DE4301546A1

DE4301546A1 - Einrichtung zum Prüfen von Oberflächen von Werkstücken

Info

Publication number: DE4301546A1
Application number: DE19934301546
Authority: DE
Inventors: Matthias Dr Rer N Reuschenbach; Gerhard Dr Rer Nat Hubricht
Original assignee: Rheinmetall GmbH
Current assignee: Isra Vision AG
Priority date: 1993-01-21
Filing date: 1993-01-21
Publication date: 1994-07-28
Anticipated expiration: 2013-01-22
Also published as: DE4301546C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Prüfen von Ober flächen von Werkstücken nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In der Serienfertigung unterliegen gefertige Produkte oftmals einer visuell durch eine Person vorgenommenen Endkontrolle, und zwar insbesondere dann, wenn mit Prüfgeräten und Meßinstrumenten keine auto matische Kontrolle möglich ist, um Ausschußteile auszusondern, die gege benenfalls durch eine Nachbehandlung einer Verwertung wieder zugeführt werden können. Dies ist beispielsweise bei der Oberflächeninspektion von gemusterten Natur- oder Kunststeinplatten der Fall, bei denen Ausbrüche beispielsweise nicht kleiner als 0,5 mm × 0,5 mm zu erfassen sind, deren Kontur von der Musterung nicht grundsätzlich unterscheidbar und im Kon trast nicht ausreichend ist, um eine Erfassung durch eine Auflichtbe leuchtung zu gewährleisten, weil die Intensität des Vordergrundes bzw. der Grauwert des Hintergrundes stärker schwankt als die Differenz des Grauwertes zwischen Vorder- und Hintergrund.

In vielen Produktionslinien könnte aber eine Ausschußreduzie rung stattfinden, wenn eine direkte Kontrolle nach den einzelnen Produk tionsschritten stattfinden würde. Bei manueller Inspektion durch eine Person scheitert dies jedoch häufig bereits am personellen Aufwand.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung nach dem Ober begriff des Anspruchs 1 zu schaffen, durch die eine Oberflächenprüfung auf Vertiefungen trotz Kontrastarmut ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Hierbei kann ein Bildverarbeitungssystem verwendet werden, wie es in der Patentanmeldung P 41 25 112.1 beschrieben ist. Dieses umfaßt ein Eingangsinterface für eine Videobilder liefernde Videokamera, wobei das Interface einen Digitalisierer aufweist, dessen Ausgangsdaten über entsprechende mindestens zwei parallele Datenkanäle jeweils einer Reihe von über einen Hostcomputer angesteuerten Ausführungsprozessoren (insbe sondere Transputer) eines Bildprozessors zuführbar sind, wobei die An zahl der Ausführungsprozessoren, die in einer Anzahl von wenigstens eins in jeder Reihe vorgesehen sind, entsprechend dem Bedarf der Rechenlei stung gewählt ist und der Digitalisierer ebenso wie die Ausführungspro zessoren einen Primär- und einen Sekundärspeicher umfassen. In jedem Ausführungsprozessor können Daten vom Primär- in den Sekundärspeicher und umgekehrt bewegt werden, insbesondere speichern Bildverarbeitungs funktionen, die auf zwei Bilder beispielsweise wie die Bildsubtraktion wirken, die Bilder im Primär- und Sekundärspeicher ab, wobei das Ergeb nis wahlweise im Primär- oder Sekundärspeicher abgelegt wird. Hierbei können der Digitalisierer und der Hostcomputer ihren eigenen Transputer aufweisen.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch und perspektivisch eine Einrichtung zum Prüfen der Oberflächengüte von Steinplatten.

Fig. 2 zeigt schematisch den Strahlenverlauf bei der Einrich tung von Fig. 1.

Fig. 3 zeigt schematisch ein auf eine Steinplatte projiziertes Linienmuster.

Fig. 4a und 4b zeigen schematisch den Strahlenverlauf bei ei nem Ausbruch.

Fig. 5 zeigt diagrammartig eine Erläuterung zum Betrachtungs fenster der jeweiligen Videokamera.

