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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Laserlicht-Schnittanordnung
sowie ein Laserlicht-Schnittverfahren zur 3D-Volumenmessung bzw. zur
Bestimmung des Höhenprofils an bzw. von Objekten.
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Laserlicht-Schnittanordnungen
bzw. Laserlicht-Schnittverfahren zur 3D-Volumenmessung bzw. zur
Höhenprofilbestimmung sind bereits aus dem Stand der Technik
bekannt. Beispielsweise können solche Anordnungen bzw.
Verfahren (ebenso wie die nachfolgend beschriebene erfindungsgemäße
Anordnung bzw. das zugehörige Verfahren) zur Füllgewichtsbestimmung
von Pulver in Blisterbechern eingesetzt werden. Das Füllgewicht
des Pulvers in den Blisterbechern wird hierbei im Allgemeinen durch eine
Volumenmessung inline, d. h. im Prozess bestimmt. Die Dichte des
Pulvers ist dabei bekannt. Setzt man hierzu das konventionelle Laserlichtschnittverfahren
ein, wie es beispielsweise aus dem Stand der Technik B.
Breuckmann: „Bildverarbeitung und optische Messtechnik
in der industriellen Praxis", Franzis-Verlag München, 1993,
bekannt ist, so treten Fehler in der Bestimmung des Volumens auf,
da das Laserlichtschnittverfahren auf Triangulation basiert und
somit für die Kamera oder den Sensor immer ein Teil des
Blisterbechers im Schatten liegt.
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Unter
dem Begriff des „Schattens" wird nachfolgend derjenige
Bereich verstanden, welcher für eine Bildaufnahmevorrichtung
bzw. Kamera aufgrund ihrer Ausbildung und/oder Ausrichtung nicht
sichtbar ist. Es ist letztendlich nur die Schnittmenge der von der
Bildaufnahmevorrichtung/Kamera sichtbaren Objektoberfläche
und der durch den Laser bestrahlbaren bzw. bestrahlten Objektoberfläche
auswertbar. Wird nachfolgend von einer Ausrichtung der Bildaufnahmevorrichtung
bzw. Kamera gesprochen, so ist damit die Ausrichtung des eigentlichen
bildaufnehmenden Sensors (bspw: CCD-Chip) innerhalb der Kamera gemeint.
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Somit
kommt es bei der Volumen- bzw. (Höhen-)Profilvermessung
mittels Laserschnittlichtverfahren abhängig von der Messanordnung
und dem zu scannenden Objekt prinzipiell immer zu Abschattungen,
wodurch die Volumenmessung oder die Profilvermessung unvollständig
und daher fehlerhaft ist, siehe hierzu auch 1, welche
die grundlegende Geometrie des aus dem Stand der Technik bekannten
Laserlichtschnittverfahrens darstellt: Mittels eines Lasers wird
unter einem Winkel α zur Oberflächennormalen N
auf eine ebene Fläche (nachfolgend auch als Transportebene
TE bezeichnet) ein zuvor durch eine Aufweitungsoptik (nicht gezeigt)
aufgeweiteter Laserstrahl LS einge strahlt. In der Höhe
Z0 (bezogen auf die Transportebene) trifft
der aufgeweitete Laserstrahl auf die Transportebene TE, so dass (beispielsweise
auf einem Transportband oder ähnliches) bei nicht vorhandenem
Objekt O (vgl. 1a) auf der Transportebene
eine Laserschnittlinie abgebildet wird. Derjenige Bereich, in dem
die Laserschnittlinie erzeugt wird bzw. in dem der Laserstrahl LS
auf die Transportebene TE trifft (Zielvolumen ZV) wird von einer
Flächenkamera (CCD-Kamera oder ähnliches) erfasst.
Wird nun im Zielvolumen ZV ein Objekt (hier in Form einer Pyramide)
O angeordnet, welches mit Hilfe eines Transportbandes in der Transportebene
TE entlang der Richtung X parallel zur Ebene TE durch das Zielvolumen
ZV hindurchbewegt wird, so kommt es, wie 1b zeigt,
auf der dem Laser abgewandt angeordneten Rückseite R des
(pyramidenförmigen) Objekts zu Abschattungen: Das Höhenprofil
des Objekts O ist in einem solchen Fall nicht vollständig
bestimmbar.
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Im
Allgemeinen werden solche Abschattungen bei der Volumen- bzw. Profilmessung
durch eine Rotation des Objekts vermieden: Das Objekt wird mit dem
in 1 gezeigten System mehrfach von unterschiedlichen
Richtungen her abgetastet, indem das Objekt gedreht wird und erneut
entlang der Transportrichtung X durch das Zielvolumen ZV hindurchbewegt
wird. Entsprechende Messungen sind jedoch sehr zeitaufwendig.
