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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, zur Überprüfung der Formgenauigkeit eines
Objekts, bei welchem das zu überprüfende Objekt
mit einem Referenzelement verglichen wird. Des Weiteren betrifft
die Erfindung eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs
6, zur Durchführung
des vorstehend genannten Verfahrens, mit einer Bildaufnahmeeinrichtung
zur Erfassung der Kontur eines zu überprüfenden Objekts.
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Die optische Suche, Lagebestimmung,
Klassifikation und Prüfung
von Objekten, die im Folgenden unter dem Begriff Überprüfung der
Formgenauigkeit eines Objektes zusammengefasst werden, sind in der
Automatisierungstechnik, insbesondere in der industriellen Bildauswertung,
häufig
wiederkehrende Aufgaben. Unter Klassifikation versteht man in diesem
Zusammenhang, eine Entscheidung zu treffen, ob es sich bei einem
in einem Bildausschnitt aufgenommenen Objekt um ein bestimmtes Objekt
handelt oder nicht.
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Diese Klassifikation erfolgt meist
durch Vergleich der Objektbilddaten mit den Bilddaten eines zuvor
aufgenommenen Referenzobjektes. Bei der Prüfung eines Objekts wird beispielsweise
die Maßhaltigkeit
oder Vollständigkeit
des zu prüfenden
Objekts im Vergleich zu dem Referenzobjekt ermittelt und überwacht,
ob zulässige
Maximalabweichungen nicht überschritten
werden.
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Für
die Quantifizierung einer Abweichung kann beispielsweise ein flächenintegrales
Fehlermaß eingesetzt
werden, das als ein normierter, skalarer Wert beispielsweise einen
Wertebereich zwischen 0 und 1 besitzt, wobei 0 für keine Über einstimmung und 1 für eine ideale Übereinstimmung
zwischen dem zu kontrollierenden Objekt und dem Referenzobjekt stehen.
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Als ein solches Fehlermaß können z.
B. ein Korrelationskoeffizient, der durch eine zweidimensionale
Korrelation der Objektbilddaten mit den Bilddaten des Referenzobjekts
berechnet wird, oder die normierte Pixeldistanz dienen, die durch
direkten Vergleich der Bilddaten zueinander korrespondierender Bildpunkte
gewonnen wird. Die Berechnung der Pixeldistanz wird häufig auch
als Patternmatching bezeichnet. Es wird die normierte Summe der
Beträge
der Differenzen zwischen den Datenwerten zueinander korrespondierender
Pixel im Objekt und Musterbild berechnet.
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Der Nachteil eines solchen, über die
gesamte Objektfläche
berechneten Fehlermaßes
liegt in seiner geringen Aussagekraft bezüglich lokaler Fehler. Ein beispielsweise
ausschließlich
durch Signalrauschen verursachter Fehler, der sich über das
gesamte Objektbild verteilt, kann kaum unterschieden werden von
einem kleineren, lokalen Defekt.
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Dieser Nachteil soll an einem Beispiel
erläutert
werden: ein Objekt habe im aufgenommenen Bild eine Größe von 100 × 100 Bildpunkten,
es beinhaltet also 10.000 Bildpunkte, auch Pixel genannt. Selbst bei
Wiedervorlage des Musterobjekts führen Signalrauschen und Abweichungen
aufgrund der ortsdiskreten Abtastung bei der Bildaufnahme zu einem
integralen Fehler von etwa 2 bis 5%. Dies entspricht 200 bis 500
Bildpunkten, bei welchen die Werte in den Bilddaten völlig voneinander
abweichen, wenn man eine Übereinstimmung
der Werte bei den übrigen
Bildpunkten voraussetzt. Daraus ergibt sich, dass ein lokaler Fehler
mit einer flächenhaften
Ausdehnung bis etwa 200 Bildpunkte nicht sicher detektierbar ist,
da ein entsprechendes Fehlermaß bereits durch
die oben genannten Fehlerquellen erreicht werden kann.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein
eingangs genanntes Verfahren und eine eingangs genannte Vorrichtung
derart auszubilden, dass geringe lokale Abweichungen der Kontur
eines zu überprüfenden Objekts
von einem Referenzobjekt zuverlässig
feststellbar sind.
