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I. Anwendungsgebiet
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Die
Erfindung betrifft das optimale Prüfen dreidimensionaler Konturen.
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II. Technischer Hintergrund
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Die
Bestimmung der Daten 3-dimensionaler Konturen wird in der Industrie
häufig
benötigt,
um definiert angebrachte Konturen einer Qualitätskontrolle zu unterziehen.
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Die
Ermittlung der Form oder anderer, mit der Oberflächenform zusammenhängender
Ergebnisdaten, z. B. des Volumens, der Erhebung wird dabei häufig mittels
des Lichtschnittverfahrens durchgeführt.
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Dabei
wird ein fächerförmiger,
also in nur einer Ebene aufgespreizter, Lichtstrahl auf die zu untersuchende
Oberfläche
gegeben und unter einem Winkel, meist einem spitzen Winkel, zur
Bestrahlungsrichtung beobachtet, so dass der Verlauf des Abbildes
des fächerförmigen Strahles
auf der Oberfläche
dort vorhandene Erhebungen erkennen lässt, indem auch das beobachtete
Abbild dann eine Erhöhung
zeigt, wenn der linienförmig
auftreffende Lichtstrahl-Fächer über diese
Erhebung hinweg verläuft, (sofern
die Verlaufsrichtung der Lichtlinie nicht parallel zur Verlaufsrichtung
der Erhebung liegt.)
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Derartige
einzelne Bilder der Lichtlinie auf dem Objekt können – während sich das Objekt relativ und
in Querrichtung zur Lichtlinie bewegt – in kurzen zeitlichen Abständen vielfach
angefertigt werden, so dass durch Hintereinanderstellung dieser
einzelnen Höhenschnitte,
also Scans, die 3-dimensionale Oberflächengestaltung ermittelt werden
kann, und/oder damit zusammenhängende
Parameter wie Höhe,
Volumen, Breite, Lage der Erhebungen usw.
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Auch
Lötnähte zwischen
aneinander angrenzenden Blechteilen im Automobilbau werden auf diese
Art und Weise auf ihre Form und damit Qualität untersucht, indem vor allem
unzulässige
Vertiefungen in der Lötnaht
vor dem Lackieren aufgefunden werden sollen.
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Wenn
die Überprüfung der
Lötnaht
jedoch nur unter einem einzigen Beobachtungswinkel durchgeführt wird,
kann es sein, dass Vertiefungen dabei nicht erkannt oder im Gegenzug
einwandfreie Stellen als Vertiefung gemeldet werden, da man in erste
Linie eine Vertiefung daran zu erkennen versucht, dass die von der
Vertiefung reflektierte Lichtmenge zumindest geringer ist, weil
gar kein Licht mehr reflektiert wird, als die von der Umgebung reflektierte
Lichtmenge.
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Wenn
in Blickrichtung der Kamera die Vertiefung jedoch abgeschottet wird
durch einen vorgelagerten Wulst, einen Erhebung in Form eines Staubpartikels
etc., wird dies nicht erkannt.
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Dagegen
kann die Absenkung hinter einer Staubpartikel-Erhebung oder auch
nur das schlechtere Reflektionsverhalten einer ebenen, nicht vertieften
Stelle der Oberfläche
in Form eines Farbpunktes etc., zur Anzeige als Fehlstelle führen.
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III. Darstellung der Erfindung
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a) Technische Aufgabe
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Es
ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung,
ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit der auch kleine
Fehlstellen ab ca. 100 μm Durchmesser
zuverlässig
ermittelt werden können.
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b) Lösung
der Aufgabe
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Diese
Aufgabe wird durch die Ansprüche
1, 24, 25 und 27 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben
sich aus den Unteransprüchen.
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Durch
eine Doppelbetrachtung unter verschiedenen Betrachtungswinkeln,
auch unter verschiedenen Lichtmengen, die das unterschiedliche Reflektionsverhalten
der verschiedenen Stellen der Oberfläche der Prüfkontur kompensiert und auch
die tatsächliche
Absolutbestimmung der Höhenkontur erlaubt
werden Zweifel beseitigt und nur die wirklichen Fehlstellen, z.
B. in Form unzulässiger
Vertiefungen, erkannt:
Zu diesem Zweck wird die Prüfkontur,
die ja in Form einzelner, in Verlaufsrichtung der Prüfkontur
hintereinander liegender Prüfpositionen
geprüft
wird, für jede
Prüfposition
aus unterschiedlichen Betrachtungswinkeln aufgenommen. Die unterschiedlichen Betrachtungswinkel
sind dabei insbesondere unterschiedliche Schrägstellungswinkel der Blickrichtung der
beiden optischen Sensoren entweder relativ zur Bestrahlungsrichtung
oder auch relativ zur Prüfkontur,
insbesondere betrachtet in der Seitenansicht auf die längs verlaufende
Prüfkontur.
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Zum
einen müssen
die einzelnen Prüfpositionen
in Längsrichtung
so eng beisammen liegen, dass ihr Abstand geringer ist als die Erstreckung
einer einzelnen Prüfposition
in Längsrichtung,
so dass sich die hintereinander gereihten Prüfpositionen entweder geringfügig überlappen,
oder ihr Abstand zumindest kleiner ist als die Mindestgröße der zu
detektierenden Fehlstellen bzw. Anomalien.
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Dabei
wird überprüft, ob die
durch die einzelnen Prüfpositionen
erzeugten linienförmigen
Abbilder keine Anomalien in Form einer Lücke in dem linienförmigen Abbild
oder einem Bereich mit zu stark von den restlichen Bereichen des
Abbildes abweichenden Helligkeitswerten aufweist.
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Denn
eine unzulässige
Vertiefung in der Lötnaht
bewirkt, dass an der Stelle der Vertiefung ein Teil des in die Vertiefung
eingestrahlten Lichtes oder das gesamte eingestrahlte Licht nicht
mehr von der vertieft liegenden Oberfläche in Richtung zu einem der Sensoren
reflektiert werden kann und dadurch auf dem optischen Sensor an
dieser Stelle eine Lücke
im linienförmigen
Abbild entsteht.