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Basierend
auf dem vorstehend genannten Stand der Technik ist es daher Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, eine Laserlicht-Schnittanordnung (sowie
ein entsprechendes Laserlicht-Schnittverfahren) zur Verfügung
zu stellen, mit welcher beliebig ausgeformte Objekte auf einfache
Art und Weise schnell und zuverlässig einer 3D-Volumenmessung bzw.
einer Höhenpro filbestimmung unterworfen werden können,
ohne dass es hierbei zu Abschattungen des Objekts bzw. zu fehlerhaften
und/oder unvollständigen Volumenmessungen bzw. Profilvermessungen
kommt.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Laserlicht-Schnittanordnung nach Anspruch
1 sowie durch ein entsprechendes Laserlicht-Schnittverfahren nach Anspruch
24 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der
erfindungsgemäßen Laserlicht-Schnittanordnung bzw.
des erfindungsgemäßen Laserlicht-Schnittverfahrens
lassen sich den jeweiligen abhängigen Ansprüchen
entnehmen. Erfindungsgemäße Verwendungen sind
im Anspruch 26 beschrieben.
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Nachfolgend
wird nun die vorliegende Erfindung zunächst allgemein beschrieben.
Diesem allgemeinen Beschreibungsteil schließt sich ein
in den 2 und 3 dargestelltes spezielles Ausführungsbeispiel
an. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können die einzelnen
Aspekte, wie sie im speziellen Ausführungsbeispiel in einer
speziellen Kombination gezeigt sind, auf Basis des Fachwissens des Fachmanns
auch in anderen Kombinationen ausgebildet sein bzw. verwendet werden.
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Wesentlicher
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es, eine Laserlicht-Schnittanordnung
dergestalt auszubilden, dass das abzutastende Objekt von unterschiedlichen
Seiten bzw. von zwei im wesentlichen gegenüberliegenden
Seiten mittels aufgeweiteter Laserstrahlen beleuchtet wird und dass
die dergestalt entstehenden beiden Laserschnittlinien von einer
einzigen Bildaufnahmevorrichtung (insbesondere: Flächenkamera)
erfasst werden. Die Bildaufnahmevorrichtung (genauer gesagt, eine
der Bildaufnahmevorrichtung nachgeschaltete Bildverarbeitungsvorrichtung,
welche jedoch auch als Teil der Bildaufnahmevorrichtung in der Bildaufnahmevorrichtung
integriert sein kann) ist dann, wie nachfolgend noch näher
beschrieben, so ausgebildet, dass zwischen den beiden erzeugten
Laserschnittlinien unterschieden werden kann. Bei geeigneter Ausbildung
können auch mehr als zwei Laser eingesetzt werden, so dass dann
mehr als zwei Laserschnittlinien durch die Bildaufnahmevorrichtung/Bildverarbeitungsvorrichtung erfasst
und ausgewertet werden können.
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Vorteilhafterweise
wird der erfindungsgemäße, gegenüber
dem Stand der Technik erweiterte Aufbau so realisiert, dass die
Bildaufnahmevorrichtung bzw. Kamera (nachfolgend alternativ auch
als Sensor bezeichnet), welche beispielsweise einen CCD-Chip umfassen
kann, bezüglich ihrer Blick- bzw. Aufnahmerichtung senkrecht über
der Transportebene (nachfolgend alternativ auch als Objektebene oder
Referenzebene bezeichnet) positioniert ist. Vorteilhafterweise sind
die beiden Laser (bzw. die mehreren Laser) ebenfalls hinsichtlich
ihrer Strahlrichtung senkrecht über der Objektebene positioniert. Vorteilhafterweise
befindet sich darüberhinaus die Bildaufnahmevorrichtung
bzw. Kamera mittig zwischen den beiden Lasern, so dass die Bildaufnahmevorrichtung
sich mit den beiden Lasern in einer Linie befindet.
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Beide
Laser besitzen eine Optik (Aufweitungsoptik), die aus dem Laserlichtpunkt
eine aufgeweitete, in der Regel näherungsweise fächerförmige Laserlinie
erzeugt. Die (aufgeweiteten) Linien beider Laser sind vorteilhafterweise
so gerichtet, dass sie abschnittsweise parallel zueinander sind
und abschnittsweise senkrecht zur vorgenannten Verbindungslinie
Laser- Kamera-Laser stehen, bevor sie dann von beiden Seiten auf
das Objekt eingestrahlt werden.
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Um
die beiden Laserlinien von zwei unterschiedlichen Seiten auf das
Objekt einzustrahlen, können beispielsweise bewegliche
Spiegel eingesetzt werden, mit denen die aufgeweiteten Laserlinien
in das Zielvolumen (bevorzugt in das Zentrum des Zielvolumens),
welches von der Kamera erfasst wird, gelenkt werden. Unter dem Zielvolumen
ist hierbei ein begrenzter Raumbereich zu verstehen, in dem das
abzutastende Objekt angeordnet werden kann bzw. durch das hindurch
das Objekt bewegt werden kann und welcher zumindest teilweise von
der Abbildungsoptik des Sensors erfasst werden kann. Unter dem Zentrum
des Zielvolumens wird nachfolgend der auf die Transportebene projizierte
(Projektionsrichtung senkrecht zur Transportebene) geometrische Schwerpunkt
des Zielvolumens verstanden.
