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WO2003067233A1 - Oberflächenkonturerkennungsvorrichtung - Google Patents

Oberflächenkonturerkennungsvorrichtung Download PDF

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WO2003067233A1
WO2003067233A1 PCT/EP2002/014736 EP0214736W WO03067233A1 WO 2003067233 A1 WO2003067233 A1 WO 2003067233A1 EP 0214736 W EP0214736 W EP 0214736W WO 03067233 A1 WO03067233 A1 WO 03067233A1
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WO
WIPO (PCT)
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line
surface contour
detection device
light source
contour detection
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PCT/EP2002/014736
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English (en)
French (fr)
Inventor
Herbert Müller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Apex Tool Group GmbH and Co OHG
Original Assignee
Cooper Power Tools GmbH and Co OHG
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Publication date
Application filed by Cooper Power Tools GmbH and Co OHG filed Critical Cooper Power Tools GmbH and Co OHG
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Ceased legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • 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
    • G01N21/9515—Objects of complex shape, e.g. examined with use of a surface follower device

Definitions

  • the invention relates to a surface contour recognition device, in particular for valves installed in an engine block, with a light source for surface irradiation, in particular in the region of a component whose surface contour is to be determined, and with a receiving system for detecting the light reflected from the surface.
  • Such a surface contour recognition device is known in practice and serves, for example, for determining the installation state of valves or parts of the valves, such as valve keys or the like, in an engine block. It goes without saying that such a surface contour recognition device can also be used to determine the installed state of other components, for the recognition of components themselves.
  • the distance of the corresponding surface to the receiving system or the relative height of the surface relative to a reference surface is determined, for example, by means of triangulation in order to detect the installed state or to identify the component.
  • the actual height values relative to a reference surface or the reference height for example, an installed state of a valve, the valve wedges or the like can be seen. It can also be seen which component is installed with which specific surface structure, arranged at a certain point or aligned in a certain way.
  • a disadvantage of the prior art bruisenkonturerkennungsvorrich- device is that due to the Triangulationsvons relatively complex and expensive parts of the device, such as, inter alia, a shield for the light source, are necessary. In addition, a relatively large amount of time for the evaluation of the scanning results is necessary, with a high cost to calculate the individual relative heights as Also necessary for the evaluation of the different altitude values for error detection.
  • the invention is therefore based on the object to improve a bruisenkonturerkennungsvor- direction of the type mentioned in that a surface contour recognition device is designed structurally simple and inexpensive and at the same time reliable statements regarding installation condition, type of component or the like can be made.
  • the light source is associated with a line generator, which is arranged at an angle to the surface normal for oblique projection of the light line on the surface.
  • the invention is not limited to the detection of valve keys and their seat relative to a valve, but also for the identification of other components per se or to recognize their installation state, the invention as little on the engine or the vehicle production is limited.
  • the light source may be a laser light source.
  • the receiving system can be a camera system.
  • the camera system can be arranged substantially vertically above the projected light line. In this arrangement, any changes in the course of the light line by their projection on the surface are clearly visible.
  • the (laser) -lighting line can have a length that covers a plurality of components arranged along a component row. This means, for example, in a review of the seat of valve keys that all valves of a valve series irradiated simultaneously and their state of installation or the installation state of the valve keys is detected.
  • the line generator can have at least one laser diode row, by means of which a laser light line is generated directly with, for example, downstream optics.
  • laser light and laser light line are generated by separate means, for example, by the line generator is connected via optical fibers to the laser light source.
  • the line generator has a corresponding collimator optics and a lens for generating the laser light line.
  • a lens may be, for example, a cylindrical lens.
  • a Powell lens can be used together with the corresponding collimator optics.
  • an evaluation device can be assigned to the camera system.
  • the evaluation device may have a contour line comparison device for comparing a currently detected contour line with at least one stored contour line.
  • the currently recorded contour line corresponds to the obliquely projected (laser) light line recorded by the camera system, the course of which is determined by differences in height or the contour of the surface. If, for example, a particular component is to be recognized per se or in its installed state, then the currently detected contour line can be compared with a contour line corresponding to this component per se or its installed state.
  • a component distinction and possibly identification can be made in this context by comparing the currently detected height line with a plurality of stored contour lines and, if the currently detected contour line coincides with a stored contour line, the component is identified.
  • Figure 1 is a schematic representation of the surface contour recognition device according to the invention.
  • Figure 2 is an explanatory sketch for a valve with valve keys
  • FIG. 3 shows a laser light line or contour line for correctly installed valve
  • FIG. 4 shows a laser light line or contour line according to FIG. 3 for incorrectly installed valve wedges.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of the surface contour recognition device 1 according to the invention with a camera system 6 with evaluation unit 12 and a laser light source 4 with line generator 8.
  • the line generator 8 is part of the laser light source 4 or downstream thereof.
  • Laser light 7 is emitted by line generator 8 in such a way that a laser light line 11 is imaged on a surface 5 of a component 3, in this case a valve, for example, see FIGS. 3 and 4.
  • Laser light line 11 is imaged on surface 5 and picked up by camera system 6 detected and detected there by means of, for example, a CCD line or matrix camera system.
  • the laser ⁇ light generator 8 is arranged at a particular acute angle 9 to a surface normal 10. As a result, the laser light line 11 is projected obliquely onto the surface 5 and height differences of the surface are shown in the course of the laser light line as a contour line.
  • the component 3 is in the illustrated example a valve, see explanatory sketch of Figure 2, which is used in an engine block 2.
  • a valve 3 is arranged with meh ⁇ reren other valves along a row of valves, wherein a corresponding length of the laser light line 11 may be so large that all valves of a valve row are covered.
  • the seat of valve wedges 14, 15 is checked. In FIG. 2, the valve wedge 15 is correctly inserted in a wedge groove 16, while the other valve wedge 14 has not yet been installed.
  • Figures 3 and 4 show two examples of a contour line 13 substantially corresponding laser light line 11, which is projected by the line generator 8 on the surface 5 in the region of a valve 3 with valve wedges 14 and 15 obliquely.
  • the corresponding curves of the contour lines 13 or laser light lines 11 are detected by the camera system 6 and detected in the associated evaluation unit 12, for example by comparing a currently recorded contour line with a stored contour line.

