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Messeinrichtung
und Messverfahren für
Stifte, insbesondere Steckerstifte.
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührunglosen Kontrolle der Anordnung
von freien Stiftenden von Stiften, insbesondere Steckerstiften, mit
mindestens einer Bildaufnahmeeinrichtung nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Kontrolle von Stiften nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bei
elektrischen Steckverbindern unterscheidet man Stiftleisten oder
Messerleisten (”Männchen”) von Buchsenleisten
(”Weibchen”). Ein
Problem bei der Produktion der Stiftleisten ist die genaue Einhaltung
der Stiftgeometrie; Verbinder mit nur geringfügig verbogenen Stiften passen
nicht in die Buchsenleisten.
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Automatische
Prüfeinrichtungen
mit mechanischen Lehren sind insofern kritisch, als sich verbogene
Stifte von selbst in die Schablone einfädeln können, ausserdem kann es bei
verbogenen Stiften immer wieder zu Verklemmungen und damit zu Maschinenstörungen kommen.
Man versucht deshalb, die Position der Stifte an der Stiftspitze
berührungslos
zu kontrollieren; hierzu muss an der Stiftspitze der Mittelpunkt
des Stiftquerschnitts vermessen werden, gesehen in Stift-Längsachse.
Je nach Situation sind auch die Außenmaße des Stifts an der Stiftspitze
zu kontrollieren.
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Die
berührungslose
Auswertung mit Bildverarbeitungssystemen mit Blickrichtung längs der Stiftachsen
und Darstellung der Stiftspitzen im Bild im Auflicht ist insofern
schwierig, als die Stiftspitzen geometrisch sehr unterschiedlich
ausgeprägt
sein können
und sich deshalb im Auflicht nur sehr instabil darstellen. Zur Erläuterung
der Problematik sei auf 3 hingewiesen; sie zeigt eine
Bildaufnahmeeinrichtung 1, bestehend aus einer Kamera,
einer Beleuchtung 2 aus Richtung der Kamera, und Stifte 3, deren
Position (strichpunktierte Symmetrielinien 4, 5) zu
vermessen ist. An den Stiftspitzen entstehen Reflexe 6,
deren Position relativ zur Symmetrieachse von der Ausprägung der
Stiftspitze abhängt.
Eine Vermessung der Reflexpositionen im Auflicht, zur Vermessung
der Position der Stiftspitze, ist daher notwendigerweise fehlerbehaftet.
Alternative wäre eine
homogene Rundumbeleuchtung; dieses ist jedoch je nach Steckergeometrie
sehr aufwendig und nimmt viel Platz ein und ist bei entprechend
großen Steckergehäusen nicht
realisierbar; außerdem
sind bei einer solchen Anordnung die Kontraste gering und stark
hintergrundabhängig.
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Anordnungen
im Durchlicht hingegen sind bei nicht-transpartentem Steckergehäuse (Regelfall) nicht
möglich.
Die Betrachtung quer zu den Stiftachsen verbietet sich in einer
Vielzahl von Fällen
schon dadurch, dass die Stifte im Inneren eines Steckergehäuses sitzen:
weder die Betrachtung noch die Beleuchtung kann daher seitlich erfolgen.
In den verbleibenden Fällen
müssen
die Stifte aus zwei Richtungen, also mit zwei Kameras betrachtet
werden, um eine Lagekontrolle der Stiftspitzen in zwei Koordinaten
senkrecht zur Stiftachse zu gewährleisten.
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Nach
EP 1 579 169 B1 wird
eine Maske mit Durchbrüchen
verwendet, durch die ein Bild der Stiftenden mit einer Bildaufnahmeeinrichtung
aufnehmbar ist, und eine Beleuchtungseinrichtung auf der der Bildaufnahmeeinrichtung
abgewandten Seite der Maske. In spezieller Ausgestaltung wird eine
transparente planparallele Platte als Beleuchtungseinrichtung verwendet,
mit Löchern
als Blickkanäle,
wobei bevorzugt LEDs als Lichtquellen in die Platte integriert sind.
Die Anordnung gestattet eine Rundum-Beleuchtung der einzelnen Pins,
somit werden die vorgenannten Nachteile vermieden. Nachteil dieser
Anordnung jedoch ist der hohe technische Aufwand für die Realisierung
der Beleuchtungseinrichtung.
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Nach
US 2007 0 080 703 A1 wird
eine Maske mit Durchbrüchen
verwendet, wobei stiftseitig gesehen die Eingangsseite des Lochs
größer ist
als die Ausgangsseite. Die Außenseite
der Maske ist vorzugsweise schwarz und flach. Zweck ist es, dass
die Außenseite
(also die zur Kamera gerichtete Seite) möglichst kein Licht zur Kamera
reflektiert. Dadurch hebt sich das Stiftende im Bild besser von
der Umgebung ab. Das hier mit
2 beschriebene
Problem wird dadurch jedoch nicht gelöst.
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Nach
US 4728195 A sind
auf der der Bildaufnahmeeinheit zugewandten Seite reflektierende
Flächen
vorhanden, die Beleuchtungslicht in Richtung der Stifte senden.
