DE102009060011A1

DE102009060011A1 - Verfahren zur Objektklassifikation mittels Höhenprofilauswertung

Info

Publication number: DE102009060011A1
Application number: DE200910060011
Authority: DE
Inventors: Stefan Dr. 64291 Nold
Original assignee: Soft Control Automatisierungstechnik 64291 GmbH; Soft Control Automatisierungstechnik GmbH
Current assignee: Soft Control Automatisierungstechnik 64291 GmbH; Soft Control Automatisierungstechnik GmbH
Priority date: 2009-12-21
Filing date: 2009-12-21
Publication date: 2011-07-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Klassifikation von maschinell hergestellten Teilen anhand ihres Höhenprofils. Solche Objekte weisen herstellungsbedingt meist ein oder mehrere glatte Flächen unterschiedlicher Höhe auf. Bewegt man diese Objekte relativ zu in geeigneter Weise angeordneten Abstandssensoren, können die zugehörigen Höhenprofile aufgenommen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren beschreibt eine allgemein einsetzbare Möglichkeit, um Objekte anhand eines solchen Satzes von Höhenprofilen zu klassifizieren. Hierzu wird jedes aufgenommene Signal auf eine Folge von Niveaus unterschiedlicher Höhe und Breite abgebildet, wobei Übergangsbereiche ausgeblendet werden. Die Höhenprofile können nach verschiedenen Kriterien, wie der Reihenfolge der Niveaus, der Niveauhöhe und der Niveaubreite mit Profilen verglichen werden, die vorab in einer Lernphase ermittelt werden. Das Verfahren ordnet den aktuell ermittelten Satz von Niveaufolgen einer der gespeicherten Sätze zu oder liefert ein Fehlersignal, wenn keine Übereinstimmung feststellbar ist. Triggert man die Messwerterfassung synchron zur Relativbewegung von Sensor und Objekt sind die aufgenommene Profile unabhängig von der Verfahrgeschwindigkeit.

