DE3612256A1 - Verfahren und einrichtung zur optoelektronischen qualitaetskontrolle - Google Patents
Verfahren und einrichtung zur optoelektronischen qualitaetskontrolleInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung
zur optoelektronischen Qualitätskontrolle bewegter Prüf
linge durch Vergleich mit einem Original mittels einer
Kamera in Echtzeit.
Die visuelle Qualitätskontrolle ist eines der Haupt
probleme der industriellen Massenproduktion. Die weitere
Automatisierung hängt daher entscheidend von preiswerten
optoelektronischen Erkennungssystemen ab, die in Echtzeit
die automatische Prüfung aller hergestellten Produkte er
möglichen.
Die bisher bei der optoelektronischen Qualitätskontrolle
eingesetzten Verfahren und Einrichtungen der digitalen
Bildverarbeitung sind entweder zu langsam oder zu auf
wendig. Bei diesen Verfahren und Einrichtungen wird das
Originalbild einmal eingelesen, gespeichert und digital
mit den Prüflingen verglichen. Für schnellbewegte Prüf
linge sind diese Verfahren und Einrichtungen zu langsam
oder es müssen teure Vektor- oder Multiprozessor-Rechner
eingesetzt werden. Besonders aufwendige Rechner sind er
forderlich bei sich ständig ändernden Prüfbedingungen,
beispielsweise durch während der Qualitätskontrolle auf
tretende Beleuchtungsschwankungen oder durch den Verzug
von Prüflingen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten
Nachteile der bekannten Verfahren und Einrichtungen zu
vermeiden und die Verwendung preiswerter Geräte für einen
breiten industriellen Einsatz zu ermöglichen.
Die Lösung der gestellten Aufgabe besteht darin, daß die
von der Kamera abzutastenden Bildpunkte der Prüflinge und
des Originals durch einen Steuerrechner angesteuert werden,
daß ein Analogvergleich der von der Kamera bei der Ab
tastung der Bildpunkte aufgenommenen Signale erfolgt,
wobei infolge identischer Bildpunkte übereinstimmende
Signale gelöscht werden, und daß nur die nicht gelöschten,
restlichen Signale - Fehlersignale - digitalisiert und in
einem Auswerterechner weiterverarbeitet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren setzt voraus, daß stets ein
Original vorhanden ist und daß jeder Prüfling fast gleich
zeitig mit diesem Original von der Kamera abgetastet
wird. Die Prüflinge bewegen sich dabei im allgemeinen
mit der Produktionsgeschwindigkeit; das Original kann
stillstehen oder sich ebenfalls bewegen. Die Horizontal-
undVertikalablenkung der Kamera bzw. des Lesestrahls der
Kamera wird so gesteuert, daß unmittelbar nacheinander
der gleiche Bildpunkt eines Prüflings und des Originals
abgetastet wird. Da die sich durch das Abtasten der
jeweiligen Bildpunkte des Prüflings und des Originals
ergebenden Signale in einer schnellen Analogschaltung
miteinander verglichen und bei Gleichheit gelöscht
werden, entsteht nur bei Ungleichheit ein Fehlersignal,
das vom Auswerterechner analysiert werden muß, so daß
sich gegenüber den bekannten Verfahren eine drastische
Reduzierung der zu verarbeitenden Datenmenge ergibt.
Damit Abweichungen des Prüflings vom Original besser
erkannt werden, ist in Ausgestaltung der Erfindung
bei der Festlegung der anzusteuernden und abzutastenden
Bildpunkte in Bereichen hoher Priorität eine größere
Abtastdichte vorgesehen, als in Bereichen niederer
Priorität, so daß die Bildpunkte in Bereichen hoher
Priorität mit höherer Auflösung überprüft werden. Eine
höhere Abtastdichte kann beispielsweise durch ein engeres
Raster erreicht werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden von
dem Steuerrechner nur bestimmte Bildpunkte höherer
Priorität für eine Ansteuerung und Abtastung durch die
Kamera ausgewählt, wobei vorzugsweise solche Bildpunkte
ausgewählt werden, bei denen überhaupt Fehler auftreten
können. Da die Kamera bei dieser Ausgestaltung der
Erfindung nicht - wie bei den bekannten Verfahren -
Zeile für Zeile ablesen muß, sondern von einem mittels
des Steuerrechners ausgewählten Bildpunkt zum anderen
springt, ergibt sich eine weitere erhebliche Reduzierung
der zu verarbeitenden Datenmenge.
