DE102021211376A1

DE102021211376A1 - Verfahren und system zum überprüfen vonreparatur- oder montagevorgängen

Info

Publication number: DE102021211376A1
Application number: DE102021211376.1A
Authority: DE
Inventors: Kurt D. Rueb; Jeffrey Erbrecht; Beth McAndless; Vincent Tran
Original assignee: Virtek Vision International ULC
Current assignee: Virtek Vision International Inc Waterloo Ca
Priority date: 2020-10-09
Filing date: 2021-10-08
Publication date: 2022-04-14
Also published as: US11828711B2; US20220113259A1; CN114322754A

Abstract

Ein Verfahren zum Identifizieren eines Gegenstandes auf einer Oberfläche von einem Werkstück wird offenbart. Ein optisches Gerät identifiziert einen Gegenstand auf der Oberfläche von einem Werkstück. Ein Gegenstandsidentifizierungs-System enthält einen Lichtprojektor und ein Photogrammetrie-System. Einer des Lichtprojektors und des Photogrammetrie-Systems erzeugt ein dreidimensionales Koordinatensystem innerhalb der Arbeitszelle. Einer des Lichtprojektors und des Photogrammetrie-Systems identifiziert eine Position der Oberfläche des Werkstücks innerhalb des dreidimensionalen Koordinatensystems. Die Steuerung berechnet geometrische Position des Gegenstands auf der Oberfläche des Werkstücks in dem dreidimensionalen Koordinatensystem, wie von dem optischen Gerät identifiziert. Die Steuerung signalisiert dem Lichtprojektor, einen Lichtstrahl auf die Oberfläche des Werkstücks zu projizieren, der die Anordnung des Gegenstands, der auf der Oberfläche des Werkstücks angeordnet ist, identifiziert.

Description

FRÜHERE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 9. Oktober 2020 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 63/089,866 , deren Inhalte hier vollständig mit aufgenommen werden.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zum Identifizieren von Elementen auf einer Oberfläche eines in einer Arbeitszelle angeordneten Werkstücks. Genauer gesagt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Verwenden eines Laserprojektors zum Projizieren eines Laserbildes auf die Oberfläche eines Werkstücks zum Identifizieren eines Gegenstands, wie z.B. eines Fehlers und Status der von einem Bediener an dem Gegenstand durchgeführten Arbeit.
HINTERGRUND
Bestrebungen zum Automatisieren, z. B. von Montage von Kraftfahrzeugen und anderen Massenproduktionsverfahren, sind weit fortgeschritten. Es wurden verschiedene Technologien implementiert, um Bediener durch Bereitstellen von automatischen Anweisungen für Durchführen von Arbeitsfunktionen zu unterstützen. Automatisches Identifizieren von Fehlern, die nicht den Spezifikationsanforderungen entsprechen, und das gleichzeitige Anleiten des Bedieners, wo er eine Reparatur oder eine andere Arbeitsfunktion durchführen soll, hat sich jedoch als schwierig erwiesen. Ein Problem im Zusammenhang mit automatischer Identifizierung von Gegenständen, wie z. B. Fehlern, ist das hohe Tempo der Massenproduktion, die z. B. bewegliche Fließbänder verwendet. Ein nicht einschränkendes Beispiel ist Identifikation von Lackierfehlern an einem Ende der Montage oder unmittelbar nach dem Lackierung. Nachdem eine Karosserie lackiert wurde, wird sie zum Beispiel über eine fahrende Montage in eine hell beleuchtete Inspektionskabine gebracht. Dort kontrollieren Inspektoren visuell, ob Lack- oder Karosseriefehler vorhanden sind, und reparieren entweder den Fehler oder markieren ihn für eine spätere Reparatur, nachdem das Fahrzeug vollständig montiert wurde.
Dieser Prozess ist schwierig und unterliegt menschlichen Fehlern. Oft handelt es sich bei den Lackierfehlern nur um kleine Partikel angeordnet in einer Klarlackschicht, einen kleinen Lackabrieb oder einen Krater. Selbst die erfahrensten Bediener haben Schwierigkeiten, diese Fehler zu lokalisieren, und oft werden die Fehler nie erkannt. Dies ist auch deshalb problematisch, weil die Fehler wahllos auf der lackierten Fahrzeugkarosserie verteilt sind. Darüber hinaus werden diese Fehler nicht verfolgt, was die Möglichkeit bieten würde, Trends zu erkennen. Daher wäre es wünschenswert, einen automatisierten Inspektionsprozess zum Identifizieren von Lackierfehlern an einer Fahrzeugkarosserie oder einem anderen lackierten Objekt bereitzustellen. Zwar gibt es bereits Bildverarbeitungstechnologien, die in der Lage sind, Lackierfehler zu identifizieren, doch Übertragen dieser Information an einen Bediener, der die notwendigen Reparaturen vornimmt, hat die Umsetzung verhindert. Bekannte Bildverarbeitungstechnologien, die in der Lage sind, Lackierfehler zu erkennen, befinden sich in einiger Entfernung von einer Arbeitszelle, in der die Fehler repariert werden. Bei Übergabe der Karosserie an die Arbeitszelle muss die Position der Fehler in einem neuen Koordinatensystem identifiziert werden, das nur für die Arbeitszelle gilt und gleichzeitig den Anforderungen der Massenproduktion gerecht wird. Daher gibt es nicht nur einen Bedarf zum Identifizieren eines Fehlers, sondern auch zum Erstellen von Signalisierung von der Position und der Anordnung des Fehlers an den Bediener.
ZUSAMMENFASSUNG
Es werden ein Verfahren und ein System zum Identifizieren eines Gegenstandes auf einer Oberfläche eines Werkstücks, das eine Arbeitszelle durchläuft, offenbart. Ein optisches Gerät identifiziert einen Gegenstand auf der Oberfläche des Werkstücks. Das optische Gerät signalisiert einer Steuerung, dass ein Gegenstand identifiziert wurde. Die Steuerung signalisiert einem Gegenstandsidentifizierungs-System, das einen Lichtprojektor und ein Photogrammetrie-System enthält. Der Lichtprojektor oder das Photogrammetrie-System erzeugen ein dreidimensionales Koordinatensystem innerhalb der Arbeitszelle. Alternativ erzeugen sowohl der Lichtprojektor als auch das Photogrammetrie-System gemeinsam ein dreidimensionales Koordinatensystem innerhalb der Arbeitszelle. Sobald das dreidimensionale Koordinatensystem erzeugt ist, identifiziert der Lichtprojektor eine Position der Oberfläche des Werkstücks innerhalb des dreidimensionalen Koordinatensystems. Das Photogrammetrie-System kann auch dazu verwendet werden, die Oberfläche des Werkstücks innerhalb des dreidimensionalen Koordinatensystems zu lokalisieren.
Die Steuerung kalibriert die Position der Arbeitsoberfläche innerhalb des dreidimensionalen Koordinatensystems mit dem identifizierten Gegenstand. Nach der Kalibrierung berechnet die Steuerung eine geometrische Position des Gegenstands auf der Arbeitsoberfläche in dem dreidimensionalen Koordinatensystem, wie von der optischen Vorrichtung identifiziert. Die Steuerung signalisiert dann dem Lichtprojektor, einen Lichtstrahl auf die Oberfläche des Werkstücks zu scannen, der eine Anordnung des auf der Oberfläche des Werkstücks angeordneten Gegenstands identifiziert.
Das System der vorliegenden Erfindung ermöglicht es einem Bediener erstmals, sich auf die Reparatur von Lackier- oder anderen Fehlern zu konzentrieren, ohne die Fehler zuerst lokalisieren zu müssen. Da das System die Anordnung des Fehlers identifiziert, wird zudem die Position des Fehlers und ob der Fehler repariert wurde, durch Visualisierung der Anordnung auf der Oberfläche des Werkstücks bereitgestellt.
Ein Ansatz zur Erreichung dieses Ziels ist Anzeigen von Information zur Montageaufgabe auf der Oberfläche eines Werkstücks. Dies ist durch die Verwendung eines herkömmlichen Videoprojektors erreichbar, der ein Rasterbild auf die Oberfläche projiziert, was jedoch durch die relative Helligkeit, Genauigkeit und Präzision der Anzeige und die Flexibilität bei Interaktion mit einem Bediener eingeschränkt sein könnte. Alternativ dazu kann eine Vektoranzeige, bei der ein von einer Laserquelle projizierter Laserpunkt nacheinander durch ein Muster verfolgt wird, einzigartige Möglichkeiten bieten. Wird beispielsweise ein 1 mW-Laserpunkt auf eine Fläche von 1 mm² gelenkt, so ist eine Kilowatt-Projektionsquelle erforderlich, wenn ein Rasterprojektor eine Fläche von 1 m2 abdeckt.
Alternativ dazu projiziert eine herkömmliche Rasterlasertechnologie ein Laserbild mit einer Genauigkeit im Submillimeterbereich auf eine Fläche von mehreren Quadratmetern. Die Hauptanforderung an eine klare Laserprojektion besteht darin, eine klare, flackerfreie Laserprojektion bereitzustellen, die für präzise Platzierung von Laserbildern auf einer Oberfläche eines Werkstücks optimiert ist. Um die benötigte Genauigkeit zu erreichen, wird die Position eines Werkstücks oft mit genau gemessenen Referenzzielen identifiziert, die von dem Projektionssystem verwendet werden können, um die relative Position zu bestimmen, die notwendig ist, um die erforderliche Präzision und Genauigkeit zu erreichen.
