DE102005009606A1 - Sensor device, for three-dimensional position determination and monitoring of tool, e.g. for adhesive application, has cameras and projector which projects pattern for image evaluation - Google Patents

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Abstract

Sensor device uses three cameras (4,5,6) giving a 360[deg] view around the tool. An illumination device is formed around the cameras, and an opening is provided for introduction of the tool. The sensor device includes a projector (9) for projecting a pattern. One or all camera axes and/or the projector axis are inclined towards the axis (8) of the opening in the radial direction.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur dreidimensionalen Lageerkennung und Überwachung eines Werkzeugs mit drei Kameras, welche derart angeordnet sind, dass der gemeinsame Sichtbereich aller Kameras einen Bereich von 360° um das Werkzeug bzw. um den Arbeitsbereich des Werkzeugs herum umfasst, mit einer Beleuchtungseinrichtung, welche um die Kameras herum ausgebildet ist, und mit einem Durchlass zur Durchführung des Werkzeugs, um den herum die Kameras angeordnet sind.The The invention relates to a sensor arrangement for three-dimensional position detection and monitoring a tool with three cameras arranged in such a way that the common field of view of all cameras covers a range of 360 ° around the Tool or around the work area of the tool, with a lighting device formed around the cameras is, and with a passage to carry out the tool to the around the cameras are arranged.

Es gibt bereits optische Sensoranordnungen, welche an einem durch einen Roboter oder ein Stellglied geführten Werkzeug festgelegt werden können, um das Arbeitsergebnis dieses Werkzeugs zu überwachen. Derartige Inspektionseinheiten werden häufig im Zusammenhang mit Kleberaupen verwendet, um den Klebstoffauftrag der Kleberaupe kontinuierlich zu überwachen und zu inspizieren. Typische Sensoranordnungen weisen dazu drei Kameras auf, die zusammen einen Sichtbereich von 360° um das Werkzeug herum abdecken. Durch ein in zwei Kameras gleichzeitig erfasstes Merkmal bekannter Anordnung ist es ferner möglich, die Lage des Werkzeugs relativ zu dem bearbeiteten Objekt, dessen Merkmal mit den beiden Kameras aufgenommen wird, zu ermitteln.It are already optical sensor assemblies, which at one by a Robot or an actuator guided Tool can be set to monitor the work result of this tool. Such inspection units become common used in the context of adhesive beads to apply the glue to continuously monitor and inspect the adhesive bead. Typical sensor arrangements have three cameras, which together a viewing area of 360 ° around cover the tool around. Through one in two cameras simultaneously detected feature known arrangement, it is also possible, the Position of the tool relative to the processed object, its feature recorded with the two cameras to determine.

Dafür ist es jedoch notwendig, dass ein geeignetes Objekt-Merkmal bekannter Anordnung gleichzeitig in dem Sichtbereich beider Kameras liegt. Dies ist bspw. während eines kontinuierlichen Klebstoffauftrags nicht in jeder Arbeitsposition möglich, so dass für die Lageerkennung häufig separate Arbeitsschritte notwendig sind, bei denen die Sensoranordnung gezielt zur Lageerkennung geeignete Merkmale ansteuert und die Kamerabilder auswertet.That's it however, necessary that a suitable object feature of known arrangement simultaneously lies in the field of view of both cameras. This is, for example, during a continuous adhesive application not in every working position possible, so for the location detection frequently separate steps are necessary, in which the sensor arrangement targeted for location detection features suitable controls and the camera images evaluates.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Sensoranordnung vorzusehen, welche bei ausreichend kompakter Anordnung zur Anbringung der Sensoreinheit um das Werkzeug herum eine flexiblere Lageerkennung ermöglicht.task The present invention is therefore to provide a sensor arrangement, which with a sufficiently compact arrangement for mounting the sensor unit around the tool allows a more flexible position detection.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei wird zusätzlich zu einer Flächenbeleuchtung durch die Beleuchtungseinrichtung, welche Lochmerkmale in der bearbeiteten Oberfläche zur Lageerkennung ausreichend kontrastieren kann, ein Projektor in die kompakte Sensoranordnung integriert, um ein Muster auf die bearbeitete Oberfläche zu projizieren. Neben zur Lageerkennung ohnehin verwendbaren Punktmerkmalen, welche in dem Kamerabild sichtbar sind und zur Lageerkennung herangezogen werden können, und durch eine Flächenbeleuchtung ausreichend kontrastierten Lochmerkmalen ermöglicht der Projektor durch Projektion eines Musters eine ausreichende Kontrastierung von Kantenmerkmalen auf dem Objekt. Dabei ist ein Projektionsmuster aufgrund von Verformungen in dem projizierten Muster für die Bilderkennung einfach auszuwerten.These Task is according to the invention with the Characteristics of claim 1 solved. This is in addition to a surface lighting through the lighting device which processed hole features in the surface can sufficiently contrast the position detection, a projector integrated into the compact sensor assembly to create a pattern on the machined surface to project. In addition to location detection anyway usable point features, which are visible in the camera image and used for position detection can be, and through a surface lighting sufficiently contrasted hole features allows the projector through Projection of a pattern sufficient contrasting of edge features on the object. Here is a projection pattern due to deformations in the projected pattern for easy to evaluate the image recognition.

