DE4033588A1 - Verfahren und vorrichtung zur kontrastreichen, konturgenauen darstellung, sowie zur vermessung von werkstueckoberflaechen, insbesondere profilquerschnitten, mittels kamera und beleuchtungseinheit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontrastreichen, konturgenauen Darstellung sowie zur Vermessung von Werkstückoberflächen, insbesondere Profilquerschnitten, mittels Kamera und Beleuchtungseinheit.

Die Vermessung der Geometrie von ebenen Oberflächen an Werkstücken ist unter anderem bei der Vermessung des Querschnitts von Profilen erforderlich.

In diesem Bereich, insbesondere bei extrudierten Metall- oder Kunststoffprofilen, werden wegen der ständig steigenden Qualitätsanforderungen automatische Meßverfahren verlangt, die entweder routinemäßig an Stichproben oder sogar laufend im Produktionsprozeß vorgenommen werden. So müssen beispielsweise Wandstärken, Winkel, Radien und Parallelitätsabweichungen am Querschnitt von extrudierten Kunststoffprofilen vermessen werden, um gegebenenfalls, bei Abweichung der vorgegebenen Werte, in den Extrusionsprozeß regelnd einzugreifen. Diese Messungen sind zum Teil sehr umfangreich und die dazugehöhrigen Protokollierungen bedürfen einer automatischen Vermessung. Neben den sehr aufwendigen mechanischen oder mechanisch-optischen Meßverfahren werden zunehmend rein optische Methoden auf der Basis einer CCD-Flächenkamera angewandt. Diese Ansätze sind grundsätzlich sehr preiswert realisierbar, erfordern jedoch neue Methoden für Bildaufnahme, Bildanalyse und Kalibrierung.

Der Stand der Technik unterscheidet sich grundsätzlich in zwei bekannte Meßverfahren, welche die sogenannte Durchlicht- und die Streiflichtmessungen sind.

Es ist hier üblich bei den bekannten Kamerasystemen und Aufnahmeverfahren eine Glasscheibe zu verwenden, auf der der Prüfling aufgesetzt wird, um diesen in einen definierten Abstand zur Kamera zu bringen. Dabei wird das Objekt auf die Glasscheibe aufgelegt und von unten senkrecht zur Querschnittsebene betrachtet. Ab hier unterscheiden sich die bekannten Prüfverfahren entweder in das Durchlicht- oder Streiflichtmeßverfahren.

Aufgrund der auf Flächenkameras unausweichlichen Parallaxe ist nicht nur der Querschnitt zu sehen, sondern auch die Seitenwand. Damit der Querschnitt nun überhaupt vermessen werden kann, ist es beim Durchlichtmeßverfahren erforderlich, daß die Seitenwand heller als die Querschnittsfläche erscheint. Diese Voraussetzung ist bei dunklen, nicht spiegelnden Materialien sowie bei engen Kanälen, in die das Licht nicht im Glanzwinkel eindringen kann, nicht gegeben.

Ist einer dieser Umstände gegeben, werden in Wahrheit die Hinterkanten des Objekts gesehen, was zu großen Meßfehlern führen kann. In der Praxis fordern die Anbieter solcher Systeme von den Anwendern, daß die Profile sehr dünn geschnitten werden. Nur dann können sowohl der für eine zulässige Bildauswertung erforderliche Kontrast als auch die üblicherweise Konturgenauigkeit erreicht werden. Die Herstellung dünner Schnitte speziell für die Messung bedeutet jedoch einen zusätzlichen Aufwand, da die Anwender lieber die Produkte selbst kontrollieren und auf die spezielle Fertigung von Proben verzichten wollen. Überdies ist speziell bei Kunststoffprofilen nachteilig daß, sich dünne Schnitte beim Schneiden verziehen.

Der genannte Nachteil geringer Konturgenauigkeit wirkt sich insbesondere bei nicht exakt senkrecht abgeschnitten und dann auf die Glasplatte aufgesetzten Profilen aus.

