DE4011964A1 - Verfahren zum vermessen von vorzugsweise rotationssymmetrischen gegenstaenden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vermessen von vorzugsweise rotationssymmetrischen Gegenständen durch Aufnehmen eines aus Bildpunkten zusammengesetzten Digitalbildes des zu vermessenden Gegenstandes, Umwandeln des Digitalbildes in ein aus binär codierten Bildpunkten bestehendes Binärbild, Abscannen des Binärbildes zum Bestimmen zumindest eines Teiles des Umrisses des zu vermessenden Gegenstandes.

Verfahren dieser Art sind aus der Praxis bekannt. Sie dienen zum Überprüfen und Sortieren von Gegenständen z. B. Nieten, Nägel, Schrauben. Nach ihrer Fertigung werden die Gegenstände einzeln mittels eines Halterungen aufweisenden Drehtellers nacheinander dem Aufnahmebereich einer Kamera zugeführt. Als Kamera kann z. B. eine CCD (Charge Coupled Device)-Kamera verwendet werden, die von jedem Gegenstand ein stehendes Bild erzeugt. Ein solches Bild enthält verschiedene Grauwerte, die zum Vermessen des Gegenstandes unwesentlich sind, da nur die Konturen des Gegenstandes bestimmt werden müssen. Zur Vereinfachung des Bildes werden den Grauwerten abhängig von ihrer Intensität schwarze oder weiße Bildpunkte zugeordnet. Zum Vermessen des Umrisses des Gegenstandes wird nun dieses Binärbild abgescanned.

Trotz dieser Vereinfachungen ist zum Vermessen eines solchen Gegenstandes ein hoher Zeitaufwand erforderlich, da pro Gegenstand alle Punkte des Bildes abgescanned und ausgelesen werden müssen. Hierdurch ist die Geschwindigkeit, mit der die Gegenstände nacheinander vermessen werden können, begrenzt. Deshalb sind die bekannten Verfahren nicht wirtschaftlich für die Überprüfung von Massenwaren, wie Niete, Nägel, Schrauben oder dergleichen, einsetzbar.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zum Vermessen von vorzugsweise rotationssymmetrischen Gegenständen zu schaffen, mit dem man die Umrisse der Gegenstände schnell bestimmen kann, um somit ein effektives und kostengünstiges Sortieren der Gegenstände zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

• a) das Binärbild in einer vorgegebenen Richtung von einem Startpunkt aus bis zu einem Wechsel des Binärcodes abgescanned wird,
• b) beim Auftreten des Binärcodewechsels in einem vorbestimmten Umlaufsinn, die dem vor dem Wechsel des Binärcodes letzten Bildpunkt benachbarten Bildpunkte gescanned werden, bis ein Bildpunkt gleicher Codierung gefunden wird,
• c) die Ortskoordinaten des letzten Bildpunktes und die sich aus dem gleich codierten Bildpunkt ergebende Richtungskoordinate abgespeichert werden,
• d) das Binärbild in der neuen Richtung bis zum Auftreten eines weiteren Binärcodewechsels abgescanned wird,
• e) die Schritte b)-d) solange wiederholt werden, bis ein vorgegebener Endpunkt erreicht wird, und
• f) die so gewonnenen Koordinaten mit Referenzkoordinaten verglichen werden.

Durch diese Maßnahme wird es möglich, die Umrisse des auf dem Binärbild abgebildeten Gegenstandes zu vermessen, wobei nur ein geringer Teil der Bildpunkte des Binärbildes gescanned werden braucht, und nur die Koordinaten der wenigen Bildpunkte, die einen Richtungswechsel bestimmen, abgespeichert und mit vorgegebenen, die Endpunkte des Sollumrisses markierenden Koordinaten verglichen werden müssen. Die Auswertezeit pro Gegenstand, die erforderlich ist, um auf diese Weise den Umriß des Gegenstandes mit einem vorgegebenen, den Umriß darstellenden Strukturcode zu vergleichen, wird somit erheblich verkürzt, wodurch ein schnelles Überprüfen und Sortieren einer Vielzahl von Gegenständen ermöglicht wird.

