SCHUSTER, Stefan (In der Felsch 4, Koblenz, 56077, DE)
TIGGES, Ralf (Kappenstraße 115, Mülheim, 45475, DE)
KOWALSKI, Jan (Krönerweg 70, Düsseldorf, 40468, DE)
SCHÖNARTZ, Norbert, Michael (Im alten Garten 8, Rheurdt, 47509, DE)
KERSTING, Thomas (Sorpestraße 38, Oberhausen, 46049, DE)
SCHUSTER, Stefan (In der Felsch 4, Koblenz, 56077, DE)
TIGGES, Ralf (Kappenstraße 115, Mülheim, 45475, DE)
KOWALSKI, Jan (Krönerweg 70, Düsseldorf, 40468, DE)
SCHÖNARTZ, Norbert, Michael (Im alten Garten 8, Rheurdt, 47509, DE)
Patentansprüche
1. Vorrichtung zur sicheren optischen Erkennung linienförmiger optisch detektierbarer Markierungen an Objekten, insbesondere Rohren, wobei sich Vorrichtung und Rohr relativ zueinander bewegen und die Bewegung linear und/oder rotatorisch erfolgt, mit einer optischen Erfassungseinheit, die dazu geeignet ist, von der Markierung reflektierte und/oder ausgesandte Lichtstrahlen zu detektieren, sowie einer Auswerte- und Anzeigeeinheit und wahlweise einer Beleuchtungseinheit zur Beleuchtung der Markierung dadurch gekennzeichnet, dass die optische Erfassungseinheit aus einer Zeilenkamera (3) mit einem linienförmigen Detektionsbereich (4) besteht, wobei der Detektionsbereich (4) so ausgerichtet ist, dass dieser mindestens zum Zeitpunkt der Erfassung der linienförmigen Positionsfarbmarkierung (2, 7) auf dem Objekt (1, 6) weitestgehend parallel hierzu ausgerichtet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Längserstreckung der Markierung (2, 7) mindestens so groß ist, wie die Längserstreckung des Detektionsbereichs (4).
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Breitenerstreckung der Markierung (2, 7) mindestens so groß ist, wie die Breitenerstreckung des Detektionsbereichs (4).
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 3 dadurch gekennzeichnet, dass zur Auswertung der Farbinformation der Markierung (2, 7) die Zeilenkamera (3) mit einem geeigneten optischen Filter versehen ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 4 dadurch gekennzeichnet, dass die linienförmige Markierung (2, 7) fluoreszierend ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass ein die Fluoreszenz der linienförmigen Markierung (2, 7) anregende kurzwellige Lichtstrahlung zur Beleuchtung der Markierung (2, 7) verwendet wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtung (5, 5') ein Ultraviolettstrahler ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Zeilenkamera (3) mit einem optischen Filter versehen ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtung (5, 5') ein Halogenstrahler ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass der Halogenstrahler mit einem Hochpass-Filter versehen ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 und 10 dadurch gekennzeichnet, dass die Zeilenkamera (3) mit einem optischen Filter versehen ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtung (5, 5 J ) aus LED's besteht.
13. Vorrichtung nach Anspruch 5 und 12 dadurch gekennzeichnet, dass die LED's ein violettes bis blaues Licht mit einer Wellenlänge von 400 - 470 nm aussenden.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 und 13 dadurch gekennzeichnet, dass die Zeilenkamera (3) mit einem optischen Filter versehen ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 14 dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtung (5) in einem Winkel zur Zeilenkamera (3) so angeordnet ist, dass die Positionsfarbmarkierung (2, 7) vollständig beleuchtet wird.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1- 15 dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtung (5, 5') in einem Winkel zur Zeilenkamera (3) beidseitig zur Längserstreckung des Detektionsbereichs (4) so angeordnet ist, dass die Positionsfarbmarkierung (2, 7) vollständig beleuchtet wird.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 -16 dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtung (5, 5 1 ) in Längserstreckung des Detektionsbereichs (4) beidseitig zur Zeilenkamera (3) so angeordnet ist, dass die Positionsfarbmarkierung (2, 7) vollständig beleuchtet wird.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 17 dadurch gekennzeichnet, dass die Zeilenkamera (3) senkrecht zur Fläche der Markierung (2, 7) ausgerichtet ist. |
53021
Vorrichtung zur sicheren optischen Detektierung linienförmiger Markierungen an bewegten Objekten
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur sicheren optischen Detektierung linienförmiger Markierungen an bewegten Objekten, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Im Regelfall wird bei solchen Vorrichtungen das Passieren eines z. B. mit einer linienförmigen Markierung versehenen Objektes optisch erfasst, wobei die Markierung auf einem sich linear und/oder rotatorisch bewegenden Objekt angeordnet sein kann. Allerdings kann die Vorrichtung sich auch relativ zu einem ortsfest angeordneten markierten Objekt in Bewegung befinden und dabei die Markierung erfassen.
