DE102008025896A1 - Method for determining the measurement uncertainty in geometry measurement - Google Patents

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Karina Dipl.-Wirtsch.-Ing. Weißensee
Gerhard Prof. Dr.-Ing. Linß
Susanne Dr.-Ing. Töpfer
Olaf Dr.-Ing. Kühn
Maik Dipl.-Ing. Rosenberger
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Landesamt fur Mess- und Eichwesen Thueringen
Technische Universitaet Ilmenau
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LANDESAMT fur MESS und EICHWE
Landesamt fur Mess- und Eichwesen Thueringen
Technische Universitaet Ilmenau
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Abstract

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Ermittlung der Messunsicherheit bei der Geometrie- oder Längenmessung vorzugsweise mit visuellen Sensoren an realen Messobjekten bereitzustellen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist gekennzeichnet durch eine Bewertung der Gesamtwirkungen im Bild, die einerseits durch das Messobjekt und andererseits durch Einflüsse des Antastprozesses verursacht werden. Der Anwendungsbereich der Erfindung erstreckt sich auf Koordinaten- und Formmessgeräte, vorzugsweise mit visuellen Sensoren.The object of the present invention is to provide a method for determining the measurement uncertainty in the geometry or length measurement, preferably with visual sensors on real measurement objects. The inventive method is characterized by an evaluation of the overall effects in the image, which are caused on the one hand by the measurement object and on the other hand by influences of the probing process. The scope of the invention extends to coordinate and shape measuring devices, preferably with visual sensors.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Messunsicherheit bei der Geometrie- oder Längenmessung.The The present invention relates to a method for determining the Measurement uncertainty in geometry or length measurement.

Der Anwendungsbereich der Erfindung erstreckt sich auf Koordinaten- und Formmessgeräte mit visuellen Sensoren, unabhängig davon ob die visuellen Sensoren in ihrer Position und Orientierung variabel oder fest angeordnet sind. Beispielsweise sind Messkameras ohne zusätzliche Koordinatenachsen im Anwendungsbereich eingeschlossen, da auch diese Koordinatenmessergebnisse liefern. Die Erfindung ist aber nicht auf diesen Sensortyp beschränkt. Beispielsweise können auch die mit Weißlichtinterferometrie (WLI), konfokaler Scanning Mikroskopie (CSM) oder mit optischen Rasterscanverfahren mit Punktfokussensoren gewonnenen 2,5D-Oberflächen von Messobjekten gewonnenen Informationen dem erfindungsgemäßen Verfahren als Eingangsdaten dienen.Of the Scope of the invention extends to coordinate and shape measuring instruments with visual sensors, independent of whether the visual sensors are variable in their position and orientation or are fixed. For example, measuring cameras are without additional coordinate axes included in the scope, since these coordinate results deliver as well. The invention is but not limited to this sensor type. For example can also with white light interferometry (WLI), confocal scanning microscopy (CSM) or with optical raster scanning 2.5D surfaces obtained with point focus sensors from Information obtained measured objects the inventive Procedures serve as input data.

Industrielle Messungen der Geometrie technischer Objekte basieren auf Längenmessungen. Als Messgeräte werden Koordinaten- und Formmessgeräte eingesetzt. Diese Messgeräte weisen in der praktischen Anwendung wesentlich höhere Messunsicherheiten auf als bei deren Abnahme bzw. Kalibrierung. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Messgeräte mit visuellen Sensoren ausgestattet sind, die ein berührungsloses und damit schnelles Messen ermöglichen.industrial Measurements of the geometry of technical objects are based on length measurements. Coordinate and shape measuring devices are used as measuring devices used. These gauges are practical Application much higher uncertainties than during their acceptance or calibration. This is especially the case if the measuring instruments are equipped with visual sensors, which enable a non-contact and therefore fast measuring.