Das Verfahren der vorliegenden Anmeldung erfordert nicht notwendigerweise Genauigkeit und Struktur, die mit Projektion von Legeschablonen verbunden sind. Die Reihenfolge, in der die Aufgaben der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden, kann von einem Bediener gewählt werden. Oft können mehrere Bediener zusammenarbeiten, um eine Gesamtaufgabe zu erfüllen, wie z. B. Verifizieren von Fehlern an einem Fahrzeuglackauftrag, die identifiziert und repariert wurden. Daher ist es wünschenswert, dass die Projektschritte nicht in einer bestimmten Reihenfolge ausgeführt werden, sondern dass gleichzeitig eine große Anzahl möglicher Arbeitsschritte angeboten wird, die in beliebiger Reihenfolge ausgeführt werden können. Dennoch muss sichergestellt werden, dass die Aufgabe abgeschlossen ist, dass alle Befestigungselemente eingesetzt oder alle Fehler in der Endlackierung behoben wurden. Herkömmliche Ansätze für die Laserprojektion von Schablonen würden daher unter diesen Umständen nicht ausreichen.
Wie weiter unten erläutert wird, gelten verschiedene Laserprojektionstechnologien als geeignet, um diese anspruchsvollen Kriterien zu erfüllen, auch wenn sie nicht unbedingt so strukturiert sind, dass sie das Verfahren der vorliegenden Erfindung durchführen können. Ein Beispiel hierfür ist das US-Patent Nr. 9,200,899 „Laser Projection System and Method“, das verschiedene Techniken zum Lokalisieren von Objekten in einem dreidimensionalen Koordinatensystem unter Verwendung kooperativer Photogrammetrie-Systeme und Laserprojektoren offenbart. Ein weiteres Patent ist US-Patent Nr. 10,052,734 „Laser Projector with flash Alignment“, das Techniken zum schnellen Lokalisieren von Zielen zum Herstellen einer geometrischen Beziehung zwischen einem Werkstück und einem Laserprojektor offenbart. Ein weiteres Patent ist US-Patent Nr. 9,881,383 „Laser Projection System with Motion Compensation and Method“, das Techniken zum Erkennen dynamischer Bewegung eines Objekts in einem dreidimensionalen Koordinatensystem offenbart. Ein weiteres Patent ist US-Patent Nr. 9,245,062 , „Laser Projection System Using Variable PartAlignment“, das eine verbesserte Genauigkeit bei Projizieren von Laserbildern auf ein Werkstück offenbart, das nicht entsprechend der Konstruktionsabsicht hergestellt wurde. Der Inhalt jedes dieser Patente wird der Kürze halber in der vorliegenden Anmeldung durch Bezugnahme aufgenommen.
Anstatt den traditionellen Schritt-für-Schritt-Prozess, der in diesen Referenzen offenbart wird, durchzuführen, wird ein neuer Prozess sowohl für Laseridentifikation als auch für die Lokalisierung verschiedener Stücke auf der Oberfläche eines Werkstücks offenbart. Es wird eine zufällige Reihenfolge festgelegt, so dass einem Bediener die Möglichkeit bereitgestellt wird, eine Reihenfolge zu bestimmen. Darüber hinaus wird mehreren Bedienern die Möglichkeit bereitgestellt, gleichzeitig Arbeitsfunktionen in beliebiger Reihenfolge ausführen. All dies wird von der Steuerung und dem Gegenstandsidentifikations-System der vorliegenden Erfindung koordiniert, während gleichzeitig überprüft wird, ob Aufgaben abgeschlossen sind, und ein Bediener über diesen Abschluss informiert wird.
In dem System der vorliegenden Erfindung wird die Sichtbarkeit von laserprojizierten Bildern wichtiger als deren Klarheit. Daher ist es nicht notwendig, ein fein fokussiertes, flackerfreies projiziertes Bild zu haben, selbst wenn die Aufgabe in einer hell beleuchteten Zelle durchgeführt wird, wie es für eine Prüfkabine typisch ist. Die genaue Position ist von geringerer Bedeutung, da die Position einer zu platzierenden Schraube durch das Gewindeloch begrenzt ist, während Reparatur eines Fehlers in einer lackierten Oberfläche nur eine Position erfordert, die ausreicht, um die Erkennung des Fehlers selbst zu unterstützen, und Sichtbarkeit ist wünschenswerter als Klarheit des projizierten Musters.
Die Sichtbarkeit einer Projektion ist im Allgemeinen eine Funktion der Gesamtenergiemenge geteilt durch den scheinbaren Umfang des Merkmals oder des Laserbildes. Werden mehrere Merkmale, z. B. ein vollständiger Satz von Schraubenpositionen, gleichzeitig und ohne Flackern dargestellt, kann die scheinbare Helligkeit linear mit der Gesamtlänge des Umrisses der Projektion abnehmen. Traditionell wird einem Rückgang der scheinbaren Intensität durch eine Erhöhung der momentanen Laserleistung entgegengewirkt, so dass die Gesamtenergie und die Sichtbarkeit erhöht werden. Aus Sicherheitsgründen wird in der Praxis und aus rechtlichen Gründen davon ausgegangen, dass sich die thermische Energie der Laserbestrahlung mit der Zeit abbaut. Wird ein bestimmter Bereich einer Projektion in der Hälfte der Zeit auf die Netzhaut des Auges projiziert, so darf die Leistung gemäß den Vorschriften nur um 20 % erhöht werden, während für eine gleichwertige Energie und damit Sichtbarkeit eine Verdoppelung der Leistung erforderlich wäre. Diese Abschwächung schränkt die praktische Sichtbarkeit wesentlich ein, wenn eine flackerfreie Projektion gewünscht ist.
Ist hingegen keine flackerfreie Projektion wie bei der vorliegenden Erfindung erforderlich, kann eine optimale Energiedosis für die gewünschte Sichtbarkeit ermittelt werden. Um sichere Betriebsbedingungen zu schaffen, ist häufig die Verwendung eines Laserprojektionssystems der Klasse 2 erforderlich. Bei Betrieb der Klasse 2 kann das Auge 0,25 Sekunden lang einer Laserquelle von 1 mW ausgesetzt werden. Für Zeiträume von etwa 50 Millisekunden bis 0,250 Sekunden erscheint eine längere Bestrahlungsdauer für das Auge einfach länger, ohne dass sich die Sichtbarkeit bei einer bestimmten momentanen Laserleistung erhöht. Nach der Spezifikation der Klasse 2 beträgt der zulässige Emissionswert (AEL) = 7x10-,4t0,75 = 75µJ, was einer Laserleistung von etwa 1,5 mW entspricht. Diese Energiemenge, die sich auf einen minimalen Umfang verteilt, bietet eine optimale Sichtbarkeit, mit der Einschränkung, dass ab einer bestimmten Entfernung kleinere Muster aufgrund der Grenzen der Sehschärfe schwerer zu erkennen sind. Die Bereitstellung eines Indikators mit optimaler Sichtbarkeit zum Identifizieren der Position eines Vorgangs wird zu einem Gleichgewicht zwischen der Mindestgröße oder Energiekonzentration und der typischen erwarteten Entfernung zum Bediener.
Die nachteilige Auswirkung dieses Ansatzes könnte darin bestehen, dass das Flackern extrem ist. Eine Periode von 50 Millisekunden entspricht einer Aktualisierungsrate von 20 Hz. Wenn also 20 Fehler gleichzeitig angezeigt werden, blinkt jeder Fehler einmal pro Sekunde auf und ab. Dies ist zwar kein optimales Ergebnis in Bezug auf die Klarheit und ziemlich frustrierend, wenn es als Ausrichtungshilfe verwendet wird, aber als Indikator für eine Position hat es sich als ideal erwiesen. In der Praxis löst das Blinken des Indikators auch die Bewegungsrezeptoren in der Peripherie des Auges aus, was die Fähigkeit des Bedieners, die angezeigten Indikatoren zu lokalisieren, erheblich verbessert. Dieser Effekt ist so vorteilhaft, dass, wenn zu wenige Indikatoren angezeigt werden, insbesondere ein einziger Indikator, oder die Belichtungszeit für jeden Indikator zu kurz ist, eine zusätzliche, ausgeblendete Verzögerung eingeführt wird, um einen optimalen Blinkeffekt zu erzeugen, um die Sichtbarkeit für einen Bediener zu maximieren.