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Die Lösung dieser Aufgabe ergibt
sich aus den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
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Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren
zur Überprüfung der
Formgenauigkeit eines Objekts, bei welchem das zu überprüfende Objekt
mit einem Referenzelement verglichen wird, dadurch gekennzeichnet,
dass um die Kontur eines Referenzobjekts ein das Referenzelement
bildender Streubereich gebildet wird und die Kontur des zu überprüfenden Objekts
mit dem Streubereich verglichen wird.
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Des Weiteren ist gemäß der Erfindung
eine Vorrichtung zur Durchführung
eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit
einer Bildaufnahmeeinrichtung zur Erfassung der Kontur eines zu überprüfenden Objekts,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Speicher vorhanden ist, zur Speicherung
eines die Kontur umgebenden Streubereichs, sowie eine erste Vergleichsvorrichtung,
mittels welcher die Kontur des zu überprüfenden Objekts daraufhin geprüft wird,
ob sie sich in dem Streubereich befindet.
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Dadurch, dass um die Kontur eines
Referenzobjekts ein Streubereich gebildet wird und die Kontur des
zu überprüfenden Objekts
mit dem Streubereich verglichen wird, können in vorteilhafter Weise Abweichungen
der Kontur des zu überprüfenden Objekts
von der Kontur des Referenzelements erkannt werden, welche größer als
die durch den Streubereich festgelegten Abweichungen sind. Abweichungen,
welche sich innerhalb des Streubereichs befinden, werden ignoriert,
da sich die Kontur des zu überprüfenden Objekts
innerhalb des zulässigen
Tole ranzbereichs befindet. Somit kann bei einem zu überprüfenden Objekt
erkannt werden, ob sich seine Kontur außerhalb des zulässigen Toleranzbereichs
befindet, auch wenn diese Überschreitung
nur in einem geringen Teilbereich der Gesamtkontur auftritt.
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So kann beispielsweise auch eine
einzige Abweichung erkannt werden, welche örtlich stark eingeschränkt ist,
sich jedoch außerhalb
des Streubereichs befindet. Weist die übrige Kontur des zu überprüfenden Objekts
von der Kontur des Referenzobjekts nur sehr geringe Abweichungen
auf, würde
eine derartige Abweichung mit dem bisherigen Verfahren nicht erkannt
werden, da sich die Gesamtabweichung, d. h. das Integral aller Abweichungen,
innerhalb der zulässigen
Toleranz befindet. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren sind derartige
Abweichungen jedoch zuverlässig
erkennbar, da sie unabhängig
von der Summe aller Abweichungen festgestellt werden.
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Bei einer besonderen Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, dass der Streubereich dadurch gebildet
wird, dass die Kontur einer vorbestimmten Anzahl von Objekten erfasst
wird. Durch die Erfassung der Konturen einer vorbestimmten Anzahl
von Objekten bilden die Abweichungen der Konturen voneinander den
Streubereich. Es versteht sich von selbst, dass die Konturen nur
von solchen Objekten erfasst werden, welche sich innerhalb eines
zulässigen
Toleranzbereichs finden, d. h. in einer Qualitätsprüfung für gut befunden wurden. Die
Anzahl der zu erfassenden Objekte richtet sich nach der Beschaffenheit
der Kontur und den auftretenden Toleranzen. Die Erfahrung hat gezeigt,
dass es in der Regel genügt,
die Kontur von etwa zehn bis zwanzig Objekten zu erfassen.
