DE19806279A1 - Sensor mit dynamischer Blickrichtungssteuerung - Google Patents
Sensor mit dynamischer BlickrichtungssteuerungInfo
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Description
Die visuelle Inspektion von Bohrungen, Rohren oder sonstigen Hohlräumen ist in vielen
Fällen eine unabdingbare Aufgabe zur Gewährleistung der ordnungsgemäßen Funktionalität
technischer Einrichtungen. Durch die beschränkte Zugänglichkeit des Hohlraumes sind dabei
i. a. besondere Maßnahmen zur optischen Abbildung wie z. B. spezielle
Beleuchtungseinrichtungen und Sonderoptiken erforderlich. Bei kleinen und kleinsten
Bohrungen kommen daher zur Abbildung solcher Hohlräume Endoskope, Boreskope, u. ä.
kleinster Bauformen zum Einsatz. Allein im Bereich der Automobilindustrie werden derzeit
etwa 40 Millionen Hydraulikzylinder pro Jahr produziert, deren Bohrungen zum Zwecke der
Qualitätssicherung zu 100% geprüft werden sollen. Deshalb werden schon seit geraumer Zeit
Anstrengungen unternommen, diese Prüfaufgaben mit Mitteln der Bildverarbeitung zu
automatisieren.
Bei der automatischen, visuellen Inspektion von kleinen Bohrungen stellt bereits die optische
Abbildung zur geeigneten Bilderfassung eine ernsthafte Schwierigkeit dar. Bohrungen in
technischen Geräten weisen im Gegensatz zur einfachen Zylinderform i. a. eine wesentlich
komplexere Gestalt auf. Die Innenräume sind ausgezeichnet durch Seitenbohrungen, Absätze,
Nuten, etc. Zur automatischen Prüfung solcher Hohlräume sind im allgemeinen
unterschiedliche Beleuchtungen oder Blickwinkel erforderlich. Derzeitige Systeme erreichen
deshalb oft keine ausreichende Prüfleistung oder machen eine aufwendige, mehrfache
Erfassung der Hohlraumoberfläche mit unterschiedlichen Abbildungsoptiken bzw.
Beleuchtungsanordnungen nötig. Aufgrund der beschränkten Zugänglichkeit kann meist nur
eine bestimmte, durch die Abbildungsoptik sowie die Zugangsöffnung bestimmte Perspektive
des Hohlraumes abgebildet werden. Oft ist die Erfassung der erforderlichen
Oberflächenanteile, die für eine Prüfung zur Qualitätsbeurteilung herangezogen werden
müssen, dadurch nicht in geeigneter Weise möglich.
Wünschenswert ist daher eine Anordnung, die es erlaubt, die Oberfläche eines Hohlraumes zu
erfassen, so daß
- - trotz der räumlich beschränkten Zugänglichkeit die für eine Prüfung erforderliche Oberfläche vollständig in der zur automatischen Prüfung geeigneten Qualität abgebildet werden kann,
- - die dazu erforderliche Bewegung und Handhabung von Prüfobjekt oder Sensoreinheit minimiert wird.
- - durch unterschiedliche Blickwinkel oder Beleuchtungsanordnung alle relevanten Erscheinungen der Hohlraum-Oberfläche für eine automatische Erkennung geeignet dargestellt werden.
Bisherige Methoden zur Abbildung von Bohrungsoberflächen können aufgrund des hohen
Zeitbedarfs und des notwendigen Handhabungsmechanismus eine geeignete Bilderfassung für
eine automatische visuelle Prüfung in der Produktionsumgebung nicht leisten. Stand der
Technik im industriellen Einsatz ist die Video-Endoskopie, die mit der Verfügbarkeit
kostengünstiger Videokameras eingeführt wurde [vgl. Steiner, 1991, Endoskopie - Einsatz in
der Fertigung und Instandhaltung, Lehrgang der Technischen Akademie Esslingen,
Mai 1991]. Für die Bildaufnahme werden in der Regel starre Endoskope mit Seitblick
eingesetzt, um die innenliegenden Mantelflächen der Bohrung zu inspizieren. Während einer
definierten Vorschub- und Drehbewegung wird fortlaufend das vom Endoskop gelieferte Bild
auf den Sensor einer Videokamera abgebildet und als S/W- oder Farbbild auf einem Monitor
dargestellt.
