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Die
Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur dreidimensionalen Lageerkennung
und Überwachung
eines Werkzeugs mit drei Kameras, welche derart angeordnet sind,
dass der gemeinsame Sichtbereich aller Kameras einen Bereich von
360° um das
Werkzeug bzw. um den Arbeitsbereich des Werkzeugs herum umfasst,
mit einer Beleuchtungseinrichtung, welche um die Kameras herum ausgebildet
ist, und mit einem Durchlass zur Durchführung des Werkzeugs, um den
herum die Kameras angeordnet sind.
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Es
gibt bereits optische Sensoranordnungen, welche an einem durch einen
Roboter oder ein Stellglied geführten
Werkzeug festgelegt werden können,
um das Arbeitsergebnis dieses Werkzeugs zu überwachen. Derartige Inspektionseinheiten
werden häufig
im Zusammenhang mit Kleberaupen verwendet, um den Klebstoffauftrag
der Kleberaupe kontinuierlich zu überwachen und zu inspizieren.
Typische Sensoranordnungen weisen dazu drei Kameras auf, die zusammen
einen Sichtbereich von 360° um
das Werkzeug herum abdecken. Durch ein in zwei Kameras gleichzeitig
erfasstes Merkmal bekannter Anordnung ist es ferner möglich, die
Lage des Werkzeugs relativ zu dem bearbeiteten Objekt, dessen Merkmal
mit den beiden Kameras aufgenommen wird, zu ermitteln.
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Dafür ist es
jedoch notwendig, dass ein geeignetes Objekt-Merkmal bekannter Anordnung gleichzeitig
in dem Sichtbereich beider Kameras liegt. Dies ist bspw. während eines
kontinuierlichen Klebstoffauftrags nicht in jeder Arbeitsposition
möglich,
so dass für
die Lageerkennung häufig
separate Arbeitsschritte notwendig sind, bei denen die Sensoranordnung
gezielt zur Lageerkennung geeignete Merkmale ansteuert und die Kamerabilder
auswertet.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Sensoranordnung vorzusehen,
welche bei ausreichend kompakter Anordnung zur Anbringung der Sensoreinheit
um das Werkzeug herum eine flexiblere Lageerkennung ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Dabei wird zusätzlich
zu einer Flächenbeleuchtung
durch die Beleuchtungseinrichtung, welche Lochmerkmale in der bearbeiteten
Oberfläche
zur Lageerkennung ausreichend kontrastieren kann, ein Projektor
in die kompakte Sensoranordnung integriert, um ein Muster auf die
bearbeitete Oberfläche
zu projizieren. Neben zur Lageerkennung ohnehin verwendbaren Punktmerkmalen,
welche in dem Kamerabild sichtbar sind und zur Lageerkennung herangezogen
werden können, und
durch eine Flächenbeleuchtung
ausreichend kontrastierten Lochmerkmalen ermöglicht der Projektor durch
Projektion eines Musters eine ausreichende Kontrastierung von Kantenmerkmalen
auf dem Objekt. Dabei ist ein Projektionsmuster aufgrund von Verformungen
in dem projizierten Muster für
die Bilderkennung einfach auszuwerten.
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Durch
den zusätzlichen
Projektor in der Sensoranordnung können daher mehr verschiedene Merkmale
eines bearbeiteten Objektes zur Lageerkennung der Sensoranordnung
und des Werkzeugs relativ zu dem Objekt verwendet werden, so dass eine
Lageerkennung während
einer normalen Bearbeitung durch das Werkzeug flexibler und ohne
Störung
des Arbeitsablaufs möglich
ist. Mit der einen integrierten Sensor bildenden erfindungsgemäßen Sensoranordnung
können
sowohl die dreidimensionale Lageerkennung als auch Inspektionsaufgaben für ein Werkzeug,
bspw. eine Kleberaupeinspektion, gleichzeitig durchgeführt werden,
wobei die Lageerkennung insbesondere nach dem Stereo-Prinzip mit zwei
der drei Kameras arbeitet und die Inspektionsaufgaben aufgrund der
vollständigen
Abdeckung des Arbeitsbereichs des Werkzeugs durch den Sichtbereich
der Kameras ohne eine Nachführung
der Sensoranordnung möglich
ist.
