CN103270534B - 用于检测机床中的对象的位置的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于检测对象在机床中的位置的装置以及方法。其中应用摄像机（3），该摄像机提供对象（2）与对象载体（1）的图像，该对象载体与对象连接并且其在机床内部的位置是已知的。第一处理装置使得能够根据对象的从图像中获得的几何特征识别出对象相对于摄像机的位置。第二处理装置用于根据对象载体的从图像中获得的几何特征识别出对象载体相对于摄像机的位置。最后，第三处理装置用于从摄像机和对象之间或摄像机和对象载体之间的相对位置中确定所寻求的、对象载体和对象之间的相对位置。

Description

用于检测机床中的对象的位置的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于检测机床中的对象的位置的装置和方法。例如为了在张紧工件后得出工件在机床内部的精确位置，而有必要采取这些方法。了解工件的位置对于对工件进行精确的加工而言具有决定性的意义，但同时例如对于碰撞监测而言也非常的关键。为此不仅必须得出工件的位置、而且也必须得出用于固定工件的夹紧件的位置。
背景技术
由于通常需要花费非常大一部分的加工时间来将工件张紧和布置在机床中，因此有利的是，尽可能快速地完成对于工件的和它的夹紧件的精确位置的检测。对此已知了以借助于摄像机对张紧情况进行检测为基础的不同的装置和方法。
例如在DE112007001977T5中就说明了一种方法，其中从工件的摄像机图像中提取出工件的模型。为此所采用的方法、例如确定工件边缘的方法已详细地示出。随后将模型与已知的对象进行比较以便确认相应地当前的对象。此后从摄像机图像中得出对象的位置和状态，并且例如用于碰撞监测。
也由DE102005022344A1中公开的是，根据从摄像机图像中获取的、利用工件的模型补偿的几何参数至少粗略地确定工件的位置。这样获取的信息或者用作对于借助于量规(Taster)进行更精确地测量的起始点，或者也可以直接用于确定一个矩阵，其描述了工件相对于机床的基准点的移动和/或旋转。因此，即使实际的张紧情况不完全符合NC程序所预期的张紧情况，也能够对工件进行精确地加工。
在这里说明的方法的缺点在于，除了在其中得出摄像机的光学参数以供后续关注的摄像机的内部校准外，也必须进行在其中得出摄像机的位置和曲向的外部校准。其中，不同于内部校准的是，如果摄像机并不是完全刚性地相对于机床的坐标系固定，那么通常并且可能在每次测量前都必须重复这种外部校准。这意味着在安装摄像机时的、或对于摄像机进行经常性的校准的投入非常大。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种装置和一种方法，该装置和该方法能够简化借助于摄像机对机床中的对象进行的定位，其中，降低了用于安装和摄像机的校准的投入。
该目的首先通过根据本发明的用于检测在机床中的对象的位置的装置实现，其中，该装置具有：提供对象的和对象载体的图像的摄像机，该对象载体与对象连接，并且对象载体在机床内部的位置是已知的；用于根据对象的从图像中获得的几何特征识别对象相对于摄像机的位置的第一处理装置，其中根据对象载体的从图像中获得的几何特征识别对象载体相对于摄像机的位置的第二处理装置，以及用于从摄像机和对象之间或者摄像机和对象载体之间的相对位置中确定对象载体和对象之间的相对位置的第三处理装置。
本发明的另一个目的通过用于借助于摄像机检测对象在机床中的位置的方法实现，其中，摄像机提供对象的和对象载体的图像，对象载体与对象连接，并且对象载体在机床内部的位置是已知的，其中，第一处理装置根据对象的几何特征得出对象相对于摄像机的位置，其中，第二处理装置根据对象载体的从图像中获得的几何特征得出对象载体相对于摄像机的位置，并且第三处理装置从摄像机和对象或摄像机和对象载体之间的相对位置中得出对象载体和对象之间的相对位置。
所说明的是用于检测对象在机床中的位置的一种装置和一种方法。其中应用了摄像机，该摄像机提供对象的和对象载体的图像，对象载体与对象连接并且其在机床内部的位置是已知的。第一处理装置能够根据对象的从图像中获得的几何特征识别对象相对于摄像机的位置。第二处理装置用于根据对象载体的从图像中获得的几何特征识别对象载体相对于摄像机的位置。最后，第三处理装置用于从摄像机和对象之间或摄像机和对象载体之间的相对位置中确定对象载体和对象之间的相对位置。