Die linienförmige Markierung kann beispielsweise als Identifizierungsmerkmal für das Objekt oder auch wie im folgenden näher beschrieben, als Markierung zur Feststellung der Lageposition von Rohren dienen.
Insbesondere werden im Folgenden unter bewegten Objekten Rohre verstanden, die sich während der Produktion im Wesentlichen längs zur Rohrachse bewegen und zur Steuerung des Produktionsablaufs mit einer in Umfangsrichtung aufgebrachten linienförmigen Positionsfarbmarkierung, z. B. einem Rohrmittenstrich, versehen werden, um die orts- und zeitgenaue Position des Rohres sicher detektieren zu können.
Dies ist z. B. erforderlich zur Auslösung eines Bremsvorgangs in einer präzise einzuhaltenden Sollposition oder zur sicheren Anwesenheitskontrolle oder Zählung einzelner Rohre in einer Produktionslinie. Beispielsweise wird das Rohr beim Längseinlauf in eine Röntgenkammer zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung in eine definierte Ruheposition gebracht, um bestimmte Rohrabschnitte prüfen zu können.
Bei solchen Vorrichtungen werden die mit Positionsfarbmarkierungen versehenen Rohre durch den Erfassungsbereich eines optischen Sensors mit bis zu 3 m/s bewegt und die von der Markierung reflektierte und/oder z. B. durch Fluoreszenz ausgesandte Lichtstrahlung ausgewertet.
Zur Verbesserung der Auswertegenauigkeit wird bedarfsweise mit einer zusätzlichen Beleuchtung und/oder mit fluoreszierenden Markierfarben gearbeitet.
Unter linienförmigen Positionsfarbmarkierungen werden in diesem Zusammenhang sowohl sehr schmale, quasi eindimensionale linienförmige, wie auch zweidimensionale Markierungen verstanden, deren Längserstreckung deutlich größer ist als die Breitenerstreckung.
Zur Erfüllung der Anforderungen unter rauen Produktionsbedingungen bei Herstellung von nahtlosen oder geschweißten Rohren ist es bekannt, z. B. Luminiszenstaster mit fleckförmiger Detektion oder High-Speed-Kamerasysteme mit nachgeschalteter Biidverarbeitung, einzusetzen.
Lumineszenstaster weisen jedoch den Nachteil eines nur eng begrenzten fleckförmigen Erfassungsbereiches auf. Während des Rohrtransports kann es zu partiellen Beschädigungen der Linienmarkierungen kommen, was in der Folge zu einer Nichterkennung der Markierung führt, wenn gerade diese Stelle im Erfassungsbereich des Tasters liegt. Andererseits können unbeabsichtigte, zufällig auf dem Rohr angeordnete Markierungen, wie z. B. Farbkleckse, in den Erfassungsbereich des Tasters gelangen und zu einer Fehlanzeige führen.
High-Speed-Kamerasysteme verarbeiten zweidimensionale Bilder blockweise mit anschließender Extraktion von gesuchten Merkmalen mittels Bildverarbeitung. Nachteilig ist der hohe Kostenaufwand, verursacht durch die hohen benötigten Rechnerleistungen zur Erstellung real-time-fähiger Lösungen bei extrem hohen Messraten zur Einhaltung einer geringen Ortsunschärfe.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung anzugeben, mit der auf einfache und kostengünstige Weise und mit hoher Reproduzierbarkeit optisch detektierbare linienförmige Markierungen an sich relativ zur Vorrichtung bewegenden Objekten erfasst werden können und damit die orts- und zeitgenaue Position des Objektes relativ zur Umgebung exakt bestimmt werden kann.