In der Vergangenheit wurde eine Automatisierung der Sichtprüfung von Bohrungen von
einem englischen Forschungsinstitut in Zusammenarbeit mit einem Industriepartner
angestrebt. Das auf einem Laserscanner basierende System blieb aufgrund technischer
Probleme bei der innerbetrieblichen Prototyp-Entwicklung stehen. Ein weiteres
Prototypsystem setzt ein Seitblick-Endoskop in Kombination mit einer Zeilenkamera ein. Bei
diesem System wurde der Schwerpunkt auf eine vereinfachte mechanische Handhabung
gelegt, indem auf eine Drehung der Werkstücke verzichtet wurde [vgl. Dressler, 1985,
Hohlrauminspektion mit CCD-Zeilensensoren, Laser Magazin, Nr. 2/1985, S.76-81]. Statt
dessen wird der Kamerakopf gedreht, dessen Signale mittels einer optischen Drehkupplung
und eines elektronischen Schleifrings übertragen werden. In einem Bildspeicher werden die
Zeilensignale zu einem Bild zusammengesetzt und auf einem Monitor dargestellt. Aufgrund
relativ hoher Kosten und fehlender Auswertealgorithmen konnte sich dieses Gerät in der
industriellen Anwendung nicht durchsetzen.
Rundumblick-Endoskope erlauben einen Seit- oder sogar einen Retroblick über volle 360° des
Bohrungsumfangs [vgl. Wolf, Richard Wolf Endoskope, Gebrauchsmuster BRD 78 19 433,
1978, P. Greguss, 1986, Panoramic Holocamerafor Tube and Borehole Inspection, SPIE
Vol. 699 Laser and Opto-Electronic Technology in Industry, S. 127-131, 1986], allerdings
sind derartige Endoskope nur als vereinzelte Prototypen erhältlich. Rundumblick-Endoskope
sind für die Video-Endoskopie wenig geeignet, da der menschliche Prüfer sich nur schwer auf
die ungewohnte Tunnelperspektive einstellen kann.
Die vorliegende Erfindung ist eine neuartige Sensoranordnung zur visuellen Prüfung von
Hohlräumen, Bohrungen, Rohren etc., die gleichzeitig unterschiedliche Blickwinkel oder
Beleuchtungsanordnungen bei der Erfassung einer Hohlraumoberfläche ermöglicht. Der
Sensor besteht aus den Komponenten Abbildungsoptik, Bildwandler, Handhabungseinheit,
Signalverarbeitungs- und Steuereinheit. Dem Konzept zugrunde liegen die physikalischen
Grundlagen der Optik (optische Abbildung, optoelektronische Bildwandler) sowie Methoden
der digitalen Signalverarbeitung. Gegenüber sind herkömmlichen folgende Neuerungen
hervorzuheben:
Bei einer Automatisierung bietet der Einsatz von Rundumblick-Endoskopen den großen Vorteil, daß auf die mechanische Drehung des Werkstückes oder des Endoskops verzichtet werden kann. Zur Abtastung der Bohrungsfläche reicht ein Eintauchen des Endoskopes in das Werkstück aus. Durch die vereinfachte Mechanik kann der gesamte Prüfablauf verkürzt werden.
Bei einer Automatisierung bietet der Einsatz von Rundumblick-Endoskopen den großen Vorteil, daß auf die mechanische Drehung des Werkstückes oder des Endoskops verzichtet werden kann. Zur Abtastung der Bohrungsfläche reicht ein Eintauchen des Endoskopes in das Werkstück aus. Durch die vereinfachte Mechanik kann der gesamte Prüfablauf verkürzt werden.
Die Sensoranordnung erlaubt, ausgehend von einem gegebenen Zugang des Hohlraumes, der
Betrachterposition, unterschiedliche Ansichten der Hohlraumoberfläche z. B. unter
verschiedenen Betrachtungswinkeln oder Beleuchtungsanordnungen.
Durch die erweiterten Möglichkeiten der Blickrichtungssteuerung können Oberflächen in
Hohlräumen geprüft werden, die bisher nicht mit einer einzigen Sensoreinheit erfaßt werden
konnten.
Die Möglichkeit, Oberflächen mit unterschiedlichen Blickwinkeln bzw.