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Bei
anderen unzulässigen
Anomalien tritt unter Umständen
and der entsprechenden Stelle des Abbildes nicht eine vollständige Lücke auf,
Bereiche des Abbildes werden jedoch einem zu stark von den angrenzenden
Bereichen abweichenden Helligkeitswert aufweisen, also zu hell oder
zu dunkel sein, was ebenfalls auf eine Anomalie hinweist.
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Dabei
wird weiterhin untersucht, ob nur in dem Abbild eines Sensors oder
beider Sensoren, d. h. betrachtet bei beiden verschiedenen Betrachtungswinkeln,
an gleicher Stelle im Abbild eine Lücke oder ein Bereich mit stark
abweichendem Helligkeitswert vorhanden ist.
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Denn
falls dies nur bei der Betrachtung unter dem einen Betrachtungswinkel
der Fall ist, das Abbild beim anderen Betrachtungswinkel jedoch
normal durchgehend ist, so ist das fehlerhafte Abbild auf eine spezifische
Konstellation bei diesem Betrachtungswinkel zurückzuführen, beispielsweise eine nur
bei diesem Betrachtungswinkel wirksame Abschattung durch eine vorgelagerte
Erhebung etc.
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Als
erstes Indiz für
eine Fehlstelle werden daher nur diejenigen Positionen gewertet,
die unter beiden Betrachtungswinkeln an gleicher Stelle eine Anomalie
im Abbild zeigen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird jede Stelle von der Bestrahlungsrichtung von einerseits voreilenden
und andererseits nacheilenden optischen Pfaden, insbesondere separaten
optischen Sensoren, aufgenommen, wobei die Bestrahlungsrichtung
vorzugsweise lotrecht auf die Verlaufsrichtung der Prüfkontur
gerichtet ist. Dadurch unterscheiden sich die Triangulationswinkel
der beiden optischen Sensoren, indem sie im einen Fall einen positiven
und im anderen Fall einen negativen Betrag aufweisen.
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Möglich wäre auch
eine Betrachtung mit jeweils gleichen Triangulationswinkeln, jedoch
unter unterschiedlichen Winkeln der Blickrichtungen der Sensoren
bezüglich
der Prüfkontur,
was dann aber zwei Lichtquellen oder zumindest ein Lichtquelle und Umlenkeinheiten
für einen
zweiten Lichtpfad erfordern würde.
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Um
den Auswerteaufwand gering und damit die Prüfgeschwindigkeit, insbesondere
eine kontinuierliche Relativbewegung zwischen Prüfkopf und Prüfkontur,
hoch zu halten, wird mehrstufig geprüft:
Zum einen werden Plausibilitätskontrollen
durchgeführt
um festzustellen, ob die in dem Abbild festgestellte Anomalie tatsächlich auch
auf eine Unregelmäßigkeit
der Prüfkontur
zurückzuführen ist:
- – zunächst wird überprüft, ob die
in den beiden Abbildern festgestellten Anomalien an der exakt gleichen
Position liegen. Zu diesem Zweck werden die zugehörigen Erstreckungsvierecke
bestimmt, nämlich
die exakte Erstreckung in X- und Y-Richtung, in der das Abbild maximal
diese Anomalie aufweist.
Die Abweichung der Positionen der
beiden Erstreckungs-Vierecke wird berechnet, insbesondere in Welt-Koordinaten,
und wenn die Abweichung unter einem vorgegebenem Grenzwert liegt,
wird von einer übereinstimmenden
Position ausgegangen und damit von einer echten Anomalie.
- – Wenn
das Abbild eine Lücke
aufweist, wird der Höhenversatz
von Beginn und Ende des linienförmigen
Abbildes auf beiden Seiten der Lücke
ermittelt und bei einem zu starken Höhenversatz oberhalb eines Grenzwertes
daraus geschlossen, dass es sich um keine echte Unregelmäßigkeit handelt.
- – Es
werden ferner der durchschnittliche Helligkeitswert des linienförmigen Abbildes,
in dem die Anomalie festgestellt wurde mit den durchschnittlichen
Helligkeitswerten der vom gleichen Sensor aufgenommenen, wenigstens
einem vorangehenden und wenigstens einem nachfolgenden Abbild verglichen,
oder mit mehreren vorangehenden/nachfolgenden Abbildern und bei
Abweichung des Helligkeitswertes oberhalb eines Grenzwertes die
Anomalie nicht als Unregelmäßigkeit
der Prüfkontur
gewertet.
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Zusätzlich und/oder
stattdessen die Original-Scans beider optischer Sensoren, oder jeweils eine
Mittelung dieser beiden Scans als fortlaufendes Originalbild gespeichert
werden können,
welches später
dem Bearbeiter, der vor allem die Nachbearbeitung der Fehlstellen
durchführen
soll, die Arbeit erleichtert, indem dadurch vor allem das Auffinden der
Fehlstellen erleichtert wird, die ja beispielsweise nur einen Durchmesser
von 50 μm
besitzen und damit für
das menschliche Auge kaum mehr sichtbar sind. Falls beim ersten
oder auch beim zweiten Prüfschritt
ein Vergleich mit vorgegebenen absoluten Grenzwerten durchgeführt wird,
müssen
diese Grenzwerte zuerst praxisnah ermittelt werden.
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Zu
diesem Zweck wird eine manuell positiv geprüfte Referenzkontur auf der
ganzen Länge
gescannt und deren Bilddaten als Referenzwerte hinterlegt, gegebenenfalls
unterteilt in einzelne Referenz-Längenabschnitte, über welche
sich die Referenzwerte nicht oder nur sehr geringfügig ändern.
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Weiterhin
werden Maßnahmen
getroffen, um den Auswertungsaufwand zu minimieren und damit eine
schnelle Auswertung, nämlich
in Echtzeit, durchführen
zu können,
was bei manchen Anwendungen eine Geschwindigkeit von 250 mm Prüfkontur
pro Sekunde bedeutet:
- – Eine Maßnahme besteht darin, von den
linienförmigen
Abbildern nur den Bereich zu untersuchen, der der eigentlichen Prüfkontur
in Querrichtung entspricht, was durch einen Vergleich mit den zuvor
gescannten Referenzkonturen und deren Prüfdaten ermittelt wird.