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Dafür ist es
insbesondere vorteilhaft, wenn eine oder jede Kameraachse in Radialrichtung
zu der Achse des Durchlasses hin geneigt ist, durch welchen das
Werkzeug durchgreift. So kann jede Kamera das Werkzeug und dessen
Arbeitsbereich sehen. Insbesondere können die Kameraachse und die
Achse des Durchlasses in einer Ebene liegen und nicht parallel zueinander
angeordnet sein. Dadurch wird erreicht, dass jede Kamera ähnlich zu
dem Werkzeug angeordnet ist und ein Überwachungsergebnis vergleichbarer
Qualität
liefert. Auch die Projektorachse kann in ähnlicher Weise zu der Achse
des Durchlasses hin geneigt sein, damit das auf die bearbeitete Objektoberfläche projizierte
Bild im Arbeitsbereich des Werkzeugs erscheint und bspw. zur Vermessung oder
Beurteilung des Arbeitsergebnisses herangezogen werden kann.
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Ferner
können
die Kameraachsen von zwei Kameras eine gemeinsame Ebene aufspannen
und in dieser Ebene aufeinander zugeneigt sein. Auf diese Weise
wird eine definierte Überlappung
der Sichtbereiche dieser beiden Kameras erreicht, die eine einfache
Bildauswertung für
die dreidimensionale Lageerkennung ermöglicht. Besonders zuverlässige Ergebnisse
der Lageerkennung lassen sich erreichen, wenn die Kameraachsen der
beiden in einer gemeinsamen Ebene aufeinander zugeneigten Kameras
einen Winkel zwischen etwa 25° und
35° einschließen.
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Damit
diese beiden Kameras auch zuverlässig
zur Überwachung
des Werkzeugs herangezogen werden können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass
die durch die Kameraachsen der beiden Kameras aufgespannte gemeinsame
Ebene auch in Radialrichtung zu der Achse des Durchlasses hin geneigt sein
kann. Das Werkzeug wird so in einem vorgegebenen Bereich des Sichtbereichs
der beiden Kameras abgebildet.
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Da
aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung
die Sichtbereiche dieser beiden Kameras definiert überlappen,
bilden diese vorzugsweise ein Stereopaar zur dreidimensionalen Lageerkennung,
welches nach dem bekannten Prinzip der Stereometrie arbeitet. Die
Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, dass die dreidimensionale
Lageerkennung nur mit diesen beiden Kameras durchgeführt wird. Sofern
in den Sichtbereichen zweier anderer Kameras ein für die Lageerkennung
geeignetes Merkmal gleichzeitig abgebildet wird, kann auch dieses
Merkmal ohne Weiteres zur dreidimensionalen Lageerkennung herangezogen
werden. Die Entscheidung hierüber
kann bspw. automatisiert durch eine Steuerung getroffen werden,
welche die Bilder aller drei Kameras gleichzeitig, insbesondere
parallel zueinander, auswertet.
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Erfindungsgemäß können zumindest
zwei Kameras in einer zu der Achse des Durchlasses senkrechten Ebene
einen unterschiedlichen Winkel zu ihren benachbarten Kameras, bezogen
auf die Achse des Durchlasses, aufweisen. In einer solchen Anordnung
sind die drei Kameras also erfindungsgemäß nicht gleichmäßig um den
Umfang des Durchlasses herum verteilt. Dies kann sowohl für den Winkelabstand
der beiden Kameras bezogen auf die Achse des Durchlasses als auch
für den
radialen Abstand der Kameras von der Achse des Durchlasses gelten.
Durch diese nicht notwendigerweise umfangs- und/oder radialsymmetrische
Anordnung der Kameras lässt
sich eine besonders kompakte Sensoranordnung erreichen, die sowohl
für die Überwachungsaufgaben
als auch die dreidimensionale Lageerkennung optimiert ist. Insbesondere
ist es vorteilhaft, wenn der Abstand zwischen den beiden als Stereopaar
dienenden Kameras kleiner ist als der Abstand der dritten Kamera
zu jeder der beiden Stereo-Kameras.
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Eine
besonders einfache Auswertung von Objektkanten zur dreidimensionalen
Lageerkennung lässt
sich erreichen, wenn der Projektor ein Streifenprojektor ist. Erfindungsgemäß kann der
Projektor jedoch auch andere geometrische Muster, bspw. konzentrische
Kreise oder dgl., projizieren. Dazu kann das Muster des Projektors
bspw. auch im laufenden Betrieb durch eine entsprechende Ansteuerung
des Projektors einstellbar sein.
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Erfindungsgemäß ist der
Streifenprojektor vorzugsweise derart angeordnet, dass Objektkanten auf
einer Projektionsoberfläche
für ein
Kamerapaar mit hoher Bildfeldüberlappung
als gekrümmte
Streifen erkennbar sind. Dazu kann vorgesehen werden, dass die Richtung
der Streifen in der Projektion veränderbar, bspw. drehbar, ist.
