DE19735246C2 - Verfahren zur Bestimmung eines Volumens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Volumens von kleinen Objekten, wobei es sich bei den Objekten um einzelne kleine, diskret verteilte Flüssigkeits- oder Pastendepots oder um einzelne kleine, diskret verteilte Festkörper handelt.

Die Verfahren zur Bestimmung eines Volumens können in direkte und indirekte Verfahren eingeteilt werden. Ein direktes Verfahren ist bspw. die Bestimmung des Verdrängungsvolumens des jeweiligen Körpers, dessen Volumen bestimmt werden soll. Indirekte Verfahren zur Volumenbestimmung basieren z. B. auf einer Gewichtsbestimmung und entsprechender Umrechnung oder auf einer Vermessung der Geometrie des jeweiligen Körpers, dessen Volumen bestimmt werden soll. Rasternde Verfahren zur Geometrie-Vermessung sind bspw. aus Moehrke: "Mehrdimensionale Geometrieerfassung mit optoelektronischen Triangulationssensoren", Aachen, Techni. Hochschule, Dissertation 1991, oder aus Rauh: "Konturantastende und optoelektronische Koordinatenmeßgeräte für den industriellen Einsatz", Stuttgart, Universität, Dissertation 1992, bekannt. Aus Fries: "Bildsensor zur Konturvermessung durch adaptive geometrische Korellation", Clausthal, Techn. Universität, Dissertation 1985, sind Verfahren der Geometrievermessung bekannt, welche jedoch bestimmte Geometrien voraussetzen. Zur Bestimmung von Volumen werden jeweils nur bestimmte Abmessungen benötigt.

Für die oben erwähnten Zwecke kommen als optische Meßgeräte Triangulationssensoren, wie Laser-Triangulationssensoren, Interferometer oder Röntgengeräte zur Anwendung, wie bspw. aus
Feldmann, Götz, Sturm, Zöllner: "Prozeßbegleitende Qualitätssicherung in der Elektronikproduktion" in: Feldmann, Geiger (Hrsg.) Produktionssysteme in der Elektronik, MeisenbachVerlag GmbH Bamberg 1995, S. 285-330 oder aus
Seitzer, Hanke, Neubauer: "Intelligente Röntgenprüfung zur Qualitätssicherung in der Elektronikindustrie" in: Feldmann, Geiger (Hrsg.) Produktionssysteme in der Elektronik, Meisenbach Verlag GmbH, Bamberg 1995, S. 331-366,
bekannt ist. Wesentliche Kriterien zur Bewertung der bekannten Verfahren zur Volumenbestimmung sind die Meßdauer, der Meßtakt und die Meßgenauigkeit, sowie die Möglichkeit der Integration des Verfahrens zur Volumenbestimmung in einen gegebenen Produktionsprozeß. Bei einem solchen Produktionsprozeß handelt es sich bspw. um einen Prozeß zur Produktion elektronischer Komponenten. Für Anwendungsgebiete, die kurze Meßzeiten, einen hohen Produktdurchsatz bei hoher Meßgenauigkeit und eine Integrationsfähigkeit verlangen - wie sie bspw. in der Elektronikproduktion vorkommen - sind die bekannten Verfahren zur Volumenbestimmung nicht ausreichend. So zeichnen sich Triangulationsverfahren zwar durch hohe Meßgeschwindigkeit und gute Integrationsfähigkeit aus, sie sind jedoch störanfällig bzw. bei inhomogenen und/oder opaken Oberflächen des jeweiligen Meßobjektes ungenau. Im Vergleich zu solchen Triangulationsverfahren weisen Verfahren zur Volumenbestimmung auf der Basis von Interferometern zwar eine hohe Meßgenauigkeit auf, sie sind jedoch für den industriellen Einsatz zu langsam. Röntgengeräte zur Volumenbestimmung weisen den Mangel auf, daß sie nur beschränkt integrationsfähig sind und außerdem liefern sie insbes. bei kontrastarmen Meßobjekten nur unzuverlässige Meßergebnisse.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Volumenbestimmung zu schaffen, das eine kurze Meßdauer besitzt und das einen hohen Durchsatz bei ausreichend genauer Meßaussage mit einer hohen Integrationsfähigkeit kombiniert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Aus- bzw. Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kommt ein Farbsensor bestehend aus einer Lichtquelle, einem Meßkopf, einem Farbempfänger und einer Auswerteeinheit zur Anwendung, um das Spektrum des sichtbaren Lichtes, das von dem jeweiligen Meßobjekt, dessen Volumen bestimmt werden soll, ausgeht, zu erfassen und daraus das Volumen des besagten Meßobjektes zu bestimmen. Dabei wird das besagte Spektrum des sichtbaren Lichtes zweckmäßigerweise in die drei Farbbereiche Rot, Grün und Blau eingeteilt, wobei zu diesen drei Farbbereichen jeweils die zugehörige Farbintensität erfaßt wird.

