DE2704983A1

DE2704983A1 - Verfahren zum selbsttaetigen erkennen von fehlern in der oberflaeche oder in den abmessungen eines objektes sowie vorrichtung zur ausuebung des verfahrens

Info

Publication number: DE2704983A1
Application number: DE19772704983
Authority: DE
Inventors: Ruediger Dipl Ing Froese-Peeck; Rolf Dipl Ing Martin; Norbert Dipl Ing Roth
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1977-02-07
Filing date: 1977-02-07
Publication date: 1978-08-10
Also published as: FR2379812B1; US4158134A; FR2379812A1; DE2704983B2; DE2704983C3; GB1557537A; NL7801344A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen ·

3erlin und München r VPA 77 P 7 0 0 8 BRD

Verfahren zum selbsttätigen Erkennen von Fehlern in der Oberfläche oder in den Abmessungen eines Objektes sowie Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Vorrichtung zum selbsttätigen und schnellen Erkennen von Fehlern in der Oberfläche oder in den Abmessungen eines Objektes,aber auch zum Erkennen der Lage des Objektes im Gesichts- oder Bearbeitungsfeld einer Mess- bzw. Arbeitsvorrichtung unter Verwendung einer Abbildungsoptik und einer Fotodiodenzeile.

Zum selbsttätigen Erkennen von Fehlern an einem Objekt ist es bekannt (DT-OS 2 301 087), den zu untersuchenden Bereich des Objektes unter Verwendung eines anamorphotisehen Linsensystems auf einen mit einer Skala versehenen Projektor abzubilden. Ein vornehmlich nur in einer Koordinatenrichtung auftretender, vergleichsweise kleiner Fehler ist so deutlicher erkennbar und messbar.

Zum Bestimmen linearer Ausdehnungen eines Objektes verwendet man bekanntlich sogenannte Fotodiodenzeilen. Die zu messende Sektion des Objektes wird unter Zuhilfenahme eines Linsensystems auf die Diodenzeile abgebildet; soll hingegen die Fläche eines z.B.

im Gesichtsfeld einer Messvorrichtung gelegenen Objektes untersucht oder ausgemessen werden, so verwendet man eine Fotodioden-Matrix. Die einzelnen Dioden der Matrix sind mittels eines Schieberregisters ansteuerbar; sie werden mit der Frequenz eines Takt- ·' generators nacheinander an einen Datensignalintegrator geschaltet.

So ist es möglich, unter Berücksichtigung des Abbildungsfaktors GiI 1 CKa / 18.1.77 809832/03U

die Abmessungen des Objektes zu bestimmen. Ferner können durch einen Ist-Sollwert-Vergleich der gemessenen Spannungssignale mit gespeicherten Grossen Strukturfehler oder ein Fehler in Bezug auf die Lage des Objektes innerhalb des Gesichtsfeldes einer Messvorrichtung oder im Arbeitsfeld einer Arbeitsvorrichtung erkannt werden. Eine derartige, mittels einer Fotodiodenmatrix oder einer Fotodiodenzeile arbeitende Messvorrichtung ist beispielsweise in der DT-OS 2 244 433 beschrieben. Der Aufwand zur Ansteuerung und Auswertung der von einer Fotodioden-Matrix gelieferten Datenmenge ist vergleichsweise -gegenüber nur eine wesentlich geringere Anzahl von Fotodioden enthaltende Fotodiodenzeile- gross. Dies ist nachteilig, wenn z.B. besagte Objekte (kleine Werkstücke) untersucht werden sollen. Oft soll z.B. nur ermittelt werden, ob das im Gesichtsfeld gelegene Objekt beschädigt ist und somit aus einer Serie ausgeschieden werden muss. Die Frage, wo Beschädigung gelegen ist, und welche Beschädigung vorliegt, ist hier von untergeordneter Bedeutung. Bei Bearbeitungsmaschinen muss häufig sichergestellt werden, dass das Objekt richtig im Zubringer zur Arbeitsstation angeordnet oder innerhalb des Bearbeitungsfeldes der Maschine gelegen ist. Bei schnell laufenden Maschinen sind die zur Verfügung stehenden Zeiten kurz, denn ein erkannter Mangel zwingt noch zu einer Handlung..