Durch den zusätzlichen Projektor in der Sensoranordnung können daher mehr verschiedene Merkmale eines bearbeiteten Objektes zur Lageerkennung der Sensoranordnung und des Werkzeugs relativ zu dem Objekt verwendet werden, so dass eine Lageerkennung während einer normalen Bearbeitung durch das Werkzeug flexibler und ohne Störung des Arbeitsablaufs möglich ist. Mit der einen integrierten Sensor bildenden erfindungsgemäßen Sensoranordnung können sowohl die dreidimensionale Lageerkennung als auch Inspektionsaufgaben für ein Werkzeug, bspw. eine Kleberaupeinspektion, gleichzeitig durchgeführt werden, wobei die Lageerkennung insbesondere nach dem Stereo-Prinzip mit zwei der drei Kameras arbeitet und die Inspektionsaufgaben aufgrund der vollständigen Abdeckung des Arbeitsbereichs des Werkzeugs durch den Sichtbereich der Kameras ohne eine Nachführung der Sensoranordnung möglich ist.By the additional Projector in the sensor array can therefore have more different features a machined object for detecting the position of the sensor arrangement and the tool are used relative to the object, so that a Location detection during a normal machining by the tool more flexible and without disorder of the workflow possible is. With the integrated sensor forming a sensor arrangement according to the invention can both the three-dimensional position detection and inspection tasks for a tool, For example, a Kleberaupeinspektion be carried out simultaneously wherein the position detection in particular according to the stereo principle with two the three cameras work and the inspection tasks due to the complete Covering the working area of the tool through the viewing area the cameras without a tracking the sensor arrangement possible is.

Dafür ist es insbesondere vorteilhaft, wenn eine oder jede Kameraachse in Radialrichtung zu der Achse des Durchlasses hin geneigt ist, durch welchen das Werkzeug durchgreift. So kann jede Kamera das Werkzeug und dessen Arbeitsbereich sehen. Insbesondere können die Kameraachse und die Achse des Durchlasses in einer Ebene liegen und nicht parallel zueinander angeordnet sein. Dadurch wird erreicht, dass jede Kamera ähnlich zu dem Werkzeug angeordnet ist und ein Überwachungsergebnis vergleichbarer Qualität liefert. Auch die Projektorachse kann in ähnlicher Weise zu der Achse des Durchlasses hin geneigt sein, damit das auf die bearbeitete Objektoberfläche projizierte Bild im Arbeitsbereich des Werkzeugs erscheint und bspw. zur Vermessung oder Beurteilung des Arbeitsergebnisses herangezogen werden kann.That's it particularly advantageous if one or each camera axis in the radial direction is inclined towards the axis of the passage through which the Penetrates tool. So every camera can use the tool and its See workspace. In particular, the camera axis and the Axle of the passage lie in one plane and not parallel to each other be arranged. This will ensure that every camera is similar to the tool is arranged and a monitoring result comparable quality supplies. Also, the projector axis may be similar to the axis the passageway so that projected onto the processed object surface Picture in the working area of the tool appears and, for example, for surveying or Assessment of the work result can be used.

Ferner können die Kameraachsen von zwei Kameras eine gemeinsame Ebene aufspannen und in dieser Ebene aufeinander zugeneigt sein. Auf diese Weise wird eine definierte Überlappung der Sichtbereiche dieser beiden Kameras erreicht, die eine einfache Bildauswertung für die dreidimensionale Lageerkennung ermöglicht. Besonders zuverlässige Ergebnisse der Lageerkennung lassen sich erreichen, wenn die Kameraachsen der beiden in einer gemeinsamen Ebene aufeinander zugeneigten Kameras einen Winkel zwischen etwa 25° und 35° einschließen.Further can the camera axes of two cameras span a common plane and be inclined towards each other in this plane. In this way becomes a defined overlap the viewing areas of these two cameras achieved a simple Image evaluation for the three-dimensional position detection allows. Particularly reliable results The position detection can be achieved when the camera axes of both in a common plane to each other inclined cameras an angle between about 25 ° and 35 °.

Damit diese beiden Kameras auch zuverlässig zur Überwachung des Werkzeugs herangezogen werden können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die durch die Kameraachsen der beiden Kameras aufgespannte gemeinsame Ebene auch in Radialrichtung zu der Achse des Durchlasses hin geneigt sein kann. Das Werkzeug wird so in einem vorgegebenen Bereich des Sichtbereichs der beiden Kameras abgebildet.In order to these two cameras also reliable for monitoring can be used of the tool, the invention provides that the shared by the camera axes of the two cameras common Level also be inclined in the radial direction to the axis of the passage can. The tool thus becomes within a predetermined range of the field of view of the two cameras.

