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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung eines Abbildes einer im wesentlichen zylind- rischen Oberfläche, wie Oberflache eines Hohlraumes bzw. Aussenmantel eines in wesentlichen zylindrischen Werkstückes mit einer Bilderfassungseinheit und einer Bildauswerteinheit, wobei die
Bilderfassungseinheit eine Rundumoptik aufweist, die Licht vom gesamten Umfang der zylindn- schen Oberfläche erfasst und auf einen optischen Sensor projiziert, wobei Rundumoptik und zylind- rische Oberfläche relativ zueinander bewegt werden und nach Abschluss eines vorgebbaren Bewe- gungsweges das gerade vom Sensor erfasste Teilabbild der Oberfläche von der Bildauswerteinheit abgespeichert und sämtliche Teilabbilder zu einem Gesamtabbild der Oberfläche zusammengefügt werden und Rundumoptik und zylindrische Oberfläche ununterbrochen relativ zueinander bewegt werden.
Der Begriff "Bildverarbeitung" bezeichnet die Interpretation eines Bildes, Objektes oder einer Szene durch den Einsatz berührungsloser Sensoren, mit dem Ziel, Informationen zu erhalten, Ma- schinen bzw. Prozesse zu überwachen oder Werkstücke zu überprüfen. Ein Bildverarbeitungssys- tem besteht üblicherweise aus den Komponenten: Beleuchtung, Sensorik mit Optik, Bilddigitalisie- rung/Bildaufbereitung und Bildauswertung/Generierung von Kenn- und Steuerdaten.
Heute werden bei den meisten Bildverarbeitungssystemen Weisslicht- Infrarot- und/oder UV- Lampen als Beleuchtung eingesetzt und als bildgebende Sensoren sind CCD-Kameras am weites- ten verbreitet. Die Halbleiter-CCD-Kameras sind inzwischen sehr billig, klein und leicht geworden.
Es gibt sie als Matrixsensor (2D-Anordnung, üblicherweise 780x580 Pixel) und auch als Zeilensen- sor (1D-Anordnung, von 256 bis 8000 Pixel). Die Bildaufbereitung dient dazu, das aufgenommene Bild so zu verarbeiten, dass in den nachfolgenden Stufen eine Auswertung mit relativ geringem Aufwand erfolgen kann. Hier wird das Bild entzerrt, das Rauschen und überflüssige Redundanzen durch Datenkompression eliminiert. Im nächsten Schritt wird das vorverarbeitete Bild ausgewertet, Fehler klassifiziert oder Objekte identifiziert, was mittels entsprechend programmierten Computern erfolgt. Hier werden oft intelligente Auswertealgorithmen, wie neuronale Netze oder Fuzzy Logic verwendet. Am Ende der Kette stehen Ausgangsgrössen, die als Kenn- oder Steuerdaten weiter verwendet werden.
Die wichtigsten Leistungsmerkmale eines Bildverarbeitungssystems sind : Es arbeitet berührungslos und zerstörungsfrei, die mit ihm erzielen Ergebnisse sind reproduzierbar und objektiv, d.h. hangen nicht von der augenblicklichen Verfassung eines menschlichen Prüfers ab. Weiters sind die Prüfergebnisse - weil mittels EDV erzielt - besonders einfach und übersichtlich dokumentierbar.
Die gegenständliche Erfindung bezieht sich auf die Anwendung eines Bildverarbeitungssys- tems auf dem Gebiet der Oberflächeninspektion von - vorzugsweise fertigen - Werkstücken und betrifft konkret nur den Bilderfassungsteil eines solchen Bildverarbeitungssystems.
In vielen Produktionsprozessen ist eine visuelle Endkontrolle des Produktes für die Qualitäts- kontrolle unbedingt erforderlich. Meist wird diese Aufgabe von speziell geschultem Personal manu- ell durchgeführt. Die Bedeutung der Oberflächenqualität für das Endprodukt kann in folgenden Bereichen liegen:
Betriebssicherheit-Gewährleistung der Funktion des Produktes
Marketing - Optische Güte und optischer Eindruck des Produktes
Prozessoptimierung - Rückkopplung zum Prozess
Ein Bildverarbeitungssystem bietet gerade auf dem Gebiet der Oberflächenprüfung entschei- dende Vorteile: Sie prüft objektiv, reproduzierbar, ermüdungsfrei und unabhängig von der Verfas- sung des Personals.
Ein gattungsgemässes Verfahren zur Erfassung eines Abbildes einer im wesentlichen zylindri- schen Oberfläche wurde durch die DE-A1-198 06 279 bekannt. Diese Dokument bezieht sich auf die visuelle Inspektion von Hohlräumen, wie z. B. Bohrungen. Als vorteilhafte Neuerung stellt die DE-A1-198 06 279 die Verwendung von Rundumblick-Endoskopen dar, wodurch das Drehen der Kamera bzw. des Werkstückes um die Hohlraum-Längsachse entfallen kann. Die in Fig. 1 der DE-A1-198 06 279 dargestellte Vorrichtung zur visuellen Hohlraum-Inspektion umfasst eine Rund- umoptik, an die ein Bildwandler in Gestalt eines CCD-Matrix-Sensors angeschlossen ist. Der elekt- rische Signalausgang dieses Bildwandlers ist mit einer Signalverarbeitungseinheit verbunden.
Die Rundumoptik und das den Hohlraum beinhaltende Prüfobjekt sind so relativ zueinander bewegbar gehalten, dass die Rundumoptik in den Hohlraum eingeführt werden kann. Diese Einführbewegung wird von einer Handhabungseinheit kontrolliert, die mit der Signalverarbeitungseinheit verbunden
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ist.
