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Verfahren zur Lageerkennung von Werkstücken
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Die Erfindung betrifft ein automatisches Verfahren zur Lageerkennung
von Werkstücken, die zuvor mit einer mechanischen Einrichtung einzeln und mit eingeschränkten
Lagefreiheitsgraden der Erkennungseinrichtung zugeführt wurden. Eine bei der automatischen
Montage häufig auftretende Aufgabe dieser Art ist die lagerichtige Bereitstellung
von Kleinteilen, wie Bolzen, Schrauben, Stanz- und Drehteile.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt beim heutigen Stand der Technik
vorzugsweise durch Rüttelförderer, die die Werkstücke aus einem ungeordneten Vorrat
vereinzeln und in wenigen Vorzugslagen einer mechanischen Sortiereinrichtung zuführen,
die die Werkstücke nur in der einen gewünschte Lage passieren läßt.
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Diese mechanische Sortiereinrichtung besteht aus einer sinnreichen
Kombination von Abstreifern, Schranken, Führungen, allgemein "Schikanen" genannt,
die die Geometrie und die Massenverteilung der Werkstücke ausnutzt, um falsch liegende
Werkstücke abzuweisen und nur richtig liegende Werkstücke passieren zu lassen. Nachteile
dieser heutigen Vorgehensweise sind der hohe Aufwand an konstruktiven MaBnahmen
beim Umstellen der Schikanen auf neue Werkstücke, die Fachkräfte mit großer Erfahrung
erfordern, sowie erhebliche Schwierigkeiten bei Werkstücken, deren Lagen nur geringfügige
Unterschiede besitzen.
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Erfindungsgemäß wird ein Erkennungsverfahren vorgeschlagen, das eine
systematische Anpassung beim Werkstückwechsel ermöglicht und eine Lageunterscheidung
auch bei geringfügigen Formunterschieden, z.B. Fasen, erlaubt. Das Verfahren ist
vorzugsweise geeignet für längliche Werkstücke, die mit einer mechanischen Fördereinrichtung
(z.B. mit einer Transportrinne) der Erkennungseinrichtung in einer Vorzugsrichtung
zugeführt werden, wobei je nach Symmetrie der Werkstücke, zwei oder vier Lagen zu
unterscheiden
sind. Figur 1 zeigt ein rotationssymmetrisches Drehteil
in den beiden möglichen Lagen, Figur 2 ein flaches Stanzteil mit den vier möglichen
Lagen 1, 2, 3 und 4; die Vorzugsrichtung x entspricht der Richtung der maximalen
Längsausdehnung der länglichen Werkstücke.
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Die Erkennungseinrichtung besteht aus einem Sensor, der die Umrißlinie
des in seinem Meßfeld befindlichen Werkstückes erfaßt, und einer -vorzugsweise digital
elektronischen- Auswerteeinrichtung, die aus der Umrißlinie die jeweilige Lage ermittelt
und ein entsprechendes Signal für die weitere Manipulation der Teile abgibt.
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Der Sensor kann ein optisch-elektrischer Sensor sein, beispielsweise
eine Videokamera, eine flächenhafte Halbleiterkamera, oder eine zeilenförmige Halbleiterkamera.
In bekannter Weise werden bei Verwendung einer Videokamera oder einer flächenhaften
Halbleiterkamera das Werkstück mit starkem Kontrast abgebildet, das Videosignal
durch eine Schwellwertoperation in ein binärwertiges Signal überführt und daraus
die Koordinaten der Umriß linie gebildet. Bei Verwendung einer zeilenförmigen Halbleiterkamera
wird in bekannter Weise das Werkstück senkrecht zur Zeilenrichtung mit gleichförmiger
Geschwindigkeit bewegt und nacheinander die in Zeilenrichtung liegenden Umrißpunkte
gemessen. Vorteilhafterweise wird der optisch-elektrische Sensor so orientiert,
daß die Vorzugsrichtung der Werkstücke mit einer der beiden Koordinatenrichtungen
der Videokamera oder der flächenhaften Halbleiterkamera übereinstimmt bzw. senkrecht
zur Zeilenrichtung der zeilenförmigen Halbleiterkamera steht.
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Anstelle optisch-elektrischer Sensoren sind auch flächen- oder zeilenförmige
Sensoren verwendbar, die magnetisch, elektromagnetisch, fluidisch oder mechanisch
empfindliche Einzelelemente besitzen.
