DE4411986A1

DE4411986A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung des Querschnitts von stabförmigen Objekten

Info

Publication number: DE4411986A1
Application number: DE19944411986
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Ing Jakob; Ralph Maria Dipl Ing Meder
Original assignee: KJM GES fur OPTO ELEKTRONISCH
Current assignee: KJM GES fur OPTO ELEKTRONISCH
Priority date: 1994-04-10
Filing date: 1994-04-10
Publication date: 1995-10-12

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung des Querschnitts von stabförmigen Objekten, insbesondere Profildrähten.

Bei der Herstellung von Profildrähten und anderen stabförmigen Objekten ist eine Qualitätskontrolle erforderlich, welche sich unmittelbar an die Produktion anschließt, so daß die Ergebnisse der Qualitätskontrolle möglichst schnell zur Beseitigung der Fehler, beispielsweise zur Steuerung der Herstellungsmaschinen, benutzt werden können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, unmittelbar ohne Zeitverzug die Messungen an den jeweils hergestellten Objekten durchzuführen und die Ergebnisse bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,

- daß das Objekt von mehreren Seiten mit Hilfe einer Videokamera aufgenommen und dazu mit je einer Lichtlinie schräg zur Aufnahmerichtung beleuchtet wird, wobei jeweils ein Bild der auf das Objekt fallenden Lichtlinie in Form von digitalen Signalen entsteht;
- daß Fehler der Bilder unter Verwendung von gespeicherten Korrekturgrößen korrigiert werden und
- daß die fehlerkorrigierten Bilder ausgewertet werden.

Obwohl an sich auch ein Vergleich der bis dahin ermittelten fehlerkorrigierten Bilder mit zuvor aufgenommenen Bildern von einwandfreien Objekten möglich ist, ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise vorgesehen, daß die fehlerkorrigierten Bilder nach einer Bildtransformation zu einem Gesamtbild zusammengesetzt werden. Das somit gewonnene Gesamtbild stellt ein genaues Bild des Querschnitts dar, das in vielfältiger Weise vermessen und dokumentiert werden kann. Die Ergebnisse können unmittelbar zur Steuerung von Herstellungsmaschinen herangezogen werden. Die Querschnitte der zu messenden Profile können dabei Rechtecke, Kreise, Ellipsen, Polygone und andere Formen sein.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren berücksichtigen vorzugsweise die gespeicherten Korrekturgrößen Lage- und Winkelfehler des Objekts, den Einfallswinkel der Beleuchtung und von Quadraten abweichende Rasterelemente (Pixel) der Sensoren der Videokameras. Dabei wird mit der Berücksichtigung des Einfallswinkels der Beleuchtung bei der Ableitung der Korrekturgrößen automatisch eine Transformation der Bilder in die Querschnittsebene des Objekts durchgeführt.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt eine besonders günstige Ermittlung der Korrekturgrößen dadurch,

- daß zur Ermittlung der Korrekturgrößen in einem ersten Schritt ein erstes Kalibrier-Objekt aufgenommen wird,
- daß aus den dabei entstehenden Bildern jeweils eine Winkelabweichung (β) des Bildes der Lichtlinie gegenüber der Querrichtung des Kalibrier-Objekts ermittelt und daraus eine erste Korrekturgröße gewonnen wird,
- daß in einem zweiten Schritt ein zweites Kalibrier-Objekt mit quadratischem Querschnitt aufgenommen wird,
- daß die Größe von dabei unter Anwendung der ersten Korrekturgröße entstehenden Bildern derart in Längsrichtung des zweiten Kalibrier-Objekts geändert wird,
- daß der Winkel zwischen den Bildern der Lichtlinien, die zwei aneinander anschließende Flächen des zweiten Kalibrier-Objekts beleuchten, ein rechter Winkel wird, wobei die Größenänderung eine zweite Korrekturgröße darstellt,
- daß das jeweilige Bild gedreht wird, bis die Abstände des Scheitelpunktes dieses Winkels zu den Bildern der Kanten des Kalibrier-Objekts gleich sind, und
- daß die dabei vorgenommene Drehung als dritte Korrekturgröße gespeichert wird.

