DE4438014C2 - Vorrichtung zur Messung der Länge von bewegten Teilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur genauen Messung der Länge von längs einer geraden Bahn bewegten Teilen, deren Länge näherungsweise bekannt ist, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Vorrichtung ist durch die EP-0 372 209 A1 bekannt. Die Länge der Teile sind näherungsweise bekannt. Die Teile werden mit konstanter Geschwindigkeit bewegt. Über der Bahn der Teile sind zwei Zeilendetektoren angeordnet. Die Zeilendetektoren sind so angeordnet, daß die Zeilen parallel zur Bewegungsrichtung der Teile angeordnet sind. Die Zeilendetektoren erfassen die Vorder- und Hinterkante der Teile, werden synchron ausgelesen und Erzeugen Vorder- und Hinterkantensignale. Durch eine Auswerteschaltung wird die Länge der Teile in Abhängigkeit von den Vorder- und Hinterkantensignalen bestimmt.

Andere hochgenaue Verfahren zur Messung der Dimensionen von Teilen beruhen in der Regel darauf, daß die Kanten des zu vermessenden Teiles in Ruhe mechanisch oder optisch abgetastet werden. Daraus wird der zwischen den Meßpunkten liegende Weg möglichst genau bestimmt.

Es ist auch bekannt, bewegte Teile mittels einer Lichtschranke zu vermessen. Die Teile werden durch die Lichtschranke mit konstanter, bekannter Geschwindigkeit hindurchbewegt. Die Lichtschranke signalisiert den Eintritt der Vorderkante in die Lichtschranke und die Freigabe der Lichtschranke durch die Hinterkante des durchlaufenden Teils. Die Zeit zwischen diesen Ereignissen wird gemessen. Die Genauigkeit dieser Messung hängt von der Genauigkeit und Konstanz der Geschwindigkeit ab, mit der die Teile durch die Lichtschranke hindurchlaufen. An die Geschwindigkeit werden dabei die gleichen Anforderungen hinsichtlich Genauigkeit und Konstanz über die Meßdauer hinweg gestellt wie an die Genauigkeit der Längenmessung. Das ist schwer zu realisieren.

Das zu vermessende Teil kann auch von einem bildauflösenden Sensor als Ganzes erfaßt werden. Nach genauer Eichung des Bildmaßstabes kann daraus Länge und Breite ermittelt werden. Bei schnell bewegten Teilen bietet das schon wegen der Bewegungsunschärfe erhebliche Probleme.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Länge von schnell bewegten Teilen mit hoher Genauigkeit zu messen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen nach dem Patentanspruch 1 gelöst.

Die Messung erfolgt somit in zwei Bereichen mit Sensormitteln, z. B. mit zwei Zeilenkameras. Das sind Sensoren mit zeilenartig angeordneten Detektorelementen, wobei ein langgestreckter Bereich des Gesichtsfeldes auf diesen Detektorelementen abgebildet wird. Die eine Zeilenkamera erfaßt die Vorderkante, die andere Zeilenkamera erfaßt gleichzeitig die Hinterkante des zu vermessenden Teils. Gleichzeitig wird eine oder beide Seitenkanten des zu vermessenden Teils erfaßt.

