DE4407285A1 - Verfahren zur Messung der Lage eines Loches - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Lage eines Loches nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einem herkömmlichen Verfahren dieser Art wird der Schirm in Richtung einer horizontalen x-Achse abgetastet, um die Koordina­ ten von Lochrandpunkten an den zwei Stellen in Richtung der horizontalen x-Achse zu gewinnen, die mit dem Lochrand des Bildes des Lochs korrespondieren. Diese Abtastoperation wird durch Bewegen der Abtastposition in Richtung einer vertikalen y-Achse wiederholt. Die x-Achsenkoordinate des Mittelpunktes des Lochs wird durch Mittelung der x-Achsenkoordinate des Mittel­ punktes zwischen jedem Satz zweier Lochrandpunkte in der Rich­ tung der x-Achse gewonnen. Der Schirm wird auch in Richtung der y-Achse abgetastet, um die Koordinaten von Lochrandpunkten an zwei Stellen in Richtung der y-Achse zu gewinnen. Diese Abta­ stoperation wird durch Bewegen der Abtastposition in Richtung der x-Achse wiederholt. Die y-Achsenkoordinate des Mittelpunkts des Lochs wird durch Mittelung der y-Achsenkoordinaten des Mit­ telpunktes zwischen jedem Satz zweier Lochrandpunkte in Richtung der y-Achse gewonnen.

Aufgrund einer Störung, beispielsweise von Rauschen oder der­ gleichen treten am Lochrand des Bildes des Lochs manchmal Aus­ buchtungen und/oder Einbuchtungen auf, mit dem Ergebnis, daß der Lochrand keine kontinuierliche Kurve bildet. In einem solchen Fall ist in den Abtastdaten ein auf den Ausbuchtungen und/oder Einbuchtungen basierender Fehler enthalten, der die Meßgenauig­ keit verschlechtert.

Zur Vermeidung dieser Art Nachteil dient das folgende, aus der ungeprüften veröffentlichten japanischen Patentanmeldung Nr. 155804/1981 bekannte Verfahren. Bei diesem Verfahren wird die Größe einer Abweichung jedes Lochrandpunktes relativ zu einem Bezugskreis vorbestimmten Durchmessers gewonnen, der um die in der vorstehend beschriebenen Weise berechnete Mittellage ge­ schlagen ist. Es wird in jedem Lochrandpunkt die Änderung der Größe der Abweichung geprüft, um auf der Basis ihrer Kontinuität festzustellen, ob das Bild normal ist oder nicht. Die Mittellage wird durch Streichung der bei Änderungungen diskontinuierlichen Lochrandpunkte gewonnen.

Zur oben genannten Prüfung der Kontinuität der Änderung der Größe der Abweichung relativ zum Bezugskreis ist es notwendig, den Schirm in sehr kleinem Abstand abzutasten, um die Koordina­ ten einer großen Zahl Lochrandpunkte zu detektieren und spei­ chern. Dies hat den Nachteil, daß der Datenverarbeitungsaufwand groß wird.

Wenn des weiteren das Werkstück relativ zu einer optischen Achse der Bildabtasteinrichtung geneigt ist, wird das Bild des Lochs elliptisch. Dies hat zur Folge, daß das oben beschriebene Ver­ fahren, welches auf der Annahme basiert, daß das Bild des Lochs kreisförmig wird, leicht zu Meßfehlern neigt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Messung der Lage eines Loches bereitzustellen, welches bei Verwendung der Koordi­ naten einer relativen kleinen Anzahl Lochrandpunkte eine hohe Genauigkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, welches die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale aufweist, nach denen
mehrere mit einem Lochrand des Bildes des Lochs zusammenfallende Lochrandpunkte aufgenommen,
eine das Bild des Lochs aus Koordinaten der Lochrandpunkte darstellende Regressionsellipse berechnet, und
der zentrale Bereich des Lochs aus Koordinaten eines Zentrums der Regressionsellipse ermittelt wird.

Durch Berechnung einer derartigen Regressionsellipse, die durch mehrere vom Lochrand des Bildes des Lochs aufgenommene Lochrand­ punkte geht, wird das Bild des Lochs, wenn es ein Kreis ist, als ein Kreis, und wenn es eine Ellipse ist, als eine Ellipse fest­ gestellt, mit dem Ergebnis, daß die Mittellage des Lochs genau erhalten werden kann.

Wenn Ausbuchtungen und/oder Einbuchtungen aufgrund einer Stö­ rung, beispielsweise eines Rauschens oder dergleichen auf dem Lochrand des Bildes des Lochs auftreten, wird die Genauigkeit der Berechnung der Regressionsellipse verschlechtert, wenn ein von einem derartigen abnormen Bereich des Bildes aufzunehmender Lochrandpunkt in den Lochrandpunkten enthalten ist, welche die Basis der Berechnung der Regressionsellipse bilden. Deshalb werden bevorzugter - und vorteilhafterweise Koordinaten eines Schwerpunktes des Bildes des Lochs ermittelt und wird festge­ stellt, ob sich jeder Lochrandpunkt innerhalb eines vorbestimm­ ten, auf der Basis des Schwerpunktes auf dem Schirm eingestell­ ten ringförmigen Bereiches befindet, wobei die Regressionsel­ lipse aus nach Streichung eines sich außerhalb des ringförmigen Bereiches befindlichen Lochrandpunktes verbleibenden Lochrand­ punkten berechnet wird (Anspruch 2).

