DE4407285C2 - Verfahren zur Messung der Lage eines Loches - Google Patents
Verfahren zur Messung der Lage eines LochesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Lage eines
Loches nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Solche Verfahren sind bekannt aus EP-A1-0 160 160 und
GB-A-22 12 353.
Bei einem Verfahren dieser Art wird eine Empfängerfläche in
Richtung einer horizontalen x-Achse abgetastet, um die Koordinaten
von Lochrandpunkten an den zwei Stellen in Richtung der
horizontalen x-Achse zu gewinnen, die mit dem Lochrand des Bildes
des Lochs korrespondieren. Dieser Abtastarbeitsschritt 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 Mittelpunktes
zwischen jedem Satz zweier Lochrandpunkte in der Richtung der x-
Achse gewonnen. Die Empfängerfläche wird auch in Richtung der
y-Achse abgetastet, um die Koordinaten von Lochrandpunkten an zwei
Stellen in Richtung der y-Achse zu gewinnen. Diese Abtast
arbeitsschritte werden durch Bewegen der Abtastposition in
Richtung der x-Achse wiederholt. Die y-Achsenkoordinate des
Mittelpunkts des Lochs wird durch Mittelung der
y-Achsenkoordinaten des Mittelpunktes zwischen jedem Satz zweier
Lochrandpunkte in Richtung der y-Achse gewonnen.
Aufgrund einer Störung, beispielsweise von Rauschen oder
dergleichen, treten am Lochrand des Bildes des Lochs manchmal
Ausbuchtungen 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 Meßgenauigkeit
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 geschlagen
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
(verbesserte) Mittellage wird durch Streichung der aufgrund
Änderungen diskontinuierlichen Lochrandpunkte gewonnen.
Zur oben genannten Prüfung der Kontinuität der Änderung der Größe
der Abweichung relativ zum Bezugskreis ist es notwendig, die
Empfängerfläche in sehr kleinem Abstand abzutasten, um die
Koordinaten einer großen Zahl Lochrandpunkte zu detektieren und zu
speichern. Dies hat den Nachteil, daß der
Datenverarbeitungsaufwand groß wird.
Wenn desweiteren 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
Verfahren, 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
Koordinaten 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.
Durch Berechnung einer derartigen Regressionsellipse, die durch
mehrere vom Lochrand des Bildes des Lochs aufgenommene
Lochrandpunkte geht, wird das Bild des Lochs, wenn es ein Kreis
ist, als ein Kreis, und wenn es eine Ellipse ist, als eine Ellipse
festgestellt, mit dem Ergebnis, daß die Mittellage des Lochs genau
erhalten werden kann.
Wenn Ausbuchtungen und/oder Einbuchtungen aufgrund einer Störung,
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
festgestellt, ob sich jeder aufgenommene Lochrandpunkt innerhalb
eines vorbestimmten, auf der Basis des Schwerpunktes auf der
Empfängerfläche eingestellten ringförmigen Bereiches befindet,
wobei die Regressionsellipse aus den nach Streichung eines sich
gegebenenfalls außerhalb des ringförmigen Bereiches befindlichen
Lochrandpunktes verbleibenden Lochrandpunkten berechnet wird
(Anspruch 2).
Weist das Loch eine derartige Lochöffnung auf, daß ein Lichtstrahl
nach innen reflektiert wird, ist das Bild des Lochs aufgrund des
von seinem Inneren reflektierten Lichts nicht mehr normal, wenn
die Lichtquelle, welche das Werkstück beleuchtet, geradewegs
gegenüber oder unmittelbar vor dem Werkstück positioniert ist.
Wenn in einem solchen Fall die Lichtquelle derart angeordnet ist,
daß eine optische Achse dieser Quelle die Oberfläche des
Werkstücks schräg schneidet, fällt der Lichtstrahl nicht auf den
Teil des inneren Umfangs, der sich auf der gleichen 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 befindet,
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 liegt (Anspruch 3). Es besteht
in diesem Fall die Möglichkeit, daß der Schwerpunkt des Bildes des
Lochs stark vom Mittelpunkt des normalen Bildes des Lochs
abweicht. Wenn deshalb der ringförmige Bereich wie oben
beschrieben auf der Empfängerfläche einzustellen ist, um den
abnormen Lochrandpunkt zu eliminieren, werden vorzugs- und
vorteilhafterweise Koordinaten eines scheinbaren Mittelpunktes des
Bildes des Lochs auf der Basis einer Abtastung ermittelt,
beginnend mit einem sich auf dem Lochrand des Lochs auf der
gleichen Seite wie die Lichtquelle befindenden äußersten Punkt und
wird der ringförmige Bereich auf der Basis dieses scheinbaren
Mittelpunktes eingestellt (Anspruch 4).
