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WO2000066998A9 - Verfahren und vorrichtung zur erfassung eines abbildes einer im wesentlichen zylindrischen oberfläche - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur erfassung eines abbildes einer im wesentlichen zylindrischen oberfläche

Info

Publication number
WO2000066998A9
WO2000066998A9 PCT/AT2000/000104 AT0000104W WO0066998A9 WO 2000066998 A9 WO2000066998 A9 WO 2000066998A9 AT 0000104 W AT0000104 W AT 0000104W WO 0066998 A9 WO0066998 A9 WO 0066998A9
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
image
round optics
sensor
optical sensor
optics
Prior art date
Application number
PCT/AT2000/000104
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2000066998A8 (de
WO2000066998A2 (de
WO2000066998A3 (de
Inventor
Gerhard Kucera
Michael Rudolf
Hubert Keller
Franz Seiser
Original Assignee
Festo Ges M B H
Gerhard Kucera
Michael Rudolf
Hubert Keller
Franz Seiser
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Festo Ges M B H, Gerhard Kucera, Michael Rudolf, Hubert Keller, Franz Seiser filed Critical Festo Ges M B H
Priority to AU39462/00A priority Critical patent/AU3946200A/en
Publication of WO2000066998A2 publication Critical patent/WO2000066998A2/de
Publication of WO2000066998A3 publication Critical patent/WO2000066998A3/de
Publication of WO2000066998A9 publication Critical patent/WO2000066998A9/de
Publication of WO2000066998A8 publication Critical patent/WO2000066998A8/de

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/95—Investigating the presence of flaws or contamination characterised by the material or shape of the object to be examined
    • G01N21/954—Inspecting the inner surface of hollow bodies, e.g. bores
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/95—Investigating the presence of flaws or contamination characterised by the material or shape of the object to be examined
    • G01N21/952—Inspecting the exterior surface of cylindrical bodies or wires

Definitions

  • the invention relates to a ner driving for capturing an image of an essentially cylindrical surface, such as the surface of a cavity or outer jacket of an essentially cylindrical workpiece.
  • image processing denotes the interpretation of an image, object or scene by using contactless sensors with the aim of obtaining information, monitoring machines or processes or checking workpieces.
  • An image processing system usually consists of the components: lighting, Sensor technology with optics, image digitization / image processing and image evaluation / generation of identification and control data.
  • CCD cameras are the most common as imaging sensors.
  • the semiconductor CCD cameras have become very cheap, small and light. They are available as a matrix sensor (2D arrangement, usually 780x580 pixels) and also as a line sensor (1 D arrangement, from 256 to 8000 pixels).
  • Image processing is used to process the captured image so that it can be evaluated in the subsequent stages with relatively little effort. Here the image is rectified, the noise and redundant redundancies eliminated by data compression.
  • the pre-processed image is evaluated, errors classified or objects identified, which is done using appropriately programmed computers. Intelligent evaluation algorithms such as neural networks or fuzzy logic are often used here.
  • the present invention relates to the use of an image processing system in the field of surface inspection of - preferably finished - workpieces and specifically relates only to the image acquisition part of such an image processing system.
  • An image processing system offers decisive advantages especially in the field of surface inspection: It inspects objectively, reproducibly, fatigue-free and regardless of the condition of the staff.
  • an image acquisition unit and an image evaluation unit the image acquisition unit having all-round optics, which detects light from the entire circumference of the cylindrical surface and projects it onto an optical sensor, the all-round optics and cylindrical surface being moved relative to one another and after the completion of a predeterminable movement path Partial image of the surface that has just been captured by the sensor is stored by the image evaluation unit and all partial images are combined to form an overall image of the surface and the all-round optics and cylindrical surface are continuously moved relative to one another.
  • the speed of the relative movement between the all-round optics and the surface is chosen to be the same throughout.
  • the surface is kept still and the all-round optics are moved further relative to the surface.
  • This variant is particularly suitable for workpieces that are large and / or heavy compared to the all-round optics and therefore can only be moved with greater effort than these.
  • the optical sensor is held stationary with respect to the all-round optics and the light detected by the all-round optics, preferably using optical fibers or mirror systems, is projected onto the optical sensor.
  • the spatial separation of the all-round optics and sensor thus achieved means that the part of the image acquisition unit to be moved can be manufactured with very small geometric dimensions.
  • the optical sensor In contrast to the form of filling just mentioned, provision can also be made for the optical sensor to be rigidly connected to the all-round optics and to be moved together with the latter in relation to the surface.
  • the all-round optics are held immovably and the surface is moved relative to the all-round optics.
  • This design variant should be selected in particular if the surface whose image is to be captured is that of an endless strand of workpieces, e.g. an extruded plastic strand, a glass strand or the like.
  • the image evaluation unit recognizes defects in the surface by comparing the overall surface image with a reference image.
  • Another object of the invention is to provide a device of the simplest possible design for carrying out the method just discussed.
  • this is achieved by an image acquisition unit and an image evaluation unit, the image acquisition unit having all-round optics, which detects light from the entire circumference of the cylindrical surface and projects it onto an optical sensor, the all-round optics and cylindrical surface being kept movable relative to one another and optical sensor is a ring sensor.
  • this is achieved by an image acquisition unit and an image evaluation unit, the image acquisition unit having all-round optics, which detects light from the entire circumference of the cylindrical surface and projects it onto an optical sensor, the all-round optics and cylindrical surface being kept movable relative to one another and optical sensor is a matrix sensor.
  • the optical sensor is implemented in CMOS technology or in CCD technology. Both technologies have sufficient for the subject area of application
  • the all-round optics and, if appropriate, the optical sensor are fixed on a linear drive that can be moved continuously.
  • the linear drive is formed by an electrical spindle drive, since such drives can be produced in a relatively simple manner with the travel accuracy required in the context in question.
  • Spindle drive is formed by an electrical stepper or servo motor, because such drives are particularly easy to control.
  • the linear drive is formed by a pneumatic smooth-running cylinder.
  • Such a drive also has the necessary travel accuracy.
  • Fig.l is a block diagram of a device according to the invention.
  • FIG. 6 shows the overall picture of the bore according to FIG. 5;
  • FIG. 7 shows the circuit diagram of an image capturing component 9 which is held in CMOS technology
  • Fig.l is a block diagram of an inventive device for inspecting the
  • Outer surface of cylindrical workpieces, according to the principle of the invention be recorded.
  • the basic structure of the necessary devices is the same.
  • a device suitable for inspecting cavity surfaces is therefore described below.
  • such a device essentially comprises two main components, namely on the one hand the image acquisition unit 1 and on the other hand the image evaluation unit 2.
  • the image capturing unit 1 has all-round optics 6, which captures light from the entire circumference of the cylindrical surface 13 and projects it onto an optical sensor 8, 8 '(see FIG. 2, 3).
  • the electrical output of this sensor 8, 8 ' is connected to the image evaluation unit 2.
  • Said sensor 8,8 ' is not so large that the entire surface of the object to be inspected
  • Cavity could be projected onto it, but rather only a section - which, as explained in more detail below, an annular disk-shaped, encompassing the entire circumference
  • Section of the surface is to be projected onto it.
  • All-round optics 6 and cylindrical surface 13 can be moved relative to each other and after
  • Partial images are combined into a total image of the surface in a manner also described below.
  • the image acquisition unit 1 comprises an endoscope 3, which is fixed on the slide 5 of a linear drive 4 which is mounted in a translationally displaceable manner.
  • This linear drive 4 can be of any design, for example, a
  • Spindle drive threaded spindle is rotatably driven about its longitudinal axis, slide 5 has an internal thread which is penetrated by the threaded spindle) or a pneumatic linear drive (smooth-running pneumatic cylinder, its free
  • Piston rod end forms the carriage 5) can be specified.
  • Threaded spindle is preferably carried out by an electrical step or
  • Servo motor which - as will be discussed in more detail below - continuously drive the threaded spindle.
