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Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zur optischen Führung eines
Werkzeugs und/oder zur optischen online Kontrolle des Arbeitsergebnisses
eines Werkzeugs, das in gekrümmter
Bahn relativ zu einem Werkstück
bewegt wird. Beispiele sind der Auftrag von pastösen Massen wie Kleberaupen
oder Dichtraupen, das Schweißen,
das Löten,
das Beschriften das Entgraten, das Gravieren.
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Die
folgenden Erläuterungen
geschehen anhand der wirtschaftlich wichtigen Raupenkontrolle, in anderen
Bereichen sind die Verhältnisse
gleichartig, die Lösungen
leicht darauf übertragbar.
Zunächst
behandeln wir das Kontrollieren, dann das Führen.
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Kleberaupen,
Dichtraupen, Dekor-Raupen oder sonstige, durch Auftragen einer pastösen Masse
erzeugte Strukturen (kurz Raupen) werden mit zweidimensional arbeitenden,
Grauwertbilder verarbeitenden Bildanalysesystemen optisch kontrolliert auf
korrekte Position relativ zum Bauteil und auf korrekte Breite. Anwendungen
wie z.B. die Scheibenmontage im Automobilbau erfordern zusätzlich eine Höhenkontrolle
und die Kontrolle der Einhaltung der Geometrie eines speziellen
Profilquerschnitts.
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Anordnungen
dazu verwenden einen Sensor, der für die Breiten- oder Lagekontrolle
aus einer Kamera und einer Beleuchtung besteht, im wesentlichen
im Glanzlicht (Einfallswinkel = Ausfallswinkel) zueinander ausgerichtet.
Für die
Höhen-
oder Profilquerschnittskontrolle verwendet man derzeit bevorzugt
Lichtschnittverfahren (Triangulation mittels strukturiertem Licht),
z.B. eine oder mehrere Laserlinien und eine Kamera, die das reflektierte
Licht erfaßt.
Zur "online"-Kontrolle, also
zur Kontrolle während
des Auftrages, wird der Sensor in der Nähe der Auftragsdüse montiert
und ist i.a. mit dieser fest verbunden.
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Die
Auftragsdüse
bewegt sich beim Auftrag relativ zum Werkstück, auf das die Raupe aufgetragen
wird, dabei ist es grundsätzlich
gleichgültig,
ob sich die Düse
bei feststehendem Werkstück
bewegt oder umgekehrt.
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Die
Kamera muß bei
der Online Kontrolle auf den Bereich hinter der Auftragsdüse gerichtet
sein. Bei gekrümmten
Auftragsbahnen muß der
Sensor also um die Auftragsdüse
gedreht werden, um ständig
den Bereich hinter der Auftragsdüse
erfassen zu können.
Beim Auftrag profilierter Raupen ist die Drehung ohnehin erforderlich.
Bei Bewegung der Düse durch
einen Roboter kann dieser die Drehung übernehmen; bei feststehender
Düse und
durch einen Roboter bewegtem Teil kann der Roboter zwar die Drehung übernehmen,
doch kann das bei großen
Teilen, wie sie z.B. im Automobil-Rohbau vorkommen, sehr viel Platz beanspruchen;
will man den Platzbedarf reduzieren, benötigt man eine extra Dreheinrichtung.
Auch sind zusammen mit einer extra Dreheinrichtung in vielen Fällen anstelle
von Robotern einfache und preiswerte x-y-Systeme einsetzbar.
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Eine
extra Dreheinrichtung sollte jedoch aus Aufwandsgründen vermieden
werden. Zu dem Thema wird z.B. mit
DE 203 07 305 U1 beschrieben, daß eine Überwachungseinrichtung
mit einer oder mehreren Kameras am Werkzeug derart festlegbar ist,
daß der
Sichtbereich der Kamera(s) bei einer Bewegung des Werkzeugs und/oder
eines zu bearbeitenden Objekts immer auf den Arbeitsbereich und/oder
einen festen Überwachungsbereich
ausgerichtet ist (Anspruch 1). Mit mehreren Kameras auf einem mit einem
Ausschnitt für
das Werkzeug konzentrisch angerdneten Kreis kann ein im wesentlichen
kreisförmiger Überwachungsbereich
erreicht werden, der durch die Sichtbereiche mehrerer Kameras gebildet wird.