Somit stellt das System und das Verfahren der vorliegenden Erfindung einem Bediener ein maximal sichtbares Symbol bereit, das sowohl eine auszuführende Aufgabe als auch die Fertigstellung dieser Aufgabe indiziert. Während die einfache Bereitstellung deutlich sichtbarer Indikatoren an der Position der gewünschten Vorgänge den Bediener zu der gewünschten Position führen kann, ist der Gesamtprozess unkontrolliert, wenn dem Bediener nicht auch eine Rückmeldung über die Ergebnisse der Aufgabe bereitgestellt wird. Um den aktuellen Status der Prozessaufgabe zu steuern, ist es möglich, eine Rückmeldung auf der Grundlage der Form und Sichtbarkeit der projizierten Symbole zu geben. Die Form der verschiedenen vom Laser projizierten Symbole kann verwendet werden, um die Art der zu befestigenden Schraube oder den Zustand einer Reparatur zu indizieren. Zum Beispiel kann ein Symbol, das mit einem Fehler verbunden ist, einen Zyklus von geschliffenen, polierten und fertigen Zuständen durchlaufen, um den Fortschritt des Bedieners bei der Reparatur eines einzelnen Fehlers zu indizieren. Sobald die Reparatur eines Fehlers abgeschlossen ist, kann die Form eines Symbols geändert werden, um die Fertigstellung zu indizieren, und das Flackern kann eliminiert werden, um die Aufmerksamkeit nicht auf dieses Symbol zu lenken.
Figurenliste
Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung lassen sich leicht erkennen, da diese durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung besser verstanden wird, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet wird. Dabei zeigen die Figuren Folgendes:

1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Arbeitszelle, in der Reparaturen an einer Fahrzeugkarosserie durchgeführt werden;
2 zeigt eine Seitenansicht der Arbeitszelle, in der Inspektion und Reparaturen an einer Fahrzeugkarosserie durchgeführt werden;
3 zeigt eine Vorrichtung, die zum Kalibrieren eines dreidimensionalen Koordinatensystems innerhalb einer Arbeitszelle verwendet wird;
4 zeigt einen handgehaltenen Tester, der zum Identifizieren der Position eines Merkmals auf einem Werkstück verwendet wird;
5 zeigt eine Fahrzeugkarosserie, die sich in einem dreidimensionalen Koordinatensystem befindet;
6 zeigt einen Steuerungsbildschirm mit identifizierten Transformationen;
7 zeigt Identifikationssymbole, die auf eine Oberfläche einer Fahrzeugkarosserie projiziert werden; und
8 zeigt ein Flussdiagramm einer typischen Reparaturprozedur, die durch projizierte Symbole gekennzeichnet ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In 1 ist ein System der vorliegenden Erfindung allgemein bei 10 gezeigt. Das System 10 ist in eine Arbeitszelle integriert, die auch als Kabine 12 bezeichnet wird. In dieser Ausführungsform nimmt die Arbeitszelle eine Fahrzeugkarosserie 14 nach Auftragen einer Lackbeschichtung auf, in der eine Prüfung der Lackbeschichtung durchgeführt wird. Es versteht sich jedoch von selbst, dass die Arbeitszelle 12 für jede beliebige Arbeitsfunktion verwendet werden kann, einschließlich Rohbauinspektion, Bauteilinspektion, Bauteilapplikation und jede andere Funktion, bei der eine Inspektion und Identifizierung stattfinden kann, wie weiter unten erläutert wird.
Das System enthält ein optisches Gerät 16, das in einer Ausführungsform an einem Eingang 18 der Arbeitszelle 12 angebracht ist. Es versteht sich jedoch von selbst, dass mehrere optische Geräte 16 vorhanden sein können, wenn beispielsweise mehrere Fahrzeugkarosserien 14 innerhalb der Zelle 12 angeordnet sind oder wenn sich die Fahrzeugkarosserien auf einem sich bewegenden Förderband 20 befinden. Das optische Gerät 16 enthält eine hochpräzise Abbildungsoptik und kann durch die ATENSOR-LSi-Technologie von Micro-Epsilon bereitgestellt werden. Das optische Gerät 16 identifiziert Gegenstände 22, die auf einer Oberfläche 24 der Fahrzeugkarosserie 14 angeordnet sind. Wie oben dargelegt, detektiert das optische Gerät 16 Unvollkommenheiten oder Fehler (Gegenstände 22, siehe 1) in der Lackbeschichtung der Fahrzeugkarosserie 14, wie z. B., aber nicht eingeschränkt durch, Schmutz, Kratzer, Krater, Absätze und ähnliches, wodurch ein Bediener vom Durchführen einer visuellen oder manuellen Inspektion befreit wird. In einer Ausführungsform werden die Gegenstände 22 von dem optischen Gerät 16 an einer anderen Position identifiziert, bevor die Fahrzeugkarosserie 14 in die Prüfkabine oder Arbeitszelle 12 einfährt. Sobald Identifizierung der Gegenstände abgeschlossen ist, wird die Karosserie auf ein Transportband gelegt und in die Zelle 12 befördert.
Der optische Detektor 16 ist elektronisch mit einer Steuerung 28 verbunden, um der Steuerung 28 eine Unvollkommenheit (Gegenstand 22) in der Lackschicht zu melden. Darüber hinaus meldet der optische Detektor 16 der Steuerung 28 Fahrzeugmodell und Fahrgestellnummer. Wie hierin verwendet, bedeutet elektronisch verbunden physikalisch verdrahtet oder drahtlos übertragen über WIFI, Bluetooth oder eine gleichwertige Technologie. Der Einfachheit halber ist die physikalische Verdrahtung in den Figuren nicht dargestellt. Die ordnungsgemäße Identifizierung der Gegenstände 22 auf der Oberfläche der Fahrzeugkarosserie 14 erfordert jedoch eine Neukalibrierung der Fahrzeugkarosserie 14 in einem dreidimensionalen Koordinatensystem relativ zu der Arbeitszelle 12. Die Steuerung ist elektronisch mit einem Gegenstandsidentifikations-System 30 verbunden, das einen Laserprojektor 32 und ein Photogrammetrie-Gerät 34 enthält. Es versteht sich, dass jeder Lichtprojektor oder jedes Projektionssystem, das einen Lichtstrahl projiziert, ausreichen kann. Der Kürze halber wird jedoch in dieser Beschreibung durchgehend der Begriff „Laserprojektor 32“ verwendet. In einer Ausführungsform enthält das System 10 eine Vielzahl von Laserprojektoren 32, die um die Kabine 12 herum angeordnet sind. Vier Laserprojektoren 32 befinden sich oberhalb der Fahrzeugkarosserie 14 in einer Position, die Laserprojektion auf jede Außenoberfläche der Fahrzeugkarosserie 14 bereitstellt. Alternativ kann ein fünfter Laserprojektor 32 direkt über der Fahrzeugkarosserie 14 angeordnet werden, um Laserprojektion auf die horizontalen Oberflächen der Fahrzeugkarosserie 14 bereitzustellen. Es versteht sich von selbst, dass eine beliebige Anzahl von Projektoren 32 und Photogrammetrie-Geräten 34 eingesetzt werden kann, um Projektion auf jede Oberfläche eines beliebigen Objekts, das sich zur Inspektion in der Kabine 12 befindet, bereitzustellen. Weiter können der Laserprojektor 32 und das Photogrammetrie-Gerät 34 in eine einzige Einheit integriert oder separat angeordnet sein.
Das System 10 der vorliegenden Erfindung bietet die Möglichkeit, eine Position oder eine Aufgabe zu indizieren, die an einem Werkstück, wie z. B. einer Fahrzeugkarosserie 14, durchzuführen ist, selbst wenn die Fahrzeugkarosserie 14 die Zelle oder Kabine 12 durchquert. Dazu gehören das Vorhandensein von Nieten, das Reparieren eines identifizierten Fehlers in einer lackierten Beschichtung oder einem Substrat, das Anbringen von Befestigungselementen zur Verlegung von Kabeln oder die Installation von Bolzen oder Schrauben an den gewünschten Stellen. Somit ist das Gegenstandsidentifikations-System 30 auch in der Lage, ein dreidimensionales Koordinatensystem innerhalb der Kabine 12 zu erzeugen und die Fahrzeugkarosserie 14 innerhalb dieses Koordinatensystems zu lokalisieren.
Bei der herkömmlichen optischen Schablonenprojektion werden die projizierten Muster auf ein Teil oder ein Legewerkzeug ausgerichtet, indem auf dem Werkzeug angebrachte Ziele mit bekannten Positionen, die im Koordinatensystem des CAD-Modells des Legewerkzeugs angegeben sind, gescannt werden. Mithilfe eines Prozesses, der als Resektion bezeichnet wird, können die Scanwinkel zu jedem Ziel und die entsprechenden Koordinaten der Ziele verwendet werden, um die 3D-Position und Ausrichtung des Projektors relativ zu dem Werkzeug zu berechnen, was wiederum zur Berechnung der Scanwinkel für die Projektion durch die erforderlichen 3D-Koordinaten zur Verfolgung des Schablonenmusters verwendet wird. Jeder Projektor muss über eine ausreichende Anzahl dieser Ziele im Sichtfeld des Projektors verfügen, um relativ zu dem Werkzeug lokalisiert werden zu können.
Für die Anwendungen, die für das Verfahren der vorliegenden Erfindung geeignet sind, kann es unpraktisch sein, retroreflektierende Ziele auf der Fahrzeugkarosserie 14 anzubringen, wenn die lackierte Oberfläche eines Teils geprüft wird, geschweige denn den Aufwand für die genaue Messung dieser Zielpositionen zu tragen. Darüber hinaus ist es oft notwendig, dass die Projektion die Oberflächen des Teils aus allen Richtungen erfasst, so dass mehrere um die Kabine 12 herum angeordnete Systeme zum Identifizieren von Gegenständen 30 erforderlich sind.
