DE102005032244A1

DE102005032244A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Fehlerdetektierung an einer Kante

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Publication number: DE102005032244A1
Application number: DE200510032244
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr. rer. nat. Kraus; Roman Dr.-Ing. Louban; Thorsten Dipl.-Ing. Ulrich (FH)
Original assignee: HEMA ELECTRONIC GmbH
Current assignee: LOUBAN, ROMAN, DR., 74564 CRAILSHEIM, DE
Priority date: 2005-07-09
Filing date: 2005-07-09
Publication date: 2007-01-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur schnellen, kontinuierlichen und lückenlosen produktionsmäßigen Qualitätsprüfung einer Kante. Die Kante (6) wird mit einem Flächensensor (3) mit einzeln adressierbaren Zeilen aufgenommen, wobei aufgrund der hohen Vorschubgeschwindigkeit der Prüfteile nur die parallel zur Laserlinie (4) ausgerichtete und der Kantenhöhenlage entsprechende Zeile (5) des Flächensensors ausgelesen wird, welche bei fehlerfreiem Kantenverlauf die gestreute Laserlinie beinhalten sollte. Damit bewirken Fehlstellen (8) im Kantenverlauf, welche eine Höhen- bzw. eine Rauhigkeitsänderung des Kantenprofils aufweisen, in der mit dem Sensor aufgenommenen Zeile (12) eine laterale Verschiebung der Startposition (15) oder einen Intensitätsabfall (16) der gestreuten Laserlinie. Eine spezielle morphologische Filterung des ermittelten Kurvenverlaufs der Kante, welche auf dem Prinzip der mechanischen Abtastung und Umhüllung basiert, ermöglicht eine präzise Fehlerbewertung, bei der lokale Fehlstellen wie Kantenausbrüche bzw. Randbeschädigungen sensitiv bewertet werden können und langgezogene Welligkeiten oder ein kontinuierlicher Drift in der Kantenposition kompensiert werden können.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die lückenlose Erkennung eines Fehlers (Beschädigung) an einer schnell vorbeilaufenden Kante. Diese kann beispielsweise an einer industriell gefertigten Kante im produktionsmäßigen Durchlauf bzw. Rotation eines platten- bzw. scheibenförmigen Prüfteils stattfinden. Die Qualitätskontrolle eines Kantenprofils spielt heutzutage eine immer größere Rolle bei der industriellen Herstellung von Kantenprofilen, welche durch Umformung, Zuschnitt oder Anbringen einer Oberflächenbeschichtung, beispielsweise bei furnierten bzw. beschichteten Spanplatten in der Möbelherstellung, gefertigt werden. Dabei können Fehlstellen, Kantenausbrüche, geometrische Unregelmäßigkeiten und Aufrauungen durch einen kontinuierlich anwachsenden Verschleiß der Bearbeitungswerkzeuge entstehen.

Zur Bestimmung der Position einer Kante und damit ihrer Qualitätsprüfung sind verschiedene Prüfanordnungen bekannt. Bei den berührungslosen Verfahren haben sich die optischen Prüfverfahren durchgesetzt. Dabei unterscheidet man im Wesentlichen zwei verschiedene Anordnungen: Durchlichtverfahren und Lichtschnitt- bzw. Triangulationsverfahren.

Beim Durchlichtverfahren ( DE 19960653 A1 , DE 19758214 A1 ) wird das zu prüfende Objekt senkrecht zum Kantenverlauf mit einer lichtschrankenartigen Lichtquellen-Sensor-Anordnung beleuchtet und aus dem Beugungsbild sehr präzise die Position der Kante bestimmt. Dieses Verfahren ist zur Erkennung von kleinen Ausbrüchen direkt an der Kante ungeeignet, da es sich bei den Prüfobjekten nicht um dünne Folien, sondern um Objekte mit einer nicht zu vernachlässigenden Dicke im Zentimeterbereich handelt. Dadurch ist unterhalb des eigentlichen Kantenausbruchs noch genügend Material vorhanden, so dass das Objekt mit und ohne beschädigter Kante im Durchlichtverfahren eine unveränderte Kantenposition aufweist.

Höhenmessverfahren werden mit Triangulations-Sensoren bzw. Laser-Abstandssensoren ( DE 4315264 A1 , EP 1160537 A2 ) angewandt, bei denen der Abstand eines Objekts mit einem senkrecht über der Oberfläche des Objekts angeordneten positionsempfindlichen Sensor und einem in einem Winkel auf die Objektoberfläche projizierten Laserspot gemessen wird. Bei unterschiedlicher Höhenlage kommt es zu einer lateralen Verschiebung des Laserpunkts auf dem Sensor. Je flacher der Einfallswinkel des Laserspots, desto größer ist die bei einer Höhenänderung zu beobachtende Verschiebung des Punktes. Objekte können in dieser Anordnung Punktweise vermessen werden. Zur Fehlerdetektierung an einer Kante muss allerdings der Laserspot exakt auf die Position der Kante ausgerichtet sein. Dies ist unter industriellen Bedingungen kaum möglich, da bereits eine leichte laterale Verschiebung der Kantenlage gegenüber der Position des Laserspots durch Vibrationen oder Seitwärtsbewegungen aufgrund eines unpräzisen Seitenanschlags zu einer Dejustage und damit automatisch zu Fehlfunktionen führt.