- – Zu
diesem Zweck wird ferner eine Nachführung des Prüfkopfes
in Querrichtung durchgeführt,
sobald der höchste
bzw. tiefste Punkt des Abbildes der Prüfkontur seitlich aus dem vorgegebenen Zielbereich
innerhalb des Sensors herausläuft.
- – Der
Prüfkopf
wird hinsichtlich der Höhe über der Prüfkontur
auf eine Nennhöhe
eingestellt und automatisch nachgeführt, wenn die höchsten bzw. tiefsten
Punkte der Abbilder auf den Sensoren bzw. dem einzigen Sensor aus
dem vorgegebenen Zielbereich herauslaufen.
- – Des
Weiteren kann die Betrachtung jeder Prüfposition und unter jedem der
beiden Beobachtungswinkel zweimal und zwar mit unterschiedlicher
Lichtmenge durchgeführt
werden, wobei die Lichtmenge entweder durch die Belichtungszeit oder
die Beaufschlagte Lichtmenge pro Zeiteinheit variiert werden kann.
Wenn
in den Abbildern eine Lücke
oder andere Anomalie vorhanden ist, muss diese Anomalie in den Abbildern
in den mit den verschiedenen Lichtmengen angefertigten Abbildern
jeweils vorhanden sein, wenn die Ursache eine Anomalie in der echten
Prüfkontur
darstellt. Ist dies nicht der Fall, wird nicht auf eine echte Fehlstelle
geschlossen.
Des Weiteren dienen die beiden Abbildern mit unterschiedlichen
Lichtmengen dazu, daraus eine qualitativ hochwertiges Abbild zu
erzeugen, beispielsweise dann, wenn bei dem Abbild mit niedrigerer
Lichtmenge nur ein Teil des linienförmigen Abbildes gut sichtbar
ist, die fehlenden Bereiche dagegen in dem Abbild mit der anderen
Lichtmenge gut sichtbar sind.
Die jeweils gut sichtbaren Bereiche
können
dann zusammen zu einem Abbild kombiniert werden.
- – Ferner
kann eine Kalibrierung der Prüfdaten durchgeführt werden,
insbesondere hinsichtlich der Höhenlage
der ermittelten Kontur, d. h. mit Hilfe des Nennabstandes zwischen
Prüfkopf
und Prüfkontur
bzw. des vom Nennabstand definiert abweichend veränderten
Ist-Abstandes.
Da dieser bekannt ist, kann eine Verrechnung
der Prüfdaten
in Absolutwerte erfolgen, spätestens dann,
wenn eine Kalibrierkontur mit exakt bekannter Form in unter einem
exakt bekannten Abstand des Prüfkopfes
abgetastet und als Umrechnungs-Referenz verwendet wird.
Dadurch
ist also eine Umsetzung der Kamera-Koordinaten in Welt-Koordinaten möglich.
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Um
eine lückenlose Überprüfung der
Prüfkontur,
etwa einer Lötnaht, über deren
Verlaufsrichtung zu erreichen, muss der zeitliche Abstand zwischen
den einzelnen Aufnahmen bei einem sich kontinuierlich relativ entlang
der Prüfkontur
bewegenden Prüfkopf
so gewählt
werden, dass der Längsabstand zwischen
zwei Aufnahmen geringer ist als die Mindestgröße der zu detektierenden Unregelmäßigkeiten.
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Um
das Ergebnis sicherer zu gestalten, wird sogar empfohlen, den Längsabstand
kleiner als die Hälfte
der Mindestgröße der zu
detektierenden Unregelmäßigkeiten
zu wählen.
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Mindestens
diejenigen Prüfstellen,
an denen sich auf diese Art und Weise ein negatives Ergebnis ergab,
werden hinsichtlich der Position dieser Prüfstellen gespeichert, und zwar
sowohl hinsichtlich der original Bilddaten als auch eventuell erzeugter
Querschnittsprofile.
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Auch
nach Ende der Prüfung
eines Objekts bleiben diese Daten für das Objekt gespeichert, damit
sie bei der späteren
manuellen Nachbearbeitung des Objekts dem Nachbearbeiter zur Verfügung stehen
und dessen Nacharbeit erleichtern, insbesondere was das Auffinden
der Fehlstelle betrifft.
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Durchgeführt wird
dieses Verfahren einschließlich
beider Prüfschritte
und aller Belichtungsstufen in Echtzeit während der fortlaufenden Abtastung
der Prüfkontur
und innerhalb des Prüfkopfes.
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Zu
diesem Zweck enthält
der Prüfkopf
nicht nur die beiden (oder vorzugsweise nur eine) Lichtquelle, sondern
auch den einen oder die beiden benötigten optischen Sensoren,
den Bilddatenspeicher und die elektronische Verarbeitungseinheit.
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Vorzugsweise
tritt dabei der Lichtstrahl der Lichtquelle im rechten Winkel aus
einer Seitenfläche des
Prüfkopfes
aus, während
sich die beiden optischen Sensoren in Bewegungsrichtung des Prüfkopfes
vor und hinter der Position des austretenden Strahles befinden,
somit also zu diesem Strahl in einem Fall einen positiven, im anderen
Fall einen negativen Triangulationswinkel einnehmen.
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Vorzugsweise
wird durch die aus den beiden Beobachtungsrichtungen aufgespannte
Ebene genau diejenige Ebene definiert, in welcher auch die momentane
Bewegungsrichtung des Prüfkopfes liegt.
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Des
Weiteren ist das Verfahren insoweit selbstregelend, als eine mögliche Schrägstellung
der Bestrahlungsrichtung, also abweichend von der genau lotrechten
Bestrahlung zur Ebene der Prüfkontur, von
dem Prüfkopf
bzw. dessen Steuereinheit selbsttätig anhand der dann nicht analogen
Verlagerung der höchsten
bzw. tiefsten Punkte der einander entsprechenden Abbilder der beiden
Sensoren bzw. Betrachtungswinkel erkannt wird.
