DE102021206979A1

DE102021206979A1 - Klassifizierung von laser-speckle-profilen zur validierung von teileplatzierung bei einer montageaufgabe

Info

Publication number: DE102021206979A1
Application number: DE102021206979.7A
Authority: DE
Inventors: Kurt D. Rueb
Original assignee: Virtek Vision International ULC
Current assignee: Virtek Vision International Inc Waterloo Ca
Priority date: 2020-07-02
Filing date: 2021-07-02
Publication date: 2022-01-05
Also published as: US11656072B2; CN113959355A; US20220003536A1

Abstract

Ein Verfahren zur Überprüfung der Platzierung von Stücken während einer Montageaufgabe durch Scannen einer kohärenten Lichtquelle, wie z. B. einem Laser, über eine Oberfläche und Charakterisieren des detektierten Interferenz-Speckle-Musters, um die Position des platzierten Stücks von der Oberfläche, auf der das Stück platziert ist, zu unterscheiden. Diese Unterscheidung ist selbst dann möglich, wenn die charakteristischen Merkmale des Stücks und Hintergrunds kleiner sind als die Auflösung des Scansystems. Darüber hinaus können Eigenschaften des Stücks, wie z. B. die Ausrichtung von Fasern in dem Material, durch Klassifizierung der zugehörigen Speckle-Antwort erfasst werden.

Description

FRÜHERE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht Priorität für die am 2. Juli 2020 eingereichte US-Patentanmeldung Nr. 63/047,394 , deren Inhalte hier vollständig aufgenommen werden.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zum Untersuchen von Oberflächen einer Montage, um Genauigkeit eines Herstellungsprozesses zu überprüfen. Genauer gesagt, bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein verbessertes Verfahren zum Identifizieren der richtigen Platzierung und Ausrichtung einer Komponente oder eines Stücks auf einer Arbeitsoberfläche.
HINTERGRUND
Bei bestimmten Arten von Montage kann Validieren der Platzierung von Komponenten mit herkömmlichen Bildgebungssystemen schwierig zu erreichen sein. Zum Beispiel werden bei Herstellung von Verbundteilen viele Schichten nacheinander auf einer Werkzeugoberfläche platziert. Ein typisches Stück, eine Lage, eine Komponente oder ein faserimprägniertes Band kann aus einem Kohlenstofffasermaterial bestehen, das in einem Trägerharz imprägniert ist, das auf vorhergehende, mehr oder weniger identische Schichten gelegt wird, bis eine vorbestimmte Dicke des Verbundes erreicht ist. Jedes Stück wird in der Regel entweder von einer Roboter-Faserband-Verlegungsmaschine platziert oder manuell geführt mit Hilfe eines projizierten Lasermusters platziert, das als eine optische Schablone zum Führen der Montage dient. Bei beiden Arten der Platzierung müssen jedoch der Ort jedes Stückes und die Ausrichtung der Fasern innerhalb des Materials bestätigt werden, um die Festigkeit und strukturelle Integrität der hergestellten Komponente zu gewährleisten. Derzeit wird dies durch eine manuelle Prüfung erreicht, bei der die Platzierung jedes Stückes mit der projizierten Laserschablone verglichen wird. Leider ist diese Prüfmethode recht langsam und anfällig für menschliche Fehler, da sie von menschlicher Interpretation abhängt.
Die Notwendigkeit, den Montageprozess zu prüfen, ist nicht nur auf Schichten von Verbundmaterialien beschränkt, sondern wird bei vielen Montagen benötigt. Oft werden während eines Montageprozesses zwei Komponenten zusammengefügt, die visuell nur schwer oder gar nicht zu unterscheiden sind und bei denen es schwierig oder unmöglich ist, die korrekte Platzierung und Ausrichtung zu überprüfen, wenn sie zusammengefügt sind. In diesem Fall ist eine manuelle Prüfung nicht durchführbar, wenn konsistente Ergebnisse erforderlich sind.
Um den Bedarf an manueller Prüfung zu reduzieren, wäre es wünschenswert, den Prüfprozess zu automatisieren, z. B. durch Messen der Stückposition und Faserorientierung mit einer Prüfkamera. Die Werkzeuge, die zur Herstellung von Komponenten verwendet werden, können jedoch sehr groß und die Merkmale des Stücks sehr klein sein (z. B. ein 20 Fuß-Werkzeug mit Material bestehend aus Kohlenstofffasern, die nur einen Durchmesser von einigen tausendstel Zoll haben). Infolgedessen ist eine gewöhnliche Prüfkamera oder -gerät in der Regel nicht in der Lage, die Merkmale einzelner Stücke direkt aufzulösen, um ihre Platzierung zu überprüfen.