Eine Ausgestaltung dieser Weiterbildung besteht darin, daß zur Ermittlung der Winkelabweichung das erste Kalibrier-Objekt einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und daß eine Schräge des ellipsenförmigen Bildes der Lichtlinie berechnet wird. Die Berechnung der Schräge der Ellipse kann dadurch erfolgen, daß die Steigung der Ellipse in der Mitte zwischen den Kanten des Objekts berechnet wird. Die Genauigkeit kann dadurch erhöht werden, daß Geraden durch Punkte der Ellipse mit gleichem Abstand zu den Kanten des Objekts gelegt werden und deren Steigungen berechnet und gemittelt werden. Dieses relativ aufwendige Verfahren kann bei der Verwendung von speziellen zur Ermittlung des ersten Korrekturfaktors geformten Kalibrier-Objekten vereinfacht werden. So kann beispielsweise ein Kalibrier-Objekt mit dem Querschnitt eines achteckigen Sterns verwendet werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorzugsweise vorgesehen, daß die Aufnahmen senkrecht zur Längsrichtung des stabförmigen Objekts erfolgen und daß die Beleuchtung aus einem Winkel von 45° vorgenommen wird. Es ist vorteilhaft, wenn die Aufnahmen aus Richtungen erfolgen, welche nicht nur senkrecht zu Umfangsflächen des stabförmigen Objekts liegen.

Eine vorteilhafte Auswertung des Gesamtbildes besteht darin, daß an dem Gesamtbild Messungen geometrischer Größen vorgenommen werden. So können beispielsweise Kantenlängen, Durchmesser, Winkel oder Diagonalen gemessen (das heißt, anhand des Gesamtbildes berechnet) und mit Sollwerten verglichen werden.

Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren an sich auch zur Messung von ruhenden stabförmigen Objekten vorgesehen ist, besteht wegen der Schnelligkeit der Messung ein besonderer Vorteil, wenn das stabformige Objekt laufend aus einem Herstellungsprozeß zugeführt und gemessen wird.

Fehler durch Bewegungen des stabförmigen Objekts senkrecht zur Längsrichtung können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch ausgeschlossen werden, daß die Beleuchtung pulsierend erfolgt.

Eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß mehrere Videokameras von verschiedenen Seiten auf eine aufzunehmende Stelle (Meßstelle) des stabförmigen Objekts gerichtet sind, welches in Führungseinrichtungen geführt wird und daß je Videokamera ein Laser zur Beleuchtung vorgesehen ist.

Zur Vermeidung von Meßfehlern durch Temperatureinflüsse kann die erfindungsgemäße Vorrichtung derart ausgebildet sein, daß die Videokameras in einem untereinander gleichen Abstand von der Meßstelle entfernt sind und daß die Videokameras und die Laser derart gehalten werden, daß eine Formänderung der Halteelemente durch Temperaturänderungen sich auf die Entfernung zwischen den Videokameras und der Meßstelle, auf die Entfernung der Laser zwischen der Achse des stabförmigen Objekts und auf die Entfernung der Laser von der durch die Videokameras gebildeten Ebene gleichermaßen auswirkt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die Anzahl der Videokameras und der Lichtquellen, insbesondere Laser, nicht festgelegt. Eine Messung einer sehr großen Zahl von in der Praxis auftretenden Querschnitten mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist jedoch dadurch möglich, daß vier Videokameras und vier Laser vorgesehen sind, die gleichmäßig um das stabformige Objekt verteilt sind.

Unter anderem wegen hoher Zugkräfte, welche bei der Herstellung auf die stabförmigen Objekte einwirken, kann ein Bruch des stabförmigen Objekts innerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht ausgeschlossen werden. Zum Schutz der erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere der Videokameras und der Laser, ist daher bei einer Weiterbildung vorgesehen, daß das stabförmige Objekt innerhalb der Vorrichtung von einer Schutzeinrichtung, vorzugsweise einem Rohr, umgeben ist, welche das stabförmige Objekt nur im Bereich der Meßstelle freigibt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 ein von einer Videokamera aufgenommenes und digital abgespeichertes Bild einer Lichtlinie,

Fig. 3 verschiedene Winkel bei der Beleuchtung und Aufnahme des Objekts,

Fig. 4 bis Fig. 7 Bilder, die während der Ermittlung der Korrekturgrößen entstehen,

Fig. 8 die Entstehung des Gesamtbildes und

Fig. 9 ein Ausführungsbeispiel eines Gestells zur Halterung der Videokameras und der Laser.

Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung dient ein formstabiles Gestell 1 zur Halterung von vier Videokameras 2, 3, 4, 5 und von vier Lasern 6, 7, 8, 9, die sämtlich auf einen zu messenden Abschnitt 12 (Meßstelle) eines stabförmigen Objekts 11 gerichtet sind, das von einer nicht dargestellten Fertigungseinrichtung in Pfeilrichtung durch die Vorrichtung gezogen wird. Der Übersichtlichkeit halber sind Führungseinrichtungen für das Objekt 11, beispielsweise Rollen, nicht dargestellt. Außerhalb der Meßstelle 12 wird das Objekt 11 von einem Schutzrohr 13 umgeben, damit im Falle eines Bruchs die Enden des Objekts nicht die empfindlichen Teile der Vorrichtung, insbesondere die Laser und Videokameras, beschädigen können. Erforderlichenfalls kann das Rohr 13 nach der Meßstelle 12 auch fortgesetzt sein.

Die Laser 6 bis 9 werfen jeweils eine Lichtlinie auf das Objekt 11 an der Meßstelle 12. Um Fehler durch seitliche Bewegungen des Objekts 11, insbesondere durch Schwingungen, zu vermeiden, werden die Laser gepulst betrieben, das heißt, die Belichtung ist blitzartig. Dazu sind die Laser an ein Betriebsgerät 14 angeschlossen, das kurzzeitig eine Betriebsspannung für die Laser freigibt und von einem Rechner 15 synchronisiert wird. Damit die Aufnahmen durch die vier Videokameras bei der gleichen Stellung des Objekts 11 erfolgen, werden die Laser untereinander gleichzeitig gepulst. Damit ferner die Videokameras untereinander und mit den Lasern synchronisiert sind, werden von der Videokamera 3 erzeugte Synchronimpulse den Videokameras 2, 5, und 4 und dem Betriebsgerät 14 zugeführt.

Die Ausgangssignale der Videokameras 2 bis 5 werden einem Videomodul 16 zugeleitet, wo sie in digitale Signale umgewandelt werden. Nach einer Zwischenspeicherung werden die digitalen Videosignale dem Rechner 15 zugeführt, wo zur weiteren Verarbeitung von jeder Videokamera ein Bild von der auf das Objekt fallenden Lichtlinie zur Verfügung steht.

Bei der Messung eines rechteckigen Profildrahtes ergibt sich beispielsweise ein in Fig. 2 dargestelltes Bild, wobei im Falle einer Aufnahme durch die Videokamera 3 mit 17 die von dem Laser 7 erzeugte Lichtlinie bezeichnet ist, während 18 und 19 Teile der Lichtlinien der Laser 8 und 6 angeben. Diese werden jedoch aus dem Bild der Videokamera 3 durch geeignete Bildverarbeitungsoperationen entfernt.

An den Rechner 15 (Fig. 1) sind ferner eine Tastatur 20, ein Monitor 21, ein Drucker 22 und ein Steuer- und Regelausgang 23 angeschlossen, der zur Ausgabe von Steuerinformationen für eine Fertigungseinrichtung dient. Mit Hilfe der Tastatur 20 und des Monitors 21 können menügeführt alle erforderlichen Einstellungen und Eingaben durchgeführt werden. Ferner dient der Monitor 21 zur Anzeige der verschiedenen Bilder, beispielsweise des Gesamtbildes des Querschnitts. Mit Hilfe des Druckers 22 können die Messungen protokolliert werden.