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In
einer bevorzugten Anordnung befindet sich der Projektor unmittelbar
benachbart zu einer Kamera, die vorzugsweise nicht zu dem Stereopaar gehört. Dadurch
kann der Projektor von der gemeinsamen Ebene der als Stereokamera
verwendeten Kameras möglichst
weit weg angeordnet werden, um die Genauigkeit der dreidimensionalen
Lageerkennung zu erhöhen.
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Eine
besonders kompakte Bauform der Sensoranordnung und eine leichte
Veränderbarkeit
der projizierten Muster lässt
sich erfindungsgemäß durch einen
LED-Projektor erreichen.
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Um
für die Überwachungsaufgaben und/oder
zur Erkennung von Lochmerkmalen für eine gute Ausleuchtung des
Objektes zu sorgen, kann die in der Sensoranordnung vorgesehene
Beleuchtungseinrichtung eine LED-Flächenbeleuchtung sein, welche
vorzugsweise die gesamte freie, dem Werkzeug zugewandte Sensorfläche abdeckt.
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Es
hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Beleuchtungseinrichtung
insbesondere dreifach segmentiert ist, wobei jeweils ein Segment einer
Kamera zugeordnet sein kann. Dies kann bspw. ein die Kamera umgebendes
Segment der Beleuchtungseinrichtung sein.
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Um
eine niedrige Bauform der gesamten Sensoranordnung zu erreichen,
kann in dem Sensorgehäuse
eine Platine mit Ausnehmungen für
die Kameras und den Projektor vorgesehen sein. Dies ermöglicht eine
besonders flache Ausbildung des Sensorgehäuses, aus dem die Kameras und
der Projektor nach oben, d.h. von der dem Werkzeug abgewandten Oberfläche der
Sensoranordnung, vorstehen.
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Die
Beleuchtungseinrichtung, insbesondere die LED-Flächenbeleuchtung, kann einfacher
Weise direkt auf der Unterseite, d.h. der dem Werkzeug zugewandten
Seite der Platine, angeordnet sein. Zum Schutz vor Beschädigungen
oder Verschmutzungen kann die Unterseite der Platine mit der LED-Flächenbeleuchtung
durch eine einfach auswechselbare Streuscheibe, bspw. eine Kunststoffscheibe,
ohne Durchbrüche
abgedeckt sein, welche die gesamte Sensoranordnung mit den Kameras,
dem Projektor und der Flächenbeleuchtung
schützt.
Durch die Streuscheibe wird auch eine Vergleichmäßigung eines LED-Flächenlichts
erreicht.
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Auf
der Platine kann ferner die Steuerelektronik zum Schalten der Beleuchtungseinrichtung,
des Projektors und/oder der Kameras angeordnet sein. Wahlweise können der
Projektor und/oder die Flächenbeleuchtung
dauerhaft geschaltet oder geblitzt werden. Blitzen hat den Vorteil,
dass insbesondere LEDs mit höherer
Leistung betrieben werden können.
Außerdem
kann durch sehr kurze Blitze ein scharfes Bild erzielt werden, auch
wenn sich der Sensor bewegt. Die Steuerelektronik dient ferner dem segmentierten
Ansteuern der Beleuchtungseinrichtung und/oder einer auch parallelen
Bildauswertung der aufgenommenen Bilder.
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Ferner
kann eine oder jede Kamera in ein insbesondere von der Oberfläche des
Sensorgehäuses
auf der dem Werkzeug abgewandten Seite vorstehendes Gehäuse aufgenommen
sein, welches einen Durchlass zum Durchführen des elektrischen Kabelanschlusses
der Kamera aufweist. Dadurch kann der an der Kamera selbst vorgesehene
Kameraanschluss unmittelbar aus dem Gehäuse der Kamera herausgeführt werden,
ohne dass in dem Gehäuse
eine zusätzliche
Verschaltung notwendig ist, um den elektrischen Anschluss aus dem
Gehäuse
der Kamera herauszuführen.
Dies vereinfacht den Einbau der Kameras und ermöglicht eine besonders kompakte
Sensoranordnung. Dabei kann der Durchlass für den Kameraanschluss bspw.
durch eine Dichtung gegen das Eindringen von Schmutz oder Spritzwasser
abgedichtet sein.
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Durch
die erfindungsgemäße Kombination einer
Sensoranordnung zur Überwachung
des Arbeitsergebnisses eines Werkzeugs und zur dreidimensionalen
Lageerkennung mit drei Kameras, einer Flächenbeleuchtung und einem Projektor
wird ein flexibel einsetzbarer Inspektionssensor geschaffen, der sich
sowohl für
die kontinuierliche Überwachung
eines Arbeitsergebnisses eines Werkzeugs als auch die dreidimensionale
Lagebestimmung aus der Bewegung der Sensoranordnung heraus eignet.
