auch alternative Prüfverfahren
anhand von Entscheidungstabellen auszuwählen. So kann
beispielsweise die Information, dass es sich bei der Vertiefung im
Bauteil nicht um eine simple Bohrung sondern um ein Innengewinde
handelt, dazu verwendet werden, einen zur Vermessung von
Innengewinden besonders vorteilhaften Abtastsensor auszuwählen,
welcher für die Abtastung von Bohrlöchern evtl. weniger
geeignet wäre.
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Die Verwendung von CAD-Daten in Bildverarbeitungssystemen ist
zwar bekannt, jedoch verwenden die bekannten
Bildverarbeitungssysteme ausschließlich CAD-Geometriedaten. Indem bei der
Erfindung CAD-Material- und Oberflächenbeschaffenheitsdaten aus der
vorangegangenen Konstruktionsphase mit einbezogen werden, kann
eine automatische Anpassung von Ablauf- und Prüfparametern
eines Bildverarbeitungssystems, das z. B. zur
Vollständigkeitskontrolle, Lageerkennung oder Maßhaltigkeitsprüfung verwendet
wird, an geänderte Bauteile erfolgen. Die CAD-Material- und
Oberflächenbeschaffenheitsdaten können auch zur Auswahl eines
passenden Prüfablaufs aus mehreren vorprogrammierten
Prüfabläufen herangezogen werden. Die relevanten CAD-Material- und
Oberflächenbeschaffenheitsdaten können automatisch aus den
CAD-Daten extrahiert und an das Bildverarbeitungssystem weitergegeben
werden. Das Bildverarbeitungssystem wählt mit Hilfe dieser
Informationen ein passendes Prüfprogramm bzw. einen geeigneten
Prüfablauf aus und setzt die variablen Parameter der
Algorithmen. Zu diesen Parametern können auch die angepassten
Beleuchtungsverhältnisse bzw. Beobachtungsrichtungen gehören, falls
das Bildverarbeitungssystem diese automatisch steuern kann.
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Die Erfindung ermöglicht es, Entwicklungszeiten von
Prüfprogrammen zu verkürzen, und der Programmentwickler muss nicht
detaillierteste Kenntnisse über die
Bildverarbeitungs-Algorithmen des Prüf-, Erkennungs- und Bewertungssystems haben.
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Weiterhin besteht die Möglichkeit, das erfindungsgemäße
Bildverarbeitungssystem an ein übergeordnetes
Prozess-Daten-Management-System (PDM-System) anzuschließen, das bei Änderungen
des Prüflings automatisch Anpassungen des Prüfprogramms bzw.
Prüfablaufs und deren Parameter vornimmt bzw. veranlasst. Es
ist in gewinnbringender Weise auch denkbar, dass das
Abtastsystem seine Ergebnisdaten an das PDM-System zurückmeldet, so
dass dieses in der Lage ist diese Information bei weiteren
Berechnungen bzw. Planungen (Beispielsweise von Prüf- oder
Fertigungsabläufen) mitzuberücksichtigen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen und aus der folgenden Beschreibung eines
Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung, deren einzige Figur
eine Prinzipskizze eines Bildverarbeitungssystems zur Erkennung
und Prüfung von Bauteilen zeigt.
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Eine Beleuchtungseinheit 2, z. B. ein Laserstrahlscanner, und
eine Aufnahmeeinheit 4, z. B. zwei Kameras für stereoskopische
Aufnahmen, die auf ein zu prüfendes Bauteil gerichtet sind,
sind mit einer CPU 6 zur Ausführung eines
Bildverarbeitungsprogramms verbunden. Die CPU 6 empfängt von einem CAD-System CAD-
Geometriedaten 8 sowie weitere CAD-Daten 10, die das Material,
aus dem das zu prüfende Bauteil besteht, und/oder die
Beschaffenheit zumindest der sichtbaren Oberflächen des Bauteils
beschreiben, wobei die Oberflächenbeschaffenheit zum Beispiel als
Rauheit oder Welligkeit angegeben wird.
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Die CPU 6 steuert die Beleuchtungseinheit 2, um mittels der
Aufnahmeeinheit 4 ein Bild des Bauteils zu gewinnen, und führt
Erkennungs- und Prüfroutinen durch, um z. B. eine
Vollständigkeitskontrolle, Lageerkennung oder Maßhaltigkeitsprüfung
durchzuführen. Solche Erkennungs- und Prüfroutinen sind im Stand der
Technik bekannt und basieren auf einem Vergleich von
Ist-Geometriedaten, die durch das optische Abtasten des Bauteils
gewonnen werden, mit Soll-Geometriedaten, die durch die
CAD-Geometriedaten 8 beschrieben werden.
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Ändert sich das zu prüfende Bauteil, berechnet die CPU 6 anhand
der CAD-Daten 10, die das Material und/oder die
Oberflächenbeschaffenheit des neuen zu prüfenden Bauteils beschreiben, nach
den Gesetzen der Optik das Reflexionsverhalten der sichtbaren
Oberflächen des Bauteils. Daraus berechnet die CPU 6 weiterhin,
wie die Beleuchtungseinheit 2 und die Aufnahmeeinheit 4
gesteuert werden müssen, damit das Bauteil später möglichst
kontrastreich erscheint und das Bild keine störenden Reflexionen
enthält. Die CPU 6 stellt die Beleuchtungseinheit 2 und die
Aufnahmeeinheit 4 entsprechend ein oder gibt Informationen aus,
anhand derer ein Bediener die nötigen Einstellungen vornehmen
kann. Außerdem passt die CPU 6 das bei der Prüfung
auszuführende Bildverarbeitungsprogramm an die geänderten Bedingungen an
und speichert es zur späteren Ausführung während der
Produktion.