Stand der Technik ist es seit einigen Jahrzehnten, Höhenprofile nach dem Lichtschnittverfahren zu vermessen. Eine frühe Anwendung dieses Verfahrens ist beispielsweise das Lichtschnittmikroskop von Carl Zeiss ( DE 915156 B ). In der 3D-Messtechnik werden heutzutage vorzugsweise Laser in Verbindung mit modernster Kameratechnik eingesetzt. Das Laserlichtschnittverfahren ist ein Verfahren zur Profilmessung in einer Schnittebene. Nach dem Triangulationsprinzip registriert eine senkrecht über einem Objekt angeordnete Flächenkamera den lateralen Versatz bzw. die Verformung einer in einem Winkel auf die Objektoberfläche projizierten Laserlinie. Laserlinie und Kamera können dabei in ihrer Anordnung auch vertauscht werden. Das gesuchte Höhenprofil wird aus der Abweichung der Laserlinie von der Nulllage berechnet. Voraussetzung für die Anwendung des Lichtschnittverfahrens ist eine zumindest anteilig diffus reflektierende Oberfläche des Objekts.

Die gesamte profilierte Oberfläche bzw. das komplette Kantenprofil lässt sich durch eine Lateralbewegung des Objekts unter der Kamera quer zur Laserlinie schrittweise scannen. Aus jedem einzelnen Kamerabild erhält man das entsprechende Profil an der Stelle, welche gerade von der Laserlinie beleuchtet wird. Dies entspricht durch die Fokussierung des Lasers typischerweise einer Länge in der Größenordnung von 1/100 bis 1/10 mm. Bei ausgedehnten Prüfteilen mit einer Kantenlänge im Bereich von mehreren Metern sind für eine kontinuierliche lückenlose Fehlerprüfung sehr viele Aufnahmen notwendig. Das Auslesen und Auswerten der kompletten Flächenbilder lässt aber trotz hoher Rechenleistung eine lückenlose Prüfung bei hohen Durchlaufgeschwindigkeiten kaum zu.

Bei einer Prüfung mit fester Schrittweite zur Takterhöhung werden dagegen kleine Fehler nur zufällig getroffen, was nur bei häufig auftretenden Fehlern zu einer statistisch ausreichenden Fehlererkennung führt.

Mit den genannten Verfahren, die als Stand der Technik gelten, lässt sich zwar die Höhe an verschiedenen Positionen eines Objektes sehr exakt bestimmen. Weiterhin sind diese Verfahren auch sehr flexibel gegenüber Höhenänderungen individueller Objekte an sich, so dass unterschiedlichste Objektformen bzw. Kantenformen vermessen werden können ( EP 0778462 A2 ). Nachteilig daran ist, dass diese Verfahren nicht auf Hochgeschwindigkeitsprüfungen ausgelegt sind. Entweder sind sie relativ langsam oder eine Schrittweite wird gewählt, die permanent Bereiche der Kante überspringt, und damit keine lückenlose Prüfung zulässt.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur kontinuierlichen lückenlosen Qualitätsprüfung einer Kante unter hoher Durchlaufgeschwindigkeit zu schaffen.

Zur Kantenprüfung bei schneller Vorschubgeschwindigkeit ist ein positionsempfindlicher Zeilensensor (z.B. CCD-Zeilenkamera) aufgrund der mehr als hundertfach höheren Auslesefrequenz sehr viel besser geeignet als ein für das Lichtschnittverfahren sonst üblicher Flächensensor. Zeilensensor und Laser sind wie beim Lichtschnittverfahren in einem Winkel gegeneinander auf die Kante senkrecht zur Bewegungsrichtung ausgerichtet. Die Zeilenkamera ist dabei entgegen der bekannten Triangulationsanordnung parallel zum Verlauf der Laserlinie orientiert. Zeilensensor und Laserlinie sollen so auf die Kante ausgerichtet werden, dass das an der Kantenfläche diffus gestreute Licht der Laserlinie bei fehlerfreien Prüfteilen der vorgegebenen Dicke von dem Zeilensensor direkt erfasst wird. Eine Höhenänderung der Kantenfläche führt automatisch zu einem lateralen Versatz zwischen der Lage der Laserlinie und des Zeilensensors. Die gestreute Laserlinie wird vom Zeilensensor nicht mehr erfasst. Bei einer seitlichen Verschiebung der Kantenposition bleibt die gestreute Laserlinie im Erfassungsbereich des Sensors, nur die Startposition innerhalb der Zeile verschiebt sich. Bei einer Rauhigkeitsänderung der Objektoberfläche ändert sich die Intensität der diffusen Streuung entlang des Linienverlaufs innerhalb der aufgenommenen Zeile. Mit der entgegengesetzten Anordnung der Zeilenkamera senkrecht zu Laserlinie könnte zwar die als stabil vorausgesetzte absolute Höhenlage des Prüfteils exakt ermittelt, nicht aber Fehlstellen an der Kante selbst detektiert werden, für den Fall, dass die Seitenlage des Kantenverlaufs leicht variiert. Ändert sich die Dicke der Prüfteile (z.B. beim Chargenwechsel), so muss die optische Prüfeinheit (Laser und Sensor) mechanisch an den neuen Abstand zu Kantenoberfläche angepasst werden.