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, zum selbsttätigen Erkennen von Fehlern in der Oberfläche oder in den Abmessungen eines Objektes bzw. zum Erkennen der Lage des Objekte/, im Gesichtsfeld einer Beobachtungs- und/oder Messvorrichtung unter Verwendung einer Fotodiodenzeile und einer Abbildungsoptik die Erfassungs- und Auswertezeiten zu verringern, derart, dass die Unterzeichnung auch an bewegten Objekten erfolgen kann. Gemäss dem erfinderischen Verfahren verfährt man dabei derart, dass man mittels eines anamorphotisehen Linsensystems die Fläche des Gesichtsfeldes in einer der Hauptkoordinaten-Richtungen einschnürt und in der anderen Hauptkoordinaten-Richtung die gesamte Fläche des Gesichtsfeldes auf die wirksame Fläche einer Fotodiodenzeile abbildet. Durch diese Verfahrensweise wird es ermöglicht, mit nur einer Diodenzeile auszukommen, so dass dadurch die Zugriffzeiten und Auswertezeiten aber auch der elektronische Aufwand beträchtlich verringert wird. Wie vorbeschrieben, bildet man das gesamte Gesichtsfeld auf die wirksame Fläche der Diodenzeile ab. Das aus der Folge von Einzelsig-

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nalen entstehende Videosignal hat insbesondere bei einfachen geometrischen Gebilden einen markanten Verlauf. Kanten im Objektbild ergeben Sprünge im Signalpegel. Bei hinreichender Auflösung in vergleichsweise schnell zur Verfügung stehender, zwar geringer Datenmenge enthält das von der Diodenzeile gelieferte Videosignal doch genügend Informationen hinsichtlich der Lage und/oder der Beschaffenheit des Objektes. Es versteht sich, dass diese Verfahrensweise nicht in jedem Falle den gewünschten Anforderungen genügt, nämlich dann nicht, wenn die zu erkennende gewünschte Fehlergrösse im Bereich oder sogar unter der für jede wirksame Diodenfläche der Zeile gegebenen Signalpegel-Fehlertoleranz gelegen ist.

Ausgehend von einer Vorrichtung zum selbsttätigen Messen von Längen und/oder der Lage eines Messobjektes im Gesichtsfeld, bestehend aus einer Abbildungsoptik zum Projizieren mindestens einer Längenausdehnung des Messobjektes auf eine Fotodiodenzeile, besteht die zur Ausübung des Verfahrens dienende Vorrichtung erfindungsgemäss darin, dass die Abbildungsoptik eine anamorphotisch^ Linsenanordnung mit zwei zueinander orthogonaler. Zylinderachsen aufweist, wobei eine der anamorphot!sehen Linsen das Gesichtsfeld der Messvorrichtung auf die Länge der wirksamen Fläche der Diodenzeile überträgt und die andere anamorphotisch» Linse die Breite des Gesichtsfeldes auf die Breite der wirksamen Fläche der Diodenzeile staucht. So wird in jedem Falle ein im Gesichtsfeld gelegenes Objekt ebenfalls auf der Fotodiodenzeile abgebildet. Für eine Vielzahl in der Praxis vorkommender Aufgaben ist das Erkennungsvermögen zur Erkennung markanrer Fehler unter Verwendung nur einer Fotodiodenzeile ausreichend.

Im Nachfolgenden wird anhand der Zeichnungen die Erfindung näher erläutert.