Da aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung die Sichtbereiche dieser beiden Kameras definiert überlappen, bilden diese vorzugsweise ein Stereopaar zur dreidimensionalen Lageerkennung, welches nach dem bekannten Prinzip der Stereometrie arbeitet. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, dass die dreidimensionale Lageerkennung nur mit diesen beiden Kameras durchgeführt wird. Sofern in den Sichtbereichen zweier anderer Kameras ein für die Lageerkennung geeignetes Merkmal gleichzeitig abgebildet wird, kann auch dieses Merkmal ohne Weiteres zur dreidimensionalen Lageerkennung herangezogen werden. Die Entscheidung hierüber kann bspw. automatisiert durch eine Steuerung getroffen werden, welche die Bilder aller drei Kameras gleichzeitig, insbesondere parallel zueinander, auswertet.There due to the inventive arrangement the viewing areas of these two cameras overlap defined, these preferably form a stereo pair for three-dimensional position detection, which works according to the known principle of stereometry. The However, the invention is not limited to that of the three-dimensional Position detection is performed only with these two cameras. Provided in the viewing areas of two other cameras for a position detection suitable feature is displayed simultaneously, this too Feature readily used for three-dimensional position detection become. The decision on this can be done automatically by a controller, for example, which the pictures of all three cameras simultaneously, in particular parallel to each other, evaluates.

Erfindungsgemäß können zumindest zwei Kameras in einer zu der Achse des Durchlasses senkrechten Ebene einen unterschiedlichen Winkel zu ihren benachbarten Kameras, bezogen auf die Achse des Durchlasses, aufweisen. In einer solchen Anordnung sind die drei Kameras also erfindungsgemäß nicht gleichmäßig um den Umfang des Durchlasses herum verteilt. Dies kann sowohl für den Winkelabstand der beiden Kameras bezogen auf die Achse des Durchlasses als auch für den radialen Abstand der Kameras von der Achse des Durchlasses gelten. Durch diese nicht notwendigerweise umfangs- und/oder radialsymmetrische Anordnung der Kameras lässt sich eine besonders kompakte Sensoranordnung erreichen, die sowohl für die Überwachungsaufgaben als auch die dreidimensionale Lageerkennung optimiert ist. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn der Abstand zwischen den beiden als Stereopaar dienenden Kameras kleiner ist als der Abstand der dritten Kamera zu jeder der beiden Stereo-Kameras.According to the invention, at least two cameras in a plane perpendicular to the axis of the passage a different angle to their neighboring cameras, related on the axis of the passage. In such an arrangement Thus, according to the invention, the three cameras are not uniform around the Circumference of the passage around distributed. This can be for both the angular distance of the two cameras relative to the axis of the passage as well for the radial distance of the cameras from the axis of the passage apply. By these not necessarily circumferentially and / or radially symmetric Arrangement of the cameras leaves to achieve a particularly compact sensor arrangement, both for the monitoring tasks as well as the three-dimensional position detection is optimized. Especially It is advantageous if the distance between the two as a stereo pair serving cameras is smaller than the distance of the third camera to each of the two stereo cameras.

Eine besonders einfache Auswertung von Objektkanten zur dreidimensionalen Lageerkennung lässt sich erreichen, wenn der Projektor ein Streifenprojektor ist. Erfindungsgemäß kann der Projektor jedoch auch andere geometrische Muster, bspw. konzentrische Kreise oder dgl., projizieren. Dazu kann das Muster des Projektors bspw. auch im laufenden Betrieb durch eine entsprechende Ansteuerung des Projektors einstellbar sein.A particularly simple evaluation of object edges to the three-dimensional Location detection leaves reach each other when the projector is a strip projector. According to the invention of Projector, however, other geometric patterns, such as concentric Circles or the like, project. This may be the pattern of the projector For example, even during operation by a corresponding control be adjustable by the projector.

Erfindungsgemäß ist der Streifenprojektor vorzugsweise derart angeordnet, dass Objektkanten auf einer Projektionsoberfläche für ein Kamerapaar mit hoher Bildfeldüberlappung als gekrümmte Streifen erkennbar sind. Dazu kann vorgesehen werden, dass die Richtung der Streifen in der Projektion veränderbar, bspw. drehbar, ist.According to the invention Strip projector preferably arranged such that object edges on a projection surface for a Camera pair with high field overlap as curved Strips are recognizable. It can be provided that the direction the strip in the projection changeable, for example. Rotatable, is.

In einer bevorzugten Anordnung befindet sich der Projektor unmittelbar benachbart zu einer Kamera, die vorzugsweise nicht zu dem Stereopaar gehört. Dadurch kann der Projektor von der gemeinsamen Ebene der als Stereokamera verwendeten Kameras möglichst weit weg angeordnet werden, um die Genauigkeit der dreidimensionalen Lageerkennung zu erhöhen.In a preferred arrangement, the projector is located directly adjacent to a camera, which preferably does not belong to the stereo pair. Thereby can the projector from the common plane of the stereo camera used cameras as possible be arranged far away to the accuracy of the three-dimensional Increase position detection.

Eine besonders kompakte Bauform der Sensoranordnung und eine leichte Veränderbarkeit der projizierten Muster lässt sich erfindungsgemäß durch einen LED-Projektor erreichen.A particularly compact design of the sensor arrangement and a lightweight changeability the projected pattern leaves according to the invention by a Reach LED projector.