Dieser beschriebene Aufbau für das Laserlichtschnittverfahren mit einem Zeilensensor ist für eine kontinuierliche lückenlose Fehlerdetektierung einer ebenen Kante unter schneller Vorschubgeschwindigkeit ideal. Allerdings ist diese Anordnung für den produktionsmäßigen Einsatz durch die starre Position des Zeilensensors und die relativ aufwendige Justage der optische Prüfeinheit unflexibel und damit nur bedingt einsetzbar.

Eine Lösung des technischen Problems, welche die Vorteile der hohen Bildrate von Zeilensensoren ausnutzt, und dazu wesentlich flexibler auf Änderungen der Höhenlage der zu prüfenden Kanten reagiert, ergibt sich durch die Merkmale der Patentansprüche 1 bis 8.

Gemäß Anspruch 1 kann eine schnelle, kontinuierliche und lückenlose Qualitätsprüfung einer Kante mit Hilfe eines Flächensensors mit einzeln adressierbaren Zeilen durchgeführt werden, wobei nur die parallel zur Laserlinie ausgerichtete und der Kantenhöhenlage (Dicke der Prüfteile) entsprechende Zeile des Flächensensors ausgelesen wird, welche bei fehlerfreiem Kantenverlauf die gestreute Laserlinie enthalten sollte. Fehlstellen im Kantenverlauf, die eine lokale Höhen- bzw. Rauhigkeitsänderung des Kantenprofils aufweisen, bewirken in der mit dem Flächensensor aufgenommenen Zeile eine laterale Verschiebung der Startposition oder einen Intensitätsabfall der gestreuten Laserlinie. Die einzelne Zeile des Flächensensors (z.B. CMOS-Flächenkamera) wird dabei als virtueller flexibler Zeilensensor verwendet. Flexibilität und Stabilität des Verfahrens werden dadurch erreicht, dass bei einer definierten Änderung der Höhenlage der zu prüfenden Kante bzw. der Dicke der Prüfteile nur eine Korrektur der Adresse der auszulesenden Zeile des Flächensensors erfolgt und nicht, wie beim Aufbau mit einer starr befestigten Zeilenkamera, eine mechanische Anpassung an die neue Höhenlage vorgenommen werden muss.

Die Zuordnung zwischen Prüfteilhöhe und entsprechender Adresse der auszulesenden Zeile des Flächensensors erfolgt gemäß Anspruch 2 in einem separaten Justagedurchlauf, bei dem die exakten Positionen der gestreuten Laserlinie aus sämtlichen Zeilen des Flächensensors entsprechend der verwendeten Dicken der Prüfobjekte ermittelt werden. Diese Zuordnung kann beispielsweise in einer Look-Up-Tabelle verwaltet werden, auf die bei einer Dickenänderung der Prüfteile während der Kanteninspektion automatisch ein Zugriff erfolgt. Dadurch ist es möglich die optische Prüfeinheit bei einer Dickenänderung der Prüfteile durch eine Korrektur der Adresse der auszulesenden Zeile dynamisch während der Kantenprüfung anzupassen. Dies kann beispielsweise durch die Anwahl fest vorgegebener Prüfteildicken oder durch eine separate schrittweise Dicken- bzw. Abstandsprüfung im Durchlauf der Prüfteile erfolgen.

Gemäß Anspruch 3 können in speziellen Fällen zusätzlich zur definierten Zeile des Flächensensors die dazu unmittelbar benachbarten Zeilen ausgelesen werden, aus denen eine einzelne gemittelte Zeile erzeugt wird. Sie soll als einzelne virtuelle Zeile benutzt werden. Dies ist beispielsweise erforderlich, falls die optische Auflösung des Sensors kleiner als die Linienbreite der Laserlinie gewählt werden sollte.

Die Erkennung eines Kantenfehlers erfolgt über die kontinuierliche Bestimmung der jeweiligen Kantenposition, welche aus der Startposition der gestreuten Laserlinie innerhalb einer einzeln aufgenommenen Zeile unter Berücksichtigung der gestreuten Intensität bei einer Rauhigkeitsänderung der Kantenoberfläche ermittelt wird. Bei einem exakt geradlinigen Verlauf der Kante können Fehlstellen bei einer Abweichung von der Normlage unmittelbar aus den einzelnen aufgenommenen Zeilen erkannt werden. Für eine Klassifizierung der Fehlstellen in Abhängigkeit der ermittelten Fehlergröße und Fehlerform in verschiedene Fehlertypen wird gemäß Anspruch 4 eine Kurve für den Kantenverlauf aus den einzeln ermittelten Startpositionen zusammengesetzt, an der die weiterführende Fehlerbewertung stattfinden soll. Die Kurve kann sich dabei auch nur über Teilbereiche des kompletten Kantenverlaufs erstrecken. Dadurch ist eine Unterscheidung von kleinen lokalen Fehlern zu größeren Fehlern, welche sich über mehrere Zeilen erstrecken, möglich. Desweiteren wird eine höhere Flexibilität erreicht, da nicht mehr die absolute Lage der Startposition der gestreuten Linie in der Zeile zur Fehlererkennung zwingend erforderlich ist.