  • all-round optics is understood in connection with FIG. 1 to be an objective which, due to its design, is permeable to any light which is incident on it in a plane running approximately normal to its geometric axis of symmetry 7 (see FIG. 2)
  • the relative movement between surface 13 and all-round optics 6 is here achieved in that the surface 13 or the workpiece on which this surface 13 is located is kept still and the all-round optics 6 is moved relative to the surface 13.
  • Another component of the image acquisition unit 1 is the optical sensor 8, 8 ', onto which the light passing through the all-round optics 6 is projected.
  • image sensors are known per se and are designed, for example, as ring sensors 8 or as surface or matrix sensors 8 '.
  • This sensor is particularly preferably designed as a ring sensor 8, which means that its individual image acquisition components 9 are arranged in a ring.
  • these image acquisition components 9 are fixed on the lateral surface of a cylindrical support 10, as shown in FIG. With this design, the light incident through the all-round optics 6 does not need to be deflected, but can be made to fall directly on the sensor 8.
  • a further, more common design of a ring sensor 6, as shown in FIG. 3, is to mount the individual image acquisition components 9 on a flat carrier surface 11, but to arrange them there in a ring.
  • the light incident through the all-round optics 6 must be redirected to this ring-shaped sensor 8, which can be done, for example, by a deflecting mirror which is designed as a desk mirror 12.
  • a desk mirror 12 has, as can be seen from FIG. 3, the shape of a truncated cone, the outer surface of which is mirrored. It is also possible to forward the incident light using a light guide.
  • Both types of ring sensors 8 only have a single image line, so that, in contrast to surface sensors 8 '(cf. FIG. 4 a), they cannot detect a larger image, but only an image line.
  • the image acquisition components 9 are arranged in the form of a rectangular matrix, so that a larger-area image can be projected onto this sensor design. Both sensor designs can be used according to the invention, which will be explained further below.
  • both ring sensors 8 and area sensors can be constructed in different technologies, the most common examples being CMOS technology and CCD technology.
  • the technology of the sensor 8, 8 ' is also not essential to the invention and is therefore freely selectable.
  • the sensor 8, 8 ′ could also be at the tip of the endoscope 3, namely within the all-round optics 6.
  • the electrical signals generated by it and corresponding to the light incident on the sensor 8, 8 ′ must then be forwarded to the image processing unit 2 by means of corresponding electrical lines 24.
  • the sensor 8,8 'could be fixed outside the all-round optics 6, for example at the other end of the endoscope 3 or otherwise on the slide 5 of the linear drive 4 his.
  • the light incident through the all-round optics 3 would have to be fed to the sensor 8,8 ', which can be done, for example, by means of light guides or mirror systems.
  • the endoscope 3 can be designed with a smaller diameter, so that it can also be used to inspect narrower cavities.
  • Illumination of the cavity is also provided, which is preferably also fixed on the endoscope 3.
  • FIG. 5 shows only the surface 13 of a hole, but not the workpiece within which this hole is actually made.
  • the particularly preferred embodiment of the sensor 8 as a CMOS ring sensor is also assumed: the endoscope 3 comprising at least the all-round optics 6, possibly also the CMOS ring sensor 8, is pushed into the hole to be inspected along its axis of symmetry 14.
  • the image processing unit 2 has the components clocked in FIG. Component 9 corresponds to falling light.
  • intermediate values 17 are combined to form an overall image 21 of the surface, simply by storing the values of each surface section
  • the endoscope 3 is moved further into the bore until the ring sensor 8 lies at the level of a second section 20 and the ring sensor 8 is read out again. Then the endoscope 3 is moved again and the ring sensor
  • Ring sensor 8 is detected, which is combined by the downstream image processing unit 2 to form an entire, leveled image of the surface (see FIG. 6).
  • the height h of each detected strip-shaped section 15, 20, 22 of the surface 13 is as high as one
  • CMOS ring sensors 8 worked very quickly, they indicate
  • the speed of the relative movement is preferably between
  • All-round optics 6 and surface 13 are consistently chosen to be of the same height, so that there is a continuous movement (see FIG.
  • Relative movement is reduced for the duration of the storage of a partial image (cf.
  • the CMOS ring sensor 8 is therefore read out each time a path corresponding to the pixel height h is covered, but without stopping the endoscope 3.
  • Component that is a pixel of the CMOS ring sensor 8, is shown in FIG. such
  • CMOS sensors have about 120 dB, which allows detailed recordings even in high-contrast environments
  • CCD sensors on the other hand, only have 70 to a maximum of 80dB. This significantly higher modulation range makes it easier to identify defects on reflective surfaces, such as those that can occur during die inspection in die-cast parts.
  • CMOS sensors do not show the blooming effect that occurs with CCD sensors if a very bright light beam remains in the same place for too long. Pixels saturated by the intense lighting can no longer hold their charge, so that they flow to neighboring pixels and also saturate them. The image information of the affected pixels is lost.
  • the sampling frequency i.e. the frequency with which the ring sensor 8 is read out can be directly proportional to the travel speed of the endoscope 3.
  • the displacement sensor 19 is connected to the linear drive 4. This displacement sensor 19 triggers the switch 16 by one pixel height each time the endoscope 3 is moved, so that the image evaluation device 2 is caused to read out the ring sensor 8.
  • An advantage of this triggered scanning is that the travel speed of the endoscope 3 can be freely selected within wide limits. Thus, e.g. in blind holes are gently braked without changing the resolution in the captured image. If the coupling of the traveled endoscope path and scanning is made changeable, i.e. the length of the path, after which a renewed scanning has to be carried out, is kept changeable, the recorded image can be given a variable resolution: if the endoscope path between two scans is increased, the resolution of the image in this area is reduced, is conversely, the endoscope path between two scans is reduced, the resolution of the image increases. Areas of the hole that are of no interest (e.g. because experience has shown that surface defects do not occur there or because defects in such areas are less interesting for assessing the quality of the hole) can be scanned with reduced resolution and at higher speed.
  • the processing of the overall image 21 of the surface i.e. its examination for any existing defects in the bore surface 13 is carried out by the image evaluation unit 2, which, in addition to the total memory 18, comprises a computer on which corresponding image processing software runs, which recognizes defects in the surface by comparing the overall surface image with a reference image.
  • the image evaluation unit 2 which, in addition to the total memory 18, comprises a computer on which corresponding image processing software runs, which recognizes defects in the surface by comparing the overall surface image with a reference image.
  • the most important functional difference to the ring sensor 8 is that not only one line, the height h of which corresponds to the pixel height p, is projected onto this sensor 8 ', but rather that the portion projected onto the sensor 8 'is a wider, but also a ring-shaped portion of the surface 13. In order to record the overall image of the surface 13, a smaller number of partial images must therefore be recorded.
  • the predeterminable movement path after the completion of which the partial image of the surface 13 just detected by the sensor 8, 8 'is stored by the image evaluation unit 2, corresponds in the case of a surface sensor 8' to the width of the surface section which can be projected onto the sensor 8 '.
  • the optical sensor 8,8 ' can be arranged in the immediate vicinity of the all-round optics 6 and its outputs can be connected to the image evaluation device 2 by means of electrical lines 24, or an objectionable arrangement of the all-round optics 6 and sensor 8,8' can be provided, whereby the light passing through the all-round optics 6 is fed to the sensor 8, 8 'by means of light guides and / or mirror systems.
  • the principle according to the invention can also be used to record the image of the outer lateral surface of a cylindrical body.
  • FIG. 1 An image acquisition unit 1 suitable for this is shown in FIG. The most significant difference from the previously discussed device for recording the image of a cavity surface lies in the other design of the all-round optics 6.
  • all-round optics in connection with the detection of an essentially cylindrical outer jacket is understood to mean a lens which is designed such that it can detect light from the entire circumference of the outer jacket surface. From the axis of symmetry 7 of such an all-round lens 6, one is therefore seen “All-round view” possible around the entire circumference of the outer jacket.
  • FIG. 1 A possible embodiment of such an all-round optical system 6 is shown in FIG.
