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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Untersuchung einer Oberfläche eines Bauteils gemäß Anspruch 1.
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Aus
DE 10 2004 007 828 A1 ist eine Vorrichtung bekannt mit einer Lichtquelle, die strukturiertes Licht, insbesondere Licht mit einem Streifenmuster, erzeugen kann. Das Licht trifft auf die zu untersuchende Oberfläche und wird von dieser reflektiert. Das reflektierte Licht trifft auf eine Kamera, die aus dem erfassten Licht entsprechende Bilddaten erzeugt. Die Bilddaten werden von einer Auswertevorrichtung des Systems ausgewertet, um Defekte in oder auf der lackierten Oberfläche zu erkennen. Das System umfasst weiterhin einen Mehrachsen-Roboter, der die Vorrichtung trägt und geeignet positioniert. Dabei steuert eine Steuervorrichtung des Systems den Roboter so an, dass die Vorrichtung geeignet zu der zu untersuchenden Oberfläche positioniert wird.
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Lackierte Karosseriebauteile können eine Vielzahl unterschiedlicher Defekte aufweisen. Dies sind beispielsweise Rohteilfehler, also physikalische Schäden des Rohteils, Einschlüsse, also beispielsweise kleine Partikel, die überlackiert wurden, sowie eine Magerlackierung, die einer ungleichmäßigen Oberfläche entspricht. Die Defekte weisen zumeist eine dreidimensionale Ausprägung auf der Oberfläche auf. Durch die Erzeugung eines Streifenlichts, das von der zu untersuchenden Oberfläche reflektiert wird, sind Defekte einfacher zu erkennen. Wegen der zumeist dreidimensionalen Ausbildung eines typischen Defekts einer lackierten Oberfläche krümmen sich die Streifen oder Linien des auf die Oberfläche aufgebrachten Lichts um den Defekt, so dass dieser bei der Auswertung leichter erkennbar ist.
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Karosseriebauteile, deren lackierte Oberflächen inspiziert werden müssen, werden in der Regel von Warenträgern gehalten, die eine Mehrzahl von übereinander oder nebeneinander angeordneten Aufnahmen für die Karosseriebauteile aufweisen. Auf diesen Warenträgern liegen die einzelnen Karosseriebauteile häufig sehr dicht übereinander. Als nachteilig bei aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen erweist sich, dass diese nicht in der Lage sind, in die Zwischenräume zwischen den einzelnen Karosseriebauteilen auf Warenträgern eingebracht zu werden. Daher können diese Vorrichtungen in den Zwischenräumen befindliche Bereiche nicht gleichmäßig mit Licht beaufschlagen. Zudem ist es in der Regel nicht möglich eine Streifenlichtreflexion auf den Flächen innerhalb der engen Zwischenräume zu erzeugen, die für die Detektion essenziell ist. Dies führt zu einer zumindest teilweise schlechten Bildqualität der erzeugten Bilder wegen einer vergleichsweise geringen Lichtausbeute und fehlender Streifenlichtreflexion. Dadurch können vermehrt Fehler bei der Detektion von Defekten auftreten.