Ein Teil der Detektorelemente "sieht" den Untergrund vor bzw. hinter dem zu vermessenden Teil. Ein anderer Teil der Detektorelemente "sieht" die Oberfläche des zu vermessenden Teils. Wegen der Bewegung des zu vermessenden Teils werden während des Zeitintervalls zwischen aufeinanderfolgenden Auslesungen der Zeilenkameras die Detektorelemente der in Bewegungsrichtung hinteren Zeilenkamera in einem mittleren Bereich der Zeile zunächst den Untergrund sehen und dann nach Vorbeigehen der Vorderkante während des restlichen Zeitintervalls die Oberfläche des zu vermessenden Teils. Entsprechend werden während des Zeitintervalls zwischen aufeinanderfolgenden Auslesungen der Zeilenkameras die Detektorelemente der in Bewegungsrichtung vorderen Zeilenkamera in einem mittleren Bereich der Zeile zunächst die Oberfläche des zu vermessenden Teils sehen und dann nach Vorbeigehen der Hinterkante während des restlichen Zeitintervalls den Untergrund. Dabei erfassen einige Detektorelemente während des Zeitintervalls zwischen zwei Auslesungen nur kurze Zeit die Oberfläche des zu vermessenden Teils. Andere Detektorelemente "sehen" diese Oberfläche während eines längeren Abschnitts oder fast während des gesamten Zeitintervalls. Ausgelesen wird die über das Zeitintervall zwischen den Auslesungen integrierte Helligkeit. Bei einer Abfrage werden daher beim Durchgang der Kanten durch die Gesichtsfelder der Zeilenkameras an einem Ende der Reihe von Detektorelementen Signale auftreten, die der ständigen Beobachtung der Oberfläche des zu vermessenden Teils entsprechen, also z. B. relativ niedrig sind, wenn die Oberfläche dunkel ist. Am anderen Ende der Reihe sind Detektorelemente, deren Signal einer ständigen Beobachtung des Untergrundes entsprechen, also relativ hoch sind, wenn der Untergrund hell ist. Die ersteren Signale stellen ein niedriges Signalniveau dar, die letzteren Signale ein hohes Signalniveau. Dazwischen treten Signale an den verschiedenen Detektorelementen auf, die sich von einem Detektorelement zum nächsten Detektorelement in im wesentlichen kleinen Schritten ändern. Trägt man die Signalhöhe bei der Auslesung der Detektorelemente der Zeilenkamera als Funktion der Position oder laufenden Nummer der Detektorelemente auf, dann erhält man ein Diagramm mit zwei unterschiedlichen Niveaus, die durch eine Schräge miteinander verbunden sind. Das Bild der Kante ist verschmiert, ähnlich wie eine Verschmierung eines photographischen Bildes bei einer im Vergleich zu der Geschwindigkeit der Bewegung langen Belichtungszeit eintritt. Bei der nächsten Auslesung ergibt sich eine ähnliche Verteilung der Signalhöhen, jedoch ist die Schräge in Bewegungsrichtung der zu vermessenden Teile gewandert.

Die Auslesung erfolgt für die beiden Sensormittel (Zeilenkameras) genau synchron. Die Bildverarbeitungsmittel werten die erhaltene Signalverteilung aus. Die Lagen vergleichbarer Punkte der Schrägen im Gesichtsfeld der Zeilenkameras werden bestimmt. Daraus kann eine Längendifferenz ermittelt werden. Diese Längendifferenz wird durch Längenrechnermittel dem bekannten, in Bewegungsrichtung der Teile gemessenen Abstand der Erfassungsbereiche überlagert und liefert die Länge des zu vermessenden Teils.

Die Längendifferenz kann aus dem Verlauf der Signalverteilung mit Subpixel-Genauigkeit bestimmt werden, also auf weniger als den Abstand der Bildelemente, die durch benachbarte Detektorelemente bestimmt sind. Der Abstand der Zeilenkameras kann z. B. mittels eines Glasmaßstabs sehr genau bestimmt werden. Es ergibt sich in der Praxis eine hohe Genauigkeit der Messung auch bei hoher Geschwindigkeit der durchlaufenden, zu vermessenden Teile.

Die Erfindung ermöglicht es nicht nur, Teile in der Bewegung zu vermessen. Die durch die Bewegung der Teile hervorgerufene "Verschmierung" der Kanten ermöglicht sogar eine Erhöhung der Genauigkeit auf "Subpixel-Genauigkeit".

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Seitenansicht eines bewegten Teils und der Zeilenkameras zur Messung der Länge der Teile.

Fig. 2 ist eine zugehörige Draufsicht.

Fig. 3 zeigt schematisch eine Einzelheit der Anordnung von Fig. 2.

Fig. 4 zeigt einen Übergang in der Signalverteilungskurve bei der Zeilenkamera von Fig. 3.

Fig. 5 zeigt eine abgewandelte Ausführung.

In Fig. 1 ist mit 10 ein zu vermessendes Teil bezeichnet. Es kann sich dabei um ein rechteckiges Blech handeln. Das Teil 10 bewegt sich auf (nicht dargestellten) Transportmitteln in Richtung des Pfeiles 12. Die Länge des Teils 10 ist näherungsweise bekannt und entspricht etwa dem Abstand "a" in Fig. 1. In diesem Abstand "a" sind über der Bahn des Teils 10 in Bewegungsrichtung des Teils 10 gegeneinander versetzt zwei Zeilenkameras 14 und 16 angeordnet. Die Zeilenkameras 14 und 16 weisen jeweils eine lineare oder zeilenförmige Anordnung von Detektorelementen 18 auf, wie in Fig. 3 schematisch dargestellt ist. Die Detektorelemente 18 sind längs einer geraden Strecke 20 angeordnet, die sich winkelig zur Bewegungsrichtung des Teils 10 über dessen Seitenkante erstreckt. Die Zeilenkameras 14 und 16 definieren Referenzrichtungen 22, 24, die z. B. durch die Mitte der zeilenförmigen Anordnung von Detektorelementen 18 verlaufen. Der Abstand der Referenzrichtungen 22 und 24 in Bewegungsrichtung ist "a".

