CN1861317A - 工件测量的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定工件(1)的位置信息的装置和方法。为了快速测量工件(1)相对于为了加工该工件而设置的工具的相对位置，提议该装置具有用于采集该工件(1)的至少一个子区域的摄像机(2)；用于基于由该摄像机(2)采集的子区域确定该工件(1)的几何参数(4)的第一处理装置(3)；用于存储该工件(1)的几何模型(5)的存储器；用于通过用该几何模型(5)调整几何参数(4)来确定工件(1)的位置信息的第二处理装置(6)。其中，位置信息用于确定工件(1)相对于为了加工该工件(1)而设置的工具的位置。

Description

工件测量的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于确定工件的位置信息的装置和方法，用于确定工件相对于为了加工该工件而设置的工具的位置。
背景技术
这样的装置和方法例如用于数字控制的机床、即所谓的CNC机床，其中为了制造部件而按照编程的工艺流程运动将工具自动引向要加工的工件。
为了能产生期望的零件外形，必须尽可能准确地了解工件在机床中的位置。这可以通过为该工件设置的夹紧装置来保证，该夹紧装置可以精确地定位工件。或者必须测量工件的位置，由此可以在加工工件时考虑该位置。只有这样才能例如在切削加工时保证，实际磨蚀掉的体积与在加工计划和NC编程中定义的切削体积一致，从而达到期望的部件质量。
目前，测量小和中等序列的工件通常利用夹在工具容器(Werkzeug-aufnahme)中的测量电键进行。该测量电键以非常小的速度在工件方向上移动，直到测量电键接触到工件。为了确定工件的精确位置，必须多次移动该工件。从这样确定的点中可以确定工件的位置。
例如DE4110209C2公开了一种用于识别在CNC控制的研磨床上的工具和/或借助于走刀传动装置移动的工件的外形尺寸的装置，该装置还利用采集表征该工件或工具位置的尺寸的机械接触作用的键元件来确定工具和工件的相对位置。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于可以快速测量工件相对于为了加工该工件而设置的工具的位置。
该技术问题是通过一种用于确定工件的位置信息的装置来解决的，该装置包括：
-用于采集该工件的至少一个子区域的摄像机，
-基于由该摄像机采集的子区域确定几何参数的第一处理装置，
-用于存储该工件的几何模型的存储器，
-通过用该几何模型调整几何参数来确定工件的位置信息的第二处理装置，
其中，位置信息用于确定工件相对于为了加工该工件而设置的工具的位置。
此外，本发明的技术问题还通过一种具有这样的装置和用于基于所述位置信息自动加工工件的数字机床控制器的机床来解决。
本发明的技术问题还通过一种用于确定工件的位置信息的方法来解决，其具有以下步骤：
-利用摄像机采集工件的至少一个子区域，
-基于由该摄像机采集的子区域确定几何参数，
-通过用存储在存储器中的工件的几何模型调整几何参数来确定工件的位置信息，
-利用该位置信息来确定工件相对于为了加工该工件而设置的工具的位置。
本发明基于以下认识，即通过光学采集工件并结合描述该工件外形的几何模型，可以比传统方法更为快速地确定要加工的工件的位置。本发明的基本思想是，利用摄像机及尤其是可以集成在该摄像机内的第一处理装置确定需要的几何参数，这些几何参数结合存储在存储器中的几何模型可以推断出工件相对于为加工该工件而设置的工具的位置。
这种光学方法比传统的接触式方法快速得多，在传统方法中，为了避免碰撞，测量头缓慢地靠近要测量的工件，并在接触时确定工件的一个点的坐标。为了确定位置需要多个测量点，从而必须多次重复这种耗时的过程。
为此例如可以设置第一处理装置，用于借助图像处理算法确定工件的几何参数。通过图像识别方法例如识别工件的边缘。如果在几何模型中也识别出相同的边缘，则可以通过这些信息非常容易和非常快速地确定工件的相对位置。
本发明的另一个合适的实施方式在于，所述装置具有用于照射工件的光源，并且第一处理装置用于借助三角测量方法确定工件的几何参数。对于简单的三角测量方法来说，借助光源以特定的角度来照射工件，并由摄像机采集反射光。在光线的入射角已知和光源与摄像机之间的距离已知的情况下，可以确定工件的一个测量点的坐标。
与采用什么样的方法来确定几何参数无关，优选第二处理装置用于通过识别工件的特征元素以及该特征元素相对于几何模型的透视失真来确定位置信息。作为特征元素可以是工件的边缘、角或曲线等等。和在传统方法中接触式地测量部件不同，在本实施方式中，例如识别工件的边缘并通过与几何模型的比较确定透视失真即可。由此给出了确定工件相对于工具的位置所需的全部信息。