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Bei einer weiteren besonderen Ausführungsform
ist vorgesehen, dass festgestellte Abweichungen mit einem Toleranzmaß verglichen
werden. Hierdurch ist es möglich,
die Flächen
der außerhalb
des Streubereichs liegenden Abweichungen aufzusum mieren und mit
einem skalaren Wert zu vergleichen. Zwar geschieht der Vergleich
im Wesentlichen wie beim Stand der Technik, jedoch ist nicht zu übersehen,
dass der zu vergleichende Wert nur solche Abweichungen betrifft,
welche außerhalb
des Streubereichs liegen. D. h., an den zu vergleichenden Wert können sehr
hohe Anforderungen gestellt werden, da dieser Wert zulässige Abweichungen
nicht enthält.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn
der Streubereich in Teilbereiche aufgeteilt wird und der Vergleich
der Kontur des zu überprüfenden Objekts
teilbereichsweise erfolgt. Mittels einer derartigen Ausführungsform
ist es möglich,
die Abweichungen lokal unterschiedlich zu bewerten. Insbesondere
ist es möglich,
die Abweichungen der Teilbereiche zu wichten, wie dies bei einer
weiteren besonderen Ausführungsform
vorgesehen ist. So können
beispielsweise kritische Bereiche der Kontur mit einem Vielfachen des
Gewichts berücksichtigt
werden, wie nicht so kritische Bereiche.
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Wie bereits erwähnt wurde, ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung
dadurch gekennzeichnet, dass ein Speicher vorhanden ist, zur Speicherung
eines die Kontur umgebenden Streubereichs, sowie eine erste Vergleichsvorrichtung,
mittels welcher die Kontur des zu überprüfenden Objekts daraufhin geprüft wird,
ob sie sich in dem Streubereich befindet.
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Dadurch, dass bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ein Speicher vorhanden ist, zur Speicherung eines die Kontur umgebenden
Streubereichs, lassen sich auf einfache Weise die Konturen von zu überprüfenden Objekten
mittels der ersten Vergleichsvorrichtung daraufhin überprüfen, ob
sie sich innerhalb des Streubereichs befinden.
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Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform
der Erfindung, bei der ein Streubereichsbildner vorhanden ist, in
welchen die Konturen einer vorbestimmten Anzahl von Objekten eingebbar
sind und welcher aufgrund der Toleranzen der Konturen den Streubereich
bildet. Es ist hierdurch möglich,
dass die Konturen einer vorbestimmten Anzahl von Objekten auf die
gleiche Weise wie die Konturen von zu überprüfenden Objekten erfasst werden
und die entsprechenden Daten in den Streubereichsbildner eingegeben
werden. Aus den Abweichungen der Konturen voneinander bildet der
Streubereichsbildner dann den Streubereich. Es ist hierdurch nicht
erforderlich, den Streubereich separat zu berechnen und in den Speicher
einzugeben, wie dies jedoch auch geschehen könnte.
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Bei einer weiteren besonderen Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, dass eine zweite Vergleichsvorrichtung
vorhanden ist, mittels welcher die Summe der sich außerhalb
des Streubereichs befindlichen Elemente mit einem Toleranzwert verglichen
wird. Hierdurch kann auf einfache Weise eine Unterscheidung der
zu überprüfenden Objekte
in gut und schlecht erfolgen. Durch Veränderung des Toleranzwerts lässt sich
die Qualitätsstufe
problemlos verändern.
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Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform
der Erfindung, bei der ein Teilbereichsbildner vorhanden ist, mittels
welchem der Streubereich in Teilbereiche aufgeteilt wird, und die
erste Vergleichsvorrichtung die Kontur des zu überprüfenden Objekts teilbereichsweise
vornimmt. Hierdurch lässt
sich die Kontur des zu überprüfenden Objekts
beispielsweise in kritische und nicht kritische Bereiche aufteilen.
An die Abweichungen in den kritischen Bereichen könnten dann
höhere
Anforderungen gestellt werden, als an die Abweichungen der nicht
kritischen Bereiche. Insbesondere ist es möglich, dass die Teilbereiche unterschiedlich
gewichtet sind, wie dies in einer weiteren besonderen Ausführungsform
der Erfindung vorgesehen ist.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und
Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung eines besonderen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die Zeichnung.