Weist das Loch eine derartige Lochöffnung auf, daß ein Licht­ strahl nach innen reflektiert wird, ist das Bild des Lochs auf­ grund des von seinem inneren reflektierten Lichts nicht mehr normal, wenn die Lichtquelle, welche das Werkstück beleuchtet, geradewegs gegenüber oder unmittelbar vor dem Werkstück positio­ niert ist. Wenn in einem solchen Fall die Lichtquelle derart angeordnet ist, daß eine optische Achse dieser Quelle die Ober­ fläche des Werkstücks schräg schneidet, fällt der Lichtstrahl nicht auf den Teil des inneren Umfangs, der sich auf der glei­ chen Seite befindet, auf der die Lichtquelle angeordnet ist. Es tritt folglich dort keine Lichtreflexion auf und das Bild des Lochs, das sich auf der gleichen Seite wie die Lichtquelle be­ findet, korrespondiert mit der Form des Lochs. Bei einem eine Lochöffnung mit den vorstehend beschriebenen Eigenschaften aufweisenden Loch wird vorzugs- und vorteilhafterweise eine das Werkstück beleuchtende Lichtquelle derart angeordnet, daß eine optische Achse der Lichtquelle die Oberfläche des Werkstücks schräg schneidet, und werden Lochrandpunkte von einem Abschnitt des ganzen Lochrandes des Bildes des Lochs aufgenommen, der auf der gleichen Seite wie die Lichtquelle angeordnet ist (Anspruch 3) Es besteht in diesem Fall die Möglichkeit, daß der Schwer­ punkt des Bildes des Lochs stark vom Mittelpunkt des normalen Bildes des Lochs abweicht. Wenn deshalb der ringförmige Bereich wie oben beschrieben auf dem Schirm einzustellen ist, um den abnormen Lochrandpunkt zu eliminieren, werden vorzugs- und vor­ teilhafterweise Koordinaten eines scheinbaren Mittelpunktes des Bildes des Lochs auf der Basis eines Punktes ermittelt, der sich auf dem ganzen Lochrand des Lochs bei einem äußersten Punkt auf der gleichen Seite wie die Lichtquelle befindet, und wird der ringförmige Bereich auf der Basis dieses scheinbaren Mittelpunk­ tes eingestellt (Anspruch 4).

Um überdies die Genauigkeit der Berechnung der Regressionsellip­ se zu verbessern, wird bevorzugter- und vorteilhafterweise der Betrag einer Abweichung jedes der die Basis der Berechnung der Regressionsellipse bildenden Lochrandpunkte von der Regres­ sionsellipse berechnet, wobei in dem Fall, daß ein unter allen Beträgen der Abweichung maximaler Betrag oberhalb eines vorbe­ stimmten Wertes liegt, die Regressionsellipse nach Streichung eines Punktes maximalen Betrags der Abweichung aus verbleibenden Randpunkten berechnet wird, wobei der Schritt der Berechnung der Regressionsellipse wiederholt wird, bis der maximale Betrag der Abweichung kleiner als ein vorbestimmter Wert wird (Anspruch 5).

Wo das Werkstück dreidimensional abweicht, wird das Loch mit zwei Bildabtasteinrichtungen bildabgetastet, die so angeordnet werden, daß eine optische Achse einer Einrichtung eine optische Achse der anderen Einrichtung schräg schneidet, und es wird die Mittellage des Lochs in einem räumlichen Koordinatensystem durch das Prinzip der Triangulation aus den Koordinaten der Mitte der Regressionsellipse auf dem Schirm einer der beiden Bildabtasteinrichtungen und der Koordinaten der Mitte der Re­ gressionsellipse auf dem Schirm der anderen Bildabtasteinrich­ tung berechnet (Anspruch 6).

In seltenen Fällen tritt im Zuge der wiederholten obigen Berech­ nung der Regressionsellipse folgendes auf: Wenn der Betrag der Abweichung des Lochrandpunktes im normalen Bereich des Bildes den Betrag der Abweichung des Lochrandpunktes des abnormen Bereichs des Bildes überschreitet, wird der erstgenannte Punkt gestrichen, was zur Folge hat, daß die Regressionsellipse nicht mehr mit dem normalen Bild des Lochs korrespondiert oder zusam­ menpaßt. In einem solchen Fall wird ein Abstand zwischen der Mitte des Lochs und eines gemeinsamen Punktes auf dem Lochrand des Lochs aus der Mittellage des Lochs im räumlichen Koordina­ tensystem, die durch die Koordinaten der Mitten der Regressionsellipsen auf den Schirmen beider Bildabtasteinrich­ tungen berechnet wird, und der Position im räumlichen Koordina­ tensystem des gemeinsamen Punktes, die aus Koordinaten von mit dem gemeinsamen Punkt korrespondierenden Punkten auf beiden Regressionsellipsen berechnet wird, ermittelt (Anspruch 7). Wenn die Regressionsellipse mit dem normalen Bild des Lochs zusammen­ fällt oder korrespondiert, wird dieser Abstand gleich dem Radius des Lochs. Wenn sie nicht zusammenpaßt, reicht der Abstand stark vom Radius des Lochs ab. Deshalb kann durch Vergleich dieses Abstandes und des Radius des Lochs festgestellt werden, daß die Mittellage die normale Mittellage des Lochs ist, wenn die Differenz zwischen dem Abstand und dem Radius innerhalb eines zulässigen Bereiches liegt. Es ist auf diese Weise möglich zu verhindern, daß die Mittellage auf der Basis der Koordinaten der nicht mit dem normalen Bild zusammenfallenden bzw. -passenden Regressionsellipse falsch bestimmt wird.

Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung, aus der sich weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben, anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine skizzenhafte perspektivische Darstellung einer zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens benutzten Meßvorrichtung.

Fig. 2 eine Draufsicht auf einem wichtigen Teil dieser Vor­ richtung.