Gemäß Anspruch 5 wird alternativ aus mehreren mit dem Flächensensor einzeln aufgenommenen Zeilen ein Bild zusammengesetzt, welches sich dabei auch nur über Teilbereiche des kompletten Kantenverlaufs erstrecken darf, auf dem die Ermittelung der Lage der Kante und eine weiterführende Fehlererkennung stattfinden soll. Bei diesem Verfahren können bereits bekannte konturverfolgende Kantenerkennungsalgorithmen angewandt werden.

Gemäß Anspruch 6 soll eine Approximation des ermittelten Kantenverlaufs mit einer mathematisch beschreibbaren Kurve (z.B. Gerade, Kreisbogen, Polygonzug) durchgeführt werden, um eine präzise Fehlerbewertung sowie eine geometrische Kontrolle der Kante zu ermöglichen. Dadurch können Prüfteile mit einer von einem exakt geradlinigen Kantenverlauf abweichender Form geprüft werden oder ein Drift der Kantenposition der Prüfteile durch eine unzureichende mechanische Führung kompensiert werden. Zur Fehlerbewertung wird der gemessene Kurvenverlauf mit dem approximierten oder vordefinierten Kurvenverlauf der Kante verglichen. Die entsprechenden Fehlerbreiten ergeben sich aus den lateralen Abweichungen der beiden Kurvenverläufe zueinander.

Gemäß Anspruch 7 soll zur optimalen Approximation und Glättung des Kurvenverlaufs der ermittelten Kante eine Anwendung der eindimensionalen morphologischen Filterung verwendet werden. Aus einer Kombination von verschiedenen morphologischen Operationen, wie z.B. Erosionen und Dilatationen kann der ermittelte Kurvenverlauf der Kante in verschiedenen Graden geglättet werden, wobei Rauschen weitestgehend unterdrückt wird, Form und Lage von charakteristischen Merkmalen wie z.B. Plateaus und Kanten dagegen unverändert bleiben. Diese Filterung verursacht im Gegensatz zu konventionellen Filterungsmethoden keine Verfälschungen der zu untersuchenden Kurve und erlaubt damit eine fehlerfreie Kurvendiskussion. Bei konventionellen Filterungsmethoden, wie beispielsweise nach dem Prinzip der Mittellinienfilterung bzw. der Approximation mit Exponentialfunktionen, werden scharfe Kanten im Kurvenverlauf nur verschmiert bzw. fälschlicherweise mit Überschwingern wiedergegeben.

Gemäß Anspruch 8 kann der ermittelte Kurvenverlauf der Kante durch Anwendung einer speziellen morphologischen Filterung, die auf dem Prinzip der mechanischen Abtastung und Umhüllung basiert, in die charakteristischen Anteile wie beispielsweise Kurvenrauhigkeit und Kurvenwelligkeit zerlegt werden. Damit kann eine Fehlerbewertung durchgeführt werden, die sensitiv auf lokale Fehlstellen wie Kantenausbrüche bzw. Randbeschädigungen ist und langgezogene Welligkeiten oder einen kontinuierlichen Drift in der Kantenposition kompensiert. Dadurch können auch bei ungenauer Seitenführung der Prüfteile kleine Fehler wie Ausbrüche erkannt werden, deren Fehlerbreite sehr viel kleiner als die absolute Amplitude der Schwankungen in der Toleranz der Seitenführung ist.

Durch die hier genannte Vorrichtung und das entsprechende Verfahren zur schnellen lückenlosen Fehlerdetektierung an einer Kante kann sowohl auf die langsame bzw. lückenhafte Kantenprüfung nach dem herkömmlichen Lichtschnittverfahren, als auch auf das für die Fehlererkennung unzureichende Durchlichtverfahren verzichtet werden.

Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die anhand der Zeichnungen 1–8 näher erläutert werden. Dabei bilden die beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung.
Als Beispiel kann angenommen werden, dass ein langes plattenförmiges Prüfteil 1 in Vorschubrichtung 2 unter dem Prüfsystem bestehend aus Flächensensor mit einzeln adressierbaren Zeilen 3 (im weiteren Verlauf als flexibler virtueller Zeilensensor bezeichnet) und Laserlinie 4 durchgefahren wird. 1 zeigt dabei die Schrägansicht, 2 bzw. 3 die Seiten- bzw. Frontansicht des Aufbaus. Der virtuelle Zeilensensor bestehend aus einer einzelnen Bildzeile des Flächensensors 3 ist senkrecht über der zu prüfenden Kante 6 mit der Kantenfläche 7 des Prüfteils 1 angebracht. Der Laser 4 ist dazu in einen Winkel gemäß dem Triangulationsprinzip verkippt. Laser und Zeilenkamera können auch in ihrer Position vertauscht sein. Des weiteren kann die optische Prüfeinheit 3, 4 ebenso unterhalb und bei einem festen präzisen Seitenanschlag auch an der Seite der Prüfobjekts angebracht werden.
Der flexible virtuelle Zeilensensor 3 und die Laserlinie 5 sind senkrecht zur Bewegungsrichtung 2 des Prüfteils angeordnet. Die optische Prüfeinheit 3, 4 wird bei der Justage so ausgerichtet, dass bei der vorgegebenen Objektdicke die auf die Kantenfläche 7 projizierte Laserlinie 5 innerhalb des Messbereichs des Sensors 12 liegt. Es ergibt sich die in 4-II, a dargestellte Anordnung, wobei der Anteil 13 der Laserlinie 5 auf der Kantenfläche 7 innerhalb der während der Kanteninspektion einzigen ausgelesenen Messzeile 12 des Sensors 3 liegt. Laserlinie 5 und Messfeld des flexiblen virtuellen Zeilensensors 12 müssen sich auf genügend große Bereiche außerhalb und innerhalb der vorgegebenen Kantenposition erstrecken, da sonst keine lateralen Schwankungen des Kantenverlaufs 6 berücksichtigt werden können.
Ziel ist es, mit dieser Anordnung sämtliche Fehlstellen 8 entlang des Kantenverlaufs 6 lückenlos zu detektieren. Als Beispiel kann angenommen werden, dass sich die Fehler in lokale Höhenänderungen 10 und in lokale Rauhigkeitsänderungen 11 aufteilen lassen. 4-I zeigt Beispiele für verschiedene Kantenprofiltypen im Querschnitt. Eine fehlerfreie Kantenform 9 ist in 4-I, a dargestellt. 4-I, b zeigt einen Bereich der Kante mit Ausbruch und somit ein verändertes Höhenprofil 10 im Kantenprofil. 4-I, e zeigt einen Bereich der Kante mit einer erhöhten Rauhigkeit 11 an der Kante. In 4-II sind die diesen drei Fällen zugehörigen Lagen der Laserlinie gegenüber dem virtuellen Zeilensensor in der Draufsicht dargestellt.
Bei fehlerfreiem Kantenverlauf (siehe 4-a) ist die auf die Kante 6 projizierte Laserlinie 5 in zwei Teile 13 und 14 getrennt. Der Anteil 13 der Laserlinie, der die Kantenfläche 7 trifft, liegt innerhalb der Bildzeile 12 des Sensors 3. Der Anteil 14, der die Kante 6 nicht mehr trifft, ist aufgrund der Höhendifferenz des Prüfteils zum Hintergrund verschoben. Der Abstand zwischen den beiden Strecken 13 und 14 ist hier stark verringert dargestellt. Die Messgröße ist bei dieser Prüfanordnung die Lagebestimmung des Startpunkts 18 der Laserlinie im Bild. Dieser gibt die exakte lokale Kantenposition 17 des Kantenverlaufs 6 wieder. Bei einem gleichmäßigen Kantenverlauf ist die Position des Startpunktes 18 auf dem virtuellen Zeilensensor 12 konstant.
Bei einem Ausbruch an der Kante (siehe 4-b) erfolgt durch die Höhenänderung eine laterale Verschiebung des mittleren Teils 15 der Laserlinie 5. Dieser Anteil 15 wandert dementsprechend aus der Bildzeile 12 des Sensors heraus. Der Startpunkt 20 der Laserlinie innerhalb der Bildzeile 12 ist nun nicht mehr wie im fehlerfreien Fall durch den Übergang zum Hintergrund 14 bestimmt, welcher die lokale Position der Kante 17 des Kantenverlauf 6 wiedergibt, sondern durch den Übergang zwischen 13 und 15, welcher der lokalen Randposition 19 der Fehlstelle entspricht, ab der die Höhenlage der Kantenfläche 7 verändert ist. Dieser Startpunkt 19 ist gegenüber der ursprünglichen Position 17 des Startpunktes bei fehlerfreier Kantenoberfläche verschoben. Der Abstand zwischen den Positionen 17 und 19 gibt die lokale Breite der Fehlstelle an. Die Bestimmung der Tiefe der Fehlstelle, die über den lateralen Versatz der Linienteile 13 und 15 wiedergegeben wird, ist mit dieser Prüfanordnung nicht möglich.
Bei einer Rauhigkeitsänderung an der Kante (siehe 4-c) erfolgt durch lokale Maxima und Minima eine partielle Intensitätsänderung des mittleren Teils 16 der Laserlinie 5. Dieser Anteil 16 liegt im Gegensatz zur absoluten Höhenänderung noch zum größten Teil innerhalb der Bildzeile 12 des Sensors. Durch Berücksichtigung des Intensitätsverlaufs innerhalb des Zeilensensors führt eine Lageermittlung des Startpunktes wiederum zur Ermittlung des Übergangs zwischen 13 und 16, unabhängig von der Lage der eigentlichen Kante beim Übergang zum Linienanteil 14. Der ermittelte Startpunkt 22 entspricht der lokalen Randposition 21 der Fehlstelle, ab der die Rauhigkeit der Kantenfläche 7 verändert ist.
Die Startpositionen 17, 19 bzw. 21 der Laserlinie innerhalb des virtuellen Zeilensensors 12 werden direkt aus den einzelnen Bildzeilen oder nach dem Zusammensetzen eines Teilbildes aus mehreren mit dem Sensor einzeln aufgenommenen Bildzeilen mit Hilfe von bekannten konturverfolgenden Kantenerkennungsalgorithmen direkt aus diesem Teilbild gewonnen.
5 zeigt ein Beispiel für einen Ausschnitt aus einem geprüften fehlerhaften Kantenverlauf einer furnierten Möbelplatte mit kleinen Ausrissen im Furnier. Das Flächenbild wurde durch das Zusammensetzen der im Durchlauf der Möbelplatte nacheinander aufgenommenen identischen Zeilen eines Flächensensors gewonnen. Zur besseren Übersichtlichkeit ist der vom Laser ausgeleuchtete Bereich innerhalb der Bildzeile, welcher der geforderten Höhenlage der Kante und somit dem Furniermaterial entspricht, schwarz dargestellt. Die horizontale Trennlinie zwischen schwarzem Bereich (unten) und weißem Bereich (oben) liefert den beobachteten Kantenverlauf 6 des Furniers der Möbelplatte. Im Kantenverlauf des Furniers sind deutlich mehrere Fehlstellen in Form von kleinen Ausbrüchen 8 sichtbar, welche durch Materialverschleiß von Bearbeitungswerkzeugen erzeugt wurden. Weiterhin ist zu erkennen, dass der schleichende Versatz der Kante stärker ausgeprägt ist, als die Tiefe der kleinen Ausbrüche selbst, so dass eine Approximation bzw. Filterung des Kurvenverlaufs der Kante zur Fehlerbewertung unumgänglich ist. Hier wurde vielmehr der Effekt der erhöhten Rauhigkeit der Spanplattenoberfläche im Vergleich zum glatten Furnier beobachtet als der Höhenunterschied durch die relativ geringe Furnierdicke.
