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Ziel der Erfindung:
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Die
Erfindung behandelt ein Verfahren zur Erfassung dreidimensionaler
Strukturen von Werkstücken
nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch
11. Die Grundidee ist für
die Erfassung von mehr als 2 Dimensionen mit nur einer Kamera ausgelegt,
sie ist im Prinzip aber auf beliebig viele Kamerakanäle ausbaubar.
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Stand der Technik:
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Es
existiert eine Vielzahl von Beleuchtungsverfahren, um aus dem zweidimensionalen
Abbild, das man mit einer einzelnen Kamera erzeugen kann, zusätzliche
Höhen-
oder Abstandsinformationen zu gewinnen. Dieses wird für die Messtechnik
oder die Oberflächenprüfung oft
gewünscht.
Es sei hier nur beipielhaft erwähnt:
- • Schräge Beleuchtung:
Unebenheiten erzeugen einen Schattenwurf.
- • Lasertriangulation:
ein Punkt oder eine Linie wird als Projektion mit einer Flächenkamera
gesucht und der Abstand berechnet.
- • Strukturierte
Beleuchtung: z. B. mit LCD-Projektoren, die Linienmuster auf der
Oberfläche
erzeugen, ebenfalls für
Triangulation.
- • Schwebungseffekte
vieler Art, z. B. Speckle-Interferometrie.
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Unter
Triangulation wird im vorliegenden Fall die Erzeugung eines Höhenlinienverlaufs
auf dem Werkstück
verstanden.
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Aus
dem Verlauf der Höhenlinien
lassen sich dann Rückschlüsse über die
Messungen der dreidimensionalen Struktur ziehen.
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Darüber hinaus
gewinnt die automatische Werkstückverarbeitung
in vollautomatisierten Prozessen zunehmend an Bedeutung.
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In
einem Beispiel, jedoch ohne Beschränkung der Erfindung hierauf,
kommt es bei der Automobilindustrie darauf an, mit hoher Verarbeitungsgeschwindigkeit
und entsprechend hoher Auflösung Dünnstellen
an Blechen zu finden, bevor diese Bleche zu Karoserieteilen gepreßt werden.
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Die
Dünnstellen
sind als Qualitätsmangel
anzusehen, z. B. weil sie vor der Lackierung eliminiert werden müssen.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur
Erfassung dreidimensionaler Strukturen von Werkstücken zu
schaffen, welches neben einer hohen Auflösung auch eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit
ermöglicht,
so dass die Erfindung auch im Durchlaufverfahren mit hoher Prozessgeschwindigkeit
realisierbar ist.
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Diese
Aufgabe löst
die Erfindung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs.
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Eine
hierfür
geeignete Vorrichtung ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs
11.
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Aus
der Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass im Bereich der Blechverformung
für Karosseriebleche
die Gefahr von Rissen deutlich verringert wird, weil zuverlässig und
mit hoher Verarbeitungsgeschwindigkeit auch Dünnzüge an Blechen von weniger als
0,7 × Blechstärke aufgedeckt
werden können.
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Dabei
können
sowohl Flächenkameras
als auch Zeilenkameras verwendet werden. Die Verwendung von Zeilenkameras
bietet den weiteren Vorteil einer sehr hohen Auflösung, da
jedes Pixel eine Information trägt.
Geht man einmal davon aus, dass bei einer Zeilenkamera etwa 4.000
Pixel pro Zeile vorhanden sind, lassen sich mit der Erfindung sehr
genaue 3-D Informationen über
die Oberflächenstruktur des
Werkstücks
erhalten.
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Weitere Vorteile der Erfindung:
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Hohe Auflösung:
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Die
meisten bekannten Verfahren beruhen auf dem "Wiederfinden" von projizierten Mustern auf der Oberfläche. Das
bedeutet prinzipiell immer eine geringere Auflösung des Messergebnisses, als
durch die Pixelgrösse
gegeben (Nyquist-Theorem).