Diese reflektierenden Flächen
sind die Lötaugen
auf einer Leiterplatte. Kamera und Beleuchtung sind so angeordnet,
daß diese
Flächen
bei fehlenden Stiften komplett hell Kamerabild erscheinen (”Einfallswinkel
von Lichtquelle = Ausfallswinkel zu Kamera”). Bei vorhandenem Stift wird
dieser Strahlengang stellenweise unterbrochen, das Bild der reflektierenden
Oberfläche
ist stellenweise gestört,
was als Indiz für
das Vorhandensein des Stifts genommen wird. Für eine messtechnische Erfassung der
Position der Stiftspitzen ist diese Anordnung ungeeignet.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine preiswerte, sichere, berührungslose
Kontrolle von Steckerstiften, oder sonstigen Stiften mit ähnlicher
Problematik, zu ermöglichen.
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Die
Aufgabe wird gelöst
nach den unabhängigen
Ansprüchen.
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Die
Vorrichtung zur berührungslosen
Kontrolle der Anordnung von freien Stiftenden von Stiften, insbesondere
Steckerstiften, mit mindestens einer Bildaufnahmeeinrichtung und
einer Beleuchtungseinrichtung auf der – von den Stiftenden aus gesehen – der Bildaufnahmeeinrichtung
zugewandten Seite ist gekennzeichnet durch eine Maske mit Durchbrüchen (Öffnungen),
an der das Licht der Beleuchtungseinrichtung in Richtung Stiftenden
und von dort in Richtung Bildaufnahmeeinrichtung reflektiert wird.
Die Stifte befinden sich, von der Bildaufnahmeeinrichtung aus gesehen,
in den Durchbrüchen und
sind somit von der Bildaufnahmeeinrichtung aus sichtbar. Beleuchtung
und Maske werden so gestaltet, dass der beschriebene Beleuchtungsstrahlengang
realisiert ist. In Sonderfällen
(keine oder nur geringe Behinderung durch das Steckergehäuse) genügt eine
flache Einstrahlung und eine einfache, ebene Maske. Im Normalfall
kann der beschriebene Strahlengang z. B. über Aufwölbungen an den Durchbrüchen realisiert
werden. Vorzugsweise, aus Gründen
einfacher Herstellung, besitzt die Maske Durchbrüche, die auf der der Bildaufnahmeeinrichtung
zugewandten Seite mit Abschrägungen
versehen sind, an denen das Licht der Beleuchtungseinrichtung in Richtung
Stiftenden und von dort in Richtung Bildaufnahmeeinrichtung reflektiert
wird. (Solche Abschrägungen
können
wie üblich
kurz als Fase bezeichnet werden.) Die Form von Durchbrüchen wird
vorteilhaft an die betreffenden Stiftquerschnitte angepaßt (optimale
Ausleuchtung); im Falle kreisrunder Durchbrüche genügen als Fasen normalerweise
einfache, genügend
breite Ansenkungen. Die Maske muss nicht in Form einer Platte realisiert
sein; es kann ein beliebiges Objekt sein, z. B. ein Drahtgeflecht,
das wie beschrieben positioniert ist und den beschriebenen Strahlengang
ermöglicht.
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Dadurch
gelingt eine Rundum-Beleuchtung jedes einzelnen Stiftendes, wie
nach
EP 1 579 169 B1 ,
jedoch mit wesentlich einfacheren Mitteln. Im Gegensatz dazu befindet
sich hier die Beleuchtungseinrichtung auf der der Bildaufnahmeeinrichtung
zugewandten Seite der Maske. Das schwierige Einbringen der Beleuchtung
auf die Gegenseite der Maske entfällt, ein spezieller Lichtleiter
wie eine planparallele Platte entfällt, die Beleuchtung braucht
nicht an die Stiftenden herangeführt
zu werden; sie kann in großer
Entfernung in der Nähe
der Bildaufnahmeeinrichtung platziert werden.
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Die
Höhenlage
der Maske, sowie die Breite und die Schräge der Fase werden so dimensioniert, dass
die geschilderte Reflexionsbedingung erfüllt ist. In der Regel ragen
die Stifte in die Öffnungen
hinein und ggf. hindurch.
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
mit einer Bildaufnahmeeinrichtung 1, bestehend aus einer Kamera,
einer Beleuchtungseinrichtung 2 aus Richtung der Kamera,
im Beispiel bestehend aus einer oder mehreren LED-Reihen (nur eine
Reihe gezeichnet), und den Stiften 3, die sich in einem
Steckergehäuse 7 befinden.
In das Steckergehäuse
wird eine Maske 8 mit Durchbrüchen 9 eingeführt, so
dass sich die Stifte 3 in den Durchbrüchen befinden, vorzugsweise – bei fehlerfreien
Stiften – ohne
den Rand der Durchbrüche
zu berühren.
Es sind zwei Strahlenverläufe
mit Pfeilen eingezeichnet, aus denen ersichtlich ist, wie das Licht
von der Beleuchtungseinrichtung 2 über die Fase 10 und
den Stift 3 zur Bildaufnahmeeinrichtung 1 gelangt.