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Abstract

Eine Oberflächenkonturerkennungsvorrichtung 1, insbesondere für in einem Motorblock 2 eingebaute Ventile 3, weist eine Lichtquelle 4 zur Oberflächenbestrahlung insbesondere im Bereich eines Bauteils auf, dessen Oberflächenkontur zu bestimmen ist, und ein Empfangssystem 6 zur Erfassung des von der Oberfläche reflektierten Lichts 7. Um eine solche Oberflächenkonturerkennungsvorrichtung dahingehend zu verbessern, dass diese konstruktiv einfach und kostengünstig aufgebaut ist und gleichzeitig zuverlässige Aussagen bezüglich Einbauzustand, Art des Bauteils oder dergleichen getroffen werden können, ist der Lichtquelle ein Liniengenerator 8 zugeordnet, welcher unter einem Winkel 9 zur Oberflächennormalen 10 zur Schrägprojektion der Lichtlinie 11 auf die Oberfläche 5 angeordnet ist.

Description

OBERFLÄCHENKONTURERKENNUNGSVORRICHTUNG
B E S C H R E I B U N G
Die Erfindung betrifft eine Oberflächenkonturerkennungsvorrichtung, insbesondere für in einem Motorblock eingebaute Ventile, mit einer Lichtquelle zur Oberflächenbestrahlung insbesondere im Bereich eines Bauteils, dessen Oberflächenkontur zu bestimmen ist, und mit einem Empfangssystem zur Erfassung des von der Oberfläche reflektierten Lichts.
Eine solche Oberflächenkonturerkennungsvorrichtung ist aus der Praxis bekannt und dient beispielsweise zur Bestimmung des Einbauzustands on Ventilen oder Teilen der Ventile, wie Ventilkeile oder dergleichen, in einem Motorblock. Es ist selbstverständlich, dass eine solche Oberflächenkonturerkennungsvorrichtung auch zur Bestimmung des Einbauzustandes anderer Bauteile, zur Erkennung von Bauteilen an sich usw. einsetzbar ist.
Bei der bekannten Oberflächenkonturerkennungsvorrichtung wird zur Erfassung des Einbauzustands beziehungsweise zur Identifizierung des Bauteils beispielsweise mittels Triangulation der Abstand der entsprechenden Oberfläche zum Empfangssystem beziehungsweise die relative Höhe der Oberfläche bezogen auf eine Referenzoberfiäche bestimmt. Durch die Erfassung der tatsächlichen Höhenwerte relativ zu einer Referenzoberfläche beziehungsweise der Referenzhöhe ist beispielsweise ein Einbauzustand eines Ventils, der Ventilkeile oder dergleichen erkennbar. Ebenso ist erkennbar, welches Bauteil mit welcher spezifischen Oberflächenstruktur eingebaut, an einer bestimmten Stelle angeordnet oder in bestimmter Weise ausgerichtet ist.
Nachteilig bei der aus der Praxis vorbekannten Oberflächenkonturerkennungsvorrich- tung ist, dass aufgrund des Triangulationsverfahrens relativ komplexe und teure Vorrichtungsteile, wie unter anderem eine Abschirmung für die Lichtquelle, notwendig sind. Außerdem ist ein relativ großer Zeitaufwand zur Auswertung der Abtastergebnisse notwendig, wobei ein hoher Aufwand zur Berechnung der einzelnen relativen Höhen als auch zur Auswertung der verschiedenen Höhenwerte zur Fehlererkennung notwendig ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Oberflächenkonturerkennungsvor- richtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass eine Oberflä- chenkonturerkennungsvorrichtung konstruktiv einfach und kostengünstig aufgebaut ist und gleichzeitig zuverlässige Aussagen bezüglich Einbauzustand, Art des Bauteils oder dergleichen getroffen werden können.
Diese Aufgabe wird im Zusammenhang mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass der Lichtquelle ein Liniengenerator zugeordnet ist, welcher unter einem Winkel zur Oberflächennormalen zur Schrägprojektion der Lichtlinie auf die Oberfläche angeordnet ist.