In der deutschen Übersetzung des Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement (GUM) [ DIN ENV 13005: deutsche Übersetzung des Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement (GUM) – Leitfaden zur Angabe der Unsicherheit beim Messen, 2. Auflage 1999, International Organization for Standardization (ISO), Juni 1999, Beuth Verlag Berlin ] wird gefordert, dass zu einem Messergebnis eine quantitative Angabe zur Qualität des Messergebnisses erfolgen muss, damit der Benutzer dessen Zuverlässigkeit beurteilen kann. Das Messergebnis ist lediglich eine Näherung oder ein Schätzwert des Wertes der Messgröße und erfordert die Angabe der Messunsicherheit dieses Schätzwertes. Dabei charakterisiert die Messunsicherheit allgemein die Streuung der Größenwerte, welche der Messgröße basierend auf den vorhandenen Informationen zugeordnet werden können. Der o. g. Leitfaden stellt allgemeine Regeln zur Ermittlung und Angabe der Messunsicherheit bereit. Diese können auf fast jeden Messprozess angewendet werden. Das größte Problem dabei besteht in der Entwicklung eines adäquaten mathematischen Modells der Messung zur Messunsicherheitsbewertung. Es wird von der Annahme ausgegangen, dass eine Messung bis zu dem Grad mathematisch modelliert werden muss, wie dies aufgrund der geforderten Spezifikation erforderlich ist. Zur Entwicklung des mathematischen Modells der Messung sind im Leitfaden jedoch keine spezifischen Verfahren enthalten.In the German translation of the Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement (GUM) DIN ENV 13005: German Translation of the Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement (GUM) - Guidelines for Defining Uncertainty in Fairs, 2nd edition 1999, International Organization for Standardization (ISO), June 1999, Beuth Verlag Berlin ] it is required that for a measurement result a quantitative indication of the quality of the measurement result must be made so that the user can assess its reliability. The measurement result is only an approximation or an estimate of the value of the measurand and requires the indication of the measurement uncertainty of this estimate. In general, the measurement uncertainty characterizes the scattering of the magnitude values which can be assigned to the measurand based on the available information. The above guideline provides general rules for the determination and indication of measurement uncertainty. These can be applied to almost every measurement process. The biggest problem with this is the development of an adequate mathematical model of the measurement for measurement uncertainty evaluation. It is assumed that a measurement must be mathematically modeled to the degree required by the specification required. However, the guide does not contain any specific procedures for developing the mathematical model of measurement.

Die Abnahme und Überwachung von Koordinatenmessgeräten erfolgt an kalibrierten Prüfkörpern. Dabei wird überprüft, ob die Messabweichungen innerhalb der vom Hersteller bzw. Anwender festgelegten Grenzen liegen. Die Eigenschaften der Prüfkörper, wie beispielsweise Formabweichung und Rauheit, dürfen keine nennenswerten Auswirkungen auf die zu bestimmenden Messgrößen haben.The Acceptance and monitoring of coordinate measuring machines takes place on calibrated test specimens. It is checked whether the measurement deviations are within the limits specified by the manufacturer or user Limits are. The properties of the test specimens, such as shape deviation and roughness, no allowed Significant effects on the measured quantities to be determined to have.