Durch die insbesondere asymmetrische Anordnung der verschiedenen
Komponenten des Sensors wird eine insgesamt kompakte Sensoranordnung
erreicht, die um das Werkzeug herum festgelegt werden kann, ohne die
Bewegungsfreiheit des roboter- oder stellgliedgeführten Werkzeugs über Gebühr zu beeinträchtigen.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben
sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
und der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich
dargestellten Merkmale für
sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der vorliegenden
Erfindung, unabhängig von
ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
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Es
zeigen:
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1 eine
Seitenansicht der erfindungsgemäßen Sensoranordnung;
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2 eine
Ansicht der dem Werkzeug abgewandten Oberseite der Sensoranordnung
gemäß 1 und
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3 eine
Ansicht der dem Werkzeug zugewandten Unterseite der Sensoranordnung
gemäß 1.
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Die
in 1 in der Seitenansicht dargestellte Sensoranordnung 1 mit
einem kompakten, flach ausgebildeten Sensorgehäuse 2 weist drei,
von der dem Werkzeug im Gebrauch abgewandten Oberseite vorstehende
Gehäuse 3 zur
Aufnahme je einer Kamera 4, 5, 6 auf,
die auf das Werkzeug ausgerichtet sind.
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Wie
der Ansicht auf die Oberseite der Sensoranordnung 1 in 2 zu
entnehmen, ist in dem Sensorgehäuse 2 ein
Durchlass 7 zur Durchführung
eines nicht dargestellten Werkzeugs ausgebildet, um den herum die
Kameras 4, 5, 6 derart angeordnet sind,
dass der gemeinsame Sichtbereich aller Kameras einen Bereich von
360° um
das Werkzeug herum erfasst. Dazu sind die Kameraachsen der Kameras 4, 5, 6 um
die Winkel α4, α5, α6 zu der Achse 8 des Durchlasses 7 hin
geneigt. Die Winkel α4 und α5 der Kameras 4 und 5 setzen
sich jeweils durch Kippwinkel β4,5 und γ4,5 zusammen. Die Winkel γ4, γ5 stellen Kippwinkel
der Kameraachsen der Kameras 4, 5 dar, um welche
die Kameras 4, 5 in einer durch die Kameraachsen
aufgespannten gemeinsamen Ebene der Kameras 4, 5 aufeinander
zu geneigt sind. Diese Winkel γ4 und γ5 sind so gewählt, dass die Kameraachsen
der Kameras 4, 5 in der durch die Achsen aufgespannten
gemeinsamen Ebene einen Winkel zwischen 25° und 35°, insbesondere etwa 30°, einschließen.
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Ferner
ist die gemeinsame Ebene in Radialrichtung zu der Achse 8 des
Durchlasses 7 hin geneigt. Dies drückt sich in den Kippwinkeln β4 und β5 der
Kameras 4 und 5 aus, welche insbesondere gleich
sein können.
Durch die Winkel β4 und γ4 bzw. β5 und γ5 werden jeweils die resultierenden Kippwinkel α4,
und α5 jeder Kameraachse der Kameras 4 und 5 in
Radialrichtung zu der Achse 8 des Durchlasses 7 hin
geneigt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diesen Fall beschränkt, so
dass die resultierenden Winkel α4 und α5 der Kameraachsen der Kameras 4 und 5 nicht
unbedingt in Radialrichtung zu der Achse 8 des Durchlasses 7 hin
geneigt sein müssen.
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Neben
der Kamera 6 ist ein als LED-Streifenprojektor ausgebildeter
Projektor 9 in einem Projektorgehäuse 10 angeordnet,
welches von dem Sensorgehäuse 2 nach
oben vorsteht und gegenüber diesem
ebenfalls um Kippwinkel δ1 und δ2 verkippt ist. Dabei können die Kippwinkel δ1 und δ2 so
gewählt sein,
dass auch die Projektorachse in Radialrichtung zu der Achse 8 des
Durchlasses 7 hin geneigt ist.
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Durch
die vorbeschriebene Anordnung weisen die Kameras 4 und 5 eine
hohe Bildfeldüberlappung
ihrer Sichtbereiche auf und dienen als Stereopaar zur dreidimensionalen
Lageerkennung. Die Inspektion des Werkzeugs, insbesondere eine Kleberaupeninspektion,
basiert darauf, dass das Werkzeug, bspw. die Kleberaupe, grundsätzlich mindestens
in einer der, zu Redundanzzwecken aber auch zwei oder drei Kameras 4, 5 und 6 sichtbar
ist.