Zweckmäßigerweise werden die von der Kamera anzusteuernden
und abzutastenden Bildpunkte durch eine aus dem Original
abgeleitete und im Steuerrechner gespeicherte Liste
festgelegt. Diese Liste, die Anzahl und Ort der abzu
tastenden Bildpunkte beschreibt, wird bei Beginn des
erfindungsgemäßen Verfahrens durch die Festlegung objekt-
und problemrelevanter Bildpunkte des Originals auto
matisch erstellt.
Um die innerhalb zulässiger Toleranzen der Bildpunkte auf
tretenden Fehlersignale zu eliminieren, ist nach einem
weiteren Merkmal der Erfindung vorgesehen, daß bei un
vollständiger Löschung eines Vergleichsvorgangs infolge
des Auftretens von mindestens zwei aufeinanderfolgenden
Fehlersignalen der Auswerterechner über den Steuerrechner
ein Abtasten der dem die Fehlersignale auslösenden
Bildpunkt benachbarten Bildpunkte des Prüflings und des
Originals durch die Kamera bewirkt. Die Abtastung kann
sich dabei auf eine geringe Anzahl von Bildpunkten er
strecken, beispielsweise auf acht Bildpunkte, die den
Bildpunkt, der die Fehlersignale ausgelöst hat, quadratisch
oder auf einem Kreis umgeben und die noch nicht vom
Lesestrahl der Kamera berührt wurden. Nur dann, wenn
nach der Abtastung der benachbarten Bildpunkte keine
Löschung erfolgt, wird ein Alarmsignal ausgelöst. Dadurch
ist gewährleistet, daß Fehlersignale, die durch Abwei
chungen eines Prüflings vom Original innerhalb des
Toleranzbereichs oder durch Störsignale, entstehen,
nicht zur Auslösung eines Alarmsignals führen. Dadurch,
daß erst bei Auftreten von mindestens zwei aufeinander
folgenden Fehlersignalen eine Abtastung der benachbarten
Bildpunkte durch den Steuerrechner bewirkt wird, kann
ein durch stochastische Meßfehler auftretendes sogenann
tes weißes Rauschen weitgehend vermieden werden.
Damit bei der Abtastung der einem ein Fehlersignal
auslösenden Bildpunkt benachbarten Bildpunkte nur soviel
Abtastvorgänge durchgeführt werden müssen als unbedingt
notwendig sind, wird bei Löschung des betreffenden
Fehlersignals die Abtastung der benachbarten Bildpunkte
beendet.
In Weiterbildung der Erfindung stellt der Steuerrechner
Richtung und Größe der Abweichung des die Löschung be
wirkenden Bildpunktes vom ursprünglich angesteuerten Bild
punkt fest und benutzt den sich daraus ergebenden Vektor
als Eingangsgröße des nächstfolgenden Vergleichsvorgangs.
Hierdurch können Schräglagen und Verzugseffekte der Prüf
linge ausgeglichen werden.
Zur Vermeidung von Fehlersignalen infolge Schräglage
eines Prüflings wird bei der Kontrolle jedes Prüflings
eine Vorprüfung in der Weise durchgeführt, daß nur
einige der anzusteuernden Bildpunkte des Prüflings
mit dem Original verglichen werden, wobei eine eventuelle
Schräglage eine Korrektur des Steuerrechners bewirkt.
Dadurch werden Fehlersignale durch Schräglagen der
Prüflinge vermieden.
Die Einrichtung für die Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens besteht aus einer Fördereinrichtung für die
Bewegung der Prüflinge einer Kamera für die Abtastung der
Prüflinge und des Originals, einem Steuerrechner für die
Auswahl der anzusteuernden und abzutastenden Bildpunkte,
einer Schaltungsanordnung zur analogen Signalverarbeitung
und einem Auwerterechner für die Überprüfung der empfan
genen Fehlersignale. Die Fördereinrichtung kann dabei als
Förderband, als Drehtisch oder als Hängebahn o. dgl.
ausgebildet sein.
Damit die einzelnen Teile der erfindungsgemäßen Einrich
tung in beliebigem Abstand voneinander angeordnet werden
können, ist der Steuerrechner über Leitungen mit den
betreffenden Teilen der Einrichtung verbunden, und zwar
über drei Leitungen mit der Kamera, über eine Leitung
mit einem Geschwindigkeitsgeber an der Fördereinrichtung,
über eine Leitung mit dem Signalgeber für den Startpunkt
der einzelnen Prüflinge und über eine Leitung mit einer
Schaltungsanordnung.