Wird eine Lichtquelle mit einer bestimmten bekannten Lichtemissionsleistung zur Beleuchtung des jeweiligen Meßobjektes angewandt, deren Lichtemissionsleistung als Referenzwert erfaßt wird und deren emittiertes Licht auf das Meßobjekt geleitet und fokussiert wird, ergibt sich der Vorteil, daß das Verfahren hinsichtlich der Genauigkeit der Meßaussage verbesserbar ist. Die Genauigkeit der Meßaussage kann weiter verbessert werden, daß nur der vom Farbsensor in der Ebene des Meßobjektes erfaßte Bereich vom emittierten Licht beleuchtet wird.

Die Störanfälligkeit gegenüber einer Lichteinstrahlung aus dem Meß-Umfeld ist dadurch verringerbar, daß die Differenz zwischen dem von der Lichtquelle emittierten Licht und dem im Farbsensor aufgenommenen Licht als sog. Schwarzwert erfaßt wird.

Vorteilhafterweise kann aus dem Verhältnis des jeweiligen Rot-, Grün- und Blauanteils näherungsweise das entsprechende Volumen bestimmt werden. Eine Erhöhung der Meßsicherheit ist erzielbar, wenn aus dem Verhältnis des jeweiligen Rot-, Grün- und Blauanteils näherungsweise das Volumen bestimmt wird, wobei die absoluten Rot-, Grün- und Blauanteile normiert werden und als Parameter dienen.

Weiterhin kann eine Zuordnungsfunktion zwischen den normierten Farb-Spannungswerten und den zugehörigen Volumina zur Anwendung gelangen. Es ist jedoch auch möglich, zur näherungsweisen Bestimmung des jeweiligen Volumens ein neuronales Netz oder einen Fuzzy-Operator zu verwenden. Ein trainiertes neuronales Netz ist bspw. aus Feldmann, Götz: "System- und Prozeßdiagnose an den Maschinen der Elektronikproduktion", Tagungsband zum IV. Kolloquium Technische Diagnostik Dresden 1996, Technische Universität Dresden, 1996, Seiten 294-303, bekannt. Ein Fuzzy-Operator ist bspw. aus Götz: "Prozeßbegleitende Qualitätssicherung in der Elektronik", FAPS- TT-Seminar Elektronikproduktion - aktuelle Entwicklungen zur Verbindungstechnik, 23.6.1995, Tagungsband, Erlangen, 1995, bekannt.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist die Vorteile auf, daß durch eine relativ einfach ausgebildete, kompakte Sensorik und eine schnelle Analytik der Signale in sehr kurzer Zeit für die meisten Anwendungen ausreichend genaue Meßwerte zur Verfügung stehen, um das jeweilige Volumen zu bestimmen.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch in einer Blockdarstellung eine Ausbildung des Farbsensorsystems zur Durchführung des Verfahrens zur Bestimmung eines Volumens,

Fig. 2 den Funktionszusammenhang zwischen Volumen und normierter Farbspannung,

Fig. 3 ein Schema eines neuronalen Netzes, und

Fig. 4 ein Regelschema einer Fuzzy-Logik.

Fig. 1 zeigt einen Farbsensor 10, der eine Lichtquelle 12, einen Meßkopf 14, einen Farbempfänger 16 und eine Auswerteeinheit 18 aufweist.

Die Lichtquelle 12 emittiert sichtbares Licht, das mittels eines koaxialen Lichtleiters 20 zum Meßkopf 14 geführt wird.