Fig. 3(a) und Fig. 3(b) schematisch einen Schirm je einer Kamera.

Fig. 4 eine schematische Darstellung, welche die Beziehung zwischen einer Regressionsellipse und jedem der Rand­ punkte zeigt.

Fig. 5(a) und Fig. 5(b) schematische Darstellungen, welche eine auf dem Schirm jeder Kamera zu gewinnende Ziel­ ellipse zeigen, und Fig. 5(c) eine schematische Dar­ stellung, welche das von der Zielellipse und einem Punkt auf dem Lochrand zu berechnende Zentrum eines Lochs in einem räumlichen Koordinatensystem zeigt.

Fig. 6(a) einen Schnitt, der ein Beispiel eines speziellen Lochs zeigt, und Fig. 6(b) eine schemati­ sche Darstellung, welche ein Bild dieses Lochs zeigt.

Fig. 7(a) einen Schnitt, welcher ein anderes Beispiel eines speziellen Lochs zeigt, und Fig. 7(b) eine schematische Darstellung, die ein Bild dieses Lochs zeigt,

Fig. 8 eine schematische Darstellung, welche die Bildverarbei­ tung für ein Bild eines speziellen Lochs zeigt, und

Fig. 9(a), Fig. 9(b) und Fig. 9(c) schematische Darstellun­ gen, welche das Verfahren der Feststellung eines un­ teren Endpunktes eines Bildes eines speziellen Lochs zeigt.

Die Fig. 1 zeigt generell eine Anordnung einer Vorrichtung zur Messung der Mittellage des Lochs b vorbestimmten Durchmessers, das in einem Werkstück a, beispielsweise einem Kraftfahrzeug­ rumpf oder dergleichen ausgebildet ist. Diese Vorrichtung weist eine Punktlichtquelle 1 zum Beleuchten des Werkstücks a, eine erste und zweite Kamera 2 ₁ bzw. 2 ₂ zur Bildabtastung des Werk­ stücks a und einen Rechner 3 zum Eingeben von Bildsignalen aus beiden Kameras 2 ₁, 2 ₂ auf. Die Punktlichtquelle 1 und beide Kameras 2 ₁, 2 ₂ sind in einer vorbestimmten Lagebeziehung zuein­ ander auf einem nichtdargestellten Trägerrahmen, der an einem Arbeitsende eines Roboters oder dergleichen angebracht ist, befestigt. Sie werden bewegt, um sie auf eine vorbestimmte Meßposition einzustellen, die dem Bereich des Werkstücks a zuge­ kehrt ist oder gegenüberliegt, in welchem das Loch ausgebildet ist.

Beide Kameras 2 ₁, 2 ₂ sind nach Fig. 2 so angeordnet, daß sich die optischen Achsen O₁, O₂ schräg in einer horizontalen Ebene unter einem Winkel schneiden. Ein räumliches Koordinatensystem bestehe aus einer X-Achse und einer Z-Achse, die sich in der horizontalen Ebene im rechten Winkel schneiden, einer Y-Achse, welche die horizontale Ebene im rechten Winkel schneidet, und einem Ursprung O, welcher der Schnittpunkt der optischen Achsen O₁ und O₂ ist. Die Mittellage des Loch B im oben beschriebenen räumlichen Koordinatensystem kann durch Verwendung des Prinzips der Triangulation aus den Koordinaten der Mitte des Bildes des Lochs auf dem Schirm jeder Kamera 2 ₁ und 2 ₂ berechnet werden. Insbesondere sind nach Fig. 3(a) und Fig. 3(b) eine horizon­ tale x-Achse und eine vertikale y-Achse auf dem Schirm jeder Kamera 2 ₁, 2 ₂ jeweils durch Bestimmung eines zentralen Punktes eingestellt, der mit dem genannten Ursprung O als Ursprung kor­ respondiert. Der Koordinatenwert auf der x-Achse und der Koor­ dinatenwert auf der y-Achse auf jedem Schirm repräsentiert im räumlichen Koordinatensystem einen horizontalen Abstand und einen vertikalen Abstand vom Ursprung auf den Projektionsebenen Q₁, Q₂ der Kameras 2 ₁, 2 ₂. Wenn der Mittelpunkt M des Lochs b betrachtet wird, wird ein Projektionspunkt M₁, der bei Projek­ tion des Punktes M auf die Projektionsebene Q₁ der ersten Kamera 2 ₁ entsteht, der Mittelpunkt des Bildes des Lochs b des Schirms der ersten Kamera 2 ₁. Der horizontale Abstand und der vertikale Abstand des Punktes M₁ vom Ursprung O sind der x-Achsenkoordi­ natenwert x₁ und der y-Achsenkoordinatenwert y₁ des Punktes M₁ auf der Projektionsebene Q₁ der ersten Kamera 2 ₁. Ähnlich sind der horizontale Abstand und der vertikale Abstand des Punktes M₂ vom Ursprung O der x-Achsenkoordinatenwert x₂ und der y-Achsen­ koordinatenwert y₂ des Punktes M₂ auf der Projektionsebene Q₂ der zweiten Kamera 2 ₂. Eine Gleichung für die durch Projektion des Visierlinie der ersten Kamera 2 ₁ des Punktes M auf die X-Z-Koordinatenebene zu bildenden Projektionslinie e₁ wird aus x₁ erhalten. Eine Gleichung für die durch Projektion der Visierli­ nie der zweiten Kamera 2 ₂ zum Punkt M auf der X-Z-Koordinatene­ bene gebildeten Projektionslinie e₂ wird aus x₂ erhalten. Ein X-Achsenkoordinatenwert und ein Z-Achsenkoordinatenwert des Punk­ tes M im räumlichen Koordinatensystem werden als Schnittpunkt beider Projektionslinien erhalten. Dann wird auf der Basis einer der beiden Kameras 2 ₁, 2 ₂, beispielsweise der ersten Kamera 2 ₁, der Abstand zwischen einer zur Projektionsebene Q₁ parallelen und den genannten Schnittpunkt enthaltenden Ebene und der ersten Kamera 2 ₁ ermittelt. Der Y-Achsenkoordinatenwert des Punktes M wird durch Multiplikation des Koordinatenwertes y₁ mit dem Verhältnis zwischen dem genannten Abstand und dem Abstand zwi­ schen der ersten Kamera 2 ₁ und der Projektionsebene Q₁ ermit­ telt.