Ss zeigen:

Figur 1 eine schaubildliche Darstellung der Erfindung zur Erläuterung des Verfahrens,

Figur 2 eine Sektion der Fotodiodenzeile gemäss Fig. 1,

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Figur3 ein in einem Gesichtsfeld einer Bearbeitungsvorrichtung gelegenes Objekt mit einer fehlerhaften Kontur,

Figur 4 eine Sektion einer Diodenzeile gemäss Fig. 1 mit darauf projiziertem Objekt gemäß Fig. 3,

Figur 5 ein im Gesichtsfeld einer Bearbeitungsvorrichtung falsch gelegenes Objekt und

Figur 6 die Abbildung dieses Objektes auf einer Fotodiodenzeile gemäss Fig. 1.

Im Bearbeitungsfeld einer hier nicht dargestellten Bearbeitungsmaschine ist ein zu bearbeitendes Werkstück in der Grössenanordnung von z.B. 2 χ 2 mm, nämlich das Objekt 1 gelegen. Eine Messvorrichtung -allgemein mit 2 bezeichnet- besitzt ein Objektiv 3 mit einer darin angeordneten Gesichtsfeldblende 4; sie begrenzt das Gesichtsfeld 5, in der das Objekt 1 gelegen ist. Die Breite des Gesichtsfeldes ist hier mit B und die Länge mit L bezeichnet. Im vorliegenden Beispiel wird das Gesichtsfeld 5 -hier mittels einer Kehrbildoptik 6- auf ein anamorphotisches Linsensystem 7, bestehend aus den Zylinderlinsen 8 und 9, projiziert. Die optischen Achsen 8' und 9' der Zylinderlinsen sind rechtwinklig zueinander orientiert. Anstelle der hier vereinfacht dargestellten, im Abstand voneinander angeordneten Zylinderlinsen verwendet man ein geschichtetes Linsensystem. Die so zueinander angeordneten Zylinderlinsen arbeiten als Doppelanamorphot. Eine Diodenzeile 10 ist achsparallel zur Achse 9' der Zylinderlinse 9 angeordnet. Die Fotodiodenzeile trägt die einzelnen nebeneinander angeordneten Fotodioden 11. Mittels der Zylinderlinse 8 wird das Gesichtsfeld 5 auf die Zylinderlinse 9 projiziert. Die Länge L des Gesichtsfeldes 5 wird dabei auf die Länge L₁ gestreckt. Diese Länge Lj ist etwas kleiner als die Länge Lp der wirksamen Fläche F der Fotodiodenzeile 10. Die Zylinderlinse 9 staucht indessen die Breite B des Gesichtsfeldes 5 auf die Breite B₁, wobei diese Breite B₁ etwas kleiner ist als die Breite H der wirksamen Fläche der Diodenzeile. Wird das gesamte anamorphotische System 7 mit der Diodenzeile 10 um die optische Achse 12 gedreht, so ändern sich die Abbildungsverhältnisse hinsichtlich

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der Abmessungen B und L des Gesichtsfeldes 5.

Figur 2 zeigt eine Sektion des von der Zylinderlinse 9 gemäss Fig. 1 auf die Diodenzeile 10 projizierten Objektbildes. Vie ersichtlich, ist hier die Breite K des im Gesichtsfeld 5 gelegenen Objektes auf die Grosse K₁ eingeschnürt. Bedingt dadurch, dass die gesamte Breite B des durch das anamorphotische Linsensystem auf die Breite B₁ gestauchten Bildes innerhalb der Höhe H des Feldes der Fotodiodenzeile F gelegen ist, sind die einzelnen Fotodioden 11 unterschiedlichen Lichtintensitäten ausgesetzt. Die Eckkante E des Objektes 1 ist hier z.B. auf der Fotodiode II¹ der Fotodiodenzeile 10 abgebildet. Die unterschiedlichen Lichtintensitäten bewirken beim Auslesen der Fotodiodenzeile unterschiedlich hohe Spannungssignale. Die Auswertelogik und der Ist-Sollwert-Vergleich mittels einer Auswertelogik sind bekannt und nicht Gegenstand der Erfindung.