Description

Stand der Technik
Für die optische Kontrolle gibt es eine große Zahl von Produkten in Form von intelligenten Kameras, die in einer Lernphase die charakteristischen Eigenschaften von Referenzbildern ermitteln und speichern können. Anhand dieser Charakteristik können in einer Testphase Bilder von Prüfobjekten ausgewertet und klassifiziert werden, so dass die intelligente Kamera automatisch entscheiden kann, um welches Prüfobjekt es sich handelt und ob es Fehler aufweist.
In vielen Fällen sind charakteristische Merkmale oder Schädigungen aber auch über eine Messung des Höhenprofils mit Hilfe von Abstandssensoren erkennbar. Es gibt jedoch derzeit kein Verfahren zur Auswertung von Höhenprofilen, das mit den Verfahren vergleichbar wäre, mit denen intelligente Kameras Testbilder gegen Referenzmustern prüfen. Zum überwiegenden Teil werden die Signale von Abstandssensoren heute immer noch mit Hilfe von einfachen Schwellwertüberwachungen ausgewertet. Ferner ist die Ermittlung der Dicke bei kontinuierlich ablaufende Prozessen durch die Addition von Signalen zwei einander gegenüberliegenden Sensoren übliche Praxis. Abstandssensoren, insbesondere Lasersensoren, die in komplexen Prüfeinrichtungen, wie z. B. in DE4335249 , verwendet werden, dienen vorwiegend zur messtechnischen Erfassung eines Profils, wobei dann meist eine aufgabenspezifische Auswertung nachgeschaltet ist.
DE19915711 und DE19838654 beschreiben allgemeine Ansätze der Gewinnung von Merkmalen mit assoziativen oder neuronalen Netzen. Weiterhin gibt es Vorschläge für Vorrichtungen, mit denen man Profile in geeigneter Weise vermessen kann, z. B. zur Vermessung der Geometrie von Kanten ( DE 10 2006 046 545 ), von zylindrischen Objekten ( DE4200994 ) oder von Profilen von Werkstücken, die mit Pulver oder Nasslack zu beschichten sind ( DE 10 2006 032 645 ).
In DE 10 2005 052 560 wird vorgeschlagen, ein neu vermessenes Zylinderschlüsselprofil per Datenfernübertragung an eine zentrale Datenbank zu übermitteln, mit den dort abgelegten Mustern zu vergleichen und die Kennung des passenden Rohlings zurück zu senden.
Beschreibung der Aufgabe
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem technisch hergestellte Objekte anhand ihres Höhenprofils auf einfache und universelle Art und Weise so klassifiziert werden können, dass eine Sortierung nach Typen oder eine Erkennung von fehlerbehafteten Objekten auf einfache Weise möglich ist. Dabei soll die Tatsache ausgenutzt werden, dass die meisten technisch hergestellten Objekte durch den Herstellungsprozess bedingt (Drehen, Fräsen, Stanzen etc.) Höhenprofile aufweisen, die aus einer Folge von unterschiedlichen Niveaus bestehen. Das Verfahren soll sowohl für Höhenprofile geeignet sein, die von Sensoren mit Analogausgang aufgenommen wurden, als auch für binäre Abstandssignale, die von Sensoren mit Schaltausgang erzeugt werden.
Gegenstand der Prüfung sollen einzelne Objekte sein. Es geht nicht um die Überwachung kontinuierlicher Prozesse. Die Höhenprofile entstehen, indem das zugehörige Objekt an einem oder mehreren Sensoren vorbei bewegt wird, z. B. auf einem Förderband. Es ist auch der umgekehrte Fall möglich, dass das Objekt steht und die Sensoren am Objekt vorbei bewegt werden. Es gibt Sensoren, insbesondere Lasersensoren, die gerade bei scharfkantigen Übergängen hohe Messfehler aufweisen (hohe Ausschläge nach oben und unten). Dies ist bei der Entwicklung des Verfahrens zu berücksichtigen.
Es wird davon ausgegangen, dass Referenzobjekte zur Verfügung stehen, deren Höhenprofile in einer Lernphase aufgenommen und gespeichert werden können. Werden Objekte nach dem erfindungsgemäßen Verfahren geprüft, soll das Prüfergebnis entweder eine Zuordnung des Objekts zu einer der abgespeicherten Klassen sein, um die Teile sortieren zu können oder die Meldung, dass das aufgenommene Profil mit keinem der aufgenommenen Profile übereinstimmt, um so den Defekt eines Teiles anzuzeigen.
Beschreibung der Erfindung
Im Gegensatz zu in der Natur vorkommenden Gegenständen haben die meisten technisch hergestellten Objekte scharfkantige Übergänge. Dies ist durch die Herstellungsprozesse bedingt, wie Drehen, Fräsen oder Stanzen. Wenn man wie in 1 dargestellt, ein solches Objekt, in diesem Fall ein Drehteil (2), über eine Führung (1) an einem Sensor (3) vorbei bewegt, und zu den Zeitpunkten k das Höhenprofil Y dieser Objekte abtastet, erhält man den in 2 dargestellten Verlauf A(k). Unter Berücksichtigung des festen Abstands zwischen Sensor (3) und Führung (1) kann dieser Verlauf direkt in das in 3 gezeigte Höhenprofil Y(k) umgerechnet werden. Dieses ist eine Folge von unterschiedlichen Niveaus N. Anfang und Ende der Abtastung werden hierbei über einen separaten Triggereingang gesetzt oder dadurch, dass das Signal in einen Bereich eintritt, der für das Objekt zulässige Werte beinhaltet. Das Grundidee des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, Höhenprofile anhand ihrer Niveaus auf eine allgemeine Art und Weise mit bereits vorhandenen Profilen zu vergleichen und so zu klassifizieren. Eine Möglichkeit besteht zum Beispiel darin, ein Histogramm zu erstellen, das heißt, die Häufigkeit H, mit der Höhenwerte Y auftreten, über den Höhenwerten Y aufzutragen, siehe 4. Wenn das Höhenprofil aus mehreren Niveaus besteht, die durch Rampen miteinander verbunden sind, wird man im Histogramm mehrere scharf ausgeprägt Maxima finden. Diese repräsentieren die Niveauklassen. Im Beispiel sind das die Klassen N0, N1, N2 und N3. Bereiche, die nur eine sehr kleine Anzahl von Messpunkten aufweisen, werden eliminiert. Auf diese Weise wird das Ergebnis nicht durch Ausreißer, die gerade beim Einsatz von Lasersensoren im Kantenbereich durch mangelnde Reflexionen auftreten können, verfälscht. Möglichst in die Mitte zwischen zwei Maxima legt man die Schwellen S1-S3, die die einzelnen Niveaus voneinander abgrenzen. Die oberste Schwelle S4 legt man etwas über den größten aufgetretenen Wert. Man kann nun den Signalverlauf analysieren und die Folge von Messwerten auf eine Folge von Niveaus abbilden. Im Beispiel ist das die Niveaufolge
N0-N1-N3-N2-N0
Auch hier erkennt man, wie wichtig es ist, Niveaus, die nur wenige Messpunkte aufweisen, zu eliminieren. Denn eine Rampe, die nicht direkt nebeneinander liegende Niveaus miteinander verbindet, wie hier beim Übergang N1-N3 und N2-N0 enthält mit hoher Wahrscheinlichkeit auch einige wenige Punkte der Zwischenniveaus, im Beispiel N2 und N1.
Das Referenzprofil und das gerade erfasste Profil können nach verschiedenen Kriterien miteinander verglichen werden: Das einfachste Kriterium ist die Anzahl und die Reihenfolge der Niveaus. Wenn das in 1 dargestellte Objekt in der verkehrten Richtung am Sensor vorbei geführt würde, wäre die Niveaufolge
N0-N2-N3-N1-N0
Stimmt die Anzahl der Niveaus und die Niveaufolge des gelernten Musters mit der aktuell gemessenen Niveaufolge überein, kann im nächsten Schritt die Anzahl k von aufeinanderfolgenden Messwerte, die einem Niveau zugeordnet ist, mit ihrem Pendant im Referenzprofil verglichen werden. Um hierbei Abweichungen durch unterschiedliche Fahrgeschwindigkeiten so weit als möglich zu eliminieren, können anstelle der absoluten Zahlen auch Relativwerte verwendet werden. Das heißt, es werden nicht die Anzahlen der Messpunkte der Niveaus miteinander verglichen sondern jede Anzahl wird ins Verhältnis zu der Gesamtzahl der Messpunkte der jeweiligen Folge von Messwerten gesetzt. Auf diese Weise können nur noch Änderungen der Verfahrgeschwindigkeit während der Erfassung selbst zu Fehlklassifikationen führen. Noch besser ist es, wenn man die Erfassung eines Satzes von Messwerten mit einem Signal triggert, das synchron zur Relativbewegung zwischen Objekt und Sensor ist. In diesem Fall ist das Ergebnis vollkommen unabhängig von Schwankungen in der Relativgeschwindigkeit.