  • This desk mirror 25 has a through hole 29, the axis of symmetry 27 of which coincides with the optical axis 7 of the desk mirror 25.
  • the workpiece 28 Through said through hole 29, the workpiece 28, the surface 13 of which is to be imaged, is passed through, which can again be done by means of a linear drive 4, not shown in detail.
  • a plane mirror 30 is arranged above the desk mirror 25, which is arranged inclined to the optical axis of the desk mirror 25 and serves to deflect the light coming from the desk mirror 25 onto the sensor 8,8 '.
  • the optical sensor 8, 8 ' is arranged behind the objective 31.
  • the workpiece 28 is illuminated by a plurality of light beams 32, 32 'surrounding the workpiece 28 in an annular manner, the angle of incidence of the light beams 32, 32' on the surface 13 of the workpiece 28, with respect to the optical axis 7, being not equal to 90 °, so that do not place the light beams 32, 32 'and the optical axis 7 perpendicular to one another, but the light beams penetrate the optical axis at an angle.
  • the desk mirror 25 can be translucent in a suitable manner in the area of incidence of the light beams 32, 32 'so that the light beams 32, 32' surrounding the workpiece 28 penetrate the desk mirror 25 and the semi-transparent mirror surface 26 and within a certain width on the entire circumferential surface Fall surface of the workpiece 28 and there scan a more or less narrow surface ring.
  • the workpiece 28 is illuminated in a ring laterally above the desk mirror 25. From there, the light is reflected onto the mirror surface 26 or scattered light reaches where the reflected light 33, 33 'falls upwards onto the plane mirror 30, which contains the light throws on the lens 31, which bundles the light and images it according to the imaging scale on the sensor 8,8 '.
  • an annular disk-shaped section of the surface 13 is projected onto this sensor 8, 8 '.
  • the workpiece 28 is moved further by the width of a surface area which can be detected by the sensor 8,8 ', which further process takes place continuously.
  • a continuous movement according to FIG. 8a can be provided or the movement speed according to FIG. 8b can be reduced to save each partial image.
  • this sensor 8, 8 ' can either be designed as a single-line ring sensor 8 (FIG. 9a) or by a matrix sensor 8' (FIG. 9b), the technology of the sensor being selectable in each case, but CMOS or CCD sensors are used, especially ring sensors held in CMOS technology.
  • the individual partial images When using ring sensors 8, the individual partial images again have a height h corresponding to the pixel height p of these sensors 8; when using surface sensors 8 ', the individual partial images can be wider. Corresponding to the width of the surface section that can be projected on the sensor 8, 8 ′, the
  • the workpiece 28 in order to achieve the relative movement between surface 13 and all-round optics 6, the workpiece 28 can also be held immovably and the all-round optics 6 can be moved, for which purpose the latter on the carriage 5
  • Linear drive 4 is fixed.
  • the components of the plane mirror 30, lens 31 and sensor 8, 8 ' can also be kept movable, that is, they can also be fixed on the slide 5 of the linear drive 4, or they can also lie outside the linear drive 4, that is, they can be held immovably with respect to the all-round optics 6.
  • All-round optics 6 can also be designed in any other design.
  • the light beams can also be passed on by means of light guides.

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Abstract

Verfahren zur Erfassung eines Abbildes einer im Wesentlichen zylindrischen Oberfläche (13), wie Oberfläche eines Hohlraumes bzw. Aussenmantel eines im Wesentlichen zylindrischen Werkstückes umfassend eine Bilderfassungseinheit (1) und eine Bildauswerteinheit (2), wobei die Bilderfassungseinheit (1) eine Rundumoptik (6) aufweist, die Licht vom gesamten Umfang der zylindrischen Oberfläche (13) erfasst und auf einen optischen Sensor (8) projiziert, wobei Rundumoptik (6) und zylindrische Oberfläche (13) relativ zueinander bewegt werden und nach Abschluss eines vorgebbaren Bewegungsweges das gerade vom Sensor (8) erfasste Teilabbild der Oberfläche von der Bildauswerteinheit (2) abgespeichert und sämtliche Teilabbilder zu einem Gesamtabbild der Oberfläche zusammengefügt werden und Rundumoptik (6) und zylindrische Oberfläche (13) ununterbrochen relativ zueinander bewegt werden.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung eines Abbildes einer im wesentlichen zylindrischen Oberfläche
Die Erfindung betrifft ein Nerfahren zur Erfassung eines Abbildes einer im wesentlichen zylindrischen Oberfläche, wie Oberfläche eines Hohlraumes bzw. Außenmantel eines in wesentlichen zylindrischen Werkstückes.
Der Begriff „Bildverarbeitung" bezeichnet die Interpretation eines Bildes, Objektes oder einer Szene durch den Einsatz berührungsloser Sensoren, mit dem Ziel, Informationen zu erhalten, Maschinen bzw. Prozesse zu überwachen oder Werkstücke zu überprüfen. Ein Bildverarbeitungssystem besteht üblicherweise aus den Komponenten: Beleuchtung, Sensorik mit Optik, Bilddigitalisierung/Bildaufbereitung und Bildauswertung/Generierung von Kenn- und Steuerdaten.
Heute werden bei den meisten Bildverarbeitungssystemen Weißlicht- Infrarot- und/oder UN- Lampen als Beleuchtung eingesetzt und als bildgebende Sensoren sind CCD-Kameras am weitesten verbreitet. Die Halbleiter-CCD-Kameras sind inzwischen sehr billig, klein und leicht geworden. Es gibt sie als Matrixsensor (2D-Anordnung, üblicherweise 780x580 Pixel) und auch als Zeilensensor (1 D-Anordnung, von 256 bis 8000 Pixel). Die Bildaufbereitung dient dazu, das aufgenommene Bild so zu verarbeiten, daß in den nachfolgenden Stufen eine Auswertung mit relativ geringem Aufwand erfolgen kann. Hier wird das Bild entzerrt, das Rauschen und überflüssige Redundanzen durch Datenkompression eliminiert. Im nächsten Schritt wird das vorverarbeitete Bild ausgewertet, Fehler klassifiziert oder Objekte identifiziert, was mittels entsprechend programmierten Computern erfolgt. Hier werden oft intelligente Auswertealgorithmen, wie neuronale Netze oder Fuzzy Logic verwendet. Am Ende der Kette stehen Ausgangsgrößen, die als Kenn- oder Steuerdaten weiter verwendet werden. Die wichtigsten Leistungsmerkmale eines Bildverarbeitungssystems sind: Es arbeitet berührungslos und zerstörungsfrei, die mit ihm erzielen Ergebnisse sind reproduzierbar und objektiv, d.h. hängen nicht von der augenblicklichen Verfassung eines menschlichen Prüfers ab. Weiters sind die Prüfergebnisse -weil mittels EDN erzielt- besonders einfach und übersichtlich dokumentierbar.
Die gegenständliche Erfindung bezieht sich auf die Anwendung eines Bildverarbeitungssystems auf dem Gebiet der Oberflächeninspektion von -vorzugsweise fertigen- Werkstücken und betrifft konkret nur den Bilderfassungsteil eines solchen Bildverarbeitungssystems.
In vielen Produktionsprozessen ist eine visuelle Endkontrolle des Produktes für die Qualitätskontrolle unbedingt erforderlich. Meist wird diese Aufgabe von speziell geschultem Personal manuell durchgeführt. Die Bedeutung der Oberflächenqualität für das Endprodukt kann in folgenden Bereichen liegen:
Betriebssicherheit - Gewährleistung der Funktion des Produktes Marketing - Optische Güte und optischer Eindruck des Produktes Prozeßoptimierung - Rückkopplung zum Prozeß
Ein Bildverarbeitungssystem bietet gerade auf dem Gebiet der Oberflächenprüfung entscheidende Vorteile: Sie prüft objektiv, reproduzierbar, ermüdungsfrei und unabhängig von der Verfassung des Personals.
Es ist Aufgabe der gegenständlichen Erfindung, ein Verfahren der eingangs angeführten Art anzugeben, welches besonders schnell abläuft.