Damit ist der Überwachungsbereich
im wesentlichen unabhängig
von der Ausrichtung des Werkzeugs (Seite 4 unten; Anspruch 2). Eine Überwachung
rund um das Werkzeug erfordert nach dieser Offenlegung mindestens
zwei Kameras mit überlappenden
Arbeitsbereichen/Überwachungsbereichen.
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Eine
für rundum
Kontrolle geeignete Anordnung mit nur einer Kamera wird nicht angegeben.
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Die
gleiche Lösung
mit mehreren Kameras ist zu finden in den Offenlegungen WO 2005/065844, WO
2005/063406, WO 2005/,063407. Jedesmal muß, um einen Überwachungsbereich
rund um das Werkstück
zu erreichen, mit mindestens zwei Kameras gearbeitet werden (vorzugsweise
drei), siehe z.B. in den drei letztgenannten Schriften jeweils die 3 und 4 mit Erläuterungen; eine Drehbewegung
wird vermieden: die Überwachungsbereiche
behalten ihre Ausrichtung.
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Nachteil
der Anordnung ist, daß mehrere
Kameras erforderlich sind, deren Bilder i.a. sogar gleichzeitig
ausgewertert werden müssen,
insbesondere ist der mit der Anordnung verbundene hohe Platzbedarf quer
zur Bewegungsrichtung von Nachteil; letzteres ist dann hinderlich,
wenn die Raupe unter beengten Platzverhältnissen (z.B. entlang steiler
Profile) verlegt werden soll; das kommt auch in anderen Anwendungsbereichen
durchaus vor. In solchen Fällen kann
es selbst dann, wenn keine Kollision mit einer Kamera zu befürchten ist,
beleuchtungstechnisch zu Störungen
durch Abschattungen kommen. Außerdem
ist die Anordnung nur mit sehr vielen Kameras für eine Höhenkontrolle geeignet, wenn überhaupt.
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Beim
Führen
des Werkzeugs durch einen optischen Sensor, z.B. beim Verfolgen
einer Kante, einer Nut, einer Schweißnaht, auch zum punktuellen justieren
der Bewegung anhand von "Landmarken" wie Löchern oder
Kanten, treten genau die gleichen Probleme auf wie bisher für die optische
Kontrolle beschrieben: um bei gekrümmter Bahn – mit großen Richtungsunterschieden – eine Drehbewegung zu vermeiden,
sind nach bisherigem Stand der Technik mehrere Führungskameras erforderlich.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden.
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Die
Aufgabe wird gelöst
nach den unabhängigen
Ansprüchen.
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Zur
optischen Kontrolle des Arbeitsergebnisses eines Werkzeugs und/oder
zur optischen Führung
eines Werkzeugs 3 mittels einer Kamera mit einer Optik,
wobei das Werkzeug relativ zu einem Werkstück 1 bewegt wird insbesondere
auf gekrümmter
Bahn,
wird vorgeschlagen,
daß sich das Werkzeug zumindest
näherungsweise zentrisch
im Bildfeld 8 befindet, und daß sich seine Halterung 6 innerhalb
des Strahlengangs entweder zumindest näherungsweise zentrisch im Strahlengang
befindet oder direkt in einer Pupille 15 der Optik 10, 10a, 10b oder
zumindest so nah an einer Pupille der Optik, daß die Halterung nicht abgebildet
wird oder so unscharf abgebildet wird, daß der Arbeitsbereich 8 rund
um das Werkstück
auswertbar abgebildet wird.
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Pupille
ist die Apertur (z.B. Aperturblende) eines optischen Systems. Bei
ganz einfachen Linsensystemen ist die Linse selbst die Pupille.
Bei komplexeren Systemen, z.B. beim Köhlerschen Strahlengang wird
die Apertur in reelen Zwischenbildern abgebildet. Pupille im Sinne
von Anspruch 1 ist der Ort der wirksamen Apertur oder der Ort eines
Bildes davon. Bei einem Fernrohr beispielsweise ist die Austrittspupille
ein Bild der in der Front-Optik wirksamen Apertur(blende). Anmerkung:
Nicht gemeint ist die Eintrittspupille eines Objektives als virtuelles
Bild der Aperturblende hinter der Frontlinse, wenn der Abstand von
Aperturblende zu Frontlinse kleiner ist als deren Brennweite, die
Frontoptik diesbezüglich
also wie eine Lupe wirkt.