Um diese wünschenswerten Eigenschaften zu unterstützen, sind die Laserprojektoren 32 in der Arbeitszelle oder Kabine 12 so angeordnet, dass sie die Fahrzeugkarosserie 14 von allen Seiten umgeben. Wie in den 1 und 2 dargestellt, umgibt eine Vielzahl von fünf Projektoren 32 alle Seiten der Fahrzeugkarosserie 14 in der Arbeitszelle 12.
Um eine genaue Projektion durch die Laserprojektoren 32 zu erreichen, wird die Position der Laserprojektoren 32 innerhalb des dreidimensionalen Koordinatensystems festgelegt, indem reflektierende Ziele 36 an beliebigen Positionen innerhalb der Kabine 12 platziert werden. Alternativ können die Ziele 36 auch an bekannten Positionen in der Kabine 12 platziert werden. In einer Ausführungsform lokalisieren die mehreren Photogrammetrie-Geräte 34 zunächst die Ziele 36 in der Zelle, woraufhin mit Hilfe der Laserprojektoren, die die Ziele 36 scannen, und einem integrierten Lasersensor 43, der das reflektierte Laserlicht erfasst, eine genauere Position ermittelt wird. Auf diese Weise wird innerhalb der Zelle 12 ein gemeinsamer Referenzrahmen geschaffen, in dem die relative Position aller Laserprojektoren in dem dreidimensionalen Koordinatensystem festgelegt wird.
Um eine Standardisierung zwischen verschiedenen Arbeitszellen 12 in einer Fabrik zu ermöglichen, wird ein standardisierter Referenzrahmen hergestellt, indem ein bekanntes Referenzelement 38 an einer definierten Position in der Zelle 12 angebracht wird. Eine Konfiguration des Referenzelements 38 ist in 3 dargestellt. Das Referenzelement 38 hat in dieser Darstellung die Form eines dreieckigen Rahmens. Es können jedoch auch andere Formen ausreichen und in den Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung fallen. Eine Vielzahl von reflektierenden Referenzzielen 40 sind entlang des Referenzelements 38 beabstandet. In dieser Ausführungsform sind die Ziele 40 kugelförmige Retroreflektoren, die die Reflexion eines Laserstrahls aus jeder Richtung zurück zum Laserprojektor 32 und zum Lasersensor 43 in bekannter Weise ermöglichen.
Um einen integrierten dreidimensionalen Referenzrahmen innerhalb der Kabine 12 zu schaffen, werden Laserscans durch den Laserprojektor 32 erzeugt, die die 3D-Position der Ziele von jeder der beabstandeten Positionen des Laserprojektors 32 messen und dann von der Steuerung 28 zu einem gemeinsamen Referenzrahmen zusammengeführt werden, indem eine ähnliche Untergruppe von Positionen von Zielen 36 erkannt wird. Falls angegeben, fungiert das Referenzelement 38 als Master und alle Positionen der Ziele 36 werden in das Koordinatensystem der Vorrichtung 38 transformiert.
Nachdem die Laserprojektoren 32 die Ziele vermessen haben und die Steuerung 28 sie in einem gemeinsamen dreidimensionalen Koordinatenreferenzrahmen lokalisiert hat, kann jeder Projektor 32 die Referenzziele 36 verwenden, um die Position des Projektors 32 innerhalb der Arbeitszelle 12 oder insbesondere innerhalb des gemeinsamen dreidimensionalen Koordinatensystems festzulegen und zu aktualisieren. Wenn ein Projektor 32 über ein integriertes Photogrammetrie-System 34 verfügt, wie z. B. der VPSi-Projektor von Virtek Vision International, kann jeder Projektor 32 dann in der Arbeitszelle 12 neu positioniert werden und automatisch die Untergruppe der sichtbaren Ziele 36 erkennen und seine Position in der Arbeitszelle 12 neu kalibrieren, indem er die Ziele 36 abbildet.
Sobald die dreidimensionale Konfiguration der Arbeitszelle 12 festgelegt ist, können die Projektoren 32 so konfiguriert werden, dass sie alle Oberflächen der Fahrzeugkarosserie 14 abdecken. Selbst wenn ein Projektor 32 bewegt wird, wird der Projektor 32 daher automatisch innerhalb der Arbeitszelle 12 mit Hilfe des Laserprojektors 32 oder des Photogrammetrie-Geräts 34 neu kalibriert. Für eine genaue Projektion ist es jedoch nach wie vor erforderlich, die Position der Fahrzeugkarosserie 12 bzw. eines anderen Werkstücks zu bestimmen. In einer Ausführungsform wird dies auf herkömmliche Weise durch das Anbringen von Referenzzielen 36 an der Fahrzeugkarosserie an vorbestimmten Positionen erreicht. Das System 10 kann dann die Konfiguration der mit der Fahrzeugkarosserie 12 verbundenen Ziele erkennen, um eine genaue Laserprojektion zu ermöglichen. Wenn die Konfiguration der Arbeitszelle 12 in einem dreidimensionalen Koordinatensystem festgelegt wurde, in dem sich jeder Projektor 32 befindet, muss nicht jeder Projektor 36 eine Sicht auf alle Ziele 36 haben, um ein genaues Laserbild auf die Oberfläche der Fahrzeugkarosserie 14 zu projizieren. In diesem Fall erkennt die Steuerung 28, nachdem sie bereits die Position jedes Projektors 36 relativ zu den anderen Projektoren 36 kalibriert hat, immer noch die Position der Fahrzeugkarosserie 12, solange eine ausreichende Anzahl von Zielen für die Gruppe der Projektoren 32 sichtbar ist.
In einigen Fällen ist es nicht praktikabel, genau gemessene Positionen von Zielen 36 auf einer Fahrzeugkarosserie 14 bereitzustellen. In diesem Fall wird eine alternative Ausführungsform eingeführt, bei der die Position der Fahrzeugkarosserie 14 durch Messung der Merkmale der Karosserie 14 selbst bestimmt werden kann, wie z. B. Motorhaubenkante, Türrahmen, identifizierte Öffnungen und dergleichen. Bei Systemen 10 mit integrierter Messtechnik wie dem VPS1-Projektor können die Merkmale mit einem optisch verfolgten mechanischen Tester 42 gemessen werden, wie in 4 dargestellt. Der Tester 42 enthält eine Rubinkugelspitze 44, die in einer Ausführungsform einen Durchmesser von 6 mm hat. Die Spitze 44 ist über einen Schaft oder Griff 48 mit einer Testfläche 46 verbunden. Verschiedene Konfigurationen der Testfläche 46 werden von dem System 10 anhand eines Musters retroreflektierender Punkte 50 erkannt, die auf der Testfläche 46 angeordnet sind. Auf diese Weise kann ein bestimmter Tester 42 verwendet werden, um die Position eines bestimmten Merkmals an der Fahrzeugkarosserie 14 zu identifizieren. Der Projektor des Testers 42 kann auch für Messungen an verschiedenen Oberflächen der Fahrzeugkarosserie 14 verwendet werden, um die Position der Oberfläche der Karosserie 14 zu bestimmen. Um den Tester 42 zu lokalisieren, scannt der Laserprojektor 32 die Fläche 46 des Testers 42 ab, so dass die retroreflektierenden Punkte 50 den Laserstrahl in bekannter Weise zum Lichtsensor 43 reflektieren. In dieser Ausführungsform kann ein Bediener einen Messcursor auf einem Steuerungsbildschirm 29 zu einer gewünschten Position lenken, um ein bestimmtes Merkmal der Fahrzeugkarosserie 14 zu messen.
In einigen Fällen ist es jedoch für einen Bediener nicht effizient, Merkmale manuell mit dem Tester 42 zu identifizieren. In einer weiteren alternativen Ausführungsform wurde ein Verfahren zur automatischen Messung der Position der Fahrzeugkarosserie 14 in dem dreidimensionalen Koordinatensystem entwickelt. In dieser Ausführungsform wird eine Reihe von Ausrichtungsschritten durchgeführt, die nacheinander die Position der Fahrzeugkarosserie 14 bestimmen. Die Ausrichtungsschritte bestehen aus zwei grundlegenden Komponenten, Transformationen und Messungen. Es wird davon ausgegangen, dass die Verwendung von Transformationen im Gegensatz zur ausschließlichen Verwendung von Bezugspunkten eine ausreichende Genauigkeit für den Zweck der Identifizierung von Anordnungsgegenständen 22 auf der Oberfläche der Fahrzeugkarosserie 14 bietet. Die Verwendung von Bezugspunkten kann jedoch zur Erfassungsgenauigkeit beitragen, wie weiter unten erläutert wird.
Der hier verwendete Begriff „Transformation“ steht für Anfangspositionen der Karosserie 14 und die Beziehungen zwischen nachfolgenden oder beabstandeten Positionen der Karosserie 14. Zum Beispiel könnte eine grobe Ausrichtungsposition oder eine erste Transformation die erwartete allgemeine Position des Teils festlegen, in einer Ausführungsform unter Verwendung des Photogrammetrie-Geräts 34. Eine abgeleitete Ausgangsposition könnte auf Messungen beruhen, die zur Verfeinerung der ersten Transformation 58 auf Grundlage von Laserscans der Fahrzeugkarosserie 14 durchgeführt werden, die sich an der anfänglichen allgemeinen Ausrichtungsposition orientieren, um eine zweite Transformation 60 zu erstellen, die genauer ist als die erste Transformation 58. Andere definierte Transformationen können eingeschränkte Beziehungen definieren, wie z. B. die Bewegung aus der Ausgangsposition auf einem Hubtisch, die Translation auf einem Schlittenmechanismus oder einem sich bewegenden Förderband und sogar das Schwenken um eine Achse, was eine genaue Messung einer Türoberfläche beim Öffnen oder Schließen an einem Scharnier ermöglichen könnte.