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Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung mit einer verbesserten Erkennung von Defekten zu schaffen. Außerdem sollen eine Einrichtung und ein System jeweils mit einer solchen Vorrichtung und ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Vorrichtung geschaffen werden.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, eine Einrichtung gemäß Anspruch 12, ein System gemäß Anspruch 15 und ein Verfahren gemäß Anspruch 18 gelöst. Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Vorrichtung umfasst eine Lichtquelle mit einer Lichtaustrittsfläche und eine optische Sensoreinheit. Die Lichtquelle ist dazu eingerichtet, Licht zu erzeugen, das auf die zu untersuchende Oberfläche des Bauteils auftrifft. Dabei tritt das Licht aus der Lichtaustrittsfläche aus der Lichtquelle aus. Die Sensoreinheit ist dazu eingerichtet, einen von der zu untersuchenden Oberfläche des Bauteils ausgehenden Anteil des auf die Oberfläche auftreffenden Lichts zu erfassen.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein Winkel zwischen dem Normalenvektor der Lichtaustrittsfläche und einer optischen Achse der optischen Sensoreinheit zwischen 45° und 80°, vorzugsweise zwischen 60° und 80° beträgt. Der Normalenvektor ist dabei lediglich ein geometrischer Vektor, der nicht als Bauteil vorhanden ist. Er dient im Rahmen dieser Beschreibung lediglich zur Definition der Ausrichtung der Lichtaustrittsfläche. Die optische Achse ist ebenfalls lediglich eine geometrische Achse, die nicht als Bauteil vorhanden ist. Sie dient im Rahmen dieser Beschreibung lediglich zur Definition der Ausrichtung der Sensoreinheit. Dabei kann die optische Achse insbesondere die Symmetrieachse eines, insbesondere rotationssymmetrischen, optischen Systems der Sensoreinheit sein. Dabei kommt es auf die Symmetrie der Flächen an, nicht ihrer Berandung. Beispielsweise kann es sich um die optische Achse einer Linse einer Kamera handeln, wenn die Sensoreinheit eine Kamera umfasst. Es ist auch möglich, dass die Sensoreinheit zwei Kameras umfasst. Dann können die optischen Achsen der Kameras parallel zueinander verlaufen.
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Durch diese Anordnung der Lichtaustrittsfläche relativ zur optischen Sensoreinheit kann die Lichtaustrittsfläche beispielsweise in einen relativ schmalen Zwischenraum eingeführt werden, während gleichzeitig die optische Sensoreinheit nicht in diesen Zwischenraum eingeführt werden muss, um das auf die zu untersuchende Oberfläche auftreffende Licht erfassen zu können. Somit können Defekte besonders zuverlässig an Oberflächen detektiert werden, die in Richtung dieses Zwischenraums weisen.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann der Winkel unveränderlich sein. Dies ist insbesondere vorteilhaft, um die Vorrichtung besonders platzsparend auszugestalten, sodass die Lichtaustrittsfläche besonders gut in schmale Zwischenräume eingeführt werden kann.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann die Vorrichtung ein Gehäuse mit einem ersten Gehäuseteil und einem zweiten Gehäuseteil umfassen. An oder in dem ersten Gehäuseteil kann die Sensoreinheit angeordnet sein. An oder in dem zweiten Gehäuseteil kann die Lichtaustrittsfläche der Lichtquelle angeordnet sein. Auch dies ist besonders vorteilhaft, um die Lichtaustrittsfläche in einen schmalen Zwischenraum einführen zu können. Das zweite Gehäuseteil kann dann besonders flach ausgebildet sein im Vergleich zum ersten Gehäuseteil.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann das zweite Gehäuseteil in einer Richtung, die parallel zu der Lichtaustrittsfläche ist, von dem ersten Gehäuseteil wegragen. Insbesondere kann dadurch das zweite Gehäuseteil mit der Lichtaustrittsfläche zumindest teilweise in enge Zwischenräume, beispielsweise zwischen einzelnen Karosseriebauteilen auf Warenträgern, eingebracht werden. Beispielsweise kann das zweite Gehäuseteil eine Breite, eine Länge und eine Dicke aufweisen. Dabei kann die Dicke kleiner als die Breite und kleiner als die Länge sein. Die Breite kann dann die Richtung sein, in der das zweite Gehäuseteil vom ersten Gehäuseteil wegragt.