Um für die Überwachungsaufgaben und/oder zur Erkennung von Lochmerkmalen für eine gute Ausleuchtung des Objektes zu sorgen, kann die in der Sensoranordnung vorgesehene Beleuchtungseinrichtung eine LED-Flächenbeleuchtung sein, welche vorzugsweise die gesamte freie, dem Werkzeug zugewandte Sensorfläche abdeckt.Around for the monitoring tasks and / or for detecting hole characteristics for a good illumination of the Object to provide the provided in the sensor assembly Lighting device will be an LED area lighting, which preferably covers the entire free, the tool-facing sensor surface.

Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Beleuchtungseinrichtung insbesondere dreifach segmentiert ist, wobei jeweils ein Segment einer Kamera zugeordnet sein kann. Dies kann bspw. ein die Kamera umgebendes Segment der Beleuchtungseinrichtung sein.It has proven to be advantageous when the lighting device is segmented in particular three, wherein in each case a segment of a Camera can be assigned. This may, for example, a surrounding the camera Be segment of the lighting device.

Um eine niedrige Bauform der gesamten Sensoranordnung zu erreichen, kann in dem Sensorgehäuse eine Platine mit Ausnehmungen für die Kameras und den Projektor vorgesehen sein. Dies ermöglicht eine besonders flache Ausbildung des Sensorgehäuses, aus dem die Kameras und der Projektor nach oben, d.h. von der dem Werkzeug abgewandten Oberfläche der Sensoranordnung, vorstehen.Around to achieve a low design of the entire sensor arrangement, can in the sensor housing a circuit board with recesses for the cameras and the projector can be provided. This allows a particularly flat design of the sensor housing from which the cameras and the projector up, i. from the surface facing away from the tool Sensor arrangement, project.

Die Beleuchtungseinrichtung, insbesondere die LED-Flächenbeleuchtung, kann einfacher Weise direkt auf der Unterseite, d.h. der dem Werkzeug zugewandten Seite der Platine, angeordnet sein. Zum Schutz vor Beschädigungen oder Verschmutzungen kann die Unterseite der Platine mit der LED-Flächenbeleuchtung durch eine einfach auswechselbare Streuscheibe, bspw. eine Kunststoffscheibe, ohne Durchbrüche abgedeckt sein, welche die gesamte Sensoranordnung mit den Kameras, dem Projektor und der Flächenbeleuchtung schützt. Durch die Streuscheibe wird auch eine Vergleichmäßigung eines LED-Flächenlichts erreicht.The Lighting device, especially the LED area lighting, can be easier Way directly on the bottom, i. the tool facing Side of the board, be arranged. To protect against damage or dirt can be the bottom of the board with the LED area lighting by a simply exchangeable lens, for example a plastic disc, without breakthroughs be covered, which the entire sensor array with the cameras, the projector and the area lighting protects. Due to the diffuser also a homogenization of a LED area light reached.

Auf der Platine kann ferner die Steuerelektronik zum Schalten der Beleuchtungseinrichtung, des Projektors und/oder der Kameras angeordnet sein. Wahlweise können der Projektor und/oder die Flächenbeleuchtung dauerhaft geschaltet oder geblitzt werden. Blitzen hat den Vorteil, dass insbesondere LEDs mit höherer Leistung betrieben werden können. Außerdem kann durch sehr kurze Blitze ein scharfes Bild erzielt werden, auch wenn sich der Sensor bewegt. Die Steuerelektronik dient ferner dem segmentierten Ansteuern der Beleuchtungseinrichtung und/oder einer auch parallelen Bildauswertung der aufgenommenen Bilder.On the board can also control electronics for switching the lighting device, of the projector and / or the cameras. Optionally, the Projector and / or the area lighting permanently switched or flashed. Lightning has the advantage that particular LEDs with higher Power can be operated. Furthermore can be achieved by very short flashes a sharp picture, too when the sensor is moving. The control electronics also serves the segmented Driving the lighting device and / or a parallel also Image analysis of the recorded images.

Ferner kann eine oder jede Kamera in ein insbesondere von der Oberfläche des Sensorgehäuses auf der dem Werkzeug abgewandten Seite vorstehendes Gehäuse aufgenommen sein, welches einen Durchlass zum Durchführen des elektrischen Kabelanschlusses der Kamera aufweist. Dadurch kann der an der Kamera selbst vorgesehene Kameraanschluss unmittelbar aus dem Gehäuse der Kamera herausgeführt werden, ohne dass in dem Gehäuse eine zusätzliche Verschaltung notwendig ist, um den elektrischen Anschluss aus dem Gehäuse der Kamera herauszuführen. Dies vereinfacht den Einbau der Kameras und ermöglicht eine besonders kompakte Sensoranordnung. Dabei kann der Durchlass für den Kameraanschluss bspw. durch eine Dichtung gegen das Eindringen von Schmutz oder Spritzwasser abgedichtet sein.Further Can one or each camera in particular from the surface of the sensor housing received on the side facing away from the tool protruding housing be, which has a passage for performing the electrical cable connection the camera has. This allows the on the camera itself provided Camera connection are led out directly from the housing of the camera, without that in the case an additional Interconnection is necessary to disconnect the electrical connection casing lead out of the camera. This simplifies the installation of the cameras and enables a particularly compact Sensor arrangement. In this case, the passage for the camera connection bspw. by a seal against the ingress of dirt or spray be sealed.