Die Koordinaten des Mittelpunktes M₁, M₂ des Bildes des Lochs b auf dem Schirm jeder Kamera 2 ₁ bzw. 2 ₂ werden aus den Koordinaten mehrerer umfangsmäßiger Lochrandpunkte berechnet, die mit dem Lochrand des Bildes des Lochs zusammenfallen. Im vorliegenden Fall wird der Schwerpunkt G des Bildes des Lochs b zuerst erhalten. Dann werden vier Lochrandpunkte (1), (2), (3) und (4), die von zwei in Richtung der y-Achse relativ zum Schwerpunkt G symmetrischen x-Ach­ senabtastlinien geschnitten werden, und vier Lochrandpunkte (5), (6), (7) und (8), die von zwei in Richtung der x-Achse relativ zum Schwerpunkt G symmetrischen y-Achsenabtastlinien geschnitten werden, d. h. insgesamt acht Lochschnittpunkte, aufgenommen und ihre Koordinaten festgestellt. Aus den Koordinaten dieser Lochrandpunkte werden die Koordinaten des Mittelpunktes M₁, M₂ des Bildes auf dem Schirm des Lochs b berechnet.

Aufgrund einer Störung, beispielsweise eines Rauschens oder der­ gleichen treten manchmal Ausbuchtungen und/oder Einbuchtungen auf dem Lochrand des Bildes auf dem Schirm des Lochs b auf. Unter Berücksichtigung der Möglichkeit, daß die aufgenommenen Bildrandpunkte einen Punkt enthalten können, der sich in einem solchen abnormen Bereich des Bildes befindet, ist es so eingerichtet, daß die Koordinaten des Mittelpunktes M₁, M₂ mit dem folgenden Verfahren berechnet werden.

Zuerst wird auf dem Schirm jeder Kamera 2 ₁, 2 ₂ ein vorbestimmter ringförmiger Bereich uni den Schwerpunkt G derart eingestellt, daß in dem Fall, daß das Bild des Lochs b normal ist, sein Lochrand in den Bereich fällt. Da hier die erste Kamera 2 ₁ gerade gegenüber oder unmittelbar vor dem Werkstück a angeordnet ist, ist das Bild des Lochs b auf dem Schirm annähernd kreisförmig, so wie es in der Fig. 3(a) gezeigt ist. Da andererseits die zweite Kamera 2 ₂ so angeordnet ist, daß das Werkstück a schräg bildabgetastet wird, ist das Bild des Lochs b auf dem Schirm elliptisch, so wie es in der Fig. 3(b) gezeigt ist. Wird ferner die Vergrößerung und Verkleinerung aufgrund einer Verschiebung des Werkstücks a in Richtung zur bzw. von der Kamera fort in Betracht gezogen, ist auf dem Schirm der ersten Kamera 2 ₁ ein kreisförmiger ringförmiger Bereich eingestellt, der in der Fig. 3(a) durch strichpunktierte Linien begrenzt ist. Andererseits ist auf dem Schirm der zweiten Kamera 2 ₂ ein elliptischer ring­ förmiger Bereich eingestellt, der in der Fig. 3(b) durch strichpunktierte Linien begrenzt ist. Von den Lochrandpunkten auf dem Schirm jeder Kamera 2 ₁, 2 ₂ werden die außerhalb des ringförmigen Bereiches fallenden Punkte gestrichen oder von einer Entscheidung ausgenommen, da sie Punkte sind, die sich in abnormen Bereichen des Bildes befinden. Im Beispiel der Fig. 3(a) und 3(b) wird der Punkt (5) auf dem Schirm der zweiten Kamera 2 ₂ gestrichen bzw. unberücksichtigt gelassen.

Wenn sich das Zentrum des Lochs b außerhalb der optischen Achse O₁ der ersten Kamera 2 ₁ befindet, wird das Bild des Lochs b auf dem Schirm der ersten Kamera 2 ₁ streng genommen ebenfalls eine Ellipse, die in Richtung der Abweichung der Mitte des Lochs b relativ zur optischen Achse O₁ eine kürzere Achse aufweist. Ihr Abplattungsverhältnis, d. h. das Verhältnis zwischen der kürze­ ren Halbachse und der längeren Halbachse ist proportional zum Betrag der Abweichung. Deshalb ist es vorteilhaft, die Form des ringförmigen Bereiches in Abhängigkeit von der Richtung und dem Betrag der Abweichung des Schwerpunktes G von dem mit der opti­ schen Achse O₁ korrespondierenden Koordinatenursprung auf dem Schirm zu ändern.

Dann wird aus den Koordinaten der verbleibenden Lochrandpunkte eine Regressionsellipse berechnet, welche das Bild des Lochs repräsentiert. Die Regressionsellipse ist eine Ellipse, die durch eine Regressionsverarbeitung derart erhalten wird, daß die Gesamtheit der Abweichungsbeträge relativ zu jedem der Lo­ chrandpunkte ein Minimum wird. Je nachdem, ob die Form des Bil­ des des Lochs b ein Kreis oder eine Ellipse ist, wird der Kreis oder die Ellipse als Regressionsellipse berechnet.