Die erfindungsgemäße Einrichtung kann noch dadurch
verbessert werden, daß zusätzlich ein Blitzlichtgerät,
ein Stroboskop o. dgl. vorgesehen ist, das über eine
Leitung mit dem Steuerrechner in Verbindung steht.
Dadurch wird bei hohen Relativgeschwindigkeiten ein Ver
wischen der Bildpunkte vermieden.
Vorzugsweise sind mehrere Gruppen von Bauteilen, wie Kurz
zeitspeicher, Vergleichsstufe und Analog-Digital-Wandler
nebeneinander angeordnet, so daß eine gleichzeitige
- parallele - Auswertung mehrerer Bildpunkte möglich ist.
Die erfindungsgemäße Einrichtung ist aufgrund ihrer Eigen
schaften als intelligentes Filter zur Rauschunterdrückung
und automatischen Korrektur von systematischen Abweichungen
zu betrachten. Durch die Realisierung der adaptiven
Nachregelung ist die erfindungsgemäße Einrichtung in der
Lage, Störungen durch sich ändernde Positionsverschiebungen
bleibend zu beseitigen. Durch die Speicherung der erfolg
reichen Richtung beginnt ein erneuter Vergleichsvorgang
stets in dem zuvor gelernten erfolgversprechenden Zielge
biet. Durch den doppelten zeitlich verschobenen Vergleich
zwischen Prüfling und Original werden die überlagerten
Störeinflüsse durch Rauschen der Signale eliminiert.
Bewirkt wird dies einmal durch den hybriden Schaltungs
aufbau, d. h. durch die sinnvolle Kombination von analogen
und digitalen Entscheidungsbausteinen, zum anderen durch
den mehrstufigen Vergleich, wobei jede Folgestufe aus
den Ergebnissen der Vorgängerstufe selbst lernt. Dadurch,
daß die erfindungsgemäße Einrichtung ihr Verhalten flexibel
gegenüber mehrfach überlagerten Störungen selbsttätig
anpaßt, ist sie allen bekannten Einrichtungen zur opto
elektronischen Qualitätskontrolle überlegen.
Die Erfindung ist anhand der Zeichnung, die ein Aus
führungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung in
schematischer Darstellung zeigt, näher erläutert.
Die Prüflinge 1 passieren in endloser Folge auf einem
Förderband 2 den Bereich des Lesestrahls einer Kamera 3.
Im Bereich des Lesestrahls der Kamera 3 befindet sich auch
das Original 4, also ein visuell ausgesuchtes Werkstück
derselben Art wie der Prüfling 1. Durch entsprechende
- nicht dargestellte - Objektive, Filter, Spiegel,
Prismen o. dgl. und die Wahl einer optimalen Beleuchtung
nach Wellenlänge, Helligkeit und gegebenenfalls Beleuch
tungsdauer wird sichergestellt, daß das Original 4 und
ein fehlerfreier Prüfling 1 die gleiche Bildinformation
an die Kamera 3 liefern. Die durch einen Geschwindigkeits
geber 5 gemessene Geschwindigkeit des Förderbandes 2
und der Startpunkt 6 jedes Prüflings 1 werden erfaßt und
die betreffenden Signale über Leitungen 5.1 und 6.1
einem Steuerrechner 7 zugeleitet. Unter Startpunkt 6
ist dabei diejenige - durch einen Pfeil angedeutete -
Stelle zu verstehen, an der ein Prüfling 1 sich bei
Beginn des betreffenden Abtastvorgangs befindet. Der
Steuerrechner 7 erzeugt die Spannungen, die die einzelnen
Bauteile der Einrichtung benötigen und führt diese
Spannungen den Bauteilen über Leitungen zu, und zwar
der Kamera 3 über eine Leitung 8 für die Horizontal
ablenkung, über eine Leitung 9 für die Vertikalablenkung
und über eine Leitung 10 für die Auslösung der Abtast
vorgänge. Die Spannung für den Systemtakt führt der
Steuerrechner 7 dem Auswerterechner 20 über eine Leitung
11 zu.
