DE10016195A1 - Vorrichtung zur optischen Erfassung oder/und Vermessung von Objekten - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung (10) zur optischen Erfassung oder/und Vermessung von Objekten (24) umfasst eine Kamera (12) und eine Beleuchungseinheit (14). Erfindungsgemäß weist die Beleuchtungseinheit (14) wenigstens eine Leuchtdiode (32) auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Erfassung oder/und Vermessung von Objekten, welche eine Kamera und eine Beleuchtungs­ einheit umfasst.

Derartige Vorrichtungen sind beispielsweise aus Anwendungen in der produ­ zierenden Industrie bekannt. Bei diesen Vorrichtungen nimmt die Kamera ein Bild eines zu vermessenden bzw. zu erfassenden Objektes im Gegenlicht der Beleuchtungseinheit auf, wobei sich das Objekt zwischen der Beleuchtungs­ einheit und der Kamera befindet und so wenigstens einen Teil der von der Beleuchtungseinheit in die Kamera einfallenden Lichtstrahlen verdeckt. Diese Anordnung erzeugt ein kontrastreiches Bild, was die Auswertung der so gewonnenen Bildinformationen durch digitale Bildverarbeitung erleichtert bzw. das Ergebnis der Auswertung verbessert. Einen wesentlichen Beitrag zur Qualität dieser Mess- und Erfassungssysteme leisten die verwendeten Beleuchtungseinheiten.

Als Lichtquelle in den Beleuchtungseinheiten werden üblicherweise Laser verwendet. Laser haben den Vorteil, ein flackerfreies, monochromatisches Licht auszusenden, wodurch zumindest ein Teil der möglichen Mess- bzw. Erfassungsfehler, wie z. B. chromatische Aberrationen, vermieden werden kann. Nachteilig ist jedoch, dass derartige Laser-Beleuchtungseinheiten in der Anschaffung sowie im Unterhalt teuer sind und darüber hinaus verhält­ nismäßig viel Bauraum einnehmen. Häufig steht jedoch, insbesondere beim Einsatz optischer Erfassungs- oder/und Vermessungsvorrichtungen zu Zwecken der Produktionssteuerung oder der Qualitätssicherung, nicht genügend Bauraum an den betreffenden Maschinen zur Verfügung, so dass eine Laser-Beleuchtungseinheit nur unter zusätzlichem Aufwand oder Inkaufnahme ungünstiger Betriebsbedingungen, wie z. B. lange Regel­ strecken, zum Einsatz kommen kann. Überdies muss bei einem Defekt der Laser-Beleuchtungseinheit die gesamte Beleuchtungseinheit ausgetauscht werden, was zu hohen Reparatur- bzw. Wiederbeschaffungskosten führt.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche in Anschaffung und Betrieb kostengünstig ist und welche auch bei eingeschränktem Platzangebot ohne weiteres eingesetzt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, deren Beleuchtungseinheit wenigstens eine Leucht­ diode umfasst. Die Eignung von Leuchtdioden als Lichtquellen in der Beleuchtungseinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vor allem aufgrund der geringen Intensität des von ihnen ausgestrahlten Lichts überraschend. Selbst Leistungs-Leuchtdioden können sich intensitätsmäßig nicht mit handelsüblichen leistungsschwachen Lasern messen. Zudem ge­ ben Leuchtdioden im Gegensatz zu Lasern kein streng monochromatisches Licht ab, was chromatische Abbildungsfehler begünstigt. Einzig und allein die von der Gleichspannungsversorgung herrührende Flackerfreiheit des abgestrahlten Lichts hätte für den Einsatz von Leuchtdioden sprechen können. Es ist das Verdienst des Erfinders, erkannt zu haben, dass Leuchtdioden gleichwohl in der Lage sind, die bei gattungsgemäßen Vorrichtungen an die Beleuchtungseinheit gestellten Anforderungen zu erfüllen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann somit beispielsweise dazu verwendet werden, um das Vorhandensein von Objekten an einem bestimm­ ten Ort zu überprüfen, oder um geometrische Abmessungen von gegen­ ständlichen Objekten quantitativ oder qualitativ zu bestimmen.

