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Die
Erfindung betrifft die optische Führung eines Werkzeugs
und/oder die optische Kontrolle des Arbeitsergebnisses eines Werkzeugs,
das, insbesondere in gekrümmter Bahn, relativ zu einem
Werkstück bewegt wird. Hierbei ist mit einem Bildverarbeitungssystem
ein Bildfeld am Werkzeug zu erfassen und auszuwerten.
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Anwendungsbeispiele
sind der Auftrag von pastösen Massen wie Kleberaupen oder
Dichtraupen, das Schweißen, das Löten, das Beschriften,
das Entgraten, das Gravieren, das Fügen, aber auch das Positionoieren
zum Bohren, etc. In solchen Anwendungen kann es, wie weiter unten
erläutert, von Vorteil sein, mit einem Bildverarbeitungssystem
ein Bildfeld rund um das Werkstück zu erfassen.
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Die
folgenden Erläuterungen geschehen anhand der wirtschaftlich
wichtigen Raupenkontrolle, in anderen Bereichen sind die Verhältnisse ähnlich,
die Lösungen darauf übertragbar.
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Kleberaupen,
Dichtraupen, Dekor-Raupen oder sonstige, durch Auftragen einer pastösen
Masse erzeugte Strukturen (kurz Raupen) werden mit zweidimensional
arbeitenden, Grauwertbilder verarbeitenden Bildanalysesystemen optisch
kontrolliert auf korrekte Position relativ zum Bauteil und auf korrekte
Breite. Anwendungen wie z. B. die Scheibenmontage im Automobilbau
erfordern zusätzlich eine Höhenkontrolle und die
Kontrolle der Einhaltung der Geometrie eines speziellen Profilquerschnitts.
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Anordnungen
dazu verwenden einen Sensor, der für die Breiten- oder
Lagekontrolle aus einer Kamera und einer Beleuchtung besteht, meist
im Glanzlicht (Einfallswinkel = Ausfallswinkel) zueinander ausgerichtet.
Für die Höhen- oder Profilquerschnittskontrolle
verwendet man derzeit bevorzugt Lichtschnittverfahren (Triangulation
mittels strukturiertem Licht), z. B. eine oder mehrere Laserlinien und
eine Kamera, die das reflektierte Licht erfaßt. Zur "online"-Kontrolle,
also zur Kontrolle während des Auftrages, wird der Sensor
in der Nähe der Auftragsdüse (Werkzeug) montiert
und ist i. a. relativ zu dieser fest.
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Die
Auftragsdüse bewegt sich beim Auftrag relativ zum Werkstück,
auf das die Raupe aufgetragen wird, dabei ist es grundsätzlich
gleichgültig, ob sich die Düse bei feststehendem
Werkstück bewegt oder umgekehrt.
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Die
Kamera muß bei der Online Kontrolle auf den Bereich hinter
der Auftragsdüse gerichtet sein. Bei gekrümmten
Auftragsbahnen muß der Sensor also um die Auftragsdüse
gedreht werden, um ständig den Bereich hinter der Auftragsdüse
erfassen zu können. Bei Bewegung der Düse durch
einen Roboter kann dieser die Drehung übernehmen; bei feststehender
Düse und durch einen Roboter bewegtem Teil kann der Roboter
zwar die Drehung übernehmen, doch kann das bei großen
Teilen, wie sie z. B. im Automobil-Rohbau vorkommen, sehr viel Platz
beanspruchen; will man den Platzbedarf reduzieren, benötigt
man eine extra Dreheinrichtung. Auch sind zusammen mit einer extra
Dreheinrichtung in vielen Fällen anstelle von Robotern
einfache und preiswerte x-y-Systeme einsetzbar.
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Eine
extra Dreheinrichtung sollte jedoch aus Aufwandsgründen
vermieden werden. Zu dem Thema wird z. B. mit
DE 203 07 305 U1 beschrieben,
daß eine Überwachungseinrichtung mit einer oder
mehreren Kameras am Werkzeug derart festiegbar ist, daß der
Sichtbereich der Kamera(s) bei einer Bewegung des Werkzeugs und/oder
eines zu bearbeitenden Objekts immer auf den Arbeitsbereich und/oder
einen festen Überwachungsbereich ausgerichtet ist (Anspruch
1). Mit mehreren Kameras auf einem mit einem Ausschnitt für
das Werkzeug konzentrisch angerdneten Kreis kann ein im wesentlichen
kreisförmiger Überwachungsbereich erreicht werden,
der durch die Sichtbereiche mehrerer Kameras gebildet wird. Damit
ist der Überwachungsbereich im wesentlichen unabhängig
von der Ausrichtung des Werkzeugs (Seite 4 unten; Anspruch 2). Eine Überwachung
rund um das Werkzeug erfordert nach dieser Offenlegung mindestens
zwei Kameras mit überlap penden Arbeitsbereichen/Überwachungsbereichen.