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Der
LED-Streifenprojektor 9 ist so angeordnet, dass im Arbeitsabstand
Objektkanten des bearbeiteten Objekts für das Stereopaar 4, 5 als
gekrümmte
Streifenverläufe
erkennbar sind. Eine Kante des Objekts wird also über die
Streifenkrümmung modelliert
und durch eine geeignete Bildauswertung erkannt. Unabhängig davon
können
durch das Stereopaar der Kameras 4, 5 auch Punkt-
oder Lochmerkmale zur dreidimensionalen Lageerkennung herangezogen
werden.
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Auf
der in 3 dargestellten, im Betrieb dem Werkzeug zugewandten
Unterseite der Sensoranordnung 1 sind Öffnungen für die Kameras 4, 5, 6 und
den Projektor 9 zu erkennen, welche weder radial- noch
umfangssymmetrisch um die Achse 8 des Durchlasses 7 für das Werkzeug
angeordnet sind. Die Kameras 4, 5, 6 und
der Projektor 9 sind von einer nicht gesondert dargestellten
Beleuchtungseinrichtung 11 umgeben, welche die gesamte
freie, dem Werkzeug zugewandte Sensorfläche der Sensoranordnung 1 abdeckt.
Dabei ist die Beleuchtungseinrichtung 11 als LED-Flächenbeleuchtung
ausgebildet, welche in drei Segmente 12, 13, 14 aufgeteilt
ist, die jeweils einer Kamera 4, 5, 6 zugeordnet
sind und durch eine bspw. auf einer Platine in dem Sensorgehäuse 2 angeordnete
Steuerelektronik segmentiert angesteuert werden können. Dabei
ist die LED-Flächenbeleuchtung
selbst auch auf der Unterseite der Platine angeordnet, die vorzugsweise
die gesamte Steuer- und Auswerteelektronik enthält. Dadurch ist die Sensoranordnung
besonders einfach herstellbar.
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Um
eine weitgehende Unabhängigkeit
von dem Umgebungslicht zu erreichen, strahlen alle LEDs der Beleuchtungseinrichtung 11 in
der gleichen Farbe, bspw. rot, ab. Entsprechend sind die Kameras 4, 5, 6 mit
einem Rotfilter entsprechender Wellenlänger ausgestattet, um nur die
Eigenbeleuchtung durch die LED-Flächenbeleuchtung 11 durchzulassen
und Fremdlicht auszuschalten.
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Wie
in 2 dargestellt, sind in den Kameragehäusen 3 Durchlässe 15 ausgebildet,
durch die der elektrische Kabelanschluss einer Kamera 4, 5, 6 direkt
aus dem Kameragehäuse 3 herausgeführt werden
kann. Dies ermöglicht
eine geringe Bauhöhe
des Kameragehäuses 3 und
vermeidet eine zusätzliche Verkabelung
innerhalb des Kameragehäuses 3 zum Anschließen der
Kameras 4, 5, 6.
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Zusammen
mit dem erfindungsgemäß unsymmetrischen
Design der gesamten Sensoranordnung 1 in der vorbeschriebenen
Weise wird eine besonders kom pakte Sensoranordnung 1 mit
drei Kameras 4, 5, 6, einem Projektor 9 zur
Projektion von Mustern und einer segmentierten Flächenbeleuchtung 11 geschaffen,
der universell zur dreidimensionalen Lageerkennung und Überwachung
bspw. einer Kleberaupeninspektion eingesetzt werden kann. Insbesondere
sind die Kameras 4, 5, 6 und der Projektor 9 weder
radial- noch umfangssymmetrisch in Bezug auf die Achse 8 des
Durchlasses 7 für
das Werkzeug angeordnet.
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- 1
- Sensoranordnung
- 2
- Sensorgehäuse
- 3
- Gehäuse
- 4
- Kamera
- 5
- Kamera
- 6
- Kamera
- 7
- Durchlass
- 8
- Achse
- 9
- Projektor,
LED-Streifenprojektor
- 10
- Projektorgehäuse
- 11
- Beleuchtungseinrichtung,
LED-Flächenbeleuchtung
- 12
- Segment
- 13
- Segment
- 14
- Segment
- 15
- Durchlass
- α4,5,6
- Kippwinkel
der Kameras 4, 5, 6
- β4,5
- Kippwinkel
der Kameras 4, 5
- γ4,5
- Kippwinkel
der Kameras 4, 5
- δ1,2
- Kippwinkel
des Projektors 9