Beim Streiflichtverfahren ist die Objekthelligkeit stark von der Reflexionskeule des Materials abhängig, da die Kamera das Licht aus der Randzone der Reflexionskeule aufnimmt. Das Streiflichtmeßverfahren ist daher in der Praxis nur einsetzbar bei hellen, difus streuenden Materialien, wie z. B. hellen Kunstoffprofilen. Es ist daher nicht möglich spiegelnde Oberflächen, z. B. geschliffene oder gefräste Metallflächen einer Messung zu unterziehen. Die geschliffenen Flächen erscheinen sehr dunkel, da sie außerhalb des Glanzwinkels liegen; gefräste Flächen sind kritisch, da die Helligkeit aufgrund der Bearbeitungs- Riefen örtlich und auch von Probe zu Probe sehr stark schwanken. Dunkle Kunststoff-Oberflächen lassen sich erfahrungsgemäß bisher nur mit Geräten im Durchlichtmeßverfahren einer Messung unterziehen. Darüber hinaus ist bei beiden Meßverfahren die Verwendung einer Glasscheibe sehr nachteilig. Ein Großteil der Lichtenergie geht aufgrund des Spiegelungseffektes verloren, woraus eine entsprechende Kontrastminderung resultiert. Es ist nur Durchlicht oder echtes Streiflicht möglich. Die direkte Reflexion am Objekt (Glanzwinkel) führt unweigerlich auch zu störenden direkten Reflektionen auf der Scheibe.

Das Streiflichtmeßverfahren in Verbindung mit einer Glasscheibe, die paralell zur Querschnittsebene liegt, führt zu einer sehr starken Kontrastminderung mit den damit verbundenen Erschwernissen bei einer automatischen Auswertung.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die die genannten Nachteile vermeidet. Insbesondere soll mit der vorliegenden Erfindung erreicht werden, das Prüfobjekt auch dann kontrastreich und konturgenau darzustellen, wenn dieses als lang abgeschnittenes Profil mit dünnen Kanälen vorliegt. Darüber hinaus soll mit der vorliegenden Erfindung zu einer praxisgerechten Lösung geführt werden, die nicht nur im Labor einsetzbar sondern auch für den Routineeinsatz im Produktionsfeld geeignet ist.

Für eine solche praxisgerechte Lösung sind im besonderen zu beachten, daß die Schnittstelle des zu messenden Objektes unterschiedlich rauh sein und Riefen besitzen darf. Es müssen mit dem gleichen Verfahren und der Vorrichtung, ohne Umschalten oder mechanisches Verstellen der Beleuchtung, sowohl dunkle als auch helle Profile vermessen werden können, wobei es nicht erforderlich sein darf, daß die Profile sehr dünn geschnitten werden, da hier die Erkenntnis vorliegt, daß sich solche dünn geschnittene Profile beim Schneiden verziehen.

Ferner sollen mit der vorliegenden Erfindung auch biegeschlaffe Teile vermessen werden können.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß dadurch gelöst,daß die Kamera leicht schräg auf den Profilquerschnitt gerichtet ist. Bevorzugterweise ist die Beleuchtung flächig ausgebildet, also keine Punktlichtquelle, und ist so dimensioniert und positioniert, daß für den ganzen Profilquerschnitt mindestens ein Punkt der Lichtquelle in der Totalreflexionwinkel zur Kamera steht, was erfindungsgemäß dadurch erzielt wird, indem Beleuchtungseinheit und Kamera von der Objektachse versetzt angeordnet sind.

In dem die Objektebene, Kameraebene sowie Beleuchtungsebene senkrecht angeordnet sind und das Objekt mit horizontal positionierter Achse auf die Kamera und Beleuchtungseinheit gerichtet ist, wobei zu mindest die Kamera von einer, von der Objektachse abweichend angeordneten Winkelstellung die Objektkontur aufnimmt und die Beleuchtungseinheit von der Objektachse versetzt das Objekt beleuchtet, wird eine kontrastreiche konturgenaue Darstellung der Werkstückoberfläche zum Zwecke der Vermessung mit einer Kamera und einer Beleuchtungseinheit erzielt.