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Eine
für rund um Kontrolle geeignete Anordnung mit nur einer
Kamera wird nicht angegeben.
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Die
gleiche Lösung mit mehreren Kameras ist zu finden in den
Offenlegungen
WO 2005/065844 ,
WO 2005/063406 ,
WO 2005/063407 . Jedesmal muß,
um einen Überwachungsbereich rund um das Werkstück
zu erreichen, mit mindestens zwei Kameras gearbeitet werden (vorzugsweise
drei), siehe z. B. in den drei letztgenannten Schriften jeweils
die
3 und
4 mit Erläuterungen;
eine Drehbewegung wird vermieden: die Überwachungsbereiche behalten
ihre Ausrichtung.
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Nachteil
der Anordnung ist, daß mehrere Kameras erforderlich sind,
deren Bilder i. a. sogar gleichzeitig ausgewertert werden müssen,
insbesondere ist der mit der Anordnung verbundene hohe Platzbedarf
quer zur Bewegungsrichtung von Nachteil; letzteres ist dann hinderlich,
wenn die Raupe unter beengten Platzverhältnissen (z. B.
entlang steiler Profile) verlegt werden soll; diese Situation trifft
man auch in anderen Anwendungsbereichen wie z. B. der Montage an.
In solchen Fällen kann es selbst dann, wenn keine Kollision
mit einer Kamera zu befürchten ist, beleuchtungstechnisch
zu Störungen durch Abschattungen kommen. Außerdem
ist die Anordnung nur mit sehr vielen Kameras für eine
Höhenkontrolle geeignet, wenn überhaupt.
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Beim
Führen des Werkzeugs durch einen optischen Sensor, z. B.
beim Verfolgen einer Kante, einer Nut, einer Schweißnaht,
auch zum punktuellen justieren der Bewegung anhand von "Landmarken" wie
Löchern oder Kanten, treten genau die gleichen Probleme
auf wie bisher für die optische Kontrolle beschrieben:
um bei gekrümmter Bahn – mit großen Richtungsunterschieden – eine
Drehbewegung zu vermeiden, ist ein Rund-Um-Blick erforderlich, ebenso
wie bei vielen o. g. anderen Aufgaben. Hierzu sind nach bisherigem
Stand der Technik mehrere Kameras erforderlich.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden.
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Die
Aufgabe wird gelöst nach den unabhängigen Ansprüchen.
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Die
Anordnung zur optischen Kontrolle des Arbeitsergebnisses eines Werkzeugs
und/oder zur optischen Führung eines Werkzeugs, mittels
einer Kamera mit Optik, zur Aufnahme eines Arbeitsfeldes um das
Werkstück, wobei Optik und Werkzeug relativ zu einem Werkstück
bewegt werden können, insbesondere auf gekrümmter
Bahn,
ist gekennzeichnet durch
eine Strahlteileinrichtung,
die den Strahlengang in mindestens zwei Teilstrahlengänge
aufteilt, und durch Ablenkeinrichtungen, mit denen die Strahlengänge
so auf das Arbeitsfeld abgelenkt werden, daß die Bildfelder
der Teilstrahlengänge zusammengenommen ein Feld rund um
das Werkzeug erfassen.
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Als
Einrichtung zur Strahlaufteilung können bekannte Einrichtungen
verwendet werden, wie z. B. halbdurchlässige Spiegel. Bevorzugt
wird eine Anordnung mit mindestens zwei zueinander in einem Winkel
stehenden Spiegeln, die sich symmetrisch im Strahlengang befinden,
bevorzugt außerhalb der Pupille des Objektivs, und bevorzugt
außerhalb von Schärfeebenen.
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Als
Ablenkeinrichtungen können auch bekannte Anordnungen wie
Spiegel oder Prismen dienen.
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In
einer ersten Ausführungsform sind Strahlteileinrichtung
und Ablenkeinrichtungen so eingerichtet, daß die Teilbilder
nebeneinander liegend und bündig auf der Sensorfläche
der Kamera erscheinen und so ein geschlosenes Rund-Um-Bild ergeben.
Dadurch ergibt sich in der Bildebene innerhalb der Kamera ein durchgehendes
Rund-Um-Bild.
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In
einer zweiten, bevorzugten Ausführungsform sind Strahlteileinrichtung
und Ablenkeinrichtungen so eingerichtet, daß die Teilbilder
redundant nebeneinander liegend auf der Sensorfläche der
Kamera erscheinen. Für Erläuterungen dazu siehe
weiter unten.