Die Detektorelemente 18 der Zeilenkameras 14 und 16 werden genau synchron in einem Takt aus gelesen, der durch einen Taktgenerator 26 bestimmt ist. Die bei der Auslesung in den einzelnen Detektorelementen 18 erhaltenen Signale bilden eine Signalverteilung. Eine solche Signalverteilung für eine bestimmte Abtastung ist in Fig. 4 dargestellt und generell mit 28 bezeichnet. Die Signalverteilung 28 zeigt die Höhe der von den einzelnen Detektorelementen bei der Abtastung gelieferten Signale als Funktion des Ortes des Detektorelements längs eines Abschnitts der Strecke 20.

Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, ergibt sich ein relativ hohes mittleres Signalniveau 30 für einen Bereich von Detektorelementen, welche ein einlaufendes Teil 10 nicht erfassen. Dieses Signalniveau 30 ist in Fig. 4 durch eine gestrichelte Linie angedeutet. Weiterhin ergibt sich ein relativ niedriges Signalniveau 32 für einen Bereich von Detektorelementen, welche das einlaufende Teil "sehen". Dazwischen ist eine Schräge 34, welche diese beiden Signalniveaus verbindet.

Fig. 3 zeigt die dazugehörigen relativen Positionen von zu vermessendem Teil 10 und Zeilenkamera 14.

Der Untergrund ist relativ hell. Die Oberfläche des zu vermessenden Teils ist relativ hoch. Wenn das zu vermessende Teil 10 nicht verkantet ist, "sehen" die Detektorelemente in der Mitte der Zeile in Fig. 3 während des ganzen Zeitintervalls zwischen aufeinanderfolgenden Auslesung der Zeilenkamera das Teil 10. Die Signale dieser Detektorelemente sind daher niedrig und bilden das niedrige Signalniveau 32. Die Detektorelemente am Ende der Zeile in Fig. 3 sehen den hellen Untergrund. Die Signale sind daher relativ hoch und bilden das hohe Signalniveau 30. Dazwischen liegen Detektorelemente, die zunächst den Untergrund gesehen haben, bei denen aber bei der Bewegung des Teils 10 zu einem Zeitpunkt innerhalb des Zeitintervalls zwischen den Auslesungen dieser helle Untergrund abgedeckt wurde. Solche Detektorelemente sehen während eines ersten Abschnitts des Zeitintervalls "hell" und während eines zweiten Abschnitts "dunkel". Bei der Auslesung der Detektorelemente wird über das Zeitintervall integriert. Es wird daher ein Signal ausgelesen, das zwischen dem hohen und dem niedrigen Signalniveau liegt. Die Schräge 34 ist im wesentlichen linear.

Bildverarbeitungsmittel 36 bestimmen aus den - genau synchron gewonnenen - Signalverteilungen der Zeilenkameras 14 und 16 Punkte, die in beiden Signalverteilungen einander entsprechen. Das kann mit "Subpixel-Genauigkeit" geschehen. Die einander entsprechenden Punkte liegen rechts oder links von der Referenzrichtung 22 bzw. 24 und liefern positive oder negative Längenwerte. Längenrechnermittel 38 bilden die Differenz dieser Längenwerte. Diese Differenz wird dem Abstand "a" der beiden Zeilenkameras 14 und 16 überlagert. Die Summe dieser Größen wird als Länge des Teils 10 an einem Ausgang 40 ausgegeben.

Bei einem Durchgang des Teils 10 unter den Zeilenkameras 14 und 16 hindurch wird in mehreren Zeitintervallen und Auslesungen der Detektorelemente eine Mehrzahl von Signalverteilungen nach Art von Fig. 4 erhalten. Aus jeder dieser Signalverteilungen wird ein Längenmeßwert gewonnen. Die so erhaltenen Längenmeßwerte werden gemittelt. Auf diese Weise wird die Genauigkeit der Messung weiter erhöht.