Durch die erfindungsgemäße Kombination einer Sensoranordnung zur Überwachung des Arbeitsergebnisses eines Werkzeugs und zur dreidimensionalen Lageerkennung mit drei Kameras, einer Flächenbeleuchtung und einem Projektor wird ein flexibel einsetzbarer Inspektionssensor geschaffen, der sich sowohl für die kontinuierliche Überwachung eines Arbeitsergebnisses eines Werkzeugs als auch die dreidimensionale Lagebestimmung aus der Bewegung der Sensoranordnung heraus eignet. Durch die insbesondere asymmetrische Anordnung der verschiedenen Komponenten des Sensors wird eine insgesamt kompakte Sensoranordnung erreicht, die um das Werkzeug herum festgelegt werden kann, ohne die Bewegungsfreiheit des roboter- oder stellgliedgeführten Werkzeugs über Gebühr zu beeinträchtigen.By the combination according to the invention Sensor arrangement for monitoring the work result of a tool and the three-dimensional Position detection with three cameras, one area lighting and one projector a flexible inspection sensor is created, which is as well as continuous monitoring a work result of a tool as well as the three-dimensional Orientation from the movement of the sensor assembly out suitable. By the particular asymmetrical arrangement of the various Components of the sensor becomes an overall compact sensor arrangement reached, which can be set around the tool without the Freedom of movement of the robot or actuator-guided tool to excessively affect.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.Further Features, advantages and applications of the invention result also from the following description of an embodiment and the drawing. All are described and / or illustrated illustrated features for itself or in any combination the subject matter of the present Invention, regardless of their summary in the claims or their dependency.

Es zeigen:It demonstrate:

1 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Sensoranordnung; 1 a side view of the sensor arrangement according to the invention;

2 eine Ansicht der dem Werkzeug abgewandten Oberseite der Sensoranordnung gemäß 1 und 2 a view of the tool facing away from the top of the sensor assembly according to 1 and

3 eine Ansicht der dem Werkzeug zugewandten Unterseite der Sensoranordnung gemäß 1. 3 a view of the tool facing the bottom of the sensor assembly according to 1 ,

Die in 1 in der Seitenansicht dargestellte Sensoranordnung 1 mit einem kompakten, flach ausgebildeten Sensorgehäuse 2 weist drei, von der dem Werkzeug im Gebrauch abgewandten Oberseite vorstehende Gehäuse 3 zur Aufnahme je einer Kamera 4, 5, 6 auf, die auf das Werkzeug ausgerichtet sind.In the 1 in the side view illustrated sensor arrangement 1 with a compact, flat sensor housing 2 has three, protruding from the tool in use facing away from the top housing 3 for each camera 4 . 5 . 6 which are aligned with the tool.

Wie der Ansicht auf die Oberseite der Sensoranordnung 1 in 2 zu entnehmen, ist in dem Sensorgehäuse 2 ein Durchlass 7 zur Durchführung eines nicht dargestellten Werkzeugs ausgebildet, um den herum die Kameras 4, 5, 6 derart angeordnet sind, dass der gemeinsame Sichtbereich aller Kameras einen Bereich von 360° um das Werkzeug herum erfasst. Dazu sind die Kameraachsen der Kameras 4, 5, 6 um die Winkel α4, α5, α6 zu der Achse 8 des Durchlasses 7 hin geneigt. Die Winkel α4 und α5 der Kameras 4 und 5 setzen sich jeweils durch Kippwinkel β4,5 und γ4,5 zusammen. Die Winkel γ4, γ5 stellen Kippwinkel der Kameraachsen der Kameras 4, 5 dar, um welche die Kameras 4, 5 in einer durch die Kameraachsen aufgespannten gemeinsamen Ebene der Kameras 4, 5 aufeinander zu geneigt sind. Diese Winkel γ4 und γ5 sind so gewählt, dass die Kameraachsen der Kameras 4, 5 in der durch die Achsen aufgespannten gemeinsamen Ebene einen Winkel zwischen 25° und 35°, insbesondere etwa 30°, einschließen.As the view on the top of the sensor array 1 in 2 can be seen in the sensor housing 2 a passage 7 designed to carry out a tool, not shown, around which the cameras 4 . 5 . 6 are arranged such that the common field of view of all cameras covers a range of 360 ° around the tool. These are the camera axes of the cameras 4 . 5 . 6 by the angles α 4 , α 5 , α 6 to the axis 8th of the passage 7 inclined towards. The angles α 4 and α 5 of the cameras 4 and 5 each set by tilt angle β 4.5 and γ 4.5 together. The angles γ 4 , γ 5 represent tilt angles of the camera axes of the cameras 4 . 5 which the cameras are 4 . 5 in a common plane of the cameras spanned by the camera axes 4 . 5 are inclined towards each other. These angles γ 4 and γ 5 are chosen so that the camera axes of the cameras 4 . 5 enclose in the plane defined by the axes common plane an angle between 25 ° and 35 °, in particular about 30 °.