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Vorteilhafterweise
werden die Laserlinien dabei beidseits so auf das Objekt eingestrahlt,
dass sie, wenn man sich das Objekt wegdenkt (bzw. wenn kein Objekt
im Zielvolumen vorhanden ist) deckungsgleich auf die Transport-
bzw. Objektebene treffen (die Ebene wird daher nachfolgend auch
als Referenzebene bezeichnet). Andere Ausführungsformen können,
wie es nachfolgend noch näher beschrieben wird, jedoch
auch so ausgebildet sein, dass die beiden Laserlinien auf Höhe
der Referenzebene beabstandet voneinander auftreffen, so dass sie
in der Referenzebene nicht deckungsgleich sind. Wie bereits beschrieben,
sind auch mehr als zwei Laser einsetzbar.
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Beim
erfindungsgemäßen Laserlichtschnittverfahren werden
mit hoher Frequenz durch die Kamera Bilder aufgenommen, während
das Objekt in der Objektebene durch das Zielvolumen hindurchbewegt
wird (wobei diese Bewegung vorteilhafterweise zumindest abschnittsweise
senkrecht zu mindestens einer der Laserlinien erfolgt). In jedem
aufgenommenen Bild der Kamera wird die Position der Laserlinien aufgrund
deren Intensität ermittelt. Trifft eine Laserlinie abweichend
von der Referenzhöhe Z
0 (also der Höhe
Null über der Transportebene bzw. Objektebene) auf ein
Objekt, so erscheint die Laserlinie an einem anderen Ort auf dem
Bildchip der Kamera. Aufgrund des Höhenversatzes ΔZ
und der Winkelbeziehung zwischen dem im Endabschnitt des Strahlengangs
schräg einfallenden Laserstrahl und dem Lot auf die Objektebene
(Winkel α, siehe
1) kann
die Höhendifferenz ΔZ zur Referenzebene berechnet werden
zu
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ΔX
ist hier der Versatz der Laserschnittlinie in der Referenzebene,
welcher dann in einem entsprechenden Versatz im Bild resultiert.
(das
hier in seinem Grundprinzipien erläuterte Triangulationsverfahren
zur Bestimmung des Höhenprofils beim Laserlicht-Schnittverfahren
ist dem Fachmann an sich bekannt).
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Um
beim erfindungsgemäßen Verfahren Abschattungen
durch den Einsatz von zwei oder mehr Lasern zu vermeiden, muss das
gesamte System so ausgebildet werden, dass die Bildaufnahmevorrichtung
bzw. die Kamera zwischen den mehreren eingesetzten Lasern bzw. den
von ihnen erzeugten Laserschnittlinien (nachfolgend auch kurz: Laserlinien)
unterscheiden kann. Dies ist notwendig, damit die errechneten Profilschnitte
des Objekts in der richtigen Reihenfolge bzw. auf die richtige Art
und Weise zusammengesetzt werden können.
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Um
eine Unterscheidung dieser Art zu realisieren, sind erfindungsgemäß mehrere
Ansätze möglich (die einzelnen nachfolgend beschriebenen Ansätze
können im Rahmen des Fachwissens des Fachmanns auch kombiniert
werden):
- 1. Die eingesetzten Laser werden in
Abstimmung mit dem Bildtakt der Kamera so getaktet, dass pro Kamerabild
abwechselnd immer nur eine Laserlichtlinie sichtbar ist. Ein einzelnes
Kamerabild erfasst somit immer nur eine der beiden (oder der mehreren)
Laserlinien. Hierzu muss also die Bildtaktrate mindestens N-mal
so groß sein wie die Lasertaktrate, wenn N die Anzahl der
eingesetzten Laser ist (beispielsweise N = 2).
- 2. Alternativ dazu können die eingesetzten Laser auch
kontinuierlich, jedoch mit unterschiedlicher Intensität
betrieben werden. Die Laser können hierzu abschnittsweise
(zu Beginn des Strahlengangs) parallel ausgerichtet werden und besitzen dann
beim ungehinderten Einstrahlen auf die Referenzebene (d. h. wenn
kein Objekt vorhanden ist) in der Referenzhöhe (also auf
Höhe Z0) einen Abstand voneinander,
welcher so groß ist, dass bei den zu vermessenden Objekten
die Laserlinien nie überlappen. Je nach abzutastendem Objekt
muss der Abstand der Laserlinien in der Referenzebene dabei so groß gewählt
werden, dass ein großer Bereich auf dem Bildchip der Bildaufnahmevorrichtung
ausgenutzt wird (dass also die beiden Laserlinien möglichst
weit voneinander beabstandet auf dem aufgenommenen Bild erscheinen)
und dass mit Hilfe der unterschiedlichen Intensitäten (beispielsweise
durch Setzen von Schwellwerten oder ähnlichem) die Laserposition von
jedem Laser auf dem aufgenommenen Bild identifiziert werden kann.
Der
Mindestabstand, den die Laserschnittlinien in der Referenzebene
haben müssen, beträgt bei Objekten, die sich nur
in den Bereich oberhalb der Referenzebene erstrecken (die also nur
in dem Raumbereich zwischen der Bildaufnahmevorrichtung und der
Referenzebene liegen) ΔXP. Dabei entspricht ΔXP
der Auflösung der Bildaufnahmevorrichtung in der Transportrichtung.