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Vorteilhaft
können für eine Beleuchtungseinrichtung die Ablenkeinrichtungen
zumindest teilweise mitverwendet werden (Einsparen von Teilen, einfache
Realisierung einer coaxialen Beleuchtung, siehe unten, auch durch
das Objektiv).
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Für
eine dreidimensionale Auswertung (Lichtschnitt, strukturiertes Licht,
auch als Hilfe für Stereo) wird eine konusförmige
strukturierte Beleuchtung rund um das Werkzeug vorgeschlagen.
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Bei
den bekannten Anordnungen befindet sich in der Mitte eine Öffnung
zum Einführen des Werkzeugs. Dies kann bei Kleber-Auftragsdüsen leicht
zu Verschmutzungen führen; außerdem muß die Öffnung
mindestens so groß sein wie das Werkzeug an seiner dicksten
Stelle. Zur Vereinfachung der Montage wird hier eine seitliche Nut
vorgeschlagen, durch die man das Werkzeug seitlich einführen
kann. Eine solche Öffnung ist besonders vorteilhaft für
ein automatisches Wechseln der gesamten Sensoreinrichtung oder des
Werkzeugs.
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel mit einer Kamera 1, einem
schematisch gezeichneten Bearbeitungswerkzeug 2, wie zum
Beispiel eine Auftragsdüse für eine Kleberaupe.
Der Strahlengang der Kamera 1 wird aufgeteilt in zwei getrennte
Strahlgänge 3a und 3b, im Beispiel über
die beiden zueinander in einem Winkel stehenden Spiegel 4 als
Strahlaufteiler, und weitergelenkt, über die Spiegel 5 und 6 als Ablenkeinrichtungen,
auf die Bildfelder 7a und 7b. 2 zeigt
die gleiche Anordnung aus einer anderen Ansicht (in 1 von
unten). Dort ist auch die o. g. Nut 11 eingezeichnet.
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Die
gesamte in 1/2 gezeichnete Spiegelanordnung
ist mit einem einzigen transparenten Glaskörper realisierbar,
der an den betreffenden Außenseiten nach innen verspiegelt
ist. Ein Vorteil einer solchen Anordnung ist die größere
Stabilität und die geringere Temperaturempfindlichkeit
der optischen Wirkung.
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In
der ersten Ausführungsform werden die Ablenkeinrichtungen
so eingestellt, daß die beiden Bildfelder sich genau so
berühren, daß sich in der Bildebene innerhalb
der Kamera ein durchgehendes Rund-Um-Bild ergibt. Vorteil dieser
Ausführungsform ist die einfache Auswertbarkeit der Bilder,
die wie gewöhnlich bei Aufnahmen mit einer einzelnen Kamera erfolgen
kann. 3 zeigt die Aufteilung des Bildes 8 der
Kamera in die beiden hier hier aneinander grenzenden Bereiche 7a und 7b,
mit der Abbildung des Werkzeugs 2 und der Abbildung der
auszuwertenden Szene 9, symbolisch als Kreis dargestellt;
dieser Kreis soll speziell ein kreisförmiges Objekt andeuten, z.
B. ein Loch, in das das Werkzeug eingeführt werden soll.
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In
der zweiten Ausführungsform werden die Ablenkeinrichtungen
so eingestellt, daß die beiden Bildfelder nebeneinander
liegen mit einem redundanten Innenbereich 12 dazwischen.
Die beiden äußeren Teilbilder, außerhalb
des Innenbereichs, bilden zusammengenommen eine vollständige Rund-Um-Abbildung
um das Werkzeug. Vorteil dieser Anordnung ist, daß die
Einrichtung der Ablenkeinrichtungen unkritisch ist. 4 zeigt
die Aufteilung des Bildes 8 der Kamera in die beiden Bereiche 7a und 7b,
mit der Abbildung des Werkzeugs 2 und der Abbildung der
auszuwertenden Szene 9, wie zuvor als Kreis für
das Beispiel eines kreisförmigen Objekts dargestellt. Im
Innenbereich 12 findet sich redundante Bildinformation:
der rechte Teil des linken äußeren Teilbildes
rechts und der linke Teil des rechten äußeren
Teilbildes links.
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Durch
geeignete Programmierung einer angeschlossenen/eingebetteten automatischen
Bildauswertung wird die Überlappung berücksichtigt. Hierzu
bestehen insbesondere die folgenden Möglchkeiten:
- – der vorab bekannte oder dynamisch
bestimmte Innenbereich wird ignoriert, der Rest zu einem Bild zusammengesetzt.
