DE3612256A1 - Verfahren und einrichtung zur optoelektronischen qualitaetskontrolle - Google Patents

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.