DE4438014A1 - Vorrichtung zur Messung der Länge von bewegten Teilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur genauen Messung der Länge von längs einer geraden Bahn bewegten Teilen, deren Länge näherungsweise bekannt ist.

Hochgenauen Verfahren zur Messung der Dimensionen von Teilen beruhen in der Regel darauf, daß die Kanten des zu vermessenden Teiles in Ruhe mechanisch oder optisch abgetastet werden. Daraus wird der zwischen den Meßpunkten liegende Weg möglichst genau bestimmt.

Es ist auch bekannt, bewegte Teile mittels einer Lichtschranke zu vermessen. Die Teile werden durch die Lichtschranke mit konstanter, bekannter Geschwindigkeit hindurchbewegt. Die Lichtschranke signalisiert den Eintritt der Vorderkante in die Lichtschranke und die Freigabe der Lichtschranke durch die Hinterkante des durchlaufenden Teils. Die Zeit zwischen diesen Ereignissen wird gemessen. Die Genauigkeit dieser Messung hängt von der Genauigkeit und Konstanz der Geschwindigkeit ab, mit der die Teile durch die Lichtschranke hindurchlaufen. An die Geschwindigkeit werden dabei die gleichen Anforderungen hinsichtlich Genauigkeit und Konstanz über die Meßdauer hinweg gestellt wie an die Genauigkeit der Längenmessung. Das ist schwer zu realisieren.

Das zu vermessende Teil kann auch von einem bildauflösenden Sensor als Ganzes erfaßt werden. Nach genauer Eichung des Bildmaßstabes kann daraus Länge und Breite ermittelt werden. Bei schnell bewegten Teilen bietet das schon wegen der Bewegungsunschärfe erhebliche Probleme.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Länge von schnell bewegten Teilen mit hoher Genauigkeit zu messen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß

• (a) über der Bahn der Teile zwei bildauflösende Sensormittel mit einer linearen Anordnung von Detektorelementen vorgesehen sind,
• (b) die Sensormittel einen der näherungsweise bekannten Länge der zu vermessenden Teile entsprechenden Abstand in Bewegungsrichtung der Teile gegeneinander versetzte Bereiche erfassen,
• (c) die Sensormittel synchronisiert auslesbar sind,
• (d) die Signale der Sensormittel, die bei jeder Auslesung in Abhängigkeit von der Lage des jeweiligen Detektorelements ein hohes Signalniveau, ein niedriges Signalniveau und dazwischen sich von Detektorelement zu Detektorelement zwischen den hohen und niedrigen Signalniveaus quasi-stetig variierende Werte aufweisen auf Bildverarbeitungsmittel aufgeschaltet sind, welche durch Interpolation daraus eine genaue Position der Ränder des Teiles bestimmen und
• (e) wobei Längenrechenmittel aus den Kantenlagen des Teiles relativ zu dem von den Sensormitteln erfaßten Bereich und dem Abstand der die vordere und die hintere Kante des Teils enthaltenden Bereiche die Länge des Teiles in der Bewegungsrichtung bestimmen.

Die Messung erfolgt somit mit zwei Bereichen der Sensormittel, z. B. mit zwei Zeilenkameras. Das sind Sensoren mit zeilenartig angeordneten Detektorelementen, wobei ein langgestreckter Bereich des Gesichtsfeldes auf diesen Detektorelementen abgebildet wird. Die eine Zeilenkamera erfaßt die Vorderkante, die andere Zeilenkamera erfaßt gleichzeitig die Hinterkante des zu vermessenden Teils.