- – Je nach Situation (auszuwertender Bereich nur links
oder rechts) wird der betreffende Bereich zur Auswertung ausgewählt.
- – Messungen werden in beiden Bereichen unabhängig
voneinander durchgeführt, die Messergebnisse entsprechend
der Breite des Innenbereiches modifiziert und dann zusammengefaßt.
Beispielsweise kann in 4 eine Durchesserbestimmung
realisiert werden anhand der Position der Außenkanten 10 des
Kreises 9 und der (bekannten oder dynamisch bestimmten)
Breite des Innenbereichs.
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Bevorzugt
wird die Breite des Innenbereichs anhand der Abbildung des Werkzeugs
dynamisch ermittelt, wodurch Fehljustagen der Ablenkeinrichtungen
automatisch herausgerechnet werden können.
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Innerhalb
des Innenbereiches besteht die Möglichkeit einer Stereoauswertung,
z. B. für eine Abstandsmessung. Dies ist speziell bei Fügeaufgaben
interessant, zur Durchführung eines Visual Servoing, aber auch
beim Auftrag von Klebe- oder Dichtmitteln kann es wichtig sein,
anhand von Werkstückmerkmalen den Abstand zum Werkstück über
die Bildverarbeitung zu regeln.
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Eine
Abstandsmessung mit Merkmalen außerhalb des Innenbereichs
ist möglich bei bekannter Geometrie von erfaßten
Merkmalen. So kann beispielsweise im gegebenen Beispiel 4 bei
bekannter Werkstückgeometrie (oder bei gleichbleibender
Werkstückgeometrie und nach Eichung mit bekanntem Abstand), über
den Abstand der Halbkreise im Bild, der Abstand zum Werkstück
bestimmt werden.
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Nicht
gezeichnet ist eine Beleuchtungseinrichtung, die vorteilhaft (um
Platz zu sparen) in die Einrichtung integriert ist, an Stellen wo
sie die Abbildung nicht stört, ggf. unter Verwendung von
Ablenkeinrichtungen. Darin eingeschlossen sind Beleuchtungen in
der Nähe der Pupille des Abbildungsstrahlengangs.
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Mit
einer strukturierten, bevorzugt einer rund um das Werkzeug konusförmigen
Beleuchtung, kann eine 3D-Auswertung (Höhenauswertung)
realisiert werden, besonders wichtig für eine Höhenbestimmung
von Dichtraupen oder Kleberaupen, wie man sie z. B. beim Scheibeneinbau
benötigt.
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Die
Bildauswertung kann in einem getrennten Bildauswertesystem oder
direkt in der Kamera ("intelligente Kamera") realisiert sein; auch
Mischlösungen sich möglich, z. B. Bildvorverarbeitung
in der Kamera, Nachauswertung in einem getrennten Bildauswertesystem.
Besonders vorteilhaft ist es, das oben aufgeführte Ausschneiden
des Innenbereich und Zusammensetzen des Rests zu einem Bild in der Kamera
zu realisieren: diese Art der Vorverarbeitung ist einfach und immer
gleichartig, also leicht direkt im Sensor realisierbar, und entlastet
dennoch deutlich die nachfolgende, mehr spezifische Bildauswertung.
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Die
Spiegel können auch gekrümmt, also verkleinernd
oder vergrößernd, realisiert sein.
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Als
Objektiv kann zur dynamischen Anpassung an un terschiedliche Aufgaben
ein Vario-Objektiv eingesetzt werden.
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Aufgaben
der optischen Führung können mit der Anordnung
gelöst werden. So kann damit z. B. eine gekrümmte
Werkstückkante verfolgt werden, entlang derer eine Dichtraupe
verlegt werden soll, ohne die Orientierung des Werkstücks
oder des Sensors zu verändern. Dies ist besonders wertvoll
bei geschlossenen Konturen. Mit der gleichen Anordnung kann die
Führungsaufgabe und die Kontrollaufgabe realisiert werden,
ohne eine extra Dreheinrichtung zu benötigen.
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Eine
weitere Anwendung ist die Führung zum präzisen
Greifen oder Fügen von Bauteilen. Das Werkzeug ist hierbei
ein Greifer (Sauggreifer, Spreizgreifer...) oder ein zu fügendes
Teil (z. B. Bolzen, hier das Werkzeug repräsentierend),
das beispielsweise in eine Bohrung im Werkstück einzufügen
ist. Da das Bildfeld mit dem Werkzeug relativ zum Werkstück mitgeführt
wird, kann man mit einem kleinen Bildfeld arbeiten, hat mit hoher
Auflösung ständig gleichzeitig Werkstück
und Werkzeug im Blick, und zwar rund um das Werkzeug und senkrecht
auf das Werkstück blickend (keine perspektivischen Verzerrungen
durch Schrägansicht), mit allen damit verbundenen meßtechnischen
Vorteilen. Mit der hier beschriebenen Anordnung kann, ggf. geregelt,
also mittels Visual Servoing (Werkstück und Werkzeug ständig
im Blick), ein Werkstück exakt gegriffen bzw. ein Teil
gefügt werden.