Messungen sind mit einer spezifischen oder ersten Transformation 58 verbunden, um die Position einer abgeleiteten oder zweiten Transformation 60 festzulegen oder einzuschränken. Bei den Messungen der ersten Transformation 58 handelt es sich um nominell spezifizierte dreidimensionale Koordinaten, die auf bekannten Einschränkungen der Arbeitszelle basieren und durch optische Verfolgung des Testers 42, durch Triangulation der Position des Laserpunkts innerhalb der Arbeitszelle 12 oder durch Triangulation visueller Bildmerkmale wie Löchern unter Verwendung des Photogrammetrie-Geräts 34 ermittelt werden. Bei den Messungen handelt es sich wahlweise um definierte Strahlen, die die Position der Fahrzeugkarosserie 14 „festnageln“, die einen Bildstrahl durch ein visuelles Bildmerkmal festlegen, oder um Messungen, die mit Hilfe des Lasers durch Erfassen der Silhouette eines projizierten Lichtstreifens gegen eine Begrenzung des Teils, wie in 2 dargestellt, gewonnen werden. In dieser Ausführungsform wird ein projiziertes Lichtmuster 52 über einen retroreflektierenden Fleck 54 gescannt, der strategisch in der Arbeitszelle platziert ist, um den Kontrast zu erhöhen. Der reflektierende Fleck 54 wird in einer Ausführungsform auf einem Boden oder einem sich bewegenden Förderband platziert, das vom Laserprojektor gescannt wird, der einen Lichtstreifen oder ein anderes Lichtmuster zunächst über eine Kante 56 (z. B. Motorhaube oder Heckdeckel) der Fahrzeugkarosserie und anschließend über den Fleck 54 projiziert. Auf diese Weise erfasst der Laserprojektor 32 die Kante 56 der Fahrzeugkarosserie 14, damit die Steuerung 28 die erste Transformation 58 berechnen kann.
Die Transformationen und ihre zugehörigen Messungen werden in einer hierarchischen Struktur auf Grundlage der definierten Transformationen kombiniert. Wenn eine zweite Transformation 60 ein „Kind“ einer anderen Transformation ist, wird sie von der übergeordneten oder ersten Transformation 58 abgeleitet, vorbehaltlich einer möglichen Standorttransformation, wie z. B. einer durch ein Förderband oder einen Hubtisch bewirkten Verschiebung oder einer Drehung um eine Achse, die sich aus der Drehung um ein Scharnier oder der Bewegung eines Dorns ergibt. Die hierarchische Struktur sorgt für eine zunehmende Positionsgenauigkeit der Fahrzeugkarosserie 14, selbst wenn Drift oder andere Bewegungen auftreten.
Unter Bezugnahme auf 6 kann eine Grobtoleranz auf jede Messung angewendet werden, die ausdrücklich eine mehr oder weniger ungehinderte Bewegung des Fahrzeugs innerhalb der Toleranz erlaubt, ohne die Ausrichtung zu beeinträchtigen. Zum Beispiel kann eine erste Transformation 58 festgelegt werden, die die erwartete ungefähre Position einer Fahrzeugkarosserie 14 innerhalb einer Arbeitszelle 12 mit einer Toleranz von einigen Zoll angibt. Die Messungen, die diese Position definieren, vielleicht zunächst mit einem Messtester gemessen oder basiert auf allgemeiner Kenntnis über die Art und Weise, wie das Werkstück zugeführt wird, können die Position einer präziseren zweiten Transformation 60 einer tatsächlichen Werkstückplatzierung bestimmen. Die Messungen der präzisen Transformation werden nacheinander durchgeführt, wobei man sich an der Anfangstransformation orientiert und die Einschränkungen jeder zusätzlichen Messung berücksichtigt, sofern die groben Toleranzen der ersten Transformation 58 nicht überschritten werden. Der grobe Ausrichtungswert, der die erste Transformation darstellt, wird in 6 durch die äußere Kugel um den Punkt dargestellt.
Darüber hinaus gibt es für jede Messung eine Grenztoleranz, die die Auswirkungen von Transformationsmessungen begrenzt, die zu sehr von der Position abweichen. So erkennt die Steuerung beispielsweise, wenn ein Scan die völlig falsche Oberfläche trifft. Die Ausrichtungsgrenze wird durch die Kugel definiert, die die erste Transformation 58 darstellt. Die genauere zweite Transformation 60 wird durch die kleinere Kugel innerhalb der größeren Kugel, die die erste Transformation definiert, dargestellt. Liegt die gemessene Position der zweiten Transformation 60 außerhalb der durch den Wert definierten Kugel, sind die zusätzlichen Auswirkungen auf die Ausrichtung minimal.
Zur Veranschaulichung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird nun ein nicht einschränkendes Beispiel gegeben. Eine Musterfahrzeugkarosserie 14 wird grob in der Arbeitszelle 12 positioniert und dann auf eine Ausgangsposition festgelegt, die auf der Vermessung des Bodens basiert, wie sie durch das in 5 dargestellte Gitter repräsentiert wird. Sequentielle Scans, um die Position der Karosserie 14 in der Arbeitszelle 12 und damit in dem festgelegten dreidimensionalen Koordinatensystem zu fixieren. Die Verschiebungen der Fahrzeugkarosserie 14 in einer bestimmten Richtung, z. B. entlang einer Fahrzeugachse oder Schlittenrichtung 65, werden mit Hilfe eines einzigen Scans an einem Ende der Karosserie 14 aktualisiert, wie in 6 dargestellt, wo ein computergeneriertes Bild des Scans auf dem Bildschirm der Steuerung 29 zu sehen ist.
Die Ausgangsposition des ersten Transformationsprozesses wird durch drei Testermessungen Grob PT1, Grob PT 2 und Grob PT 3 ermittelt, wobei eine Grobtoleranz von acht Zoll verwendet wird, um Abweichungen bei der Platzierung der Fahrzeugkarosserie 14 zu ermöglichen. Die abgeleitete Positionstransformation „Ausgangsposition“ wird durch eine Bodenreferenzebene festgelegt, die durch anfängliches Messen der Bodenoberfläche mit dem Laserprojektor 32, der die angebrachten Ziele 36 scannt, gemessen wird. Dieser Schritt muss nicht bei der Einführung jedes weiteren Fahrzeugs in die Zelle 12 wiederholt werden. Anschließend wird eine Folge von Scan-Messungen zur Bestimmung der Ausrichtung des Fahrzeugs 14 auf der Oberfläche durchgeführt. Jede zusätzliche Messung grenzt die Position der Karosserie 14 innerhalb der Arbeitszelle 12 und damit innerhalb des dreidimensionalen Koordinatensystems weiter geometrisch ein.
Eine Scan-Messung der Fahrzeugkarosserie 14 wird vom System automatisch durchgeführt, sobald die Karosserie 14 innerhalb der Arbeitszelle 12 positioniert ist. Ähnlich wie bei der Nenn- und der Testmessung werden auch bei der Scan-Messung Grob- und Grenzausrichtungswerte verwendet, d.h. eine erste Transformation 58 und eine zweite Transformation 60 ermittelt. Bei allen Scan-Messungstypen können ein Bereich und eine Zone angegeben werden. Der Bereich gibt an, wo das System nach einem Messobjekt suchen kann. Die Steuerung steuert eine Suche in bestimmten Abständen in beiden Richtungen vom Nennwert, wie er aus den CAD-Daten zu verstehen wäre. Ein Bereich gibt den Radius um die Nennposition an, in dem eine Messung für akzeptabel befunden wird. Der letzte Scan in der Sequenz „Scan Side 2“ ist in 6 dargestellt. In diesem Beispiel wird die Position eines bestimmten Oberflächenpunktes 62 gemessen. Ein Vektor 64, der sich von dem Oberflächenpunkt 62 nach außen erstreckt, gibt den für die Messung festgelegten Bereich an. Die Zone definiert die zulässige Position für die Messung und wird durch die beiden Scheiben 66 an den Enden der Bereichslinie dargestellt. Die Einstellung einer engen Toleranz für die Zone ermöglicht die Messung sehr spezifischer Bereiche auf einem Teil.
Eine „Schlittenpositions“-Transformation 65 wird verwendet, um eine endgültige Verschiebung entlang der Länge der Fahrzeugkarosserie 14 in einer einzigen Richtung zu bestimmen. Alle anderen Beschränkungen der Fahrzeugkarosserie 14 werden durch eine „Anfangsposition“ spezifiziert, so dass eine einzelne Scanmessung an einem Schlittenende 68 der Karosserie 14 eine beliebige Position in Richtung des Schlittens aktualisieren kann. In dem in 5 gezeigten, nicht einschränkenden Beispiel kann der Schlitten von der mittleren Position aus um +/-10" verstellt werden und befindet sich derzeit bei -3,2518", was ein nicht einschränkendes Beispiel darstellt.
