DE19806279A1 - Sensor mit dynamischer Blickrichtungssteuerung - Google Patents

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.

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 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 b_i, die vom Bildwandler D an den Positionen p_i innerhalb des Hohlraumes aufgenommen werden, durch Extraktion von geeigneten Teilbildern t_ik nach geeigneter Transformation Tr derselben (t'_ik), ein oder mehrere neue Bilder r_k der Hohlraumoberfläche zusammengesetzt. Die Bestimmung der Positionen p_i, von Lage und Form der Teilbilder t_ik in den Bildern b_i 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 r_k der relevanten Hohlraumoberfläche.
• - Die zusammengesetzten, lückenlosen, kontinuierlichen Abbilder r_k 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 r_k 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 b_i erscheinen radiale Strukturen einer Bohrung als (konzentrische) Kreisringe. Zur Erfassung der Oberfläche wird daher aus jedem Bild b_i ein Kreisring t_i extrahiert. Als Transformation Tr kommt die Polarkoordinatentransformation zum Einsatz, die den Kreisring in ein Rechteck umformt. Alle Bilder b_i, 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 r_k 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 (p_i), jeweiliger Extraktion von Teilbildern (t_ik), Transformation und geeignetes Zusammenfügen von Teilbildern zu mehreren Ansichten (r_k) 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.