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In
einer weiteren Anwendung kann das System als Einrichthilfe für
solche Aufgaben eingesetzt werden: Zum Beispiel kann zum Einrichten
eines Robotersystems, unter menschlichher Überwachung an einem
Monitor, ein Bolzen aufgrund des Rund-Um-Blicks exakt mittig zu
einer Bohrung ausgerichtet werden.
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Eine
weitere Anwendung ist die Rund-Um-Kollisionsvermeidung. Da jederzeit
die Umgebung des Werkstücks in allen Richtungen mit nur
einer Kamera sichtbar ist, ist durch Auswertung einer einzigen Kamera
ein sehr schnelles und sicheres Erkennen von Hindernissen in Werkzeugnähe
realisierbar.
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Vorteile:
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Es
wird nur eine Kamera verwendet (Preis, Platzbedarf), das Betrachtungs-Strahlenbündel
ist schmal. Der Aufbau ist in alle seitlichen Richtungen schmal
realisierbar, was insbesondere bei geschlossenen Konturen und zumindest
stellenweise steilen Werkstückprofilen oder Engstellen
zum Tragen kommt (keine/weniger Kollisionsprobleme, keine/weniger
Abschattungen).
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Das
Umschalten zwischen Kameras und das für viele praktische
Anwendungen erforderliche gleichzeitige Auswerten mehrerer Kameras
entfällt. Das ist gerade bei Online-Auswertung wichtig,
da hier Geschwindigkeit gefragt ist.
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Bei
bekannten Anordnungen mit mehreren Kameras sind diese aus geometrischen
Gründen schräg, zum Werkstück hin orientiert,
angeordnet; eine Beleuchtung im Glanzlicht (Einfallswinkel = Ausfallswinkel)
erfordert daher eine schräge Beleuchtung aus der Gegenrichtung,
die dann jedoch notwendigerweise durch das Werkzeug unterbrochen wird.
Diesem Effekt wirkt man durch eine relativ große Rund-Um-Beleuchtung
entgegen, was wiederum einer Verschlankung des ganzen Aufbaus entgegensteht.
Mit der hier vorgeschlagenen Anodnung ist eine Betrachtung senkrecht
auf das Werkstück einfacher realisierbar; dann ist eine
Beleuchtung im Glanzlicht mit zumindest näherungsweise
coaxialer Beleuchtung realisierbar, wobei vorteilhaft die Ablenkeinrichtungen
zur Beleuchtung mitverwendet werden können.
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Der
Vorteil der besonders schlanken Ausführung des Beleuchtungs-
und Betrachtungsstrahlengangs, rund um das Werkzeug, kommt natürlich
auch bei Anwendungen mit nicht gekrümmter Bahn zum Tragen,
speziell bei Führungs- und/oder Kontrollaufgaben unter
beengten Platzverhältnissen.
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Die
Anordnung kann vorteilhaft auch zum Greifen oder Fügen
mittels Visual Servoing eingesetzt werden.
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Es
sind Anwendungen möglich, in denen Führung, Bearbeitung
und Kontrolle in einem einzigen Arbeitsgang mit nur einer Kamera
realisiert werden können, z. B. die Feinverfolgung einer
(ggf. grob vorgegebenen) Fuge, deren Abdichtung mit Dichtmaterial
und die sofortige Kontrolle des aufgebrachten Dichtmaterials, ggf.
mit Regelung der Materialzufuhrparameter aufgrund der gemessenen
Kontrollwerte.
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Eine
3D-Auswertung mit strukturierter Beleuchtung kann kombiniert werden
mit einer 2D-Auswertung auf Basis einer weiteren, unstrukturierten Beleuchtung.
Die Trennung der Auswertungen kann über den Ort geschehen,
oder im Zeitmultiplex (Schalten der Beleuchtungen) oder im Farbmultiplex (Verwenden
eines Farbkamera-Chips und verschiedener Wellenlängen für
die unterschiedlichen Beleuchtungsarten).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 20307305
U1 [0008]
- - WO 2005/065844 [0010]
- - WO 2005/063406 [0010]
- - WO 2005/063407 [0010]