Fig. 6a und 6b zeigen schematisch ein Ausführungsbeispiel der Bildverarbeitung für die Einrichtung von Fig. 1.

Gemäß Fig. 1 werden auf ihre Oberflächengüte zu untersuchende, eine Musterung 1, beispielsweise eine Marmorierung aufweisende Natur- oder Kunststeinplatten 2, bei denen Ausbrüche 3 beispielsweise nicht kleiner als 0,5 mm × 0,5 mm zu erfassen sind, deren Kontur von der Mu sterung nicht grundsätzlich unterscheidbar und im Kontrast nicht aus reichend ist, um eine Erfassung durch eine Auflichtbeleuchtung zu ge währleisten, mittels eines Transportbandes 4 durch eine Einrichtung zum Prüfen der Oberflächengüte geführt, die über dem Transportband 4 in ei ner Kabine 5 angeordnet ist. Die Kabine 5 ist mit einem Ein- und einem Austrittsschlitz 6 für das Transportband 4 und die Steinplatten 2 ver sehen, so daß Fremdlichteinflüsse praktisch unterbunden werden können.

Die Einrichtung zum Prüfen der Oberflächengüte umfaßt eine An ordnung von sechs Videokameras 7, die oberhalb des Transportbandes 4 an einer Halterung 8 angeordnet jeweils ein Oberflächensegment in einer Richtung quer zur Transportrichtung der Steinplatten 2 einsehen, so daß insgesamt die vollständige Breite der Steinplatten 2 lückenlos erfaßt wird, wobei sich die Gesichtsfelder der einzelnen Videokameras 7 etwas überlappen können.

Ferner ist entsprechend der Breite der zu prüfenden Oberfläche mindestens ein (im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei) Linienprojek tor 9 innerhalb der Kabine 5 vorgesehen, der ein schwarzweißes Linienmu ster 10 auf die zu prüfende Oberfläche der jeweiligen Steinplatte 2 pro jiziert. Die in Transportrichtung der Steinplatten 2 verlaufenden, dunk len Streifen des Linienmusters 10 heben sich im Kontrast von der Muste rung 1 der Steinplatte 2 ab.

Die Liniendicke der schwarzen Linien des Linienmusters 10 ist dabei kleiner als die Ausdehnung eines minimal zu entdeckenden Ausbruchs in der zu prüfenden Oberfläche. Bei einem minimal zu entdeckenden Aus bruch von 0,5 mm × 0,5 mm beträgt sie beispielsweise 0,25 mm. Bei einer Ausdehnung der Steinoberfläche von 300 mm quer zur Transportrichtung der Steinplatten 2 sind dann 600 Linien erforderlich, die hier von zwei Linienprojektoren 9 erzeugt werden. Die Videokameras 7 sind mit ihrer Ach se in einem bestimmten Winkel zur Oberflächennormalen der Steinplatten 2 derart geneigt, daß sie das Linienmuster 10 von der Seite her sehen.

Bei seitlicher Betrachtung des Linienmusters 10 aus einer Richtung im wesentlichen senkrecht zur Linienrichtung erscheinen Ausbrü che als Störungen im geradlinigen Verlauf der Linien. Die Abweichung vom geradlinigen Verlauf ist abhängig von der Tiefe h des Ausbruchs und dem Betrachtungswinkel alpha zur Senkrechten auf die zu betrachtende Ober fläche. Die Verschiebung d der Linie kann abgeschätzt werden durch

d = h tg(alpha),

vgl. Fig. 4a. Bedingt durch Abschottungseffekte ist der Betrachtungswin kel jedoch begrenzt. In einem einfachen Rechteckmodell für den Ausbruch 11 ergibt sich als Maximalwinkel alpha_max

tg alpha_max = s/(2h),

wobei s die Ausdehnung des Ausbruchs 11 in Blickrichtung ist. Die maxi mal detektierbare Verschiebung einer Linie des Linienmusters 10 ist so mit durch die Ausdehnung des Ausbruchs 11 gegeben und beträgt bei diesem Modell

d_max = s/2.