Es ist bei diesem Verfahren von Vorteil, wenn der Endpunkt erreicht ist, sobald das erste Mal ein Bildpunkt, dessen Koordinaten bereits gespeichert sind, zum zweiten Mal abgescanned wird. Hierdurch wird vermieden, daß die gleichen Bildpunkte mehrmals ausgescanned werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung können zur Bestimmung eines Teiles des Umrisses des zu vermessenden Gegenstandes mindestens ein Fenster auf das Binärbild über je einen Umrißabschnitt des Gegenstandes gelegt und die Schnittpunkte des Fensterrandes mit dem in dem Fenster liegenden Umrißabschnitt bestimmt werden. Aus den Schnittpunkten des Fensterrandes mit den in dem Fenster liegenden Umrißabschnitten lassen sich auf einfache Weise die Geradengleichungen der Umrißabschnitte aufstellen, die den Gegenstand im Bereich des Fensters begrenzen. Mit den Gleichungen der Geraden erhält man deren Steigungen und somit deren Winkel, den sie mit dem Fensterrand bilden. Aus den Geradengleichungen zweier zueinander parallelen Umrißabschnitte kann man aus der geloteten Entfernung der beiden Geraden deren Abstand voneinander ermitteln. Weiterhin läßt sich mit Hilfe des in dem Fensterrand liegenden und bestimmten Umrißabschnitts des Gegenstandes dessen Fläche ermitteln.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung werden zwei Fenster auf das Binärbild über zwei einander gegenüberliegende Umrißabschnitte gelegt. Will man den Abstand der beiden Umrißabschnitte voneinander bestimmen, so ist es nicht mehr erforderlich, auch die Punkte in der Mitte des zu vermessenden Gegenstandes abzuscannen, da nur der Bildinhalt der Fenster gescanned werden muß. Voraussetzung für die Bestimmung des Abstandes zwischen den beiden Umrißabschnitten ist lediglich, daß das mathematische Modell eingehalten wird, d. h. daß es sich bei beiden Umrißabschnitten um zueinander parallele Geradenteile handelt. Das Vorsehen zweier Fenster kann jedoch auch von Vorteil sein, um mehrere Schnittpunkte eines Umrißabschnittes zu erhalten, um auf diese Weise z. B. den Radius eines Umrißabschnittes zu bestimmen.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 in einer schematisierten Draufsicht eine Vorrichtung zum Sortieren rotationssymmetrischer Gegenstände,

Fig. 2 ebenfalls in einer schematisierten Ansicht einen Schnitt durch die Vorrichtung in Fig. 1 entlang der Linie II-II,

Fig. 3 den von der Kamera erfaßten Ausschnitt,

Fig. 4 das aus der Kameraaufnahme erzeugte Binärbild, und

Fig. 5 ein das erfindungsgemäße Verfahren erläuternde Schema zur Erfassung der den Umriß des in Fig. 4 abgebildeten Bauteiles bestimmenden Daten.

In den Fig. 1 und 2 ist eine Vorrichtung zum Sortieren von rotationssymmetrischen Bauteilen 1 dargestellt. Bei den Bauteilen 1 handelt es sich bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel um Niete.

Die Vorrichtung umfaßt eine Rutsche 2, auf der bereits vorsortierte Niete 1 einem Drehteller 3 zugeführt werden. Der Drehteller 1 weist dem Umriß der Niete angepaßte Haltebuchsen 4 auf, in welchen die Niete 1 gehalten werden. Der Drehteller 3 wird mittels eines Schrittmotors 5 in Richtung des Pfeiles D, also im Uhrzeigersinn angetrieben. Damit die Niete aufgrund der Zentrifugalkraft nicht von dem Drehteller abgeschleudert werden, ist über den Umfang des Drehtellers 3 eine Führung vorgesehen, die jedoch der Übersichtlichkeit halber nicht mit dargestellt ist.

In Drehrichtung D des Drehtellers 3 schließt sich hinter der Rutsche 2 eine Aufnahmestation an, mit einer sogenannten CCD-Kamera, mit der der im Aufnahmebereich liegende Niet als digitalisiertes Bild aufgenommen wird. Die CCD-Kamera 6 besitzt ein Objektiv 7, welches innerhalb eines aus Streuscheiben 8 bis 10 gebildeten Lichtzeltes 11 angeordnet ist. Zwei der Streuscheiben 8, 9 sind Radial zum Drehteller 3 ausgerichtet und erstrecken sich von dem Rand des Drehtellers 3 bis hinter das Objektiv 7 in der Kamera 6. Hinter dem Objektiv 7 ist quer zu den beiden Streuscheiben 8 und 9 die dritte Streuscheibe 10 angeordnet, so daß die drei Streuscheiben 8 bis 10 eine Art Dreieck bilden, in dessen einer Spitze der aufzunehmende Niet 1′ liegt.