Der Sensor wird durch eine lineare Bewegung in den Hohlraum eingeführt, wobei der Bild- wandler eine kontinuierliche Folge von Bildern der abgebildeten Hohlraumoberfläche an die Sig- nalverarbeitungseinheit liefert. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, ist auf diesen einzelnen Bildern jeweils ein kreisringförmiger Abschnitt der Hohlraum-Oberfläche abgebildet. Die einzelnen Bilder werden von der Signalverarbeitungseinheit zu einem Gesamtbild zusammengefügt. Der zeitlichen Verlauf der Relativbewegung zwischen abzubildendem Hohlraum und Sensor wird nicht näher definiert, die
DE-A1-198 06 279 spricht in diesem Zusammenhang lediglich von einer kontinuierlichen Bildfolge.
Es ist Aufgabe der gegenständlichen Erfindung, ein Verfahren der eingangs angeführten Art anzugeben, welches besonders schnell abläuft, bei welchem aber trotz dieses schnellen Ablaufes sicher gestellt ist, dass jedes Teilabbild der Oberfläche vollständig und rechtzeitig vor der Projektion des nachfolgenden Teilabbildes abgespeichert werden kann.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Rundumoptik und der Oberfläche für die Dauer des Abspeicherns eines Teilabbildes verringert wird.
Der geforderte möglichst schnelle Verfahrensablauf wird vorrangig durch die ununterbrochene
Relativbewegung der Oberfläche gegenüber der Rundumoptik erreicht. Zeiten, in welchen die
Rundumoptik völlig stillsteht und welche zu einer Verlangsamung des Gesamtverfahresablaufes führen würden, werden damit völlig vermieden. Die mit der Verringerung der Bewegungsgeschwin- digkeit für die Dauer des Abspeicherns eines Teilabbildes verbundene Verlangsamung des Erfas- sungs-Verfahrens wirkt sich nur unwesentlich aus, gibt aber trotzdem ausreichend Zeit zur recht- zeitigen und vollständigen Abspeicherung jedes Teilabbildes.
Gemäss einer ersten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Oberfläche unbewegt gehalten und die Rundumoptik relativ zur Oberfläche weiterbewegt wird. Diese Variante eignet sich insbesondere für Werkstücke, die gross und/oder schwer im Vergleich zur Rundumoptik sind und deshalb nur mit grösserem Aufwand als diese weiterzubewegen sind.
In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass der optische Sensor stillstehend ge- genüber der Rundumoptik gehalten wird und das von der Rundumoptik erfasste Licht, vorzugsweise unter Verwendung von Lichtleitern oder Spiegelsystemen, auf den optischen Sensor projiziert wird.
Durch die damit bewirkte räumliche Trennung von Rundumoptik und Sensor wird erreicht, dass der weiterzubewegende Teil der Bilderfassungseinheit mit sehr geringen geometrischen Abmessungen gefertigt werden kann. Im Zusammenhang mit der Erfassung von Hohlraum-Oberflächen führt dies dazu, dass das erfindungsgemässe Verfahren auch bei Hohlräumen mit sehr geringen Durchmes- sern eingesetzt werden kann.
Im Gegensatz zur eben angeführten Ausführungsform kann aber auch vorgesehen sein, dass der optische Sensor starr mit der Rundumoptik verbunden wird und gemeinsam mit dieser relativ zur Oberfläche weiterbewegt wird. Damit können unter Umständen kompliziert aufgebaute Syste- me zur Licht-Weiterleitung und die mit ihrer Herstellung verbundenen Kosten vermieden werden.
Gemäss einer zweiten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Rundum- optik unbewegbar gehalten wird und die Oberfläche relativ zur Rundumoptik weiterbewegt wird.
Diese Ausgestaltungsvariante ist insbesondere dann zu wählen, wenn die Oberfläche, deren Ab- bild erfasst werden soll, jene eines endlosen Werkstückstranges, wie z.B. eines extrudierten Kunst- stoffstranges, eines Glasstranges od. dgl. ist.
Weiters kann vorgesehen sein, dass von der Bildauswerteinheit durch Vergleich des Obertlä- chen-Gesamtabbildes mit einem Referenzbild Fehlerstellen in der Oberfläche erkannt werden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine Vorrichtung zur Durchführung des eben erörterten Verfahrens anzugeben, welche Vorrichtung eine Bilderfassungseinheit und eine Bild- auswerteinheit umfasst, wobei die Bilderfassungseinheit eine Rundumoptik aufweist, die Licht vom gesamten Umfang der zylindrischen Oberfläche erfasst und auf einen optischen Sensor projiziert, wobei Rundumoptik und zylindrische Oberfläche relativ zueinander bewegbar gehalten sind. Der optische Sensor der anzugebenden Vorrichtung soll einen besonders hohen Aussteuerbereich aufweisen, sodass mit ihm besonders detailreiche Aufnahmen gemacht werden können.
Gemäss einer ersten erfindungsgemässen Variante wird dies dadurch erreicht, dass der optische Sensor ein in CMOS-Technologie ausgeführter Ringsensor ist.
Gemäss einer zweiten erfindungsgemässen Variante wird dies dadurch erreicht, dass der opti-
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sche Sensor ein in CMOS-Technologie ausgeführter Matrix-Sensor ist.
CMOS-Sensoren bieten gegenüber herkömmlich verwendeten CCD-Sensoren viele Vorteile.