Zur Beurteilung der Genauigkeit von Koordinatenmessgeräten bei der Abnahme und Überwachung sind in der Richtlinie VDI/VDE 2617 Kenngrößen und Verfahren festgelegt [ VDI/VDE 2617 – Blatt 6: Genauigkeit von Koordinatenmessgeräten – Kenngrößen und deren Prüfung, Koordinatenmessgeräte mit optischer Antastung – Grundlagen, Dezember 1997; Blatt 6.1: Genauigkeit von Koordinatenmessgeräten – Kenngrößen und deren Prüfung, Koordinatenmessgeräte mit optischer Antastung, Leitfaden zur Anwendung von DIN EN ISO 10360 für Koordinatenmessgeräte mit optischen Sensoren für laterale Strukturen, Oktober 2005 und Blatt 7: Genauigkeit von Koordinatenmessgeräten – Kenngrößen und deren Prüfung, Ermittlung der Unsicherheit von Messungen auf Koordinatenmessgeräten durch Simulation, April 2006 ]. Die mit den Verfahren nach Richtlinie VDI/VDE 2617 – Blatt 6, 6.1 und 7 ermittelten Unsicherheiten beziehen sich ausschließlich auf das Messgerät in Wechselwirkung mit einem kalibrierten Normal-Messobjekt. Unsicherheitsbeiträge von realen Messobjekten werden nicht berücksichtigt. Sind bei der Messung am realen Prüfling die Formabweichung und Rauheit der Prüflingsoberfläche bzw. -kontur nicht mehr vernachlässigbar gegenüber der Antastunsicherheit, so steigt die Messunsicherheit an. Hinzu kommen weitere Einflüsse auf den Messprozess wie beispielsweise Variationen im Antastverfahren, bei der Messstrategie, dem Bediener und den Umgebungseinflüssen [ DIN ISO/TS 15530-3 Geometrische Produktspezifikation (GPS) – Verfahren zur Ermittlung der Messunsicherheit von Koordinatenmessgeräten (KMG) – Teil 3: Anwendung von kalibrierten Werkstücken oder Normalen, Mai 2005, Beuth Verlag Berlin ].To assess the accuracy of coordinate measuring machines in the acceptance and monitoring are in the Guideline VDI / VDE 2617 Characteristics and methods established [ VDI / VDE 2617 - Sheet 6: Accuracy of Coordinate Measuring Machines - Characteristics and their Testing, Coordinate Measuring Instruments with Optical Touching - Fundamentals, December 1997; Sheet 6.1: Accuracy of Coordinate Measuring Machines - Characteristics and their Testing, Coordinate Measuring Instruments with Optical Probing, Guidelines for the Application of DIN EN ISO 10360 for Coordinate Measuring Instruments with Optical Sensors for Lateral Structures, October 2005 and Sheet 7: Coordinate Measuring Machine Accuracy - Characteristics and their Testing, Determination the uncertainty of measurements on coordinate measuring machines by simulation, April 2006 ]. The with the method according to Guideline VDI / VDE 2617 - sheet 6, 6.1 and 7 Uncertainties determined relate exclusively to the measuring instrument in interaction with a calibrated normal measuring object. Uncertainty contributions from real measurement objects are not taken into account. If the form deviation and roughness of the specimen surface or contour are no longer negligible compared to the probing uncertainty in the measurement on a real specimen, the measurement uncertainty increases. In addition, there are other influences on the measuring process, such as variations in the probing method, the measuring strategy, the operator and the environmental influences [ DIN ISO / TS 15530-3 Geometrical product specification (GPS) - Method for determining the measurement uncertainty of coordinate measuring machines (CMM) - Part 3: Application of calibrated workpieces or standards, May 2005, Beuth Verlag Berlin ].

Die nach Richtlinie VDI/VDE 2617 – Blatt 6, 6.1 und 7 zu bestimmenden Antastabweichungen beziehen sich ausschließlich auf Messungen an idealen Messobjekten (Normale oder kalibrierte Werkstücke). In der industriellen Messtechnik können diese Verfahren aus Effizienzgründen nicht für jede Messaufgabe spezifisch durchgeführt werden. Die Verfahren in Richtlinie VDI/VDE 2617 – Blatt 6 und 6.1 sind somit nur für Prüfmittelfähigkeitsuntersuchungen bzw. Abnahmeprüfungen und die Prüfmittelüberwachung geeignet.The after Guideline VDI / VDE 2617 - sheet 6, 6.1 and 7 The probing deviations to be determined refer exclusively to measurements on ideal test objects (normal or calibrated workpieces). For reasons of efficiency, these methods can not be carried out specifically for every measuring task in industrial metrology. The procedures in Guideline VDI / VDE 2617 - sheet 6 and 6.1 are therefore only for Prüfmittelfähigkeitsuntersuchungen or acceptance tests and Prüfmittelüberwa suitable.