Falls die mechanische Führung der Prüfteile sehr präzise sein sollte, kann das optische Prüfsystem statt über oder unter der Prüfkante auch alternativ an die Seite der Prüfkante positioniert werden. Dadurch können Prüfteile mit variierender Dicke einfacher geprüft werden.
Bei variierender Dicke der Prüfteile kann das optische Prüfsystem auch alternativ über einen externen Abstandssensor nachgeregelt werden. Der Abstandssensor misst beispielsweise in einem bestimmten Abstand vor dem optischen Prüfsystem die mittlere Entfernung zum Prüfteil. Aus diesen Messdaten wird dann die entsprechende Adresse der virtuellen Zeile des Flächensensors errechnet und der Sensor während der laufenden Prüfung in kleinen Schritten umprogrammiert.
Der ermittelte Kurvenverlauf der Kante kann anschließend mit einer mathematisch beschreibbaren Kurve approximiert werden, um eine präzise Fehlerbewertung sowie eine geometrische Kontrolle der Kante durchführen zu können. Dadurch können Prüfteile mit einer von einem exakt geradlinigen horizontalen Kantenverlauf abweichenden Form geprüft, oder ein Drift der Kantenposition der Prüfteile durch eine unzureichende mechanische Führung kompensiert werden. In 6 ist ein Beispiel für einen statistisch verrauschten Kurvenverlauf mit einem Drift in der Kantenposition dargestellt. Der Kurvenverlauf 23 der Kante, schwarz dargestellt, enthält dabei mehrere unterschiedlich stark ausgeprägte Fehlstellen 8. Der Drift des Kantenverlaufs kann durch die Approximationskurve 24, grau dargestellt, ausgeglichen werden. Die entsprechenden Fehlerbreiten ergeben sich aus den lateralen Abweichungen der beiden Kurvenverläufe 23 und 24 zueinander.
In 7 ist ein Beispiel für die Wirkungsweise der speziellen morphologischen Filterung eines Profils, die auf dem Prinzip der mechanischen Abtastung und Umhüllung basiert, dargestellt. Die Originalkurve 25 des Profils, hier mit gestricheltem Linienverlauf und Kreisen an den einzelnen Stützstellen dargestellt, weist dabei, neben einem starken statistischen Rauschen, verschiedenen Kanten und einer geschwungenen Form, eine Vertiefung auf, welche einen Fehler zeigen soll. Die Tiefe des Fehlers ist dabei kleiner als die Gesamtamplitude des geschwungenen Kurvenverlaufs gewählt. Eine morphologische Filterung mit kleinem Glättungsgrad liefert als Ergebnis die Hüllkurve h₁ 26, mit schwarzer durchgezogener Linie dargestellt. Der Fehler und die Kanten im Kurvenverlauf werden weitgehend nachgebildet, das statistische Rauschen bereits teilweise unterdrückt. Die Hüllkurve h₂ 27, mit grauer durchgezogener Linie dargestellt, zeigt das Ergebnis der speziellen Filterung mit einem Glättungsgrad, der bereits größer als die Fehlerbreite ist. Der Fehler kann in diesem Fall nicht mehr nachgebildet werden, die eigentliche Form der Kurve bleibt jedoch erhalten.
Dieser Prozess kann als Entstehen einer neuen Wellenfront zu verschiedenen Zeitpunkten dargestellt werden. Die zu untersuchende Kurve kann dabei als Wellenfläche angesehen werden, wobei jeder Punkt der Kurve als Ausgangspunkt einer neuen, sogenannten Elementarwelle charakterisiert wird (Huygenssches Prinzip). Dementsprechend kann die gefilterte Kurve vergleichbar mit einer einhüllenden ebenen Wellenfront als Resultierende von einer Vielzahl einzelner Elementarwellen aufgefasst werden (Physik/Dorn – 13.Aufl. – Hannover: Hermann Schroedel Verlag, 1969).
Aus der Differenz der beiden Hüllkurven h₁ und h₂ kann eine resultierende Fehlerkurve 28 gebildet werden, welche direkt die Abweichungen von der geschwungenen Form des Profils wiedergibt, die eigentliche Form des Profils aber kompensiert. Die Fehlstelle ist in dieser Kurve 28 sehr deutlich ausgeprägt und kann sehr einfach über einen Schwellwert für die Fehleramplitude separiert werden. Die Kante im weiteren Verlauf des Profils wirkt sich dabei nicht störend aus.
Durch die wiederholte Anwendung der speziellen morphologischen Filterung mit unterschiedlichen Glättungsgraden (entspricht einer Abtastung mit verschiedenen Abtastkörpern) kann der gemessene Kurvenverlauf eines Profils 29 in die charakteristischen Anteile, wie z.B. Kurvenrauhigkeit 30 und Kurvenwelligkeit 31 zerlegt werden. In 8 ist dazu ein weiteres Beispiel dargestellt. Durch die Anwendung dieser speziellen morphologische Filterung kann eine präzise Fehlerbewertung durchgeführt werden, so dass aus dem Vergleich der kurvencharakteristischen Anteile lokale Fehlstellen wie Kantenausbrüche bzw. Randbeschädigungen sensitiv ermittelt werden können. Langgezogene Welligkeiten oder ein kontinuierlicher Drift in der Kantenposition werden dabei kompensiert bzw. können durch die Zerlegung einer weiteren Geometrieprüfung unterzogen werden. Dadurch können auch bei ungenauer Seitenführung der Prüfteile kleine Fehler wie Ausbrüche erkannt werden, deren Fehlerbreite sehr viel kleiner als die absolute Amplitude der Schwankungen in der Toleranz der Seitenführung ist.
Das Ergebnis dieser speziellen morphologischen Filterung entspricht dem eines Verfahrens mit einer mechanischen Abtastung des Oberflächenprofils zur Gewinnung der Hülle eines Oberflächenprofils. Nach der Filterung werden beispielsweise alle wesentlichen Merkmale der inneren Hülle wie Vertiefungen, welche die Materialausbrüche Wiederspiegeln, unverändert dargestellt, das statistische Rauschen dagegen wird abhängig vom verwendeten Glättungsgrad stark gedämpft wiedergegeben. Dieses spezielle Verfahren der morphologischen Filterung, basierend auf Hüllkurven, ist der Umhüllung von Gebäuden bzw. Naturobjekten des Künstlers Christo sehr ähnlich.
Damit ist die oben beschriebene Vorrichtung und das oben beschriebene Verfahren sehr gut zur kontinuierlichen, lückenlosen und schnellen Fehlererkennung an ebenen Kanten geeignet.
1 Schrägansicht des Aufbaus der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur schnellen lückenlosen Fehlerdetektierung an einer Kante
2 Seitenansicht des Aufbaus der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur schnellen lückenlosen Fehlerdetektierung an einer Kante
3 Frontansicht des Aufbaus der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur schnellen lückenlosen Fehlerdetektierung an einer Kante
4 Position der Laserlinie in Abhängigkeit von der Kantenform
I) Frontansicht
II) Draufsicht
a) Fehlerfreie Kantenform
b) Kantenausbruch
c) Kantenrauhigkeit
5 Ausschnitt aus einem im Durchlauf gemessenen fehlerhaften Kantenverlauf einer Möbelplatte mit kleinen Ausrissen, erzeugt durch das Zusammensetzen einer einzeln aufgenommenen identischen Zeile eines Flächensensors.
6 Beispiel für die Approximation eines Kurvenverlaufs
7 Beispiel für die erfindungsgemäße Filterung eines Profils mit der speziellen morphologischen Filterung
8 Beispiel für die Aufspaltung eines Profils in die Anteile Welligkeit und Rauhigkeit mit der speziellen morphologischen Filterung