Die Endmessung des Schlittens, die die aktuelle Position des Schlittens bestimmt, wird mit einem Intervall für die Driftkontrolle definiert, das die Endposition periodisch misst und die Position des Schlittens nach Bedarf anpasst. Die hier definierten Methoden können zur Lokalisierung eines beliebigen Objekts innerhalb der Arbeitszelle 12 verwendet werden, um die für eine bestimmte Arbeitsfunktion, wie z. B. die Reparatur eines Lackfehlers, erforderliche Genauigkeit bereitzustellen. Zum Beispiel, wie in 5 gezeigt, basiert die Lokalisierung der Position des Fahrzeugs in der Arbeitszelle 12 auf der Definition des Bodens und auf Scans der Fahrzeugoberfläche; eine Scanmessung an der Seite des Fahrzeugs ist beispielsweise hervorgehoben.
Diese Implementierung stellt eine Alternative zu Ausrichtung mittels Bezugspunkten dar, wie sie derzeit in der Bewegungskompensation implementiert ist, die in der US-Patentanmeldung Nr. 9,881,383 offenbart ist, deren Inhalt hier durch Bezugnahme aufgenommen wird. Transformation und Ausrichtung mittels Bezugspunkten werden jedoch selektiv parallel durchgeführt, so dass beide Methoden der Ausrichtung verfügbar sind.
In der bestehenden Implementierung ist eine Reihe von digitalen Ausrichtungspolygonen definiert. Der Bediener kann die Messung durch zyklisches Durchlaufen der einzelnen Bezugspolygone mittels Tastendruck auf einer Computertastatur einleiten und Messungen mit einem Messtester durch separaten Tastendruck vornehmen. Die Optimierung des Messvorgangs wird durch die Bestimmung der Position der Fahrzeugkarosserie 14 in der Zelle 12 erreicht, um den Gesamtfehler zwischen den Messungen und dem zugehörigen digitalen Ausrichtungspolygon zu minimieren. Der Bediener kann auch beliebige Polygone anstelle von z. B. Einzelkantenpolygonen auswählen. Die Optimierung erfolgt jedes Mal, wenn eine neue Messung durchgeführt wird. Verbesserungen können für Anwendungen im Automobilbereich vorgenommen werden, wo wir eine Ausgangsposition für das Auto haben und es dann vertikal auf dem Hubtisch oder in Schlittenrichtung bewegt wird. Die Rekalibrierung erfolgt durch zusätzliche Messungen zur Driftkontrolle oder zum Bewegungsausgleich.
Bei der Validierung des Systems 10 und des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wurde eine Anfangsposition der Fahrzeugkarosserie 14 festgelegt, indem „grobe“ Bezugsmerkmale an der Fahrzeugkarosserie 10 festgelegt wurden, die von dem Tester 42 wie oben beschrieben gemessen wurden. Die Messung wurde durchgeführt, während der Fahrzeuglift in einer abgesenkten Position angeordnet war. Diese Messdaten wurden im Wesentlichen „zusammengestoppelt“, indem zunächst nur grobe Bezugspunkte (typischerweise drei Bezugspunkte) auf dem Fahrzeug 14 optimiert wurden. Drei Bezugspunkte bestimmen die ungefähre Position des Fahrzeugs 42 in dem dreidimensionalen Koordinatensystem und bieten der Steuerung 28 genügend Stabilität, um die geometrische Position zu berechnen. Nach der Berechnung ist das System in der Lage, die Position aller weiteren Messungen zu extrapolieren. Nach einem mathematischen Abgleich, bei dem Messfehlern ein geringeres Gewicht zugewiesen wird, werden genauere Messungen hinzugefügt. Wenn die zusätzlichen Messungen jedoch um einen signifikanten Betrag abweichen, können sie die Position vollständig aus der ursprünglichen Ausrichtung herausziehen, wodurch die Systemgenauigkeit unbrauchbar wird und eine Neukalibrierung erforderlich ist.
In einer Ausführungsform wird ein flexibleres Verfahren zur Identifizierung von Bezugspunkten bereitgestellt. Zwei Komponenten des vorgeschlagenen Verfahrens sind die Verwendung von Transformationen und die Durchführung von Bezugsmessungen. „Transformationen“ stellen Positionen der Fahrzeugkarosserie 14 in dem dreidimensionalen Koordinatensystem und relative Positionen zwischen Transformationen dar. Daher kann die „grobe“ Ausrichtung des Fahrzeugs 14 in dem dreidimensionalen Koordinatensystem unter Verwendung einer ersten Transformation 58 optimiert und getrennt von einer oder mehreren zweiten Transformationen 60 dargestellt werden, die von der ersten Transformation 58 abgeleitet sind, wodurch eine relative Beziehung zwischen einer Vielzahl von Transformationen definiert werden kann.
Wie hierin verwendet, ist eine Bezugspunktmessung die Messung eines bestimmten Bezugspunktmerkmals an der Fahrzeugkarosserie 14 und wird explizit relativ zu den zugehörigen Transformationen referenziert. Beispielsweise würden drei Bezugspunktmesspunkte mit der anfänglichen groben Ausrichtung oder der ersten berechneten Transformation verbunden sein. Anstelle von expliziten „groben“ Bezugspunkttypen kann eine Toleranz auf jeden Bezugspunkt angewendet werden, die explizit eine mehr oder weniger ungehinderte Bewegung innerhalb des Toleranzbereichs vorsieht (mit einer kleinen Verzerrung, die einem kleinen Schwellenwert entspricht, der optional auf 0,010" gesetzt werden kann und der den Bezugspunkt zentriert, wenn er nicht durch andere Messungen ausgeglichen wird).
Transformations- und Bezugspunktmessungen werden in einer hierarchischen Struktur kombiniert, die auf den zuvor definierten Transformationen basiert. Wenn eine zweite Transformation ein „Kind“ einer anderen oder ersten Transformation ist, wird die zweite Transformation von der übergeordneten Transformation abgeleitet, vorbehaltlich eines möglichen Übergangs, z. B. eines Förderbandes oder eines Hubtisches, und alle Bezugspunktmessungen und Toleranzen der übergeordneten Transformation müssen auch in Bezug auf die Anordnung der Fahrzeuge im Koordinatensystem gelten.
Spezielle Ausrichtungsprozessschritte werden mit den Projektionen von Symbolen vermischt, die auf der Oberfläche des Fahrzeugkörpers 14 angezeigt werden sollen. Die Bearbeitung der Hierarchie erfolgt unter Verwendung von Prozessbearbeitungsfunktionen, wobei jeder Schritt als Projektionsschritt, Transformation oder Bezugspunktmessung definiert werden kann. Zusätzliche Informationen zur Angabe von Toleranzen, der Art des Bezugspunkts, der Messmethode (Ziel oder Tester), Messlisten, der aktuellen Position des Hubtisches usw. sind je nach Bedarf in der Schnittstelle vorhanden.
Ein Wurzelprozess des Prozessbaums wird standardmäßig zur Wurzeltransformation in der Hierarchie; alle Geschwistertransformationen haben jedoch unabhängige Positionen. Alle Bezugspunktmessungs-Geschwister der Transformation oder Nachkommen der Transformation, bis eine andere Transformation erreicht wird, werden zur Einschränkung der Transformation verwendet. Nachfolgende Transformationen einer Transformation oder ihrer Bezugsmaße werden ebenfalls von der übergeordneten Transformation abgeleitet und müssen ebenfalls die Anforderungen aller zugehörigen Bezugsmaße erfüllen.
Geschwister einer Transformation sind voneinander unabhängig, aber alle sind von der gemeinsamen übergeordneten Transformation abhängig. In ähnlicher Weise wird die Position von Geschwister- oder nachgeordneten Projektionsprozessschritten einer gegebenen Transformation durch diese Transformation bestimmt.
Die Umsetzung der Erfindung der vorliegenden Anmeldung bietet eine vollständige Definition der Transformations-/Datenhierarchie, aber die Messung wird insbesondere durch die Verwendung des Testers erleichtert. Alternativ bietet das erfindungsgemäße Verfahren „Nenn“, direkt eingegebene Messwerte, manuelle Messungen durch Selektion in einem Bild, Selektion mit einem Laser, Schnittpunkt mit einem Laserstrahl, usw..
Eine Wurzeltransformation an einem Werkstück oder einer Fahrzeugkarosserie 14 wird durch drei Bezugspunktpunkte spezifiziert, die mit Toleranzen von zwei Zoll bis vier Zoll in einer Ausführungsform gemessen werden. Eine nächste Ebene der Messung enthält einen anfänglichen Positionsbezugspunkt, der die Position eng einschränkt, indem Bezugspunkte verwendet werden, die durch Merkmale auf der Oberfläche festgelegt sind, wobei eine abschließende Transformationsebene eine Transformation bereitstellt, die durch horizontales Verschieben des Werkstücks bestimmt wird, wobei die Position durch eine Endpunkt-Bezugspunktmessung bestimmt wird.
