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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein insbesondere mit dieser
Vorrichtung ausführbares
Verfahren zur Detektion von Fehlern auf bewegten Gegenständen, insbesondere
auf den Oberflächen
der bewegten Gegenstände.
Die Vorrichtung weist mindestens zwei Zeilenkameras auf, welche mit
vorgebbarer Frequenz Bildzeilen aufnehmen, um insbesondere die gesamte
Oberfläche
des relativ zu der Vorrichtung bewegten Gegenstands oder einen Teil
dieser Oberfläche
zu erfassen.
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Es
ist bekannt, kontinuierlich produzierte Bahnware wie bspw. Papierbahnen
mit Zeilenkameras zu betrachten, um Fehler auf der Oberfläche der Bahnware
zu detektieren. Papierbahnen können bspw.
mit einer hohen Produktionsrate von bis zu 2500 Metern pro Minute
gefertigt werden. Um bei derartig hohen Produktionsgeschwindigkeiten
eine vollständige Überprüfung der
Oberfläche
erreichen zu können,
müssen
die zur Überwachung
eingesetzten Zeilenkameras eine hohe Scanfrequenz aufweisen. Die
benötigten
Scanfrequenzen lassen sich aber nur bei einem eingeschränkten Gesichtsfeld
der Zeilenkameras erreichen, d.h. die Anzahl der in der Zeilenkamera
eingesetzten Sensoren, bspw. Photodioden, muss soweit begrenzt werden,
dass eine Bildaufnahme und -auswertung mit der benötigten Bild-
bzw. Scanfrequenz noch möglich
ist. Bei Zeilenkameras, die häufig
ohnehin zur eine Zeile von nebeneinander angeordneten Dioden aufweisen,
ist daher die Länge
einer Sensorzeile und damit der optisch abdeckbaren Bildzeile auf
der Oberfläche
des bewegten Objektes begrenzt. Deswegen werden mehrere Kameras
benötigt,
um eine breite Bahn vollständig
zu betrachten.
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Eine ähnliche
Bildauswerteeinrichtung ist aus der
DE 102 08 286 A1 vorgesehen, wobei mehrere
miteinander direkt überlappende
Flächensensoren
vorge sehen sind, um die gesamte Breite einer relativ zu den Flächensensoren
bewegte bedruckte Stoffbahn abzudecken.
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Aus
der
DE 101 23 870
A1 ist es bekannt, mehrere zeilenförmige Sensorelement quer zur Transportrichtung
einer Gewebemaschine anzuordnen, um ein überwachtes Flächengebilde
in sich teilweise überlappende
Spuren zu zerlegen.
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Die
Funktionsweise einer derartigen Detektorvorrichtung muss während des
laufenden Betriebs in vielfältiger
Weise überprüft werden.
Insbesondere muss in regelmäßigen Abständen nachgeprüft werden,
dass tatsächlich
die gesamte Oberfläche
des bewegten Gegenstandes erfasst wird, um Fehler auf oder in dem
untersuchten Gegenstand sicher zu erfassen. Außerdem muss eine Positionskontrolle
der Zeilenkameras erfolgen, damit die durch die Detektorvorrichtung
erkannten Fehler auch den richtigen Positionen auf dem Gegenstand
zugeordnet werden. Derartige Kontrollen sind gerade in industriellen
Produktionsanlagen unerlässlich.
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Bisher
ist es dafür üblich, den
Produktionsprozess zu unterbrechen und bspw. speziell vorbereitete
Testkörper
durch die Detektorvorrichtung untersuchen zu lassen. Dies ist jedoch
sehr aufwendig, weil der Produktionsprozess unterbrochen werden muss.
Daher werden derartige Kontrollen in der Praxis vergleichsweise
selten durchgeführt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine Detektion von Fehlern auf einem
bewegten Gegenstand vorzuschlagen, bei der eine Überprüfung der Detektorvorrichtung
einfach und im laufenden Produktionsbetrieb möglich ist.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
Diese weist erfindungsgemäß eine Einrichtung
zur Erzeugung mindestens eines linienförmigen Referenzstrahles zur
Projektion auf die Oberfläche
des bewegten Gegenstandes auf, wobei die Einrichtung derart angeordnet
ist, dass der Referenzstrahl von mindestens zwei Zeilenkameras erfasst
wird. Vorzugsweise weist jede Zeilenkamera eine Sensor- bzw. Bildzeile
auf, um die Anzahl der zu verbarbeitenden Daten klein zu halten.