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In
diesem Fall wird aus der Größe der Ungleichmäßigkeit
der Verlagerung auf die Schrägstellung
der Bestrahlungsrichtung geschlossen und diese bei der Auswertung
rechnerisch mitberücksichtigt oder
automatisch in eine genau lotrechte Lage korrigiert wird.
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Weiterhin
kann der Prüfkopf
nicht nur Fehlstellen detektieren und gegebenenfalls markieren, sondern
zusätzlich
zu deren Behebung beitragen, beispielsweise indem – vorzugsweise
ebenfalls im Prüfkopf
oder in einer nacheilenden Einheit – ein flüssiger Füller, insbesondere PVC, z.
B. in Form eines kleinen Tropfens auf die Fehlstelle aufgebracht
wird, die dann vom Bearbeiter nur noch glatt gewischt werden muss,
bevor sie zum Aushärten
in einen Härteofen
gegeben wird.
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Der
Füller
wird vorzugsweise mittels einer gesteuerten Düse ausgebracht, die auch das
Volumen des Tropfens in Abhängigkeit
der Größe der festgestellten
Fehlstelle steuern kann, die bei der Detektion mitbestimmt werden
kann, beispielsweise anhand der Flächenausdehnung der Fehlstelle.
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Vorzugsweise
enthält
der Prüfkopf
nicht nur die Düse
und die Steuerungsverbindung zur Auswerteeinheit, sondern auch einen
kleinen Vorratsbehälter
mit dem Füller.
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c) Ausführungsbeispiele
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Ausführungsformen
gemäß der Erfindung sind
im Folgenden beispielhaft näher
beschrieben. Es zeigen:
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1a:
eine Prüfeinkopf
gemäß der Erfindung
in der Seitenansicht,
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2:
die Detektoreinheit der 1 in der Frontansicht,
jeweils im Einsatz,
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3: ein Schaubild zu ersten Reduzierungsmethoden
der Bilddatenverringerung,
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4:
ein Schaubild zu weiteren Reduzierungsmethoden der Bilddatenverringerung,
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5: ein Schaubild zu weiteren Reduzierungsmethoden
der Bilddatenverringerung,
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6: die Situation des Prüfobjektes,
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7:
die Nachführung
des Prüfkopfes,
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8: eine erste Plausibilitätsprüfung,
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9:
eine zweite Plausibilitätsprüfung
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1 zeigt einen Prüfkopf in der Seitenansicht,
die auch erkennen lässt,
wie das bekannte Lichtschnitt-Triangulationsverfahren prinzipiell
funktioniert:
Dabei wird ein Lichtstrahl 3 auf die
Lötnaht 2 eines Objektes 1 gerichtet
und erzeugt dort ein Abbild 4, welches aufgrund der Fächerform
des Lichtstrahles 3 – wie
in 2 ersichtlich – streifenförmig ausgebildet ist.
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Das
von der Oberfläche 2 des
Objektes 1 reflektierte Abbild 4 des Lichtstrahles 3 wird
von einem Prüfkopf 6 aufgenommen,
die aus z. B. zwei flächigen,
optischen Sensoren 12, 12' sowie einer damit verbundenen
elektronischen Verarbeitungseinheit 11 zum Verarbeiten
der von den Sensoren 12, 12' aufgenommenen Bilddaten und berechnen
der Ergebnisdaten.
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Damit
sich auf dem optischen Sensor 12, 12' ein Abbild 4 abzeichnet,
welches Rückschlüsse auf die
tatsächliche
Kontur der Oberfläche 2 an
dieser Prüfstelle 2' zulässt, dürfen die
Abstrahlrichtung 17 des Lichtstrahls 3 und die
Blickrichtung 5, 5' der
Detektoreinheiten 6a, b nicht zusammenfallen, sondern müssen sich
durch einen Triangulationswinkel α1, α2 unterscheiden. Vorliegend sind diese beiden
Richtungen α1, α2 so gewählt,
dass sie symmetrisch beidseits der Abstrahlvorrichtung 17,
der Lotrechten 21 auf die Oberfläche 2, liegen, also
von dieser jeweils einen Zwischenwinkel α1 ≠ α2 einnehmen.
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Eine
Unebenheit, beispielsweise eine Erhebung 2a, auf der Lötnahtfläche 2 im
Auftreffbereich des Lichtstrahles 3, wird als Abbild 4 auf
der Oberfläche 2 und
damit auch auf dem Sensor 12, 12' keine gerade Linie, sondern eine
Linie mit einer Aufwölbung 4a darin
ergeben, wobei diese Aufwölbung
des Abbildes 4, also der Lichtlinie, abhängig von
dem Triangulationswinkel α und
dem Betrachtungswinkel β sich
von der tatsächlichen
Form der Aufwölbung 2a, geschnitten
entlang der Lotrechten 21, unterscheit. Wegen der bekannten
Winkel α1, α2, β1, β2 sowie der Fokussierung auf die Oberfläche und/oder
der Bekanntheit des Abstandes 22 der Detektoreinheit 6a,
b von der Oberfläche 2 kann
aus den Abmessungen des Abbildes 4 auf die tatsächlichen
Abmessungen der Aufwölbung 2a auf
der Oberfläche 2 rechnerisch geschlossen
werden.
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Wie 1 zeigt, sind nicht nur die erwähnten Komponenten
des Prüfkopfes 6,
sondern auch die Lichtquelle 14 zur Erzeugung des ausgesandten Lichtstrahles 3 gemeinsam
innerhalb des Gehäuses 16 des
Prüfkopfes
untergebracht, wobei dieses Gehäuse
plattenförmig
flach ist mit einer Hauptebene parallel zu der durch Abstrahlrichtung 17 und
Blickrichtung 5 aufgespannte Arbeitsebene und einer Breite
B quer zu dieser Hauptebene 20, die nicht größer ist
als die Beobachtungsbreite 18 des fächerförmigen Lichtstrahles 3,
mit der dieser auf der Oberfläche 2 auftrifft.