1: Prüfobjekt
2: Vorschubrichtung
3: Flächensensor mit einzeln adressierbaren Zeilen
4: Laser
5: Auf die Kante projizierte Laserlinie
6: Zu prüfende Kante
7: Kantenfläche der zu prüfenden Kante
8: Kantenfehler
9: Fehlerfreies Kantenprofil
10: Kantenfehler in Form eines Ausbruchs
11: Kantenfehler in Form einer erhöhten Kantenrauhigkeit
12: Position der virtuellen flexiblen Zeile des Sensors
13: Normposition der projizierte Laserlinie auf fehlerfreien Kantenoberfläche
14: Verschobene Position der projizierten Laserlinie des Hintergrundes
15: Verschobene Position der projizierten Laserlinie aufgrund einer Höhenänderung
16: Intensitätsänderung der projizierten Laserlinie aufgrund einer Rauhigkeitserhöhung
17: Lokaler Kantenpunkt bei fehlerfreier Kante
18: Startpunkt der Laserlinie bei fehlerfreier Kante
19: Lokaler Randpunkt bei Höhenänderung
20: Startpunkt der Laserlinie bei einer Verschiebung der Laserlinie
21: Lokaler Randpunkt bei Rauhigkeitsänderung
22: Startpunkt der Laserlinie bei einer Intensitätsänderung
23: Verlauf des Originalprofils (schwarze durchgezogene Linie)
24: Verlauf der Approximationskurve (graue durchgezogene Linie)
25: Verlauf des Originalprofils f (schwarze gestrichelte Linie mit offenen Kreisen)
26: Verlauf der Hüllkurve h₁ (schwarze durchgezogene Linie) mit kleinem Glättungsradius
27: Verlauf der Hüllkurve h₂ (graue durchgezogene Linie) mit größerem Glättungsradius
28: Resultierende Fehlerkurve aus der Differenz der beiden Hüllkurven h₁ und h₂
29: Originalprofil
30: Anteil der Welligkeit
31: Anteil der Rauhigkeit