Durch die Schrägprojektion der Lichtlinie zeigt diese entlang ihres Verlaufs je nach Kontur des entsprechend bestrahlten Oberflächenbereichs einen gekrümmten, unterbrochenen und/oder relativ zueinander versetzten Verlauf. Durch Auswertungen des Verlaufs der Lichtlinie lässt sich erkennen, wo beispielsweise Höhensprünge auf der Oberfläche sind, in welcher Weise die Oberfläche gekrümmt verläuft und dergleichen. Dadurch lässt sich feststellen, ob beispielsweise bei Ventilen die entsprechenden Ventilkeile an sich eingesetzt sind oder fehlen, ob ein Ventilkeil in einer falschen Ventilrille eingerastet ist, ob beide Ventilkeile in der falschen Ventilrinne eingerastet sind oder ob ein falscher Ventilkeil verwendet wurde. Es sei allerdings nochmals darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die Erkennung von Ventilkeilen und deren Sitz relativ zu einem Ventil beschränkt ist, sondern ebenfalls zur Identifizierung anderer Bauteile an sich oder zur Erkennung ihres Einbauzustands dient, wobei die Erfindung ebenso wenig auf den Motorenbau oder die Fahrzeugherstellung beschränkt ist.
Um eine Lichtquelle ausreichender Intensität und mit geringer Divergenz zu verwenden, kann die Lichtquelle eine Laserlichtquelle sein.
Um die auf der Oberfläche des Bauteils abgebildete Lichtlinie beziehungsweise Laser¬ lichtlinie in einfacherweise zu erfassen, kann das Empfangssystem ein Kamerasystem sein. Um die schräg projizierte Lichtlinie beziehungsweise Laserlichtlinie bestmöglichst auswerten zu können, kann das Kamerasystem im Wesentlichen vertikal oberhalb der proji- zierten Lichtlinie angeordnet sein. Bei dieser Anordnung sind etwaige Änderungen im Verlauf der Lichtlinie durch deren Projektion auf die Oberfläche gut erkennbar.
Je nach Länge der (Laser)-Lichtlinie wird ein bestimmter Bereich der Oberfläche des Bauteils, oder der Oberfläche eines Gegenstands in dem Bereich bestrahlt, wo das entsprechende Bauteil eingebaut ist. Sollen beispielsweise mehrere Bauteile an sich oder in ihrem eingebauten Zustand gleichzeitig erfasst werden, kann die (Laser)-Lichtlinie eine mehrere entlang einer Bauteilreihe angeordnete Bauteile überdeckende Länge aufweisen. Dies bedeutet beispielsweise bei einer Überprüfung des Sitzes von Ventilkeilen, dass alle Ventile einer Ventilreihe gleichzeitig bestrahlt und deren Einbauzustand beziehungsweise der Einbauzustand der Ventilkeile erfasst wird.
Um eine entsprechende (Laser)-Lichtlinie zu erzeugen, sind mehrere Möglichkeiten gegeben.
Beispielsweise kann der Liniengenerator wenigstens eine Laserdiodenreihe aufweisen, durch die direkt mit beispielsweise nachgeordneter Optik eine Laserlichtlinie erzeugt wird.
Es besteht ebenfalls die Möglichkeit, dass Laserlicht und Laserlichtlinie durch getrennte Einrichtungen erzeugt werden, indem beispielsweise der Liniengenerator über Lichtwellenleiter mit der Laserlichtquelle verbunden ist. Der Liniengenerator weist dabei in der Regel eine entsprechende Kollimatoroptik und eine Linse zur Erzeugung der Laserlichtlinie auf. Eine solche Linse kann beispielsweise eine Zylinderlinse sein. Damit allerdings die Intensität des Laserlichts über die gesamte Strichlänge gleich ist, kann auch eine Powell-Linse zusammen mit der entsprechenden Kollimatoroptik verwendet werden. Durch Variation der Brennweiten von Kollimatoroptik und Powell-Linse sind unterschiedliche Strichbreiten und Divergenzwinkel möglich, wobei die Divergenzwinkel in entsprechender Relation zur Laserlichtlinienlänge stehen. Auch für das Kamerasystem sind verschiedene Ausführungen denkbar. Eine Möglichkeit ist beispielsweise ein CCD-Zeilen- oder Matrixkamerasystem, durch das die Laserfichtlinie direkt mit entsprechend hoher Auflösung erfassbar ist.
Um im Prinzip vor Ort direkt die (Laser)-Lichtlinie auswerten zu können, kann dem Kamerasystem eine Auswerteeinrichtung zugeordnet sein.