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Das
Werkzeug (die Auftragsdüse
im Beispiel) befindet sich zumindest näherungsweise im Zentrum des
Strahlengangs. Der Halter verläuft durch
den Strahlengang und befindet sich auf diesem Weg entweder zumindest
näherungsweise
im Zentrum des Strahlengangs oder in einer Pupille oder in der Nähe einer
Pupille. Was für
den Halter gilt, gilt ebenso für
eine Energiezufuhr (Strom, Luftdruck, ..) oder Materialzufuhr (Kleber,
Schweißdraht,
..), sofern erforderlich; eine Energie- oder Materialzufuhr kann gleichzeitig
Halter sein.
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Je
nach Detail-Geometrie wird der Halter (ggf. auch Energie/Materialzufuhr)
entweder nicht abgebildet oder unscharf abgebildet, oder teilweise nicht
und teilweise unscharf abgebildet; das unscharfe Bild überlagert
das normalerweise scharfe Bild des Bildfeldes. Dabei kann die Überlagerung
so weit gehen, daß das
auszuwertende Bildfeld gerade noch mittels einer automatischen Verarbeitung
im Sinne der Aufgabenstellung auswertbar ist.
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Die
Lösung
wird zunächst
anhand des Beispiels "Raupenkontrolle" und mit einer einfachen
Linse, die gleichzeitig Pupille des abbildenden Systems ist, beschrieben,
siehe 2. Auf dem Werkstück 1 wird eine Raupe 2 aufgetragen
mit einem Werkzeug 3, hier dem senkrechten rohrförmigen Applikator
für die
Kleberaupe, mit einer Düse 4 am
unteren Ende. Die Materialzufuhr geschieht an der Stelle 5 (Pfeil)
in den horizontalen Teil 6 des Rohrs. Der horizontale Teil 6 ist
gleichzeitig Halterung. für
den vertikalen Teil 3 des Rohres, der – je nach Anwendung und Sichtweise – wahlweise
als Werkzeug oder Halterung für das
Werkzeug betrachtet werden kann. Das Werkzeug wird beim Klebeauftrag
relativ zum Werkstück bewegt,
wenn im Bild nach rechts (durchgezogener Pfeil), entsteht die Raupe
links vom Werkzeug in der mit 2 angedeuteten Lage, wenn
im Bild nach links (gestrichelter Pfeil), in der gestrichelt angedeuteten Lage 7.
Die Raupe wird in einem Bildfeld, das mit dem Pfeil 8 angedeutet
ist, abgebildet auf ein Bild, das mit dem Pfeil 9 angedeutet
ist, über
eine Optik 10 (Objektiv). Das Bild 9 kann sich
auf der Oberfläche des
Kamera-Sensor-Arrays 11 befinden, wie gezeichent, oder
es kann ein Zwischenbild sein, das über eine weitere Optik auf
ein Kamera-Sensor-Array abgebildet wird (nicht gezeichnet). Das
Werkzeug 3 befindet sich näherungsweise zentrisch im Bildfeld
der Kamera, es ist absichtlich etwas verlagert in die Richtung,
die von der Halterung 6 wegweist (s.u.). Die Optik 10 ist
aus darstellungstechnischen Gründen
als flache Scheibe gezeichnet, so wie das der Fall ist bei Verwendung
einer Zonenplatte, kann aber allgemein auch eine Linse oder ein
Linsensystem sein. Die Halterung 6 befindet sich erfindungsgemäß in der
Optik, die hier bei einer einfachen Linse identisch mit der Pupille
ist. Dadurch wird erreicht, daß sich
der Halter im Bild 9 überhaupt
oder fast nicht darstellt. Befindet sich der Halter knapp hinter
(im Bild über)
oder vor (im Bild unter – bevorzugt)
der Optik, so kommt es zu einer leichten einseitigen Trübung des
Bildes 9, am stumpfen bzw. spitzen Ende des Pfeils des
Bildes 9. Solch eine leichte einseitige Trübung kann
durch konventionelle Bildverarbeitungsmethoden wie Shadingkorrektur
ausgeglichen werden. Die oben erwähnte absichtliche Verlagerung
des Werkzeugs aus der Mitte der Optik dient einem Helligkeitsausgleich zur
Verringerung der einseitigen Trübung.