In besonderer Ausgestaltung ist Kamera und Beleuchtungseinheit derart zueinander angeordnet, das zum Zwecke des Durchtritts des zu vermessenden Objekts ein Abstand zwischen Kamera und Beleuchtungseinheit vorliegt, der größer als der Profilquerschnitt ausgebildet ist. Somit ist es möglich das erfindungsgemäße Verfahren nebst dieser Vorrichtung im sogenannten On-Line-Verfahren einzusetzen also nach der Extrussionsanlage und bestimmten Bearbeitungseinrichtungen in eine Transferstraße einzugliedern. Es ist auch möglich, die zu vermessenden Objekte nicht durch die Vorrichtung durchzuführen sondern zum Zwecke der Messung diese vor dem Gerät zu positionieren.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung wird bei senkrechter Objektebene erreicht, daß auf eine Glasscheibe, die parallel zur Querschnittsebene liegt, verzichtet werden kann.

Die Oberfläche der Meßobjekte erscheint überall im Glanzwinkel und ist daher kontrastreich. Wird die Lichtquelle etwas größer dimensioniert als theoretisch erforderlich, so erscheinen Bearbeitungsspuren (Riefen) ect. im gesamten Bildfeld, auch in der Randzone des Bildfeldes, hell. Wesentlich ist, daß aufgrund der Schräglage die Konturen überall kontrastreich erscheinen, da die Ebenen entlang des Profils (senkrecht zur Querschnittsebene) entweder nicht sichtbar sind oder im Schlagschatten stehen. Diese Eigenschaft führt zu starken Erleichterungen bei der automatischen Auswertung. In einer Ausgestaltung wird das Profil nicht, wie allgemein üblich, bei senkrecht orientierter Kamera auf eine Glasscheibe gestellt, sondern bei waagrecht orientierter Kamera auf eine ebene Unterlage gelegt. Hieraus resultiert, daß durch die waagrechte Orientierung die Möglichkeit einer sehr einfachen, leicht zu handhabenden Werkstückpositionierung unter Verzicht auf eine Glasscheibe ensteht. Auch biegeschlaffe Profile können vermessen werden, da sich diese herkömmlicherweise nicht senkrecht auf eine Unterlage stellen lassen, aber waagrecht beispielsweise in einen Schacht legen lassen. Der mit dem Verfahren verbundene Nachteil der optischen Verzerrung ist nicht gravierend, da diese mit bekannten Verfahren im Rahmen eines Kalibriervorganges, der ohnehin notwendig ist, herausgerechnet werden kann.

Ferner eröffnet die vorliegende Erfindung grundsätzlich eine sehr einfach realisierbare Möglichkeit einer On-Line- Messung. Das heißt es ist eine Vermessung in der Produktion z. B. während des Extrusionsvorganges möglich. Hierbei ist der Blick auf die Schnittfläche, nach dem automatischen Abschneiden und Abziehen eines fertigen Teiles frei für die Bildaufnahme. Das Teil kann sich dann ohne mechanisches Verstellen der Kamera oder Beleuchtung zwischen der Kamera und Beleuchtung hindurch bewegen. Durch den Wegfall einer mechanischen Bewegung (feste Montage der Kamera und der Beleuchtung) kann ein solches System sehr preiswert realisiert und sehr einfach in bereits existierende Extrusionsanlagen integriert werden.

Anhand den beigefügten Zeichnungen, die besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen, wird diese nun näher beschrieben.

Dabei zeigen:

Fig. 1 Prinzipskizze, anhand der das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung beschrieben wird.