Dieses Verfahren zur Auswertung der Niveaubreiten kann auch bei Binärsignalen angewendet werden, die von Sensoren mit Schwellwertausgang erzeugt werden. Diese Auswertung kann man bildlich auch als Identifikation eines Morsesignals auffassen, bei dem die Information in der unterschiedlichen Länge der einzelnen Signalabschnitte enthalten ist. In 5 und 6 ist jeweils ein Drehteil (4), (5) mit dem zugehörigen Signal dargestellt, das bei Rotation des Drehteils vor einem Abstandssensor (6) mit Schwellwertausgang aufgenommen wurde. Die Rotationsgeschwindigkeiten sind dabei etwas unterschiedlich. Da es sich um ein Binärsignal handelt, gibt es nur die Niveaus N0 und N1. Wenn N0i das i-te Niveau N0 und N1j das j-te Niveau N1 im aufgenommenen Signal ist, dann erhält man die absoluten Zahlen K (Nr) und die auf die Gesamtzahl der Messpunkte bezogenen Zahlen K (%) für die einzelnen Niveaus entsprechend der unten stehenden Tabelle.

	N10	N00	N11	N01	N12	N02	N13	N03	kGes
Niveaubreiten bei Teil (4) aus Fig. 5
K (Nr)	40	40	40	40	40	40	40	40	320
K (%)	12,5	12,5	12,5	12,5	12,5	12,5	12,5	12,5	100
Niveaubreiten bei Teil (5) aus Fig. 6
K (Nr)	35	35	35	35	35	25	55	25	280
K (%)	12,5	12,5	12,5	12,5	12,5	8,9	19,6	8,9	100

Die Abweichungen (in der Tabelle fett gedruckte K%-Zahlen) sind so markant, dass sie sofort erkennbar sind. Erfasst man Analogsignale, kann in ähnlicher Weise auch die Höhe der Niveaus ausgewertet werden. Welche Bereiche für Niveaubreite und Höhe zulässig sind, kann entweder automatisch ermittelt werden, indem man mehrere Referenzobjekte vermisst und für jede Breite bzw. Höhe statistische Kenngrößen wie die Standardabweichung berechnet. Treten Werte auf, die außerhalb des Dreifachen der Standardabweichung liegen, wird auf Fehler erkannt. Man kann aber auch explizit die zulässigen Wertebereiche festlegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 4335249 [0002]
DE 19915711 [0003]
DE 19838654 [0003]
DE 102006046545 [0003]
DE 4200994 [0003]
DE 102006032645 [0003]
DE 102005052560 [0004]