Insbesondere weisen sie einen höheren Aussteuerbereich auf: Während CMOS-Sensoren etwa
120 dB aufweisen, was auch in kontrastreichen Umgebungen detailreiche Aufnahmen erlaubt, haben CCD-Sensoren hingegen nur 70 bis maximal 80 dB. Dieser deutlich höhere Aussteuerbe- reich erleichtert die Erkennung von Fehlern auf spiegelnden Oberflächen, wie sie bei der
Bohrungsinspektion in Druckgussteilen vorkommen können.
CMOS-Sensoren zeigen keinen Blooming-Effekt, der bei CCD-Sensoren auftritt, wenn ein sehr heller Lichtstrahl zu lange an derselben Stelle bleibt. Durch die intensive Beleuchtung gesättigte
Pixel können ihre Ladung nicht mehr halten, sodass diese auf Nachbarpixel abfliesst und auch diese sättigen. Die Bildinformation der betroffenen Pixel ist dadurch verloren.
Zudem können beide Typen von Sensoren können besonders schnell ausgelesen werden, so- dass ein reibungsloser Ablauf des erfindungsgemässen Verfahrens sichergestellt ist.
Weiters kann vorgesehen sein, dass die Rundumoptik und gegebenenfalls der optische Sensor auf einem ununterbrochen weiterbewegbaren Linearantrieb festgelegt sind. Damit ist die Weiter- bewegung der Rundumoptik entlang einer völlig geraden Linie und damit eine konstante Beab- standung der Rundumoptik zur Oberfläche sichergestellt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Linearantrieb durch einen elektrischen Spindelantrieb gebildet ist, da solche Antriebe relativ einfach mit der im gegen- ständlichen Zusammenhang notwendigen Verfahr-Genauigkeit herstellbar ist.
In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass die Gewindespindel des Spindelantrie- bes durch einen elektrischen Schritt- oder Servomotor gebildet ist, weil derartige Antriebe beson- ders einfach ansteuerbar sind.
Gemäss einer anderen Ausführungsmöglichkeit kann vorgesehen sein, dass der Linearantrieb durch einen pneumatischen Leichtlauf-Zylinder gebildet ist. Auch ein solcher Antrieb weist die not- wendige Verfahrgenauigkeit auf.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen, in welchen be- sonders bevorzugte Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher beschrieben. Dabei zeigt:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemässen Vorrichtung;
Fig. 2 und 3 Schrägrisse von Rundumoptiken 6 mit Ringsensoren 8 in prinzipieller Darstellung;
Fig. 4a, b einen Flächen- bzw Matrixsensor und einen Ringsensor jeweils im Grundriss;
Fig.5 die Oberfläche 13 einer zu inspizierenden Bohrung im Schrägriss;
Fig.6 das Gesamtbild der Bohrung gemäss Fig.5;
Fig.7 das Schaltbild eines in CMOS-Technologie gehaltenen Bilderfassungs-Bauelementes 9 ;
Fig.8a,b zwei mögliche Verläufe der Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Rundum- optik und zu erfassender Oberfläche Diagrammform ;
Fig. 9 einen Schnitt durch eine erfindungsgemässe Vorrichtung zur Erfassung einer Aussenman- telfläche;
Fig. 9a,b einen in der Vorrichtung gemäss Fig. 9 verwendbaren Ringsensor bzw. einen Flächen- sensor jeweils im Grundriss.
In Fig. 1 ist ein Blockschaltbild einer erfindungsgemässen Vorrichtung zur Inspektion der Ober- fläche eines Hohlraumes dargestellt. Mit Hilfe dieser Vorrichtung können insbesondere die Ober- flächen von Bohrungen sowie die Innenflächen von Bechern und Trinkgläsern inspiziert werden.
Das Prinzip der Erfindung ist aber nicht auf die Anwendung bei diesen Beispielen eingeschränkt, sondern kann vielmehr bei jedweder Art von Hohlraum eingesetzt werden.
Darüberhinaus können auch die Abbilder anderer zylindrischer Oberflächen, namlich die Aussenmantelflächen von zylindrischen Werkstücken, nach dem erfindungsgemässen Prinzip erfasst werden. Der prinzipielle Aufbau der jeweils notwendigen Vorrichtungen ist aber gleich. Im folgen- den wird daher vornehmlich eine zur Inspektion von Hohlraumoberflächen geeignete Vorrichtung beschrieben.
Eine solche Vorrichtung umfasst gemäss Fig. 1 im wesentlichen zwei Hauptbestandteile, nämlich einerseits die Bilderfassungseinheit 1 und andererseits die Bildauswerteinheit 2.
Die Bilderfassungseinheit 1 weist eine Rundumoptik 6 auf, die Licht vom gesamten Umfang der zylindrischen Oberfläche 13 erfasst und auf einen optischen Sensor 8,8' (vgl. Fig. 2,3) projiziert. Der elektrische Ausgang dieses Sensors 8,8' ist mit der Bildauswerteinheit 2 verbunden.
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Besagter Sensor 8,8' ist nicht so gross, dass die gesamte Oberfläche des zu inspizierenden
Hohlraumes auf ihn projiziert werden könnte, vielmehr kann lediglich ein Abschnitt - der wie unten noch näher erläutert ein ringscheibenförmiger, den gesamten Umfang umfassender Abschnitt der
Oberfläche ist - auf ihn projiziert werden.
Das Abbild des gesamten Hohlraumes muss daher schrittweise erfasst werden, wozu Rundum- optik 6 und zylindrische Oberfläche 13 relativ zueinander bewegt werden und nach Abschluss eines vorgebbaren Bewegungsweges das gerade vom Sensor 8,8' erfasste Teilabbild der Oberfläche von der Bildauswerteinheit 2 abgespeichert wird.