Eine solche Auflösung kann beispielsweise im Submillimeterbereich
liegen und hängt vom konkret verwendeten Bildchip der Kamera
ab (bspw. liegt eine typische Auflösung im Bereich von
150 bis 200 μm). Auf dem Bildchip der Kamera werden somit
zwei (abgebildete) Bereiche definiert, in denen die unterschiedlichen
Laserschnittlinien ausgewertet werden. Im Idealfall (kein Rauschen, δ-förmige
Linienausbildung) muss mindestens ein Bildpixel zwischen den beiden
Laserlinien liegen, um die Trennung der Linien auf dem Chip zu ermöglichen.
Bei
Objekten, die sich um den Betrag ΔZ in den Bereich unterhalb
der Referenzebene erstrecken, beträgt der Mindestabstand 2ΔZ·tanα + ΔXP. Diese
Angaben zum Mindestabstand resultieren aus rein geometrischen Betrachtungen
und berücksichtigen nicht die Eigenschaften der verwendeten
Geräte, die aufgrund von Toleranzen zu einem größeren
Mindestabstand führen können.
Je größer
hierbei die abzufragende Chipfläche (bzw. die Anzahl der
abzufragenden Einzelzellen des Chips) ist, desto geringer wird die
Taktrate werden. Im Vergleich zur Methode unter 1. steht jedoch
von vornherein die doppelte Taktrate zur Verfügung.
- 3. Es werden zwei Laser eingesetzt, welche kontinuierlich mit
der gleichen Intensität betrieben werden. Hier verbleibt
als einziges Unterscheidungsmerkmal die Position der Laserlinien;
die Einstrahlung der Laserstrahlen auf das Zielvolumen von beiderseits
des Objekts muss also so erfolgen, dass (bei weggedachtem Objekt)
die beiden Laserstrahlen bzw. Laserlinien in einem Mindestabstand
voneinander auf die Referenzebene treffen, der so groß gewählt
ist, dass ein möglichst großer Bereich auf dem
Kamerachip ausgenutzt wird und die Laserposition aufgrund dieser
ausreichend deutlichen Trennung der beiden Laserlinien auf dem Chip
eindeutig identifiziert werden kann. Auch hier steht gegenüber
der unter 1. beschriebenen Methode von vornherein die doppelte Taktrate
zur Verfügung.
- 4. Es werden zwei Laser mit unterschiedlichen Wellenlängen
eingesetzt; die von den beiden Lasern auf dem Objekt erzeugten bzw.
abgebildeten Laserschnittlinien können dann aufgrund ihrer
unterschiedlichen Farbe von der Kamera unterschieden werden. Hierzu
können Kameras mit Farb-CCD-Chips eingesetzt werden, es
lassen sich jedoch auch Kameras mit sehr hohen Taktraten und Grauton-CCD-Chips
einsetzen, mit denen die unterschiedlichen Farblinien auch unterscheidbar
sind; im letzteren Fall erhöht sich jedoch die Abhängigkeit
von den Reflexionseigenschaften der Oberfläche des Objekts.
- 5. Es können Laser eingesetzt werden, welche unterschiedliche
Intensitätsprofile senkrecht zur Laserlinie bzw. zur Strahlrichtung
besitzen. Anhand dieser unterschiedlichen Profile können
die beiden (oder die mehreren) Laserlinien unterschieden werden,
dies ist auch mit Subpixelgenauigkeit mög lich. Dieser Ansatz
besitzt jedoch den Nachteil, dass in dem Bereich, in dem sich die beiden
Laserprofile überlappen (also nahe der Referenzebene) eine
genaue Profilberechnung erschwert ist. Zudem können sich
hier im Einzelfall Materialeigenschaften des Objekts negativ auf das
Erkennen bzw. Differenzieren der Profilform auswirken.
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Das
zur Höhenmessung eingesetzte Laserlichtschnittverfahren
wird durch die vorliegende Erfindung derart verbessert, dass Abschattungen
und somit entstehende Fehler bei der Profilbestimmung bzw. 3D-Volumenmessung
eines Objekts während des Messvorgangs vermieden werden.
Da hierbei lediglich ein einziger Sensor eingesetzt wird, ist diese Verbesserung
auf einfache und kostengünstige Art und Weise erzielbar.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren kann dabei auch
die Translationsrichtung des zu vermessenden Objekts erhalten bleiben. Sowohl
die Beleuchtung (Laser) als auch der Sensor (Kamera) können
dabei stationär bzw. ortsfest im Raum angeordnet sein.
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Das
technische Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung umfasst sämtliche
Bereiche, bei denen die aus dem Stand der Technik bekannten Laserlichtschnittverfahren
eingesetzt werden können.