Beleuchtungsanordnungen quasi gleichzeitig zu erfassen, erlaubt es, mit einer einzigen
Sensoranordnung unterschiedliche Erscheinungen (Fehlertypen) der Oberfläche geeignet für
eine automatische Fehlerdetektion abzubilden.
Der Aufwand zur Handhabung vereinfacht sich erheblich.
Verbesserte Bildqualität und Präsentation der mit der Sensoranordnung aufgenommenen
Hohlraumoberflächen.
Die Steuerung unterschiedlicher Blickwinkel erfolgt elektronisch, d. h. schnell und ohne
mechanischen Verschleiß.
Mit der Sensoranordnung werden widersprüchliche Abbildungsbedingungen, die bisher
mehrere unterschiedliche Bilddatenerfassungssysteme (Abbildungsoptik,
Beleuchtungsanordnung) erfordert haben, mit einem System erfüllt.
Kostengünstige Gesamtlösung, da mit der Sensoranordnung bisher widersprüchliche
Anforderungen an ein Abbildungssystem mit einem einzigen System erfüllt werden können.
Beispiele erläutern die Erfindung an drei Figuren (Abbildungen):
Die Grundanordnung des Meßaufbaus mit den Einzelkomponenten zur gesamten Sensoranordnung zeigt Abb. 1. Das Prüfobjekt P enthält einen Hohlraum H, der in der Abbildung im Schnitt gezeigt ist. Der Hohlraum ist durch die Öffnung G zugänglich für die Einführung der Sensorik. Der Sensor S besteht aus einer geeigneten Abbildungsoptik E (Endoskop, Spiegel, etc.), einer Beleuchtungseinrichtung B sowie dem Bildwandler D, z. B. einem Matrix-CCD-Array (CCD-Kamera). Der Bildwandler liefert ein elektrisches Signal, das dem abgebildeten Hohlraum gemäß der Abbildungseigenschaften der Optik E entspricht. Dieses Signal wird zur elektronischen Signalverarbeitungseinheit VR (z. B. einem Rechner) für die weitere Verarbeitung geleitet.
Die Grundanordnung des Meßaufbaus mit den Einzelkomponenten zur gesamten Sensoranordnung zeigt Abb. 1. Das Prüfobjekt P enthält einen Hohlraum H, der in der Abbildung im Schnitt gezeigt ist. Der Hohlraum ist durch die Öffnung G zugänglich für die Einführung der Sensorik. Der Sensor S besteht aus einer geeigneten Abbildungsoptik E (Endoskop, Spiegel, etc.), einer Beleuchtungseinrichtung B sowie dem Bildwandler D, z. B. einem Matrix-CCD-Array (CCD-Kamera). Der Bildwandler liefert ein elektrisches Signal, das dem abgebildeten Hohlraum gemäß der Abbildungseigenschaften der Optik E entspricht. Dieses Signal wird zur elektronischen Signalverarbeitungseinheit VR (z. B. einem Rechner) für die weitere Verarbeitung geleitet.
Die Signalverarbeitungseinheit VR beinhaltet Einrichtungen zur Speicherung mehrerer
Bildsignale, zur Transformation von Bildsignalen, zur Extraktion von Teilbildsignalen und
zur Vereinigung mehrerer (Teil-) Bildsignale zu einem neuen Bildsignal (z. B. in Form eines
digitalen Bildverarbeitungssystems mit entsprechenden Verarbeitungsalgorithmen). Die
Signalverarbeitungseinheit VR ist verbunden mit der Handhabungseinheit VH, die das
Einführen der Sensoreinheit in den Hohlraum kontrolliert. Über diese Verbindung erfolgt ein
Austausch von Signalen, so daß der Signalverarbeitungseinheit VR die Relativposition von
Sensor und Prüfobjekt bekannt ist. Dabei ist es unerheblich, ob die Signalverarbeitungseinheit
VR eine bestimmte Position vorgibt, die dann von der Handhabungseinheit VH angefahren
wird, oder ob die Bewegung von der Handhabungseinheit VH initiiert wird und das Erreichen
einer bestimmten Position an die Signalverarbeitungseinheit VR gemeldet wird.