Ein Teil der Detektorelemente "sieht" den Untergrund vor bzw. hinter dem zu vermessenden Teil. Ein anderer Teil der Detektorelemente "sieht" die Oberfläche des zu vermessenden Teils. Wegen der Bewegung des zu vermessenden Teils werden während des Zeitintervalls zwischen aufeinanderfolgenden Auslesungen der Zeilenkameras die Detektorelemente in Bewegungsrichtung hinteren Zeilenkamera in einem mittleren Bereich der Zeile zunächst den Untergrund sehen und dann nach Vorbeigehen der Vorderkante während des restlichen Zeitintervalls die Oberfläche des zu vermessenden Teils. Entsprechend werden während des Zeitintervalls zwischen aufeinanderfolgenden Auslesungen der Zeilenkameras die Detektorelemente in Bewegungsrichtung vorderen Zeilenkamera in einem mittleren Bereich der Zeile zunächst die Oberfläche des zu vermessenden Teils sehen und dann nach Vorbeigehen der Hinterkante während des restlichen Zeitintervalls den Untergrund. Dabei erfassen einige Detektorelemente während des Zeitintervalls zwischen zwei Auslesungen nur kurze Zeit die Oberfläche des zu vermessenden Teils. Andere Detektorelemente "sehen" diese Oberfläche während eines längeren Abschnitts oder fast während des gesamten Zeitintervalls. Ausgelesen wird die über das Zeitintervall zwischen den Auslesungen integrierte Helligkeit. Bei einer Abfrage werden daher beim Durchgang der Kanten durch die Gesichtsfelder der Zeilenkameras an einem Ende der Reihe von Detektorelementen Signale auftreten, die der ständigen Beobachtung der Oberfläche des zu vermessenden Teils entsprechen, also z. B. relativ niedrig sind, wenn die Oberfläche dunkel ist. Am anderen Ende der Reihe sind Detektorelemente, deren Signal einer ständigen Beobachtung des Untergrundes entsprechen, also relativ hoch sind, wenn der Untergrund hell ist. Die ersteren Signale stellen das niedrige Signalniveau dar, die letzteren Signale das hohe Signalniveau. Dazwischen treten Signale an den verschiedenen Detektorelementen auf, die sich von einem Detektorelement zum nächsten Detektorelement in im wesentlichen kleinen Schritten ändern. Trägt man die Signalhöhe bei der Auslesung der Detektorelemente der Zeilenkamera als Funktion der Position oder laufenden Nummer der Detektorelemente auf, dann erhält man ein Diagramm mit zwei unterschiedlichen Niveaus, die durch eine Schräge miteinander verbunden sind. Das Bild der Kante ist verschmiert, ähnlich wie eine Verschmierung eines photographischen Bildes bei einer im Vergleich zu der Geschwindigkeit der Bewegung langen Belichtungszeit eintritt. Bei der nächsten Auslesung ergibt sich eine ähnliche Verteilung der Signalhöhen, jedoch ist die Schräge in Bewegungsrichtung der zu vermessenden Teile gewandert.

Die Auslesung erfolgt für die beiden Bereiche (Zeilenkameras) genau synchron. Die Bildverarbeitungsmittel werten die erhaltene Signalverteilung aus. Die Lagen vergleichbarer Punkte der Schrägen im Gesichtsfeld der Zeilenkameras werden bestimmt. Daraus kann eine Längendifferenz ermittelt werden. Diese Längendifferenz wird durch Längenrechnermittel dem bekannten, in Bewegungsrichtung der Teile gemessenen Abstand der Bereiche überlagert und liefert die Länge des zu vermessenden Teils.

Die Längendifferenz kann aus dem Verlauf der Signalverteilung mit Subpixel-Genauigkeit bestimmt werden, also auf weniger als den Abstand der Bildelemente, die durch benachbarte Detektorelemente bestimmt sind. Der Abstand der Zeilenkameras kann z. B. mittels eines Glasmaßstabs sehr genau bestimmt werden. Es ergibt sich in der Praxis eine hohe Genauigkeit der Messung auch bei hoher Geschwindigkeit der durchlaufenden, zu vermessenden Teile.

Die Erfindung ermöglicht es nicht nur, Teile in der Bewegung zu vermessen. Die durch die Bewegung der Teile hervorgerufene "Verschmierung" der Kanten ermöglicht sogar eine Erhöhung der Genauigkeit auf "Subpixel-Genauigkeit".

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Seitenansicht eines bewegten Teils und der Zeilenkameras zur Messung der Länge der Teile.

Fig. 2 ist eine zugehörige Draufsicht.

Fig. 3 zeigt schematisch eine Einzelheit der Anordnung von Fig. 2.

Fig. 4 zeigt die Signalverteilungskurve bei der Zeilenkamera von Fig. 3.

Fig. 5 zeigt eine abgewandelte Ausführung.

In Fig. 1 ist mit 10 ein zu vermessendes Teil bezeichnet. Es kann sich dabei um ein rechteckiges Blech handeln. Das Teil 10 bewegt sich auf (nicht dargestellten) Transportmitteln in Richtung des Pfeiles 12. Die Länge des Teils 10 ist näherungsweise bekannt und entspricht etwa dem Abstand "a" in Fig. 1. In diesem Abstand "a" sind über der Bahn des Teils 10 in Bewegungsrichtung des Teils 10 gegeneinander versetzt zwei Zeilenkameras 14 und 16 angeordnet. Die Zeilenkameras 14 und 16 weisen jeweils eine lineare oder zeilenförmige Anordnung von Detektorelementen 18 auf, wie in Fig. 3 schematisch dargestellt ist. Die Detektorelemente 18 sind längs einer geraden Strecke 20 angeordnet, die sich in Bewegungsrichtung des Teils 10 erstreckt. Die Zeilenkameras definieren eine Referenzrichtung 22 bzw. 24, die z. B. durch die Mitte der zeilenförmigen Anordnung von Detektorelementen 18 verläuft. Der Abstand der die Referenzrichtungen 22 und 24 bestimmenden Geraden ist "a".