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Insbesondere
lassen sich beispielsweise prüfen und/oder vermessen:
- • Oberflächendefekte auf
Kupferplatten,
- • Oberflächendefekte auf Betonplatten,
- • Schweißnähte am Roboterarm,
- • die Dicke von Metallbändern,
- • das Befüllungsvolumen in Blistern,
- • Motorblöcke im Durchlauf,
- • Karroserien (mit Lasertriangulation am Roboterarm),
- • Rotationsteile, wie Getriebe- oder Antriebswellen,
- • das Erkennen fehlender Nieten (mit Lasertriangulation
am Roboterarm),
- • die Lothöhe auf Leiterplatten,
- • Ausbeulungen von Lebensmittelverpackungen,
- • Breite und Rillentiefe von Autoreifen,
- • Verwerfungen von heißen Gussteilen.
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In
all diesen Beispielen lassen sich, wie erfindungsgemäß beschrieben,
mehrere Laser vorteilhaft einsetzen. Verbesserungen der Ergebnisse
oder auch eine Reduktion der Inspektionssysteme nach dem Stand der
Technik (es müssen dann nicht mehrere nacheinander angeordnete
Systeme mit jeweils einem Laser eingesetzt werden), sind insbesondere bei
den Aufzählungspunkten 3, 5, 6, 8 und 10 (siehe oben) möglich.
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Insbesondere
lässt sich die vorliegende Erfindung besonders vorteilhaft
bei solchen Anwendungsgebieten einsetzen, wo es notwendig ist, das Profil
des abzutastenden Objekts komplett und ohne Abschattung bzw. Abschattungsfehler
zu erfassen.
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Bei
dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird
die erfindungsgemäße Laserlicht-Schnittanordnung
so realisiert, dass die beiden Laserstrahlen durch Reflektoren bzw.
Spiegel umgelenkt werden, wobei beide Laserstrahlen vor der Umlenkung
senkrecht zur Referenzebene und parallel zueinander (sowie zur Abtast-
bzw. Sichtrichtung der Kamera) verlaufen und anschließend
auf der Referenzebene (bei Abwesenheit des abzutastenden Objekts)
exakt übereinander liegen. Hierdurch wird eine sehr kompakte
Bauweise erreicht.
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Bei
dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde
die Unterscheidung der Laser durch die Bildaufnahmevorrichtung bzw.
durch die ihr nachgeschaltete Bildverarbeitungsvorrichtung so realisiert,
dass die beiden eingesetzten Laser in Abstimmung mit dem Bildtakt
der Kamera so getaktet werden, dass abwechselnd immer nur eine der
beiden Laserlinien sichtbar ist bzw. von der Kamera erfasst wird.
Dies hat insbesondere den speziellen Vorteil, dass ein Grautonsensor
mit einer sehr hohen Taktrate eingesetzt werden kann und somit eine
sehr hohe Güte der Laserstrahl-Profilqualität
erzielt werden kann. Ein weiterer Vorteil dieses Ansatzes ist es, dass
keine weitere Analyse der Laserschnittlinien durch nachgeschaltete
Prozesse in der Bildverarbeitungsvorrichtung per Hardware oder Software
notwendig ist, um festzustellen, zu welchem der beiden Laser identifizierte
Laserlinien bzw. identifizierte Laserlinienstücke gehören.
Alternativ können jedoch auch die anderen vorbeschrieben
Ansätze verwendet werden, es ist lediglich zwingend, dass
die Trennung der beiden Laserlinien erfolgt bzw. dass eine korrekte
Synthese der akquirierten Daten der beiden Laser möglich
ist.
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Insbesondere
der Einsatz von abwechselnd getakteten Lasern im Rahmen der vorliegenden
Erfindung ist ein vorteilhafter Weg, um das Profil eines Objekts
ohne Abschattung zu erstellen und gleichzeitig ausgereifte, hochwertige
Stand-der-Technik-Techologie bei den verwendeten Einzelkomponenten
(z. B. Kamera) einzusetzen, ohne dass die Einzelkomponenten hierzu
modifiziert werden müssten. Wie bereits vorbeschrieben,
ist es mit der vorliegenden Erfindung auf einfache Art und Weise
möglich, Abschattungen zu vermeiden, ohne beispielsweise
das Objekt mehrfach von unterschiedlichen Richtungen zu scannen,
was somit eine erhebliche Einsparung bei der Prozesszeit bedeutet.
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Nachfolgend
wird nun die vorliegende Erfindung anhand eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels
beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 ein
Laserlicht-Schnittverfahren nach dem Stand der Technik.
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2 eine
Laserlicht-Schnittanordnung nach der vorliegenden Erfindung in seitlicher
Ansicht.
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3 eine
Aufsicht auf die Referenzebene TE der Laserlicht-Schnittanordnung
aus 2.
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4 ein
Beispiel für die Aufnahmegeometrie einer erfindungsgemäßen
Laserlicht-Schnittanordnung.
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2 zeigt
eine erfindungsgemäße Laserlichtschnittanordnung.
Bei dieser sind mit einem Gestell (nur teilweise gezeigt) beabstandet
oberhalb eines Tisches und beabstandet von diesem zwei Laser 1a, 1b und
eine CCD-Kamera 2 voneinander angeordnet. Die beiden Laser 1a, 1b und
die Kamera 2 sind jeweils bezogen auf die parallel zur
Tischoberfläche und oberhalb derselben verlaufende Transportebene
TE im selben Abstand oberhalb der Transportebene TE angeordnet.