Um die von der Beleuchtungseinheit bereitgestellte leuchtende Fläche vergrößern und somit auch größere Objekte vermessen bzw. erfassen zu können, kann die Beleuchtungseinheit wenigstens einen Diffusor umfassen, der zwischen Leuchtdiode und Objekt angeordnet ist. Ein Diffusor, beispiels­ weise in Form einer Mattscheibe, streut das von der Leuchtdiode ausgesen­ dete Licht und kann so eine Leuchtfläche homogener Leuchtintensität an der Beleuchtungseinheit bereitstellen. Die Lichtintensität der Beleuchtungseinheit kann weiter erhöht werden, wenn man eine Mehrzahl von Leuchtdioden ein­ setzt, denen ein gemeinsamer Diffusor zugeordnet ist, beispielsweise eine im Handel erhältliche Flächen-Leuchtdiode, bei der mehrere Leuchtdioden mit einem gemeinsamen Diffusor in einer Baueinheit zusammengefasst sind.

Wie oben bereits angemerkt wurde, spielt der für den Einbau der Vor­ richtung zur Verfügung stehende Bauraum eine wesentliche Rolle. Eine verbesserte Ausnutzung dieses Bauraums kann durch eine größere Freiheit in der Orientierung der Beleuchtungseinheit erreicht werden. Dies ist bspw. möglich, wenn die wenigstens eine Leuchtdiode bzw. Flächen-Leuchtdiode einen Lichtkegelöffnungswinkel von ca. 120° aufweist.

Zwar ist grundsätzlich vorstellbar, dass die erfindungsgemäße optische Erfassungs- oder/und Vermessungsvorrichtung nach dem AuflichtVerfahren arbeitet. Im Hinblick auf ein gutes Mess- bzw. ein sicheres Erfassungs­ ergebnis ist aufgrund des höheren Bildkontrast jedoch das Gegenlicht­ verfahren bevorzugt, bei welchem die Kamera und die Beleuchtungseinheit derart angeordnet sind, dass die Kamera ein zu vermessendes oder/und zu erfassendes Objekt im Gegenlicht der Beleuchtungseinheit aufnimmt. Dies schließt auch den Einsatz von Spiegeln ein. So ist es beispielsweise möglich, Kamera und Beleuchtungseinheit auf der gleichen Seite des Objektes anzuordnen und das von der Beleuchtungseinheit abgestrahlte Licht durch einen in Kamerablickrichtung hinter dem zu vermessenden Objekt angeordneten Spiegel als Gegenlicht zur Kamera zurückzuwerfen. Bevorzugt sind Kamera und Beleuchtungseinheit jedoch einander gegenüber­ liegend und im Wesentlichen aufeinander zu weisend angeordnet, da so die Lichtausbeute der Beleuchtungseinheit weiter erhöht werden kann.

Als Kamera kann beispielsweise eine elektronische Kamera, vorzugsweise eine CCD-Kamera oder auch eine Zeilenkamera, verwendet werden. Weiter­ hin kann die Kamera mit Objektiven mit fester Brennweite oder mit veränderbarer Brennweite oder mit telezentrischen Objektiven betrieben werden. Eine Auswahl der Objektive erfolgt in Abhängigkeit von der gestellten Aufgabe. So kann beispielsweise für das bloße Erfassen, d. h. die Feststellung, ob ein Bauteil vorhanden ist oder nicht, ein herkömmliches Objektiv mit fester Brennweite eingesetzt werden. Ein Objektiv mit veränderbarer Brennweite kann beispielsweise dann zum Einsatz kommen, wenn Bauteile unterschiedlicher Größe zu vermessen sind, während dann, wenn eine hohe Genauigkeit des Messergebnisses gefordert wird, vorteil­ hafterweise ein telezentrisches Objektiv eingesetzt werden kann. Sollte es ferner im Betrieb der Beleuchtungseinheit zu Spannungsschwankungen kom­ men, welche sich in Lichtintensitätsschwankungen der wenigstens einen Leuchtdiode bzw. Flächen-Leuchtdiode auswirken, können diese über die Kamera korrigiert werden.

Zur Sicherstellung eines einfachen Einbaus sowie eines einfachen An­ schlusses an eine Gleichstromversorgung kann die wenigstens eine Leucht­ diode bzw. die Flächen-Leuchtdiode auf einer Leiterplatte angeordnet sein, beispielsweise mit dieser mittels eines an der Leiterplatte angebrachten Sockels lösbar verbunden sein. Vorzugsweise wird als Sockel ein für die Anbringung von integrierten Schaltkreisen üblicher Sockel (IC-Sockel) verwendet. Auf diese Art und Weise kann eine einfache Austauschbarkeit der wenigstens einen Leuchtdiode bzw. der Flächen-Leuchtdiode im Schadensfall erreicht werden.