Die Beleuchtungseinrichtung erzeugt im Hohlraum die für die Abbildung notwendige
Helligkeit. Die Beleuchtung kann z. B. erzeugt werden durch gemeinsam oder getrennt mit der
Abbildungsoptik in den Hohlraum eingebrachte Lichtquellen, durch gemeinsam oder getrennt
mit der Abbildungsoptik in den Hohlraum eingebrachte lichtleitende Einrichtungen (z. B.
Glasfasern), die das Licht einer externen Lichtquelle im Hohlraum abgeben oder durch das
Licht einer externen Lichtquelle, das in den Strahlengang der Abbildungsoptik mittels
Strahlteiler eingekoppelt wird und im Hohlraum aus der Abbildungsoptik austritt.
Zur Bilderfassung wird der Sensor S durch die Öffnung G in das Prüfobjekt eingeführt, im
einfachsten Fall durch eine lineare Bewegung. Dabei ist es unerheblich, ob der Sensor relativ
zum Prüfobjekt oder das Prüfobjekt relativ zum Sensor bewegt wird. Der Bildwandler liefert
dabei ein Signal in Form einer kontinuierlichen Folge von Bildern der abgebildeten
Hohlraumoberfläche an die Signalverarbeitungseinheit. Dieses Signal (der Bildinhalt)
verändert sich mit der Relativposition von Sensor S und Objekt P. Die Erfassung des
relevanten Anteils oder der gesamten Hohlraumoberfläche erfolgt dabei durch Aufnahme und
Speicherung mehrerer Einzelbilder des Bildwandlers D und nachfolgender Verarbeitung der
Einzelbilder in der Signalverarbeitungseinheit VR.
Dabei werden aus mehreren Bildern bi, die vom Bildwandler D an den Positionen pi innerhalb
des Hohlraumes aufgenommen werden, durch Extraktion von geeigneten Teilbildern tik nach
geeigneter Transformation Tr derselben (t'ik), ein oder mehrere neue Bilder rk der
Hohlraumoberfläche zusammengesetzt. Die Bestimmung der Positionen pi, von Lage und
Form der Teilbilder tik in den Bildern bi sowie der Transformation Tr erfolgt nach zwei
Kriterien:
- - Als Ergebnis der Verarbeitungsoperationen ergeben sich durch Aneinanderfügen der transformierten Teilbilder t'ik ein oder mehrere lückenlose, kontinuierliche Abbilder rk der relevanten Hohlraumoberfläche.
- - Die zusammengesetzten, lückenlosen, kontinuierlichen Abbilder rk der relevanten Hohlraumoberfläche weisen den oder die gewünschten Blickwinkel auf.
Bei bekannter Geometrie des untersuchten Hohlraumes kann durch die bekannten
Positionen p (auf der z-Achse) und die bekannten Abbildungseigenschaften der Optik E das
Korrespondenzproblem gelöst werden. D. h., es kann eine Zuordnung von korrespondierenden
Punkten in den verschiedenen Abbildern rk derselben Oberfläche in Form einer
Koordinatentransformation angegeben werden.
Mit dem beschriebenen Verfahren kann die Oberfläche eines Hohlraumes auch in mehreren
unzusammenhängenden Teilbereichen erfaßt werden.
Das beschriebene Verfahren eignet sich auch für alle anderen Oberflächen, die nicht einen
Hohlraum begrenzen.
Die Abbildungsoptik E besteht aus einem Endoskop mit Rundumblick ("Fischaugenoptik",
bzw. "Retroblick", siehe Abb. 2). Das Endoskop hat einen Durchmesser von 10 mm und eine
Länge von 150 mm, geeignet, um in den Hohlraum H des Prüfobjektes P, z. B. die Bohrung
eines Hydraulikzylinders, eingeführt zu werden. Am Okular des Endoskops ist der
Bildwandler D, hier eine CCD-Kamera gemäß der CCIR Videonorm, angebracht. Die
Beleuchtung besteht aus einem Diffusor, der am Objektiv des Endoskopes angebracht ist und
durch ein lichtleitendes Glasfaserbündel mit dem Licht einer externen Lichtquelle gespeist
wird.
Das Prüfobjekt P ist mit einer Halterung auf einer schrittmotorgetriebenen Linearachse
befestigt, so daß durch Bewegung der Linearachse das Endoskop in den Hohlraum des
Prüfobjekts eingeführt wird.