Erfindungsgemäß wird dies erreicht durch eine Bilderfassungseinheit und eine Bildauswerteinlieit, wobei die Bilderfassungseinheit eine Rundumoptik aufweist, die Licht vom gesamten Umfang der zylindrischen Oberfläche erfaßt und auf einen optischen Sensor projiziert, wobei Rundumoptik und zylindrische Oberfläche relativ zueinander bewegt werden und nach Abschluß eines vorgebbaren Bewegungsweges das gerade vom Sensor erfaßte Teilabbild der Oberfläche von der Bildauswerteinheit abgespeichert und sämtliche Teilabbilder zu einem Gesamtabbild der Oberfläche zusammengefügt werden und Rundumoptik und zylindrische Oberfläche ununterbrochen relativ zueinander bewegt werden.
Der geforderte möglichst schnelle Verfahrensablauf wird vorrangig durch die ununterbrochene Relativbewegung der Oberfläche gegenüber der Rundumoptik erreicht. Zeiten, in welchen die Rundumoptik völlig stillsteht und welche zu einer Verlangsamung des Gesamtverfahresablaufes fuhren würden, werden damit völlig vermieden. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Rundumoptik und der Oberfläche für die Dauer des Abspeicherns eines Teilabbildes verringert wird.
Damit wird sichergestellt, daß das aktuelle Teilabbild vollständig und rechtzeitig vor der Projektion des nachfolgenden Teilabbildes abgespeichert werden kann. Es ist mit der Verringerung der Bewegungsgeschwindigkeit zwar ein Verlangsamung des Erfassungs- Verfahrens verbunden, diese wirkt sich aber nur unwesentlich aus.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsweise der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Rundumoptik und der Oberfläche durchgehend gleich hoch gewählt wird.
Damit ist eine eben angesprochene geringfügige Verlangsamung des Verfahrensablaufes völlig vermieden.
Gemäß einer ersten Ausfuhrungsform der Erfindung kann vogesehen sein, daß die Oberfläche unbewegt gehalten und die Rundumoptik relativ zur Oberfläche weiterbewegt wird.
Diese Variante eignet sich insbesondere für Werkstücke, die groß und/oder schwer im Vergleich zur Rundumoptik sind und deshalb nur mit größerem Aufwand als diese weiterzubewegen sind.
In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, daß der optische Sensor stillstehend gegenüber der Rundumoptik gehalten wird und das von der Rundumoptik erfaßte Licht, vorzugsweise unter Verwendung von Lichtleitern oder Spiegelsystemen, auf den optischen Sensor projiziert wird.
Durch die damit bewirkte räumliche Trennung von Rundumoptik und Sensor wird erreicht, daß der weiterzubewegende Teil der Bilderfassungseinheit mit sehr geringen geometrischen Abmessungen gefertigt werden kann. Im Zusammenhang mit der Erfassung von Hohlraum- Oberflächen fuhrt dies dazu, daß das erfindungsgemäße Verfahren auch bei Hohlräumen mit sehr geringen Durchmessern eingesetzt werden kann.
Im Gegensatz zur eben angeführten Ausfül rungsform kann aber auch vorgesehen sein, daß der optische Sensor starr mit der Rundumoptik verbunden wird und gemeinsam mit dieser relativ zur Oberfläche weiterbewegt wird.
Damit können unter Umständen kompliziert aufgebaute Systeme zur Licht- Weiterleitung und die mit ihrer Herstellung verbundenen Kosten vermieden werden.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Rundumoptik unbewegbar gehalten wird und die Oberfläche relativ zur Rundumoptik weiterbewegt wird.
Diese Ausgestaltungsvariante ist insbesondere dann zu wählen, wenn die Oberfläche, deren Abbild erfaßt werden soll, jene eines endlosen Werkstückstranges, wie z.B. eines extrudierten Kunststoffstranges, eines Glasstranges od. dgl. ist.
Weiters kann vorgesehen sein, daß von der Bildauswerteinheit durch Vergleich des Oberflächen-Gesamtabbildes mit einem Referenzbild Fehlerstellen in der Oberfläche erkannt werden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine möglichst einfach aufgebaute Vorrichtung zur Durchführung des eben erörterten Verfahrens anzugeben. Gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Variante wird dies erreicht durch eine Bilderfassungseinheit und eine Bildauswerteinheit, wobei die Bilderfassungseinheit eine Rundumoptik aufweist, die Licht vom gesamten Umfang der zylindrischen Oberfläche erfaßt und auf einen optischen Sensor projiziert, wobei Rundumoptik und zylindrische Oberfläche relativ zueinander bewegbar gehalten sind und der optische Sensor ein Ringsensor ist. Gemäß einer zweiten erfindungsgemäßen Variante wird dies erreicht durch eine Bilderfassungseinheit und eine Bildauswerteinheit, wobei die Bilderfassungseinheit eine Rundumoptik aufweist, die Licht vom gesamten Umfang der zylindrischen Oberfläche erfaßt und auf einen optischen Sensor projiziert, wobei Rundumoptik und zylindrische Oberfläche relativ zueinander bewegbar gehalten sind und der optische Sensor ein Matrix-Sensor ist. Beide Typen von Sensoren können besonders schnell ausgelesen werden, sodaß ein reibungsloser Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens sichergestellt ist. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß der optische Sensor in CMOS-Technologie oder in CCD-Technologie ausgeführt ist. Beide Technologien weisen für den gegenständlichen Anwendungsbereich ausreichende
Funktionszuverlässigkeit auf.
Weiters kann vorgesehen sein, daß die Rundumoptik und gegebenenfalls der optische Sensor auf einem ununterbrochen weiterbewegbaren Linearantrieb festgelegt sind.
Damit ist die Weiterbewegung der Rundumoptik entlang einer völlig geraden Linie und damit eine konstante Beabstandung der Rundumoptik zur Oberfläche sichergestellt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß der Linearantrieb durch einen elektrischen Spindelantrieb gebildet ist, da solche Antriebe reltiv einfach mit der im gegenständlichen Zusammenhang notwendigen Verfahr-Genauigkeit herstellbar ist.
In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, daß die Gewindespindel des
Spindelantriebes durch einen elektrischen Schritt- oder Servomotor gebildet ist, weil derartige Antriebe besonders einfach ansteuerbar sind.
Gemäß einer anderen Ausfuhrungsmöglichkeit kann vorgesehen sein, daß der Linearantrieb durch einen pneumatischen Leichtlauf-Zylinder gebildet ist.
Auch ein solcher Antrieb weist die notwendige Verfahrgenauigkeit auf.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen, in welchen besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher beschrieben. Dabei zeigt:
Fig.l ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig.2 und 3 Schrägrisse von Rundumoptiken 6 mit Ringsensoren 8 in prinzipieller
Darstellung;
Fig.4a,b einen Flächen- bzw. Matrixsensor und einen Ringsensor jeweils im Grundriß;
Fig.5 die Oberfläche 13 einer zu inspizierenden Bohrung im Schrägriß;
Fig.6 das Gesamtbild der Bohrung gemäß Fig.5;
Fig.7 das Schaltbild eines in CMOS-Technologie gehaltenen Bilderfassungs-Bauelementes 9;
Fig.8a,b zwei mögliche Verläufe der Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen
Rundumoptik und zu erfassender Oberfläche Diagrammform;
Fig.9 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung einer
Außenmantelfläche;
Fig.9a,b einen in der Vorrichtung gemäß Fig.9 verwendbaren Ringsensor bzw. einen
Flächensensor jeweils im Grundriß.
In Fig.l ist ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Inspektion der
Oberfläche eines Hohlraumes dargestellt. Mit Hilfe dieser Vorrichtung können insbesondere die Oberflächen von Bohrungen sowie die Innenflächen von Bechern und Trinkgläsern inspiziert werden. Das Prinzip der Erfindung ist aber nicht auf die Anwendung bei diesen
Beispielen eingeschränlct, sondern kann vielmehr bei jedweder Art von Hohhaum eingesetzt werden.