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Es zeigen:
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1 ein
Referenzobjekt,
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2 das
in 1 dargestellte Referenzobjekt
mit einem seine Kontur umgebenden Streubereich, 3 den in 2 dargestellten
Streubereich ohne Referenzobjekt,
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4 den
in 3 dargestellten Streubereich
mit der Kontur eines zu überprüfenden Objekts, welche
sich teilweise außerhalb
des Streubereichs befindet, und
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5 eine
schematische Anordnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Wie 1 entnommen
werden kann, weist ein Referenzobjekt 1 eine äußere Kontur 1a und
eine innere Kontur 1b auf, wobei die innere Kontur 1b eine Öffnung umschließt. Aufgrund
von Fertigungstoleranzen weichen die Konturen tatsächlich hergestellter
Objekte von den Konturen 1a, 1b des Referenzobjekts 1 ab.
Bisher wurden diese Abweichungen aufsummiert und mit einem Schwellwert
verglichen. Überstieg
die Summe der Abweichungen den Schwellwert, wurden die Objekte als
schlecht klassifiziert; lag die Summe der Abweichungen unterhalb des
Schwellwerts, wurden die Objekte als gut klassifiziert.
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In gleicher Weise, wie Objekte mit
geringen Abweichungen hergestellt werden, werden auch Objekte hergestellt,
deren Konturen exakt mit den Konturen 1a, 1b des
Referenzobjekts 1 übereinstimmen. Weisen
derartige Objekte aufgrund eines Fertigungsfehlers lokal eine Abweichung
auf, welche nicht mehr tolerierbar ist, so kann es dennoch sein,
dass die Fläche
dieser Abweichung unterhalb des Schwellwerts liegt; denn das Objekt
weist ja neben der lokalen Abweichung keine weiteren Abweichungen
mehr auf. Hierdurch würde
das Objekt als gut klassifiziert werden.
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Wie 2 entnommen
werden kann, wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
um die Konturen 1a, 1b des Referenzobjekts 1 ein
Streubereich 2 gebildet. Der Streubereich 2 ist
so bemessen, dass alle Objekte, welche sich innerhalb des Streubereichs 2 befindliche
Konturen 1a, 1b aufweisen, als gut klassifiziert
werden können.
Wenngleich der Streubereich auch regelmäßig so ausgebildet ist, dass
die Konturen 1a, 1b des Referenzobjekts 1 in der
Mitte des Streubereichs 2 verlaufen, so kann es dennoch
erforderlich sein, dass der Streubereich 2 zumindest teilweise
asymmetrisch zu der Kontur angeordnet ist, wie dies in der rechten
oberen Ecke der 2 dargestellt
ist.
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Wie 3 entnommen
werden kann, kann der Streubereich 2 in Teilbereiche 2a, 2b, 2c unterteilt sein.
Den einzelnen Teilbereichen 2a, 2b, 2c kann
ein unterschiedliches Gewicht zugeordnet werden. Hierdurch können Abweichungen
von der Kontur des Referenzobjekts, welche außerhalb des Streubereichs 2 liegen,
bei den Teilbereichen 2a, 2b, 2c unterschiedlich
stark bewertet werden.
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Wie 4 entnommen
werden kann, befindet sich die Kontur 1a', 1b' eines zu überprüfenden Objekts 1' außerhalb
des Teilbereichs 2a des Streubereichs 2, wodurch
das zu überprüfende Objekt 1' als schlecht
zu klassifizieren ist. Das sich außerhalb des Teilbereichs 2a befindliche
Element 3 des zu überprüfenden Objekts 1' ist die einzige
Abweichung, die das zu überprüfende Objekt 1' von dem Referenzobjekt 1 aufweist.
Die Summe aller Abweichungen des zu überprüfenden Objekts 1' von dem Referenzobjekt 1 ist
daher relativ gering und würde
nach der herkömmlichen
Methode eine Klassifizierung des zu überprüfenden Objekts 1' als gut zur
Folge haben. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird diese Abweichung
jedoch sicher erkannt, wodurch das zu überprüfende Objekt 1' als schlecht
klassifiziert wird.