Sobald ein Prüfling 1 den Startpunkt 6 passiert, wird
der erste interessierende Bildpunkt 12.P des Prüflings
1 angesteuert und abgetastet, unmittelbar danach der
entsprechende Bildpunkt 12.O des Originals 4. Dasselbe
wiederholt sich beim nächsten Bildpunkt, wobei die
zwischenzeitliche Verschiebung des Prüflings 1 aufgrund
der durch den Geschwindigkeitsgeber 5 gemessenen Bandge
schwindigkeit durch den Steuerrechner 7 festgestellt
und ausgeglichen wird. Bei hohen Relativgeschwindigkeiten
wird entweder ein Blitzlichtgerät 13 o. dgl. eingesetzt
oder die Kamera 3 wird durch den Lesestrahl oder eine
Flutungselektrode partiell gelöscht. Die Reihenfolge
der anzusteuernden und abzutastenden Bildpunkte kann
je nach Problemstellung verschieden ausgewählt werden.
Die Abtastung kann zeilenweise, spaltenweise, diagonal
oder in beliebiger sonstiger - im Hinblick auf den
jeweiligen Prüfkörper optimierten - geometrischer Form
erfolgen. Dabei kann die Abtastrichtung in Bewegungs
richtung der Prüflinge 1 oder entgegengesetzt dazu
verlaufen; im ersten Falle erhält man eine höhere Auf
lösung, im zweiten Falle eine kürzere Bearbeitungszeit
durch den Steuerrechner 7.
Während der Eintastperiode ist an die Kamera 3 über
die Leitung 10 eine Spannung angelegt, wodurch die
Kamera 3 ein Signal des jeweils angesteuerten Bildpunktes
12.P; 12.O des Prüflings 1 und des Orignals 4 erzeugt.
Dieses Signal wird über eine Leitung 14 einem Verstärker
15 zugeführt und dort aufbereitet. Über einen Schalter
16 wird das aufbereitete Signal im Rhythmus des Systemtak
tes jeweils einem der analogen Kurzzeitspeicher 17.P; 17.O
zugeführt, wobei der Kurzzeitspeicher 17.P das Signal
des Bildpunktes 12.P des Prüflings 1 und der Kurzzeit
speicher 17.O das Signal des Bildpunktes 12.O des Originals
4 speichert. Die Umschaltung der beiden Kurzzeit
speicher 17.P, 17.O erfolgt durch Steuersignale über
eine Steuerleitung 24. Eine nachfolgende Vergleichsstufe
18 vergleicht die Ausgangssignale der Kurzzeitspeicher
17.P und 17.O miteinander, also das um einen Systemtakt
verzögerte Signal des zuvor abgetasteten Bildpunktes
12.P des Prüflings 1 mit dem aktuellen Signal des Bild
punktes 12.O des Originals 4. Bei Gleichheit der beiden
Signale entsteht kein Ausgangssignal, während bei unvoll
ständiger Löschung ein Fehlersignal mit unterschiedlicher
Amplitude entsteht, das im nachfolgenden Analog-Digital-
Wandler 19 in ein Digitalsignal umgeformt und dem Aus
werterechner 20 zugeführt wird.
Der Analog-Digital-Wandler 19 kann bei einfachen An
wendungsfällen durch eine weitere Vergleichsstufe mit
einstellbarer Schwelle ersetzt werden. An dieser Stelle
kann auch mittels eines Signalgebers 21 ein akustisches
Signal erzeugt werden, das zur raschen Justierung und
zum Test der Grundeinstellung der erfindungsgemäßen
Einrichtung dient. Von einigen Bauteilen, wie dem Kurz
zeitspeicher 17, der Vergleichsstufe 18 und dem Analog-
Digital-Wandler 19, können mehrere Gruppen vorgesehen
sein, um ganze Gruppen von Bildpunkten, z. B. Halbzeilen
oder Sektoren, gleichzeitig - parallel - vergleichen zu
können, wenn ein Anwendungsfall dies erfordert.
Der Auswerterechner 20 überprüft das empfangene Fehler
signal. Er stellt fest, ob dessen Größe und Zeitdauer
bestimmte einstellbare Toleranzen überschreiten und ob die
Fehleranzeige sich in einer kritischen Zone des Prüflings
1 befindet. Abhängig von dieser Prüfung teilt der Aus
werterechner 20 dem Steuerrechner 7 über eine Rückmelde
leitung 22 mit, ob dieser einen Suchvorgang durch Abtasten
der dem das Fehlersignal auslösenden Bildpunkt benach
barten Bildpunkte einleiten soll oder nicht. Führt ein
derartiger Suchvorgang nicht zu einer Löschung des Fehler
signals, löst der Auswerterechner 20 mittels eines Alarm
gebers 23 - abhängig von der jeweiligen Aufgabenstellung -
eine oder mehrere Maßnahmen aus, wie optischer und/oder
akustischer Alarm, Maschinenstop oder -rücklauf, An
steuerung von Weichen oder Markierungseinrichtungen.