In einer Schnittstelle wird durch die Identifizierung der drei groben Bezugspunkte die grobe Position der Oberfläche der Fahrzeugkarosserie 14 festgelegt. Eine abgeleitete „Ausgangsposition“ wird durch Messungen eines Punktes und zweier Kanten der Fahrzeugkarosserie 14 festgelegt. Anschließend wird eine Schlittentransformation auf Grundlage der Normalen einer bestimmten Ebene definiert, wobei die Position der Fahrzeugkarosserie 14 durch die Messung des Endpunkts festgelegt wird. Wenn die Schlittentransformation aktiv gemessen wird, wird die optimierte aktuelle Schlittenposition dargestellt. Durch Löschen der Endpunktmessung an der Steuerung wird die Schlittenposition wieder in die Ausgangsposition gebracht.
Es werden zwei Arten von Positionsprozessschritten betrachtet, zum einen mit dem Merkmalstyp „keine“ und zum anderen mit dem Merkmalstyp „parallele Ebene“. Beim Merkmalstyp „keine“ definieren die auf diesen Schritt folgenden Geschwistertransformationsschritte die Position. Der Standardschritt ist zum Beispiel eine Position mit dem Merkmalstyp „keine“. Ihm folgen in der Regel drei Messpunkte mit jeweils einer großen Grobtoleranz, die zusammen die ungefähre Position des Teils definieren. Beim Merkmalstyp „parallele Ebene“ wird eine Position angegeben, die sich in eine einzige Richtung bewegen kann, nämlich senkrecht oder normal zur definierten Ebene.
Der Bildschirm 29 der Steuerung ist für den Bediener interaktiv. Daher können Positionsschritte als Teil eines Positionsidentifikationsschemas hinzugefügt werden. Im Folgenden wird eine Abfolge von Prozeduren zum Hinzufügen eines Positionsschritts beschrieben:

1. Klicken Sie auf die Schaltfläche „Neuen Schritt erstellen“, um die Schrittbearbeitungsfunktionen zu aktivieren.
2. Geben Sie einen eindeutigen, beschreibenden Namen in das Feld „ Schrittname‟ ein, um einen Messpunkt zu identifizieren.
3. Wählen Sie „Position“ für die Art des Prozessschritts. Die Steuerelemente werden je nach ausgewähltem Merkmalstyp sichtbar.
4. Wählen Sie den Merkmalstyp („keine“ oder „parallele Ebene“).
1. a. Wenn der Bediener „keine“ ausgewählt hat, fahren Sie mit Schritt 5 fort.
2. b. Wenn der Bediener „parallele Ebene“ auswählt, fahren Sie mit den folgenden Schritten fort:
3. c. Definieren Sie die parallele Ebene, die für diesen Prozessschritt verwendet werden soll.
4. d. Geben Sie die Werte für den minimalen und maximalen Bewegungsbereich für die Ebene an. Die Bewegung erfolgt in der Richtung, die senkrecht zu der Ebene steht.
5. Wählen Sie den Schritt in der Prozessliste, nach dem der neue Schritt hinzugefügt werden soll, entweder als Geschwister oder als Kind.
6. Fügen Sie den neuen Schritt als Geschwister- oder Kindschritt hinzu, indem Sie auf die entsprechende Schaltfläche klicken.

Messprozessschritte werden verwendet, um Messungen an dem physikalischen Teil der Fahrzeugkarosserie 14 vorzunehmen, um das Teil mit dem mathematischen Modell abzugleichen. Diese Schritte verbessern die Fähigkeit der Laserprojektionen, genau zu sein. Vier Arten von Messmerkmalen sind in das Verfahren der vorliegenden Erfindung einbezogen: Nennpunkt, Nennlinie, Oberflächenpunkt und Ebene. Bei Nennmerkmalen wird ein gemessener Punkt verwendet, um sich an bestimmten Position auszurichten. Bei einem Oberflächenpunkt wird die Ausrichtung nur anhand der Nähe des gemessenen Punktes zu der Oberfläche, auf der der Punkt definiert ist, bestimmt. Bei einer Ebene wird die Ausrichtung durch die Messung von drei Punkten auf einer Ebene erreicht.
Es gibt drei Arten von Messmethoden: Nenn, Probe und Scan. Nennwert und Messtester sind für die Identifizierung aller Merkmalstypen auf einem Werkstück geeignet, während Scan nur zur Identifizierung von Oberflächenpunkten verwendet werden kann.
Nenn- und Testmessungen werden verwendet, um bestimmte Positionen an einem Teil der Fahrzeugkarosserie 14 zu messen. Bei Nennmessungen muss der Benutzer die Position des Punktes oder der Ebene manuell festlegen. Nennmessungen sind optimal, wenn die zu messende Stelle in Bezug auf das dreidimensionale Koordinatensystem der Arbeitszelle 12 bekannt ist. Zum Beispiel eine Position auf einer Vorrichtung, die Teil des mathematischen Modells ist, oder eine Bezugsebene, die der Boden ist. Für einen Nennpunkt, eine Nennlinie oder einen Oberflächenpunkt wird eine Messung hinzugefügt, indem die x-, y- und z-Koordinaten für den Punkt manuell eingegeben werden. Für eine Ebene müssen die Werte für drei Punkte auf der Ebene eingegeben werden.
Bei Testermessungen wird ein Punkt oder werden Punkte mit einem Tester gemessen, wie oben beschrieben. Bei einer Nenn- oder Testermessung können Sie eine Toleranz für die Grobausrichtung und einen Grenzwert für die Ausrichtung angeben. Bei einem Wert für die Grobausrichtung kann die gemessene Position überall innerhalb des durch den Wert definierten Bereichs liegen, ohne dass dies Auswirkungen auf die Ausrichtung hat. Wie oben dargelegt, wird der Wert für die Grobausrichtung in 6 durch die Kugel um den Punkt herum dargestellt.
Für eine Ausrichtungsgrenze, falls die gemessene Position außerhalb des durch den Wert definierten Bereichs liegt, sind die zusätzlichen Auswirkungen auf die Ausrichtung minimal. Die Ausrichtungsgrenze wird ebenfalls als Kugel dargestellt. Es ist auch zu verstehen, dass zwei Ausrichtungswerte gleichzeitig verwendet werden können.
Eine Scan-Messung wird vom System automatisch durchgeführt. Allerdings können nur Oberflächenpunkte die Scan-Messung verwenden. Wie bei Nenn- und Testermessungen werden auch bei einer Scan-Messung Grob- und Grenzwerte für die Ausrichtung verwendet. Bei Scan-Messungen kann der Bediener die Art der Scan-Messung auswählen: Standard, Driftkontrolle oder Nenn.
Bei allen Scan-Messungstypen sind Optionen für Bereich und Zone verfügbar. Der Bereich gibt an, wo das System nach dem Messpunkt suchen kann. Eine Suche oder ein Scan wird für den angegebenen Abstand in beiden Richtungen vom Nennwert durchgeführt. Er wird durch die lange Linie 64 dargestellt, die in 6 durch die Mitte der Oberflächenpunktposition verläuft. Zone gibt den Radius um die Nennposition an, in dem eine Messung akzeptiert wird. Er wird durch die beiden Scheiben an den Enden der Bereichslinie dargestellt.
Die Größe des Messungstyps Zone hängt von der zu messenden Oberfläche ab. Wenn eine schmale Fläche gemessen wird, muss der Wert so klein sein, dass nur Messungen auf der Fläche für den Punkt akzeptiert werden. Wenn die Oberfläche groß und flach ist, ist ein größerer Wert für Zone akzeptabel. Bei dem Messungstyp Standardscan wird die Messung durchgeführt, wenn der Schritt ausgewählt wird. Bei einer Scan-Messung mit Driftkontrolle wird die Messung in regelmäßigen Abständen durchgeführt. Die Zeit in Sekunden zwischen den Messungen wird durch das Intervall angegeben. Die Driftprüfung wird optional in regelmäßigen Abständen ohne zusätzliche Bedienereingabe durchgeführt. Dies ist besonders nützlich, wenn die Fahrzeugkarosserie beweglich ist, während sie sich in der Prüfkabine 14 befindet.
Wenn die Position der Fahrzeugkarosserie 14 innerhalb des dreidimensionalen Koordinatensystems bestimmt ist, können die auf der Oberfläche der Fahrzeugkarosserie angeordneten Gegenstände 22 nun durch Laserscan für den Bediener identifiziert werden, so dass dieser nicht mehr visuell nach den Gegenständen 22 suchen muss. Obwohl jede Lichtquelle in der Lage ist, ein Symbol 70 mit besonderer geometrischer Genauigkeit auf eine Oberfläche zu projizieren, ist ein Laserprojektor 32 besonders geeignet, wenn eine Doppelfunktion zur genauen Messung von Zielen, Oberflächen und Kanten eingerichtet wird. Die Projektion von Symbolen 70 auf die Fahrzeugoberfläche ist am besten in 7 dargestellt. Wie oben dargelegt, arbeitet ein von Micro-Epsilon bereitgestelltes System zur Identifizierung von Gegenständen mit dem Laserprojektor zusammen, sobald der Gegenstand in dem dreidimensionalen Koordinatensystem lokalisiert wurde.