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Die Auswerteeinrichtung besitzt einen Speicher, in dem die gemessenen
Koordinaten der Umrißlinie abgespeichert werden. Erfindungsgemäß wird vor der weiteren
Verarbeitung der abgespeicherten Signale und vor dem Vergleich mit den in der Lernphase
gespeicherten Referenzsignalen eine rechnerische Spiegelung der gemessenen Umrißkurven
an einer Geraden durchgeführt, die senkrecht zur eingeführten Vorzugsrichtung steht
und die durch die Mitte zwischen den beiden äußersten Punkten der gemessenen Umrißlinie
geht. In Figur 2 sind diese Spiegelgeraden 5 eingezeichnet; Figur 3 zeigt die gespiegelten
Lagen zu Figur 2. Bezeichnet man den oberen Teil der Umrißlinie mit f(x) und den
unteren Teil der Umrißlinie mit g(x) und wählt man als Koordinatenursprung x = 0
die Mitte zwischen den beiden äußersten Punkten der Umrißlinie, so erhält man nach
der Spiegelung als oberen Teil f(-x) und als unteren Teil g(-x). Erfindungsgemäß
werden die Differenzen A1(x) = f(x) - f(-x) und A2(x) = g(x) - g(-x) gebildet. In
Figur 4 sind-diese Differenzen für die in diesem Beispiel möglichen vier Lagen dargestellt.
Die Differenzen haben nur an den Stellen von 0 verschiedene Werte, an denen für
die Lageentscheidung relevante Umrißteilstücke vorhanden sind; sie eignen sich wegen
der Differenzbildung, bei der beispielsweise Ungenauigkeiten des Abbildungsmaßstabes
eliminiert werden, zur Erfassung kleiner Unterschiede in der Umrißlinie und ersparen
Rechenaufwand bei der weiteren Auswertung, da sie, im Gegensatz zur ursprünglichen
Umriß linie, in größeren Abschnitten zu O werden. Die beiden Differenzen A1 und
A2 genügen nicht, um alle Arten von Werkstücken in ihren möglichen Lagen zu unterscheiden.
In Figur 5 ist ein Werkstück in den beiden zu unterscheidenden Lagen1 in Figur 6
sind die dazugehörenden Differenzen A und A2(x) dargestellt. Die Differenzen verschwinden
wegen
der Symmetrie zur Spiegelgeraden. Zur Unterscheidung dieser beiden Lagen wird die
Differenz A3(X) = f(x) + g(x) - {f(x) + eingeführt, wobei mit(f(x)) der Mittelwert
der Funktion f(x) zwischen den äußersten Punkten der Umrißlinie bezeichnet ist.
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Die Differenz A3(X) ist in Figur 6 und in Figur 4 dargestellt.
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Die drei Differenzen A1(x), A2(x) und A3(x) sind zur Unterscheidung
der 4 möglichen Lagen aller länglichen Werkstücke geeignet.
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Als Rechenoperation zur Zuordnung der Funktionen al(x), A2(x) und
A3(X) zu den unterschiedlichen Lagen der Werkstücke eignet sich in bekannter Weise
die Kreuzkorrelation. In der Lernphase, in der das Erkennungsgerät auf ein neues
Werkstück eingestellt wird, werden von einem Musterwerkstück in einer Lage die drei
Funktionen A1(x), A2(x), 83(X) gebildet und als Referenzfunktionen im Speicher des
Erkennungsgerätes abgelegt. Die Referenzfunktionen für die übrigen Lagen erhält
man entweder ebenfalls durch Messung in der Lernphase, oder aus den Referenzfunktionen
der 1. Lage durch Vorzeichenumkehr und/oder Spiegelung an der Spiegelgeraden. Die
Referenzfunktionen haben für das Werkstück der Figur 2 die in Figur 4 dargestellte
Form. Die abgespeicherten Referenzfunktionen werden mit den dazugehörenden gemessenen
Differenzen A1(x), A2(x) und A3(x) korreliert; die Entscheidung erfolgt für diejenige
Lage des Werkstückes, für die die Summe der 3 Korrelationsfunktionen den größten
Wert annimmt.
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Neben der Korrelationsfunktion sind andere bekannte Verarbeitungsvorschriften
zur Lageermittlung aus den 3 Differenzfunktionen geeignet, beispielsweise Bildung
des Betrags der Differenz zwischen Referenzfunktion und gemessener Funktion, Ausnutzung
der Maxima und Minima der Funktionen A1.(x), Q2(x), A3(X) oder die Ermittlung der
Schwerpunkte oder der Lage einzelner Abschnitte dieser Funktionen.