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Wie 1 zeigt, ist der Prüfkopf auch von den Abmessungen
in der Hauptebene 20 sehr kompakt aufgebaut, was dadurch
erreicht wird, dass die Lichtquelle 14, in der Regel eine
Laserpatrone, nahe des für
den Lichtstrahl vorgesehenen Durchlasses 23a im Gehäuse 16 angeordnet
ist und der optische Sensor 12 nahe der anderen Durchlässe 23b,
die sich beide in einer der Schmalseiten des Gehäuses 16 befinden,
wobei zwischen diesem Durchlass 23b und dem optischen Sensor 12, 12' eine Umlenkung des
eintreffenden Lichtstrahls, also der Blickrichtung 5, über einen
Spiegel 19 in eine Richtung etwa parallel zu der Außenkante,
in der sich die Durchlässe 23a,
b befinden, erfolgt.
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Sowohl
der Sensor 12, 12' als
auch der Spiegel 19 sind dabei an einem Detektor-Basiskörper befestigt,
der seinerseits am Gehäuse 16 der
Einheit fixiert ist.
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Dadurch
verbleibt auf der von der Außenseite
mit den Durchlässen 23a,
b abgewandten Hälfte des
Gehäuses 16 ausreichend
viel Platz, um dort eine in der Hauptrichtung 20 des Gehäuses liegende Platine 24 anzuordnen,
die die gesamte elektronische Verarbeitungseinheit 11 enthält und mit
den Sensoren 12, 12' über elektrische
Leitungen ebenso in Verbindung steht wie mit der Lichtquelle 14.
Die von der Verarbeitungseinheit 11 ermittelten Ergebnisdaten
werden über
einen Stecker 26 ausgegeben.
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Die
nach dem Lichtschnittverfahren hergestellten Einzelaufnahmen werden
in zeitlich schneller Abfolge wiederholt, um die sich in Bewegungsrichtung 7 relativ
zur Prüfkopf 6 bewegenden
Lötnaht 2 des
Objektes 1 ständig
zu beobachten. Da dies z. B. nach einer Produktionsmaschine für das Objekt 1 durchgängig geschehen
soll, ist es notwendig, dass die Berechnung der Ergebnisdaten zeitaktuell
geschieht, also von der Verarbeitungseinheit 11 die Ergebnisdaten
genauso schnell, also im gleichen Rhythmus, geliefert werden müssen, wie
die einzelnen Aufnahmen von den Sensoren 12, 12' angefertigt
werden.
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Da
Objekt 1 ist beispielsweise ein aus zwei gefalzten Blechen
bestehendes Teil einer Automobilkarosserie, z. B. am Übergang
zwischen Seitenteil und Dach, wie in 6a dargestellt.
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Untersucht
wird dabei die Lötnaht 2 zwischen
den beiden Blechteilen, die – wie
in den Vergrößerungen
der 6b und 6c dargestellt, eine
leichte Hohlkehle bildet, in ihrem Längsverlauf aber manchmal Fehlstellen
in Form sehr kleiner, mit dem bloßen Auge kaum zu erkennender,
z. B. Vertiefungen 2a aufweist, die nach dem Lackieren
allerdings relativ gut sichtbar sind und auch ein Risiko hinsichtlich
späterer
Korrosion darstellen.
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Dementsprechend
weisen die Abbilder 4 der quer über die Lötnaht 2 gelegten Aufnahmen
eine Aufwölbung 4a bzw.
eine Vertiefung 4b auf, in der sich die Hohlkehlen-Form
der Lötnaht 2 wiedergibt.
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Um
dies zu erreichen, wird versucht, die für das gewünschte Ergebnis, nämlich eine
schnelle Signalverarbeitung bestimmter geometrischer Parameter,
wie etwa Höhe,
Querschnittsvolumen etc., der Erhebung 2a relevante Datenmenge
so früh
wie möglich
zu reduzieren und damit den für
die Berechnung der Ergebnisdaten notwendigen Rechenaufwand zu minimieren.
Hierfür
werden mehrere Methoden vorgeschlagen, die auch ergänzend zueinander
eingesetzt werden:
Anhand der 3 werden
erste Reduzierungsmethoden erläutert.
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Viele
Reduzierungsmethoden beruhen darauf, dass nicht zufällige Konturgestaltungen
untersucht werden, sondern dabei bestimmte Konturen erwartet werden,
wie im Beispielsfall der 3a eine Aufwölbung 4a in
einem ansonsten im wesentlichen linienförmig geraden Abbild 4 in
Form einer Lichtlinie bzw. eines Lichtbandes, beim Sensor 12a und
einer Vertiefung 4b beim Sensor 12b gemäß 3b.
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Dabei
müssen
die Abmessungen dieser Aufwölbung 4a/Vertiefung 4b ermittelt
werden und daraus die tatsächlichen
Abmessungen der Vertiefung 2a aus der Basisfläche 22 berechnet
werden.
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In 3a,
b sind zwei solcher Abbilder 4a, b auf der Oberfläche des
optischen jeweiligen Sensors 12, 12' dargestellt.
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Das
Abbild 4 besteht darin, dass dort, wo die Lichtlinie auf
der Fläche
des Sensors 12, 12' auftrifft, die
entsprechenden rasterartig in Reihen R1, R2.. und Zeilen Z1, Z2..
angeordneten Pixel P1.1, P1.2.. P2.1. P2.2.. des Sensors 12, 12' stärker beleuchtet sind,
also einen höheren
Helligkeitswert aufweisen, als diejenigen Pixel, auf denen das Abbild,
also der vom Objekt 1 reflektierte Lichtstrahl 3,
nicht auftrifft. In der zeichnerischen Schwarz-weiß Darstellung
ist dies invers dargestellt, nämlich
das Abbild 4 in Form der Lichtlinie dunkel dargestellt.