Bei geringem Grad fällt auch ein abnormes Bild manchmal in den ringförmigen Bereich. Ein von einem Abschnitt des abnormen Bil­ des dieser Art aufgenommener Lochrandpunkt weist einen großen Betrag der Abweichung von der Regressionsellipse auf. Dies wird nun unter Bezugnahme auf ein Beispiel auf dem Schirm der zweiten Kamera 2 ₂ erklärt. Der Lochrandpunkt (8) auf diesem Schirm wird von einem Abschnitt eines in den ringförmigen Bereich fallenden Teils eines leicht abnormen Bildes aufgenommen. Der Betrag der in Fig. 4 bei S′ gezeigten Abweichung δ des Lochrandpunktes (8) von der Regressionsellipse wird folglich groß. Zur Lösung wird der Betrag der Abweichung jedes Lochrandpunktes von der Regres­ sionsellipse als Abstand zwischen einem Schnittpunkt der Regres­ sionsellipse mit einer die Mitte der Regressionsellipse und den Lochrandpunkt verbindenden Linie und dem Lochrandpunkt berech­ net. Wenn von diesen Abweichungen des Lochrandpunktes der ma­ ximale Betrag der Abweichung über einem vorbestimmten Wert liegt, wird der Lochrandpunkt der maximalen Abweichung, d. h. der Lochrandpunkt (8) gestrichen bzw. bleibt unberücksichtigt. Eine Regressionsellipse wird wiederum aus den Koordinaten der verbleibenden Lochrandpunkte ermittelt. Beim dargestellten Beispiel korrespondiert jeder der Lochrandpunkte mit der wie­ derum erhaltenen Regressionsellipse S′′. Diese Regressionsel­ lipse S′′ wird eine Zielellipse, die exakt mit dem normalen Bild des gelochten Abschnitts b korrespondiert. Wenn der maximale Betrag der Abweichung der Lochrandpunkte von der ein zweites Mal ermittelten Regressionsellipse über einem vorbestimmten Wert liegt, wird eine Regressionsellipse weder durch Streichung des Lochrandpunktes des maximalen Betrags der Abweichung erhalten. Diese Operation wird wiederholt, bis der Maximalbetrag der Ab­ weichung kleiner als der vorbestimmte Wert wird, wodurch die Zielellipse gewonnen wird. Wenn die Zahl der Lochrandpunkte klein wird, kann die Regressionsellipse nicht mehr genau erhal­ ten werden. Wenn aus diesem Grund die Zahl der Lochrandpunkte gleich 5 oder weniger wird, wird angezeigt, daß nicht gemessen werden kann.

In der Fig. 5(a) bezeichnet das Bezugszeichen S₁ eine Zielel­ lipse, welche mit einem normalen Bild des Lochs b auf dem Schirm der ersten Kamera 2 ₁ korrespondiert. In der Fig. 5(b) bezeich­ net das Bezugszeichen S₂ eine Zielellipse, welche mit einem normalen Bild des Lochs auf dem Schirm der zweiten Kamera 2 ₂ korrespondiert. Die Lage des Mittelpunktes M des Lochs b im räumlichen Koordinatensystem wird, wie oben beschrieben, auf der Basis der Koordinaten (x₁, y₁) des Mittelpunkts M₁ der Zielel­ lipse S₁ auf dem Schirm der ersten Kamera 2 ₁ und den Koordinaten (x₂, y₂) des Mittelpunkts M₂ der Zielellipse S₂ auf dem Schirm der zweiten Kamera 2 ₂ berechnet.

Obgleich selten, gibt es Fälle, bei denen bei der wiederholten Ermittlung der Regressionsellipse ein in einem normalen Teil des Bildes befindlicher Lochrandpunkt gestrichen wird, mit dem Ergebnis, daß die Zielellipse nicht mehr mit dem normalen Bild korrespondiert. Wenn im räumlichen Koordinatensystem die Lage eines Punktes N auf dem in Fig. 5(c) des Lochrandes des Lochs b unter Verwendung des Prinzips der Triangulation auf der Basis der auf dem Schirm der ersten Kamera 2 ₁ erhaltenen Koordinaten des korrespondierenden Punktes M₁ auf der Zielellipse S₁ und der auf dem Schirm der zweiten Kamera 2 ₁ erhaltenen Koordinaten des korrespondierenden Punktes M₂ auf der Zielellipse S₂ berechnet wird, um den Abstand L vom Mittelpunkt M zum Punkt N im räumli­ chen Koordinatensystem zu erhalten, ist dieser Abstand solange gleich dem Radius des Lochs b, als beide Zielellipsen S₁, S₂ mit dem normalen Bild zusammenpassen oder korrespondieren.

Es wird deshalb wie folgt vorgegangen: Dieser Abstand und der Radius des Lochs b werden verglichen, und wenn die Differenz zwischen ihnen innerhalb eines zulässigen Bereiches liegt, wird die wie oben berechnete Position des Mittelpunktes M als die normale Mittellage des Lochs b bestimmt. Wenn die Differenz außerhalb des zulässigen Bereiches liegt, wird angezeigt, daß nicht gemessen werden kann.