由此不再需要对摄像机进行外部校准，这是因为摄像机的位置和取向通过相对位置的计算而变得无关紧要。在摄像机图像上只须能够分别识别出对象和对象载体的足够大的部段，该部段可以实现自动识别。也就是说，即使将摄像机安装在其受机械或热影响而运动的位置处，在对象和对象载体之间相应地确定的相对位置也不会发生改变。因此，即使例如机床的内室的分界壁在这里是一种由金属板制成的、相对较容易弯折并且因此主要是能够明显改变摄像机的取向的简单的覆盖物，它也能够用作摄像机的安装位置。
对象载体可以是工件台，对象、即例如工件或夹紧件直接地布置在该工件台上。这种工件台通常具有由T导槽和钻孔构成的简洁并已限定的结构，该结构的边棱在摄像机的图像中非常容易识别，并且因此非常适合用于自动化的图像处理。
但是在本发明的范畴内，机床的其它组成部分也可以用作对象载体，其它组成部分在机床内部的位置是已知的，并且它以限定的方式与工件直接布置于其上的工件台连接。因此能够例如将支承工件台的桥件用作本发明的范畴内的对象载体，或者也可以应用机床的任一其它的显著的结构，只要该结构的位置是已知的，并且能够从中形成与工具台的限定的连接。
对象可以是应利用机床的工具对其进行加工的工件。其中，工具在此前在NC程序中确定的轨道上相对于工件运动，并且在此切除工件的材料。但是对象也可以是利用其来保持工件的夹紧件，例如老虎钳。
从工具的加工点(ToolCenterPoint或TCP)出发，工具和工件之间的位置通常通过所谓的运动链来限定。其中，如考虑机床的每一根轴的位置那样，也考虑机床的几何特征。因此，在5轴铣床中，根据相对于工件台的位置和取向随时通过运动链来确定工具的位置。对于新张紧的工件的测量最终用于将该工件也集成在运动链中，以便使工具能够以在NC程序中确定的方式朝向工件定位和导向。对此只需计算工件相对于已知的运动链的任一点的位置和取向，这是因为该点本身就是以限定的方式与工件台的表面连接。因此，在本发明的范畴内，可以将对象载体这一概念理解为机床的区域，与例如机床的运动链的所有组成部分相同，该区域的相对于工具的位置和取向是已知的。
由于为了将工件固定在工件台上必须使用夹紧件，虽然夹紧件并不对工件进行加工，但是例如为了进行碰撞监测必须将其考虑在内，所以也必须将这些夹紧件视为对象，必须得出其在机床的运动链中的位置和取向。因此，夹紧件和工件是本发明范畴内的对象。
不仅对象、而且对象载体均必须在形状和尺寸方面是已知的，以便能够从摄像机图像中推断出相应的相对位置。因此，处理装置能够访问在其中存放了相应的对象和对象载体的几何信息的存储区域。
附图说明
本发明的其它的优点和细节通过附图从后面对优选的实施方式的说明中得出。图中示出：
图1示出机床的一个部段，在该部段中标出了在摄像机和工件之间或在摄像机和工件台之间的相对位置，
图2示出机床的一个部段，在该部段中标出了在工件和工件台之间的相对位置。
具体实施方式
在图1中示出了机床的一个部段。示出的是工件台1形式的对象载体，在其上布置了工件2形式的对象。
固定在例如机床的壳体上的摄像机3提供图像，该图像不仅示出工件台1，也示出工件2，或者至少分别示出二者的一个部段，该部段足够大，以用于自动地由此得出工件台1和工件2的位置和取向。
该图像被传输给至少实施根据本发明的方法的流程的控制装置4。该控制装置在此优选地是数控装置，该数控装置也承担所有其它的控制过程，例如NC程序在机床上的操作。
摄像机3具有通过坐标系X-Y-Z的原点确定的位置和通过坐标轴X，Y和Z确定的取向。因此，例如摄像机3的视向能够不受一般性限制地定义摄像机3的坐标系的Z轴。
工件台具有通过坐标系X1’-Y1’-Z1’的原点确定的位置和通过坐标轴X1’，Y1’，Z1’确定的取向。因此，例如落在台1上的垂线能够不受一般性限制地定义台1的坐标系的Z1’轴。台边棱确定其它的坐标轴X1’和Y1’，原点位于台1的一个角中。
工件2具有通过坐标系X2’-Y2’-Z2’的原点确定的位置和通过坐标轴X2’，Y2’，Z2’确定的取向。因此，方形的工件2不受一般性限制地定义工件2的坐标轴X2’，Y2’，Z2’的方向。