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Anordnung der Kamera und der Beleuchtungseinheit in einem Gehäuse integriert sind.

Fig. 3 bis 6 Erläuterungen zum Stand der Technik.

Zunächst werden anhand den Fig. 3 bis 6 der Stand der Technik kurz umrissen.

Die Fig. 3 zeigt das Durchlichtverfahren bei dem das zu vermessende Objekt bzw. der Prüfling 5 auf einer Glasplatte 14 aufgelegt ist. Die Beleuchtungseinheit 2 und Kamera sind dabei jeweils senkrecht auf den Prüfling gerichtet, wobei die Beleuchtung 2 oben und die Kamera 1 unten gemäß der Fig. 4 zu erkennen ist. Damit der Querschnitt überhaupt vermessen werden kann, ist es erforderlich, daß die Seitenwand heller als die Querschnittsfläche erscheint (z. B. durchgehend gezeichneter Lichtstrahl in Fig. 4). Diese Voraussetzung ist nicht gegeben bei dunklen, nicht spiegelnden Materialien sowie bei engen Kanälen, in die das Licht nicht im Glanzwinkel eindringen kann (gestrichelte Linie aus Fig. 4). Ist einer dieser Umstände gegeben, werden tatsächlich die Hinterkanten des Objektes gesehen, was zu großen Meßfehlern führen kann (strichpunktierte Linie Fig. 4).

Ferner ist in Fig. 3 und 4 unschwer zu erkennen, daß die Länge des zu messenden Prüflings naturgemäß beschränkt ist.

Der Darstellung aus Fig. 5 und 6 ist das Streiflichtverfahren zu entnehmen. Hierbei ist die Objekthelligkeit stark von der Reflexionskeule 15 des Materials abhängig, da die Kamera das Licht aus der Randzone aus der Reflexionskeule aufnimmt. Dies ist der Grund, warum in der Praxis dieses Meßverfahren nur dann einsetzbar ist, wenn helle, diffus streuende Materialien, wie z. B. helle Kunststoffprofile zu vermessen sind.

Die Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung von Kamera und Beleuchtung in schematischer Darstellung, anhand der das erfindungsgemäße Verfahren nebst Vorrichtung beschrieben wird.

Die Kamera 1 und die Beleuchtungseinheit 2 sind in besonderer Ausgestaltung horizontal zum vermessenden Objekt 5 angeordnet. Das heißt, daß hier unter horizontaler Lage die waagrechte Positionierung von Kamera, Beleuchtungseinheit und Objekt zu verstehen ist, wobei natürlich das zu vermessende Objekt in seiner Achse verdreht der Messung unterzogen werden kann. Das zu vermessende Objekt 5, hier beispielsweise ein Kunststoffprofil, wird also horizontal, auf die Kamera 1 und Beleuchtungseinheit 2 zugeführt bzw. gerichtet. Die Kamera 1 ist von der Objektachse 3 in einer abweichenden Winkelstellung angeordnet . Die Beleuchtungseinheit 2 ist von der Objektachse 3 versetzt angeordnet.

Mit den Bezugszeichen 16 bis 19 und 20 bis 23 sind die Belichtungs- bzw. Reflexionsvektoren gekennzeichnet. Deutlich geht auch hervor, daß die mit dem Bezugszeichen 24 und 25 gekennzeichneten Ebenen im sogenannten Schlagschatten liegen. Die Ebenen 26 und 27 befinden sich nicht im Blickfeld. Somit wird das Prüfobjekt kontrastreich und konturgenau dargestellt, auch wenn es sich dabei um ein lang abgeschnittenes Profil mit dünnen Kanälen handelt.