Je nach der Geschwindigkeit der bewegten Oberfläche kann die Erfindung jedoch
auch bei Zeilenkameras mit mehr als einer Bildzeile angewendet werden.
Durch die definierte Projektion eines Referenzstrahles auf die Oberfläche des
bewegten, zu untersuchenden Gegenstandes, der durch zwei Zeilenkameras
gleichzeitig erfasst wird, kann die Anordnung und Funktionsfähigkeit
der Zeilenkameras im laufenden Produktionsbetrieb überprüft werden,
ohne dass das Einbringen eines gesonderten Testköpers notwendig ist. Durch die
Erfassung desselben linienförmigen
Referenzstrahls kann zum einen die Position der mehreren Zeilenkameras
relativ zueinander überprüft werden,
sodass ermittelt werden kann, ob die gesamte zu untersuchende Oberfläche des
Gegenstandes abgescannt wird. Außerdem wird die ordnungsgemäße Funktion jeder
Zeilenkamera und der anschließenden
Fehlerauswertung überprüft, da der
Referenzstrahl einen Fehler in oder auf dem Gegenstand simuliert.
In der einfachsten Ausführungsform
kann der Referenzstrahl gelegentlich zur Überprüfung des Detektorsystems eingeschaltet
werden.
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Um
sicher zu stellen, dass die gesamte Oberfläche des bewegten Gegenstandes
durch Bilder der Zeilenkameras erfasst wird, sind die Zeilenkameras
vorzugsweise derart angeordnet, dass die aufgenommenen Bildzeilen
von mindestens zwei Zeilenkameras senkrecht zur Bewegungsrichtung des
Gegenstandes einen Überlappungsbereich
aufweisen. Dabei sind so viele Zeilenkameras vorgesehen, dass bspw.
die gesamte Breite der bewegten Oberfläche quer zur Bewegungsrichtung
abgedeckt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind
die Bildzeilen parallel zueinander quer zur Bewegungsrichtung der
Oberfläche
bzw. des Gegenstandes ausgerichtet und in Bewegungsrichtung versetzt
zueinander angeordnet.
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Dann
können
die Einrichtung zur Erzeugung des Referenzstrahls und die Zeilenkameras
erfindungsgemäß derart
angeordnet werden, dass die Bildzeilen der Zeilenkameras den Referenzstrahl
in einem Überlappungsbereich
abbilden. Durch diese Redundanz der abgescannten Oberflächenbereiche des
Gegenstands kann trotz des Abbildens des Referenzstrahl in einem
bestimmten Oberflächenbereich
in einer der beiden Zeilenkameras dieser Oberflächenbereich durch die jeweils
andere Zeilenkamera auf Fehler untersucht werden.