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Die
Pixel innerhalb des Abbildes 4 weisen dabei auch unterschiedliche
Helligkeitswerte auf, in der Regel am Rand des bandförmigen Abbildes
mit einem geringeren und in der Mitte mit einem höheren Helligkeitswert,
was jedoch nicht immer der Fall ist und vom Reflektionsverhalten
der Oberflächenkontur 2' abhängt.
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Eine
erste Reduzierungsmethode besteht darin, dass – da nur die Erhebung 4a/Vertiefung 4b interessiert – bereits
beim Auslesen der Bilddaten 10 aus dem Bilddatenspeicher 9 des
Sensors 12 nur die Datensätze derjenigen Pixel ausgelesen
und weiterverarbeitet werden, die in dem interessierenden, meist
rechteckigen, Bereich 30, welcher die Aufwölbung 4a zeigt,
liegen. Dieser interessierende Bereich 30 wird ermittelt,
indem beim ersten Scan S1 die Bilddaten sämtlicher Pixel des Sensors 12 ausgelesen werden
und dann aufgrund des festgestellten Verlaufs des Abbildes 4 die
Lage der Aufwölbung 4a/Vertiefung 4b nach
Breite und Höhe
ermittelt wird.
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Bei
dem nächsten
Scan wird lediglich dieser interessierende Bereich 30 zuzüglich eines
umgebenden, hinsichtlich seiner Größe festgelegten, Sicherheitsbereiches 29 als
neuer interessierender Bereich 30 ausgelesen.
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Auch
im weiteren wird entweder bei jedem Scan oder nach einer jeweils
festgelegten Anzahl von Scans überprüft, wie
der in diesem Scan durch die Lage der Aufwölbung 4a/Vertiefung 4b festgelegte
interessierende Bereich 30 liegt, und im nächsten oder den
nächsten
Scans wiederum der neu festgelegte interessierende Bereich 30 einschließlich eines
umgebenden Sicherheitsbereiches 29 betrachtet, also ausgelesen
wird.
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Eine
zweite Reduzierungsmethode liegt in der Datenreduzierung durch rechnerisches
Reduzieren des an sich über
mehrere Pixel breiten Lichtbandes des Abbildes 4', z. B. wiederum
nur im interessierenden Bereich, auf die Breite nur eines Pixels.
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So
besitzt das Abbild 4 in Form einer Lichtlinie beispielsweise
in Reihe 17 eine Breite von fünf Pixeln, indem in dieser
Reihe die Pixel P30.17 bis einschließlich P34.17 einen erhöhten Helligkeitswert aufweisen.
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Da
primär
der Verlauf des bandförmigen
Abbildes 4 und nicht deren Breite interessiert, ist es
ausreichend, den Verlauf des Abbildes 4 auf eine in Erstreckungsrichtung 8 des
Bandes hintereinander liegende Abfolge von einzelnen Pixeln, also
auf eine Linie mit einer Breite von einem Pixel, zu reduzieren.
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Dies
kann auf mehrere Arten geschehen, z. B. indem an jeder Längsposition
entlang der Erstreckungsrichtung 8 des Abbildes, also in
diesem Fall in jeder Reihe, von den Pixeln mit erhöhtem Helligkeitswert
dasjenige mit dem höchsten
Helligkeitswert als relevantes Pixel gewählt wird, oder dasjenige Pixel
in der Mitte der beleuchteten Pixel, in diesem Fall P32.17 aus P30.17
bis P34.17.
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Da
die Helligkeitsverteilung quer über
das bandförmige
Abbild 4 nicht immer gleichmäßig, z. B. nicht unbedingt
gaußförmig, sein
muss, soll eine Gewichtung hinsichtlich des Helligkeitswertes erfolgen und
deshalb der Schwerpunkt der über
der Breite b des Abbildes 4 aufgetragenen Helligkeitswerte
bestimmt werden, was wie folgt geschieht:
Dadurch wird das
bandförmige
Abbild reduziert auf eine Abfolge einzelner Profilpunkte in Erstreckungsrichtung 8 des
Abbildes hintereinander.
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Eine
dritte Reduzierungsmethode besteht darin, die neben der Erhebung 4a gerade
verlaufenden Bereiche des Abbildes 4 parallel zur Zeilen-
oder Reihenorientierung des Sensors 12 zu bringen und damit
eine Lage des Abbildes wie bei Abbild 4 zu erreichen während in
der Praxis die Kurve schräg
steht. Dies wird ohne entsprechende körperliche Ausrichtung des Sensors 12 zur
Basisfläche 22 rein
rechnerisch durch „Geradeziehen", also eine Normierung des
schräg
in der Sensorfläche
liegenden Abbildes 4 zu einem gerade liegenden Abbild 4,
durchgeführt.
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Zu
diesem Zweck wird der Höhenversatz
des Anfangs und Endes des schräg
liegenden Abbildes 4 auf der Sensorfläche 12 – am besten
erst nach einer Reduzierung des Abbildes 4 auf eine Abfolge
einzelner Profilpunkte – anteilig
von den jeweiligen Profilpunkten abgezogen:
Während der
z. B. tief liegende linke Endpunkt unverändert bleibt, werden alle weiter
rechts liegenden Profilpunkte um einen solchen Anteil des Höhenversatzes
gerechnet, der dem Abstand des jeweiligen Profilpunktes vom nicht
veränderten
Endpunkt in Relation zum gesamten Abstand vom linken zum rechten
Endpunkt, also der Breite der Sensorfläche 12, entspricht.
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Je
besser die Erstreckungsrichtung 8 des Abbildes 4 mit
der Richtung der Linien oder Spalten übereinstimmt, um so eher kann
auf dieses rechnerische Geradeziehen verzichtet werden, wenn es
lediglich auf die Bestimmung von geometrischen Eigenschaften der
Erhöhung 4a ankommt.