Fig. 5 zeigt eine Abwandlung der Vorrichtung. In Fig. 5 sind die Zeilenkameras nur durch die geraden Strecken dargestellt, längs derer die Detektorelemente angeordnet sind, bzw. durch die Streifen im Gesichtsfeld der Zeilenkameras, die von den Detektorelementen erfaßt werden. Bei der Ausführung von Fig. 5 sind insgesamt vier Zeilenkameras 42, 44, 46 und 48 vorgesehen. Die Zeilen der Zeilenkameras bilden mit der Bewegungsrichtung des Teils 10 einen Winkel, z. B. von 45°. Die Zeilenkameras 42, 44, 46 und 48 sind in den Ecken eines im wesentlichen den Abmessungen des zu vermessenden Teiles 10 entsprechenden Rechteckes so angeordnet, daß während des Meßvorganges die von den Detektorelementen erfaßten langgestreckten Bereiche sich schräg über die Ecken des Teils 10 erstrecken. Die Signalverteilung liefert dadurch zusätzlich zu der von den Vorder- bzw. Hinterkanten der Teile 10 hervorgerufenen Schrägen auch noch Stufen, die von den Seitenkanten der Teile 10 verursacht sind. Dadurch können einmal Verkantungen des Teils 10 gegenüber der Bewegungsrichtung erfaßt werden. Eine Verkantung bewirkt eine seitliche Verlagerung der Stufen. Außerdem ist es möglich, die Breite des Teils 10 zu bestimmen.

Statt der vier Zeilenkameras können ggf. auch nur zwei Zeilenkameras, z. B. 42 und 46, vorgesehen sein, die diagonal gegenüberliegend angeordnet sind (vgl. Fig. 2). Bei Verwendung von vier Zeilenkameras 42 bis 48 wird die Information redundant erhalten.

Die Zeilenkameras 14 und 16 in Fig. 1 können relativ zueinander verschiebbar auf einer gemeinsamen Halterung angebracht sein. Dabei kann die Position der Zeilenkameras auf der Halterung durch Stellmotore einstellbar sein.

In einer weiteren Abwandlung können die Sensormittel von einer einzigen Zeilenkamera mit zwei räumlich getrennten Bereichen von Detektorelementen gebildet sein.

Die Längen der zu vermessenden Teile können in der beschriebenen Weise in der Bewegung im Verlauf eines Produktionsprozesses mit hoher Genauigkeit berührungslos gemessen werden. Ein Anwendungsbeispiel ist die Vermessung von sog. Platinen zur Karosserieherstellung, die mit einer Geschwindigkeit von 5 m/s bewegt werden. Solche Platinen haben eine Länge von etwa 4 m. Diese Länge muß auf 0,1 mm genau gemessen werden. Das ist mit einer Anordnung der beschriebenen Art möglich.

Hierbei sind zwei Zeilenkameras 14 und 16 mit je 2048 Detektorelementen vorgesehen. Die Zeilenkameras 14 und 16 sind in einer Höhe von 4 m über einem Transportband justiert. Die Optik zur Abbildung der Kanten auf den Detektorelementen ist so gewählt, daß ein Bereich von 50 mm füllend auf den Detektorelementen abgebildet wird. Die beiden Zeilenkameras 14 und 16 werden genau synchron betrieben. Sie arbeiten mit einer Aufnahmefrequenz von 2,5 kHz. Die Belichtungszeit, das Zeitintervall zwischen zwei Auslesungen, entspricht dieser Aufnahmefrequenz und beträgt somit 1/2500 sec. Während der Belichtungszeit legt das Teil 10 eine Strecke von 2 mm zurück. Das entspricht etwa 82 Detektorelementen. Die Kanten werden also über 82 Bildelemente verschmiert. Da die Zeilenkameras 14 und 16 in ununterbrochener Folge Bilder aufnehmen, entstehen beim Durchgang der Kante durch das Gesichtsfeld der Zeilenkamera 14 oder 16 etwa 25 solche Bilder, die jeweils um 82 Bildpunkte gegeneinander verschoben sind. Damit kann die relative Lage der Kanten auf besser als ± 7 µm bestimmt werden. Die relative Lage der Zeilenkameras 14 und 16 kann z. B. durch Glasmaßstäbe auf ± 20 µm genau bestimmt werden. Damit ergibt sich für die Bestimmung der Gesamtlänge eine Genauigkeit von besser als ± 0,050 mm. Das ist eine Genauigkeit von besser als 20 000 : 1.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur genauen Messung der Länge von längs einer geraden Bahn bewegten Teilen, deren Länge näherungsweise bekannt ist, bei welcher