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Dazu
kann die Einrichtung zur Erzeugung des Referenzstrahls für einen
gepulsten Betrieb des Referenzstahls eingerichtet sein. Die vorzugsweise schnell
gepulsten Referenzstrahlen werden von den Zeilenkameras mit den überlappenden
Bildzeilen gleichzeitig gesehen. Durch den gepulsten Betrieb wird
bei parallel in Bewegungsrichtung der Oberfläche versetzten Bildzeilen erreicht,
dass der Referenzstrahl in den beiden versetzten Bildzeilen unterschiedliche
Oberflächenbereiche
beleuchtet und in der jeweils anderen Bildzeile dieser Oberflächenbereich
auf Fehler untersucht werden kann. Dazu muss die Pulsdauer eines
Referenzstrahles kürzer
sein als die Zeit, in der sich der von der ersten Zeilenkamera erfasste
Bildbereich mit der bewegten Oberfläche des bewegten Gegenstands
in den Bildbereich der zweiten Zeilenkamera bewegt, welche mit der
ersten Zeilenkamera einen Überlappungsbereich
ausbildet. Das gleiche Ergebnis kann erfindungsgemäß auch bei
Dauerbetrieb des Referenzstrahles erreicht werden, wenn dieser nicht
genau senkrecht zu den Bildzeilen ausgerichtet ist, aber dennoch
im Überlappungsbereich
von zwei Bildzeilen abgebildet wird. Auch dann wird der Referenzstrahl
in jeder Bildzeile einer Zeilenkamera in einem unterschiedlichen
Oberflächenbereich
abgebildet, so dass insgesamt die gesamte Oberfläche abgedeckt wird.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
die Einrichtung zur Erzeugung des Referenzstrahls derart angeordnet,
dass der Referenzstrahl in der Projektion auf die Oberfläche des
bewegten Gegenstands senkrecht zur Richtung der Bildzeilen ausgerichtet
ist. Dabei verläuft
der Referenzstrahl vorzugsweise durch den Überlappungsbereich der Bildzeilen
mindestens zweier Zeilenkameras. In dieser Anordnung kann besonders
einfach festgestellt werden, ob die Bildzeilen der Zeilenkameras
quer zur Bewegungsrichtung überlappen.
Außerdem
kann so eine einfache Eichung und Positionsbestimmung der Kamerapixel
der jeweiligen Zeilenkameras erfolgen, weil der Referenzstrahl in
Bewegungsrichtung der Oberfläche
ausgerichtet ist. Die den Referenzstrahl erfassenden Pixel jeder
Bildzeile haben dann dieselbe Position quer zur Bewegungsrichtung des
Gegenstands. Durch diese auch während
des laufenden Betriebs einfach wiederholbare absolute Positionsbestimmung
kann also die Genauigkeit der Positionsangabe der auf dem Gegenstand
detektierten Fehler verbessert werden. Es ist erfindungsgemäß jedoch auch
möglich,
einen Referenzstrahl schräg
zur Bewegungsrichtung des Gegenstands auszurichten und die Bildzeilen
sämtlicher
Zeilenkameras so anzuordnen, dass diese den einen Referenzstrahl
schneiden und abbilden. Über
einen bekannten Verkippungswinkel des Referenzstrahls zu den Bildzeilen kann
dann auch eine absolute Positionsbestimmung der Bildzeilen erfolgen.
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Einfacher
Weise kann die Einrichtung zur Erzeugung des Referenzstrahls einen
Laser und eine entsprechende Strahlaufweitungsvorrichtung, bspw. eine
Zylinderlinse, aufweisen. Der an sich punktförmige Strahl eines Lasers kann
durch eine geeignete Optik besonders einfach als linienförmiger Referenzstrahl
ausgebildet werden. Dabei kann die Breite des erzeugten Referenzstrahls
geeignet vorgegeben werden. Sofern mehrere Referenzstrahlen benötigt werden,
kann für
jeden dieser Referenzstrahlen ein eigener Laser mit einer diesem
zugeordneten Strahlaufweitungsvorrichtung vorgesehen werden. Alternativ
können
mit einer geeigneten Optik in an sich bekannter Weise auch mehrere
Referenzstrahlen aus einem Laserstrahl erzeugt werden.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
weist vorzugsweise ferner eine Steuerung zur Auslösung der
Bildaufnahme der Zeilenkameras und der Erzeugung der Referenzstrahlen
und/oder eine Auswerteeinrichtung zur bspw. parallelen Auswertung
der aufgenommenen Bilder und Detektion von Fehlern in den aufgenommenen
Bildern auf. Bei der Fehlerdetektion wird insbesondere auch die
Position der Fehler auf der Oberfläche bestimmt.
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Diese
beschriebene Vorrichtung eignet sich insbesondere zur Durchführung des
nachfolgend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens mit den Merkmalen des
Anspruchs 8, das bspw. mit in der Steuerung und/oder Auswerteeinrichtung
implementiert sein kann.