Darüber hinaus antwortet das Kohlefasermaterial in sehr gerichteter Weise, entweder jegliches Umgebungslicht in spiegelnder Weise reflektierend (direkte Reflexion) oder jegliches Restlicht in den dunklen Fasern absorbierend. Ähnliche Schwierigkeiten gibt es auch bei anderen Materialien, die in dem montierten Zustand ähnliche Oberflächeneigenschaften aufweisen. Jede dieser Materialeigenschaften erhöht die Schwierigkeit, den Prüfprozess erfolgreich zu automatisieren, erheblich. Bekannte kamerabasierte Prüfsysteme haben sich als unwirksam erwiesen, um unter diesen Umständen genaue und konsistente Prüfergebnisse zu erzielen. Daher wäre es wünschenswert, den Prüfprozess in einer Weise zu automatisieren, die konsistente und genaue Prüfergebnisse der Arbeitsoberfläche liefert, nachdem ein Stück oder eine Komponente mit der Arbeitsoberfläche zusammengefügt wurde, um die korrekte Platzierung und Ausrichtung zu überprüfen.
ZUSAMMENFASSUNG
Um die Probleme zu überwinden, die mit der Prüfung von zwei Elementen, wie z. B. einer Komponente oder einem Stück und einer Arbeitsoberfläche, verbunden sind, stellt die Erfindung der vorliegenden Anmeldung ein Verfahren zum Auswerten von Interferenz-Speckles, die von einer kohärenten Lichtquelle erzeugt werden, vor. In einer Ausführungsform enthält ein Verfahren zum Überprüfen der Platzierung von Stücken während einer Montageaufgabe Platzieren eines Stücks einer imprägnierten Lage auf eine Arbeitsoberfläche. In einer anderen Ausführungsform wird das Verfahren verwendet, um die Platzierung einer Komponente auf einer Arbeitsoberfläche zu überprüfen, wenn die Komponente schwer von der Arbeitsoberfläche abzugrenzen ist. Eine kohärente Lichtquelle wird über eine Oberfläche des platzierten Stücks und entlang der Arbeitsoberfläche, die als Hintergrund für das platzierte Stücks angeordnet ist, gescannt. Ein optisches Erfassungssystem zeichnet die optischen Eigenschaften eines Interferenz-Speckles auf, der durch gestreutes kohärentes Licht von der kohärenten Lichtquelle, in einer nicht einschränkenden Ausführungsform ein Laser, erzeugt wird. Die Speckle-Antwort zum Unterscheiden zwischen der Oberfläche des Stücks und dem Hintergrund, um die Platzierung des Stückss oder der Komponente zu validieren, wird klassifiziert zum Bestimmen, ob das Stück oder die Komponente richtig platziert und ausgerichtet wurde.
Um die Schwierigkeiten bekannter kamerabasierter Prüfmethoden zu überwinden, scannt das Verfahren dieser Erfindung eine kohärente Lichtquelle über eine Sektion der Arbeitsoberfläche und überwacht die Eigenschaft des von der Oberfläche reflektierten Lichts. Kohärentes Licht, wie z. B. ein Laserstrahl, stellt eine sehr intensive Beleuchtung des Stücks oder der Komponente und der Arbeitsoberfläche bereit, wodurch jegliche schlechte Reflektivität der Oberfläche überwunden wird. Die daraus resultierende Interferenzeigenschaft des zurückgeworfenen Lichts oder Speckles ist daher in der Lage, die Mikrostruktur der Oberfläche des geprüften Stücks oder Komponente von der Arbeitsoberfläche abzugrenzen. Der Prozess und das System der vorliegenden Erfindung können verwendet werden, um die Ausrichtung jeglicher Materialien zu identifizieren, unabhängig davon, ob sie sichtbar sind oder nicht. Dazu gehört Platzierung von Trägern und die Ausrichtung von Nagelplatten, Stoffen, metallischen Komponenten, zusammenfügenden metallischen Strukturen und allen zwei Komponenten, die in einer Weise montiert oder zusammengefügt werden können, die Überprüfung der richtigen Montage erfordert. In einer weiteren komplementären Ausführungsform kann der kalibrierte Laser, der derzeit zur Projektion von Richtungsschablonen auf eine Arbeitsoberfläche für genaue Platzierung verwendet wird, auch eine Referenz für manuelle Prüfung bereitstellen, um einen Prüf-Scan durchzuführen, der erforderliche Genauigkeit zur Validierung der Platzierung bereitstellt.
Figurenliste

1 zeigt eine Rekonstruktion eines erwarteten Bildes aus Beleuchtungseigenschaften der Laserquelle;
2 zeigt die variable Antwort des Speckle-Sensors in einer schmalen Bandbreite;
3 zeigt die variable Antwort des Speckle-Sensors bei einer großen Bandbreite;
4 zeigt ein kontrastreiches Speckle-Muster eines verstimmten Laserscans über einem Aluminiumsubstrat;
5 zeigt ein kontrastarmes Speckle-Muster eines verstimmten Laserscans über ein Blatt Standardpapier;
6 zeigt ein dekonstruiertes zusammengesetztes Bild von nicht wahrnehmbaren Kratzern, die auf dem Aluminiumsubstrat von 4 angeordnet sind;
7 zeigt einen kohärente Lichtquellen-Scan eines Werkstücks durch einen Laserprojektor mit einer kohärenten Lichtquelle;
8 zeigt eine Laserlinienprojektion, die parallel zu einer erwarteten Lagengrenze ausgerichtet ist; und
9 zeigt eine alternative Ausführungsform eines kohärenten Lichtquellen-Scans eines Werkstücks durch einen Laserprojektor mit einer kohärenten Lichtquelle, die einen optischen Teiler und einen Sensor aufweist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die Erfindung der vorliegenden Anmeldung nutzt kohärentes Licht, um zwei verschiedene Komponenten zu unterscheiden, wie z. B. eine Arbeitsoberfläche und eine Lage, ein Stück oder eine Montagekomponente. Wenn kohärentes Licht von einer Oberfläche reflektiert wird, erzeugen Rauheit oder Textur der Oberfläche unterschiedliche Reflexionen, die ein Interferenzmuster erzeugen. Das Interferenzmuster wird durch die Rauheit und Neigung der Oberfläche erzeugt. Beispielsweise erzeugen zwei unterschiedliche Materialien, wie Kunststoff und Stoff, bei der Reflexion von kohärentem Licht unterschiedliche Interferenzmuster.