Hinter den Streuscheiben 8, 9 und 10 sind jeweils Lampen 12 angeordnet, die aufgrund der aus einem Kunststoffmilchglas bestehenden Streuscheiben 8 bis 10 innerhalb des Lichtzeltes 11 ein diffuses Licht erzeugen, welches die der Kamera 6 zugewandte Vorderseite des aufzunehmenden Nietes 1′ schattenfrei ausleuchtet.

Das Objektiv 7 ist von einer kastenförmigen Abdeckung umgeben, in deren vorderen, dem aufzunehmenden Niet 1′ zugewandten Seite eine Maske 14 enthalten ist, damit kein reflektiertes Streulicht vom Objektiv zum Prüfling gelangt.

An den den Drehteller 3 zugewandten Enden der beiden Streuscheiben 8 und 9 sind Abdeckstreifen 15 vorgesehen, die in der gleichen Farbe gehalten sind, wie der der Kamera 6 zugewandte Rand des Drehtellers 3.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, sorgt der Rand 16 des Drehtellers, zusammen mit den Abdeckstreifen 15, dafür, daß das aufzunehmende Bauteil 1′ von einem kontrastreichen Hintergrund umgeben ist. Dieser Hintergrund, d. h. die Abdeckstreifen 15 und der Rand 16, ist in der Regel mattschwarz gehalten, da die zu untersuchenden Bauteile zumeist eine blankmetallische Oberfläche aufweisen.

Die Kamera 6 ist an eine Recheneinheit 17 angeschlossen, mit der das aufgenommene Bild in ein sogenanntes Binärbild, d. h. ein Bild, welches nur aus schwarzen und weißen Bildpunkten besteht, konvertiert wird. Diese Umwandlung geschieht dadurch, daß für die Grauwerte ein bestimmter Schwellwert vorgegeben wird, unterhalb dessen die Bildpunkte in schwarz und oberhalb dessen die Bildpunkte in weiß wiedergegeben werden.

In Drehrichtung D des Drehtellers 3 hinter der Kamera 6 ist ein erster Auswerfer 18 in Form einer Luftdüse angeordnet. Die Luftdüse ist an eine drucklufterzeugende Einheit 19 angeschlossen, die, ebenso wie die Recheneinheit 17 an einen Zentralrechner 20 angeschlossen ist.

In Drehrichtung D des Drehtellers 3 hinter dem ersten Auswerfer 18 ist ein zweiter Auswerfer 21 in Form eines über den Drehtellerrand greifenden und mit dem Umriß des Drehtellers konvergierenden Abstreifers 21 vorgesehen, mit dem sämtliche Niete, die nicht bereits von dem ersten Auswerfer 18 ausgeworfen sind, von dem Drehteller 3 entfernt werden.

Im folgenden wird nun das Verfahren zum Aussortieren und damit zugleich auch die Wirkungsweise der obenbeschriebenen Vorrichtung näher erläutert.

Die Niete 1 werden über die Rutsche 2 dem Drehteller 3 zugeführt und gelangen dort in die Haltebuchten 4. Der über den Schrittmotor 5 angetriebene Drehteller 3 dreht sich getaktet in Richtung der Drehrichtung D, wodurch die Niete 1 in den Aufnahmebereich der Kamera 6 geschwenkt werden. Der Schrittmotor 5 und die Kamera 6 sind über die Recheneinheit 19 miteinander verbunden, so daß die Kamera 6 immer nur dann eine Aufnahme macht, wenn sich der Schrittmotor, und damit auch der Drehteller 3, in Ruhe befindet. Die Teilung der Haltebuchten 4 in dem Drehteller 3 ist so, daß im Stillstand des Drehtellers 3 auch genau eine Haltebucht 4 vor der Rutsche 2 liegt, so daß ein neuer Niet 1 während des Stillstands des Drehtellers 3 zugeführt wird.

Bei der Aufnahme des Niets 1′ wird dieser aufgrund des Lichtzeltes 11 gleichmäßig und schattenfrei ausgeleuchtet, so daß die Kamera ein Bild aufnimmt, wie es in Fig. 3 angedeutet ist. Die gestrichelte Linie gibt den Bildausschnitt wieder, den die Kamera erfaßt. Da der Rand 16 des Drehtellers und auch die Abdeckstreifen 15 mattschwarz gehalten sind, während der Niet 1′ eine metallene Oberfläche aufweist, erscheint der Niet 1′ gegenüber dem Hintergrund als relativ hell. In der Recheneinheit 17 wird dieses Bild in ein sogenanntes Binärbild umgewandelt, bei der die in verschiedenen Grauabstufungen vorliegenden Bildpunkte aufgrund eines vorgegebenen Schwellwertes in schwarze bzw. weiße Bildpunkte umgewandelt werden. Ein solches Binärbild ist in Fig. 4 dargestellt. Man erkennt, daß die den Niet 1′ darstellende Fläche weiß ist, während der übrige Hintergrund schwarz ist.