Claims

Vorrichtung und Verfahren zur Fehlerdetektierung an einer Kante im produktionsmäßigen Durchlauf, basierend auf dem Laserlichtschnittverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass zur schnellen, kontinuierlichen und lückenlosen Qualitätsprüfung einer Kante (6) die Ermittlung der zu untersuchenden Kantenposition mit Hilfe eines Flächensensors (3) mit einzeln adressierbaren Zeilen durchgeführt werden soll, bei dem nur die parallel zur Laserlinie (5) ausgerichtete und der Kantenhöhenlage entsprechende Zeile ausgelesen wird, welche die gestreute Laserlinie beinhalten sollte, wobei Fehlstellen im Kantenverlauf, die eine Höhen- bzw. eine Rauhigkeitsänderung des Kantenprofils aufweisen, in der mit dem Sensor aufgenommenen Zeile (12) eine laterale Verschiebung der Startposition (15) oder einen Intensitätsabfall der gestreuten Laserlinie (16) bewirken.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Adresse der auszulesenden Zeile des Flächensensors, die der Position der gestreuten Laserlinie in Abhängigkeit der Höhenlagen der zu prüfenden Kanten entspricht, zuvor in einem separaten Justagevorgang aus sämtlichen Zeilen des Flächensensors ermittelt werden soll, wodurch die Adresse der auszulesenden Bildzeile bei einer Änderung der Prüfteildicke dynamisch während der Kanteninspektion angepasst werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur definierten Zeile des Flächensensors die dazu unmittelbar benachbarten Zeilen ausgelesen werden, aus denen eine gemittelte Zeile erzeugt wird, die als einzelne virtuelle Zeile benutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus den detektierten einzelnen Positionen der zu untersuchenden Kante, eine Kurve für den Kantenverlauf zusammengesetzt wird, an der eine Fehlerbewertung stattfinden soll.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus mehreren mit dem Flächensensor einzeln aufgenommenen Zeilen ein Bild zusammengesetzt wird, auf dem eine Kantendetektierung und weiterführende Fehlererkennung stattfinden soll.
Verfahren nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Approximation des ermittelten Kantenverlaufs (23) mit einer mathematisch beschreibbaren Kurve (24) (z.B. Gerade, Kreisbogen, Polygonzug) durchgeführt werden soll, um eine präzise Fehlerbewertung sowie eine geometrische Kontrolle der Kante zu ermöglichen.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine morphologische Filterung für die Approximation und Glättung des ermittelten Kurvenverlaufs der Kante verwendet werden soll.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine spezielle morphologische Filterung des ermittelten Kurvenverlaufs der Kante, die auf dem Prinzip der mechanischen Abtastung und Umhüllung basiert, so durchgeführt werden soll, dass das Kurvenprofil (29) in die charakteristischen Anteile Kurvenwelligkeit (30) und Kurvenrauhigkeit (31) zerlegt werden kann, damit lokale Fehlstellen wie Kantenausbrüche bzw. Randbeschädigungen sensitiv bewertet werden können und langgezogene Welligkeiten oder ein kontinuierlicher Drift in der Kantenposition kompensiert werden können.