Das Interferenzmuster entsteht durch Speckle, was eine optische Eigenschaft ist, die Bildvariationen erzeugt. Wenn ein Laser zum Erzeugen des kohärenten Lichts verwendet wird, wird dieses Phänomen manchmal als Laser-Speckle bezeichnet. Speckle-Muster treten typischerweise bei diffusen Reflexionen von monochromatischem Licht auf, wenn es von einem Laser erzeugt wird. Speckle-Muster variieren je nach Art der Oberflächen oder Substraten, von denen das kohärente Licht reflektiert wird, wie z. B. Papier, weiße Farbe oder andere raue Oberflächen. Die Reflektivität variiert mit der Oberflächen-Rauigkeit.
1 zeigt eine beispielhafte Rekonstruktion eines erwarteten Bildes relativ zu einer Oberfläche, auf die das kohärente Licht projiziert wird. Die X-Achse zeigt Millimeter an, während die Y-Achse Intensität anzeigt. Die Antwort ist abhängig von der Art der beleuchteten Oberfläche, den Eigenschaften der kohärenten Lichtquelle oder des Lasers und der Antwort der Kameraoptik. Während die Reflektivität, die kohärente Lichtquelle und der Sensor-Output einheitlich sind, ist die Antwort uneinheitlich und abhängig von den physikalischen Eigenschaften der beleuchteten Oberfläche.
3 zeigt die Auswirkungen der Bewegung eines Laser-Speckle-Musters über eine einheitliche Oberfläche um kleine Beträge, wobei die X-Achse wiederum Millimeter und die Y-Achse die Intensität anzeigt. Dies ist beispielhaft, wenn ein Laser einen Bereich beleuchtet, der im Verhältnis zu einem Bereich, der von einer Kamera abgebildet wird, groß ist. So bildet die Kamera einen Bereich ab, der kleiner ist als beispielsweise ein Durchmesser des Laserstrahls, was zu einem Bild führt, das als feines Speckle-Muster erscheint. Bei dieser Anordnung bewirkt ein Übergang eines Laserstrahls von einer Oberfläche zu einer neuen Oberfläche, der einen Texturübergang aufweist, eine abrupte Änderung des Laser-Speckle-Musters. Eine variable Speckle-Muster-Antwort ist gezeigt als variierend mit Veränderungen der Oberfläche, wenn sich der Scan von einer Oberfläche zu einer anderen Oberfläche bewegt.
Laserprojektionssysteme, die zum Projizieren von Laserschablonen auf eine Arbeitsoberfläche verwendet werden, wie z. B. das System, das in dem US-Patent Nr. 9,200,899 „LASER PROJECTION SYSTEM AND METHOD‟ offenbart ist, dessen Inhalt hier durch Bezugnahme aufgenommen wird, sind aufgrund des Fokus des feinen Laserspots, der weniger als einen Millimeter beträgt, für den Prozess der vorliegenden Anmeldung besonders geeignet. Während eine Ansicht einer Übersichtskamera recht grob ist, führen die typischen Pixel, die einer Fläche von 1/8 bis ¼ Zoll entsprechen, auch dazu, dass die optischen Eigenschaften der Kameralinse das Bild des Laserspots über mehrere Pixel hinweg verwischen. Diese Erscheinung ist in 2 dargestellt, die die variable Sensorantwort auf eine schmale Bandbreite darstellt, wobei die X-Achse Millimeter und die Y-Achse die Intensität anzeigt. Daher erscheint das Bild nun als gaußförmiger oder nahezu gaußförmiger Spot innerhalb des Bildes. Allerdings kann sich die Position des Bildes aufgrund der Interferenz der Lichtwellenlängen scheinbar unregelmäßig bewegen. Das System der vorliegenden Erfindung macht sich diese unregelmäßige Bewegung und die Schwankungen zunutze, die bei sehr geringen Versätzen von nur 0,3 mm auftreten, so dass Schwankungen auf einer Ebene sichtbar werden, die so klein ist wie eine Ausrichtung einzelner Fasern, selbst wenn eine Kamera und ein Laserprojektor in großen Versatz-Abständen angeordnet sind.