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Eine
weitere Reduzierung des Berechnungsaufwandes kann erreicht werden,
indem von Anfang an entschieden wird, ob es sinnvoller ist, die
Erstreckungsrichtung 8 des Abbildes 4 parallel
zur Zeilenorientierung oder parallel zur Reihenorientierung des Sensors 12 zu
legen:
Dabei spielt es eine Rolle, dass vom inneren Aufbau her
die meisten optischen Sensoren 12 so gestaltet sind, dass
die Daten immer nur in Form einer kompletten Zeile von Pixeln ausgelesen
werden können und
nicht nur ausgewählte
Pixel aus einer Zeile. Ein unmittelbar spaltenweises, also reihenweises
Auslesen der Daten ist bei den meisten Sensoren gar nicht möglich, sondern
dies erfolgt indirekt, indem beim zeilenweisen Auslesen die entsprechenden
Pixel derselben Reihe turnusmäßig nacheinander
ausgelesen werden.
-
Wenn
die erwartete Kontur, also z. b. die Aufwölbung 4a relativ zur
Fläche
des Sensors voraussichtlich nur eine begrenzte Höhe von z. B. weniger als der
Hälfte,
insbesondere weniger als ein Drittel der Länge der Sensorfläche betragen
wird, wird eine Orientierung der Erstreckungsrichtung 8,
also der Richtung der geraden Anteile des Abbildes 4, parallel zur
Zeilenrichtung gewählt
werden, wie in 3a dargestellt. Erwartet man
dagegen, dass die Aufwölbung 4a ohnehin
einen größeren Teil
der Länge
des Sensors 12 einnehmen wird oder gar mehr als die Länge des
meist in Breitformat, also mit Zeilenrichtung entlang der größeren Erstreckung
vorliegenden Sensorfläche,
so wird die Erstreckungsrichtung 8 – wie in 4 dargestellt – parallel
zur Reihenrichtung und damit rechtwinklig zur Zeilenorientierung
gewählt werden.
-
Im
letzteren Fall wird dann die Datenreduzierung vorzugsweise auch
durch folgende Methode erfolgen:
Es wird versucht, wiederum
nur den interessierenden Bereich 30' des Abbildes 4 auszuwerten.
In diesem Fall jedoch nicht – wie
in 3 dargestellt – einen rechteckigen Bereich,
in dem die gesamte Aufwölbung 4a Platz
findet, sondern im diesem Fall jeweils nur die interessierenden
Bereiche 30' an
Pixeln bzw. deren Datensätze
aus jeder Zeile weiterverarbeitet werden.
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Auch
in diesem Fall werden beim ersten Scan alle Pixel aus dem Bilddatenspeicher
des Sensors ausgelesen, um zumindest bei der ersten Zeile die interessierenden
Bereiche 30' dieser
Zeile zu ermitteln. Analog zur Vorgehensweise des zweidimensionalen
interessierenden Bereiches, wie anhand der 3 erläutert, wird
dann der neu interessierende Bereich 30' der nächsten Zeile übereinstimmend
mit dem der vorherigen Zeile gewählt,
zuzüglich
eines daran anschließenden
Sicherheitsbereiches 29' an beiden
Enden, der wiederum vorzugsweise festgelegt ist durch eine Pixelanzahl.
-
Die
Ermittlung des aktuell interessierenden Bereiches wird entweder
in jeder Zeile neu durchgeführt
oder in einer Abfolge von jeweils einigen Zeilen.
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Die
Datensätze
der interessierenden Bereiche aus dem Bilddatenspeicher 9,
dessen Datensätze
in Reihen und Spalten organisiert sind wie die Pixel des Sensors 12,
werden bei der rechnerischen Weiterverarbeitung übertragen in einen Zwischenspeicher 25.
Dies ist entweder zwingend erforderlich, weil aus dem Bilddatenspeicher 9 – wie vorstehend erwähnt – bei den
meisten Sensorbauformen ohnehin nur ein Auslesen der Datensätze in ganzen
Zeilen und nicht nur für
einige Pixel einer Zeile möglich
ist.
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Deshalb
werden für
alle Zeilen zwar die Datensätze
der jeweils gesamten Zeile aus den Bilddatenspeichern 12 – wie in 4 dargestellt – ausgelesen,
aber nur der jeweils interessierende Bereich 30' in einen Zwischenspeicher 25 übertragen.
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Falls
es sich um einen Sensortyp handelt, der innerhalb einer Zeile das
Auslesen vorgegebener Pixelpositionen ermöglicht, wie etwa ein CMOS-Sensor,
rechtfertigt folgende Datenverringerung gemäß 5 dennoch
die Übertragung
in den Zwischenspeicher 25:
Der Datensatz für ein Pixel
besteht aus mindestens drei Daten, nämlich einerseits der Pixelposition
(x- und y-Wert im Sensor) und andererseits mindestens dem Helligkeitswert
(Grauwert), den dieses Pixel auf dem Sensor 12 nach dem
Belichten besaß.
Da der in jeder Zeile interessierende Bereich 30' jeweils aus
einer unmittelbar aufeinander nachfolgenden Abfolge von Pixeln innerhalb
dieser Zeile besteht, genügt
es für
die Standortinformation, in einer ersten Zeile des Zwischenspeichers 25 jeweils
diejenige Position festzuhalten, die das erste Pixel mit erhöhtem Helligkeitswert
innerhalb einer Zeile besaß.
In den Feldern des Zwischenspeichers 25 unter dieser Positionsangabe
sind dann lediglich noch die Helligkeitswerte dieses ersten und
der nachfolgenden Pixel mit erhöhtem Helligkeitswert
innerhalb des jeweiligen interessierenden Bereiches, z. B. derselben
Zeile, in den Zwischenspeicher 25 eingetragen.
-
Im
Gegensatz zur Pixelanzahl und damit der Anzahl der Datensätze des
Bilddatenspeichers 9 ist somit der Datenumfang des Zwischenspeichers 25 zum
einen dadurch geringer, dass die Anzahl der Datensätze drastisch
verringert wurde (nämlich
auf die Anzahl der Pixel mit erhöhtem
Helligkeitswert) und andererseits die Datenmenge dadurch reduziert, dass
jeder Datensatz zumindest um die um die Positionsangabe verringerte
Datenmenge, beispielsweise nur ein Drittel der ursprünglichen
Datenmenge, besitzt.