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Ist der Bereich der Kontur 1a' des zu überprüfenden Objekts 1', in dem sich
das außerhalb
des Streubereichs 2 befindliche Element 3 befindet,
kritisch, kann der entsprechende Teilbereich 2a des Streubereichs 2 beispielsweise
mit dem Faktor zehn gewichtet werden. Hierdurch gehen Abweichungen in
diesem Bereich zehnmal so stark in die Gesamtbeurteilung des zu überprüfenden Objekts 1' ein, wie außerhalb
des Teilbereichs 2a liegende Abweichungen.
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Wie 5 entnommen
werden kann, weist eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
eine Bildaufnahmeeinrichtung 4 auf, mittels welcher die
Konturen von Objekten 1, 1' erfasst werden können. Die
Bildaufnahmeeinrichtung 4 ist in herkömmlicher Weise aufgebaut und
besteht im Wesentlichen aus einem Objektiv und einem CCD-Sensor, auf welchem
die Objekte 1, 1' mit
Hilfe des Objektivs abgebildet werden.
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Die Bildaufnahmeeinrichtung 4 ist
mit einer Steuerung 10 verbunden, mittels welcher vom CCD-Sensor
dem aufgenommenen Bild entsprechende Bildsignale an einen Streubereichsbildner 8 geliefert
werden. Im Streubereichsbildner 8 werden die Konturen von
einer vorbestimmten Anzahl als gut klassifizierter typische Toleranzen
aufweisender Objekte miteinander verglichen. Aus dem von den Konturen überdeckten
Bereich bildet der Streubereichsbildner 8 den Streubereich 2.
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Die Daten der derart im Streubereichsbildner 8 gebildeten
Maske werden in einen Speicher 5 eingegeben. Die Daten
der Maske, d. h. des Streubereichs 2, können aber auch direkt von der
Steuerung 10 in den Speicher 5 eingegeben werden.
Hierzu könnte über die
Bildaufnahmeeinrichtung 4 die Kontur 1a, 1b eines
Referenzelements 1 erfasst werden und von der Steuerung 10 ein
zu der Kontur gehörender
Streubereich berechnet werden. Statt der Erfassung der Kontur 1a, 1b eines
Referenzelements 1 könnten
die Konturdaten beziehungsweise die Daten des Streubereichs 2 aber
auch anderweitig in die Steuerung 10 eingegeben werden,
die diese dann an den Speicher 5 weiterleitet.
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Der Speicher 5 ist mit einem
Teilbereichsbildner 9 verbunden, welcher den Streubereich 2 in
Teilbereiche 2a, 2b, 2c aufteilt. Im
Teilbereichsbildner 9 werden die Teilbereiche 2a, 2b, 2c entsprechend
an den Teilbereichsbildner 9 angelegten Wichtungssignalen 9a, 9b, 9c gewichtet.
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Die Daten der gewichteten Teilbereiche 2a, 2b, 2c werden
an eine erste Vergleichsvorrichtung 6 angelegt, an welche
ebenfalls von der Steuerung 10 Bilddaten von mittels der
Bildaufnahmeeinrichtung 4 erfassten zu überprüfenden Objekten 1' angelegt werden.
In der Vergleichsvorrichtung 6 werden die von der Steuerung 10 angelegten
Bilddaten des zu überprüfenden Objekts 1' mit den Daten
der gewichteten Teilbereiche 2a, 2b, 2c verglichen.
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Die sich aufgrund des Vergleichs
ergebende Summe der Abweichungen wird an eine zweite Vergleichsvorrichtung 7 angelegt.
In der zweiten Vergleichsvorrichtung 7 wird die Summe der
Abweichungen mit einem Toleranzwert 7a verglichen. Ist
die Summe der Abweichungen kleiner als der Toleranzwert 7a,
gibt die zweite Vergleichseinrichtung 7 an ihrem Ausgang 7b ein
Signal ab, welches das zu überprüfende Objekt 1' als gut klassifiziert;
ist die Summe der Abweichungen größer als das Toleranzsignal 7a, gibt
die zweite Vergleichseinrichtung 7 ein Signal an ihrem
Ausgang 7b ab, welches das zu überprüfende Objekt 1' als schlecht
klassifiziert.