Unter Berücksichtigung dieser technischen Elemente ändert sich die Interferenz schnell, wenn ein Laserstrahl quer zu einer langgestreckten Richtung die in einem Band oder einer Lage angeordneten Fasern scannt, während bei einem Scan, der im Allgemeinen parallel zu einer Ausrichtung der Fasern erfolgt, viel größere Ähnlichkeiten und weniger Interferenz zu einem antwortenden Speckle-Muster erhalten bleiben. Durch Scannen des Lasers in verschiedene Richtungen wird dann die Ausrichtung der einzelnen Fasern in einer Lage ermittelt und identifiziert, obwohl weder der Laser noch die Kamera die Auflösung haben, um die Merkmale der Materialien direkt abzubilden. Selbstverständlich ist dieser Prozess nicht nur auf Identifizieren der Ausrichtung von Fasern beschränkt, sondern kann alle abgrenzenden Oberflächenmerkmale nutzen, um die Ausrichtung einer auf einer Arbeitsoberfläche platzierten Komponente zu bestimmen.
Die Wechselwirkung von kohärentem Licht, in diesem Beispiel erzeugt von einem Laser, mit einer Materialoberfläche kann in verschiedenen Modi untersucht werden. In einer Ausführungsform enthält der Modus ein Scannen eines Lasers mit hohen Geschwindigkeiten durch eine identifizierte Zone, um eine Feldbeleuchtung zu erzeugen. Alternativ kann der Laserfokus verstimmt werden, so dass ein großer Laserpunkt auf der Oberfläche entsteht unter Verwendung geringerer Abtastgeschwindigkeit. In beiden Fällen kann ein Bild von Laser-Speckles erzeugt werden, die durch den Laserstrahl in einem lokalen Bereich erzeugt werden. Wie in 4 dargestellt, produziert Laser-Speckle, das auf einer Platte aus Aluminium 6061 erzeugt wird, ein kontrastreiches Speckle-Muster, das in erster Linie Ergebnis feiner, kaum wahrnehmbarer Kratzer oder Mikrokratzer auf der Aluminiumoberfläche ist. Darüber hinaus kann jedes Material anhand von Oberflächeneigenschaften, Anomalien und spezifischen Merkmalen von einem anderen Material abgegrenzt werden. Selbst wenn ein Stück oder eine Komponente mit einem anderen Stück, einer anderen Komponente oder einer Arbeitsoberfläche aus dem gleichen Material zusammengefügt wird, ist das System 10 der vorliegenden Anmeldung in der Lage, das eine vom anderen zu unterscheiden, indem es sich auf Laser-Speckle-Muster stützt, wie weiter unten erläutert wird.
Im Gegensatz zeigt 5 Laser-Speckle als Ergebnis von Scannen eines Blatts weißen Standardpapiers mit kohärentem Licht, das durch einen Laserstrahl erzeugt wird. Die feine Struktur des Fasergeflechts, aus dem das Papier besteht, führt zu einem wesentlich geringeren Speckle-Kontrast. Doch selbst wenn ein geringer Speckle-Kontrast erzeugt wird, kann ein Kamerabild des Speckle-Musters eine erhebliche Menge an Details erkennen lassen.
Räumliche Dekonstruktion der Speckle-Eigenschaften durch eine Steuerung liefert Details, die der Steuerung die Möglichkeit geben, eine Komponente oder ein Stück von einer anderen Komponente oder einem anderen Stück, und Ereignis von einer Arbeitsoberfläche zu abzugrenzen. In 5 ist ein Schema der Dekonstruktion eines Bildes des Speckle-Musters zu sehen. In diesem Beispiel identifiziert die Steuerung die intensivsten Speckles im Bild des unteren Abschnitts oder Viertels des Laser-Speckle-Musters auf der Probe des 6061er-Aluminiums aus 4. Nach Identifizieren der intensivsten Speckles reduziert die Steuerung diese Speckles auf eine einzige Datenzeile, die die X/Y-Koordinaten der Speckles in dem erfassten Bild angibt. Die Steuerung entfaltet die einzelnen Speckles weiter, um indirekt den Ort von feinen Kratzern auf der Materialoberfläche zu identifizieren, die weder für einen Lasersensor noch für einen Kamerasensor sichtbar sind, wie weiter unten beschrieben wird. Der Begriff „entfaltet“ bezieht sich auf einen Prozess der Umkehrung optischer Verzerrung, die in einem optischen Bildgebungsinstrument stattfindet, dadurch erzeugend ein klares Bild z. B. des Laser-Speckles. In einer Ausführungsform wird die Entfaltung im digitalen Bereich durch einen Software-Algorithmus erreicht, der die FourierTransformation als Teil verschiedener Bildgebungstechniken verwendet. Alternative Verfahren zum Erreichen von Entfaltung von Bildern des Laser-Speckles fallen jedoch ebenfalls in den Bereich der vorliegenden Erfindung. Es sollte verstanden werden, dass der Prozess der Entfaltung verwendbar ist, um Oberflächenbilder zu schärfen, die andernfalls aufgrund von schneller Bewegung, Wackeln oder dynamischer Bewegung der Kamera oder des Laserprojektors während Bildaufnahme, einschließlich eines breiten Spektrums von Laser-Speckle, unklar sein können.