Darüberhinaus können auch die Abbilder anderer zylindrischer Oberflächen, nämlich die
Außenmantelflächen von zylindrischen Werkstücken, nach dem erfindungsgemäßen Prinzip erfaßt werden. Der prinzipielle Aufbau der jeweils notwendigen Vorrichtungen ist aber gleich. Im folgenden wird daher vornehmlich eine zur Inspektion von Hohlraumoberflächen geeignete Vorrichtung beschrieben.
Eine solche Vorrichtung umfaßt gemäß Fig.l im wesentlichen zwei Hauptbestandteile, nämlich einerseits die Bilderfassungseinheit 1 und andererseits die Bildauswerteinheit 2.
Die Bilderfassungseinheit 1 weist eine Rundumoptik 6 auf, die Licht vom gesamten Umfang der zylindrischen Oberfläche 13 erfaßt und auf einen optischen Sensor 8,8' (vgl. Fig.2,3) projiziert. Der elektrische Ausgang dieses Sensors 8,8' ist mit der Bildauswerteinheit 2 verbunden.
Besagter Sensor 8,8' ist nicht so groß, daß die gesamte Oberfläche des zu inspizierenden
Hohlraumes auf ihn projiziert werden könnte, vielmehr kann lediglich ein Abschnitt -der wie unten noch näher erläutert ein ringscheibenförmiger, den gesamten Umfang umfassender
Abschnitt der Oberfläche ist- auf ihn projiziert werden.
Das Abbild des gesamten Hohlraumes muß daher schrittweise erfaßt werden, wozu
Rundumoptik 6 und zylindrische Oberfläche 13 relativ zueinander bewegt werden und nach
Abschluß eines vorgebbaren Bewegungsweges das gerade vom Sensor 8,8' erfaßte Teilabbild der Oberfläche von der Bildauswerteinheit 2 abgespeichert wird.
Die wälirend der Weiterbewegung der Oberfläche relativ zur Rundumoptik 6 erhaltenen
Teilabbilder werden -in ebenfalls unten näher beschriebener Weise- zu einem Gesamtabbild der Oberfläche zusammengefügt.
Die Bilderfassungseinheit 1 umfaßt gemäß Fig.l ein Endoskop 3, welches auf dem translatorisch verschiebbar gelagerten Schlitten 5 eines Linearantriebes 4 festgelegt ist.
Dieser Linearantrieb 4 kann konstruktiv beliebig ausgebildet sein, als Beispiele können ein
Spindelantrieb (Gewindespindel ist um ihre Längsachse drehbar angetrieben, Schlitten 5 weist Innengewinde auf, welches von der Gewindespindel durchsetzt ist) oder ein pneumatischer Linearantrieb (Leichtlauf-Pneumatikzylinder, dessen freies
Kolbenstangenende den Schlitten 5 bildet) angegeben werden. Der Antrieb der
Gewindespindel erfolgt dabei bevorzugterweise durch einen elektrischen Schritt- oder
Servomotor, welche die Gewindespindel aber -wie unten noch näher erörtert wird- ununterbrochen antreiben.
An der Spitze des Endoskops 3 ist die schon erwähnte Rundumoptik 6 festgelegt. Mit dem
Begriff „Rundumoptik" wird im Zusammenhang mit Fig.l ein Objektiv verstanden, welches aufgrund seiner Ausbildung durchlässig für jedes Licht ist, das in einer etwa normal zu seiner geometrischen Symmetrieachse 7 verlaufenden Ebene auf sie einfällt (vgl. Fig.2). Von der
Symmetrieachse 7 der Rundumoptik 6 aus gesehen ist also ein „Rundumblick" um 360° möglich.
Die Relativbewegung zwischen Oberfläche 13 und Rundumoptik 6 wird hier also dadurch erreicht, daß die Oberfläche 13 bzw. das Werkstück, auf welchem sich diese Oberfläche 13 befindet, unbewegt gehalten und die Rundumoptik 6 relativ zur Oberfläche 13 bewegt wird. Weiterer Bestandteil der Bilderfassungseinheit 1 ist der optische Sensor 8,8', aufweichen das die Rundumoptik 6 durchsetzende Licht projiziert wird. Solche Bildsensoren sind an sich bekannt und beispielsweise als Ringsensoren 8 oder als Flächen- bzw. Matrixsensoren 8' ausgebildet.
Besonders bevorzugt wird dieser Sensor als Ringsensor 8 ausgebildet, was bedeutet, daß seine einzelnen Bilderfassungs-Bauelemente 9 ringförmig angeordnet sind. Im einfachsten Fall sind dabei diese Bilderfassungs-Bauelemente 9 an der Mantelfläche eines zylindrischen Trägers 10 festgelegt, wie in Fig.2 dargestellt. Das durch die Rundumoptik 6 einfallende Licht braucht bei dieser Bauform nicht umgelenkt werden sondern kann direkt auf den Sensor 8 auffallen gelassen werden.
Eine weitere, gängigere Bauform eines Ringsensors 6 liegt wie in Fig.3 dargestellt darin, die einzelnen Bilderfassungs-Bauelemente 9 auf einer ebenen Trägeroberfläche 11 anzubringen, sie dort aber ringförmig anzuordnen. Das durch die Rundumoptik 6 einfallende Licht muß auf diesen ringförmigen Sensor 8 umgeleitet werden, was beispielsweise durch einen Umlenkspiegel erfolgen kann, der als Pultspiegel 12 ausgebildet ist. Ein solcher Pultspiegel 12 hat wie aus Fig.3 hervorgeht, die Form eines auf der Spitze stehenden Kegelstumpfes, dessen Mantelfläche verspiegelt ist. Auch die Weiterleitung des einfallenden Lichtes mittels Lichtleiter ist möglich.
Beide Arten von Ringsensoren 8 sind nur eine einzige Bildzeile umfassend aufgebaut, sodaß sie im Gegensatz zu Flächensensoren 8' (vgl. Fig.4a) kein größerflächiges Bild, sondern lediglich eine Bildzeile erfassen können.
Bei einem Flächen- oder Matrixsensor 8', so wie er ein Fig.4a im Detail dargestellt ist, sind die Bilderfassungs-Bauelemente 9 in Form einer rechteckigen Matrix angeordnet, sodaß auf diese Sensor-Bauform ein größerflächiges Bild projiziert werden kann. Beide Sensorbauformen können erfindungsgemäß eingesetzt werden, was weiter untenstehend noch erläutert wird.
Weiters können sowohl Ringsensoren 8 als auch Flächensensoren in verschiedenen Technologien aufgebaut sein, als gängigste Beispiele seien die CMOS-Technologie und die CCD-Technologie erwähnt. Auch die Technologie des Sensors 8,8' ist nicht erfindungswesentlich und damit frei wählbar.
Darüberhinaus ist die Position des Sensors 8,8' wählbar, wobei grundsätzlich zwei Möglichkeiten hierfür bestehen: Einerseits -insbesondere, wenn der Sensor 8,8' gemäß Fig.2 ausgebildet ist- könnte der Sensor 8,8' ebenfalls an der Spitze des Endoskops 3, nämlich innerhalb der Rundumoptik 6, liegen. Die von ihm erzeugten, dem gerade auf den Sensor 8,8' einfallenden Licht entsprechenden elektrischen Signale müssen dann mittels entsprechender elektrischer Leitungen 24 zur Bildverarbeitungseinheit 2 weitergeleitet werden. Andererseits könnte der Sensor 8,8' außerhalb der Rundumoptik 6, beispielsweise am anderen Ende des Endoskops 3 oder sonst am Schlitten 5 des Linearantriebes 4 festgelegt sein. Das durch die Rundumoptik 3 einfallende Licht müßte dabei dem Sensor 8,8' zugeführt werden, was beispielsweise mittels Lichtleiter oder Spiegelsystemen erfolgen kann. Unter Verwendung der zuletzt beschriebenen Ausfuhrungsform kann das Endoskop 3 mit kleinerem Durchmesser ausgebildet werden, sodaß es auch zur Inspelction engerer Hohlräume verwendet werden kann.