Da es bei rotationssymmetrischen Teilen in der Regel genügt, den Umriß 22 zu überprüfen und mit dem Umriß eines Soll-Bauteiles zu vergleichen, wird auch bei diesem Verfahren nicht das vollständige Binärbild mit einem hinterlegten Soll-Binärbild verglichen; es werden vielmehr nur die für die Beschreibung des Umrisses notwendigen Daten, der sogenannten Strukturcode, erfaßt, abgespeichert und in geeignete abstrahierte mathematische Größen (Ermittlung von Schnittpunten) umgewandelt, die dann Grundlage der weiteren Berechnungen sind (Geradengleichung).

Anhand der Fig. 5 wird nun erläutert, wie der Strukturcode ermittelt wird. In Fig. 5 ist der Umriß des Niet 1′ dargestellt. Zur Ermittlung des Aufpunktes P beginnt man innerhalb der Struktur, hier bei dem Startpunkt A, der innerhalb der Struktur willkürlich gesetzt werden kann, und durchläuft eine Reihe von Bildpunkten (hier nach links), bis man auf einen Bildpunkt stößt (Strukturkante), der einen anderen Binärcode aufweist, d. h. eine andere Farbe besitzt. Dieser Bildpunkt wird dann als Koordinatenpaar abgespeichert (Punkt B). Für die Angabe der Richtung wird folgendes Muster verwendet:

3 2 1
4 + 0
5 6 7

Da im Punkt B der nächste benachbarte Bildpunkt mit dem gleichen Binärcode oberhalb des Punktes B liegt, wird als Richtungscode die Ziffer 2 abgespeichert und dem Bildpunkt B zugeordnet.

Nun werden die Bildpunkte in gerader Linie nach oben weiter abgescanned, bis wieder ein Wechsel des Binärcodes, d. h. ein Farbwechsel, festgestellt wird. Das wäre in diesem Falle im Punkt C. Beim Überprüfen der benachbarten Punkte würde man feststellen, daß der nächste Punkt mit gleichem Binärcode rechts von dem Punkt C liegt, so daß dem Punkt C der Richtungscode 0 zugewiesen wird. Dann wird in Richtung 0 weitergescanned, bis im Punkt D erneut ein Farbwechsel registriert wird. Auf diese Weise kann der gesamte Umriß abgescanned werden, bis bei einem Punkt festgestellt wird, daß dessen Koordinaten bereits abgespeichert worden sind. Dann ist der gesamte Umriß durch die Angabe des so ermittelten Richtungscodes festgelegt. Zur Überprüfung, ob der durch die Kamera aufgenommene Niet 1′ in Ordnung ist oder nicht, werden die aus dem Strukturcode gewonnenen mathematischen Kenngrößen mit denen eines vorher festgelegten mathematischen Modells verglichen. Sollte der Niet 1′ während der Aufnahme nicht genau positioniert sein, so kann der Strukturcode und die resultierende Auswertung daraus trotzdem gewonnen werden, solange sich die Strukturkante innerhalb des Fensters befindet. Die Auswertung wird dann wie bekannt durch die entsprechende Geradengleichung vorgenommen.

Bei bestimmten Bauteilen ist es nicht erforderlich, den gesamten Umriß zu erfassen. Häufig interessieren nur bestimmte Parameter der Bauteile, wie z. B. der Abstand zwischen zwei Umrißlinien, oder die Winkeligkeit der Linien, oder eine bestimmte Fläche, oder der Durchmesser eines Kreises; letzteres ist insbesondere dann von Interesse, wenn die Kamera von oben auf den Niet gerichtet ist. Zur Erfassung all solcher Parameter genügt es, wenn man über einen Teil des Umrisses ein Fenster (gestrichelte Linien in Fig. 5) legt. Den Startpunkt A′ bzw. A′′ würde man in diesem Fall innerhalb des Fensters oder auf den Rand des Fensters legen. Wie bereits oben beschrieben, untersucht man nun nur den Umrißabschnitt im Bereich des zu untersuchenden Fensters und ermittelt dabei die Ortskoordinaten der Schnittpunkte der Umrißlinie mit dem Fensterrand, nämlich die Koordinaten C′ und D′ bzw. B′′ und C′′. Aufgrund dieser gewonnenen Ortskoordinaten lassen sich Geradengleichungen aufstellen, so daß in Bezug auf das festliegende Fenster (gestrichelte Linien) Winkel berechnet werden können. Da beim Vorsehen zweier Fenster die Fenster ortsfest zueinander vorgesehen sind, lassen sich, vorausgesetzt, daß das mathematische Modell nicht verletzt wird, auf diese Weise auch die Abstände zweier Umrißabschnitte zueinander bestimmen, und zwar ohne daß die Bildpunkte zwischen den beiden Fenstern abgescanned werden müssen.