Die Verarbeitungseinheit VR besteht aus einem Rechner mit Schnittstellen für den
Kameraanschluß sowie der Kommunikation mit der Handhabungseinheit VH
(Schrittmotorsteuerung). Das Signal der CCD-Kamera wird über einen A/D-Wandler
digitalisiert und in digitaler Form durch Programme, die die unter 3. beschriebenen Verfahren
realisieren, weiterverarbeitet. In den von der Kamera (D) aufgenommenen Bildern bi
erscheinen radiale Strukturen einer Bohrung als (konzentrische) Kreisringe. Zur Erfassung der
Oberfläche wird daher aus jedem Bild bi ein Kreisring ti extrahiert. Als Transformation Tr
kommt die Polarkoordinatentransformation zum Einsatz, die den Kreisring in ein Rechteck
umformt. Alle Bilder bi, die derart umgeformt wurden, werden entlang der z-Achse zu einem
Gesamtbild der Oberfläche zusammengefügt (Abb. 3). Die elektronische
Blickrichtungssteuerung erfolgt durch Auswahl des entsprechenden Radius für die Ermittlung
des zu extrahierenden Kreisringes. Entsprechend ergibt sich damit bei der in Abb. 3
skizzierten Abbildungseigenschaft des Endoskopes eine radialsymmetrische, vorausschauende
oder zurückblickende Blickrichtung. Damit ermöglicht die Sensoranordnung gleichzeitig den
Blick senkrecht auf die Bohrungswandung, den Grund der Ringnut oder in eine
Seitenbohrung sowie schräg auf die vordere und hintere Flanke der Ringnut.
Für jede Blickrichtung wird dabei eine komplette oder teilweise Abbildung rk der
Hohlraumoberfläche erzeugt. Die Darstellung der Hohlraumoberfläche erfolgt in der
"abgewickelten Form", in der z und ϕ in kartesischen Koordinaten repräsentiert werden.
Claims (7)
1. Verfahren zur Erzeugung von verschiedenen Ansichten einer Hohlraumoberfläche, durch
Aufnahme mehrerer Einzelbilder an unterschiedlichen Positionen (pi), jeweiliger
Extraktion von Teilbildern (tik), Transformation und geeignetes Zusammenfügen von
Teilbildern zu mehreren Ansichten (rk) derselben Oberfläche.
2. Verfahren nach Anspruch 1 zur Erzeugung von verschiedenen Ansichten ein und derselben
Oberfläche derart, daß zu untersuchende (prüfende) Eigenschaften der Oberfläche geeignet
in den verschiedenen Ansichten dargestellt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 zur Erzeugung und Erfassung von Abbildern von Oberflächen
eines Hohlraumes durch Aufnahme, Transformation und geeignetes Zusammenfügen
mehrerer Einzelbilder.
4. Verfahren nach Anspruch 1 zur Erzeugung und Erfassung von Abbildern von Oberflächen
eines Hohlraumes durch Aufnahme mehrerer Einzelbilder, Extraktion von Teilbildern,
Transformation und geeignetes Zusammenfügen mehrerer Teilbilder.
5. Verfahren oder Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zur
Bilderfassung erforderliche Helligkeit durch eine oder mehrere Beleuchtungseinrichtungen
erzeugt wird, in Form gemeinsam oder getrennt mit der Abbildungsoptik in den Hohlraum
eingebrachte Lichtquellen oder durch gemeinsam oder getrennt mit der Abbildungsoptik in
den Hohlraum eingebrachte lichtleitende Einrichtungen (z. B. Glasfasern), die das Licht
einer externen Lichtquelle im Hohlraum abgeben oder durch das Licht einer externen
Lichtquelle, das in den Strahlengang der Abbildungsoptik z. B. mittels Strahlteiler
eingekoppelt wird und im Hohlraum aus der Abbildungsoptik austritt.
6. Verfahren oder Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die
relative Positionierung von Objekt (P) und Sensoreinheit (S) durch eine Positioniereinheit
ausgeführt wird, die einen oder mehrere translatorische oder rotatorische Freiheitsgrade
einzustellen erlaubt.
7. Verfahren oder Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der
Bildwandler (D) aus einer Kamera mit matrixförmig angeordneten Sensorelementen
besteht.
Priority Applications (2)
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