Claims

Verfahren zur Klassifikation eines Objektes (2) anhand eines Satzes von einer oder mehrerer Folgen von Messwerten, die ein oder mehrere Höhenprofile dieses Objekts (2) darstellen, welche durch eine Relativbewegung zwischen ein oder mehreren in geeigneter Weise angeordneten Abstandssensoren (3) und dem Objekt (2) aufgenommen wurden und die ein oder mehrere deutlich unterscheidbare Niveaus aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass zu jeder Folge von Messwerten, die in einer Lernphase auf diese Weise mit einem oder mehreren Referenzobjekten erzeugt wird, eine Folge von Niveaus ermittelt und, bei mehr als zwei Referenzobjekten mit einer Kennung versehen, gespeichert wird, und in einer zweiten Prüfphase andere Objekte in der gleichen Weise relativ zu den Abstandssensoren (3) bewegt werden und dabei aus den gemessenen Folgen von Abstandswerten in gleicher Weise eine oder mehrere Niveaufolgen ermittelt werden, welche mit den gespeicherten Folgen so verglichen werden, dass bei Übereinstimmung zwischen einem Satz aktuell ermittelter Folgen und einem gespeicherten Satz von Folgen die zugehörige Kennung gemeldet und/oder ein Fehlersignal generiert wird, wenn der Unterschied zwischen den gespeicherten Sätzen und dem aktuell ermittelten Satz von Folgen eine bestimmte Schwelle überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Lernphase sprungartige Übergänge in der aufgenommenen Folge von Messwerten ermittelt werden und die Abstandsmesswerte zwischen diesen Übergängen Niveauklassen zugeordnet werden und die so ermittelte Folge von Niveauklassen gespeichert und der Vergleich in der Prüfphase aus einem Vergleich der Reihenfolge der Niveauklassen besteht, die in der Lernphase und der Prüfphase auf die gleiche Art und Weise ermittelt wurden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung der Niveaufolge die Niveaus eliminiert werden, die nur aus wenigen aufeinander folgenden Punkten bestehen, so dass Messpunkte aus den Übergangsbereichen zwischen zwei Niveaus, die durch eine begrenzte Flankensteilheit oder durch Messfehler entstehen, keine Auswirkung auf die Ermittlung der Niveaufolge haben.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich darin besteht, die Unterschiede von zwei Sätzen von Niveaufolgen aus Lern- und Prüfphase zu ermitteln, indem man entsprechend der Reihenfolge der Niveaus zu jedem Element der Niveaufolge der Prüfphase das zugehörige Element der Lernphase untersucht und dabei die Anzahlen aufeinander folgender Messwerte, die dem jeweiligen Niveau zugeordnet worden sind, miteinander vergleicht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich darin besteht, die Unterschiede von zwei Sätzen von Niveaufolgen aus Lern- und Prüfphase zu ermitteln, indem man entsprechend der Reihenfolge der Niveaus zu jedem Element der Niveaufolge der Prüfphase das zugehörige Element der Lernphase untersucht und dabei die auf die Gesamtanzahl der Messwerte des jeweiligen Profils bezogenen Anzahlen aufeinander folgender Messwerte, die dem jeweiligen Niveau zugeordnet worden sind, miteinander vergleicht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich darin besteht, die Unterschiede von zwei Sätzen von Niveaufolgen aus Lern- und Prüfphase zu ermitteln, indem man entsprechend der Reihenfolge der Niveaus zu jedem Element der Niveaufolge der Prüfphase das zugehörige Element der Lernphase untersucht und dabei die mittlere Höhe der Niveaus miteinander vergleicht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme der Abstandsmesswerte über ein zu der Relativbewegung zwischen Abstandssensoren (3) und Objekt (2) synchrones Signal erfolgt, so dass aufeinander folgende Messwerte Punkten im Höhenprofil zugeordnet sind, die zueinander einen festen Abstand in der Richtung der Relativbewegung zwischen Objekt (2) und Abstandssensor (3) aufweisen.