In Anbetracht der oben dargelegten Erfindungsprinzipien werden das System und das Verfahren der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die ein verbessertes Scansystem verwendet, wie in 7 allgemein unter 10 dargestellt, nun im Detail beschrieben. In einer ersten Ausführungsform ist eine Quelle für kohärentes Licht ein Laser 12, der einen grünen Laserstrahl 14 bei 532 nm projiziert. Der von dem Laser 12 erzeugte Laserstrahl 14 wird durch einen ersten Scanspiegel 16, der von einem ersten Galvomotor 18 angetrieben wird, und einen zweiten Scanspiegel 20, der von einem zweiten Galvomotor 22 angetrieben wird, in herkömmlicher Weise umgelenkt. Die Scanspiegel 16, 20 lenken den Laserstrahl 14 auf eine Arbeitsoberfläche 24, die ein zusammengesetztes Stück 26 hat, das für Platzierung und Ausrichtung charakterisiert werden soll.
Eine Kamera 28 wird mit der Bewegung der Galvomotoren 18, 22 synchronisiert, um den scannenden Laserstrahl 14 zu verfolgen, während er das Stück 26 und die Arbeitsoberfläche 24 scannt. In einer typischen Scankonfiguration überwacht die Kamera 28 die Intensität des Rückstrahls 30, während der Laserstrahl 14 das Stück 26 scannt, dabei zuordnend die Zeit der Detektion der Position des Scans.
Zur Erläuterung der Validierung des Ortes und der Ausrichtung eines platzierten Stücks 26 wird auf 8 verwiesen. Eine Laserlinie 32 wird parallel zu einer erwarteten Grenze des Stücks 26 gescannt, wenn es mit der Arbeitsoberfläche 24 zusammengefügt wird. In dieser Ausführungsform ist der Umriss des Stücks 26 bekannt, insbesondere wenn eine Laserschablone auf die Arbeitsoberfläche 24 projiziert wurde, um Platzierung des Stücks 26 zu lenken, wie beschrieben in US-Patenten Nummern 9,200,899, „LASER PROJECTION SYSTEM AND METHOD‟; 9,245,062, „LASER PROJECTION SYSTEM USING VARIABLE PART ALIGNMENT‟; 9,442,075, „GALVANOMETER SCANNED CAMERA WITH VARIABLE FOCUS AND METHOD‟; und 9,881,383, „LASER PROJECTION SYSTEM WITH MOTION COMPENSATION AND METHOD‟, deren Inhalt jeweils durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist. Eine Steuerung 34 hat durch Identifizieren eines Ortes der Arbeitsoberfläche 24 in einem dreidimensionalen Koordinatensystem bereits eine Grenze des Stücks 26 auf der Arbeitsoberfläche bestimmt, als eine Laserschablone projiziert wurde, die lenkt, wo das Stück 26 zu platzieren ist. Selbst wenn das Stück 26 falsch platziert wurde, weiß die Steuerung 34, wo sich das Stück 26 zum Zweck des Projizierens der Laserlinie 32 befinden sollte. Zum Zweck des Scannens der Laserlinie 32 scannt der Laserstrahl 14 also die Grenze des Stücks 26 ab.
Wenn der von dem Laser 12 erzeugte Laserstrahl 14 von dem Stück 26 zu der Arbeitsoberfläche 24 scannt, ändert sich das Laser-Speckle-Muster abrupt, was die unterschiedlichen Oberflächen des Stücks 26 und der Arbeitsoberfläche 24 repräsentiert. Wie in 8 dargestellt, ist das Stück 16 als ein mit Fasern imprägniertes Verbundband und die Arbeitsoberfläche 24 als ein zuvor aufgebrachtes, mit Fasern imprägniertes Verbundband dargestellt, auf das das Stück 16 wie gelenkt durch die Laserschablone aufgebracht wird. In dieser Ausführungsform sind die Fasern in dem Stück 16 unterschiedlich ausgerichtet gegenüber den Fasern in der Arbeitsoberfläche 24, darstellend eine Versetzung des Musters. Wird der Laserstrahl 14 quer zu dem Stück 16 (in Pfeilrichtung 36) über die erwartete Grenze geschwenkt, wird die tatsächliche Platzierung des Stücks durch Veränderung der Laser-Speckle-Eigenschaften etabliert. Die Demarkierung zwischen zwei unterschiedlichen Speckle-Eigenschaften definiert die tatsächliche Grenze des platzierten Stücks 26 auf der Arbeitsoberfläche 24. Die tatsächliche Grenze wird dann mit der benötigten Grenze verglichen, die durch die Laserschablone während Platzierung sichtbar definiert wurde. Es sollte verstanden werden, dass das Bild in 8 zur Verdeutlichung vergrößert ist, da der Abstand zwischen den Laserlinien 32 nur Pixel beträgt und die Fasern für das menschliche Auge nicht wahrnehmbar sind.
Es sollte auch verstanden werden, dass Fasern, die in dem Stück 26 und auf der Arbeitsoberfläche 24 angeordnet sind, in die gleiche Richtung ausgerichtet sein können, wobei die Ausrichtung der Abtastlinie 32 variiert wird, um den Weg der Faser zu etablieren und die Grenze des platzierten Stücks 26 zu identifizieren. Scannen des Laserstrahls 14 in einer Richtung, die senkrecht zu den Fasern verläuft, stellt eine maximale Variation der Speckle-Interferenz bereit, während Scannen des Laserstrahls 14 in der gleichen Richtung wie die Fasern das einheitlichste Speckle-Verhalten ergibt. Es wird davon ausgegangen, dass Scannen des Laserstrahls in beide Richtungen die besten Ergebnisse liefern kann.