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Von besonderer Bedeutung für praktische Anwendungen sind längliche
Werkstücke, die symmetrisch zur Längsachse sind, beispielsweise Drehteile wie in
Figur 1. Wird aus den beiden Umrißkurven fQx) und g(x) die Differenz d(x) gebildet,
oder diese Durchmesserkurve d(x) direkt gemessen, so ist die Information über die
beiden möglichen Lagen in dieser einen Funktion enthalten.
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In Figur 7 sind die Durchmesserkurven für die beiden Lagen des Werkstücks
von Figur 1 dargestellt. Für die Unterscheidung dieser beiden Lagen wird erfindungsgemäß
entsprechend der Differenz A1 die Differenz A4(x) = f(x) - g(x) - [f(-x) - g(-x)]
= d(x) - d(-x) gebildet. In Figur 8 sind die an den Spiegelgeraden gespiegelten
Kurven der Figur 7, in Figur 9 ist die Differenz A4(x) für die beiden Lagen dargestellt.
Bei diesen Teilen genügt also eine Funktion A4(x) zur Unterscheidung beider Lagen.
Die Funktion A4(x) unterscheidet sich für die beiden Lagen nur durch das Vorzeichen;
aus Symmetriegründen genügt os, nur eine Hälfte der Funktion zu verarbeiten. Als
Rechenoperation zur Entscheidung ist wieder die Kreuzkorrelation geeignet. Die Referenzfunktionen
für die beiden Lagen unterscheiden sich durch ihr Vorzeichen; aus Symmetriegründen
genügt es, nur eine Hälfte der Referenzfunktion abzuspeichern. Auch-in diesem Sonderfall
können anstelle der Bildung der Kreuz korrelation der Betrag der Differenz von Referenzfunktion
und gemessener Funktion A4(X) oder Formmerkmale der Funktion A4(X) verwendet werden.
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Grundsätzlich ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf längliche
Werkstücke beschränkt. Bei Werkstücken, die in mehreren diskreten Orientierungen
vorliegen, ist eine Vorzugsrichtung, beispielsweise die Richtung der Transportrinne
oder eines Anschlagwinkels, festzulegen. Für alle Lagen des Werkstückes werden die
Funktionen 1(x), A2(x), A3(x) gebildet, wobei die Spiegelgerade
senkrecht
zu der Vorzugsrichtung steht und durch die Mitte zwischen den beiden äuBersten Punkten
des Werkstücks, bezogen auf die Vorzugsrichtung, geht. Falls die Werkstücke Löcher,
Schlitze oder Einziehungen besitzen, so daß die beiden Teilkurven der Umrißkurve
mehrdeutig werden, können erforderlichenfalls weitere Paare von Teilkurven gebildet
werden, die in gleicher Weise verarbeitet werden.
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Werkstücke, deren Lagen sich nicht durch die Form ihrer Konturkurven
unterscheiden, sondern durch unterschiedliche Strukturen der Oberfläche innerhalb
der Konturkurven, können mit den bisher beschriebenen Verfahren nicht erkannt werden.
Für solche Werkstücke wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, zusätzlich die Grauwert-
oder Farbverteilung innerhalb der Konturkurve auszuwerten.
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Dazu wird eine rechnerische Spiegelung der gemessenen Grauwert-oder
Farbverteilung an einer Geraden durchgeführt, die in gleicher Weise senkrecht zur
eingeführten Vorzugsrichtung steht und die durch die Mitte zwischen den beiden äußersten
Punkten der Umrißlinie geht (vgl. Figur 2). Bezeichnet man die gemessene Grauwert-
oder Farbverteilung mit f(x,y), wobei die x-Soordinate in Vorzugsrichtung liegt
und der Koordinatenursprung in der Mitte zwischen den beiden äußersten Punkten der
Umrißlinie liegt, so erhält man nach der Spiegelung als Grauwert- oder Farbverteilung
f(-x,y). Die Funktion f(x,y) wird außerhalb der gemessenen Konturkurve zu null gesetzt.
Erfindungsgemäß wird das Differenzbild A(x,y) = f f(x,y) - f f(-x,y) gebildet. Dieses
Differenzbild hat an den Stellen von 0 verschiedene Werte, an denen für die Lageentscheidung
relevante Strukturen auf der Oberfläche des Werkstückes vorliegen. Es eignet sich
wegen der Differenzbildung zur Erfassung kleiner Unterschiede.
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Die weitere Verarbeitung des Differenzbildes A(x,y) erfolgt mit
den
bekannten Methoden der Bildverarbeitung, beispielsweise durch Bestimmung des Maximalwertes
der Funktion A(x,y) innerhalb eines in der Lernphase vorgegebenen Fensters oder
durch Korrelation mit einem in der Lernphase abgespeicherten Referenzbild.