Figur 3 zeigt ein im Gesichtsfeld 5 angeordnetes Objekt 1 mit einer hier fehlerhaften, z.B. abgebrochenen Ecke 13. Fernerhin befindet sich auf der Fläche des Objektes ein Flecken 14, welcher eine Verunreinigung der Oberfläche des Objektes bedeutet.

Wie Figur 4 zeigt, würde sich die abgebrochene Kante 13' des Objektes 1 durch ein vom Normpegel abweichendes Spannungssignal der einzelnen Fotodioden 11 darstellen. Entsprechend würde auch der Flecken 14, welcher auf der Diodenzeile 10 bei 14· dargestellt ist, zu einem vom Normpegel abweichenden Spannungssignal führen.

Figur 5 zeigt ein z.T. ausserhalb des Gesichtsfeldes 5 liegendes Objekt 1.

Figur 6 zeigt das gemäss Fig. 5 auf der Diodenzeile nur teilweise abgebildete Objekt I¹. Die falsche Lage des Objektes im Gesichtsfeld 5 hat zur Folge, dass am Ausgang des die einzelnen Spannungszustände der Fotodioden abfragenden Schieberegisters eine vom Sollwert abweichende Impulsfolge entsteht.

Entsprechend der dargestellten Ausführungsform gemäss Fig. 1

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kann es zur Erzielung eines höheren Erkennungsvermögens dienlich sein, zusätzlich ein gleichartiges zweites, jedoch hinsichtlich der beiden Koordinaten um 90 Grad gedrehtes anamorphotisches Linsensystem nebst Auswertelogik zu verwenden. So erhält man einerseits ein hohes Auflösungsvermögen in den beiden Hauptkoordinaten-Richtungen des Objektes, wobei die Erfassungszeit bzw. die Auswertezeit im Vergleich mit einer Diodenmatrix wesentlich zeitsparender ist. Es lässt sich somit auch bei unter dem Objektiv 3 bewegten Objekten eine schnelle Qualitätsprüfung des Objektes vornehmen.

5 Figuren

2 Patentansprüche

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Le

e r s e i t e

Claims

Patentansprüche

1.) Verfahren zum selbsttätigen und schnellen Erkennen von Fehlern in der Oberfläche oder in den Abmessungen eines Objektes bzw. zum Erkennen der Lage des Objektes im Gesichtsfeld einer Beobachtungs- und/oder Messvorrichtung durch Soll- und Istwert-Vergleich gespeicherter und gemessener Signale unter Verwendung einer Fotodiodenzeile und einer Abbildungsoptik, dadurch gekennzeichnet, dass man mittels eines anamorphotischen Linsensystems die Fläche des Gesichtsfeldes in einer der Hauptkoordinaten-Richtungen einschnürt und in der anderen Hauptkoordinaten-Richtung die gesamte Fläche des Gesichtsfeldes auf die wirksame Fläche einer Fotodiodenzeile abbildet.

2. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens zum selbsttätigen Messen von Längen und/oder der Lage eines Messobjektes im Gesichtsfeld einer Messvorrichtung, bestehend aus einer .Abbildungsoptik zum Projizieren mindestens einer Längenausdehnung des Messobjektes auf eine Fotodiodenzeile, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungsoptik (8, 9) eine anamorphotisch^ Linsenanordnung mit zwei zueinander orthogonalen Zylinderachsen (8*, 9') aufweist, wobei eine der anamorphotischen Linsen (8) das Gesichtsfeld (1) der Messvorrichtung (2) auf die Länge (L₂) der wirksamen Fläche (F) der Diodenzeile (10) überträgt und die andere anamorphotische Linse (9) die Breite (B) des Gesichtsfeldes auf die Breite (B₁) der wirksamen Fläche der Diodenzeile staucht.