Ferner ist die gemeinsame Ebene in Radialrichtung zu der Achse 8 des Durchlasses 7 hin geneigt. Dies drückt sich in den Kippwinkeln β4 und β5 der Kameras 4 und 5 aus, welche insbesondere gleich sein können. Durch die Winkel β4 und γ4 bzw. β5 und γ5 werden jeweils die resultierenden Kippwinkel α4, und α5 jeder Kameraachse der Kameras 4 und 5 in Radialrichtung zu der Achse 8 des Durchlasses 7 hin geneigt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diesen Fall beschränkt, so dass die resultierenden Winkel α4 und α5 der Kameraachsen der Kameras 4 und 5 nicht unbedingt in Radialrichtung zu der Achse 8 des Durchlasses 7 hin geneigt sein müssen.Furthermore, the common plane is radial to the axis 8th of the passage 7 inclined towards. This is expressed in the tilt angles β 4 and β 5 of the cameras 4 and 5 from which in particular can be the same. By the angles β 4 and γ 4 or β 5 and γ 5 are respectively the resulting tilt angle α 4 , and α 5 each camera axis of the cameras 4 and 5 in the radial direction to the axis 8th of the passage 7 inclined towards. The invention is not limited to this case, so that the resulting angle α 4 and α 5 of the camera axes of the cameras 4 and 5 not necessarily in radial direction to the axis 8th of the passage 7 have to be inclined.

Neben der Kamera 6 ist ein als LED-Streifenprojektor ausgebildeter Projektor 9 in einem Projektorgehäuse 10 angeordnet, welches von dem Sensorgehäuse 2 nach oben vorsteht und gegenüber diesem ebenfalls um Kippwinkel δ1 und δ2 verkippt ist. Dabei können die Kippwinkel δ1 und δ2 so gewählt sein, dass auch die Projektorachse in Radialrichtung zu der Achse 8 des Durchlasses 7 hin geneigt ist.Next to the camera 6 is a project designed as a LED strip projector projector 9 in a projector cabinet 10 arranged, which of the sensor housing 2 projects upwards and opposite this is also tilted by tilt angle δ 1 and δ 2 . In this case, the tilt angle δ 1 and δ 2 can be chosen so that the projector axis in the radial direction to the axis 8th of the passage 7 is inclined.

Durch die vorbeschriebene Anordnung weisen die Kameras 4 und 5 eine hohe Bildfeldüberlappung ihrer Sichtbereiche auf und dienen als Stereopaar zur dreidimensionalen Lageerkennung. Die Inspektion des Werkzeugs, insbesondere eine Kleberaupeninspektion, basiert darauf, dass das Werkzeug, bspw. die Kleberaupe, grundsätzlich mindestens in einer der, zu Redundanzzwecken aber auch zwei oder drei Kameras 4, 5 und 6 sichtbar ist.Due to the above-described arrangement, the cameras 4 and 5 a high image field overlap of their fields of view and serve as a stereo pair for three-dimensional position detection. The inspection of the tool, in particular a Kleberaupeninspektion, based on the fact that the tool, for example. The adhesive bead, basically at least one of, for redundancy purposes, but also two or three cameras 4 . 5 and 6 is visible.

Der LED-Streifenprojektor 9 ist so angeordnet, dass im Arbeitsabstand Objektkanten des bearbeiteten Objekts für das Stereopaar 4, 5 als gekrümmte Streifenverläufe erkennbar sind. Eine Kante des Objekts wird also über die Streifenkrümmung modelliert und durch eine geeignete Bildauswertung erkannt. Unabhängig davon können durch das Stereopaar der Kameras 4, 5 auch Punkt- oder Lochmerkmale zur dreidimensionalen Lageerkennung herangezogen werden.The LED strip projector 9 is arranged so that at working distance object edges of the processed object for the stereo pair 4 . 5 are recognizable as curved stripes. An edge of the object is thus modeled over the strip curvature and recognized by a suitable image analysis. Regardless, through the stereo pair of cameras 4 . 5 also point or hole features are used for three-dimensional position detection.

Auf der in 3 dargestellten, im Betrieb dem Werkzeug zugewandten Unterseite der Sensoranordnung 1 sind Öffnungen für die Kameras 4, 5, 6 und den Projektor 9 zu erkennen, welche weder radial- noch umfangssymmetrisch um die Achse 8 des Durchlasses 7 für das Werkzeug angeordnet sind. Die Kameras 4, 5, 6 und der Projektor 9 sind von einer nicht gesondert dargestellten Beleuchtungseinrichtung 11 umgeben, welche die gesamte freie, dem Werkzeug zugewandte Sensorfläche der Sensoranordnung 1 abdeckt. Dabei ist die Beleuchtungseinrichtung 11 als LED-Flächenbeleuchtung ausgebildet, welche in drei Segmente 12, 13, 14 aufgeteilt ist, die jeweils einer Kamera 4, 5, 6 zugeordnet sind und durch eine bspw. auf einer Platine in dem Sensorgehäuse 2 angeordnete Steuerelektronik segmentiert angesteuert werden können. Dabei ist die LED-Flächenbeleuchtung selbst auch auf der Unterseite der Platine angeordnet, die vorzugsweise die gesamte Steuer- und Auswerteelektronik enthält. Dadurch ist die Sensoranordnung besonders einfach herstellbar.On the in 3 shown, in operation the tool facing bottom of the sensor assembly 1 are openings for the cameras 4 . 5 . 6 and the projector 9 to recognize which neither radially nor circumferentially symmetrically about the axis 8th of the passage 7 are arranged for the tool. The cameras 4 . 5 . 6 and the projector 9 are from a lighting device not shown separately 11 surrounded, which the entire free, the tool facing sensor surface of the sensor assembly 1 covers. Here is the lighting device 11 designed as LED area lighting, which in three segments 12 . 13 . 14 is divided, each one camera 4 . 5 . 6 are assigned and by an example. On a board in the sensor housing 2 arranged control electronics can be controlled segmented. In this case, the LED area lighting itself is also arranged on the underside of the board, which preferably contains the entire control and evaluation electronics. As a result, the sensor arrangement is particularly easy to produce.