Die beiden Laser 1a, 1b und die Kamera 2 sind
hierbei entlang einer Linie L angeordnet, wobei die Kamera 2 mittig
zwischen den beiden Lasern 1a, 1b angeordnet ist.
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Die
beiden Laser und die Kamera sind somit auf derselben Höhe
(Z-Richtung) angeordnet. Sie sind dabei so ausgerichtet, dass die
von den beiden Lasern erzeugten Laserstrahlen LS1, LS2 parallel zueinander
und senkrecht zur Transportebene TE abgestrahlt werden. Auch die
Kamera ist so ausgerichtet, dass deren Blickrichtung A parallel
zu den beiden parallel zueinander ausgerichteten Laserstrahlen LS1
bzw. LS2 ausgerichtet ist. Sowohl nach dem ersten Laser 1a,
als auch nach dem zweiten Laser 1b ist in dem jeweiligen
Laserstrahlengang LS1 bzw. LS2 jeweils eine Aufweitungsoptik (Bezugszeichen 5a, 5b)
angeordnet, welche den jeweiligen Laserstrahl in einen fächerförmigen
Strahl aufweitet, welcher senkrecht zur Transportebene TE in Richtung
zur Transportebene TE hin gestrahlt wird. Im Strahlengang nach der
Aufweitungsoptik, also zwischen dieser und der Transportebene TE
ist dann jeweils ein Reflektor bzw. Spiegel 4 im Strahlengang angeordnet,
welcher das aufgeweitete, bislang senkrecht auf die Transportebene
TE einfallende Strahlenbündel so ablenkt, dass das aufgefächerte
Strahlbündel unter einem flachen Winkel auf die Transportebene
TE auftrifft. Dieser Winkel beträgt hier etwa 15°,
so dass der Winkel α zwischen der ursprünglichen
Laserstrahlrichtung und der Laserstrahlrichtung nach dem Ablenken
des Laserstrahls etwa α = 75° beträgt.
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Die
beiden Spiegel 4a, 4b in den beiden Strahlengängen
sind nun gegeneinander verkippt so angeordnet, dass die beiden Laserstrahlen
LS1 und LS2 von unterschiedlichen, d. h. gegenüberliegenden
Seiten auf einen gemeinsamen Punkt (Zentrum C) der Transportebene
TE fokussiert eingestrahlt werden. Ist in dem dieses Zentrum C umgebenden Raumbereich
ZV (Zielvolumen) nun kein Objekt O angeordnet, so erzeugen die beiden
auf das Zentrum C eingestrahlten, aufgefächerten Laserstrahlen
aufgrund der Ausrichtung der Spiegelebene senkrecht zur x-z-Ebene
eine deckungsgleiche Laserlinie, welche senkrecht zur dargestellten
Bildebene (also parallel zur y-Richtung) verläuft. Die
Transportebene TE ist somit diejenige Ebene oberhalb der Tischebene und
unterhalb der Spiegel 4a, 4b, welche parallel
zu der Linie L, in der die beiden Laser und die Kamera angeordnet
sind, verläuft und auf die die beiden Laserstrahlen LS1
und LS2 mit Hilfe der beiden Spiegel 4a, 4b deckungsgleich
von zwei unterschiedlichen Seiten her kommend fokussiert werden.
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In
dieser Transportebene ist nun ein Transportband 6 angeordnet,
welches in der Transportebene TE translatorisch in x-Richtung bewegt
werden kann (x, y und z bilden ein kartesisches Koordinatensystem).
Wird nun ein abzubildendes Objekt O auf dem Transportband bzw. unmittelbar
angrenzend an und oberhalb der Transportebene TE angeordnet, so kann
dieses Objekt O mittels des Transportbandes 6 in x-Richtung
(gleich der Transportrichtung T) parallel zur Transportebene TE
und senkrecht zu der Blickrichtung A der Kamera und den noch unabgelenkten Laserstrahlen
und durch das Zielvolumen ZV hindurch transportiert werden.
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Die
Kamera ist hierbei mittig zwischen den beiden Lasern so angeordnet
und ausgerichtet, dass ihre Blickrichtung A genau auf das Zentrum
C des Zielvolumens ZV gerichtet ist und dass ihr Blickfeld einen
Teilbereich der Transportebene TE um dieses Zentrum C herum so umfasst,
dass das Zielvolumen ZV auf dem CCD-Chip abgebildet wird.
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Das
von den beiden Lasern abwechselnd getaktet erzeugte Linienbild (siehe
vorstehende Beschreibung) wird somit, ggf. durch die Oberflächenstruktur
eines Objekts O verändert, auf dem CCD-Chip der Kamera
abgebildet. Das entsprechende Bildsignal wird über ein
Kabel an eine Bildverarbeitungsvorrichtung (PC 3) weitergeleitet,
welche so ausgebildet ist, dass sie mittels eines Triangulationsverfahrens
das Höhenprofil eines im Zielvolumen ZV angeordneten Objekts
O in zwei Dimensionen erfassen und bestimmen kann, wenn während
des Durchfahrens des Objekts O durch das Zielvolumen ZV eine Vielzahl
von einzelnen Bildern der von den Lasern 1a, 1b auf
dem Objekt O erzeugten Laserschnittlinien aufgenommen wird.