Das System 10 ist auch nützlich, um Platzierung eines Stücks 26 auf einer Arbeitsoberfläche 24 zu validieren, wenn es sich um komplexere Materialstrukturen handelt, wie z. B. Gewebe aus Fasermaterialien. In diesem Fall kann es notwendig sein, einen Bereich des Materials abzutasten und die Ausrichtung von z. B. Flecken zu klassifizieren, um die Gesamtstruktur zu bestimmen. Ein Vergleich mit einer digitalen Bibliothek von Materialien, die in der Steuerung 34 gespeichert sind, kann verwendet werden. Dies kann jedoch eine Umwandlung der dreidimensionalen Merkmale des Gewebes erfordern, einschließlich Identifizieren des Abstands zwischen dem Laserprojektor und dem Bereich der Arbeitsoberfläche 24 und der Lage, die gescannt wird, sowie Identifizieren der Ausrichtung der Oberfläche und der Form der Oberfläche, wenn die Oberfläche nicht eben ist. Wenn ein Laserprojektor verwendet wird, der dazu dient, Laserschablonen auf die Arbeitsoberfläche 24 zu projizieren, hat die Steuerung 34 bei herkömmlicher Verwendung den Ort der Arbeitsoberfläche 24 in einem dreidimensionalen Koordinatensystem berechnet, bevor der Validierungsprozess beginnt.
Alternativ dazu kann es wünschenswert sein, das System 10 in einem Modus zu betreiben, in dem ein anfänglicher, eng überwachter Montageprozess verwendet wird, um die Fasereigenschaften für jeden Montageschritt zu trainieren. In diesem Fall wird jede Abweichung von früherer Platzierung überwacht, die durch versehentliche Bewegung eines früher platzierten Stücks 26 verursacht werden kann. Somit stellt Sammeln von Platzierungs- und Orientierungsdaten während des überwachten Montageprozesses einen Referenzstandard dar, der zur Validierung der Montage während allgemeiner Produktion verwendet wird. Eine weitere Überprüfung erfolgt, wenn Computer-Aided-Design-, CAD-, Daten das faserige Stück 26 oder Lage und Orientierungsinformation enthalten, die Bildvergleich ermöglichen.
Wie oben beschrieben, ist, wenn ein Laserprojektor zur Projektion optischer Schablonen verwendet wird, um Montageaufgaben zu lenken und zu überwachen, der enthaltene Laserscanner (in dieser Ausführungsform der Laser 10, die Scanspiegel 16, 20 und die Galvomotoren 18, 22) geeignet, die Arbeitsoberfläche 24 und das zu prüfende Stück 26 abzutasten. Daher werden der Montageanleitungs- und Validierungsprozess von ein und demselben System 10 durchgeführt. In dieser Ausführungsform kann Validierung von Platzierung des Stücks 26 auf der Arbeitsoberfläche 24 vereinfacht werden. Vor Platzieren des Stücks 26 identifizieren Grenzabtastungen neben der Laserschablone der Hintergrund-Arbeitsoberfläche 24 Hintergrund-Speckle-Eigenschaften und -Profile, die auch als Hintergrundsignatur bekannt sind. In dieser Ausführungsform kann die Hintergrundsignatur von den Speckle-Eigenschaften und -Profil subtrahiert werden, die nach der Platzierung des Stücks 26 gemessen werden. Nachdem das Stück 26 platziert wurde, wird die Platzierung und Ausrichtung validiert, indem etabliert wird, dass die Speckle-Eigenschaften und -Profil des zuvor identifizierten Hintergrunds unverändert sind für die Grenzabtastungen nach Platzierung außerhalb der Schablone oder der korrekten Platzierung des Stücks. Innerhalb der Schablone oder bei korrekter Platzierung des Stücks erfolgt die Validierung durch Identifizieren einer alternierenden Speckle-Eigenschaft und -Profils. Eine sehr empfindliche Speckle-Eigenschaft kann aus der Hintergrund-Arbeitsoberfläche 24 erzielt werden, wenn Abtastung des Laser-Speckles vor der Platzierung des Stücks 26 erfolgt. Genaue Platzierung des Stücks 26 erfolgt daher durch Scannen entlang der Kante des Stücks 26 in lokalisierten Abtastbereichen, oder durch Scannen von Abtastbereichen, die parallel zu dem beabsichtigten Grenzort verlaufen und durch akzeptable Platzierungstoleranzen, die bis zu 0,5 mm betragen können, voneinander getrennt sind. Bei Verwendung von Speckle-Eigenschaften, die vor Platzierung des Stücks 26 gemessen wurden, sollten sich nur die Abtastungen des Stücks 26 nach der Platzierung (von den vorherigen Abtastungen) unterscheiden.