In 8 ist ein schrittweises Flussdiagramm dargestellt, in dem der Laserprojektor 32 zunächst ein Indikationssymbol 72 in Form eines Pfeils oder Diamanten projiziert, das auf den Gegenstand 22, in diesem Fall einen Lackierfehler, gerichtet ist. Aufgrund des schnellen Scans können mehrere Fehler gleichzeitig erkannt werden. Sobald ein Bediener indiziert, dass der Gegenstand 22 identifiziert wurde, in einer Ausführungsform durch Platzieren eines Reflektors im Laserstrahl, um den Laserstrahl zum Lasersensor 43 zurückzuleiten, zeigt der Projektor 32 den auszuführenden Prozess, wie z. B. das Schleifen, mit dem Symbol 72 für den Beginn der Reparatur an. Nach Abschluss des Vorgangs erkennt der Projektor 32 erneut die Reflexion und scannt ein Symbol 76 für den Abschluss des Schleifvorgangs auf der Oberfläche an die Position, an der sich der identifizierte Gegenstand befindet. Anschließend scannt der Projektor ein Symbol 78 für den Beginn des Polierens (oder eine andere notwendige Aufgabe). Wenn der Projektor feststellt, dass der Poliervorgang abgeschlossen ist, wird ein Symbol 80 für „Reparatur beendet“ auf die Oberfläche gescannt. Wenn mehrere Fehler identifiziert werden, die eine Reparatur durch mehrere Bediener erfordern, wird der Abschluss des Fahrzeugreparaturprozesses signalisiert, wenn nur noch vollständige Symbole sichtbar sind. Natürlich kann der Bediener dem Projektor durch eine Bewegung oder ein anderes reflektierendes Element indizieren, dass eine zusätzliche Reparatur erforderlich ist, was durch Scannen eines zusätzlichen Reparatursymbols 84 an der Position des Fehlers indiziert wird.
Dieser Prozess könnte immer noch verwirrend sein, wenn es für den Bediener keine einfache Möglichkeit gibt, eine Änderung des Zustands einer indizierten Stelle anzugeben. Wie oben dargelegt, können Fehler willkürlich über eine Lackierung verteilt sein, so dass ein Bediener oder mehrere Bediener feststellen müssen, dass z. B. der Fehler oben rechts an der hinteren Beifahrertür repariert wurde. Zu diesem Zweck wird der interne Sensor 43, der in dem Laserprojektor zur Lokalisierung der retroreflektierenden Ziele 36 eingesetzt wird, um die Position des Projektors zu bestimmen, als Rückmeldungsmechanismus verwendet. Wenn der Laserstrahl ein Stück Retromaterial kreuzt, wird ein Signal aufgezeichnet, das mit dem Positionssymbol verbunden ist, das der Laser durchquert hat.
Durch Anbringen eines Flecks aus retroreflektierendem Material, z. B. auf der Rückseite eines Handschuhs, der in den Pfad des Lasers, der den Indikator erfasst, bewegt wird, kann das System der Steuerung 28 einen Übergang zum nächsten Prozesszustand für dieses Symbol signalisieren. Es ist zu beachten, dass sich dieser Vorgang auf ein bestimmtes Positionssymbol 70 bezieht, so dass die betreffende Position nicht von außen identifiziert werden muss und eine beliebige Anzahl von Bedienern gleichzeitig auf diese Weise mit dem System interagieren kann. Der Prozessstatus kann auf einer entfernten oder lokalen Schnittstelle oder einem Steuerungsbildschirm 29 hervorgehoben oder zusammengefasst werden, um den Fortschritt der Aufgabe dynamisch zu indizieren. Es können statistische Informationen tabellarisch erfasst werden, die zur Bestimmung der Fehlerursache führen können. Die Verwendung von Rückmeldungen dieser Art kann eine narrensichere Methode sein, um sicherzustellen, dass der gesamte Prozess abgeschlossen ist, z. B. indem der Abschlussstatus durch Veränderung der Hintergrundfarbe der Schnittstelle deutlich angezeigt wird. Darüber hinaus ist es zu Zwecken der Prozesssteuerung möglich, die für verschiedene Prozessschritte aufgewendete Zeit zu verfolgen, die Schwierigkeit bei der Durchführung bestimmter Arten von Aufgaben oder Reparaturen zuzuordnen und die Effizienz der Bediener oder den Nutzen des Einsatzes einer unterschiedlichen Anzahl von Bedienern in einem Arbeitsteam zu beurteilen.
Einem Fachmann sollte klar sein, dass die Erfindung der vorliegenden Anmeldung in einer Vielzahl von Fertigungsumgebungen eingesetzt werden kann. Zum Beispiel kann die Erfindung in einer werden. Ferner kann die Erfindung in einer stationären Arbeitszelle eingesetzt werden, in der das Fahrzeug oder ein anderes zu bearbeitendes Objekt in vertikaler Richtung beweglich sein kann, um die Bediener bei der Durchführung von Prozessen zu unterstützen. Darüber hinaus kann die Erfindung in einer Kabine mit einer sich bewegenden Montagelinie eingesetzt werden, in der sich das Fahrzeug und manchmal auch der Bediener ständig bewegen.
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 63/089866 [0001]
US 9200899 [0011]
US 10052734 [0011]
US 9881383 [0011, 0043]
US 9245062 [0011]

Claims

Ein Verfahren zum Identifizieren einer geometrischen Position eines Gegenstandes auf einer Oberfläche eines Werkstücks identifiziert durch ein optisches Gerät, aufweisend die folgenden Schritte: Bereitstellen einer Steuerung; Bereitstellen eines Gegenstandsidentifikations-Systems enthaltend einen Lichtprojektor und ein Photogrammetrie-System; Verwenden mindestens eines des Lichtprojektors und/oder des Photogrammetrie-Systems zum Erzeugen eines dreidimensionalen Koordinatensystems innerhalb der Arbeitszelle; Verwenden mindestens eines des Lichtprojektors und/oder des Photogrammetrie-Systems zum Identifizieren einer Position der Oberfläche des Werkstücks innerhalb des dreidimensionalen Koordinatensystems; Kalibrieren, durch die Steuerung, der Position der Arbeitsoberfläche innerhalb des dreidimensionalen Koordinatensystems mit dem identifizierten Gegenstand; Berechnen, durch die Steuerung, der geometrischen Position des Gegenstands auf der Oberfläche des Werkstücks in dem dreidimensionalen Koordinatensystem, wie es von dem optischen Gerät identifiziert wurde; und Signalisieren, durch die Steuerung, des Lichtprojektors zum Projizieren eines Lichtstrahls auf die Oberfläche des Werkstücks, dadurch Identifizieren einer Anordnung des auf der Oberfläche des Werkstücks angeordneten Gegenstands.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Identifizierens einer Anordnung des Gegenstands weiter definiert ist durch Identifizieren einer Position des Gegenstands auf der Oberfläche des Werkstücks mit dem von dem Lichtprojektor projizierten Lichtstrahl.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Identifizierens einer Anordnung des Gegenstands auf der Oberfläche des Werkstücks weiter definiert ist durch Identifizieren, dass eine Arbeitsfunktion an dem auf der Oberfläche des Werkstücks identifizierten Gegenstand ausgeführt wurde.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Kalibrierens der Position der Arbeitsoberfläche innerhalb des dreidimensionalen Koordinatensystems weiter definiert ist durch Identifizieren einer ersten Transformation und einer zweiten Transformation relativ zu der Oberfläche des Werkstücks, wobei die zweite Transformation genauer ist als die erste Transformation.
Das Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schritt des Identifizierens einer ersten Transformation weiter definiert ist durch Identifizieren einer Vielzahl von Transformationen, die in einer Hierarchie von Wichtigkeit angeordnet sind.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Kalibrierens einer Position der Arbeitsoberfläche innerhalb des dreidimensionalen Koordinatensystems weiter definiert ist durch Identifizieren, durch mindestens einen des Lichtprojektors und/oder des Photogrammetrie-Systems, eines Merkmals der Oberfläche des Werkstücks, und Kalibrieren des Merkmals innerhalb des dreidimensionalen Koordinatensystems.
Das Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt des Identifizierens eines Merkmals der Oberfläche des Werkstücks weiter definiert ist durch Identifizieren des Merkmals mit einem handgehaltenen Tester und Reflektieren eines Lichtstrahls von der Lichtquelle von dem Tester zu einem des Photogrammetrie-Gerätes oder einem an der Lichtquelle angeordneten Lichtsensor.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Bereitstellens eines Lichtprojektors und eines Photogrammetrie-Geräts weiter definiert ist durch Bereitstellen einer Vielzahl von Lichtprojektoren und einer Vielzahl von Photogrammetrie-Geräten.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Erzeugens eines dreidimensionalen Koordinatensystems innerhalb der Arbeitszelle weiter definiert ist durch Platzieren einer Referenz an einer bekannten Position der Arbeitszelle und Lokalisieren der Referenz mit mindestens einem von dem Lichtprojektor und dem Photogrammetrie-Gerät.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Identifizierens eines Gegenstands auf der Oberfläche des Werkstücks weiter definiert ist durch Identifizieren eines Lackierfehlers auf einer lackierten Oberfläche.
Das Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Schritt des Identifizierens einer Anordnung des auf der Oberfläche des Werkstücks angeordneten Gegenstands weiter definiert ist durch Identifizieren, ob eine Reparatur des Lackierfehlers durchgeführt worden ist.