Der Meßkopf 14 weist eine Linse 22 auf, um das von der Lichtquelle 12 emittierte sichtbare Licht auf einem Objekt 24 zu fokussieren. Bei diesen Objekten 24 handelt es sich um kleine Volumina wie einzelne, diskret verteilte Flüssigkeits- oder Pastendepots oder um einzelne kleine, diskret verteilte Festkörper. Die Objekte 24 befinden sich bspw. auf einer Schaltungsplatine 26, die auf einem X-Y-Tisch 28 angeordnet ist.

Der Meßkopf 14 erstreckt sich durch eine auf dem X-Y-Tisch 28 angebrachte Halterung 30 hindurch.

Das vom jeweiligen Objekt 24 reflektierte Licht wird durch die Linse 22 in das zweite Faserbündel des koaxialen Lichtleiters 20 gelenkt und zum Farbempfänger 16 geführt. Zusätzlich wird das Original-Licht der Lichtquelle 12 mittels eines kurzen Lichtleiters 32 als Referenzlicht in den Farbempfänger 16 geleitet. Der Farbempfänger 16 splittet das vom jeweiligen Objekt 24 reflektierte Licht mittels eines dichroitischen Spiegels 34 in die drei Farbanteile Rot, Grün und Blau auf und gibt diese drei Absolutfarbwerte als Spannungswerte an die Auswerteeinheit 18 weiter. Das ist durch den Pfeil 36 angedeutet. Aus diesen drei Spannungswerten werden drei normierte Farbwerte und ein sog. Schwarzwert gebildet. Die Spannungswerte für die drei Absolutfarbwerte, für die drei normierten Farbwerte und für den Schwarzwert, d. h. diese insgesamt sieben Spannungswerte werden über einen Analog- Digital-Wandler in einen Computer 38 eingegeben. Bei diesem Computer 38 handelt es sich bspw. um einen PC. Die besagte Eingabe der sieben Spannungswerte in den Computer 38 ist durch die Pfeile 40 angedeutet.

Zwischen dem Computer 38 und dem X-Y-Tisch 28 ist ein Verstärker 42 für den X-Y-Tisch 28 eingeschaltet. Dabei verdeutlicht der Pfeil 42 Positions-Sollwerte des X-Y-Tisches 28 und der Pfeil 44 Positions-Istwerte desselben. Der Pfeil 46 verdeutlicht Inkremetalgeberwerte und der Pfeil 48 den jeweiligen Motorsteuerstrom für den X-Y-Tisch 28.

Die Lichtquelle 12 ist vorzugsweise von einer Halogenlampe gebildet, wobei das Farbspektrum wie folgt aufgeteilt wird:

Rot:	ca. 590-700 nm
Grün:	ca. 490-580 nm
Blau:	ca. 395-510 nm

In Zusammenarbeit mit einem Meßprogramm des Computers 38, das den X-Y-Tisch 28 ansteuert, kann eine automatisierte Meßwertaufnahme erfolgen.

Der Farberkennungsbereich zur Vermessung bspw. von Lotpastendepots liegt zwischen 400 nm und 700 nm Lichtwellenlänge. Der Farbsensor 10 setzt die Farbwerte - wie erwähnt worden ist - in elektrische Spannung um. Die Absolutwerte dieser Farbspannungen liegen bspw. zwischen 0 V und 8 V. 0 V bedeutet, daß der entsprechende Farbanteil nicht vorhanden ist und daß die Helligkeit der Farbe sehr gering ist. Mit steigender Farbspannung nimmt der Anteil der entsprechenden Farbe und/oder deren Helligkeit zu. Bei 8 V beträgt der entsprechende Farbanteil 100% und die Helligkeit besitzt ihr Maximum.

Die normierten Farbspannungen liegen z. B. zwischen 0 V und 10 V und repräsentieren den prozentualen Anteil der jeweiligen Grundfarbe in der Meßfarbe bezogen auf 10 V. 0 V bedeutet, daß die entsprechende Grundfarbe nicht enthalten ist. 10 V bedeutet, daß nur diese Grundfarbe enthalten ist.

Der erzeugte Schwarzwert liegt zwischen 0 V und 10 V. Ist der Schwarzwert kleiner als 0,7 V, so ist die Meßfarbe zu hell oder durch Spiegelungen die Flächenbeleuchtung zu groß. Ist der Schwarzwert größer als 9 V, so ist die Meßfarbe zu dunkel oder die Flächenbeleuchtung durch einen zu großen Meßabstand zwischen dem Meßkopf 14 und dem jeweiligen Objekt 24 zu gering.