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann das zweite Gehäuseteil in einer Richtung senkrecht zur Lichtaustrittsfläche weniger ausgedehnt sein als das erste Gehäuseteil. Diese Richtung ist die Richtung des Normalenvektors. Die Ausdehnung des zweiten Gehäuseteils in der Richtung senkrecht zur Lichtaustrittsfläche kann kleiner als 20 cm, insbesondere kleiner als 10 cm, vorzugsweise kleiner als 5 cm ist, beispielsweise zwischen 1 cm und 3 cm groß sein. Dadurch wird die Einbringung des zweiten Gehäuseteils mit der Lichtaustrittsfläche in entsprechend enge Zwischenräume zwischen zu untersuchenden Bauteilen und das Ausleuchten der Oberflächen dieser Bauteile sehr erleichtert.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann die Sensoreinheit frei von Reflektoren sein. Dies ist insbesondere vorteilhaft für eine besonders kompakte Bauart der Vorrichtung, insbesondere der Sensoreinheit.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann die Sensoreinheit eine Kamera umfassen. Es ist auch möglich, dass die Sensoreinheit zwei Kameras umfasst. Zwei Kameras sind insbesondere vorteilhaft für eine besonders zuverlässige Detektion von Defekten und für eine besonders zuverlässige Bestimmung der Position der Defekte.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann die Lichtquelle dazu eingerichtet sein, strukturiertes Licht, insbesondere Licht mit einem Streifenmuster, zu erzeugen. Das Streifenmuster ist vorteilhaft, um Defekte detektieren zu können.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann die Kamera so gestaltet sein, dass sie Bilder mit einer Bildfrequenz von mindestens 10 FPS, insbesondere von mindestens 25 FPS, vorzugsweise von mindestens 65 FPS aufnehmen kann. Dadurch wird eine hohe Prozessgeschwindigkeit bei der Untersuchung der Oberfläche erreicht.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann die Sensoreinheit insbesondere eine Datenschnittstelle aufweisen. Mit der Datenschnittstelle können Daten mit einer Datenübertragungsrate von mindestens 100 Mbit/s übertragen werden, insbesondere mit einer Datenübertragungsrate von mindestens 500 Mbit/s, vorzugsweise mit einer Datenübertragungsrate von mindestens 1 Gbit/s, beispielsweise mit einer Datenübertragungsrate von 10 Gbit/s. Dadurch wird gewährleistet, dass die mit der hohen Bildfrequenz erzeugten Daten ausreichend schnell aus der Sensoreinheit ausgelesen werden können.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann die Vorrichtung dazu eingerichtet sein, mit einem Roboter verbunden zu werden und von diesem relativ zu der zu untersuchenden Oberfläche des Bauteils bewegt zu werden. Es ist insbesondere möglich, dass die Vorrichtung Verbindungsmittel für die Verbindung mit dem Roboter umfasst. Auf diese Weise kann der Roboter die Vorrichtung, insbesondere das zweite Gehäuseteil, mit der Lichtaustrittsfläche geeignet für die Untersuchung der Oberfläche positionieren.
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Die Einrichtung gemäß Anspruch 12 umfasst eine Vorrichtung nach einer Ausführungsform der Erfindung und einen Roboter, der mit der Vorrichtung verbunden oder verbindbar ist und dazu eingerichtet ist, die Vorrichtung relativ zu der zu untersuchenden Oberfläche des Bauteils zu bewegen.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann der Roboter ein Mehrachsen-Roboter, insbesondere ein 6-Achsen-Roboter oder ein mehr als sechs Achsen aufweisender Roboter, sein. Ein derartiger Roboter kann die Vorrichtung beziehungsweise das zweite Gehäuseteil mit der Lichtaustrittsfläche sehr schnell und sehr flexibel in die erforderlichen Positionen überführen.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann die Belichtungszeit, mit der die Kamera Bilder aufnimmt, zwischen 20 µs und 150 µs betragen, so dass der Roboter die Vorrichtung mit einer Geschwindigkeit von mindestens 2 m/s bewegen kann, ohne dass die aufgenommenen Bilder unscharf werden. Unter dem Begriff „unscharf“ wird dabei im Rahmen dieser Beschreibung insbesondere verstanden, dass Konturen aufgrund einer zu langen Belichtungszeit oder einer zu schnellen Bewegung verwischen. Auch durch derartig schnelle Bewegungen des Roboters können höhere Prozessgeschwindigkeiten erreicht werden.