Die während der Weiterbewegung der Oberfläche relativ zur Rundumoptik 6 erhaltenen Teil- abbilder werden - in ebenfalls unten näher beschriebener Weise - zu einem Gesamtabbild der
Oberfläche zusammengefügt.
Die Bilderfassungseinheit 1 umfasst gemäss Fig. 1 ein Endoskop 3, welches auf dem translato- risch verschiebbar gelagerten Schlitten 5 eines Linearantriebes 4 festgelegt ist. Dieser Linearan- trieb 4 kann konstruktiv beliebig ausgebildet sein, als Beispiele können ein Spindelantrieb (Gewin- despindel ist um ihre Längsachse drehbar angetrieben, Schlitten 5 weist Innengewinde auf, wel- ches von der Gewindespindel durchsetzt ist) oder ein pneumatischer Linearantrieb (Leichtlauf-
Pneumatikzylinder, dessen freies Kolbenstangenende den Schlitten 5 bildet) angegeben werden.
Der Antrieb der Gewindespindel erfolgt dabei bevorzugterweise durch einen elektrischen Schritt- oder Servomotor, welche die Gewindespindel aber - wie unten noch näher erörtert wird - ununter- brochen antreiben.
An der Spitze des Endoskops 3 ist die schon erwähnte Rundumoptik 6 festgelegt. Mit dem Be- griff "Rundumoptik" wird im Zusammenhang mit Fig 1 ein Objektiv verstanden, welches aufgrund seiner Ausbildung durchlässig für jedes Licht ist, das in einer etwa normal zu seiner geometrischen Symmetrieachse 7 verlaufenden Ebene auf sie einfällt (vgl. Fig. 2). Von der Symmetrieachse 7 der Rundumoptik 6 aus gesehen ist also ein .Rundumblick" um 360 möglich.
Die Relativbewegung zwischen Oberfläche 13 und Rundumoptik 6 wird hier also dadurch erreicht, dass die Oberfläche 13 bzw. das Werkstück, auf welchem sich diese Oberfläche 13 befin- det, unbewegt gehalten und die Rundumoptik 6 relativ zur Oberfläche 13 bewegt wird.
Weiterer Bestandteil der Bilderfassungseinheit 1 ist der optische Sensor 8,8', auf welchen das die Rundumoptik 6 durchsetzende Licht projiziert wird. Solche Bildsensoren sind an sich bekannt und beispielsweise als Ringsensoren 8 oder als Flächen- bzw. Matrixsensoren 8' ausgebildet.
Besonders bevorzugt wird dieser Sensor als Ringsensor 8 ausgebildet, was bedeutet, dass sei- ne einzelnen Bilderfassungs-Bauelemente 9 ringförmig angeordnet sind. Im einfachsten Fall sind dabei diese Bilderfassungs-Bauelemente 9 an der Mantelfläche eines zylindrischen Trägers 10 festgelegt, wie in Fig.2 dargestellt. Das durch die Rundumoptik 6 einfallende Licht braucht bei die- ser Bauform nicht umgelenkt werden sondern kann direkt auf den Sensor 8 auffallen gelassen werden.
Eine weitere, gängigere Bauform eines Ringsensors 6 liegt wie in Fig.3 dargestellt darin, die einzelnen Bilderfassungs-Bauelemente 9 auf einer ebenen Trägeroberfläche 11anzubringen, sie dort aber ringförmig anzuordnen. Das durch die Rundumoptik 6 einfallende Licht muss auf diesen ringförmigen Sensor 8 umgeleitet werden, was beispielsweise durch einen Umlenkspiegel erfolgen kann, der als Pultspiegel 12 ausgebildet ist. Ein solcher Pultspiegel 12 hat wie aus Fig. 3 hervor- geht, die Form eines auf der Spitze stehenden Kegelstumpfes, dessen Mantelfläche verspiegelt ist.
Auch die Weiterleitung des einfallenden Lichtes mittels Lichtleiter ist möglich.
Beide Arten von Ringsensoren 8 sind nur eine einzige Bildzeile umfassend aufgebaut, sodass sie im Gegensatz zu Flächensensoren 8' (vgl. Fig. 4a) kein grösserflächiges Bild, sondern lediglich eine Bildzeile erfassen können.
Bei einem Flächen- oder Matrixsensor 8', so wie er ein Fig.4a im Detail dargestellt ist, sind die Bilderfassungs-Bauelemente 9 in Form einer rechteckigen Matrix angeordnet, sodass auf diese Sensor-Bauform ein grosserflächiges Bild projiziert werden kann. Beide Sensorbauformen können erfindungsgemäss eingesetzt werden, was weiter untenstehend noch erläutert wird.
Weiters können sowohl Ringsensoren 8 als auch Flächensensoren in verschiedenen Technolo- gien aufgebaut sein, als gängigste Beispiele seien die CMOS-Technologie und die CCD-Techno- logie erwähnt. Auch die Technologie des Sensors 8,8' ist nicht erfindungswesentlich und damit frei wählbar.
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Darüberhinaus ist die Position des Sensors 8,8' wählbar, wobei grundsätzlich zwei Möglich- keiten hierfür bestehen Einerseits - insbesondere, wenn der Sensor 8,8' gemäss Fig. 2 ausgebildet ist - könnte der Sensor 8,8' ebenfalls an der Spitze des Endoskops 3, nämlich innerhalb der Rund- umoptik 6, liegen. Die von ihm erzeugten, dem gerade auf den Sensor 8,8' einfallenden Licht ent- sprechenden elektrischen Signale müssen dann mittels entsprechender elektrischer Leitungen 24 zur Bildverarbeitungseinheit 2 weitergeleitet werden.