Zur Erläuterung eines der Messung vorgeschalteten Kalibrier-Verfahrens werden im folgenden anhand von Fig. 3 die geometrischen Verhältnisse bezüglich der Aufnahme des Objekts durch die Videokameras verdeutlicht. Dabei ist das Objekt 11 gegenüber Fig. 1 vergrößert dargestellt. An der Meßstelle hat ein Koordinatensystem seinen Ursprung, dessen Z-Richtung die Längsrichtung des Objekts bezeichnet und dessen Y- und X-Richtungen dazu senkrecht stehen. Die optische Achse einer der Videokameras 2 liegt in der X-Achse. Der Laser 6 befindet sich in der von den Achsen X und Z aufgespannten Ebene, wobei seine optische Achse 30 einen Winkel a mit der X-Achse bildet. Die von dem Laser 6 erzeugte Lichtlinie 17 trifft auf zwei Seiten des Objekts 11 auf.

Bei dem Verfahren zur Gewinnung von Korrekturgrößen wird davon ausgegangen, daß folgende Geometriefehler bei der Aufnahme auftreten können:

- Das Objekt kann um die X-Richtung um einen Winkel β verdreht sein,
- der Winkel α kann Abweichungen von einem Sollwert (beispielsweise 45°) aufweisen bzw. das Objekt kann um die Y-Achse verdreht sein, und
- das Objekt kann um die Längsachse Z verdreht sein.
Diese Fehler können im wesentlichen durch eine Fehljustierung der Führungselemente für das Objekt bedingt sein.

Zur Kalibrierung wird zunächst ein Kalibrier-Objekt mit einem kreisförmigen Querschnitt verwendet, wodurch sich ein Bild gemäß Fig. 4 ergibt. Der Winkel β kann dann dadurch ermittelt werden, daß die Schräge bzw. Steigung der Lichtlinie in der Mitte 31 zwischen den Rändern 32, 33 des Objekts 34 berechnet wird. Zur Erhöhung der Genauigkeit können auch Geraden 35 gebildet werden zwischen Punkten auf der von der Lichtlinie gebildeten Ellipse (Teil-Ellipse), welche jeweils einen gleichen Abstand von den Rändern 32, 33 aufweisen. Die Steigungen dieser Geraden 35 können zur Erhöhung der Genauigkeit dann gemittelt werden. Der somit ermittelte Wert für den Winkel β kann direkt oder beispielsweise nach Umrechnung in den Tangens als erste Korrekturgröße abgespeichert werden.

Zur Gewinnung weiterer Korrekturgrößen wird ein Kalibrier-Objekt mit bekanntem quadratischen Querschnitt eingeführt. Das Bild der auf dieses Objekt auftreffenden Lichtlinie ist in Fig. 5 dargestellt, wobei Fig. 5a die Lichtlinie zunächst ohne Korrektur und Fig. 5b mit einer Korrektur der Winkelabweichung β zeigt. Die Größe dieses Bildes wird in Längsrichtung derart verändert, daß der Winkel am Punkt B der Lichtlinie 17 90° aufweist (Fig. 6). Der Änderungsfaktor wird dann ebenfalls als Korrekturgröße gespeichert. Zur Korrektur einer Drehung des Objekts um die Z-Achse erfolgt eine Drehung des Bildes mit den Punkten A, C um den Punkt B, bis die in Fig. 7 dargestellten Abstände X_A und X_C gleich sind. Eine der Drehung entsprechende Größe wird dann als dritte Korrekturgröße abgespeichert.

Fig. 8 zeigt Bilder 41, 42, 43, 44 der Videokameras 2, 3, 4, 5 (Fig. 1), die durch eine aus einer Drehung und Verschiebung bestehenden Transformation zu einem Gesamtbild 45 zusammengesetzt werden. Dabei kann als gemeinsamer Punkt der Mittelpunkt M des Objekts, das heißt die Mitte zwischen A und C (Fig. 5), verwendet werden.

Fig. 9 stellt ein Gestell zur Halterung der Videokameras und der Laser perspektivisch dar, wobei lediglich drei Videokameras 2, 3, 5 angedeutet sind und einer der Laser 8 gezeigt ist. Um den Blick auf diesen freizugeben, ist eine Strebe des Gestells unterbrochen dargestellt. Außerdem ist der Winkel α zwischen der durch die optischen Achsen der Videokameras gebildeten Ebene und den optischen Achsen der Laser am Beispiel des Lasers 8 erkennbar.