Beiden Anordnungsmöglichlceiten ist gemeinsam, daß der Sensor 8,8' starr mit der Rundumoptik 6 verbunden ist und gemeinsam mit dieser relativ zur Oberfläche weiterbewegt wird.
Daneben ist es aber -wie in Fig.l mit strichlierten Linien dargestellt- auch möglich, den Sensor 8,8' außerhalb des Linearantriebes 4, d.h. stillstehend gegenüber der Rundumoptik 6 anzuordnen und das von der Rundumoptik 6 erfaßte Licht an den Sensor 8,8' weiterzuleiten, was vorzugsweise unter Verwendung von Lichtleitern 23 oder von Spiegelsystemen erfolgen kann. Auch diese Ausführungsform eignet sich insbesonders zur Inspektion von Hohlräumen mit kleinen Durchmessern.
Weiters ist eine Beleuchtung des Hohlraumes vorgesehen, welche vorzugsweise ebenfalls am Endoskop 3 festgelegt ist.
Die Aufnahme eines Abbildes der Oberfläche einer Bohrung erfolgt mittels einer derart aufgebauten Anlage wie nachstehend an Hand der Fig.5 beschrieben. In dieser Fig.5 wurde der Übersicht halber nur die Oberfläche 13 einer Bohrung, nicht jedoch das Werkstück, innerhalb welchem diese Bohrung realiter eingebracht ist, dargestellt. Ausgegangen wird weiters von der besonders bevorzugten Ausbildung des Sensors 8 als CMOS-Ringsensor: Das Endoskop 3 umfassend zumindest die Rundumoptik 6, gegebenenfalls auch den CMOS- Ringsensor 8 wird in die zu inspizierende Bohrung entlang deren Symmetrieachse 14 hineinverschoben. Ist das Endoskop 3 soweit in die Bohrung hineinverschoben, daß das Abbild eines ersten ringscheibenförmigen Abschnittes 15, dessen Höhe h der Bauelementhöhe p des Ringsensors 8 entspricht, auf den Ringsensor 8 auftrifft, wird dieser Ringsensor 8 von der Bildverarbeitungseinheit 2 ausgelesen. Der vorgebbare Bewegungsweg, nach dessen Abschluß das gerade vom Sensor 8,8' erfaßte Teilabbild der Oberfläche 13 von der Bildauswerteinheit 2 abgespeichert wird, entspricht bei einem einzeiligen Ringsensor 8 also einer Pixelhöhe p.
Um dieses Auslesen durchfuhren zu können, hat die Bildverarbeitungseinheit 2 die in Fig.l dargestellten Komponenten getaktete Schalter 16, Zwischenspeicher 17 und Gesamtbildspeicher 18. Jedes Bilderfassungs-Bauelement 9 des Sensors 8 liefert einen Wert, dessen Größe der Intensität des auf das betreffende Bilderfassungs-Bauelement 9 fallenden Lichtes entspricht. Vorzugsweises wird ein CMOS-Ringsensor 8 umfassend 2048 Bilderfassungs-Bauelemente 9 (=Pixel) eingesetzt, sodaß der Ausgang des CMOS- Ringsensors 8 2048 elektrische Signale umfaßt. Diese Signale werden an den Schalter 16 geführt, welcher mit einem Zwischenspeicher 17 verbunden ist, der eine der Anzahl der Bilderfassungs-Bauelemente 9 entsprechende Anzahl an Speicherplätzen aufweist. Ist wie beschrieben das Endoskop 3 soweit in die Bohrung verschoben, daß das Licht des ersten ringscheibenförmigen Abschnittes 15 auf den Ringsensor 8 auftrifft, wird der Schalter 16 von einem Weggeber 19 angesteuert, d.h. zum Durchschalten veranlaßt, wodurch die aktuellen
Sensor- Werte am Zwischenspeicher 17 anstehen und dort abgespeichert werden. Im diesem
Zwischenspeicher 17 nachgeschalteten Gesamtbildspeicher 18 werden die im
Zwischenspeicher 17 stehenden Werte schließlich zu einem Gesamtabbild 21 der Oberfläche zusammengesetzt, was einfach durch Abspeicherung der Werte jedes Oberflächenabschnittes
15, 20, 22 in der betreffenden Zeile einer Bilddatei erfolgt (vgl. Fig.6).
Nach Aufnahme einer Bildzeile wird das Endoskop 3 weiter in die Bohrung hineinverfahren, bis der Ringsensor 8 auf Höhe eines zweiten Abschnittes 20 liegt und der Ringsensor 8 erneut ausgelesen. Danach wird das Endoskop 3 wieder weiter verfahren und der Ringsensor
8 ausgelesen. Diese Schritte werden solange wiederholt, bis das Endoskop 3 durch die gesamte Bohrung hindurchgeführt wurde.
Es werden dabei ringscheibenförmige Abschnitte 15, 20, 22 der Bohrungsoberfläche vom
Ringsensor 8 erfaßt, die von der nachgeschalteten Bildverarbeitungseinheit 2 zu einem gesamten, verebneten Abbild der Oberfläche zusammengefügt wird (vgl. Fig.6). Die Höhe h jedes erfaßten streifenförmigen Abschnittes 15, 20, 22 der Oberfläche 13 ist so hoch wie ein
Bildaufnahme-Element 9 (=Pixel) des Ringsensors 8.
Die bevorzugt eingesetzten CMOS -Ringsensoren 8 arbeiteten sehr schnell, sie weisen
Aufnahmeraten im Bereich von 25 kHz auf, was bedeutet, daß sie 25.000 mal pro Sekunde ausgelesen werden können. Gerade die Verwendung solcher CMOS-Ringsensoren erlaubt es daher, das Endoskop 3 -nicht so wie obige genaue Funktionserläuterung eventuell vermuten läßt- getaktet, sondern in erfindungsgemäßer Weise ununterbrochen durch die Bohrung hindurchzuführen und besagte streifenförmige Oberflächenabschnitte 15, 20, 22 während dieser ununterbrochenen Bewegung aufzunehmen und in die Gesamtbild-Datei abzuspeichern.
Mit der Formulierung „ununterbrochen" wird im Rahmen dieser Beschreibung und den
Ansprüchen eine Bewegung verstanden, deren Geschwindigkeit zu keinem Zeitpunlct auf
Null absinkt. Bevorzugterweise wird die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen
Rundumoptik 6 und Oberfläche 13 durchgehend gleich hoch gewählt, sodaß eine kontinuierliche Bewegung vorliegt (vgl. Fig.8a).
Es liegt aber auch im Rahmen der Erfindung, daß die Geschwindigkeit der besagten
Relativbewegung für die Dauer des Abspeicherns eines Teilabbildes verringert wird (vgl.
Fig.8b).
Der CMOS-Ringsensor 8 wird daher jeweils nach Zurücklegen eines der Pixelhöhe h entsprechenden Weges ausgelesen, ohne dazu aber das Endoskop 3 anzuhalten.
Der prinzipielle Aufbau eines in CMOS-Technologie gehaltenen Bilderfassungs-
Bauelementes, also eines Pixels des CMOS-Ringsensors 8, ist in Fig.7 dargestellt. Derartige
Sensoren bieten gegenüber herkömmlichen CCD-Sensoren viele Vorteile. Insbesondere weisen sie einen höheren Aussteuerbereich auf: Während CMOS-Sensoren etwa 120 dB aufweisen, was auch in kontrastreichen Umgebungen detailreiche Aufnahmen erlaubt, haben CCD-Sensoren hingegen nur 70 bis maximal 80dB. Dieser deutlich höhere Aussteuerbereich erleichtert die Erkennung von Fehlern auf spiegelnden Oberflächen, wie sie bei der Bohrungsinspektion in Druckgußteilen vorkommen können.