Dies erfordert bei einer Ausdehnung des Ausbruchs von 0,5 mm in Blick richtung eine Bildpunkt(Pixel)auflösung von mindestens 0,1 mm, damit sich im Bild eine Verschiebung von mindestens zwei Pixel ergibt.

Bei einer Standardvideokamera mit einer Auflösung von ca. 500 × 500 Bildpunkten ergibt dies ein Gesichtsfeld von 50 mm × 50 mm. Inner halb dieses Gesichtsfeldes ist auch eine hinreichende Tiefenschärfe für den Bildausschnitt gewährleistet. Durch die schräge Betrachtungsweise ergibt sich ein unterschiedlicher Abstand von Videokamera 7 und Betrach tungsebene für den oberen und unteren Bildrand. Er beträgt

d = d_max-d_min

mit

d_max = SQRT (d² + d l sin(alpha) + l²/4)

und
d_min = SQRT (d² - d l sin(alpha) + l²/4),

wobei d der mittlere Kameraabstand zur Betrachtungsebene und l die Aus dehnung des Betrachtungsfensters ist, vgl. Fig. 5.

Bei einem Verhältnis von Betrachtungsfenstergröße l zum mitt leren Kameraabstand d von 0,25 und einem Blickwinkel alpha von 30° er gibt sich eine Differenz von ca. 8% im Kameraabstand vom oberen und un teren Bildrand.

Zur Gesamterfassung einer Oberfläche der Steinplatte 2 mit ei ner Ausdehnung von 300 mm × 300 mm bedarf es bei diesem Ausführungsbei spiel 36 Bildeinzügen. Diese Bilder sind beispielsweise in einer vorge gebenen Taktzeit von 1 s zu bearbeiten.

Die Videokameras 7 sind mit einer Shuttervorrichtung ausge stattet, um einen Bildeinzug bei bewegter Steinplatte 2 zu ermöglichen, so daß jeweils ein Streifen von 50 mm × 300 mm der Steinplattenoberflä che quer zur Förderrichtung erfaßt wird, wobei für eine Steinplatte 2 von jeder Videokamera 6 sechsmal ein Bildeinzug zur kompletten Erfassung vorgenommen wird. Bei einer Taktzeit von 1 s und einer Bildeinzugszeit von 40 ms verbleiben pro Bildeinzug ca. 100 ms Bearbeitungszeit. Aus diesem Grund wird die Auswertung der Kamerabilder zeitlich parallel vor genommen.

Die sechs Videokameras 7 sind hierzu mit einem Bildverarbei tungsrechner verbunden, der zwei jeweils mit einem Primär- und einem Se kundärspeicher versehene Digitalisierer 12 mit je einem integrierten Multiplexer zum Anschluß von mindestens drei Videokameras 7 umfaßt. Die Digitalisierer 12 sind jeweils über einen Videobus 13 und einen Daten kommunikationskanal 14 mit jeweils einer Reihe von Ausführungsprozesso ren 15 (insbesondere Transputer) verbunden. Die Ausführungsprozessoren 15 arbeiten unabhängig voneinander und erlauben eine parallele Verarbei tung von sechs zu einem bestimmten Zeitpunkt eingezogenen Kamerabildern der sechs Videokameras 7 über entsprechende Programm- und Datenspeicher. In jedem Ausführungsprozessor 15 können hierzu Daten von einem Primär- in einen Sekundärspeicher und umgekehrt bewegt werden, insbesondere speichern Bildverarbeitungsfunktionen, die auf zwei Bilder etwa wie die Bildsubtraktion wirken, die Bilder im Primär- und Sekundärspeicher ab, wobei das Ergebnis wahlweise im Primär- oder Sekundärspeicher abgelegt wird. Den ausführbaren Programmcode erhalten die Ausführungsprozessoren 15 beim Start des Systems über den Kommunikationskanal 14.