Die Beleuchtungseinheit kann ferner ein Gehäuse mit einer Aussparung zur Aufnahme der wenigstens einen Leuchtdiode bzw. Flächen-Leuchtdiode aufweisen, um so die wenigstens eine Leuchtdiode bzw. Flächen-Leucht­ diode vor einer aggressiven Umgebung, beispielsweise in Form heißer Späne, Kühl- oder Flussmittelspritzer, schützen zu können, wie sie im Umfeld von Bearbeitungsmaschinen häufig anzutreffen ist. Weiterhin kann durch ein derartiges Gehäuse die Beleuchtungseinheit als kompakte Baueinheit bereitgestellt werden, in der alle funktionswesentlichen Elemente aufgenommen sind. Dazu kann an dem Gehäuse ein Anschlusselement, wie z. B. ein Anschlussstecker oder eine Anschlussbuchse, zur Versorgung der Beleuchtungseinheit mit elektrischem Strom vorgesehen sein. Somit kann der Einsatzbereich der Beleuchtungseinheit erweitert werden, da je nach Einsatzbedingungen, wie z. B. vorhandener Bauraum, eine an die Beleuch­ tungseinheit anschließbare elektrische Leitung mit abgestimmter Länge oder geeigneter Abschirmung bereitgestellt und angeschlossen werden kann.

Das Gehäuse kann mehrteilig ausgeführt sein, um den Zugang zum Gehäuseinneren, etwa im Reparatur- oder Wartungsfall, zu erleichtern. Vorzugsweise umfasst das Gehäuse einen Grundkörper und eine daran anbringbare und davon abnehmbare Abdeckhaube. Im letztgenannten Fall kann das Gehäuseinnere durch einfaches Abziehen der Abdeckhaube vom Grundkörper zugänglich gemacht werden.

Vorteilhaft kann das Gehäuse zumindest teilweise aus Kunststoff gefertigt sein. In zahlreichen Anwendungsfällen wird an Produktionsmaschinen mit Flussmitteln gearbeitet, die Metalle, jedoch nicht Kunststoffe in ihrer Beständigkeit angreifen. Besonders bevorzugt kann das Gehäuse aus Kunst­ stoffrohren bzw. Kunststoffstangen gefertigt sein, da die Beleuchtungs­ einheit dann mittels Normhalterungen an einer übergeordneten Baueinheit befestigt werden kann. Die Fertigung einer Aufnahme bzw. Befestigungs­ vorrichtung eigens für die Beleuchtungseinheit kann somit entfallen. Als Normhalterungen kommen beispielsweise die in der Fachwelt als "Kanya- Profile" oder "Bosch-Profile" bekannten Standardelemente in Frage. Diese Normteile weisen häufig kreiszylindrische Aufnahmen auf, in denen Rohre bzw. Stangen einfach und sicher festgelegt werden können. Darüber hinaus kann bei Verwendung eines zumindest teilweise aus Kunststoff bestehenden Gehäuses ein Großteil der ansonsten für die elektrischen Anschlüsse im Gehäuseinneren notwendigen Isolierungen entfallen.

Häufig werden optische Erfassungs- oder/und Vermessungsysteme an Ferti­ gungs- oder Montageanlagen eingesetzt, beispielsweise zur Prozessüber­ wachung oder zur Qualitätssicherung. Da der besondere Vorteil und Wert der Erfindung in ihrer Kombination mit bzw. in ihrer Integration in Produktionsmaschinen liegt, wird für diesen Aspekt unabhängiger Schutz angestrebt. Mit dem Begriff "Produktionsmaschine" sollen sowohl Ferti­ gungsmaschinen, d. h. Material umformende oder urformende Maschinen, als auch Montagemaschinen und -anlagen bezeichnet sein. Vorteilhaft kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in die Steuerung bzw. Regelung einer Produktionsmaschine oder -anlage einbezogen werden. Dazu kann diese eine Steuereinheit umfassen, die Vorgänge an der Produktionsmaschine bzw. -anlage in Abhängigkeit des Ergebnisses der optischen Erfassung oder/und Vermessung der Objekte durch die erfindungsgemäße Vorrichtung steuert bzw. regelt. Die dabei zu messenden Objekte können gefertigte Zwischenprodukte, Endprodukte oder für die Fertigung eingesetzte Werkzeuge, insbes. Schneidwerkzeuge, sein. Beispielsweise kann die Produktionsmaschine bzw. -anlage eine Maschine bzw. Anlage zur Herstellung von Federn oder Schrauben sein.

Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert werden. Es stellt dar:

Fig. 1 eine grob schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur optischen Erfassung oder/und Vermessung von Objekten im Einsatz an einem Federnautomat,

Fig. 2 einen Längsschnitt einer Beleuchtungseinheit der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung,

Fig. 3 einen Querschnittsansicht entlang der Linie III-III der in Fig. 2 gezeigten Beleuchtungseinheit,

Fig. 4 eine Teilansicht der Vorderseite der in Fig. 2 gezeigten Beleuchtungseinheit.

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur optischen Erfassung oder/und Vermessung von Objekten allgemein mit 10 bezeichnet. Die Vor­ richtung umfasst eine CCD-Kamera 12 und eine Beleuchtungseinheit 14. Die CCD-Kamera 12 ist über ein Stativ 16, welches in einem Sockel 18 aufge­ nommen ist, höhenverstellbar an einem Federnautomaten 20 angeordnet. Der Federnautomat 20 gibt an einer Produktausgabeöffnung 22 eine Schraubenfeder 24 mit Vorschubrichtung F senkrecht zur optischen Achse A der Kamera 12 aus.

Die Beleuchtungseinheit 14 ist in Blickrichtung der Kamera 12, d. h. in Richtung der optischen Achse A, von der Kamera 12 aus betrachtet hinter der Schraubenfeder 24 angeordnet. Sie umfasst ein Gehäuse 26, bestehend aus einem Grundkörper 28 und einer Abdeckhaube 30, welche beide aus einem Kunststoff, wie z. B. Polycarbonat, hergestellt sind. Am oberen Ende der Beleuchtungseinheit 14 ragt eine Flächen-Leuchtdiode 32 aus dem Gehäuse 26 in Richtung auf die Kamera 12 zu heraus. Am unteren Ende des im Wesentlichen kreiszylindrischen Grundkörpers 28 ist eine Anschluss­ buchse 34 angeordnet, auf die ein mit einer Gleichspannungsquelle 36 verbundener Stecker 38 aufgesteckt ist. Die Gleichspannungsquelle 36 liefert die von der Flächen-Leuchtdiode 32 benötigten 5 V und 20 mA.

Am Federnautomaten 20 ist ein sogenanntes "Kanya-Profil" 40 über zwei Schrauben 42 und 44 an eine Wand des Federnautomaten 20 angeflanscht. Das Kanya-Profil 40 weist eine kreiszylindrische Ausnehmung 46 auf, die den Grundkörper 28 der Beleuchtungseinheit 14 umgreift. Weiterhin ist das Kanya-Profil 40 an seiner von der Befestigungsstelle weg weisenden Seite geschlitzt ausgeführt, so dass der Grundkörper 28 durch Festziehen der Schraube 48 in der kreiszylindrischen Ausnehmung 46 des Kanya-Profils 40 durch Klemmen festgelegt werden kann.

Eine nicht dargestellte Steuereinheit des Federnautomaten 20 ist derart mit einer nicht dargestellten Auswerteeinheit der Vorrichtung 10 gekoppelt, dass der Federnautomat 20 den Vorschub der Feder 24 in Richtung F stoppt und die Feder 24 vom Federdraht trennt, wenn die Vorrichtung 10 erfasst, dass das vorauseilende Federende die Höhe h erreicht hat.

In Fig. 2 ist eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinheit 14 im Längsschnitt gezeigt. Im Grundkörper 28 ist dabei an dessen unterem Ende eine Ausneh­ mung 50 eingearbeitet, in der der Anschlussstecker 34 eingesetzt ist. An den Kontaktstellen 52 des Anschlusssteckers 34 ist ein Kabel 54 angelötet, welches durch eine Bohrung 56 mit kleinerem Durchmesser als die Ausneh­ mung 50 zu einer Aussparung 58 am oberen Ende des Grundkörpers 28 hin­ durchgeführt ist. In dieser Ausnehmung 58 ist die Flächen-Leuchtdiode 32 eingesetzt. Die Flächen-Leuchtdiode 32 ist auf einen IC-Sockel 60 aufge­ steckt, welcher wiederum auf eine Platine 62 aufgelötet ist. Die Platine 62 ist mit dem Kabel 54 verbunden, so dass eine Stromversorgung der Flächen- Leuchtdiode 32 über den Stecker 34, Kontaktelemente 52, Kabel 54, Platine 62 und IC-Sockel 60 gewährleistet ist.