Claims (12)
1. Verfahren zur optoelektronischen Qualitätskontrolle be
wegter Prüflinge (1) durch Vergleich mit einem Original
(4) mittels einer Kamera (3) in Echtzeit,
dadurch gekennzeichnet,
daß die von der Kamera (3) abzutastenden Bildpunkte
(12.P; 12.O) der Prüflinge (1) und des Originals (4)
durch einen Steuerrechner (7) angesteuert werden,
daß ein Analogvergleich der von der Kamera (3) bei der
Abtastung der Bildpunkte (12.P; 12 O) aufgenommenen
Signale erfolgt, wobei infolge identischer Bildpunkte
(12. P; 12.O) übereinstimmende Signale gelöscht werden,
und daß nur die nicht gelöschten, restlichen Signale
- Fehlersignale - digitalisiert und in einem Auswerte
rechner (20) weiterverarbeitet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
bei der Festlegung der anzusteuernden und abzutastenden
Bildpunkte in Bereichen hoher Priorität eine größere
Abtastdichte vorgesehen ist, als in Bereichen niederer
Priorität.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß von dem Steuerrechner (7) nur bestimmte Bild
punkte höherer Priorität für eine Ansteuerung und
Abtastung durch die Kamera (3) ausgewählt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die anzusteuernden und abzutastenden Bildpunkte durch
eine aus dem Original (4) abgeleitete Liste festgelegt
werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß bei unvollständiger Löschung eines
Vergleichsvorgangs infolge des Auftretens von minde
stens zwei aufeinanderfolgenden Fehlersignalen der
Auswerterechner (20) über den Steuerrechner (7) ein
Abtasten der dem die Fehlersignale auslösenden Bild
punkt benachbarten Bildpunkte des Prüflings (1) und
des Originals (4) durch die Kamera (3) bewirkt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
bei Löschung des betreffenden Fehlersignals die Ab
tastung der benachbarten Bildpunkte beendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich
net, daß der Steuerrechner ( 7) Richtung und Größe der
Abweichung des die Löschung bewirkenden Bildpunktes vom
ursprünglich angesteuerten Bildpunkt (12.P; 12.O) fest
stellt und daß er den sich daraus ergebenden Vektor als
Eingangsgröße des nächstfolgenden Vergleichsvorgangs
benutzt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge
kennzeichnet, daß bei Beginn der Kontrolle jedes Prüf
lings (1) eine Vorprüfung der Orientierung in der Weise
durchgeführt wird, daß nur einige der anzusteuernden
Bildpunkte des Prüflings (1) mit dem Original (4)
verglichen werden, wobei eine eventuelle Schräglage
eine Korrektur des Steuerrechners (7) bewirkt.
9. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem
der Ansprüche 1 bis 8, bestehend aus einer För
dereinrichtung (2) für die Bewegung der Prüflinge (1),
einer Kamera (3) für die Abtastung der Prüflinge (1)
und des Originals (4), einem Steuerrechner (7) für die
Auswahl der anzusteuernden und abzutastenden Bild
punkte (12.P; 12.O), einer Schaltungsanordnung zur
analogen Signalverarbeitung und einem Auswerterechner
(20) für die Überprüfung der empfangenen Fehler
signale.
10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß der Steuerrechner (7) über Leitungen mit den be
treffenden Teilen der Einrichtung verbunden ist, und
zwar über drei Leitungen (8, 9, 10) mit der Kamera
(3), über eine Leitung (5.1.) mit einem Geschwindig
keitsgeber (5) an der Fördereinrichtung (2), über
eine Leitung (6.1) mit dem Signalgeber für den Start
punkt (6) der einzelnen Prüflinge (1) und über eine
Leitung (14) mit einer Schaltungsanordnung.
11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß zusätzlich ein Blitzlichtgerät (13), ein Stroboskop
o. dgl. vorgesehen ist, das über eine Leitung (13.1)
mit dem Steuerrechner (7) in Verbindung steht.
12. Einrichtung nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch ge
kennzeichnet, daß mehrere Gruppen von Bauteilen,
wie Kurzzeitspeicher (17), Vergleichsstufe (18) und
Analog-Digital-Wandler (19), nebeneinander angeordnet
sind.
Priority Applications (1)
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