Zur Ermittlung der räumlichen Koordinaten eines Punktes auf dem Lochrand des Lochs b ist es notwendig, Punkte aufzunehmen, die mit gemeinsamen Punkten auf dem Lochrand des Lochs b sowohl auf der Zielellipse S₁ auf der Seite der ersten Kamera 2 ₁ als auch auf der Zielellipse S₂ auf der Seite der zweiten Kamera 2 ₂ kor­ respondieren. Wenn die Zielellipse und die Achse der x-Achsenko­ ordinate einander schneiden, sind auf dem Schirm beider Kameras 2 ₁, 2 ₂ die Schnittpunkte der Achse der x-Achsenkoordinate und der Zielellipse S₁ bzw. S₂ diejenigen Punkte, die mit den Schnittpunkten des Lochrandes des Loch b und der X-Z-Koordi­ natenebene korrespondieren, da die optischen Achsen O₁, O₂ beider Kameras 2 ₁, 2 ₂ in der X-Z-Koordinatenebene angeordnet sind. Ein oberer und unterer Endpunkt der y-Achsrichtung der Zielellipse S₁, S₂ sind Punkte, welche mit dem oberen und unte­ ren Endpunkt in der y-Achsrichtung des Lochrandes des Lochs b korrespondieren. Die Lagen der Punkte auf dem Lochrand des Lochs b im räumlichen Koordinatensystem kann deshalb aus den Koordinaten eines dieser Punkte auf beiden Zielellipsen S₁, S₂ berechnet werden. Bei dem in den Fig. 5(a) bis 5(c) gezeigten Beispiel wird im räumlichen Koordinatensystem die Position des unteren Endpunktes N in der y-Achsrichtung des Lochs b aus den Koordinaten der unteren Endpunkte N₁, N₂ in Richtung der y-Achse beider Zielellipsen S₁, S₂ berechnet.

Die y-Achsenkoordinatenwerte der Punkte M und N im räumlichen Koordinatensystem können aus der Y-Achskoordinate der Punkte M₁ oder N₁ auf der Basis der ersten Kamera 2 ₁ berechnet werden. Sie können auch aus den y-Achskoordinatenwerten der Punkte M₂ und N₂ auf der Basis der zweiten Kamera 2 ₂ berechnet werden. Es ist vorteilhaft, festzustellen, ob das Ergebnis der Berechnung ak­ zeptabel ist oder nicht, indem der Abstand zwischen dem Punkt M und dem Punkt N, deren y-Achskoordinatenwerte auf der Basis der ersten Kamera 2 ₁ berechnet werden, bzw. der Abstand zwischen dem Punkt M und dem Punkt N, deren y-Achskoordinatenwerte auf der Basis der zweiten Kamera 2 ₂ berechnet werden, mit dem Radius des Lochs b verglichen werden.

In dem Fall, daß das Loch b des Werkstücks a eine Lochöffnung aufweist, wie sie beispielsweise durch den in Fig. 6(a) gezeig­ ten Kragen c gegeben ist, oder in dem Fall, bei welchem das Werkstück a einen in Fig. 7(a) gezeigten Doppelplattenaufbau mit einer Abweichung der Mitte eines Lochs b in einer Vorder­ platte (linke Seite in der Figur) und der Mitte eines gelochten Abschnitts b′ in einer Rückplatte (rechte Seite in der Figur) aufweist, kann folgendes auftreten: Wenn sich die Lichtquelle zum Beleuchten des Werkstücks direkt gegenüber oder unmittelbar vor dem Werkstück befindet, wird dem Fall der Fig. 6(a) das Bild des Lochs aufgrund von auf der Innenfläche des Kragens c irregulär reflektierten Lichts aus dem ganzen Umfang unklar oder dunkel. Im Fall der Fig. 7(a) ist das Bild des Lochs das des überlappten Bereiches der beiden verschobenen gelochten Bereiche b, b′, mit dem Ergebnis, daß das Bild nicht das Loch b auf der Vorderseite repräsentiert.

Zur Lösung wurde bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die folgende Anordnung verwendet: Die Lichtquelle 1 ist unter der direkt gegenüber dem Werkstück a angeordneten ersten Kamera 2 ₁ derart angeordnet, daß die optische Achse der Lichtquelle 1 die Oberfläche des Werkstücks a schräg schneidet, und dabei das Werkstück a aus einer tiefer liegenden Position nach oben be­ leuchtet. Entsprechend dieser Anordnung wird im Fall des Lochs in Fig. 6(a) die obere Hälfte des Lochs b ein durch das von dem Kragen c nach Fig. 6(b) reflektierte Licht entstellter Bereich. Die untere Hälfte des Lochs b wird jedoch ein normales Bild. Im Fall des in Fig. 7(a) gezeigten Lochs erscheint das Bild der unteren Hälfte des Lochs b als ein Schatten unter dem Bild der unteren Hälfte des Loch b′ nach Fig. 7 (b). In jedem der beiden Fälle wird das Bild der unteren Hälfte des Lochs, d. h. das Bild des Lochs, das auf der gleichen Seite wie die Lichtquelle 1 angeordnet ist, die Form, die mit der des Lochs b kor­ respondiert, welches das Objekt der Messung ist. Wenn von den Lochrandpunkten mehrere Lochrandpunkte, die mit dem auf der gleichen Seite wie die Lichtquelle 1 liegenden Bereich zusammen­ fallen, aufgenommen werden, wird eine Regressionsellipse aus den Koordinaten dieser Lochrandpunkte ermittelt und es kann das normale Bild des gelochten Bereichs identifiziert werden.

Das Verfahren zur Verarbeitung des Bildes eines speziellen Lochs wird im folgenden unter Bezugnahme auf ein Beispiel des Bildes der ersten Kamera 2 ₁ eines Lochs erklärt, das von der in Fig. 6(a) gezeigten Art ist. Zuerst wird ein Punkt, der sich auf einem äußersten Punkt auf der Seite, auf der die Lichtquelle 1 angeordnet ist, befindet, beispielsweise der unterste Punkt, detektiert. Dann wird die untere Hälfte des Bildes des Lochs, so wie in der Fig. 8 gezeigt, mittels mehrerer solcher Abtastli­ nien in Richtung der x-Achse und in Richtung der y-Achse abge­ tastet, die in einer vorbestimmten Lagebeziehung zum unteren Endpunkt stehen. Dann werden mehrere Lochrandpunkte (1) bis (9) aufgenommen, die von den Abtastlinien geschnitten werden.