Das in DIN ISO/TS 15530-3 beschriebene Verfahren bezieht zwar Unsicherheiten des Messobjektes mit ein, setzt aber ein dem Messobjekt gleichartiges kalibriertes Referenzobjekt voraus. Weicht das Referenzobjekt von den realen Messobjekten ab, werden zusätzliche Messunsicherheiten z. B. durch variierende Material- oder Oberflächeneigenschaften geschätzt. Die Messunsicherheitsangabe ist somit anteilig subjektiv, wodurch ihre Zuverlässigkeit und Nachvollziehbarkeit nicht eindeutig gegeben ist.This in DIN ISO / TS 15530-3 Although described method involves uncertainties of the measurement object, but requires a calibrated reference object similar to the measurement object. If the reference object deviates from the real measurement objects, additional measurement uncertainties z. B. estimated by varying material or surface properties. The measurement uncertainty statement is thus proportionately subjective, which makes their reliability and traceability not clear.

Die Messunsicherheitsermittlung an Koordinatenmessgeräten mit visuellen Sensoren basiert auf Wiederholmessungen, die zusätzlich zur eigentlichen Messung durchzuführen sind. Auf diese Weise kann die Messunsicherheitsermittlung nicht automatisiert werden. Bekannte Lösungen sind daher zeit- und kostenineffizient, unzuverlässig und nicht in jedem Fall realisierbar.The Measurement uncertainty determination on coordinate measuring machines with visual sensors based on repeat measurements, in addition to perform the actual measurement. To this In this way, the measurement uncertainty determination can not be automated. Known solutions are therefore time and cost inefficient, unreliable and not always feasible.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Ermittlung der Messunsicherheit bei der Geometrie- oder Längenmessung vorzugsweise mit visuellen Sensoren an realen Messobjekten bereitzustellen.task Therefore, it is the object of the present invention to provide a method of detection the measurement uncertainty in the geometry or length measurement preferably with visual sensors to provide real measurement objects.

Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen aufgeführt.According to the invention succeeds the solution of this task with the features of the first Claim. Advantageous embodiments of the invention Method are listed in the subclaims.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The Invention will become more apparent in the following with reference to drawings explained. Show it:

1 – Ishikawa-Diagramm der Einflüsse auf das Messergebnis des Antastprozesses 1 - Ishikawa diagram of influences on the measurement result of probing process

2 – erfindungsgemäßer Verfahrensablauf 2 - Process flow according to the invention

Verfahren zur Prüfung der Genauigkeit von Koordinatenmessgeräten mit visuellen Sensoren sind in VDI/VDE 2617 – Blatt 6.1 definiert. Visuelle Sensoren sind Sensoren, die zur Bestimmung von Messpunkten die Intensitätsverteilung des optisch abgebildeten Messobjekts/Werkstückes in der Bildebene auswerten. Hierzu zählen auch Kameras mit elektronischen Bildsensoren.Methods for checking the accuracy of coordinate measuring machines with visual sensors are known in VDI / VDE 2617 - sheet 6.1 Are defined. Visual sensors are sensors that evaluate the intensity distribution of the optically imaged object to be measured / measured in the image plane for the determination of measurement points. These include cameras with electronic image sensors.

Teil des Messprozesses mit einem Koordinatenmessgerät ist der Antastprozess mit dem Tastsystem. Dabei werden durch Wechselwirkung zwischen Tastsystem und der Oberfläche des Prüflings die Koordinaten des Antastpunktes gewonnen. Durch Kalibrierung werden systematische Abweichungen zwischen gemessenem und tatsächlichem Antastpunkt ermittelt und berücksichtigt. Das verbleibende zufällige Abweichungsverhalten des Messsystems, bestehend aus Koordinatenmessgerät und Tastsystem, wird durch die Antastunsicherheit beschrieben. Für zweidimensional antastende Tastsysteme, wie beispielsweise visuelle Sensoren ist die zweidimensionale Antastunsicherheit R2 zu bestimmen. Diese ist definiert über die Spanne der radialen Abweichungen zwischen dem nach der Methode der kleinsten Fehlerquadratsumme rechnerisch ermittelten Kreis und den Antastpunkten. Zur Bestimmung der zweidimensionalen Antastunsicherheit werden Verkörperungen von Kreisen, wie beispielsweise Lehrringe und kreisförmige Chromschichten auf Glassubstraten als kalibrierte Normale verwendet.Part of the measuring process with a coordinate measuring machine is the probing process with the touch probe. In this case, the coordinates of the touch point are obtained by interaction between the touch probe and the surface of the specimen. Calibration determines and takes account of systematic deviations between measured and actual probing points. The remaining random deviation behavior of the measuring system consisting of the coordinate measuring machine and the touch probe is described by the probing uncertainty. For two-dimensional probing probing systems, such as visual sensors, the two-dimensional probing uncertainty R 2 is to be determined. This is defined by the range of the radial deviations between the circle calculated by the method of least squares and the probing points. For the determination of the two-dimensional probing uncertainty, embodiments of circles, such as teaching rings and circular chromium layers on glass substrates are used as calibrated normals.