Fig. 2 zeigt beispielhaft die Zusammenhänge zwischen den Farbanteilen und dem jeweiligen Volumen, wobei die durchgezogene Linie 50 den Rotanteil, die strichlierte Linie 52 den Blauanteil und die punktierte Linie 54 den Grünanteil zeigt. Auf der Ordinate ist die normierte Farbspannung und auf der Abszisse ist das Volumen aufgetragen.

Bei der Volumenbestimmung von Lotpastendepots gilt, daß mit zunehmendem Volumen des Lotpastendepots der Rotanteil (Linie 50) kleiner und der Blauanteil und der Grünanteil (Linien 52 und 54) größer wird. Mit Hilfe dieser Zuordnungsdiagramme ist also eine Volumenbestimmung möglich. Die Zuordnungsdiagramme, d. h. die Linien 50, 52 und 54, können auf Basis von Korrelationsberechnungen ermittelt werden.

Die Fig. 3 verdeutlicht schematisch ein neuronales Netz 56, wobei durch einen Block 58 eine Eingabe, durch einen Block 60 eine Eingabeschicht, durch einen Block 62 eine versteckte Schicht, durch einen Block 64 eine Ausgabeschicht und durch einen Block 66 eine Ausgabe angedeutet sind. Das neuronale Netz 56 besteht aus einer Eingabeschicht 60 mit drei Neuronen, einer Trainingseingabeschicht mit einem Neuron und einer Ausgabeschicht 64 mit ebenfalls einem Neuron. Die versteckte Schicht 62 besteht in dieser Ausführung aus einer Ebene mit zwei Neuronen. Der Eingabe sind die drei Farben Rot, Grün und Blau und der Ausgabe 66 ist das Volumen zugeordnet.

Fig. 4 zeigt ein Schema 68 der Fuzzy-Regeln eines Fuzzy- Operators. Das in Fig. 4 zeichnerisch dargestellte Regelwerk entspricht der Transformation des neuronalen Netzes 56 gemäß Fig. 3 in ein Fuzzy-System. Das Fuzzy-System umfaßt die beiden linguistischen Variablen Farben Rot, Grün und Blau sowie die Variable Volumen.

Claims (9)

1. Verfahren zur Bestimmung des Volumens von kleinen Objekten, wobei es sich bei den Objekten um einzelne kleine, diskret verteilte Flüssigkeit- oder Pastendepots oder um einzelne kleine, diskret verteilte Festkörper handelt, dadurch gekennzeichnet, daß sichtbares Licht einer Lichtquelle (12) auf das zu bestimmende Volumen fokussiert wird, daß das vom Volumen reflektierte Licht einem Farbempfänger (16) zugeführt wird, daß der Farbempfänger (16) das reflektierte Licht in voneinander verschiedene Spektralfarben zerlegt, daß der Farbempfänger die jeder Spektralfarbe zugeordnete Farbintensität erfaßt und als Absolut-Farb-Spannungswert einer Auswerteeinheit (18) zuführt, und daß von der Auswerteinheit zumindest die Absolut-Farb-Spannungswerte einem Computer (38) zugeführt werden, der mittels einer Zuordnungsfunktion aus den ihm zugeführten Werten das Volumen bestimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Farbempfänger (16) das reflektierte Licht in die Spektralfarben Rot, Grün und Blau zerlegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Auswerteeinheit (18) aus den Absolut-Farb- Spannungswerten normierte Farb-Spannungswerte gebildet werden, die dem Computer (38) zugeführt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Computer aus dem Verhältnis des jeweiligen Rot-, Grün- und Blauanteiles näherungsweise das Volumen bestimmt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Computer aus dem Verhältnis des jeweiligen Rot-, Grün- und Blauanteiles näherungsweise das Volumen bestimmt wird, wobei die absoluten Rot-, Grün- und Blauanteile zuvor normiert werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Computer zur näherungsweisen Bestimmung des Volumens ein neuronales Netz (56) verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Computer zur näherungsweisen Bestimmung des Volumens ein Fuzzy-Operator (68) verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (12) eine bestimmte Lichtemissionsleistung aufweist, die als Referenzwert dem Farbempfänger (16) direkt zugeführt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen der von der Lichtquelle (112) emittierten Lichtintensität und der vom Volumen reflektierten Lichtintensität als Schwarzwert bestimmt wird.