-
Aus
den Informationen einer Reihe R1, R2.. aus dem Zwischenspeicher 25,
die aus der Positionsangabe und den nachfolgenden Helligkeitswerten besteht,
lässt sich
anschließend – beispielsweise nach
der Methode der Schwerpunkts-Bestimmung – für den Querschnitt
des Abbildes 4 in jeder Zeile ein einziger Profilpunkt
berechnen, so dass diese Abfolge einzelner Profilpunkte das gesamte
bandförmige Abbild 4 repräsentiert
für die
weitere Bestimmung der gewünschten
geometrischen Daten betreffend die Aufwölbung 4a.
-
7 zeigt
in der linken Bildhälfte,
wie eine Nachführung
des Prüfkopfes 6 zur
Lötnaht 2 durchgeführt wird:
Auf
den Sensoren 12, 12' wird
dabei der Top-Punkt 27, 27' der Erhebung 4a bzw.
Vertiefung 4b hinsichtlich seiner Lage auf dem Sensor ermittelt.
-
Sobald
dieser einen vorgegebenen Ziel-Bereich 28, 28' auf den Sensor
bei einem der nächsten Scans
verlässt,
wird der Prüfkopf
entsprechend nachgeführt,
in Querrichtung oder auch in Höhenrichtung,
je nachdem, in welche Richtung der Zielbereich verlassen wurde.
-
Des
Weiteren wird dabei überprüft, ob sich die
Abbilder 4a, b in ihrer Abfolge der hintereinander durchgeführten Scans
Sx, Sx+1 usw. in unzulässiger Weise
nicht analog auf den beiden Sensoren 12, 12' verlagern:
Wenn
sich beispielsweise die Abbilder 4b auf dem Sensor 12' stärker in
Richtung unteren Rand des Sensors verlagern als die Abbilder 4a des
anderen Sensors 12, so bedeutet dies, dass die Abstrahlrichtung 17 von
der Lichtquelle 14 nicht mehr exakt lotrecht zur Oberfläche des
Objektes 1 steht. Ist dies der Fall, so wird die unerwünschte Schrägstellung der
Abstrahlrichtung 17 durch Verschwenken des Prüfkopfes 6 korrigiert,
und vorzugsweise automatisch korrigiert, oder – solange das Abbild 4a bzw. 4b noch
vollständig
auf dem Sensor 12, 12' abgebildet wird – eine rechnerische
Korrektur durchgeführt.
-
Die 8 und 9 zeigen
die Durchführung
von Plausibilitätskontrollen:
Die 8a und 8b zeigen
in vergrößerter Darstellung
die Wiedergabe einer Lücke
bzw. eines Bereiches des Abbildes 4, 4' mit zu stark
abweichenden, also zu hellen oder zu dunklen, Helligkeitswerten.
-
Für eine solche
Anomalie im Abbild wird bei beiden Abbildern das sogenannte Erstreckungs-Viereck 31, 31' ermittelt,
in dem im Verlauf des Abbildes 4, 4' alle diejenigen Pixel erfasst
werden, deren Helligkeitswert zu stark vom Helligkeitswert der restlichen
benachbarten Abbild-Pixel abweichen.
-
Der
gesamte Bereich in X- und Y-Richtung, in dem solche anormalen Pixel
liegen, stellt ein Rechteck dar, das Erstreckungs-Rechteck 31, 31'.
-
Wenn
eine tatsächliche
Anomalie an der Prüfkontur,
d. h. an der Lötnaht 2 die
Ursache für
diese Anomalien in den Abbildern 4, 4' ist, müssen sich die
Erstreckungs-Rechtecke 31, 31' hinsichtlich Größe und Position
in den beiden Abbildern 4a, b der beiden Sensoren 12, 12' beim selben
Scan decken.
-
Wenn
nicht, wird davon ausgegangen, dass es sich nicht um eine tatsächliche
Anomalie der Lötnaht 2,
sondern lediglich um einen Fehler bei der optischen Übertragung
oder Auswertung einer der Scans handelt.
-
9 zeigt,
dass ferner beim Auftreten einer Anomalie in einem der Abbilder 4a oder 4b die
Fluchtung der vorhandenen Enden des Abbildes neben der Anomalie überprüft wird:
Fluchten
diese nicht zueinander, ist also der Versatz der Enden zueinander
größer als
ein zulässiger Richtwert,
so wird von einem Fehler im Datenverarbeitungsweg und nicht von
einer tatsächlichen
Anomalie an der Lötnaht 2 ausgegangen.
-
- 1
- Objekt
- 2
- Lötnaht
- 2'
- Prüfstelle
- 2a
- Vertiefung
- 2b
- Erhebung
- 3
- Lichtstrahl,
Beleuchtungsrichtung
- 4
- Abbild
- 4a
- Aufwölbung
- 4b
- Vertiefung
- 5,
5'
- Blickrichtung
- 6
- Prüfkopf
- 6a,
b
- Detektoreinheit
- 7
- Bewegungsrichtung
- 8
- Erstreckungsrichtung
- 9
- Bilddatenspeicher
- 10
- Bilddaten
- 11
- elektronische
Verarbeitungseinheit
- 12,
12'
- optischer
Sensor
- 13a,
b
- paralleler
Ausgang
- 14
- Lichtquelle
- 15
- Interner
Speicher
- 16
- Gehäuse
- 17
- Abstrahlrichtung
- 18
- Beobachtungsbreite
- 19
- Spiegel
- 20
- Betrachtungsebene
- 21
- Lotrechte
- 22
- Nenn-Abstand
- 23
- Durchlass
- 24
- Platine
- 25
- Zwischenspeicher
- 26
- Stecker
- 27
- Top-Punkt
- 28,
28'
- Ziel-Bereich
- 29
- Sicherheitsbereich
- 30,
30'
- interessierender
Bereich
- 31,
31'
- Erstreckungs-Viereck
- α1, α2
- Triangulations-Winkel
- β1, β2
- Betrachtungswinkel
- P1.1
- Pixel
- D1.1
- Datensatz
- Z1
- Zeile
- R1
- Reihe
- S1
- Scan
- b,
B
- Breite