Die Detektorelemente 18 der Zeilenkameras 14 und 16 werden genau synchron in einem Takt ausgelesen, der durch einen Taktgenerator 26 bestimmt ist. Die bei der Auslesung in den einzelnen Detektorelementen 18 erhaltenen Signale bilden eine Signalverteilung. Eine solche Signalverteilung für eine bestimmte Abtastung ist in Fig. 4 dargestellt und generell mit 28 bezeichnet. Die Signalverteilung 28 zeigt die Hohe der von den einzelnen Detektorelementen bei der Abtastung gelieferten Signale als Funktion des Ortes des Detektorelements längs der Strecke 20.

Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, ergibt sich ein relativ hohes mittleres Signalniveau 30 für einen Bereich von eintrittseitigen Detektorelementen, also Detektorelementen, welche ein einlaufendes Teil 10 zuerst erfassen. Dieses mittlere Signalniveau 30 ist in Fig. 4 durch eine gestrichelte Linie angedeutet. Weiterhin ergibt sich ein relativ niedriges mittleres Signalniveau 32 für einen Bereich von austrittseitigen Detektorelementen, d. h. Detektorelementen, welche das einlaufende Teil erst später "sehen". Dazwischen ist eine Schräge 34, welche diese beiden Signalniveaus verbindet.

Fig. 3 zeigt die dazugehörigen relativen Positionen von zu vermessendem Teil 10 und Zeilenkamera 14.

Der Untergrund ist relativ hell. Die Oberfläche des zu vermessenden Teils ist relativ hoch. Die Detektorelemente am rechten Ende der Zeile in Fig. 3 "sehen" während des ganzen Zeitintervalls zwischen aufeinanderfolgenden Auslesung der Zeilenkamera das Teil 10. Die Signale dieser Detektorelemente sind daher niedrig und bilden das niedrige Signalniveau 32. Die Detektorelemente am linken Ende der Zeile in Fig. 3 sehen während des gesamten Zeitintervalls den hellen Untergrund. Die Signale sind daher relativ hoch und bilden das hohe Signalniveau 30. Dazwischen liegen Detektorelemente, die zunächst den Untergrund gesehen haben, bei denen aber bei der Bewegung des Teils 10 von links nach rechts zu einem Zeitpunkt innerhalb des Zeitintervalls zwischen den Auslesungen der helle Untergrund freigegeben wurde. Solche Detektorelemente sehen während eines ersten Abschnitts des Zeitintervalls "dunkel" und während eines zweiten Abschnitts "hell". Bei der Auslesung der Detektorelemente wird über das Zeitintervall integriert. Es wird daher ein Signal ausgelesen, das zwischen dem hohen und dem niedrigen Signalniveau liegt. Liegt das Detektorelement ziemlich weit links, dann wird es schon kurz nach der vorhergehenden Auslesung freigegeben. Dieses Detektorelement "sieht" während des größten Teils des Zeitintervalls hellen Untergrund. Das ausgelesene Signal liegt nahe dem hohen Signalniveau. Liegt das Detektorelement ziemlich weit rechts, dann wird es erst kurz vor der aktuellen Auslesung freigegeben. Dieses Detektorelement "sieht" während des größten Teils des Zeitintervalls dunkeles Teil 10. Das ausgelesene Signal liegt nahe dem niedrigen Signalniveau. Die Schräge 34 ist im wesentlichen linear.

Bildverarbeitungsmittel 36 bestimmen aus den - genau synchron gewonnenen - Signalverteilungen der Zeilenkameras 14 und 16 Punkte, die in beiden Signalverteilungen einander entsprechen. Das kann mit "Subpixel-Genauigkeit" geschehen. Die einander entsprechenden Punkte liegen rechts oder links von der Referenzrichtung 22 bzw. 24 und liefern positive oder negative Längenwerte. Längenrechnermittel 38 bilden die Differenz dieser Längenwerte. Diese Differenz wird dem Abstand "a" der beiden Zeilenkameras 14 und 16 überlagert. Die Summe dieser Größen wird als Länge des Teils 10 an einem Ausgang 40 ausgegeben.