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Bei
dem Verfahren zur Fehlerdetektion auf bewegten Gegenständen wird
die Oberfläche
des relativ zu den Zeilenkameras bewegten Gegenstandes mit mindestens
zwei Zeilenkameras, welche mit vorgebbarer Frequenz Bildzeilen aufnehmen,
erfasst. Zur einfachen und insbesondere während einer Produktion unterbrechungsfrei
durchführbaren Überprüfung der
Fehlerdetektion wird ein linienförmiger
Referenzstrahl auf die Oberfläche
des bewegten Gegenstands projiziert und von mindestens zwei Zeilenkameras
erfasst. Anhand dieses definiert erzeugten Referenzstrahles kann
der Zustand des Detektorsystems ohne eine Unterbrechung der Produktion überprüft werden.
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Um
die gesamte Oberfläche
des bewegten Objektes mit Sicherheit zu erfassen, ist es vorteilhaft, wenn
die Bildzeilen von mindestens zwei Zeilenkameras senkrecht zur Bewegungsrichtung
des Objektes überlappen.
Dann können
die Bildzeilen der Zeilenkameras den Referenzstrahl in einem Überlappungsbereich
abbilden.
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Wenn
der Referenzstrahl in dieser Anordnung erfindungsgemäß gepulst
erzeugt wird und die Pulsdauer kürzer
ist als die Zeit, welche benötigt wird,
um den in der ersten Kamera im Überlappungsbereich
aufgenommen Oberflächenbereich
des bewegten Gegenstands in den Bildbereich der zweiten Kamera zu
bewegen, kann die gesamte Oberfläche sicher
abgescannt werden, obwohl der Referenzstrahl kurzzeitig einen Fehler
auf der untersuchten Oberfläche
simuliert, weil eine der beiden Zeilenkameras diesen Oberflächenbereich
ohne den aufprojizierten Referenzstrahl erfasst.
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Weil
die Lage des Referenzstrahls bekannt ist und der Referenzstrahl
gleichzeitig in dem Überlappungsbereich
der Bildzeilen der Zeilenkameras gesehen werden kann, kann der in
dem Überlappungsbereich
der Bildzeilen abgebildete Referenzstrahl zur relativen Positionsbestimmung
der Bildzeilen zueinander verwendet werden. Dies ermöglicht auch
absolute Positionsbestimmung der Bildzeilen. Falls der Referenzstrahl
in Bewegungsrichtung der Oberfläche
ausgerichtet ist, kann ferner unmittelbar überprüft werden, ob die Bildzeilen
zweier Zeilenkameras überlappen
und die gesamte Oberfläche
abgedeckt wird. Außerdem
kann mit einer genauen Positionsbestimmung der Bildzeilen die Position
eines detektierten Fehlers genau bestimmt werden. Dabei wird ausgenutzt,
dass durch die Laserlinie eine absolute Position vorgegeben ist
und somit festgestellt werden kann, welche Kamerapixel der Bildzeile
einer Zeilenkamera diese absolute Position detektieren. Aus diesen
Positionen kann dann der Überlappungsbereich
der Zeilenkameras und die absolute Position der später zu detektierenden
Fehler abgeleitet werden.
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Ferner
kann der Referenzstrahl für
eine Kalibrierung der Fehlerbreite und eine Fokussierung der Zeilenkameras
verwendet werden. Diese Informationen können aus der Anzahl der Pixel
einer Bildzeile einer Zeilenkamera geschlossen werden, welche den Referenzstrahl
abbilden, da sowohl die projizierte Breite des Referenzstrahls als
auch der Pixelabstand bekannt sind.
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Ferner
kann der Referenzstrahl erfindungsgemäß zur Fehlersimulation innerhalb
des System verwendet werden. In der Projektion simuliert der Referenzstahl
einen Oberflächenfehler,
der von der Zeilenkamera erkannt werden muss. Dieser simulierte Fehler
kann daher zur Prüfung
der Anlage und der nachfolgenden Fehlerverarbeitung dienen. Diese Überprüfung kann
genauso wie die zuvor beschriebene Positionsbestimmung erfindungsgemäß turnusmäßig auch
im laufenden Detektionsbetrieb vorgenommen werden, so dass Fehler
in der Anlage schnell erkannt werden können und eine ständige Positionskontrolle
des Detektorsystems erfolgen kann.