Beim Detektieren des oben beschriebenen unteren Endpunktes wird auf dem in Fig. 9(a) gezeigten Schirm ein stationäres Fenster W1 eingestellt. Ein unterer Endpunkt der Grenzlinie zwischen einem hellen Bereich und einem dunklen Bereich innerhalb des Fensters W1 wird als Punkt A detektiert. Dann wird auf der Basis dieser Punktes A ein schwebendes Fenster W2 eingestellt, so wie es in der Fig. 9(b) gezeigt ist. Ein oberer Endpunkt eines maximalen Blocks im hellen Bereich innerhalb des Fensters W2 wird als Punkt B detektiert. In dem Fall, bei welchem die Löcher b, b′, die wie in Fig. 7(a) gezeigt gegeneinander verschoben sind, bildabgetastet werden, besteht eine Wahrscheinlichkeit, daß der innerhalb des stationären Fensters W1 zu detektierende Punkt A der untere Endpunkt des Bildes des Lochs b′ ist, so wie es in der Fig. 7(b) gezeigt ist. Wenn jedoch der Punkt B durch Einstellen des beweglichen Fensters W2 detektiert wird, wird der untere Endpunkt des Bildes des Lochs b als der Punkt B detek­ tiert, wodurch eine falsche Feststellung verhindert wird. Hier fällt der y-Achsenkoordinatenwert des Punktes B mit dem y-Ach­ senkoordinatenwert des unteren Endpunktes des Bildes des Lochs mit vorbestimmter Genauigkeit zusammen. Es besteht jedoch keine Garantie dafür, daß der x-Achsenkoordinatenwert des Punktes B mit dem x-Achsenkoordinatenwert des unteren Endpunktes des Bildes des Lochs zusammenfällt. Deshalb wird wie folgt vorgegan­ gen: Durch Abtastung bei einer etwas über dem Punkt B liegenden Position in Richtung der x-Achse werden zwei Lochrandpunkte C, D in Richtung der x-Achse detektiert, so wie es in der Fig. 9(c) gezeigt ist. Dann wird ein Punkt, der den gleichen x-Ach­ senkoordinatenwert wie ein zwischen den zwei Punkten C, D lie­ gender mittlerer Punkt und den gleichen y-Achsenkoordinatenwert wie der Punkt B aufweist, als ein unterer Endpunkt E des Bildes des Lochs bestimmt.

Nach Aufnahme der Lochrandpunkte (1) bis (9) in der oben be­ schriebenen Weise wird ein Verfahren zum Einstellen eines ring­ förmigen Bereiches auf dem Schirm und Streichung eines oder mehrerer Lochrandpunkte, die außerhalb des ringförmigen Berei­ ches liegen, ausgeführt. Bei dem oben beschriebenen Beispiel wurde der ringförmige Bereich auf der Basis des Schwerpunkts des Bildes des Lochs eingestellt. Im Fall des Lochs eines oben beschriebenen speziellen Aufbaus jedoch besteht eine Wahr­ scheinlichkeit, daß der Schwerpunkt des Bildes des Lochs stark vom Mittelpunkt des normalen Bildes des Lochs abweicht. Dies hat zur Folge, daß ein ringförmiger Bereich nicht mehr derart ein­ gestellt werden kann, daß nur der abnorme Bereich des Bildes herausgebracht wird. Deshalb wird in einem solchen Fall ein mit einem mit dem Radius des Lochs korrespondierenden Abstand nach oben abweichender Punkt auf der Basis des unteren Endpunktes als ein scheinbarer Mittelpunkt M′ eingestellt. Dann wird auf der Basis des scheinbaren Mittelpunktes M′ anstelle des Schwerpunk­ tes der ringförmige Bereich so eingestellt, wie es in der Fig. 8 gezeigt ist.

Danach kann eine Regressionsellipse mit dem gleichen Verfahren wie oben beschrieben ermittelt werden. Entsprechend diesem Vor­ gehen kann eine Regressionsellipse ermittelt werden, die in dem Fall, daß die untere Hälfte des Bildes des Loch Teil eines Krei­ ses ist, mit einem Kreis und in dem Fall, daß diese untere Hälf­ te Teil einer Ellipse ist, mit einer Ellipse korrespondiert. Deshalb kann der Mittelpunkt des Loch b mit einem speziellen Aufbau, wie er in der Fig. 6(a) oder der Fig. 7(a) gezeigt ist, ebenfalls genau gemessen werden.

Der vorstehenden Beschreibung ist zu entnehmen, daß es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich ist, die Mittellage eines Lochs durch Ermittlung einer mit einem normalen Bild des Lochs korre­ spondierenden Regressionsellipse aus den Koordinaten einer rela­ tiv kleinen Anzahl Lochrandpunkte auf dem Lochrand des Bildes des Lochs zu ermitteln. Im Vergleich mit herkömmlichen Verfah­ ren, bei welchen Koordinaten einer großen Zahl Lochrandpunkte detektiert und gespeichert werden müssen, hat die vorliegende Erfindung den Vorteil, daß die Datenverarbeitung leicht und die Meßgenauigkeit verbessert ist.

Das oben beschriebene Verfahren zur Messung der Lage eines Lochs löst alle angegebenen Aufgaben und hat den Vorteil breiter kom­ merzieller Nutzbarkeit.