通常需要为接下来的借助工具的加工过程确定工件的精确位置。尤其是在第二处理装置用于确定一个描述工件相对于参考位置的移动和/或旋转的矩阵的应用情况下。例如，在此设置了用于校准机床的数字控制的矩阵。例如，在NC程序中存放针对工具的应当为加工工件而移动的移动路径的坐标。在编制NC程序时，可以对这样的针对工具的特定参考位置的移动路径进行编程。工件的实际位置相对于参考位置的偏差在该实施方式中通过所述矩阵来描述，从而可以对NC程序中存放的移动路径进行相应的校准。
尤其是，在对位置确定的精确性有很高的要求时，合适的是所述装置具有一个特殊的接触式传感器，用于在第二处理装置确定了位置信息之后精细地测量该工件。在这样的实施方式中，利用摄像机和存储在存储器中的几何模型对部件的光学测量首先用于粗略地确定工件相对于工具的位置。但利用该粗略的位置确定已经可以非常快速地将接触式传感器移动到合适的输出位置以进行精细测量。然后尤其是可以通过传统的接触式方法对工具进行精细测量。通过本发明的该实施方式，例如实现了接触式测量方法的高度精确性，又相对于传统方法大大减少了测量工件所需的时间。对传统的方法来说，需要将接触式传感器非常缓慢地靠近工件，以避免灵敏的测量头与工件的碰撞。通过该对工件位置的粗略预确定，省略了非常耗时的移近阶段。
附图说明
下面利用附图中示出的实施例详细描述和解释本发明。其中：
图1示出用于确定工件位置的方法的示意图，
图2示出用于NC控制机床的方法的示意图，
图3示出用于确定工件位置的另一种方法的示意图。
具体实施方式
图1示出用于确定工件1位置的方法的示意图。工件1为通过在此未示出的工具加工而夹在工件桌14上。在工人通过控制器激活了用于可视化地测量工件1的命令之后，工件桌14移动到摄像机2的采集区域中。或者，当然也可以移动摄像机2，从而为采集工件1而使摄像机朝着工件桌14移动。
摄像机2例如是CCD或CMOS摄像机，其图像数据传送到第一处理装置3。第一处理装置3、尤其是集成在摄像机内的微处理器形式的第一处理装置3基于图像数据产生几何参数4，其中在图像处理中采用公知的数学算法。例如，几何参数描述了工件1的一个或多个边缘。
在存储器中存放了工件1的简化的几何模型5，该几何模型描述了工件1的外形。第二处理装置6可以通过调整几何模型5和先前确定的几何参数4，确定描述工件1相对于参考位置的位置的位置信息。这样的用于确定工件1相对于为了加工该工件而设置的工具的位置的位置信息，以矩阵7的形式存储，并以该形式用于随后通过工具对工件1的加工。
第二处理装置可以由另一个处理器或控制器提供。或者，第二处理装置6还可与第一处理装置3一起实施为集成在摄像机内的微处理器的形式。
图2示出用于NC控制机床9的方法的示意图。该机床例如是NC控制的铣床，其中根据NC程序由工件1制造出一个零件。为此机床9具有数字控制器8，在该控制器中由用户加载了NC程序。在该程序内定义了在用相应的工具加工时必须遵循的移动路径。
为了保证对工件1的精确加工，必须已知工件1相对于为了加工而设置的工具的位置。为了保证这一点，机床具有用于采集工件1的位置的装置。该装置的部件及其功能对应于已经在图1中解释过的部件及其相互作用。此外在图2中选择了与图1相同的附图标记来表示功能相同的部件。
在下面的情景中可以考虑采用已经描述过的集成的光学位置识别与机床9结合：
首先工人将工件1夹在工件桌14上。然后他通过数字机床控制器8启动NC程序，在该程序中对处理工件1需要的方法步骤进行了编程。此外，NC程序还包含要加工的工件1的简化的几何模型5。
在NC程序内编程的第一方法步骤包含识别工件1的位置。为此首先如在图1中描述的那样用摄像机2采集工件1的一个子区域，并利用第一处理装置3产生第一几何参数4。第二处理装置6利用几何参数4和存放在NC程序中的工件1的几何模型5产生一个矩阵7，在该矩阵中存放工件1相对于参考位置的平移和旋转的信息。
在NC程序内存放的工具的移动路径首先是基于所述参考位置定义的。为了能利用铣刀产生期望的零件外形，利用矩阵7校正移动路径的坐标。通过各个移动坐标的变换，工具相对于工件1的移动精确地对应于期望的工具移动。
图3示出另一种用于确定工件1的位置的方法的示意图。在此对图1和图2中涉及的元件的相同部件采用相同的附图标记。
在这种情况下为了识别位置在该方法之后还要进行精细测量，为了满足对确定工件1相对于用于加工的工具的位置而提出的非常高的要求，该精细测量是很必要的。