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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 Erfindung,
unabhängig
von der Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbezügen.
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Die
einzige 1 zeigt schematisch ein Anwendungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Detektionsverfahrens
am Beispiel einer kontinuierlich produzierten Papierbahn als Gegenstand 1,
der auf Fehler untersucht werden soll. Das erfindungsgemäße Detektorsystem
ist jedoch nicht auf den konkret beschriebenen Anwendungsfall beschränkt, sondern kann
grundsätzlich
bei der Detektion von Fehlern in oder auf bewegten Gegenständen eingesetzt
werden.
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Die
Papierbahn 1 wird kontinuierlich mit einer Produktionsgeschwindigkeit
von bis zu etwa 2500 Meter pro Minute hergestellt. Um Fehler in
der Produktion schnell festzustellen und die Produktion von Ausschussware
zu vermeiden, soll das Produktionsergebnis kontinuierlich überwacht
werden. Im Rahmen einer dafür üblichen
optischen Kontrolle sind über
die Breite der Papierbahn 1 verteilt mehrere Zeilenkameras
angeordnet, deren Bildzeilen 2, 3, 4, 5 auf
der Papierbahn 1 dargestellt sind. Jede Bildzeile 2, 3, 4, 5 stellt
die Betrachtungslinie einer Zeilenkamera der Vorrichtung zur Detektion
von Fehlern auf der Oberfläche
der Papierbahn dar, der durch die Kamerasensoren, bspw. Photodioden,
bei einer Aufnahme abgedeckt wird.
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Die
Bildzeilen 2, 3, 4, 5 sind senkrecht
zur Bewegungsrichtung 6 der Papierbahn 1 ausgerichtet, so
dass sie gemeinsam die gesamte Breite der Papierbahn 1 abdecken.
Um auch in Bewegungsrichtung 6 der Papierbahn 1 die
gesamte Oberfläche
auf Fehler abzusuchen, wird die Frequenz aufeinanderfolgender Bilder,
nachfolgend auch Scanfrequenz genannt, in Abstimmung mit der Ge schwindigkeit
der Papierbahn 1 so gewählt,
dass zwei aufeinanderfolgende Aufnahmen einer Zeilenkamera mit ihrer
Bildzeile 2, 3, 4, 5 zwei benachbarte
Oberflächenbereiche
auf der Papierbahn 1 abbilden, ohne dass ein zwischen den
benachbarten Oberflächenbereichen liegender
nicht aufgenommener Spalt entsteht. Bei der hohen Produktionsgeschwindigkeit
und damit schnellen Bewegung der Papierbahn 1 ist daher
eine hohe Scanfrequenz notwendig.
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Diese
lässt sich
technisch nicht mit einer einzigen, die gesamte Breite der Papierbahn
abdeckenden Zeilenkamera realisieren. Vielmehr müssen mehrere Zeilenkameras über die
Breite der Papierbahn 4 verteilt und in Bewegungsrichtung 6 beabstandet
zueinander parallel betrieben werden. Die Zeilenkameras sind dabei
derart angeordnet, dass je zwei aufgenommene Bildzeilen 2, 3; 3, 4; 4, 5 einen Überlappungsbereich 7, 8, 9 senkrecht
zur Bewegungsrichtung 6 der Papierbahn 1 aufweisen,
d.h. in Richtung der Breite der Papierbahn 1 überlappen. Dadurch
wird sicher gestellt, dass bei der Fehlerdetektion tatsächlich die
gesamte Breite der Papierbahn 1 abgescannt wird.
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Um
den Scanbereich der einzelnen Zeilenkameras auch online während der
Produktion der Papierbahn 1 überprüfen zu können, werden im Bereich der
Bildzeilen 2, 3, 4, 5 linienförmige Referenzstrahlen 10, 11, 12 auf
die Oberfläche
projiziert, welche jeweils von zwei Zeilenkameras erfasst werden
bzw. gleichzeitig durch zwei Bildzeilen 2, 3; 3, 4; 4, 5 verlaufen.