Claims (7)

1. Verfahren zur Messung der Lage eines Loches (b, b′) durch Bildabtastung eines das Loch (b, b′) aufweisenden Werkstücks (a) und nachfolgendes Messen einer Mittellage des Loches (b, b′) auf der Basis eines Bildes des Loches (b, b′) auf einem Schirm einer Bildabtasteinrichtung (2 ₁, 2 ₂) gekennzeichnet durch

• - Aufnahme mehrerer mit einem Lochrand des Bildes des Loches (b, b′) zusammenfallender Lochrandpunkte ((1) bis (9)),
• - Berechnung einer das Bild des Loches (b, b′) aus Koordinaten der Lochrandpunkte ((1) bis (9)) darstellenden Regressionsellip­ se, und
• - Ermittlung der Mittellage des Loches (b, b′) aus Koordinaten der Mitte der Regressionsellipse.

2. Verfahren zur Messung der Lage eines Loches nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

• - Ermittlung von Koordinaten eines Schwerpunktes (G) des Bildes des Lochs (b, b′), und
• - Feststellung, ob sich jeder der Lochrandpunkte ((1) bis (9)) innerhalb eines vorbestimmten, auf der Basis des Schwerpunktes (G) auf dem Schirm eingestellten ringförmigen Bereiches befin­ det, wobei
• - die Regressionsellipse aus nach Streichung eines sich außer­ halb des ringförmigen Bereiches befindlichen Lochrandpunktes ((5)) verbleibenden Lochrandpunkten ((1) bis (4), (6) bis (9)) berechnet wird.

3. Verfahren zur Messung der Lage eines Loches (b, b′) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch

• - Anordnung einer das Werkstück (a) beleuchtenden Lichtquelle (1) derart, daß eine optische Achse der Lichtquelle (1) eine Oberfläche des Werkstücks (a) schräg schneidet, wobei
• - die mehreren Lochrandpunkte ((1) bis (9)) aus einem aus dem ganzen Lochrand des Bildes des Lochs (b, b′) genommenen Ab­ schnitt, der auf der gleichen Seite wie die Lichtquelle (1) angeordnet ist, aufgenommen werden.

4. Verfahren zur Messung der Lage eines Loches (b, b′) nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch

• - Ermittlung von Koordinaten eines scheinbaren Mittelpunktes (M′) des Bildes des Lochs (b, b′) auf der Basis eines auf dem ganzen Lochrand auf der gleichen Seite wie die Lichtquelle (1) angeordneten äußersten Endpunkt liegenden Punkt ermittelt wer­ den, und
• - Feststellung, ob jeder der Lochrandpunkte ((1) bis (9)) inner­ halb eines vorbestimmten ringförmigen Bereiches liegt, der auf der Basis des scheinbaren Mittelpunktes (M′) auf dem Schirm eingestellt wird, wobei
• - die Regressionsellipse aus nach Streichung eines außerhalb des ringförmigen es vorhandenen Lochrandpunktes (5) verbleibenden Lochrandpunkten ((1) bis (4), (6) bis (9)) berechnet wird.

5. Verfahren zur Messung der Lage eines Loches (b, b′) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch

• - Berechnung des Betrags einer Abweichung (8) jedes der zur Basis der Berechnung der Regressionsellipse gemachten Lochrandpunkte von der Regressionsellipse, wobei
• - in dem Fall, daß ein maximaler Abweichungsbetrag aller Beträge der Abweichung (8) über einem vorbestimmten Wert liegt, die Regressionsellipse aus Koordinaten aus nach Streichung eines Punktes des maximalen Abweichungsbetrags verbleibenden Lochrand­ punkten berechnet und die Berechnung der Regressionsellipse solange wiederholt wird, bis der maximale Betrag der Abweichung (δ) kleiner als der vorbestimmte Wert wird.

6. Verfahren zur Messung der Lage des Loches (b, b′) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildabtastung des Loches (b, b′) mit zwei Bildabtastein­ richtungen (2 ₁, 2 ₂) durchgeführt wird, die derart angeordnet sind, daß sich ihre optischen Achsen (O₁, O₂) schräg schneiden, und daß die Mittellage des Loches (b, b′) in einem räumlichen Koordinatensystem aus Koordinaten der Mitte der Regressionsel­ lipse auf dem Schirm einer (2 ₁ oder 2 ₂)der Bildabtasteinrich­ tungen (2 ₁, 2 ₂) und aus Koordinaten der Mitte der Regression­ sellipse aus dem Schirm der anderen Bildabtasteinrichtung (2 ₂ bzw. 2 ₁)ermittelt wird.

7. Verfahren zur Messung der Lage eines Loches (b, b′) nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch

• - Ermittlung eines Abstandes (L) zwischen der Mitte (M) des Loches (b, b′) und eines gemeinsamen Punktes (N) auf dem Loch­ rand des Loches (b, b′) aus der Mittellage des Loches (b, b′) im räumlichen Koordinatensystem, die aus den Koordinaten der Mitten der Regressionsellipsen auf den Schirmen beider Bildabtast­ einrichtungen (2 ₁, 2 ₂) berechnet wird, und aus der Lage des gemeinsamen Punktes (N) im räumlichen Koordinatensystem, die aus Koordinaten der mit dem gemeinsamen Punkt (N) korrespondierenden Punkte auf beiden Regressionsellipsen berechnet wird, ermittelt wird,
• - Vergleich des Abstandes (L) und des Radius des Loches (b, b′), und
• - Bestimmung der Mittellage als normale Mittellage des Loches (b, b′), wenn eine Differenz zwischen dem Abstand (L) und dem Radius innerhalb eines zulässigen Bereiches liegt.