Erfindungsgemäß ist es in diesem Zusammenhang nicht mehr notwendig, dass tatsächliche Höhenwerte für die Oberfläche ermittelt werden. Statt dessen kann die Auswerteeinrichtung eine Konturlinienvergleichseinrichtung zum Vergleich einer aktuell erfassten Konturlinie mit wenigstens einer abgespeicherten Konturlinie aufweisen. Die aktuell er- fasste Konturlinie entspricht dabei der vom Kamerasystem aufgezeichneten schräg pro- jizierten (Laser)-Lichtlinie, deren Verlauf durch Höhenunterschiede oder den Konturverlauf der Oberfläche bestimmt ist. Soll beispielsweise ein bestimmtes Bauteil an sich oder in seinem Einbauzustand erkannt werden, so kann die aktuell erfasste Konturlinie mit einer diesem Bauteil an sich oder seinem Einbauzustand entsprechender Konturlinie verglichen werden. Eine Bauteilunterscheidung und gegebenenfalls Identifizierung kann in diesem Zusammenhang dadurch erfolgen, dass die aktuell erfasste Höhenlinie mit mehreren abgespeicherten Konturlinien verglichen wird und bei Übereinstimmung von aktuell erfasster Konturlinie mit einer abgespeicherten Konturlinie das Bauteil identifiziert ist.
Im Folgenden wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der in der Zeichnung beigefügten Figuren erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Oberflächenkontur- erkennungsvorrichtung;
Figur 2 eine Erläuterungsskizze für ein Ventil mit Ventilkeilen;
Figur 3 eine Laserlichtlinie beziehungsweise Konturlinie für korrekt eingebaute Ventilkeiie, und Figur 4 eine Laserlichtlinie beziehungsweise Konturlinie nach Figur 3 für falsch eingebaute Ventilkeile.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Oberflächenkonturerken- nungsvorrichtung 1 mit einem Kamerasystem 6 mit Auswerteeinheit 12 und einer Laserlichtquelle 4 mit Liniengenerator 8. Der Liniengenerator 8 ist Teil der Laserlichtquelle 4 oder dieser nachgeordnet. Durch den Liniengenerator 8 wird Laserlicht 7 so abgegeben, dass auf einer Oberfläche 5 eines Bauteils 3, hier beispielsweise ein Ventil, eine Laserlichtlinie 11 abgebildet wird, siehe Figuren 3 und 4. Die Laserlichtlinie 11 wird auf der Oberfläche 5 abgebildet und von dem Kamerasystem 6 erfasst und dort mittels beispielsweise eines CCD-Zeilen- oder Matrixkamerasystems nachgewiesen. Der Laser¬ lichtgenerator 8 ist unter einem insbesondere spitzen Winkel 9 zu einer Oberflächennormalen 10 angeordnet. Dadurch wird die Laserlichtlinie 11 schräg auf die Oberfläche 5 projiziert und Höhenunterschiede der Oberfläche zeigen sich im Verlauf der Laserlichtlinie als Konturlinie.
Das Bauteil 3 ist bei dem dargestellten Beispiel ein Ventil, siehe Erläuterungsskizze nach Figur 2, das in einem Motorblock 2 eingesetzt ist. Ein solches Ventil 3 ist mit meh¬ reren anderen Ventilen entlang einer Ventilreihe angeordnet, wobei eine entsprechende Länge der Laserlichtlinie 11 so groß sein kann, dass alle Ventile einer Ventilreihe überdeckt sind. Insbesondere wird bei dem Anwendungsbeispiel nach Figuren 1 bis 4 der Sitz von Ventilkeilen 14, 15 überprüft. In Figur 2 ist der Ventilkeil 15 korrekt in einer Keil¬ nut 16 eingesetzt, während der andere Ventilkeil 14 noch nicht eingebaut ist.
Figuren 3 und 4 zeigen zwei Beispiele für eine einer Konturlinie 13 im Wesentlichen entsprechenden Laserlichtlinie 11 , die vom Liniengenerator 8 auf die Oberfläche 5 im Bereich eines Ventils 3 mit Ventilkeilen 14 und 15 schräg projiziert wird.
Bei Figur 3 sind beide Ventilkeile korrekt verbaut und in der Keilnut 16, siehe Figur 2, eingerastet. In Figur 4 ist ein Ventilkeil falsch eingebaut, so dass sich im Verlauf der Konturlinie 13 eine weitere Sprungstelle 17 im Unterschied zum Verlauf der Konturiinie 13 nach Figur 3 ergibt.
Die entsprechenden Verläufe der Konturlinien 13 beziehungsweise Laserlichtlinien 11 werden durch das Kamerasystem 6 erfasst und in der zugeordneten Auswerteeinheit 12 beispielsweise durch einen Vergleich einer aktuell aufgezeichneten Konturlinie mit einer abgespeicherten Konturlinie erfasst.
Es sei nochmals darauf hingewiesen, dass die Oberflächenkonturerkennungsabtastung nach den Figuren 1 bis 4 nur beispielhaft an Ventilkeilen im Zusammenhang mit einem Ventil bei einem Motorblock erfolgt. Es ist ebenfalls möglich, Oberflächen anderer Bau¬ teile zur Identifizierung der Bauteile an sich oder zur Überprüfung eines Einbauzustan¬ des der Bauteile, wie hier im Zusammenhang mit den Ventilkeileπ beschrieben, zu be¬ strahlen und zu überprüfen.