An dem Leuchtdioden-seitigen Ende des Grundkörpers 28 ist die im Wesent­ lichen topfartige Abdeckhaube 30 auf diesen aufgesetzt. Der Innendurch­ messer der Abdeckhaube 30 entspricht im Wesentlichen dem Außendurch­ messer des Grundkörpers 28. An der Abdeckhaube 30 ist eine Ausnehmung 64 vorgesehen, welche in ihrer Abmessung den Außenabmessungen der Flächen-Leuchtdiode 32 angepasst ist. Die Abdeckhaube 30 kann einfach von dem Grundkörper 28 abgezogen werden, wodurch, wie in Fig. 2 er­ sichtlich ist, die Flächen-Leuchtdiode zugänglich wird.

In Fig. 3 ist zu sehen, dass der im Wesentlichen kreiszylindrische Grundkör­ per 28 an seiner der Flächen-Leuchtdiode 32 diametral gegenüberliegenden Außenseite eine ebene Fase 66 aufweist. Diese Fase 66 kann beispielsweise als Anlagefläche an eine Gegenfläche dienen, um die Beleuchtungseinheit 14 bezüglich ihrer Abstrahlrichtung definiert zu orientieren.

Der Austausch der Flächen-Leuchtdiode 32 kann auf einfache Art und Weise wie folgt erfolgen:

• - Abnehmen der Abdeckhaube 30 vom Grundkörper 28,
• - Abziehen der Flächen-Leuchtdiode 32 vom IC-Sockel 60,
• - Aufstecken einer neuen funktionsfähigen Flächen-Leuchtdiode auf den IC-Sockel 60, und
• - Aufschieben der Abdeckhaube 30 auf den Grundkörper.

Claims (14)

1. Vorrichtung (10) zur optischen Erfassung oder/und Vermessung von Objekten (24), umfassend

• - eine Kamera (12) und
• - eine Beleuchtungseinheit (14)

dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinheit (14) wenig­ stens eine Leuchtdiode (32) umfasst.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinheit (14) wenig­ stens einen Diffusor umfasst, der zwischen Leuchtdiode (32) und Objekt (24) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinheit (14) eine Mehrzahl von Leuchtdioden mit einem gemeinsamen Diffusor umfasst, die vorzugsweise zu einer Flächen-Leuchtdiode (32) zusammengefasst sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (12) und die Beleuchtungs­ einheit (14) derart angeordnet sind, dass die Kamera (12) ein zu vermessendes oder/und zu erfassendes Objekt (24) im Gegenlicht der Beleuchtungseinheit (14) aufnimmt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (12) und die Beleuchtungs­ einheit (14) einander gegenüberliegend und im Wesentlichen aufeinander zu weisend angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Leuchtdiode (32) bzw. die Flächen-Leuchtdiode (32) von einer Leiterplatte (62) getragen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Leuchtdiode (32) bzw. die Flächen-Leuchtdiode (32) mittels eines an der Leiterplatte (62) angebrachten Sockels (60), vorzugsweise eines IC-Sockels (60), lösbar mit der Leiterplatte (62) verbunden ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinheit (14) ferner ein Gehäuse (26) mit einer Aussparung (58) zur Aufnahme der wenigs­ tens einen Leuchtdiode (32) bzw. Flächen-Leuchtdiode (32) aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Gehäuse (26) ein Anschluss­ element (34) zur Versorgung der Beleuchtungseinheit (14) mit elektrischem Strom vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (26) mehrteilig ausge­ führt ist, vorzugsweise mit einem Grundkörper (28) und einer daran anbringbaren Abdeckhaube (30).

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (26) zumindest teilweise aus Kunststoff gefertigt ist.

12. Produktionsmaschine (20) mit einer Vorrichtung (10) zur optischen Erfassung oder/und Vermessung von Objekten (24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

13. Produktionsmaschine (20) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Steuereinheit umfasst, die Vorgänge an der Produktionsmaschine (20) in Abhängigkeit des Ergebnisses der optischen Erfassung oder/und Vermessung der Objekte (24) durch die Vorrichtung (10) zur optischen Erfassung oder/und Vermessung steuert bzw. regelt.

14. Produktionsmaschine (20) nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Produktionsmaschine (20) eine Maschine (20) zur Herstellung von Federn (24) oder Schrauben ist.