也可以以完全不同的方式和仅从实际的观察角度来选择在图1中的工件台1、工件2和摄像机3的坐标系。对于其它形状的台1和工件2而言，在对位置和取向的更简单的描述中，其它坐标系可能更合适。
通过如此外在所引用的现有技术中所说明的图像分析的方法，由控制装置4中的第一处理装置在第一步骤中得出工件2相对于摄像机3的位置。这在图1中通过从摄像机3的原点至工件2的原点的平移矢量T2、以及通过平行于摄像机3的坐标轴X，Y，Z的坐标轴X2，Y2，Z2表明。通过平移矢量T2和将坐标系X2’-Y2’-Z2’转换为坐标系X2-Y2-Z2的旋转矩阵D2确定工件2相对于摄像机3的移动和旋转。通过在旋转矩阵D2上扩展出附加的、容纳平移矢量T2的分量的一栏，也能够将T2和D2结合为齐次变换H2＝[D2|T2]。该齐次变换H2包含关于在摄像机3和工件2之间的移动和旋转的完整信息。
优选地设计为控制装置4中的软件算法的第一处理装置为此访问一个存储区域，在该存储区域中存储了可能的对象、即可能的工件2或夹紧件的例如形状和尺寸的几何信息。通过将存储的信息与从摄像机图像中获得的信息之间的均衡，能够结合摄像机3的内部校准推断出相应的对象和其相对于摄像机3的相对位置。
随后在第二步骤中由控制装置4中的处理装置得出台1相对于摄像机3的位置。这在图1中通过从摄像机3的原点至台1的原点的平移矢量T1、以及通过平行于坐标轴X，Y，Z的坐标轴X1，Y1，Z1表明。通过平移矢量T1和将坐标系X1’-Y1’-Z1’转化为坐标系X1-Y1-Z1的旋转矩阵D1来确定台1相对于摄像机3的移动和旋转。通过在旋转矩阵D1上扩展出容纳平移矢量T1的分量的附加的一栏，也能够将T1和D1结合为齐次变换H1＝[D1|T1]。该齐次变换H1包含关于在摄像机3和工件台1之间的移动和旋转的完整信息。
优选地同样设计为控制装置4中的软件算法的第一处理装置为此访问了一个存储区域，在该存储区域中存储了台1的几何信息。通过存储的信息与从摄像机图像中获得的信息之间的均衡，能够结合摄像机3的内部校准推断出台1相对于摄像机3的相对位置。
当然也可以调换第一和第二步骤的顺序，如果例如通过用于在控制装置4中进行图像分析的、平行运行的算法使其成为可能的话，同样也能够同时实施第一和第二步骤。
在第三步骤中，此时通过计算在摄像机3和工件2之间或在摄像机3和工件台1之间的相对位置，得出在工件2和工件台1之间的相对位置。通过用事先确定的平移矢量T2减去同样事先确定的平移矢量T1，得到在图2中示出的平移矢量T3，该平移矢量在数值和方向上示出在台1的原点和工件2的原点之间的错位。摄像机3的位置和取向并不影响结果。
同样地从通过旋转矩阵D1描述的、在摄像机3和台1之间的旋转和通过旋转矩阵D2描述的、摄在像机2和工件2之间的旋转，推断出在台1和工件2之间的旋转。换句话说，即得出旋转矩阵D3，该旋转矩阵将工件2的坐标系X2’-Y2’-Z2’转换为坐标系X2”-Y2”-Z2”，并由此使其平行于台1的坐标系X1’-Y1’-Z1’取向。为此须将逆矩阵D1-1与旋转矩阵D2相乘。即D3＝D1-1＊D2。共同将坐标系X1’-Y1’-Z1’转换为坐标系X2’-Y2’-Z2’的旋转矩阵D3和平移矢量T3包含所求的、关于工件2相对于工件台1的位置和取向的信息。也能够可替换地计算齐次变换H3＝H1-1＊D2，该齐次变换在矩阵中描述在工件台1和工件2之间的偏移和旋转。重要的是，T3和D3或3不取决于摄像机3的取向，并且由此无需对摄像机进行外部校准。
因此，虽然摄像机的精确位置是未知的，并且也可能由对于下一个的测量而变化，但是工件2或其夹紧件能够进入机床的运动链中，并且例如为了碰撞监测而被关注。

Claims (15)

1.一种用于检测在机床中的对象的位置的装置，所述装置具有：提供所述对象(2)的和对象载体(1)的图像的摄像机(3)，所述对象载体与所述对象(2)连接，并且所述对象载体在所述机床内部的位置是已知的；用于根据所述对象(2)的从所述图像中获得的几何特征识别所述对象(2)相对于所述摄像机(3)的位置的第一处理装置，其特征在于根据所述对象载体(1)的从图像中获得的几何特征识别所述对象载体(1)相对于所述摄像机的位置的第二处理装置，以及在于用于从所述摄像机(3)和所述对象(2)之间或者所述摄像机(3)和所述对象载体(1)之间的相对位置中确定所述对象载体(1)和所述对象(2)之间的相对位置的第三处理装置。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一处理装置具有存储区域，在所述存储区域中存储了不同对象(2)的几何信息。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一处理装置设计用于根据存储的所述几何信息识别在所述摄像机的图像上示出的所述对象(2)。