Trotz der Abdeckung der Optik 10 durch den Halter 6 wird
das komplette Bild rund um das Werkzeug abgebildet, wie durch die
gestrichelt eingezeichneten Abbildungsstrahlen angedeutet ist, denn
ein Punkt wird nicht nur durch Strahlen in der Zeichenebene abgebildet
(diese werden teilweise durch den Halter oder das Werkstück ge blockt),
sondern auch durch schräg in
die Zeichenebene hinein bzw. aus der Zeichenebene heraus verlaufende
Strahlen.
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In
besonderer Ausgestaltung wird eine koaxiale Beleuchtung durch die
Optik hindurch realisiert, mit einem halbdurchlässigen Spiegel (oder Strahlteilerwürfel ..)
im Raum zwischen Optik 10 und Sensorarray 11,
wie das aus der industriellen Bildauswertung bekannt ist. Damit
erreicht man die Einhaltung der Glanzbedingung bei schmalem Beleuchtungs- und
Betrachtungswinkel (ohne Figur).
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Eine
besonders elegante Beleuchtung besteht erfindungsgemäß aus einer
Beleuchtung, die sich in oder in der Nähe der Pupille befindet. Besteht die
Beleuchtung aus einzelnen punktförmigen
Lichtquellen, so genügen
zwei Lichtquellen 18, um, ggf. über die Optik (vgl. unten 6),
den Bereich um das Werkstück
rundum näherungsweise
koaxial auszuleuchten. Da sich die Lichtquellen (einschließlich Stromzufuhr)
zumindest näherungsweise
in der Pupille befinden, werden sie nicht bzw. nur sehr unscharf
abgebildet. Damit ist ein besonders schlanker Aufbau des Gesamtsystems
mit Beleuchtung im Glanzwinkel möglich.
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Natürlich kann
auch eine konventionelle Beleuchtung außerhalb der Optik realisiert
werden, beispielsweise als Ringlicht um die Optik, insbesondere auch
unterstützend
zu den oben angegebenen Anordnungen, um eine geringere Empfindlichkeit
gegen verschiedene Werkstück-Kippwinkel
zu erreichen.
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In
besonderer Ausgestaltung wird die Anordnung ergänzt durch eine Einrichtung 12 zur
konusförmigen
Beleuchtung mit einer Lichtkante 13 oder einem Lichtschlitz 13,
rund um das Werkstück,
siehe 3; damit kann eine 3D-Auswertung der Raupe realisiert
werden, wie bisher bei geraden Raupenverläufen oder bei Einrichtungen
mit mechanischer Drehung bekannt. Der Konus muß natürlich nicht kreisrund sein,
sondern kann beispielsweise ein geschlossenes Poly gon aus geraden,
ggf etwas überlappenden
Laserlinien sein.
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Die
für die
einfache Linse optisch nicht optimale, aber für viele praktische Anwendungen
bevorzugte Führung
der Halterung knapp vor der Optik (keine Manipulation an käuflicher
Optik erforderlich) ist in
4 gezeigt.
Eine demgegenüber
verbesserte Lösung
erhält
man, wenn bei in etwa dieser Geometrie der Halter
6 in
einer reellen Pupille außerhalb
der Optik liegt. Solche Konstruktionen sind grundsätzlich möglich, siehe
z.B. die Fernrohr-Optik oder – in
anderem Zusammenhang –
DE 103 20 165 A1 .
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Eine
mehr platzsparende Variante mit geknickter Materialzufuhr zeigt 5.
Mit geringerer Krümmung
der Materialzufuhr kann, wie in dieser Figur mit den gestrichelten
Linien 14 angedeutet, auch ein schräger Verlauf des Halters durch
die Pupille realisiert werden.