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2 zeigt
die Stift- und Durchbruchsgeometrie im Detail.
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Eine
Konstruktionsvorschrift für
Fasen- und Beleuchtungsgeometrie lautet wie folgt: Man verfolge die
Strahlen rückwärts von
der Kamera zum Stiftende; von dort weiter zurück im Glanzwinkel (Einfallswinkel
= Ausfallswinkel) zur Fase, von dort erhält man wiederum im Glanzwinkel
zurückgehend
den erforderlichen Beleuchtungsstrahl. Dieser muss dann, in Beleuchtungsrichtung
rückwärts gesehen,
auf die Beleuchtungseinrichtung treffen.
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So
lassen sich zumindest die Außenkanten der
Stiftenden sicher und konturscharf darstellen; Zur Positionsberechnung
werden die Außenkanten
herangezogen (z. B. deren Mittelpunkt), die Stiftspitzen hingegen
treten in der Regel dunkel in Erscheinung, was die Auswertung der
Außenkanten
jedoch nicht stört.
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Die
Durchbrüche
werden vorzugsweise so dimensioniert, dass zumindest fehlerfreie
Stifte die Durchbrüche
nicht berühren
und somit sicher als isolierte Flecken im Bild erscheinen. Zur Sicherheit
kann die Maske auf der Gegenseite mit weiteren Fasen versehen sein,
damit verbogene Stifte sich einfädeln und
somit keinen Crash verursachen. Solche Stifte berühren die
Durchbrüche
seitlich und sind damit über
die Bildaufnahmeeinrichtung als fehlerhaft erkennbar. Sicherheitshalber
kann man eine solche Berührung
elektrisch abfragen.
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Vorzugsweise
sind die Öffnungen 9 kreisrund
und die Stiftspitzen werden, wenn sie sich in Normallage befinden,
in der Mitte des Kreises abgebildet.
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In
besonderer Ausgestaltung besitzt die Maske weitere Durchbrüche 11,
durch die hindurch vorgegebene Referenzen 12 (üblicherweise
Kanten) am Stecker abgebildet werden. Auf diese Weise wird eine
Positionskontrolle relativ zu diesen Referenzen ermöglicht.
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Um
die Sichtbarkeit der Stiftflanken aus Kamerarichtung rein geometrisch
zu gewährleisten
(zur Erläuterung
sei auf die in 1 gezeichneten Betrachtungs-Strahlen
verwiesen) wird für
die Bildaufnahmeeinrichtung eine telezentrische Optik vorgeschlagen
(ohne Figur). Damit wird die Rundum-Sichtbarkeit der Stiftenden gewährleistet.
Dies kann – alternativ
oder in Kombination – auch
dadurch erreicht werden, dass als Bildaufnahmeeinrichtung mehrere Kameras
eingesetzt werden, die für
verschiedene Stifte ”zuständig” sind (ohne
Figur). In einfachen Fällen
genügt
ein ausreichend großer
Abstand von Kamera zu den Stiften (vgl. 1).
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Die
Beleuchtungseinrichtung ist so realisiert, dass durch sie die Betrachtungsstrahlengänge nicht behindert
werden, beispielsweise für
Reihenstecker als parallel beiderseits der Kamera(s) platzierte LED-Reihen,
oder, vorzugsweise für
Rundstecker, als Ringlicht um das Objektiv. Die LEDs werden vorzugsweise
so platziert, daß die
Beleuchtungsstrahlen nicht den Steckerhintergrund beleuchten.
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In
einer Ausgestaltung ist die Prüfeinrichtung als
Prüfkopf
realisiert, bei dem Kamera, Maske und Beleuchtung mechanisch miteinander
verbunden sind. Der Prüfkopf
wird zur Prüfung
mechanisch an die Stiftleiste herangeführt und in Prüfposition
gebracht, je nach Steckergeometrie vorzugsweise über einen (nicht gezeichneten)
mechanischen Anschlag, Indexierstifte etc. Natürlich kann auch umgekehrt der Stecker
an den Prüfkopf
herangeführt
werden. Alternativ wird bei feststehendem Stecker, feststehender Beleuchtungs
und Bildaufnahmeenrichtung lediglich die Maske zu den Stiften bewegt.
In besonderer Ausgestaltung wird die Maske federnd auf einen vorzugsweise
verstellbaren Anschlag geführt
(nicht gezeichnet), um die genaue Höhe der Maske relativ zu den Stiftenden
zu gewährleisten.
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Die
Stiftspitzen müssen
in Optimallage nicht notwendigerweise genau in der Mitte der Durchbrüche liegen.
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An
die Bildaufnahmeeinrichtung ist für automatischen Betrieb ein
automatisches Bildanalysesystem angeschlossen, das auch in die Kamera
integriert sein kann (”Smart
Camera”).
Die Bildauswertung muss nicht automatisch geschehen, die geschilderte
Bildaufnahmeeinrichtung kann auch lediglich Bilder auf einem Monitor
o. ä. darstellen,
wo die Bilder manuell, wie z. B. bei Profilprojektoren üblich, ausgewertet
werden können.