Diese Aufgabe wird nach dem Oberbegriff in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Nach der Lehre der Erfindung besteht die optische Erfassungseinheit aus einer Zeilenkamera mit einem linienförmigen Detektionsbereich, wobei der Detektionsbereich so ausgerichtet ist, dass dieser mindestens zum Zeitpunkt der Erfassung der linienförmigen Markierung weitestgehend parallel hierzu ausgerichtet ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Längserstreckung der Markierung mindestens so groß wie die Längserstreckung des Detektionsbereichs der Zeilenkamera.
Durch die Verwendung einer Zeilenkamera und entsprechend paralleler Ausrichtung des linienförmigen Erfassungsbereichs zur linienförmigen Markierung mindestens zum Zeitpunkt der Erfassung wird auf vorteilhafte Weise ein großer Bereich der linienförmigen Markierung detektiert und einer Auswertung zugeführt, so dass insgesamt die Auswertegenauigkeit zunimmt und mögliche Fehlanzeigen deutlich reduziert werden.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass unter Verwendung einer relativ kostengünstigen Zeilenkamera nunmehr auch linienförmige Positionsfarbmarkierungen an Rohren detektiert werden können, die im Erfassungsbereich der Kamera eine partielle Beschädigung aufweisen. Gleichzeitig weisen Zeilenkameras die bei schnellen Vorgängen erforderlichen hohen Messraten auf.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist keine komplexe und damit teure Bildverarbeitung und -auswertung notwendig, da allein die von der Zeilenkamera detektierte Lichtintensität über dem gesamten Detektionsbereich gemittelt und anschließend mit einem zuvor ermittelten Sollwert verglichen wird.
Auch werden Fehlanzeigen vermieden, z. B. bei am Rohr anhaftenden Farbresten oder anderen Markierungen, die zufällig im Erfassungsbereich der Kamera liegen.
Beispielsweise wird bei unbeabsichtigt aufgebrachten Farbklecksen, bei denen die reflektierte oder ausgesandte Lichtstrahlung deutlich unter derjenigen der linienförmigen Positionsfarbmarkierung liegt und die in den Erfassungsbereich der Zeilenkamera gelangen, durch Unterschreitung des Sollwertes kein Signal ausgelöst, bzw. diese „Markierung" wird nicht als Positionsfarbmarkierung erkannt und angezeigt.
Auch wenn die Positionsfarbmarkierung z. B. transportbedingte Beschädigungen aufweist, d. h. die linienförmige Markierung nicht mehr durchgängig vorhanden ist, wird diese durch einen entsprechend vorher einstellbaren Sollwert dennoch als Positionsfarbmarkierung erkannt und angezeigt.
Vorteilhaft werden in einer Ausgestaltung der Erfindung die Licht streuenden Eigenschaften der Farbmarkterung durch eine schräg angestellte Beleuchtung zur Kontraststeigerung genutzt, wobei die Farbinformationen der Markierfarbe mit Hilfe eines geeigneten optischen Filters (Bandpass) vor der Zeilenkamera gezielt extrahiert werden.
Neben der Kontraststeigerung wird hierbei gleichzeitig eine Ausblendung andersfarbiger Markierungen erreicht und so die Anzeigequalität und die Aussagekraft deutlich erhöht.
Als Beleuchtung kommen abhängig von der verwendeten Markierfarbe verschiedene Lampen oder Strahler mit unterschiedlichen Wellenlängen, wie z. B. UV-Lampen, Halogenstrahler oder LED's in Betracht, wobei je nach Erfordernissen zur Kontrastverstärkung die Zeilenkamera mit optischen Filtern, z. B. Orangefilter oder auch Tiefoder Hochpassfiltern bestückt sein können.
Als besonders günstig im Hinblick auf betriebliche Erfordernisse, wie z. B. die Robustheit, Wirtschaftlichkeit und hohe Anzeigegenauigkeit haben sich fluoreszierende Markierfarben und für die Beleuchtung violettes oder blaues Licht im Wellenlängenbereich von 400 bis 470 nm aussendende Hochleistungs-LED's erwiesen.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der dargestellten Figuren.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur optischen Detektion von Markierungen an bewegten Objekten einer ersten Ausführungsform ohne zusätzliche Beleuchtung,
Figur 2a die schematische Darstellung einer Draufsicht einer zweiten Ausführungsform mit zusätzlicher einseitiger schräger Beleuchtung der linienförmigen Markierung,
Figur 2b wie Figur 2a in einer Seitenansicht,
Figur 3a die schematische Darstellung einer Draufsicht einer dritten Ausführungsform mit zweiseitiger schräger Beleuchtung der linienförmigen Markierung,
Figur 3b wie Figur 3a in einer Seitenansicht,
Figur 4a als Draufsicht eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform,
Figur 4b wie Figur 4a in einer Seitenansicht.
Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung in einer ersten Ausführungsform die generelle Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Zeilenkamera bei ausreichend vorhandenem Umgebungslicht ohne zusätzliche Beleuchtung.
Zur Detektion einer auf einem sich in Pfeilrichtung bewegenden ebenen Objekt 1 aufgebrachten linienförmigen Markierung 2, deren Läπgserstreckung deutlich größer ist als die Breitenerstreckung, ist die Zeilenkamera 3 mit einem linienförmigen Detektionsbereich 4 ortsfest so angeordnet, dass der Detektionsbereich 4 im Wesentlichen parallel zur linienförmigen Markierung 2 ausgerichtet ist.
Die linienförmige Markierung 2 ist in der Längs- und Breitenerstreckung so ausgeführt, dass diese beim Durchlauf durch den Detektionsbereich 4 diesen deutlich überdeckt, d. h. die von der Zeilenkamera 3 delektierte Lichtintensität der von der Markierung reflektierten und/oder durch Fluoreszenz angeregten diffusen Lichtreflexion weist ein Maximum auf.
Sollten Fehlstellen in der linienförmigen Markierung 2 vorliegen, würde die detektierte Lichtintensität zwar abnehmen, aber durch entsprechende Wahl des Sollwertes würde diese trotzdem als eine Markierung erkannt und angezeigt.
Aus Gründen der übersichtlichkeit ist in den folgenden Figuren 2a, 3a und 4a, das sich unter der fest positionierten Vorrichtung bewegende Objekt 1 nicht dargestellt.
In Figur 2a ist in einer Draufsicht eine zweite Ausführungsform mit einseitiger schräger Beleuchtung der linienförmigen Markierung schematisch dargestellt.
Durch die zusätzliche Beleuchtung wird bei ansonsten schwachen Lichtverhältnissen die Anzeigegenauigkeit und damit die Aussagekraft der detektierten Lichtintensität deutlich erhöht.
Die Vorrichtung ist wie zu Figur 1 beschrieben, ortsfest oberhalb des bewegten Objektes 1 angeordnet, jedoch wird in diesem Fall die linienförmige Markierung 2 zusätzlich durch einen Beleuchtungskörper 5 beleuchtet. Der Ausleuchtbereich des Beleuchtungskörpers 5 ist so ausgelegt, dass die linienförmige Markierung 2 in einem Winkel vollständig beleuchtet wird, wobei das im Detektionsbereich 4 der Zeilenkamera 3 diffus reflektierte und/oder durch Fluoreszenz angeregte Licht erfasst wird (Figur 2b).
Figur 3a und 3b zeigen eine schematische Darstellung einer Draufsicht einer dritten Ausführungsform mit zweiseitiger schräger Beleuchtung der linienförmigen Markierung.
Im Vergleich zu der in Figur 2a beschriebenen Ausführungsform, sind zu beiden Seiten des Detektionsbereichs 4 in einem Winkel zur Zeilenkamera 3 Beleuchtungskörper 5, 5' angeordnet, die die Markierung 2 vollständig beleuchten.
Der Vorteil einer beidseitigen Beleuchtung liegt darin, dass durch die Erhöhung der Beleuchtungsintensität ein noch besserer Kontrast zur Oberfläche des Objektes 1 erreicht und damit die Aussagesicherheit weiter verbessert wird.
Während die in den Figuren 1 bis 3 gezeigten Anordnungen der Vorrichtung insbesondere für die Detektion von linienförmigen Markierungen auf ebenen oder wenig gekrümmten Objekten geeignet ist, zeigen die Figuren 4a und b eine Anordnung, die besonders für Objekte mit stärker gekrümmten Flächen, wie z. B. Rohre, geeignet ist.
Bei dieser Anordnung sind die Beleuchtungskörper 5, 5' jeweils neben der Zeilenkamera 3 in Linie mit dem Detektionsbereich 4 angeordnet, so dass eine optimale Beleuchtung der gekrümmten linienförmigen Markierung 7 auf dem sich in Pfeilrichtung bewegenden, als Rohr dargestellten Objekt 6, erreicht wird (Figur 4b).
Bezugszeichenliste