Bei einem Durchgang des Teils 10 unter den Zeilenkameras 14 und 16 hindurch wird in mehreren Zeitintervallen und Auslesungen der Detektorelemente eine Mehrzahl von Signalverteilungen nach Art von Fig. 4 erhalten. Aus jeder dieser Signalverteilungen wird ein Längenmeßwert gewonnen. Die so erhaltenen Längenmeßwerte werden gemittelt. Auf diese Weise wird die Genauigkeit der Messung weiter erhöht.

Fig. 5 zeigt eine Abwandlung der Vorrichtung. In Fig. 5 sind die Zeilenkameras nur durch die geraden Strecken dargestellt, längs derer die Detektorelemente angeordnet sind, bzw. durch die Streifen im Gesichtsfeld der Zeilenkameras, die von den Detektorelementen erfaßt werden. Bei der Ausführung von Fig. 5 sind insgesamt vier Zeilenkameras 42, 44, 46 und 48 vorgesehen. Die Zeilen der Zeilenkameras bilden mit der Bewegungsrichtung des Teils 10 einen Winkel, z. B. von 45°. Die Zeilenkameras 42, 44, 46 und 48 sind in den Ecken eines im wesentlichen den Abmessungen des zu vermessenden Teiles 10 entsprechenden Rechteckes so angeordnet, daß während des Meßvorganges die von den Detektorelementen erfaßten langgestreckten Bereiche sich schräg über die Ecken des Teils 10 erstrecken. Die Signalverteilung liefert dadurch zusätzlich zu der von den Vorder- bzw. Hinterkanten der Teile 10 hervorgerufenen Schrägen auch noch Stufen, die von den Seitenkanten der Teile 10 verursacht sind. Dadurch können einmal Verkantungen des Teils 10 gegenüber der Bewegungsrichtung erfaßt werden. Eine Verkantung bewirkt eine seitliche Verlagerung der Stufen. Außerdem ist es möglich, die Breite des Teils 10 zu bestimmen.

Statt der vier Zeilenkameras können ggf. auch nur zwei Zeilenkameras, z. B. 42 und 46, vorgesehen sein, die diagonal gegenüberliegend angeordnet sind. Bei Verwendung von vier Zeilenkameras 42 bis 48 wird die Information redundant erhalten.

Die Zeilenkameras 14 und 16 in Fig. 1 können relativ zueinander verschiebbar auf einer gemeinsamen Halterung angebracht sein. Dabei kann die Position der Zeilenkameras auf der Halterung durch Stellmotore einstellbar sein.

In einer weiteren Abwandlung können die Sensormittel von einer einzigen Zeilenkamera mit zwei räumlich getrennten Bereichen von Detektorelementen gebildet sein.

Die Längen der zu vermessenden Teile können in der beschriebenen Weise in der Bewegung im Verlauf eines Produktionsprozesses mit hoher Genauigkeit berührungslos gemessen werden. Ein Anwendungsbeispiel ist die Vermessung von sog. Platinen zur Karosserieherstellung, die mit einer Geschwindigkeit von 5 m/s bewegt werden. Solche Platinen haben eine Länge von etwa 4 m. Diese Länge muß auf 0,1 mm genau gemessen werden. Das ist mit einer Anordnung der beschriebenen Art möglich.