Claims

A N S P R Ü C H E
1. Oberflächenkonturerkennungsvorrichtung (1), insbesondere für in einem Motorblock (2) eingebaute Ventile (3), mit einer Lichtquelle (4) zur Oberflächenbestrahlung insbesondere im Bereich eines Bauteils, dessen Oberflächenkontur zu bestimmen ist, und mit einem Empfangssystem (6) zur Erfassung des von der Oberfläche reflektierten Lichts (7), dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtquelle (4) ein Liniengenerator (8) zugeordnet ist, welcher unter einem Winkel (9) zur Oberflächennormalen (10) zur Schrägprojektion der Lichtlinie (11) auf die Oberfläche (5) angeordnet ist.
2. Oberflächenkonturerkennungsvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (4) eine Laserlichtquelle ist.
3. Oberflächenkonturerkennungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Empfangssystem ein Kamerasystem (6) ist.
4. Oberflächenkonturerkennungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kamerasystem (6) im Wesentlichen vertikal oberhalb der projizierten Lichtlinie (11) angeordnet ist.
5. Oberflächenkonturerkennungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtlinie (11) eine mehrere entlang einer Bauteilreihe angeordnete Bauteile (3) überdeckende Länge aufweist.
6. Oberflächenkonturerkennungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Liniengenerator (8) wenigstens eine Laserdiodenreihe aufweist.
7. Oberflächenkonturerkennungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Liniengenerator (8) über Lichtwellenleiter mit einer Laserlichtquelle (4) verbunden ist und zumindest eine Kollimatoroptik und insbesondere eine Powell-Linse aufweist.
8. Oberflächenkonturerkennungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kamerasystem (6) ein CCD-Zeilen- oder Matrixkamerasystem ist.
9. Oberflächenkonturerkennungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kamerasystem (6) eine Auswerteeinrichtung (12) zugeordnet ist.
10. Oberflächenkonturerkennungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (12) eine Konturlinienvergleichseinrichtung zum Vergleich einer aktuell erfassten Konturlinie (13) mit wenigstens einer abgespeicherten Konturlinie aufweist.
PCT/EP2002/014736 2002-02-08 2002-12-23 Oberflächenkonturerkennungsvorrichtung Ceased WO2003067233A1 (de)

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