CMOS-Sensoren zeigen keinen Blooming-Effekt, der bei CCD-Sensoren auftritt, wenn ein sehr heller Lichtstrahl zu lange an derselben Stelle bleibt. Durch die intensive Beleuchtung gesättigte Pixel können ihre Ladung nicht mehr halten, sodaß diese auf Nachbarpixel abfließt und auch diese sättigen. Die Bildinformation der betroffenen Pixel ist dadurch verloren. Wie aus den vorstehenden Erläuterungen hervorgeht, muß die Abtastfrequenz, d.h. die Frequenz, mit welcher der Ringsensor 8 auslesen wird, direkt proportional zur Verfahrgeschwindigkeit des Endoskops 3 sein. Um diese Verkopplung von Abtastfrequenz und Verfahrgeschwindigkeit zu erreichen, ist der Weggeber 19 mit dem Linearantrieb 4 verbunden. Dieser Weggeber 19 triggert jeweils nach Verfahren des Endoskops 3 um eine Pixelhöhe den Schalter 16, sodaß die Bildauswerteinrichtung 2 zum Auslesen des Ringsensors 8 veranlaßt wird. Ein Vorteil dieser getriggerten Abtastung ist, daß die Verfahrgeschwindigkeit des Endoskops 3 in weiten Grenzen frei gewählt werden kann. Es kann somit z.B. bei Sacklochbohrungen sanft abgebremst werden, ohne daß sich dabei die Auflösung im aufgenommenen Bild ändert. Wenn die Verkoppelung von zurückgelegtem Endoskopweg und Abtastung veränderbar gestaltet wird, d.h. die Länge des Weges, nach dessen Zurücldegung eine erneute Abtastung zu erfolgen hat, veränderbar gehalten wird, kann dem aufgenommen Abbild eine veränderbare Auflösung gegeben werden: Wird der Endoskop- Weg zwischen zwei Abtastungen vergrößert, verringert sich die Auflösung des Abbildes in diesem Bereich, wird umgekehrt der Endoskop-Weg zwischen zwei Abtastungen verringert, erhöht sich die Auflösung des Abbildes. Damit können Bereiche der Bohrung, welchen uninteressant sind (z.B. weil dort Oberflächenfehler erfahrungsgemäß nicht auftreten bzw. weil in solchen Bereichen liegende Fehler für die Beurteilung der Qualität der Bohrung weniger interessant sind, mit verringerter Auflösung und mit größerer Geschwindigkeit abgetastet werden.
Die Verarbeitung des Gesamtabbildes 21 der Oberfläche, d.h. seine Untersuchung auf eventuell vorhandene Fehler in der Bohrungsoberfläche 13 erfolgt durch die Bildauswerteinheit 2, welche neben dem Gesamtspeicher 18 einen Computer umfaßt, auf welchem eine entsprechende Bildverarbeitungssoftware abläuft, die durch Vergleich des Oberflächen-Gesamtabbildes mit einem Referenzbild Fehlerstellen in der Oberfläche erkennt. Es ist in Abweichung der bisherigen Erörterung möglich, das die Rundumoptik 6 durchsetzende Licht auf einen in Fig.3 dargestellten Matrix-Sensor 8' zu projizieren, wo es ebenfalls ringförmig auftrifft.
Der wichtigste funktionelle Unterschied zum Ringsensor 8 liegt darin, daß nicht nur eine Zeile, deren Höhe h der Pixelhöhe p entspricht, auf diesen Sensor 8' projiziert wird, sondern daß der auf den Sensor 8' projizierte Abschnitt ein breiterer, aber ebenso noch ein ringscheibenförmiger Abschnitt der Oberfläche 13 ist. Zur Erfassung des Gesamtabbildes der Oberfläche 13 ist dadurch die Aufnahme einer geringeren Anzahl von Teilabbildern notwendig.
Der vorgebbare Bewegungsweg, nach dessen Abschluß das gerade vom Sensor 8,8' erfaßte Teilabbild der Oberfläche 13 von der Bildauswerteinheit 2 abgespeichert wird, entspricht bei einem Flächensensor 8' also der Breite des auf den Sensor 8' projizierbaren Oberflächenabschnittes .
Auch bei Verwendung eines Matrix-Sensors 8' erfolgt eine ununterbrochene Verschiebung des Endoskops 3, welche ununterbrochene Bewegung gemäß Fig.8a kontinuierlich sein kann oder während der Abspeicherung der Teilabbilder mit verminderter Geschwindigkeit erfolgen kann (vgl. Fig.8b).
Wie eingangs erwähnt, ist es zum Erhalt eines Gesamtabbildes nur wichtig, Rundumoptik 6 und Oberfläche 13 relativ zueinander zu bewegen. Diese Relativbewegung kann auch dadurch erreicht werden, daß die Rundumoptik 6 unbewegbar gehalten wird und die Oberfläche relativ zur Rundumoptik 6 weiterbewegt wird. Dazu wird einfach das die Oberfläche 13 aufweisende Werkstück auf dem Schlitten 5 des Linearantriebes 6 festgelegt. Auch hier kann der optische Sensor 8,8' in unmittelbarer Nähe zur Rundumoptik 6 angeordnet sein und seine Ausgänge mit elektrischen Leitungen 24 mit der Bildauswerteinrichtung 2 verbunden sein oder aber eine beanstandete Anordnung von Rundumoptik 6 und Sensor 8,8' vorgesehen sein, wobei das die Rundumoptik 6 durchsetzende Licht mittels Lichtleiter und/oder Spiegelsystemen dem Sensor 8,8' zugeleitet wird.
Das erfindungsgemäße Prinzip kann wie bereits erwähnt auch zur Erfassung des Abbildes der Außenmantelfläche eines zylindrischen Körpers eingesetzt werden.
Eine hierfür geeignete Bilderfassungseinheit 1 ist in Fig.9 dargestellt. Wesentlichster Unterschied zur bisher behandelten Vorrichtung zur Erfassung des Abbildes einer Hohlraum- Oberfläche liegt in der anderen Bauform der Rundumoptik 6.
Mit dem Begriff „Rundumoptik" wird im Zusammenhang mit der Erfassung eines im wesentlichen zylindrischen Außenmantels ein Objektiv verstanden, welches so ausgebildet ist, daß es Licht vom gesamten Umfang der Außenmantelfläche erfassen kann. Von der Symmetrieachse 7 einer solchen Rundumoptik 6 aus gesehen ist also ein „Rundumblick" um den gesamten Umfang des Außenmantels möglich.
In Fig.9 ist eine mögliche Ausführungsform einer solchen Rundumoptik 6 dargestellt: Sie besteht aus einem prismatischen Spiegelkörper, der als Pultspiegel 25 ausgebildet ist, dessen Spiegelfläche 26 vorzugsweise innenliegend kegelstumpfförmig und halbdurchlässig ist. Dieser Pultspiegel 25 weist eine Durchgangsbohrung 29 auf, deren Symmetrieachse 27 mit der optischen Achse 7 des Pultspiegels 25 übereinstimmt. Durch besagte Durchgangsbohrung 29 wird das Werkstück 28, dessen Oberfläche 13 abgebildet werden soll, Mndurchgeführt, was wieder mittels eines nicht näher dargestellten Linearantriebes 4 erfolgen kann.
Oberhalb des Pultspiegels 25 ist ein Planspiegel 30 angeordnet, der geneigt zur optischen Achse des Pultspiegels 25 angeordnet ist und zur Umlenkung des vom Pultspiegel 25 kommenden Lichtes auf den Sensor 8,8' dient. Seitlich dieses Planspiegels 30 befindet sich ein Objektiv 31 zur optischen Abbildung; hinter dem Objektiv 31 ist der optische Sensor 8,8' angeordnet.