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Das System gemäß Anspruch 15 umfasst eine Einrichtung nach einer Ausführungsform der Erfindung, eine Steuervorrichtung zur Ansteuerung des Roboters und eine Auswertevorrichtung zur Auswertung der von der Sensoreinheit erfassten Bilddaten. Die Auswertevorrichtung kann beispielsweise dazu ausgebildet sein, aus den Bilddaten Defekte zu detektieren.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann die Auswertevorrichtung zur Auswertung der von der Sensoreinheit erfassten Bilddaten dazu eingerichtet sein, die Auswertung unter Zuhilfenahme einer künstlichen Intelligenz durchzuführen. Die künstliche Intelligenz kann vor Beginn der Untersuchung der Oberflächen trainiert worden sein, wie ein Fehlerbild eines Defekts aussieht. Während der Untersuchung analysiert die künstliche Intelligenz die Bilder und sucht nach Defekten.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann das System eine Bearbeitungseinheit umfassen. Diese kann beispielsweise mit dem Roboter verbunden oder mit einem anderen Roboter verbunden sein. Die Bearbeitungseinheit kann dazu ausgebildet sein, die Oberfläche zu bearbeiten. Die Auswertevorrichtung kann dazu ausgebildet sein, unter Verwendung der künstlichen Intelligenz eine Bearbeitungsweise der Oberfläche durch die Bearbeitungseinheit auszuwählen. Die Bearbeitungsweise kann beispielsweise ein Schleif- und/oder Polierprozess sein.
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Das Verfahren gemäß Anspruch 18 umfasst eine Untersuchung der Oberfläche unter Verwendung der Lichtquelle und der Sensoreinheit, eine Auswertung der von der Sensoreinheit erfassten Bilddaten durch die Auswertevorrichtung, eine Auswahl der Bearbeitungsweise durch die Auswertevorrichtung unter Verwendung der künstlichen Intelligenz und eine Bearbeitung der Oberfläche durch die Bearbeitungseinheit gemäß der ausgewählten Bearbeitungsweise.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsbeispielen der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen nachfolgend beschrieben. Dabei werden für gleiche oder ähnliche Teile und für Teile mit gleichen oder ähnlichen Funktionen dieselben Bezugszeichen verwendet. Es zeigen:
- 1 eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung nach einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 eine schematische perspektivische Ansicht der Vorrichtung aus 1;
- 3 eine schematische perspektivische Ansicht der Vorrichtung aus 1;
- 4 eine schematische perspektivische Ansicht der Vorrichtung aus 1;
- 5 eine schematische Seitenansicht der Vorrichtung aus 1 ; und
- 6 eine schematische Schnittansicht der Vorrichtung aus 1 entlang der Schnittlinie A-A aus 5.
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Es ist nicht notwendig, dass eine erfindungsgemäße Vorrichtung alle nachfolgend beschriebenen Merkmale aufweist. Es ist auch möglich, dass eine erfindungsgemäße Vorrichtung nur einzelne Merkmale des nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiels aufweist.
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Die Vorrichtung 100 umfasst ein erstes Gehäuseteil 101 und ein zweites Gehäuseteil 102. Im ersten Gehäuseteil 101 ist eine Sensoreinheit 103 angeordnet. Im zweiten Gehäuseteil 102 ist eine Lichtquelle 600 angeordnet (siehe 6). Die Lichtquelle 600 weist eine Lichtaustrittsfläche 104 auf, durch die das von der Lichtquelle 600 abgestrahlte Licht aus dem zweiten Gehäuseteil 102 austritt.
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Im Betrieb wird die Vorrichtung 100 so positioniert, dass das zweite Gehäuseteil 102 in die Nähe einer zu untersuchenden Oberfläche eines Bauteils gebracht wird und das aus der Lichtaustrittfläche 104 austretende Licht zumindest teilweise auf die Oberfläche auftrifft. Das Licht weist vorzugsweise ein Streifenmuster auf.
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Die Sensoreinheit 103 umfasst zwei Kameras 200, deren optische Achsen O parallel zueinander verlaufen. Die optischen Achsen werden dabei durch Linsen der Kameras 200 definiert. Im Betrieb erfassen die Kameras 200 das von der Lichtquelle 600 durch die Lichtaustrittfläche 104 auf die Oberfläche projizierte Streifenmuster.