• (a) über der Bahn der Teile wenigstens zwei bildauflösende Sensormittel mit einer linearen Anordnung von Detektorelementen vorgesehen sind,
• (b) die Sensormittel Bereiche der Bahn erfassen, die um die näherungsweise bekannte Länge der zu vermessenden Teile in Bewegungsrichtung der Teile gegeneinander versetzt sind,
• (c) die Sensormittel synchronisiert auslesbar sind,
• (d) die Signale der Sensormittel auf Bildverarbeitungs­ mittel aufgeschaltet sind, welche die genaue Relativposition einer vorbei kommenden Vorder- oder Hinterkante des Teils im jeweiligen Erfassungsbereich bestimmen und
• (e) Längenrechenmittel aus der Relativposition einer Vorderkante des Teils im einen Erfassungsbereich und einer Hinterkante im anderen Erfassungsbereich sowie dem Abstand der Erfassungsbereiche die Länge des Teils in der Bewegungsrichtung bestimmen, dadurch gekennzeichnet, daß
• (f) der gerade Gesichtsfeldstreifen der Detektorelemente (18) jedes Sensormittels unter einem von Null verschiedenen Winkel zur Bewegungsrichtung (12) des Teils (10) verläuft und sich jeweils über eine Seitenkante des Teils (10) ersteckt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• (a) zwei Sensormittel so angeordnet sind, daß sie bei rechteckigen Teilen (10) zwei diagonal gegenüberliegende Ecken derselben erfassen können,
• (b) die Bildverarbeitungsmittel (36) Verkantungen der Teile (10) relativ zu der Bewegungsrichtung (12) aus den Relativpositionen einer vorbei kommenden Vorder- oder Hinterkante und der Seitenkante eines Teils im jeweiligen Erfassungsbereich bestimmen, und
• (c) die Längenrechenmittel (38) die Länge der Teile (10) unter Berücksichtigung von festgestellten Verkantungen berechnet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Längenrechenmittel (38) die Breite des Teils (10) aus den Relativpositionen der Seitenkanten des Teils (10) im jeweiligen Erfassungsbereich bestimmen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß

• (a) vier Sensormittel (42, 44, 46, 48) so angeordnet sind, daß sie bei rechteckigen Teilen die vier Ecken eines durchlaufenden Teils (10) erfassen können und
• (b) die Bildverarbeitungs- und Längenrechenmittel (36, 38) aus den Signalen der Sensormittel (42, 44, 46, 48) Länge und Breite des Teils (10) redundant bestimmen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß

• (a) die Frequenz der Auslesung so hoch gewählt ist, daß beim Durchgang einer Kante des Teils (10) durch einen Erfassungsbereich mehrere Auslesungen der Detektorelemente der Sensormittel (14, 16, 42, 44, 46 bzw. 48) erfolgen,
• (b) durch die Bildverarbeitungsmittel (36) die relative Lage der Kanten im jeweiligen Erfassungsbereich nach jeder Auslesung bestimmbar und durch die Längenrechenmittel (38) nach jeder Bestimmung der Kantenlagen die Länge des Teils (10) bestimmbar ist und
• (c) als Meßwert für die Länge des Teils (10) ein Mittelwert der so bestimmten Längen ausgebbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale der Sensormittel (14, 16, 42, 44, 46 bzw. 48) bei jeder Auslesung in Abhängigkeit von der Lage des jeweiligen Detektor­ elements ein hohes Signalniveau (30), ein niedriges Signalniveau (32) und ein dazwischen sich von Detektor­ element zu Detektorelement zwischen den hohen und niedrigen Signalniveaus quasi-stetig variierende Werte aufweisen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildverarbeitungsmittel (36) die relative Lage der Kanten des Teils (10) im jeweiligen Erfassungsbereich durch lineare Interpolation des Signalverlaufs im Zwischenbereich zwischen dem hohen und dem niedrigen Signalniveau (30, 32) bestimmen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensormittel von Zeilenkameras (14, 16) gebildet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeilenkameras (14, 16) relativ zueinander verschiebbar auf einer gemeinsamen Halterung angebracht sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Position der Zeilenkameras (14, 16) auf der Halterung durch Stellmotore einstellbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensormittel von einer einzigen Zeilenkamera mit zwei räumlich getrennten Bereichen von Detektor­ elementen gebildet ist.