9 zeigt ein alternatives System, das allgemein bei 110 gezeigt ist. In dieser Ausführungsform ist eine Quelle für kohärentes Licht ein Laser 112, der einen grünen Laserstrahl 114 bei 532nm projiziert. Der von dem Laser 112 erzeugte Laserstrahl 114 wird durch einen ersten Scanspiegel 116, der von einem ersten Galvomotor 118 angetrieben wird, und einen zweiten Scanspiegel 120, der von einem zweiten Galvomotor 122 angetrieben wird, auf herkömmliche Weise umgelenkt. Die Scanspiegel 116, 120 lenken den Laserstrahl 114 auf eine Arbeitsoberfläche 124, die ein montiertes Stück hat, das für Platzierung und Ausrichtung charakterisiert werden soll.
In dieser Ausführungsform wandert ein Rückstrahl 130 auf demselben Weg wie der projizierte Laserstrahl 114 zu einem optischen Strahlteiler 128, der den Rückstrahl 130 zu einem Lichtsensor 132 durchlässt. Der Sensor 132 enthält Sammeloptiken und Sensorelektroniken, wie z. B. mindestens eines von einer Fotodiode, einer Avalanche-Fotodiode oder einem Fotovervielfacher, um die erforderliche Empfindlichkeit für Speckle-Detektion zum Identifizieren unterschiedlicher Laser-Speckle-Eigenschaften bereitzustellen. Es können jedoch auch andere Arten von Licht- oder Lasersensoren für den gleichen Zweck verwendet werden, solange Empfindlichkeit für Speckles erreicht wird. In dieser Ausführungsform ist es denkbar, dass ein herkömmlicher Laserprojektor, wie hier beschrieben, verwendet werden kann. Auf diese Weise lässt sich Synchronisierung der Detektion der Laser-Speckle-Eigenschaft mit der Bewegung des Laserstrahls 114 über die Spiegel 116, 120 und die Galvomotoren 118, 120 leicht erreichen. Traditionelle Laserscansysteme, die zum Schutz optischer Schablonen verwendet werden, werden somit zur Bereitstellung von Funktionalität von Laser-Speckle-Charakterisierung umfunktioniert. Wie in der früheren Ausführungsform hat eine Steuerung 134 durch Identifizieren eines Ortes der Arbeitsoberfläche 124 in einem dreidimensionalen Koordinatensystem bereits eine Grenze des Stücks 126 auf der Arbeitsoberfläche bestimmt, wenn eine Laserschablone projiziert wird, die lenkt, wo das Stück 126 zu platzieren ist.
Die Erfindung wurde in anschaulicher Weise beschrieben, und es ist zu verstehen, dass die verwendete Terminologie eher als Beschreibung denn als Einschränkung zu verstehen ist. Offensichtlich sind viele Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung im Lichte der obigen Lehren möglich. Es ist daher zu verstehen, dass innerhalb der Spezifikation die Referenzzahlen nur zur Hilfe angegeben sind und nicht in irgendeiner Weise einschränkend sind. Die Erfindung kann anders als speziell beschrieben praktiziert werden.
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

US 63/047394 [0001]
US 9200899 [0013]

Claims

Ein Verfahren zum Überprüfen der Platzierung von Stücken während einer Montageaufgabe, aufweisend die folgenden Schritte: Platzieren eines Stücks auf einer Arbeitsoberfläche; Scannen einer kohärenten Lichtquelle über eine Oberfläche des platzierten Stücks und entlang der Arbeitsoberfläche, die als Hintergrund für das platzierte Stück angeordnet ist, wodurch das platzierte Stück und die Arbeitsoberfläche mit kohärentem Licht beleuchtet werden; Bereitstellen eines optischen Erfassungssystems zum Aufzeichnen der optischen Eigenschaften eines Interferenz-Speckles, der durch Streulicht von dem kohärenten Licht erzeugt wird; Klassifizieren der Speckle-Antwort zum Unterscheiden zwischen der Oberfläche des Stücks und dem Hintergrund, um die Platzierung des Stücks zu validieren.
Das Verfahren nach Anspruch 1, weiter enthaltend einen Schritt zum Scannen des Hintergrunds mit kohärentem Licht vor Platzieren des Stücks auf der Arbeitsoberfläche und zum Speichern eines Bildes des Hintergrunds vor Klassifizieren der Speckle-Antwort zum Unterscheiden zwischen der Oberfläche des Stücks und dem Hintergrund.
Das Verfahren nach Anspruch 1, weiter enthaltend einen Schritt zum Projizieren einer Laserschablone auf die Arbeitsoberfläche und zum Scannen des an die Schablone angrenzenden Hintergrunds vor Platzieren des Stücks auf die Arbeitsoberfläche.
Das Verfahren nach Anspruch 1, weiter enthaltend einen Schritt zum räumlichen Dekonstruieren der Speckle-Eigenschaften in einzelne Punktbilder.
Das Verfahren nach Anspruch 4, weiter enthaltend einen Schritt zum Entfalten der einzelnen Punktbilder, um Abweichungen in zwei Dimensionen aufzudecken.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Scannens einer kohärenten Lichtquelle über die Oberfläche des platzierten Stücks und entlang der Hintergrund-Arbeitsoberfläche, die einen Hintergrund für das platzierte Stück definiert, weiter durch Scannen einer kohärenten Laserquelle definiert ist, wodurch das platzierte Stück und die Hintergrund-Arbeitsoberfläche mit einem Laserstrahl beleuchtet werden.