Zwar kann z. B. bei einer Triangulation eine schwarzweiss-Kante
mit Pixel- oder evtl. Subpixelgenauigkeit gefunden werden, aber
das stellt ja nie das gesamte zu findende Muster dar.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglich
es, die Auflösung
einer Kamera voll auszunutzen, d. h. jedes einzelne Pixel trägt die gewünschte Höheninformation.
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Flächen-
und Zeilenkameras:
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Sämtliche
bekannten Triangulationsverfahren können mit Zeilenkameras nicht
angewendet werden, ausgenommen die Höhenmessung an genau einem Punkt.
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Das
Beleuchtungsprinzip nach dieser Erfindung kann jedoch sowohl bei
Flächenkameras
als auch bei Zeilenkameras eingesetzt werden. Dieses bedeutet einen
erheblichen praktischen Vorteil, da man mit Zeilenkameras leicht
ein vielfach höher
aufgelöstes
Bild des Gegenstandes erzeugen kann als mit Flächen kameras, und je nach Anordnung
sogar Endlosbilder von Bandmaterialien o. ä.
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Die
Erfindung kann sowohl mit schwarz-weiß als auch mit Farbkameras
Anwendung finden.
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Die
Verwendung von Farbkameras ergibt ein auch elektronisch auswertbares
Bild ohne zusätzliche
Filterung des Lichts.
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Hingegen
bedarf die Verwendung von Scharz-Weiß-Kameras jeweils eines Hoch-
oder Tiefpassfilters, bevor die gewünschten Bildinformationen in
dem bildverarbeitenden Teil der Kamera ankommen. Hierfür sind Ausführungsbeispiele
angegeben.
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Von
weiterem Vorteil ist die Tatsache, dass kein monochromatisches Licht
notwendig ist.
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Es
müssen
lediglich zwei Lichtquellen vorhanden sein, deren Lichtbündel unterschiedliche Wellenlängen/Wellenlängenzusammensetzungen haben.
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Störfestigkeit:
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Die
vorgeschlagene Beleuchtung zeigt in der Praxis hohe Störfestigkeit
gegen Justierfehler der Beleuchtungskörper, ganz im Gegensatz zu
allen Formen der Laserstrahlanordnung oder gar der Interferometrie.
Damit ist das Verfahren gut in der industriellen Praxis einsetzbar;
viele Laborverfahren erreichen dieses Ziel nicht.
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Emissionstoleranzen:
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Die
Beleuchtung erfordert keine eng tolerierten Bauelemente zur Lichtemission.
Es müssen
die verschiedenen Wellenlängen
selbstverständlich
unterschieden werden, aber es bedarf keiner besonderen Bauteileselektion
von z. B. LEDs, geschweige denn exakt definierter Wellenlängen oder
gar ständiger
Temperaturkompensation wie für
Laser.
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Weiter Einsatzbereich:
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Die
Genauigkeit der Messung ist erst in der Nähe der verwendeten Wellenlängen begrenzt,
d. h. man kann neben sehr grossen Flächen (mehrere Meter) auch sehr
kleine Messfelder (Hundertstelmillimeter) wählen, solange ein Pixel deutlich
grösser
als die beteiligten Wellenlängen
abgebildet wird. Damit liegt die Untergrenze bei ca. einstelligen
Mikrometern (sei Infrarot bei max. 1000 nm).
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Typische
Größen, die
als Oberflächenfehler erfasst
werden können,
liegen im Bereich einiger Hundertstel bis einiger Zehntelmilimeter.
Ein typisches Ausführungsbeispiel
ist die Beurteilung von Blechen auf sog. Dünnzüge, also flache Täler von
z. B. 1 mm Breite, eingen mm Länge
und z. B. 0,1 mm Tiefe. Speziell dabei bietet das Verfahren grosse
Vorteile gegenüber
dem Stand der Technik, denn es kann bei geeigner Bildauswertung
sehr schnell und genau arbeiten, da es ohne Triangulation (zu langsam)
oder Interferenz (zu kleiner Messbereich, nicht industriestabil)
arbeitet, sondern eine direkte Erfassung der Oberflächendefekte
ermöglicht.