Andererseits könnte der Sensor 8,8' ausserhalb der Rundumoptik 6, beispielsweise am anderen
Ende des Endoskops 3 oder sonst am Schlitten 5 des Linearantriebes 4 festgelegt sein. Das durch die Rundumoptik 3 einfallende Licht müsste dabei dem Sensor 8,8' zugeführt werden, was bei- spielsweise mittels Lichtleiter oder Spiegelsystemen erfolgen kann.
Unter Verwendung der zuletzt beschriebenen Ausführungsform kann das Endoskop 3 mit klei- nerem Durchmesser ausgebildet werden, sodass es auch zur Inspektion engerer Hohlräume ver- wendet werden kann.
Beiden Anordnungsmöglichkeiten ist gemeinsam, dass der Sensor 8,8' starr mit der Rundumop- tik 6 verbunden ist und gemeinsam mit dieser relativ zur Oberfläche weiterbewegt wird.
Daneben ist es aber - wie in Fig. 1 mit strichlierten Linien dargestellt - auch möglich, den Sensor 8,8' ausserhalb des Linearantriebes 4, d.h. stillstehend gegenüber der Rundumoptik 6 anzuordnen und das von der Rundumoptik 6 erfasste Licht an den Sensor 8,8' weiterzuleiten, was vorzugsweise unter Verwendung von Lichtleitern 23 oder von Spiegelsystemen erfolgen kann. Auch diese Aus- führungsform eignet sich insbesonders zur Inspektion von Hohlräumen mit kleinen Durchmessern.
Weiters ist eine Beleuchtung des Hohlraumes vorgesehen, welche vorzugsweise ebenfalls am Endoskop 3 festgelegt ist.
Die Aufnahme eines Abbildes der Oberfläche einer Bohrung erfolgt mittels einer derart aufge- bauten Anlage wie nachstehend an Hand der Fig.5 beschrieben. In dieser Fig.5 wurde der Über- sicht halber nur die Oberfläche 13 einer Bohrung, nicht jedoch das Werkstück, innerhalb welchem diese Bohrung realiter eingebracht ist, dargestellt. Ausgegangen wird weiters von der besonders bevorzugten Ausbildung des Sensors 8 als CMOS-Ringsensor :
Das Endoskop 3 umfassend zumindest die Rundumoptik 6, gegebenenfalls auch den CMOS- Ringsensor 8 wird in die zu inspizierende Bohrung entlang deren Symmetrieachse 14 hineinver- schoben.
Ist das Endoskop 3 soweit in die Bohrung hineinverschoben, dass das Abbild eines ersten ringscheibenförmigen Abschnittes 15, dessen Höhe h der Bauelementhöhe p des Ringsensors 8 entspricht, auf den Ringsensor 8 auftrifft, wird dieser Ringsensor 8 von der Bildverarbeitungseinheit 2 ausgelesen. Der vorgebbare Bewegungsweg, nach dessen Abschluss das gerade vom Sensor 8,8' erfasste Teilabbild der Oberfläche 13 von der Bildauswerteinheit 2 abgespeichert wird, ent- spricht bei einem einzeiligen Ringsensor 8 also einer Pixelhöhe p.
Um dieses Auslesen durchführen zu können, hat die Bildverarbeitungseinheit 2 die in Fig.1 dargestellten Komponenten getaktete Schalter 16, Zwischenspeicher 17 und Gesamtbildspeicher 18. Jedes Bilderfassungs-Bauelement 9 des Sensors 8 liefert einen Wert, dessen Grösse der Inten- sität des auf das betreffende Bilderfassungs-Bauelement 9 fallenden Lichtes entspricht. Vorzugs- weises wird ein CMOS-Ringsensor 8 umfassend 2048 Bilderfassungs-Bauelemente 9 (=Pixel) eingesetzt, sodass der Ausgang des CMOS-Ringsensors 8 2048 elektrische Signale umfasst. Diese Signale werden an den Schalter 16 geführt, welcher mit einem Zwischenspeicher 17 verbunden ist, der eine der Anzahl der Bilderfassungs-Bauelemente 9 entsprechende Anzahl an Speicherplätzen aufweist.
Ist wie beschrieben das Endoskop 3 soweit in die Bohrung verschoben, dass das Licht des ersten ringscheibenförmigen Abschnittes 15 auf den Ringsensor 8 auftrifft, wird der Schalter 16 von einem Weggeber 19 angesteuert, d. h. zum Durchschalten veranlasst, wodurch die aktuellen Sensor-Werte am Zwischenspeicher 17 anstehen und dort abgespeichert werden. Im diesem Zwi- schenspeicher 17 nachgeschalteten Gesamtbildspeicher 18 werden die im Zwischenspeicher 17 stehenden Werte schliesslich zu einem Gesamtabbild 21 der Oberfläche zusammengesetzt, was einfach durch Abspeicherung der Werte jedes Oberflächenabschnittes 15,20, 22 in der betreffen- den Zeile einer Bilddatei erfolgt (vgl. Fig. 6).
Nach Aufnahme einer Bildzeile wird das Endoskop 3 weiter in die Bohrung hineinverfahren, bis der Ringsensor 8 auf Höhe eines zweiten Abschnittes 20 liegt und der Ringsensor 8 erneut ausge- lesen. Danach wird das Endoskop 3 wieder weiter verfahren und der Ringsensor 8 ausgelesen.