Um überdies die Genauigkeit der Berechnung der Regressionsellipse
zu verbessern, wird bevorzugter- und vorteilhafterweise der Betrag
einer Abweichung jedes der die Basis der Berechnung der
Regressionsellipse bildenden Lochrandpunkte von der
Regressionsellipse berechnet, wobei in dem Fall, daß ein unter
allen Beträgen der Abweichung maximaler Betrag oberhalb eines
vorbestimmten 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 der Empfängerfläche einer der beiden
Bildabtasteinrichtungen und den Koordinaten der Mitte der
Regressionsellipse auf der Empfängerfläche der anderen
Bildabtasteinrichtung berechnet (Anspruch 6).
In seltenen Fällen tritt im Zuge der wiederholten obigen
Berechnung 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
zusammenpaßt. 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 Koordinaten
system, die durch die Koordinaten der Mitten der Regressions
ellipsen auf den Empfängerflächen beider Bildabtasteinrichtungen
berechnet wird, und der Position im räumlichen Koordinatensystem
des gmeinsamen 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
zusammenfällt oder korrespondiert, wird dieser Abstand gleich dem
Radius des Lochs. Wenn sie nicht zusammenpaßt, weicht 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 eine Empfängerfläche
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 der Empfängerfläche 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 eine 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 nicht dargestellten 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
deren optische Achsen 0 1, 0 2 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 0, welcher der Schnittpunkt der optischen Achsen
0 1 und 0 2 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 der Empfängerfläche 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 der Empfängerfläche jeder
Kamera 2 1, 2 2 jeweils durch Bestimmung eines zentralen Punktes
eingestellt, der mit dem genannten Ursprung 0 als Ursprung kor
respondiert. Der Koordinatenwert auf der x-Achse und der Koor
dinatenwert auf der y-Achse auf jeder Empfängerfläche 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 auf der Empfängerfläche
der ersten Kamera 2 1. Der horizontale Abstand und der vertikale
Abstand des Punktes M1 vom Ursprung 0 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 0 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
der 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
der Empfängerfläche 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. Darm
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 werden 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 der Empfängerfläche 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, werden gemäß der
Erfindung die Koordinaten des Mittelpunktes M1, M2 mit dem
folgenden Verfahren berechnet.
Zuerst wird auf der Empfängerfläche jeder Kamera 2 1, 2 2 ein vorbestimmter
ringförmiger Bereich um 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 der Empfängerfläche 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 der Empfängerfläche 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 der Empfängerfläche 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 auf der Empfängerfläche 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
der Empfängerfläche 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
der Empfängerfläche 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 Loch
randpunkte 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 der Abnormität 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 der Empfängerfläche der zweiten
Kamera 2 2 erklärt. Der Lochrandpunkt auf dieser Empfängerfläche 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 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 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 bzw. dem Loch b korrespondiert. Wenn der maxi
male 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 mit maximalem Betrag der Abweichung erhalten.
Diese Arbeitsschritte werden 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 der Empfängerfläche
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 b auf der Empfängerfläche 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 der Empfängerfläche der ersten Kamera 2 1 und den
Koordinaten (x2, y2) des Mittelpunkts M2 der Zielellipse S2 auf der
Empfängerfläche 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 der Empfängerfläche der ersten Kamera 2 1 erhaltenen Koordinaten
des korrespondierenden Punktes M1 auf der Zielellipse S1 und der
auf der Empfängerfläche 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-Achsenkoordinate
einander schneiden, sind auf der Empfängerflächen 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-
Koordinatenebene korrespondieren, da die optischen Achsen 0 1, 0 2
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 Koordinatenssystem können 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 den y-Achsenkoordinatenwerten der
Punkte M1 oder N1 auf der Basis der ersten Kamera 2 1 berechnet
werden. Sie können auch aus den y-Achsenkoordinatenwerten der
Punkte M2 und N2 auf der Basis der zweiten Kamera 2 2 berechnet
werden. Es ist vorteilhaft, festzustellen, ob das Ergebnis der
Berechnung akzeptabel ist oder nicht, indem der Abstand zwischen
dem Punkt M und dem Punkt N, deren y-Achsenkoordinatenwerte 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
Lochs 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 im Fall der Fig. 6(a) das
Bild des Lochs aufgrund von auf der Innenfläche des Kragens c
irregulär reflektierten Lichts auf dem ganzen Umfang unklar oder
dunkel. Im Fall der Fig. 7(a) ist das Bild das des überlappten
Bereiches der beiden verschobenen Löcher b, b', mit dem
Ergebnis, das 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 Lochs 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 bis
aufgenommen, die von den Abtastlinien geschnitten werden.