Nach dem ersten Bildeinzug werden die Bilder der drei zu einem Digitalisierer 12 gehörenden Videokameras 7 zu den ersten drei Ausfüh rungsprozessoren 15 übermittelt und der Bildeinzug des nächsten Segments kann beginnen. Nach erfolgtem zweiten Bildeinzug werden die drei Bilder in Folge über den Videobus 13 zu den nächsten drei Ausführungsprozesso ren 15 gesandt. Die Abarbeitung der drei ersten Bilder wird dadurch nicht gestört, da zur Verwaltung des Videobusses 13 die Ausführungspro zessoren 15 nicht benötigt werden. Dies wird fortgesetzt, bis alle Bild segmente erfaßt und jeweils einem Ausführungsprozessor 15 zugeführt wor den sind. Jeder Ausführungsprozessor 15 hat somit eine Abarbeitungszeit von ca. 600 ms. Die Anzahl der Ausführungsprozessoren 15 ist entspre chend der Zahl der Bildsegmente einer Steinplatte 2 zu wählen.

Nach erfolgter Analyse eines Bildes sendet jeder Ausführungs prozessor 15 das Ergebnis über den Kommunikationskanal 14 zu einem Zen tralprozessor 16. Dieser sammelt alle Teilergebnisse und erzeugt daraus das Gesamtprüfungsergebnis für die jeweilige Steinplatte 2. Über eine entsprechende, zu einer digitalen Ausgangsschnittstelle 17 führende, di gitale Steuerleitung kann eine Weiche 18 stromab von der Einrichtung zum Prüfen der Oberflächengüte angesteuert werden, wodurch fehlerhafte Steinplatten 2 aussortiert werden.

Gemäß Fig. 6b erfassen sechs Lichtschranken 19 den Eintritt einer Steinplatte 2 bzw. eines relevanten Ausschnitts hiervon in den Blickbereich der Videokameras 7. über eine digitale Eingangsschnittstel le 20 wird der Zentralprozessor 16 von diesem Ereignis in Kenntnis ge setzt. Er veranlaßt den Bildeinzug durch den Digitalisierer 12 und den Versand der Bilder über den Videobus 13 an die zuständigen Ausführungs prozessoren 15.

Claims

1. Einrichtung zum Prüfen von Oberflächen von insbesondere kontinuierlich geförderten und insbesondere gemusterten Werkstücken (2) mit einer wenigstens eine Videokamera (7) aufweisenden Vorrichtung zum Erfassen zumindest eines Teils der Werkstückoberfläche und einer Be leuchtungsvorrichtung, dadurch gekenn zeichnet, daß die Beleuchtungseinrichtung wenigstens einen Linienprojektor (8) zum Erzeugen eines Linienmusters (10) auf der zu prüfenden Oberfläche um faßt, wobei die Liniendicke des Linienmusters (10) und deren Abstand kleiner als eine minimal zu entdeckende Oberflächenvertiefung (11) ist und die wenigstens eine Videokamera (7) das Linienmuster (10) von der Seite her betrachtet, wobei ferner die wenigstens eine Video kamera (7) an einen Digitalisierer (12) angeschlossen ist, der seinerseits über einen Videobus (13) und einen Datenkommunikationskanal (14) mit einer Anzahl von bildauswertenden Ausführungsprozessoren (15) verbunden ist, wobei die Ausführungsprozessoren (15) über einen Auswerteprozessor (16) zur Auswertung der von den Ausführungsprozessoren (15) gelieferten Ergebnisse steuerbar sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Breite und der Ab stand der Linien des Linienmusters etwa gleich der Hälfte der Ausdehnung der minimal zu entdeckenden Oberflächenvertiefung ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Videokameras (7) quer zur Transportrichtung der Werkstücke (2) angeordnet sind.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kabine (5) zum Schutz gegen Fremdlichteinflüsse vorgesehen ist, in der wenigstens ein Linienprojektor (8) und wenigstens eine Videokamera (7) angeordnet sind.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein vom Auswerteprozessor digitales Ausgangssignal, vorzugsweise zur Schaltung einer Weiche (18), vorgesehen ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Videokameras (5) mit jeweils einer Shuttereinrichtung versehen sind.