4.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，所述对象(2)是待加工的工件，或是用于将工件固定在所述对象载体(1)上的夹紧件。
5.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，所述第二处理装置具有存储区域，在所述存储区域中存储了所述对象载体(1)的几何信息。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第二处理装置具有存储区域，在所述存储区域中存储了所述对象载体(1)的几何信息。
7.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，所述几何信息以CAD模型的形式或者作为摄像机图像存在。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述几何信息以CAD模型的形式或者作为摄像机图像存在。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述对象载体(1)是所述机床的运动链的组成部分，从而使所述对象载体相对于加工工具的位置在上级的控制装置(4)中是已知的。
10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述对象载体(1)是所述机床的运动链的组成部分，从而使所述对象载体相对于加工工具的位置在上级的控制装置(4)中是已知的。
11.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述摄像机(3)固定在所述机床的部件上，所述部件不是所述机床的所述运动链的组成部分，从而未限定所述摄像机相对于所述运动链的所述组成部分的所述位置。
12.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述摄像机(3)固定在所述机床的部件上，所述部件不是所述机床的所述运动链的组成部分，从而未限定所述摄像机相对于所述运动链的所述组成部分的所述位置。
13.一种用于借助于摄像机(3)检测对象在机床中的位置的方法，所述摄像机提供所述对象(2)的和对象载体(1)的图像，所述对象载体与所述对象(2)连接，并且所述对象载体在所述机床内部的位置是已知的，其中，第一处理装置根据所述对象(2)的几何特征得出所述对象(2)相对于所述摄像机(3)的位置，其特征在于，第二处理装置根据所述对象载体(1)的从所述图像中获得的几何特征得出所述对象载体(1)相对于所述摄像机的位置，并且第三处理装置从所述摄像机(3)和所述对象(2)或所述摄像机(3)和所述对象载体(1)之间的所述相对位置中得出所述对象载体(1)和所述对象(2)之间的所述相对位置。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述第一处理装置将所述对象(2)的从所述图像中获得的所述几何信息与可能的对象的存储在资料库中的几何信息进行比较，当与可能的所述对象中的一个对象足够吻合时，将所述对象作为实际布置在所述对象载体上的所述对象(2)识别出来。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，所述对象载体(1)是所述机床的运动链的组成部分，从而使所述对象载体的相对于加工工具的位置在上级的控制装置(4)中是已知的，并且所述对象(2)本身在获得所述对象与所述对象载体(1)的相对位置后成为运动链的组成部分，并且进而所述对象载体相对于所述加工工具的位置由此在所述上级的控制装置(4)中是已知的。
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