Diese Schritte werden solange wiederholt, bis das Endoskop 3 durch die gesamte Bohrung
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hindurchgeführt wurde.
Es werden dabei ringscheibenförmige Abschnitte 15, 20,22 der Bohrungsoberfläche vom Ring- sensor 8 erfasst, die von der nachgeschalteten Bildverarbeitungseinheit 2 zu einem gesamten, ver- ebneten Abbild der Oberfläche zusammengefügt wird (vgl. Fig. 6). Die Höhe h jedes erfassten strei- fenförmigen Abschnittes 15,20, 22 der Oberfläche 13 ist so hoch wie ein Bildaufnahme-Element 9 (=Pixel) des Ringsensors 8.
Die bevorzugt eingesetzten CMOS-Ringsensoren 8 arbeiteten sehr schnell, sie weisen Auf- nahmeraten im Bereich von 25 kHz auf, was bedeutet, dass sie 25.000 mal pro Sekunde ausgele- sen werden können. Gerade die Verwendung solcher CMOS-Ringsensoren erlaubt es daher, das Endoskop 3 - nicht so wie obige genaue Funktionserläuterung eventuell vermuten lässt - getaktet, sondern in erfindungsgemässer Weise ununterbrochen durch die Bohrung hindurchzuführen und besagte streifenförmige Oberflächenabschnitte 15,20, 22 während dieser ununterbrochenen Be- wegung aufzunehmen und in die Gesamtbild-Datei abzuspeichern.
Mit der Formulierung #ununterbrochen" wird im Rahmen dieser Beschreibung und den An- sprüchen eine Bewegung verstanden, deren Geschwindigkeit zu keinem Zeitpunkt auf Null absinkt.
Bevorzugterweise wird die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Rundumoptik 6 und Oberfläche 13 durchgehend gleich hoch gewählt, sodass eine kontinuierliche Bewegung vorliegt (vgl. Fig.8a).
Es liegt aber auch im Rahmen der Erfindung, dass die Geschwindigkeit der besagten Relativ- bewegung für die Dauer des Abspeicherns eines Teilabbildes verringert wird (vgl. Fig.8b).
Der CMOS-Ringsensor 8 wird daher jeweils nach Zurücklegen eines der Pixelhöhe h entspre- chenden Weges ausgelesen, ohne dazu aber das Endoskop 3 anzuhalten.
Der prinzipielle Aufbau eines in CMOS-Technologie gehaltenen Bilderfassungs-Bauelementes, also eines Pixels des CMOS-Ringsensors 8, ist in Fig. 7 dargestellt. Derartige Sensoren bieten gegenüber herkömmlichen CCD-Sensoren viele Vorteile. Insbesondere weisen sie einen höheren Aussteuerbereich auf : Während CMOS-Sensoren etwa 120 dB aufweisen, was auch in kontrastrei- chen Umgebungen detailreiche Aufnahmen erlaubt, haben CCD-Sensoren hingegen nur 70 bis maximal 80 dB. Dieser deutlich höhere Aussteuerbereich erleichtert die Erkennung von Fehlern auf spiegelnden Oberflächen, wie sie bei der Bohrungsinspektion in Druckgussteilen vorkommen können
CMOS-Sensoren zeigen keinen Blooming-Effekt, der bei CCD-Sensoren auftritt, wenn ein sehr heller Lichtstrahl zu lange an derselben Stelle bleibt.
Durch die intensive Beleuchtung gesättigte Pixel können ihre Ladung nicht mehr halten, sodass diese auf Nachbarpixel abfliesst und auch diese sättigen. Die Bildinformation der betroffenen Pixel ist dadurch verloren
Wie aus den vorstehenden Erläuterungen hervorgeht, muss die Abtastfrequenz, d. h. die Fre- quenz, mit welcher der Ringsensor 8 auslesen wird, direkt proportional zur Verfahrgeschwindigkeit des Endoskops 3 sein. Um diese Verkopplung von Abtastfrequenz und Verfahrgeschwindigkeit zu erreichen, ist der Weggeber 19 mit dem Linearantrieb 4 verbunden. Dieser Weggeber 19 triggert jeweils nach Verfahren des Endoskops 3 um eine Pixelhöhe den Schalter 16, sodass die Bildaus- werteinrichtung 2 zum Auslesen des Ringsensors 8 veranlasst wird.
Ein Vorteil dieser getriggerten Abtastung ist, dass die Verfahrgeschwindigkeit des Endoskops 3 in weiten Grenzen frei gewählt werden kann. Es kann somit z. B. bei Sacklochbohrungen sanft abgebremst werden, ohne dass sich dabei die Auflösung im aufgenommenen Bild ändert. Wenn die Verkoppelung von zurückgelegtem Endoskopweg und Abtastung veränderbar gestaltet wird, d. h. die Länge des Weges, nach dessen Zurücklegung eine erneute Abtastung zu erfolgen hat, veränderbar gehalten wird, kann dem auf- genommen Abbild eine veränderbare Auflösung gegeben werden : der Endoskop-Weg zwi- schen zwei Abtastungen vergrössert, verringert sich die Auflösung des Abbildes in diesem Bereich, wird umgekehrt der Endoskop-Weg zwischen zwei Abtastungen verringert, erhöht sich die Auflö- sung des Abbildes.
Damit können Bereiche der Bohrung, welchen uninteressant sind (z.B. weil dort Oberflächenfehler erfahrungsgemäss nicht auftreten bzw. weil in solchen Bereichen liegende Fehler für die Beurteilung der Qualität der Bohrung weniger interessant sind), mit verringerter Auflösung und mit grösserer Geschwindigkeit abgetastet werden.