Die Referenzstrahlen 10, 11, 12 sind
dabei in Bewegungsrichtung 6 der Papierbahn 1 ausgerichtet und
liegen jeweils in einem Überlappungsbereich 7, 8, 9.
Derselbe Referenzstrahl 10, 11, 12 muss
daher jeweils in zwei Bildzeilen 2, 3; 3, 4; 4, 5 erscheinen, wenn
die Zeilenkameras die erwünschte Überlappung
aufweisen. Damit ist durch Nachweis der Referenzstrahlen 10, 11, 12 in
den Bildzeilen 2, 3; 3, 4; 4, 5 die
gewünschte Überlappung
unmittelbar überprüfbar.
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Die
linienförmigen
Referenzstrahlen 10, 11, 12 können bspw.
aus einem Laserstrahl mit einer geeigneten Strahlaufweitungsoptik,
bspw. einer Zylinderlinse, erzeugt werden. Dabei kann auch die Linienbreite
der Referenzstrahlen vorgegeben werden, bspw. derart, dass der Referenzstrahl 10, 11, 12 in
einem Sensorpixel einer Zeilenkamera erfasst werden kann. Damit
ist durch einen Referenzstrahl 10, 11, 12 eine
absolute, pixelgenaue Position in Breitenrichtung der Papierbahn 1 vorgegeben,
die zur Bestimmung der genauen Position der beiden Zeilenkameras
verwendet werden kann, in deren Bildzeilen 2, 3, 4, 5 der
Referenzstrahl 10, 11, 12 aufgenommen wird.
Somit kann auch die Positionsbestimmung der Zeilenkameras im laufenden
Produktionsbetrieb erfolgen und die Positionsgenauigkeit der detektierten Fehler
im System verbessert werden.
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Ferner
kann aus der Anzahl der Sensorpixel in der Bildzeile 2, 3, 4, 5,
welche den Referenzstrahl 10, 11, 12 wahrnehmen,
eine Kalibrierung für
die Fehlerbreite der zugehörigen
Zeilenkameras gewonnen sowie die Fokussierung der Zeilenkamera überprüft und ggf.
korrigiert werden. Ferner simuliert der Referenzstrahl 10, 11, 12 einen
Fehler und kann zur Anlagenüberprüfung mit
nachfolgender Fehlerverarbeitung dienen.
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Damit
die gesamte Oberfläche
der Papierbahn 1 in mindestens einer Zeilenkamera ohne
Referenzstrahl 10, 11, 12 abgebildet
wird, wird der Referenzstrahl 10, 11, 12 mit
einer schnellen, auf die Geschwindigkeit der Papierbahn abgestimmten
Frequenz gepulst, wobei Frequenz und Pulsdauer so angepasst werden,
dass ein Oberflächenbereich
der Papierbahn in einer Bildzeile 2, 3; 3, 4; 4, 5 des Überlappungsbereichs 7, 8, 9 ohne
den Referenzstrahl erfasst wird.
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Das
beschriebene Verfahren und die dazugehörige Vorrichtung nutzen die
diffuse Reflexion eines Referenzstrahls 10, 11, 12 auf
der Oberfläche des
zu untersuchenden Gegenstands 1 aus, um die Funktion der
Fehlerdetektion ohne Störungen
des ordnungsgemäßen Produktionsbetriebs
auf vielfältige
Weise zu überprüfen. Das
Verfahren ist bevorzugt für
nicht transparente bewegte Gegenstände 1 geeignet, die
bspw. kontinuierlich produziert oder überprüft werden. Es ist aber nicht
ausgeschlossen, das erfindungsgemäße System und Verfahren auch
zur Inspektion transparenter Gegenstände zu verwenden, solange die
diffuse Reflexion hoch genug ist.
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- 1
- Papierbahn,
Gegenstand
- 2
- Bildzeile
- 3
- Bildzeile
- 4
- Bildzeile
- 5
- Bildzeile
- 6
- Bewegungsrichtung
- 7
- Überlappungsbereich
- 8
- Überlappungsbereich
- 9
- Überlappungsbereich
- 10
- linienförmiger Referenzstrahl
- 11
- linienförmiger Referenzstrahl
- 12
- linienförmiger Referenzstrahl