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Im
gezeigten Fall sind somit die Linie L und die Transportrichtung
T parallel zueinander ausgerichtet. Die beiden aufgeweiteten Laserstrahlen
LS1 und LS2 werden von zwei unterschiedlichen, im Wesentlichen gegenüberliegenden
Seiten so in das Zielvolumen eingestrahlt, dass sie sich im Zielvolumen und
dort auf Höhe der Transportebene und im Zentrum des Zielvolumens
kreuzen. Wie nachfolgend in 3 noch gezeigt,
ist es jedoch auch möglich, die Spiegel so auszurichten,
dass sich die beiden aufgeweiteten Laserstrahlen unterhalb des Zielvolumens bzw.
dessen Zentrum C kreuzen, somit also die Transportebene TE beabstandet
voneinander schneiden. Aufgrund der Aufweitung der Laserstrahlen
senkrecht zur in 2 gezeigten Bildebene (in y-Richtung),
also senkrecht zur Transportrichtung T bzw. zur Linie L liegen die
beiden auf dem Objekt bzw. auf der Transportebene TE erzeugten Laserschnittlinien
senkrecht zur Transportrichtung T und parallel zueinander.
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Wesentlicher
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es somit, dass die Laserlicht-Einstrahlvorrichtungen
E1, E2, welche jeweils durch einen der Laser 1a, 1b,
die ihm zugeordnete Aufweitungsoptik 5a, 5b und
den dem entsprechenden Strahlengang zugeordneten Spiegel 4a, 4b definiert
sind, so ausgebildet und angeordnet sind, dass die beiden aufgeweiteten
Laserstrahlen von zwei im Wesentlichen gegenüberliegenden
Seiten (in x-Richtung gesehen) auf das gemeinsame Zielvolumen ZV,
in dem das Objekt angeordnet ist bzw. durch das das Objekt hindurchbewegt
wird, eingestrahlt werden. Wesentlich ist es desweiteren, dass die
Bildaufnahmevorrichtung (Kamera 2) und die ihr nachgeschaltete
Bildverarbeitungsvorrichtung (PC 3) so ausgebildet sind, dass
die beiden Laserschnittlinien im aufgenommenen Bild identifizierbar,
voneinander trennbar und dem jeweils erzeugenden Laser zuordenbar
sind.
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3 zeigt
nun eine alternative Ausgestaltungsform in Aufsicht auf die x-y-Ebene,
welche grundsätzlich ebenso ausgebildet ist, wie die in 2 gezeigte
Anordnung. Einziger Unterschied hier ist, dass die beiden Spiegel 4a, 4b so
ausgerichtet sind (Verkleinerung des Winkels α auf beispielsweise 60°),
dass in der Transportebene bzw. auf Höhe der Transportebene
gesehen (bei nicht vorhandenem Objekt O) die beiden Laserschnittlinien
nicht deckungsgleich auf die Transportebene treffen, sondern einen
Abstand voneinander aufweisen. Die beiden Laserschnittlinien sind
in 3 mit den Bezugszeichen LSL1 und LSL2 bezeichnet.
Sie weisen den Abstand a auf. Dieser Abstand ist so gewählt,
dass die beiden erzeugten Laserschnittlinien im Bildfeld der Kamera 2 einen
ausreichend großen Abstand dergestalt aufweisen, dass der
Kamera-CCD-Chip möglichst großflächig
ausgenutzt wird, so dass aufgrund dieses entsprechend im Bild umgesetzten
Abstands die beiden Laserschnittlinien LSL1 und LSL2 einfach voneinander
trennbar sind. Selbst wenn das Objekt O dann stark ausgeprägte
Hö henstrukturen aufweist, werden die entsprechenden Profile
bzw. Laserschnittlinien LSL1 und LSL2 so auf dem Kamerachip abgebildet,
dass keine Überlappungen entstehen.
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Mit
dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel ist eine Volumenmessung,
bei der die Unterseite eines zu vermessenden Objektes (also diejenige Seite,
welche, wenn das Objekt oberhalb der Transportebene angeordnet ist,
letzterer zugewandt ist) vollständig erfassbar ist, nicht
durchführbar: Die vorbeschriebene Volumenmessung ist somit
eigentlich eine 2 1/2-D-„Messung", da die Unterseite des
zu vermessenden Objektes nicht bekannt ist.
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Um
auch die Unterseite des Objektes vollständig zu erfassen,
lässt sich eine weitere Erfindungsvariante vorteilhafterweise
einsetzen: Diese ist grundsätzlich ebenso aufgebaut, wie
die in den 2 und 3 gezeigte
Variante, neben den dort gezeigten beiden Laserlicht-Einstrahlvorrichtungen
E1, E2 (samt Kamera 2, welche oberhalb der Transportebene
angeordnet sind), sind bei dieser Variante zusätzlich unterhalb
der Transportebene zwei weitere Laserlicht-Einstrahlvorrichtungen
samt einer weiteren Kamera angeordnet. Diese beiden weiteren Laserlicht-Einstrahlvorrichtungen
und die weitere Kamera sind dabei vorteilhafterweise spiegelsymmetrisch (Spiegelsymmetrieebene:
Transportebene TE) zu den in 2 gezeigten
Laserlicht-Einstrahlvorrichtungen bzw. zu deren Kamera angeordnet.