Um eine weitgehende Unabhängigkeit von dem Umgebungslicht zu erreichen, strahlen alle LEDs der Beleuchtungseinrichtung 11 in der gleichen Farbe, bspw. rot, ab. Entsprechend sind die Kameras 4, 5, 6 mit einem Rotfilter entsprechender Wellenlänger ausgestattet, um nur die Eigenbeleuchtung durch die LED-Flächenbeleuchtung 11 durchzulassen und Fremdlicht auszuschalten.In order to achieve a high degree of independence from the ambient light, all the LEDs of the illumination device radiate 11 in the same color, for example red, off. Accordingly, the cameras 4 . 5 . 6 equipped with a red filter corresponding wavelengths to only the self-lighting through the LED area lighting 11 let pass and switch off ambient light.

Wie in 2 dargestellt, sind in den Kameragehäusen 3 Durchlässe 15 ausgebildet, durch die der elektrische Kabelanschluss einer Kamera 4, 5, 6 direkt aus dem Kameragehäuse 3 herausgeführt werden kann. Dies ermöglicht eine geringe Bauhöhe des Kameragehäuses 3 und vermeidet eine zusätzliche Verkabelung innerhalb des Kameragehäuses 3 zum Anschließen der Kameras 4, 5, 6.As in 2 are shown in the camera bodies 3 passages 15 formed by the electrical cable connection of a camera 4 . 5 . 6 directly from the camera body 3 can be led out. This allows a low height of the camera body 3 and avoids additional wiring inside the camera body 3 to connect the cameras 4 . 5 . 6 ,

Zusammen mit dem erfindungsgemäß unsymmetrischen Design der gesamten Sensoranordnung 1 in der vorbeschriebenen Weise wird eine besonders kom pakte Sensoranordnung 1 mit drei Kameras 4, 5, 6, einem Projektor 9 zur Projektion von Mustern und einer segmentierten Flächenbeleuchtung 11 geschaffen, der universell zur dreidimensionalen Lageerkennung und Überwachung bspw. einer Kleberaupeninspektion eingesetzt werden kann. Insbesondere sind die Kameras 4, 5, 6 und der Projektor 9 weder radial- noch umfangssymmetrisch in Bezug auf die Achse 8 des Durchlasses 7 für das Werkzeug angeordnet.Together with the invention asymmetrical design of the entire sensor array 1 in the manner described above is a particularly com pact sensor arrangement 1 with three cameras 4 . 5 . 6 , a projector 9 for projection of patterns and segmented area illumination 11 created that can be used universally for three-dimensional position detection and monitoring, for example, a Kleberaupeninspektion. In particular, the cameras 4 . 5 . 6 and the projector 9 neither radially nor circumferentially symmetric with respect to the axis 8th of the passage 7 arranged for the tool.

11
Sensoranordnungsensor arrangement
22
Sensorgehäusesensor housing
33
Gehäusecasing
44
Kameracamera
55
Kameracamera
66
Kameracamera
77
Durchlasspassage
88th
Achseaxis
99
Projektor, LED-StreifenprojektorProjector, LED strip Projector
1010
Projektorgehäusethe cabinet
1111
Beleuchtungseinrichtung, LED-FlächenbeleuchtungLighting device LED area lighting
1212
Segmentsegment
1313
Segmentsegment
1414
Segmentsegment
1515
Durchlasspassage
α4,5,6 α 4,5,6
Kippwinkel der Kameras 4, 5, 6 Tilt angle of the cameras 4 . 5 . 6
β4,5 β 4,5
Kippwinkel der Kameras 4, 5 Tilt angle of the cameras 4 . 5
γ4,5 γ 4,5
Kippwinkel der Kameras 4, 5 Tilt angle of the cameras 4 . 5
δ1,2 δ 1,2
Kippwinkel des Projektors 9 Tilt angle of the projector 9

Claims (17)