Die Verarbeitung des Gesamtabbildes 21 der Oberfläche, d. h. seine Untersuchung auf eventu- ell vorhandene Fehler in der Bohrungsoberfläche 13 erfolgt durch die Bildauswerteinheit 2, welche neben dem Gesamtspeicher 18 einen Computer umfasst, auf welchem eine entsprechende Bildver-
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arbeitungssoftware abläuft, die durch Vergleich des Oberflächen-Gesamtabbildes mit einem Refe- renzbild Fehlerstellen in der Oberfläche erkennt.
Es ist in Abweichung der bisherigen Erörterung möglich, das die Rundumoptik 6 durchsetzende Licht auf einen in Fig.3 dargestellten Matrix-Sensor 8' zu projizieren, wo es ebenfalls ringförmig auftrifft. Der wichtigste funktionelle Unterschied zum Ringsensor 8 liegt darin, dass nicht nur eine Zeile, deren Höhe h der Pixelhöhe p entspricht, auf diesen Sensor 8' projiziert wird, sondern dass der auf den Sensor 8' projizierte Abschnitt ein breiterer, aber ebenso noch ein ringscheibenförmiger Abschnitt der Oberfläche 13 ist. Zur Erfassung des Gesamtabbildes der Oberfläche 13 ist dadurch die Aufnahme einer geringeren Anzahl von Teilabbildem notwendig.
Der vorgebbare Bewegungsweg, nach dessen Abschluss das gerade vom Sensor 8,8' erfasste Teilabbild der Oberfläche 13 von der Bildauswerteinheit 2 abgespeichert wird, entspricht bei einem Flächensensor 8' also der Breite des auf den Sensor 8' projizierbaren Oberflächenabschnittes.
Auch bei Verwendung eines Matrix-Sensors 8' erfolgt eine ununterbrochene Verschiebung des Endoskops 3, welche ununterbrochene Bewegung gemäss Fig.8a kontinuierlich sein kann oder während der Abspeicherung der Teilabbilder mit verminderter Geschwindigkeit erfolgen kann (vgl.
Fig.8b).
Wie eingangs erwähnt, ist es zum Erhalt eines Gesamtabbildes nur wichtig, Rundumoptik 6 und Oberfläche 13 relativ zueinander zu bewegen. Diese Relativbewegung kann auch dadurch erreicht werden, dass die Rundumoptik 6 unbewegbar gehalten wird und die Oberfläche relativ zur Rundumoptik 6 weiterbewegt wird. Dazu wird einfach das die Oberfläche 13 aufweisende Werk- stück auf dem Schlitten 5 des Linearantriebes 6 festgelegt. Auch hier kann der optische Sensor 8,8' in unmittelbarer Nähe zur Rundumoptik 6 angeordnet sein und seine Ausgänge mit elektrischen Leitungen 24 mit der Bildauswerteinrichtung 2 verbunden sein oder aber eine beabstandete An- ordnung von Rundumoptik 6 und Sensor 8,8' vorgesehen sein, wobei das die Rundumoptik 6 durchsetzende Licht mittels Lichtleiter und/oder Spiegelsystemen dem Sensor 8,8' zugeleitet wird.
Das erfindungsgemässe Prinzip kann wie bereits erwähnt auch zur Erfassung des Abbildes der Aussenmantelfläche eines zylindrischen Körpers eingesetzt werden. Eine hierfür geeignete Bilder- fassungseinheit 1 ist in Fig 9 dargestellt. Wesentlichster Unterschied zur bisher behandelten Vorrichtung zur Erfassung des Abbildes einer Hohlraum-Oberfläche liegt in der anderen Bauform der Rundumoptik 6
Mit dem Begriff "Rundumoptik" wird im Zusammenhang mit der Erfassung eines im wesentli- chen zylindrischen Aussenmantels ein Objektiv verstanden, welches so ausgebildet ist, dass es Licht vom gesamten Umfang der Aussenmantelfläche erfassen kann. Von der Symmetrieachse 7 einer solchen Rundumoptik 6 aus gesehen ist also ein "Rundumblick" um den gesamten Umfang des Aussenmantels möglich.
In Fig.9 ist eine mögliche Ausführungsform einer solchen Rundumoptik 6 dargestellt: Sie be- steht aus einem prismatischen Spiegelkörper, der als Pultspiegel 25 ausgebildet ist, dessen Spie- gelfläche 26 vorzugsweise innenliegend kegelstumpfförmig und halbdurchlässig ist. Dieser Pult- spiegel 25 weist eine Durchgangsbohrung 29 auf, deren Symmetrieachse 27 mit der optischen Achse 7 des Pultspiegels 25 übereinstimmt.
Durch besagte Durchgangsbohrung 29 wird das Werkstück 28, dessen Oberfläche 13 abgebil- det werden soll, hindurchgeführt, was wieder mittels eines nicht näher dargestellten Linearantrie- bes 4 erfolgen kann.
Oberhalb des Pultspiegels 25 ist ein Planspiegel 30 angeordnet, der geneigt zur optischen Achse des Pultspiegels 25 angeordnet ist und zur Umlenkung des vom Pultspiegel 25 kommenden Lichtes auf den Sensor 8,8' dient. Seitlich dieses Planspiegels 30 befindet sich ein Objektiv 31 zur optischen Abbildung; hinter dem Objektiv 31 ist der optische Sensor 8,8' angeordnet.