Beim Detektieren des oben beschriebenen unteren Eckpunktes wird auf der
in Fig. 9(a) gezeigten Empfängerfläche 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 bewegbaren bzw. schwebenden 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 bis 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 bzw. nicht berücksichtigt 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 End
punktes als ein scheinbarer Mittelpunkt M' eingestellt. Dann wird auf
der Basis des scheinbaren Mittelpunktes M' anstelle des Schwerpunktes
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 nachfolgender Ermittlung einer Mittellage
des Loches (b, b') auf der Basis eines Bildes des Loches (b, b') auf der Empfängerfläche
einer Bildabtasteinrichtung (2 1, 2 2),
gekennzeichnet durch
- 1. Aufnahme mehrerer Lochrandpunkte ((1) bis (9)) und Feststellung ihrer Koordinaten im Bild des Loches (b, b'),
- 2. Berechnung einer Regressionsellipse durch die aufgenommenen Lochrandpunkte ((1) bis (9)) aus den Koordinaten der Lochrandpunkte ((1) bis (9)), und
- 3. Ermittlung der Mittellage des Loches (b, b') aus Koordinaten der Mitte der Regressionsellipse.
2. Verfahren zur Messung der Lage eines Loches (b, b') nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch
- 1. Ermittlung von Koordinaten eines Schwerpunktes (G) des Bildes des Lochs (b, b'),
- 2. Feststellung, ob sich jeder der aufgenommenen Lochrandpunkte ((1) bis (9)) innerhalb eines vorbestimmten, auf der Basis des Schwerpunktes (G) auf der Empfängerfläche eingestellten ringförmigen Bereiches befindet, und
- 3. Berechnung der Regressionsellipse aus den nach Streichung eines sich gegebenenfalls außerhalb des ringförmigen Bereiches befindlichen Lochrandpunktes ((5)) verbleibenden Lochrandpunkten ((1) bis (4), (6) bis (9)).
3. Verfahren zur Messung der Lage eines Loches (b, b') nach Anspruch 1 oder 2,
gekennzeichnet durch -
- 1. Anordnung einer das Werkstück (a) beleuchtenden Lichtquelle (1) derart, daß eine optische Achse der Lichtquelle (1) eine Oberfläche des Werkstücks (a) schräg schneidet, und
- 2. Aufnahme der mehreren Lochrandpunkte ((1) bis (9)) aus einem aus dem ganzen Lochrand des Bildes des Lochs (b, b') genommenen Abschnitt, der auf der gleichen Seite wie die Lichtquelle (1) liegt.
4. Verfahren zur Messung der Lage eines Loches (b, b') nach Anspruch 3,
gekennzeichnet durch
- 1. Ermittlung von Koordinaten eines scheinbaren Mittelpunktes (M') des Bildes des Lochs (b, b') auf der Basis einer Abtastung beginnend mit einem auf dem Lochrand auf der gleichen Seite wie die Lichtquelle (1) sich befindenden äußersten Punkt, und
- 2. Feststellung, ob jeder der aufgenommenen Lochrandpunkte ((1) bis (9)) innerhalb eines vorbestimmten ringförmigen Bereiches liegt, der auf der Basis des scheinbaren Mittelpunktes (M') auf der Empfängerfläche eingestellt wird, und
- 3. Berechnung der Regressionsellipse aus den nach Streichung eines sich gegebenenfalls außerhalb des ringförmigen Bereiches befindlichen Lochrandpunktes (5) verbleibenden Lochrandpunkten ((1) bis (4), (6) bis (9)).
5. Verfahren zur Messung der Lage eines Loches (b, b') nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
gekennzeichnet durch
- 1. Berechnung des Betrags einer Abweichung (δ) jedes der zur Basis der Berechnung der Regressionsellipse gemachten Lochrandpunkte von der Regressionsellipse, wobei
- 2. in dem Fall, daß ein maximaler Abweichungsbetrag aller Beträge der Abweichung (δ) über einem vorbestimmten Wert liegt, die Regressionsellipse aus Koordinaten aus nach Streichung eines Punktes des maximalen Abweichungsbetrags verbleibenden Lochrandpunkten 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 Bildabtasteinrichtungen (2 1, 2 2)
durchgeführt wird, die derart angeordnet sind, daß sich ihre optischen Achsen (0 1, 0 2)
schräg schneiden, und daß die Mittellage des Loches (b, b') in einem räumlichen
Koordinatensystem aus Koordinaten der Mitte der Regressionsellipse auf der
Empfängerfläche der einen Bildabtasteinrichtung und aus Koordinaten der Mitte der
Regressionsellipse auf der Empfängerfläche der anderen Bildabtasteinrichtung ermittelt
wird.
7. Verfahren zur Messung der Lage eines Loches (b, b') nach Anspruch 6,
gekennzeichnet durch
- 1. Ermittlung eines Abstandes (L) zwischen der Mitte (M) des Loches (b, b') und eines gemeinsamen Punktes (N) auf dem Lochrand des Loches (b, b') aus der Mittellage des Loches (b, b') im räumlichen Koordinatensystem, die aus den Koordinaten der Mitten der Regressionsellipsen auf den Empfängerflächen beider Bildabtasteinrichtungen (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,
- 2. Vergleich des Abstandes (L) und des Radius des Loches (b, b'), und
- 3. 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.
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