Die Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbespiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei diese in einem Gerätegehäuse 7 integriert ist. Die Kamera und die Beleuchtungseinheit sind wie bereits in Fig. 1 erläutert, innerhalb des Gerätegehäuses 7 zur Objektachse 3 positioniert. Zum Zwecke der Profilmessung weist das Gerätegehäuse 7 eine Öffnung 8 bzw. eine Eintrittsöffnung 8a auf, die in einem Ausführungsbeispiel zunächst mit einer Klappe verschlossen sein kann, sodaß das Profil 5 anschlägt und die Klappe zu Zwecke der Messung öffnet. Beim Einsatz im ON-Line-Verfahren, also wenn das Verfahren und die entsprechende Vorrichtung in die Produktionsstraße einzubauen ist, bedarf das Gerätegehäuse 7 selbstverständlich auch einer Austrittsöffnung 8b. Zum Zwecke des freien Durchtritts sind die Kamera 1 und die Beleuchtungseinheit 2 mit einem Abstand 4 voneinander distanziert, der größer ist als der Profilquerschnitt 6.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens wird erreicht, daß unabhängig von Profillänge und dessen Flexibilität eine kontrastreiche und konturgenaue Profildarstellung gewährleistet ist und dadurch eine exakte Messung ermöglicht wird.

Bezugszeichenliste

 1 Kamera
 2 Beleuchtungseinheit
 3 Objektachse
 4 Abstand
 5 Objekt
 6 Profilquerschnitt
 7 Gerätegehäuse
 8 Öffnung
 8a Eintrittsöffnung
 8b Austrittsöffnung
 9 Einführschacht
10 Auflageebene
11 Belichtungsebene
12 Kameraebene
13 Objektebene
14 Glasplatte
15 Reflektionskeule
16 Belichtungs-Vektoren
17 Belichtungs-Vektoren
18 Belichtungs-Vektoren
19 Belichtungs-Vektoren
20 Reflektions-Vektoren
21 Reflektions-Vektoren
22 Reflektions-Vektoren
23 Reflektions-Vektoren
24 Ebene im Schlagschatten
25 Ebene im Schlagschatten
26 Ebene nicht im Blickfeld
27 Ebene nicht im Blickfeld

Claims (10)

1. Verfahren zur kontrastreichen, konturgenauen Darstellung sowie zur Vermessung von Werkstückoberflächen, insbesondere Profilquerschnitten, mittels Kamera und Beleuchtungseinheit, wobei die zu vermessende (n) Objektebene (n) auf die Kamera und Beleuchtungseinheit gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Kamera von einer, von der Normalen, der Werkstückoberfläche abweichend angeordneten Winkelstellung die Werkstückoberfläche aufnimmt und die Beleuchtungseinheit von der Objektachse versetzt, das Objekt beleuchtet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Punkt der Objektebene mindestens ein Punkt der Lichtquelle im Totalreflexionswinkel (Glanzwinkel; Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel) zur Kamera gerichtet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zu beleuchtende und zu vermessende Objekt mit horizontal positionierter Achse auf die Beleuchtungseinheit und Kamera zugeführt bzw. gerichtet wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur kontrastreichen, konturgenauen Darstellung sowie zur Vermessung von Werkstückoberflächen, insbesondere Profilquerschnitten, mittels Kamera und Beleuchtungseinheit, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsebene (11), die Kameraebene (12) und Objektebene (13) senkrecht angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungseinheit (2) als flächige Lichtquelle ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kamera (1) und Beleuchtungseinheit (2) zum Zwecke des Durchtritts des zu vermessenden Objekts (5) ein Abstand (4) vorgesehen ist, der größer als der Profilquerschnitt (6) ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4 und mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungseinheit (2) und Kamera (1) innerhalb eines Gerätegehäuses (7) integriert sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4 und mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerätegehäuse (7) mindestens eine, zum zu vermessenden Objekt (5) gerichtete Öffnung (8) aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 4 und mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerätegehäuse (7) eine, zum zu vermessenden Objekt gerichtete Eintrittsöffnung (8a) und eine Austrittsöffnung (8b) aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Gerätegehäuse (7) ein Einführschacht (9) mit Auflageebene (10) angeordnet ist.