在所示例子中，通过HMI 11、例如触摸屏启动对工件1的位置采集。在此，首先通过三角测量方法利用摄像机2、第一处理装置3和光源12产生大量的几何参数。在此由摄像机2测量从光源12入射到工件1上并被工件反射的光。只要摄像机2和光源12之间的距离已知，且由光源产生的光相对于工件1的入射角已知，就能采集在工件1的表面上的点的坐标。通过这种方式产生足够的几何参数4，从而通过与几何模型5之间的均衡可以产生第一位置信息。利用该位置信息将接触式传感器10移动到合适的启动位置，在该启动位置传感器10可以确定工件1的第一测量点。通过事先光学产生的位置信息，可以将接触式传感器非常快速地移动到合适的启动位置，而不必担心出现与工件1的碰撞。与从机床构造中知道的传统的纯接触式精细测量方法相比，通过这种方式大大节省了时间。
在通过接触式传感器10对工件1进行了精细测量之后，接着提供了一个矩阵7，通过该矩阵可以校正数字控制或在NC程序中定义的移动坐标。

Claims (16)

1.一种用于确定工件(1)的位置信息的装置，该装置包括：
-用于采集该工件(1)的至少一个子区域的摄像机(2)，
-基于由该摄像机(2)采集的子区域确定该工件(1)的几何参数(4)的第一处理装置(3)，
-用于存储该工件(1)的几何模型(5)的存储器，
-通过用该几何模型(5)调整几何参数(4)来确定该工件(1)的位置信息的第二处理装置(6)，
其中，所述位置信息用于确定工件(1)相对于为了加工该工件(1)而设置的工具的位置。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一处理装置(3)用于借助图像处理算法确定工件(1)的几何参数(4)。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，该装置具有用于照射工件(1)的光源(12)，以及所述第一处理装置(3)用于借助三角测量方法确定工件(1)的几何参数(4)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中，所述第二处理装置(6)用于通过识别工件(1)的特征元素以及该特征元素相对于几何模型(5)的透视失真来确定位置信息。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其中，所述第二处理装置(6)用于确定一个描述工件(1)相对于参考位置的移动和/或旋转的矩阵(7)。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述矩阵(7)用于校准机床(9)的数字控制器(8)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其中，该装置具有一个尤其是接触式的传感器(10)，用于在用第二处理装置(6)确定了位置信息之后精细地测量所述工件(1)。
8.根据权利要求7所述的装置，还具有平移装置，用于将所述传感器(10)或工件(1)移动到基于所述位置确定而获得的输出位置，以进行所述精细测量。
9.一种机床(9)，具有根据权利要求1至8中任一项所述的装置和用于基于位置信息自动加工工件(1)的数字机床控制器(8)。
10.一种用于确定工件(1)的位置信息的方法，具有以下步骤：
-利用摄像机(2)采集工件(1)的至少一个子区域，
-基于由该摄像机(2)采集的子区域确定工件(1)的几何参数(4)，
-通过用存储在存储器中的该工件(1)的几何模型(5)调整该几何参数(4)来确定工件(1)的位置，
-利用该位置信息确定工件(1)相对于为了加工该工件(1)而设置的工具的位置。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，借助图像处理算法来确定所述工件(1)的几何参数(4)。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，借助三角测量方法来确定所述工件(1)的几何参数(4)。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其中，通过识别工件(1)的特征元素以及该特征元素相对于所述几何模型(5)的透视失真来确定位置信息。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，其中，确定一个描述工件(1)相对于参考位置的移动和/或旋转的矩阵(7)。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述矩阵(7)用于校准机床(9)的数字控制器(8)。
16.根据权利要求10至15中任一项所述的方法，其中，利用一个尤其是接触式的传感器(10)在确定了位置信息之后精细地测量所述工件(1)。
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