Obgleich in der Zeichnung nicht dargestellt, läßt sich auf diese Weise auch der Radius eines Kreises bestimmen, indem die beiden Schnittpunkte des Kreises mit einem Fenster bestimmt werden. Aufgrund der benachbarten Bildpunkte im Bereich der Schnittpunkte lassen sich näherungsweise die Tangenten an den Kreis in den Schnittpunkten mit dem Fensterrand bestimmen. Durch Ermittlung des Schnittpunktes der in diesen Punkten errichteten Senkrechten auf die Tangenten läßt sich unmittelbar der Radius des Kreises bestimmen.

Wenn nun auf diese Weise die für eine Überprüfung notwendigen Daten gewonnen und mit den hinterlegten Daten in dem Zentralrechner 20 verglichen wurden, gibt der Zentralrechner 20 der Recheneinheit 19 ein entsprechendes Signal. Stimmen die Daten überein, so wird die Einheit 19 und die Druckluftdüse 18 das entsprechende Bauteil als Gutteil in den Behälter 23 ausgeworfen. Da der erste Auswerfer 18 um eine bestimmte Teilung hinter der Kamera 6 angeordnet ist, wird diese Teilungsdifferenz in den Zentralrechner 17 berücksichtigt, so daß der Druckluftstoß aus der Düse 18 erst dann erfolgt, wenn sich das überprüfte Bauteil am ersten Auswerfer 18 befindet. Die Schlechtteile verbleiben an dem Drehteller und werden nachfolgend durch den Abstreifer 21 auf mechanischem Wege von dem Drehteller 3 in den Behälter 24 für Schlechtteile abgestreift.

Claims (5)

1. Verfahren zum Vermessen von vorzugsweise rotationssymmetrischen Gegenständen durch Aufnehmen eines aus Bildpunkten zusammengesetzten Digitalbildes des zu vermessenden Gegenstandes, Umwandeln des Digitalbildes in ein aus binär codierten Bildpunkten bestehendes Binärbild, Abscannen des Binärbildes zum Bestimmen zumindest eines Teiles des Umrisses des zu vermessenden Gegenstandes, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) das Binärbild in einer vorgegebenen Richtung von einem Startpunkt (A, A′, A′′) aus bis zu einem Wechsel des Binärcodes abgescanned wird,
• b) beim Auftreten des Binärcodewechsels in einem vorbestimmten Umlaufsinn die dem vor dem Wechsel des Binärcodes letzten Bildpunkte (B, B′, B′′; C, C′, C′′; . . .) benachbarten Bildpunkte gescanned werden, bis ein Bildpunkt gleicher Codierung gefunden wird,
• c) die Ortskoordinaten des letzten Bildpunktes (B, B′, B′′; C, C′, C′′; . . .) und die sich aus dem gleichkodierten Bildpunkt ergebende Richtungskoordinate (2; 0; . . .) abgespeichert werden,
• d) das Binärbild in der neuen Richtung (2; 0; . . .) bis zum Auftreten eines weiteren Binärcodewechsels abgescanned wird,
• e) die Schritte b)-d) solange wiederholt werden, bis ein vorgegebener Endpunkt (B, B′, B′′) erreicht wird, und
• f) die so gewonnenen Koordinaten mit Referenzkoordinaten verglichen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Endpunkt erreicht ist, sobald das erste Mal ein Bildpunkt, dessen Koordinaten bereits gespeichert sind, zum zweiten Mal abgescanned wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung eines Teiles des Umrisses des zu vermessenden Gegenstandes mindestens ein Fenster auf das Binärbild über je einen Umrißabschnitt des zu vermessenden Gegenstandes gelegt wird, und daß die Schnittpunkte des Fensterrades mit dem in dem Fenster liegenden Umrißabschnitt bestimmt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Startpunkt (A′) ein Bildpunkt im Fenster gewählt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Fenster auf das Binärbild über zwei Umrißabschnitte gelegt werden.