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Die
Erfindung bietet eine hervorragende Eignung für Oberflächentests im stationären oder
im Durchlaufverfahren.
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Sie
bietet insbesondere die Möglichkeit
der digitalen Bildverarbeitung mit hoher Auflösung.
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Darüber hinaus
bedarf es auch keiner exakten Anordnung der Lichtquellen, solange
die Lichtquellen einen gemeinsamen Auftreffbereich auf dem Werkstück besitzen.
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Voraussetzung
hierfür
ist lediglich, dass die verwendeten Lichtquellen unterschiedliche
Wellenlängen
aufweisen.
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Darüber hinaus
können
die Lichtquellen nahezu beliebig zum Werkstück angeordnet werden, solange
sich zur Kamera unterschiedliche Winkel ergeben und die im Auftreffbereich
ankommenden Lichtbündel
verschiedene Wellenlängen
besitzen.
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Von
besonderem Vorteil ist die Erfindung auch im Hinblick auf die Untersuchung
transparenter Materialien.
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Mit
der Erfindung können
insbesondere auch die Ober- und Unterseiten transparenter Flächengebilde,
z. B. von Glasscheiben, gleichzeitig untersucht werden.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung
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Die
Figur zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Das
Verfahren dient zur Erfassung dreidimensionaler Strukturen 3 auf
der Oberfläche 2 eines Werkstücks 1.
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Bei
der dreidimensionalen Struktur 3 handelt es sich im gezeigten
Ausführungsbeispiel
um eine Dünnstelle
eines Blechs.
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Das
Blech kann optional auf einer Transfereinrichtung 11 liegen
und von dieser in der gezeigten Richtung befördert werden.
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Zur
Erfassung der dreidimensionalen Struktur 3 sind zwei Lichtquellen 4, 5 vorgesehen,
die jeweils schräg
auf das Werkstück 1 gerichtet
sind.
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Jedes
Lichtbündel 6, 7 ist
jeweils einer der Lichtquellen 4, 5 zugeordnet.
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Die
Lichtquellen 4, 5 selbst senden Licht voneinander
abweichender Wellenlängen
aus.
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In
einem gemeinsamen Auftreffbereich 8 der beiden Lichtbündel 6, 7 kommt
es daher zu einer Hell-Dunkel-Verschiebung, dort wo die dreidimensionale
Struktur des Werkstücks 1 von
der idealebenen Kontur abweicht.
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Im
gemeinsamen Auftreffbereich 8 liegt auch die optische Achse 10 einer
optischen Betrachtungsvorrichtung 9, die hier als Kamera
K bezeichnet ist.
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Der
Kamerasichtbereich, der die optische Achse 10 umgibt, wird
auch als Prüfbereich
bezeichnet.
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Als
optische Betrachtungsvorrichtung kann z. B. auch das menschliche
Auge dienen, weil es -ebenso wie eine Kamera- im Stande ist, Hell-Dunkel-Unterschiede
auf der Werkstückoberfläche wahrzunehmen.
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Hier
allerdings ist die optische Betrachtungsvorrichtung 9 eine
Kamera, die mit ihrer Kameraachse 10 auf den gemeinsamen
Auftreffbereich 8 der beiden Lichtbündel 6, 7 gerichtet
ist, wobei die Hell-Dunkel-Informationen aus den Helligkeitsunterschieden
des Kamerabildes 12 gewonnen werden.
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Dabei
kommt es weniger auf eine quantitative Erfassung, sondern lediglich
auf die qualitative Erfassung der dreidimensionalen Struktur an.
Die qualitative Erfassung ist in folge der sich einstellenden Hell-Dunkelunterschiede
zuverlässig
reproduzierbar.