Claims

1. Verfahren zur Messung des Querschnitts von stabförmigen Objekten, insbesondere Profildrähten, dadurch gekennzeichnet,

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die fehlerkorrigierten Bilder nach einer Bildtransformation zu einem Gesamtbild zusammengesetzt werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gespeicherten Korrekturgrößen Lage und Winkelfehler des Objekts, den Einfallswinkel der Beleuchtung und von Quadraten abweichende Rasterelemente (Pixel) der Sensoren der Videokameras berücksichtigen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

- daß zur Ermittlung der Korrekturgrößen in einem ersten Schritt ein erstes Kalibrier-Objekt aufgenommen wird,
- daß aus den dabei entstehenden Bildern jeweils eine Winkelabweichung (β) des Bildes der Lichtlinie gegenüber der Querrichtung des Kalibrier-Objekts ermittelt und daraus eine erste Korrekturgröße gewonnen wird,
- daß in einem zweiten Schritt ein zweites Kalibrier-Objekt mit quadratischem Querschnitt aufgenommen wird,
- daß die Größe von dabei unter Anwendung der ersten Korrekturgröße entstehenden Bildern derart in Längsrichtung des zweiten Kalibrier-Objekts geändert wird, daß der Winkel zwischen den Bildern der Lichtlinien, die zwei aneinander anschließende Flächen des zweiten Kalibrier-Objekts beleuchten, ein rechter Winkel wird, wobei die Größenänderung eine zweite Korrekturgröße darstellt,
- daß das jeweilige Bild gedreht wird, bis die Abstände des Scheitelpunktes dieses Winkels zu den Bildern der Kanten des Kalibrier-Objekts gleich sind, und
- daß die dabei vorgenommene Drehung als dritte Korrekturgröße gespeichert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der Winkelabweichung das erste Kalibrier-Objekt einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und daß eine Schräge des ellipsenförmigen Bildes der Lichtlinie berechnet wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmen senkrecht zur Längsrichtung des stabförmigen Objekts erfolgen und daß die Beleuchtung aus einem Winkel von 45° vorgenommen wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmen aus Richtungen erfolgen, welche nicht nur senkrecht zu Umfangsflächen des stabförmigen Objekts liegen.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Gesamtbild Messungen geometrischer Größen vorgenommen werden.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das stabförmige Objekt laufend aus einem Herstellungsprozeß zugeführt und gemessen wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtung pulsierend erfolgt.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Videokameras (2, 3, 4, 5) von verschiedenen Seiten auf eine aufzunehmende Stelle (Meßstelle) (12) des stabförmigen Objekts (11) gerichtet sind, welches in Führungseinrichtungen geführt wird und daß je Videokamera (2, 3, 4, 5) ein Laser (6, 7, 8, 9) zur Beleuchtung vorgesehen ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Videokameras (2, 3, 4, 5) in einem untereinander gleichen Abstand von der Meßstelle (12) entfernt sind und daß die Videokameras (2, 3, 4, 5) und die Laser (6, 7, 8, 9) derart gehalten werden, daß eine Formänderung der Halteelemente (1) durch Temperaturänderungen sich auf die Entfernung zwischen den Videokameras (2, 3, 4, 5) und der Meßstelle (12), auf die Entfernung der Laser (6, 7, 8, 9) zwischen der Achse des stabförmigen Objekts (11) und auf die Entfernung der Laser (6, 7, 8, 9) von der durch die Videokameras (2, 3, 4, 5) gebildeten Ebene gleichermaßen auswirkt.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß vier Videokameras (2, 3, 4, 5) und vier Laser (6, 7, 8, 9) vorgesehen sind, die gleichmäßig um das stabförmige Objekt (11) verteilt sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das stabförmige Objekt (11) innerhalb der Vorrichtung von einer Schutzeinrichtung, vorzugsweise einem Rohr (13), umgeben ist, welche das stabförmige Objekt (11) nur im Bereich der Meßstelle (12) freigibt.