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Es ist auch möglich, dass die optischen Achsen der Kameras 200 in einem Winkel zueinander verlaufen. In diesem Fall kann eine der beiden optischen Achsen die optische Ache im Sinne dieser Beschreibung darstellen.
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Die von den Kameras 200 aufgenommenen Bilder der Oberfläche werden durch eine Auswertevorrichtung unter Verwendung einer künstlichen Intelligenz ausgewertet. Die künstliche Intelligenz wurde zuvor darauf trainiert, Defekte in der Oberfläche anhand der Bilder der Kameras 200 zu detektieren. Auf diese Weise können Defekte auf der Oberfläche detektiert werden.
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Die Verwendung zweier Kameras 200 ist besonders vorteilhaft für eine zuverlässige Detektion der Defekte und der Positionen der Defekte. Die prinzipielle Funktionsweise der Vorrichtung kann jedoch auch mit einer einzigen Kamera erreicht werden.
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Optional kann die Auswertevorrichtung auch noch eine Bearbeitungsweise zur Bearbeitung des Defekts durch eine Bearbeitungseinheit auswählen. Dies kann ebenfalls durch die künstliche Intelligenz erfolgen. Die Bearbeitungsweise kann beispielsweise ein Schleif- und/oder Polierprozess sein.
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In 1 ist ein Normalenvektor N der Lichtaustrittsfläche eingezeichnet, der nicht als reales Bauteil vorhanden ist, sondern lediglich zur Definition der Lichtaustrittfläche 104 und des zweiten Gehäuseteils 102 dient. Der Normalenvektor N schließt mit den optischen Achsen O jeweils einen Winkel α ein, der zwischen 65° und 75°, nämlich ungefähr bei 70°, liegt.
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Diese Anordnung der Kameras 200 als Bestandteil der Sensoreinheit 103 relativ zur Lichtaustrittsfläche 104 ist besonders vorteilhaft, um Defekte an Oberflächen zu detektieren, die in Richtung eines relativ schmalen Zwischenraums gerichtet sind. In diesem Fall kann das zweite Gehäuseteil 102 in dem Zwischenraum positioniert werden, ohne dass das erste Gehäuseteil 101 ebenfalls in den Zwischenraum eingeführt werden muss.
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Das zweite Gehäuseteil 102 ist plattenförmig ausgebildet. Es weist in der Richtung des Normalenvektors N der Lichtaustrittsfläche 104 eine sehr geringe Ausdehnung auf. Die Ausdehnung des zweiten Gehäuseteils 102 in Richtung des Normalenvektors N kann beispielsweise weniger als ein Fünftel, vorzugsweise weniger als ein Zehntel, der Ausdehnung des zweiten Gehäuseteils 102 in einer oder zwei anderen Richtungen betragen, wobei die anderen Richtungen jeweils senkrecht zum Normalenvektor N verlaufen.
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Die plattenförmige Ausgestaltung des zweiten Gehäuseteils 102 ist ebenfalls vorteilhaft, um es in einen relativ schmalen Zwischenraum zu positionieren, sodass das aus der Lichtaustrittsfläche 104 austretende Licht die zu untersuchende Oberfläche erreicht.
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Die Kameras 200 können in der Richtung des Normalenvektors N verstellbar sein. Auf diese Weise kann die Position der Kameras 200 an einen Abstand zwischen der Lichtaustrittsfläche 104 und der zu untersuchenden Oberfläche angepasst werden.
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Die Vorrichtung 100 umfasst außerdem einen Anschluss 105, über den die Vorrichtung 100 mit einem Mehrachsen-Roboter verbindbar ist. Der Mehrachsen-Roboter kann dann die Vorrichtung, beispielsweise im Rahmen eines vollautomatischen Prozesses, geeignet positionieren, um Defekte an der zu untersuchenden Oberfläche zu detektieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004007828 A1 [0002]