Sensoranordnung zur dreidimensionalen Lageerkennung und Überwachung eines Werkzeugs mit drei Kameras (4, 5, 6), welche derart angeordnet sind, dass der gemeinsame Sichtbereich aller Kameras (4, 5, 6) einen Bereich von 360° um das Werkzeug herum erfasst, mit einer Beleuchtungseinrichtung (11), welche um die Kameras (4, 5, 6) herum ausgebildet ist, und mit einem Durchlass (7) zur Durchführung des Werkzeugs, um den herum die Kameras (4, 5, 6) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (1) einen Projektor (9) zur Projektion eines Musters aufweist.Sensor arrangement for three-dimensional position detection and monitoring of a tool with three cameras ( 4 . 5 . 6 ), which are arranged such that the common field of view of all cameras ( 4 . 5 . 6 ) detects a range of 360 ° around the tool, with a lighting device ( 11 ), which are around the cameras ( 4 . 5 . 6 ) is formed around, and with a passage ( 7 ) to carry out the tool around which the cameras ( 4 . 5 . 6 ) are arranged, characterized in that the sensor arrangement ( 1 ) a projector ( 9 ) for projecting a pattern. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder jede Kameraachse und/oder die Projektorachse in Radialrichtung zu der Achse (8) des Durchlasses (7) hin geneigt ist.Sensor arrangement according to claim 1, characterized in that one or each camera axis and / or the projector axis in the radial direction to the axis ( 8th ) of the passage ( 7 ) is inclined. Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kameraachsen von zwei Kameras (4, 5) eine gemeinsame Ebene aufspannen und in dieser Ebene aufeinander zugeneigt sind.Sensor arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the camera axes of two cameras ( 4 . 5 ) span a common level and are inclined towards each other in this level. Sensoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kameraachsen einen Winkel zwischen 25° und 35° einschließen.Sensor arrangement according to claim 3, characterized that the camera axes enclose an angle between 25 ° and 35 °. Sensoranordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Ebene in Radialrichtung zu der Achse (7) des Durchlasses (8) hin geneigt ist.Sensor arrangement according to claim 3 or 4, characterized in that the common plane in the radial direction to the axis ( 7 ) of the passage ( 8th ) is inclined. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kameras (4, 5) ein Stereopaar zur dreidimensionalen Lageerkennung bilden.Sensor arrangement according to one of claims 3 to 5, characterized in that the two cameras ( 4 . 5 ) form a stereo pair for three-dimensional position detection. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Kameras (4, 5) in einer zu der Achse (8) des Durchlasses (7) senkrechten Ebene einen unterschiedlichen Winkel zu ihren benachbarten Kameras (5, 6 bzw. 4, 6) bezogen auf die Achse (8) des Durchlasses (7) aufweisen.Sensor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that at least two cameras ( 4 . 5 ) in one to the axis ( 8th ) of the passage ( 7 ) vertical plane at a different angle to their neighboring cameras ( 5 . 6 respectively. 4 . 6 ) relative to the axis ( 8th ) of the passage ( 7 ) exhibit. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Projektor (9) ein Streifenprojektor ist.Sensor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the projector ( 9 ) is a strip projector. Sensoranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Streifenprojektor (9) derart angeordnet ist, dass Objektkanten auf einer Projektionsoberfläche für ein Kamerapaar (4, 5) mit hoher Bildfeldüberlappung als gekrümmte Streifen erkennbar sind.Sensor arrangement according to claim 8, characterized in that the strip projector ( 9 ) is arranged such that object edges on a projection surface for a camera pair ( 4 . 5 ) are recognizable as curved stripes with high image field overlap. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Projektor (9) benachbart zu einer Kamera (6) angeordnet ist, welche insbesondere nicht Teil des Stereopaars (4, 5) ist.Sensor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the projector ( 9 ) adjacent to a camera ( 6 ), which in particular is not part of the stereo pair ( 4 . 5 ). Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Projektor (9) ein LED-Projektor ist.Sensor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the projector ( 9 ) is an LED projector. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (11) eine LED-Flächenbeleuchtung ist, welche vorzugsweise die gesamte freie, dem Werkzeug zugewandte Sensorfläche abdeckt.Sensor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the illumination device ( 11 ) is an LED area lighting, which preferably covers the entire free, the tool-facing sensor surface. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (11) insbesondere 3-fach segmentiert (12, 13, 14) ist.Sensor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the illumination device ( 11 ) in particular 3-fold segmented ( 12 . 13 . 14 ). Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Sensorgehäuse (2) eine Platine mit Ausnehmungen für die Kameras (4, 5, 6) und den Projektor (9) vorgesehen ist.Sensor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that in the sensor housing ( 2 ) a board with recesses for the cameras ( 4 . 5 . 6 ) and the projector ( 9 ) is provided. Sensoranordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (11), insbesondere die LED-Flächenbeleuchtung, auf der Platine angeordnet ist.Sensor arrangement according to claim 14, characterized in that the illumination device ( 11 ), in particular the LED area lighting, is arranged on the circuit board. Sensoranordnung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Platine Steuerelektronik zum Schalten der Beleuchtungseinrichtung (11), des Projektors (9) und/oder der Kameras (4, 5, 6) angeordnet ist.Sensor arrangement according to claim 14 or 15, characterized in that on the board control electronics for switching the illumination device ( 11 ), the projector ( 9 ) and / or the cameras ( 4 . 5 . 6 ) is arranged. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder jede Kamera (4, 5, 6) in ein insbesondere von der Oberfläche des Sensorgehäuses (2) vorstehendes Gehäuse (3) aufgenommen ist, welches einen Durchlass (15) zum Durchführen des elektrischen Kameraanschlusses der Kamera (4, 5, 6) aufweist.Sensor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that one or each camera ( 4 . 5 . 6 ) in a particular of the surface of the sensor housing ( 2 ) projecting housing ( 3 ), which has a passage ( 15 ) for carrying out the electrical camera connection of the camera ( 4 . 5 . 6 ) having.
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