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Eine
vorteilhafte Variante zeigt 6: hier
ist wie in 2 der Halter 6 genau
in der Pupille der Optik, jedoch ist die Anordnung technisch leichter
zu realisieren: die Optik 10 besteht hier aus zwei Teil-Optiken 10a und 10b (ggf.
einfache Linsen), dazwischen, vorzugsweise in deren Mitte, befindet
sich die Pupille 15. Die Optiken 10a und 10b wirken
zusammengenommen als abbildendes System von Bildfeld 8 auf
Bild 9. Da sich der Halter genau in der Pupille befindet,
wird er nicht abgebildet, auch nicht unscharf. Zur Herstellung braucht
nur die Frontlinse in der Mitte durchbohrt zu werden, ein Ausschneiden der
Frontlinse mit komplizierterer Form (wie nach 2)
ist nicht erforderlich, trotzdem befindet sich der Halter 6 genau
in der Pupille.
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Die
Materialzufuhr muß gelegentlich
aus konstruktiven Gründen
oder aus prozeßtechnischen Gründen nur über ein
gerades oder nur gering gekrümmtes,
ev. sogar möglichst
kurzes Rohr (Heizung ..) geschehen. Insbesondere ist je nach Anwendung zu
berücksichtigen,
daß eine
Dosierungseinrichtung 16 eventuell viel Platz beanspruchen
kann. Als Lösung
wird vorgeschlagen, daß der
Abbildungsstrahlengang nach 1 über einen
Spiegel 17 geknickt wird. Das Zuführrohr ist nicht (oder nur
gering) geknickt und führt
durch ein Loch im Spiegel. In 1 führt das
Zuführrohr
wie in 6 auch durch ein Loch in der Front-Optik 10a.
Der rechte Teile der Pupille 15 aus 6 wird nach
unten in die Ebene 15b gespiegelt; die Pupille liegt in
den Halbebenen 15a, 15b. Der Halter 6 befindet
sich, im Strahlengang von unten gesehen, im Zentrum des Strahlengangs;
im Strahlengang von links gesehen in der Pupille 15b ("rechts/oben/unten" figurbezogen). Allein
in der Papierebene blockiert der Halter 6 die Sicht auf
Lage 7, Lage 7 wird jedoch durch Strahlen schräg zur Zeichenebene
scharf dargestellt.
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Natürlich sind
konstruktiv je nach Zuführmaterial
(z.B. Schweißdrähte) und
geometrischen Randbedingungen auch entprechende Mischlösungen möglich mit
gering gekrümmter
Materialzufuhr und "halb" geknicktem Strahlengang.
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Nach
Erfahrung des Anmelders vereinfacht sich die Realisierung des gesamten
Strahlengangs erheblich, wenn die Abbildung der Optik 10 bzw. 10a/10b auf
ein Zwischenbild führt,
das auf einer Mattscheibe aufgefangen wird und über eine weitere Optik auf
das Sensorarray 11 verkleinert abgebildet wird. Klassisch
arbeitet man bei Zwischenbildern ohne Mattscheibe. Demgegenüber ist
die Lösung
mit Mattscheibe zwar weniger lichtstark, die Gesamtoptik baut jedoch
erheblich kleiner.
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Eine
Lösung
nach 6 oder 1, jedoch ohne zu durchbohrende
Frontoptik 10a, erhält
man mit einer Optik mit reeller Eintrittspupille vor der Optik 10b,
wie oben zu 4 erläutert.
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Eine
weitere Alternative ist das Einbringen eines Spiegels wie 6,
jedoch in einer realen Pupille vor der Frontoptik 10 bzw. 10a (ohne
Figur).
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Die
geschilderte Anordnung funktioniert natürlich nicht nur für Raupenauftrag
sondern auch für andere
Anwendungen, wie oben beispielhaft aufgezählt. Bei einem Schweiß- oder
Löt-System
kann eine Materialzufuhr grundsätzlich
wie in den Figuren gezeigt realisiert werden, hier bevorzugt natürlich die wenig
gekrümmten
Lösungen
und solche, die nicht durch eine Optik hindurch führen zu
müssen.
Eine Halterung mit Stromzufuhr (Punktschweißen, Rollschweißen..) kann
in oder nah einer Pupille, in oder nah der Optik sternförmig (Befestigung
auf strahlenförmig
nach außen
gehenden Stäben)
realisiert werden. Für
Aufgaben ohne Strom- und Materialzufuhr wäre es grundsätzlich auch
denkbar, das Werkzeug ohne extra Halterung direkt im Zentrum der
Optik zu befestigen.