Das Werkstück 28 wird beleuchtet von einer Mehrzahl von das Werkstück 28 ringförmig umgebenden Lichtstrahlen 32,32', wobei der Auftreffwinkel der Lichtstrahlen 32,32' auf die Oberfläche 13 des Werkstückes 28, bezogen auf die optische Achse 7 ungleich 90° sein kann, sodaß die Lichtstrahlen 32,32' und die optische Achse 7 nicht senkrecht aufeinanderstellen, aber die Lichtstrahlen schräg die optische Achse durchsetzen. Der Pultspiegel 25 kann in geeigneter Weise im Auftreffbereich der Lichtstrahlen 32,32' lichtdurchlässig sein, so daß die das Werkstück 28 ringförmig umgebenden Lichtstrahlen 32,32' den Pultspiegel 25 und die halbdurchlässige Spiegelfläche 26 durchsetzen und innerhalb einer bestimmten Breite auf die gesamte, umlaufende Oberfläche des Werkstückes 28 fallen und dort einen mehr oder weniger schmalen Oberflächenring abtasten. Oder die Beleuchtung des Werkstückes 28 erfolgt ringförmig seitlich oberhalb des Pultspiegels 25. Von dort wird das Licht auf die Spiegelfläche 26 reflektiert oder auch Streulicht gelangt dorthin, von wo das reflektierte Licht 33,33' nach oben auf den Planspiegel 30 fällt, der das Licht auf das Objektiv 31 wirft, das das Licht bündelt und entsprechend des Abbildungsmaßstabes auf dem Sensor 8,8' abbildet.
Analog zur eingangs beschriebenen Erfassung einer Hohlraum-Oberfläche wird ein ringscheibenförmiger Abschnitt der Oberfläche 13 auf diesen Sensor 8,8' projiziert. Nach Auslesen des Sensors 8,8' und Abspeicherung der vom Sensor 8,8' gelieferten Bilddaten wird das Werkstück 28 um die Breite eines vom Sensor 8,8' erfaßbaren Oberflächenabsclinittes weiter verfahren, welches Weiterverfahren ununterbrochen erfolgt. Dabei kann eine durchgehend kontinuierliche Bewegung gemäß Fig.8a vorgesehen sein oder zur Abspeicherung einer jeden Teilabbildung die Bewegungsgeschwindigkeit gemäß Fig.8b verringert werden.
Weiters kann dieser Sensor 8,8' entweder als einzeiliger Ringsensor 8 (Fig.9a) oder durch einen Matrix-Sensor 8' (Fig.9b) ausgebildet sein, wobei die Technologie des Sensors jeweils beliebig wählbar ist, vorzugsweise werden jedoch CMOS- oder CCD-Sensoren verwendet, insbesondere in CMOS-Technologie gehaltene Ringsensoren.
Bei Verwendung von Ringsensoren 8 weisen die einzelnen Teilabbildungen wieder eine der Pixelhöhe p dieser Sensoren 8 entsprechende Höhe h auf, bei Verwendung von Flächensensoren 8' können die einzelnen Teilabbildungen breiter sein. Entsprechend der Breite des am Sensor 8,8' projizierbaren Oberflächen- Abschnittes ist der
Beweggungsweg zu wählen, nach dessen Abschluß das gerade vom Sensor 8,8' erfaßte
Oberflächen-Teilabbild von der Bildauswerteinheit 2 abgespeichert wird.
Abweichend von der Darstellung gemäß Fig.9 kann zur Erreichung der Relativbewegung zwischen Oberfläche 13 und Rundumoptik 6 auch das Werkstück 28 unbewegbar gehalten werden und die Rundumoptik 6 verschoben werden, wozu letztere auf dem Schlitten 5 eines
Linearantriebes 4 festgelegt ist. Dabei können die Komponenten Planspiegel 30, Objektiv 31 und Sensor 8,8' mitbeweglich gehalten, also ebenso am Schlitten 5 des Linearantriebes 4 festgelegt werden oder aber auch außerhalb des Linearantriebes 4 liegen, also unbeweglich gegenüber der Rundumoptik 6 gehalten sein.
Wenngleich nicht in expliziten Zeichnungen dargestellt und im Detail erläutert, kann die
Rundumoptik 6 auch in jeder anderen Bauweise ausgeführt sein.
Die Weiterleitung der Lichtstrahlen kann in Abweichung von Fig.9 auch mittels Lichtleiter erfolgen.

Claims

P A T E N T AN S P R Ü C H E
1. Verfahren zur Erfassung eines Abbildes einer im wesentlichen zylindrischen Oberfläche (13), wie Oberfläche eines Hohlraumes bzw. Außenmantel eines in wesentlichen zylindrischen Werkstückes gekennzeichnet durch eine Bilderfassungseinheit (1) und eine Bildauswerteinheit (2), wobei die Bilderfassungseinheit (1) eine Rundumoptik (6) aufweist, die Licht vom gesamten Umfang der zylindrischen Oberfläche (13) erfaßt und auf einen optischen Sensor (8,8') projiziert, wobei Rundumoptik (6) und zylindrische Oberfläche (13) relativ zueinander bewegt werden und nach Abschluß eines vorgebbaren Bewegungsweges das gerade vom Sensor (8,8') erfaßte Teilabbild der Oberfläche von der Bildauswerteinheit (2) abgespeichert und sämtliche Teilabbilder zu einem Gesamtabbild der Oberfläche zusammengefügt werden und Rundumoptik (6) und zylindrische Oberfläche (13) ununterbrochen relativ zueinander bewegt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Rundumoptik (6) und der Oberfläche (13) für die Dauer des Abspeicherns eines Teilabbildes verringert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Rundumoptik (6) und der Oberfläche (13) durchgehend gleich hoch gewählt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (13) unbewegt gehalten und die Rundumoptik (6) relativ zur Oberfläche (13) weiterbewegt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Sensor (8,8') stillstehend gegenüber der Rundumoptik (6) gehalten wird und das von der Rundumoptik (6) erfaßte Licht, vorzugsweise unter Verwendung von Lichtleitern oder Spiegelsystemen, auf den optischen Sensor (8,8') projiziert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Sensor (8,8') starr mit der Rundumoptik (6) verbunden wird und gemeinsam mit dieser relativ zur Oberfläche weiterbewegt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rundumoptik (6) unbewegbar gehalten wird und die Oberfläche (13) relativ zur Rundumoptik (6) weiterbewegt wird.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß von der Bildauswerteinheit (2) durch Vergleich des Oberflächen-Gesamtabbildes mit einem Referenzbild Fehlerstellen in der Oberfläche (13) erkannt werden.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Bilderfassungseinheit (1) und eine Bildauswerteinheit (2), wobei die Bilderfassungseinheit (1) eine Rundumoptik (6) aufweist, die Licht vom gesamten Umfang der zylindrischen Oberfläche (13) erfaßt und auf einen optischen Sensor (8,8') projiziert, wobei Rundumoptik (6) und zylindrische Oberfläche (13) relativ zueinander bewegbar gehalten sind und der optische Sensor (8) ein Ringsensor ist.
10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Bilderfassungseinheit (1) und eine Bildauswerteinheit (2), wobei die Bilderfassungseinheit (1) eine Rundumoptik (6) aufweist, die Licht vom gesamten Umfang der zylindrischen Oberfläche (13) erfaßt und auf einen optischen Sensor (8,8') projiziert, wobei Rundumoptik (6) und zylindrische Oberfläche (13) relativ zueinander bewegbar gehalten sind und der optische Sensor (8') ein Matrix-Sensor ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Sensor (8,8') in CMOS-Technologie ausgeführt ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Sensor (8,8') in CCD-Technologie ausgeführt ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Rundumoptik (6) und gegebenenfalls der optische Sensor (8,8') auf einem ununterbrochen weiterbewegbaren Linearantrieb (4) festgelegt sind.
H. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Linearantrieb (4) durch einen elektrischen Spindelantrieb gebildet ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewindespindel des Spindelantriebes durch einen elektrischen Schritt- oder Servomotor gebildet ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Linearantrieb (4) durch einen pneumatischen Leichtlauf-Zylinder gebildet ist.
PCT/AT2000/000104 1999-04-30 2000-04-26 Verfahren und vorrichtung zur erfassung eines abbildes einer im wesentlichen zylindrischen oberfläche WO2000066998A2 (de)

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