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Unter
der Voraussetzung einer Transfereinrichtung 11, wie in 1 gezeigt,
kann die Kamera auch an einen Rechner angeschlossen sein, welcher die
Hell-Dunkel-Zonen des aufgenommenen Bildes ständig untersucht und überwacht,
so dass das Werkstück
während
des Durchlaufs unter dem gemeinsamen Auftreffbereich 8 ununterbrochen
untersucht wird.
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Darüber hinaus
zeigt 1 die Anordnung eines Filters 13 vor
der Kamera K. Es handelt sich um einen Hochpassfilter oder um einen
Tiefpassfilter, jeweils notwendig bei Verwendung einer Schwarz-Weiß-Kamera.
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Dabei
sollte die Grenzfrequenz des Hochpassfilters oder des Tiefpassfilters
etwa in der Mitte zwischen den beiden verwendeten Lichtfrequenzen liegen.
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Mit
Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann
daher sowohl die gesamte Nutzbreite des Werkstücks 1 als auch die
gesamte Nutzlänge
kontinuierlich auf Abweichungen von der idealen Oberflächenstruktur
untersucht werden.
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Funktion:
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Die
Grundanordnung besteht aus zwei Strahlern oder allgemeiner Leuchtmitteln,
die mit unterschiedlicher Wellenlänge arbeiten. In der Prinzipanordnung
wie in 1 sind zu sehen:
- K
- die Kamera mit Objektiv
und Filter,
- W1
- der Strahler mit der
Wellenlänge 1,
- W2
- der Strahler mit der
Wellenlänge 2 (unterschiedlich
von 1),
- O
- die Oberfläche des
Gegenstandes,
- A, B, C
- Abschnitte des Gegenstandes.
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Der
Prüfbereich,
das ist der Kamerasichtbereich, erhält eine ungefähr gleichstarke
Mischung beider Wellenlängen
dadurch, dass beide Leuchten schräg auf das Messfeld leuchten.
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Die
Kamera trägt
vor der Optik einen optischen Filter, dessen Grenzfrequenz in etwa
in der Mitte zwischen den beiden verwendeten Lichtfrequenzen liegt.
Damit erhält
man im Kamerabild bei idealer Justierung der Anordnung ein mittelgraues Bild
(50% Intensität),
wenn das Werkstück
eine ebene Oberfläche
zeigt.
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Wenn
die Oberfläche
nun eine Verwerfung zeigt, so wird anteilig mehr Licht von einem
der beiden Strahler zur Kamera gelangen. Der Bandpass erzeugt daraus
einen Helligkeitsunterschied. Dieser Effekt tritt in der 1 also
in der Zone "B" auf.
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Die
Anordnung erzeugt also aus einem Oberflächenkrümmungsunterschied eine echte
Helligkeitsinformation. Dieser Effekt stammt, wie man sieht, weder
aus Schattenwurf noch aus Interferenz noch aus gezielter Triangulation,
sondern aus der Mischung und dann Trennung der beiden Wellenlängen.
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Die
Wellenlängen
der beiden Strahler müssen
nicht exakt eingegrenzt sein, also kein Linienspektrum aufweisen,
sondern müssen
lediglich ein deutliches und verschiedenes Maximum zeigen, das sich
sogar etwas überlappen
darf, wie dieses bei handelsüblichen
roten und grünen
LEDs zu finden ist.
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- 1
- Werkstück
- 2
- Oberfläche von 1
- 3
- 3-D
Struktur
- 4
- erste
Lichtquelle
- 5
- zweite
Lichtquelle
- 6
- erstes
Lichtbündel
- 7
- zweites
Lichtbündel
- 8
- gemeinsamer
Auftreffbereich
- 9
- optische
Betrachtungsvorrichtung
- 10
- optische
Achse von 9
- 11
- Transfereinrichtung
- 12
- Kamerabild
- 13
- Filter