Das Verfahren nach Anspruch 1, weiter enthaltend einen Schritt zum Identifizieren eines Abtastbereichs von mindestens einem von dem platzierten Stück und der Hintergrund-Arbeitsoberfläche und zum Modifizieren des Abtastbereichs entsprechend einer Ausrichtung von im Stück angeordneten Fasern.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Scannens einer kohärenten Lichtquelle über ein Stück weiter definiert ist durch Scannen des kohärenten Lichts von der kohärenten Lichtquelle in zwei Richtungen relativ zu dem Stück.
Das Verfahren nach Anspruch 1, weiter enthaltend den Schritt, dass ein Laserprojektor eine Laserschablone auf der Arbeitsoberfläche scannt und die Laserschablone als Begrenzung für das Scannen der kohärenten Lichtquelle verwendet.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Unterscheidens zwischen der Oberfläche des Stücks und dem Hintergrund, um die Platzierung des Stücks zu validieren, weiter definiert ist durch Identifizieren von nur einem Ort, an dem das Stück von einem Scan des Hintergrunds abweicht.
Ein Verfahren zum Identifizieren einer genauen Platzierung eines Stücks während einer Montageaufgabe, aufweisend die folgenden Schritte: Identifizieren eines vorbestimmten Ortes eines Stücks auf einer Arbeitsoberfläche als Teil einer Montageaufgabe; Platzieren des Stücks auf der Arbeitsoberfläche an dem vorbestimmten Ort; Scannen von kohärentem Licht von einer kohärenten Lichtquelle über das Stück und über mindestens einen Abschnitt der Arbeitsoberfläche, auf der das Stück montiert worden ist; Bereitstellen eines optischen Erfassungssystems zum Erfassen erster Speckle-Eigenschaften des von dem Stück reflektierten kohärenten Lichts und zum Erfassen zweiter Speckle-Eigenschaften des von der Arbeitsoberfläche reflektierten kohärenten Lichts, während kohärentes Licht über das Stück und die Arbeitsoberfläche gescannt wird; und Signalisieren der ersten Speckle-Eigenschaften und der zweiten Speckle-Eigenschaften an eine Steuerung zum Abgrenzen der ersten Speckle-Eigenschaften von den zweiten Speckle-Eigenschaften, dadurch Bestimmen, ob das Stück auf der Arbeitsoberfläche an dem vorbestimmten Ort platziert worden ist.
Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt des Identifizierens eines vorbestimmten Ortes eines Stücks weiter durch Identifizieren der Ausrichtung des Stücks definiert ist.
Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt des Scannens von kohärentem Licht von einer kohärenten Lichtquelle weiter dadurch definiert ist, dass die kohärente Lichtquelle einen Laserprojektor aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt des Identifizierens eines vorbestimmten Ortes eines Stücks auf einer Arbeitsoberfläche weiter definiert ist durch Projizieren einer Laserschablone auf die Arbeitsoberfläche, die einen Umriss des vorbestimmten Ortes des Stücks auf der Arbeitsoberfläche nachzeichnet.
Das Verfahren nach Anspruch 11, weiter enthaltend einen Schritt zum Signalisieren der zweiten Speckle-Eigenschaften an die Steuerung vor Platzieren des Stücks an dem vorbestimmten Ort.
Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt des Scannens von kohärentem Licht von einer kohärenten Lichtquelle weiter durch Scannen von kohärentem Licht in einer ersten Richtung und einer zweiten Richtung über das Stück und mindestens einen Abschnitt der Arbeitsoberfläche definiert ist.
Das Verfahren nach Anspruch 11, weiter enthaltend einen Schritt zum Identifizieren, durch die Steuerung, eines Abtastbereichs auf dem Stück und mindestens einem Abschnitt der Arbeitsoberfläche, zum Bereitstellen des optischen Erfassungssystems in Richtung des Abtastbereichs, und zum Modifizieren, durch die Steuerung, des Abtastbereichs entsprechend einer Ausrichtung von in dem Stück angeordneten Fasern.
Das Verfahren nach Anspruch 11, weiter enthaltend einen Schritt zum Entfalten der ersten Speckle-Eigenschaften und der zweiten Speckle-Eigenschaften in einzelne Speckles zum Identifizieren von Gaußschen Intensitätsprofilen jedes Speckles, dadurch Abgrenzen des Werkstücks von der Arbeitsoberfläche.
Das Verfahren nach Anspruch 14, weiter enthaltend einen Schritt zum Verwenden, durch die Steuerung, der Laserschablone als Grenze für Scannen der kohärenten Lichtquelle und Erfassen der ersten Speckle-Eigenschaften und der zweiten Speckle-Eigenschaften.
Das Verfahren nach Anspruch 11, weiter enthaltend einen Schritt zum Scannen der kohärenten Lichtquelle entlang des Stücks und der Arbeitsoberfläche in einer Vielzahl von Richtungen, dadurch Identifizieren von Ausrichtung von in dem Werkstück und der Arbeitsoberfläche angeordneten Fasermaterials.