Hierbei sind zwei Zeilenkameras 14 und 16 mit je 2048 Detektorelementen vorgesehen. Die Zeilenkameras 14 und 16 sind in einer Höhe von 4 m über einem Transportband justiert. Die Optik zur Abbildung der Kanten auf den Detektorelementen ist so gewählt, daß ein Bereich von 50 mm füllend auf den Detektorelementen abgebildet wird. Die beiden Zeilenkameras 14 und 16 werden genau synchron betrieben. Sie arbeiten mit einer Aufnahmefrequenz von 2,5 kHz. Die Belichtungszeit, das Zeitintervall zwischen zwei Auslesungen, entspricht dieser Aufnahmefrequenz und beträgt somit 1/2500 sec. Während der Belichtungszeit legt das Teil 10 eine Strecke von 2 mm zurück. Das entspricht etwa 82 Detektorelementen. Die Kanten werden also über 82 Bildelemente verschmiert. Da die Zeilenkameras 14 und 16 in ununterbrochener Folge Bilder aufnehmen, entstehen beim Durchgang der Kante durch das Gesichtsfeld der Zeilenkamera 14 oder 16 etwa 25 solche Bilder, die jeweils um 82 Bildpunkte gegeneinander verschoben sind. Damit kann die relative Lage der Kanten auf besser als ± 7 µm bestimmt werden. Die relative Lage der Zeilenkameras 14 und 16 kann z. B. durch Glasmaßstäbe auf ± 20 µm genau bestimmt werden. Damit ergibt sich für die Bestimmung der Gesamtlänge eine Genauigkeit von besser als ± 0,050 mm. Das ist eine Genauigkeit von besser als 20 000 : 1.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur genauen Messung der Länge von längs einer geraden Bahn bewegten Teilen, deren Länge näherungsweise bekannt ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• (a) über der Bahn der Teile (10) zwei bildauflösende Sensormittel (14, 16) mit einer linearen Anordnung von Detektorelementen vorgesehen sind,
• (b) die Sensormittel (14, 16) einen der näherungsweise bekannten Länge der zu vermessenden Teile (10) entsprechenden Abstand ("a") in Bewegungsrichtung der Teile (10) gegeneinander versetzte Bereiche erfassen,
• (c) die Sensormittel (14, 16) synchronisiert auslesbar sind,
• (d) die Signale der Sensormittel (14, 16), die bei jeder Auslesung in Abhängigkeit von der Lage des jeweiligen Detektorelements ein hohes Signalniveau (30), ein niedriges Signalniveau (32) und dazwischen sich von Detektorelement zu Detektorelement zwischen den hohen und niedrigen Signalniveaus quasi-stetig variierende Werte aufweisen auf Bildverarbeitungsmittel (36) aufgeschaltet sind, welche daraus eine genaue relative Position der Kanten des Teiles (10) bestimmen und
• (e) wobei Längenrechenmittel (38) aus den relativen Kanten lagen und dem Abstand der die vordere und die hintere Kante des Teils (10) enthaltenden Bereiche die Länge des Teiles (10) in der Bewegungsrichtung (12) bestimmen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• (a) die Frequenz der Auslesung so hoch gewählt ist, daß beim Durchgang einer Kante des Teils (10) mehrere Auslesungen der Detektorelemente der Sensormittel (14, 16) erfolgen,
• (b) durch die Bildverarbeitungsmittel (36) die relative Lage der Kanten nach jeder Auslesung bestimmbar und durch die Längenrechenmittel (38) nach jeder Bestimmung der Kantenlagen die Länge des Teils (10) bestimmbar ist und
• (c) als Meßwert für die Länge des Teils ein Mittelwert der so bestimmten Längen ausgebbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Bildverarbeitungsmittel (36) die relative Lage der Kanten des Teils durch lineare Interpolation zwischen dem hohen und dem niedrigen Signalniveau (30, 32) bestimmbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß

• (a) die Detektorelemente (18) der Sensormittel (42, 44, 46, 48) längs einer geraden Strecke (20) angeordnet sind und
• (b) die Sensormittel (42, 44, 46, 48) so angeordnet sind, daß der dann von den Detektorelementen (18) erfaßte gerade Streifen des Gesichtsfeldes unter einem Winkel zur Bewegungsrichtung (12) des Teils (10) so verläuft, daß er sich auch über eine Seitenkante des Teils (10) erstreckt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

• (a) zwei Zeilen der Sensormittel (42, 46 bzw. 44, 48) diagonal in bezug auf die Teile (10) angeordnet sind,
• (b) die Bildverarbeitungsmittel (36) zur Bestimmung von Verkantungen der Teile (10) relativ zu der Bewegungsrichtung (12) aus den von den Vorder- bzw. Hinterkanten und den Seitenkanten erhaltenen Signalstufen eingerichtet sind und
• (c) die Längenrechenmittel (38) zur Berechnung der Länge der Teile (10) unter Berücksichtigung von festgestellten Verkantungen programmiert sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Längenrechenmittel (38) zur Bestimmung der Breite des Teils (10) aus den durch die Seitenkanten des Teils hervorgerufenen Signalstufen programmiert ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß

• (a) vier Zeilen von Detektorelementen der Sensormittel (42, 44, 46, 48) so angeordnet sind, daß sie die davon erfaßten Streifen des Gesichtsfeldes sich bei der Messung schräg zur Bewegungsrichtung über die vier Ecken eines durchlaufenden Teils (10) von rechteckiger Grundform erstrecken und
• (b) durch die Bildverarbeitungs- und Längenrechenmittel (36, 38) aus den von den Sensormitteln (42, 44, 46, 48) beobachteten Signalstufen Länge und Breite des Teils (10) redundant bestimmbar sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensormittel von Zeilenkameras (14, 16) gebildet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeilenkameras (14, 16) relativ zueinander verschiebbar auf einer gemeinsamen Halterung angebracht sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Position der Zeilenkameras (14, 16) auf der Halterung durch Stellmotore einstellbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensormittel von einer einzigen Zeilenkamera mit zwei räumlich getrennten Bereichen von Detektorelementen gebildet sind.