Mit diesen beiden weiteren Laserlicht-Einstrahlvorrichtungen kann
dann wiederum, diesmal aus dem Halbraum unterhalb der Transportebene
TE, von zwei gegenüber liegenden Seiten auf das Objekt
(hier; seine Unterseite) eingestrahlt werden und somit auch die
Unterseite des Objektes vollständig erfasst wer den (Mehrkamerasystem).
Die vorstehende Variante vergrößert somit den
durch die Kamera (bzw. die Kameras) sichtbaren Bereich soweit, dass
Objekte vollständig erfassbar sind.
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In
einer weiteren Variante, in der die vorstehend beschriebenen Laserlicht-Schnittanordnungen vorteilhaft
ausgestaltet sein können, ist die Bildverarbeitungsvorrichtung
zur Kalibrierung so ausgestaltet, dass, unter Verwendung eines oder
mehrerer Kalibrierkörper (dies sind Körper exakt
bekannter Abmessungen) nicht exakt parallel zueinander ausgerichtete
Laserschnittlinien (vgl. die beiden in 3 gezeigten
Laserschnittlinien LSL1 und LSL2, welche parallel zueinander und
beabstandet mit dem Abstand a auf die Referenzebene eingestrahlt
werden sollen), berücksichtigt werden. Die Kalibrierkörper
können hierbei so verwendet werden, dass mit ihrer Hilfe
eine Korrekturtabelle erstellt wird, mit deren Hilfe die nicht exakt
parallele Ausrichtung der Laserschnittlinien dann in einer der Bildaufnahme
nachfolgenden Bildverarbeitung auf einfache und schnelle Art und
Weise berücksichtigt werden kann.
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Alternativ
dazu kann jedoch auch bei den vorbeschriebenen Systemen die Echtzeitfähigkeit
erhöht werden, indem die Zeilen des Bildsensors (CCD-Chip)
der Kamera exakt parallel zu den beiden Laserschnittlinien ausgerichtet
werden (wobei auch die beiden Laserschnittlinien dann exakt parallel
ausgerichtet sein müssen). Dann ist die vorbeschriebene Kalibrierungskorrektur
nicht erforderlich.
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4 zeigt
eine vorteilhafte Aufnahmegeometrie, wie sie bei der vorliegenden
Erfindung zum Tragen kommt: FE bezeichnet ein beliebiges Flächenelement bei
dem abzubildenden Objekt O, dessen Oberflächennormale N0 am Kreuzungspunkt P eines der Laser und
des Objektes O mit der Ausrichtungsrichtung A der Bildaufnahmevorrichtung 2 einen Winkel δ bildet
(LS bezeichnet den aufgeweiteten Laserstrahl, welcher am Kreuzungspunkt
P auf das Objekt trifft). Das vorbeschriebene erfindungsgemäße Verfahren
kann dann besonders vorteilhaft zur Bestimmung des Volumens eines
Objektes bei variabler aber fest vorgegebener vertikaler Auflösung
eingesetzt werden, wenn dieser Winkel δ größer
ist als der Winkel γ, welcher zwischen der Normalen NL des Laserlichtschnittfächers am
Kreuzungspunkt P und der Ausrichtungsrichtung A der Bildaufnahmevorrichtung gebildet
wird, wenn die Oberflächennormale N0 und die
Normale NL des Laserlichtschnittfächers
sich auf derselben Seite der Ausrichtungsrichtung A der Bildaufnahmevorrichtung
befinden. NL ist als Normale des Laserlichtschnittfächers
als Senkrechte des Laserlichtschnittfächers definiert.
Da die vertikale Auflösung vom Einstrahlwinkel des Lasers
abhängt (je flacher eingestrahlt wird, desto höher
die vertikale Auflösung) erschließt sich der Vorteil
der vorliegenden Erfindung insbesondere auch über die variable,
aber fest vorgegebene vertikale Auflösung. Um beim Verfahren
nach dem Stand der Technik bei vorgegebener Neigung von Teilflächen
Schatten zu vermeiden, wird mit dem Laser steiler eingestrahlt,
d. h. der Winkel γ wird größer: Dies
geschieht aber auf Kosten der vertikalen Auflösung.
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Besonders
vorteilhaft lässt sich die vorliegende Erfindung einsetzen,
wenn die Form des Objektes derart beschaffen ist, dass Teile des
Objektes sich im Schatten eines Laserlichtschnittfächers
befinden und somit unter Verwendung eines einzelnen Lasers nach
dem Stand der Technik unbeleuchtet bleiben würden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - B. Breuckmann: „Bildverarbeitung
und optische Messtechnik in der industriellen Praxis", Franzis-Verlag
München, 1993 [0002]