Das Werkstück 28 wird beleuchtet von einer Mehrzahl von das Werkstück 28 ringförmig um- gebenden Lichtstrahlen 32,32', wobei der Auftreffwinkel der Lichtstrahlen 32,32' auf die Oberfläche 13 des Werkstückes 28, bezogen auf die optische Achse 7 ungleich 90 sein kann, sodass die Lichtstrahlen 32,32' und die optische Achse 7 nicht senkrecht aufeinanderstellen, aber die Licht- strahlen schräg die optische Achse durchsetzen.
Der Pultspiegel 25 kann in geeigneter Weise im Auftreffbereich der Lichtstrahlen 32,32' lichtdurchlassig sein, so dass die das Werkstück 28 ringfor- mig umgebenden Lichtstrahlen 32,32' den Pultspiegel 25 und die halbdurchlässige Spiegelfläche 26 durchsetzen und innerhalb einer bestimmten Breite auf die gesamte, umlaufende Oberfläche
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des Werkstückes 28 fallen und dort einen mehr oder weniger schmalen Oberflächenring abtasten.
Oder die Beleuchtung des Werkstückes 28 erfolgt ringförmig seitlich oberhalb des Pultspiegels 25.
Von dort wird das Licht auf die Spiegelfläche 26 reflektiert oder auch Streulicht gelangt dorthin, von wo das reflektierte Licht 33,33' nach oben auf den Planspiegel 30 fällt, der das Licht auf das Objek- tiv 31 wirft, das das Licht bündelt und entsprechend des Abbildungsmassstabes auf dem Sensor 8,8' abbildet.
Analog zur eingangs beschriebenen Erfassung einer Hohlraum-Oberfläche wird ein ringschei- benförmiger Abschnitt der Oberfläche 13 auf diesen Sensor 8,8' projiziert. Nach Auslesen des Sensors 8,8' und Abspeicherung der vom Sensor 8,8' gelieferten Bilddaten wird das Werkstück 28 um die Breite eines vom Sensor 8,8' erfassbaren Oberflächenabschnittes weiter verfahren, welches Weiterverfahren ununterbrochen erfolgt. Dabei kann eine durchgehend kontinuierliche Bewegung gemäss Fig.8a vorgesehen sein oder zur Abspeicherung einer jeden Teilabbildung die Bewegungs- geschwindigkeit gemäss Fig.8b verringert werden.
Weiters kann dieser Sensor 8,8' entweder als einzeiliger Ringsensor 8 (Fig.9a) oder durch ei- nen Matrix-Sensor 8' (Fig.9b) ausgebildet sein, wobei die Technologie des Sensors jeweils beliebig wählbar ist, vorzugsweise werden jedoch CMOS- oder CCD-Sensoren verwendet, insbesondere in CMOS-Technologie gehaltene Ringsensoren.
Bei Verwendung von Ringsensoren 8 weisen die einzelnen Teilabbildungen wieder eine der Pixelhöhe p dieser Sensoren 8 entsprechende Höhe h auf, bei Verwendung von Flächensensoren 8' können die einzelnen Teilabbildungen breiter sein.
Entsprechend der Breite des am Sensor 8,8' projizierbaren Oberflächen-Abschnittes ist der Bewegungsweg zu wählen, nach dessen Abschluss das gerade vom Sensor 8,8' erfasste Oberflä- chen-Teilabbild von der Bildauswerteinheit 2 abgespeichert wird.
Abweichend von der Darstellung gemäss Fig. 9 kann zur Erreichung der Relativbewegung zwi- schen Oberfläche 13 und Rundumoptik 6 auch das Werkstück 28 unbewegbar gehalten werden und die Rundumoptik 6 verschoben werden, wozu letztere auf dem Schlitten 5 eines Linearantne- bes 4 festgelegt ist. Dabei können die Komponenten Planspiegel 30, Objektiv 31 und Sensor 8,8' mitbeweglich gehalten, also ebenso am Schlitten 5 des Linearantriebes 4 festgelegt werden oder aber auch ausserhalb des Linearantriebes 4 liegen, also unbeweglich gegenüber der Rundumoptik 6 gehalten sein.
Wenngleich nicht in expliziten Zeichnungen dargestellt und im Detail erläutert, kann die Rund- umoptik 6 auch in jeder anderen Bauweise ausgeführt sein. Die Weiterleitung der Lichtstrahlen kann in Abweichung von Fig. 9 auch mittels Lichtleiter erfolgen.
PATENTANSPRÜCHE:
1. Verfahren zur Erfassung eines Abbildes einer im wesentlichen zylindrischen Oberfläche (13), wie Oberfläche eines Hohlraumes bzw. Aussenmantel eines in wesentlichen zylindri- schen Werkstückes mit einer Bilderfassungseinheit (1) und einer Bildauswerteinheit (2), wobei die Bilderfassungseinheit (1) eine Rundumoptik (6) aufweist, die Licht vom gesam- ten Umfang der zylindrischen Oberfläche (13) erfasst und auf einen optischen Sensor (8,8') projiziert, wobei Rundumoptik (6) und zylindrische Oberfläche (13) relativ zueinander be- wegt werden und nach Abschluss eines vorgebbaren Bewegungsweges das gerade vom
Sensor (8,8') erfasste Teilabbild der Oberfläche von der Bildauswerteinheit (2) abgespei- chert und sämtliche Teilabbilder zu einem Gesamtabbild der Oberfläche zusammengefügt werden und Rundumoptik (6) und zylindrische Oberfläche (13)
ununterbrochen relativ zu- einander bewegt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit der Relativ- bewegung zwischen Rundumoptik (6) und der Oberfläche (13) für die Dauer des Abspei- cherns eines Teilabbildes verringert wird.