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Aufgaben
der optischen Führung
können
mit genau den gleichen Anordnungen gelöst werden. So kann damit z.B.
eine gekrümmte
Werkstückkante verfolgt
werden, entlang derer eine Dichtraupe verlegt werden soll, ohne
die Orientierung des Werkstücks
oder des Sensors zu verändern.
Dies ist besonders wertvoll bei geschlossenen Konturen. Mit der
gleichen Anordnung kann die Führungsaufgabe und
die Kontrollaufgabe realisiert werden, ohne eine extra Dreheinrichtung
zu benötigen.
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Eine
weitere Anwendung ist die Führung zum
präzisen
Greifen oder Fügen
von Bauteilen. Das Werkzeug ist hierbei ein Greifer (Sauggreifer,
Spreizgreifer ...) oder ein zu fügendes
Teil (z.B. Bolzen, hier das Werkzeug repräsentierend), das beispielsweise in
eine Bohrung im Werkstück
einzufügen
ist. Da das Bildfeld mit dem Werkzeug relativ zum Werkstück mitgeführt wird,
kann man mit einem kleinen Bildfeld arbeiten, hat mit hoher Auflösung ständig gleichzeitig Werkstück und Werkzeug
im Blick, und zwar rund um das Werkzeug und senkrecht auf das Werkstück blickend
(keine Verzerrungen durch Schrägansicht),
mit allen damit verbundenen meßtechnischen
Vorteilen. Mit der hier beschriebenen Anordnung kann, ggf. geregelt,
also mittels Visual Servoing (Werkstück und Werkzeug ständig im
Blick), ein Werkstück
exakt gegriffen bzw. ein Teil gefügt werden.
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Die
Kamera besitzt eine angeschlossene oder integrierte Bildauswerteeinheit,
wie in der industriellen Bildverarbeitung verbreitet.
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Vorteile:
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Es
wird nur eine Kamera verwendet (Preis, Platzbedarf), das Betrachtungs-Strahlenbündel ist schmal.
Bei koaxia ler Beleuchtung ist auch das Beleuchtungs-Strahlenbündel schmal.
Der Aufbau ist in alle seitlichen Richtungen schmal realisierbar,
was insbesondere bei geschlossenen Konturen und zumindest stellenweise
steilen Werkstückprofilen
oder Engstellen zum Tragen kommt (keine/weniger Kollisionsprobleme,
keine/weniger Abschattungen).
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Das
Umschalten zwischen Kameras und das für viele praktische Anwendungen
erforderliche gleichzeitige Auswerten mehrerer Kameras entfällt. Das
ist gerade bei Online-Auswertung wichtig, da hier Geschwindigkeit
gefragt ist.
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Der
Vorteil der besonders schlanken Ausführung des Beleuchtungs- und
Betrachtungsstrahlengangs, rund um das Werkzeug, kommt natürlich auch bei
Anwendungen mit nicht gekrümmter
Bahn zum Tragen, speziell bei Führungs-
und/oder Kontrollaufgaben unter beengten Platzverhältnissen.
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Die
3D-Auswertung auf Basis einer konusförmigen Beleuchtung kann kombiniert
werden mit einer 2D-Auswertung
auf Basis einer der anderen Beleuchtungsmethoden, wobei vorzugsweise
zur Trennung der Auswertungen im Zeitmultiplex (Schalten der Beleuchtungen)
oder im Farbmultiplex (Verwenden eines Farbkamera-Chips und verschiedener Wellenlängen für die unterschiedlichen
Beleuchtungsarten) gearbeitet wird.
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Es
sind Anwendungen möglich,
in denen Führung,
Bearbeitung und Kontrolle in einem einzigen Arbeitsgang mit nur
einer Kamera realisiert werden können,
z.B. die Feinverfolgung einer (ggf. grob vorgegebenen) Fuge, deren
Abdichtung mit Dichtmaterial und die sofortige Kontrolle des aufgebrachten Dichtmaterials,
ggf. mit Regelung der Materialzufuhrparameter aufgrund der gemessenen
Kontrollwerte.
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Die
Anordnung kann vorteilhaft auch zum Greifen oder Fügen mittels
Visual Servoing eingesetzt werden.