Antastabweichungen entstehen bei visuellen Sensoren hauptsächlich durch Messobjekteigenschaften wie z. B. Höhenausdehnung, Oberflächenbeschaffenheit und Beschaffenheit der anzutastenden Kante. Die Größe der Antastabweichung wird wesentlich von der Art (Durchlicht, Auflicht), der Richtung und der Apertur der Beleuchtung sowie durch die Eigenschaften des optischen Abbildungssystems bestimmt. Bei der Erfassung von Strukturkanten ist deren räumliche Ausprägung von entscheidender Bedeutung, da von ihr ganz wesentlich die Wahl der zweckmäßigen Beleuchtung und damit die Eigenschaften des Bildes auf dem Sensor abhängen.Probing deviations arise in visual sensors mainly by measurement object properties such as B. Height expansion, surface texture and texture of the edge to be touched. The size the probing deviation is essentially of the type (transmitted light, reflected light), the direction and the aperture of the lighting as well as the characteristics of the optical imaging system. When capturing Structural edges are their spatial characteristics of crucial importance, because of her very essential choice the appropriate lighting and thus the characteristics depend on the image on the sensor.

Durch die Antastabweichung wird das Abweichungsverhalten des Gesamtsystems, bestehend aus Koordinatenmessgerät, visuellem Sensor und eventuellen Zusatzeinrichtungen (z. B. Beleuchtung, Dreh-/Schwenk-Gelenke) in einem sehr kleinen Messvolumen beschrieben [ VDI/VDE 2617 – Blatt 6.1 ]. Die Größe der Antastabweichung wird von den Antastabweichungen des Koordinatenmessgerätes und in besonderem Maße von den Antastabweichungen des visuellen Sensors einschließlich des optischen Abbildungssystems und des Beleuchtungssystems bestimmt (z. B. Rauschen, Digitalisierungsfehler, Abbildungsfehler, optische Wechselwirkungen mit der Oberfläche des Prüfkörpers, Einmessfehler des Sensors, unzureichende Algorithmen in der Messwertverarbeitung).The deviation from the deviation describes the deviation behavior of the complete system, consisting of the coordinate measuring machine, the visual sensor and any additional equipment (eg lighting, rotary / pivot joints) in a very small measuring volume [ VDI / VDE 2617 - sheet 6.1 ]. The size of the probing deviation is determined by the probing deviations of the coordinate measuring machine and in particular by the probing deviations of the visual sensor including the optical imaging system and the illumination system (eg noise, digitization errors, aberrations, optical interactions with the surface of the specimen, calibration error of the sensor , insufficient algorithms in the measurement processing).

Neben der bisher üblichen Aufgabe visueller Sensoren, die berührungslose Antastung des Messobjektes zu realisieren, werden im erfindungsgemäßen Verfahren die visuellen Sensoren darüber hinaus für die Gewinnung von Informationen über das Messobjekt und über die Bedingungen in der Antastumgebung herangezogen. Aus den Bildinformationen in der Nähe des Antastpunktes werden einerseits Messobjekteigenschaften (beispielsweise sauber oder verschmutzt; Analyse der Formabweichung und Rauheit) und andererseits die Bildqualität (beispielsweise hell, kontrastreich, homogen) bewertet.Next the usual task of visual sensors, the non-contact To realize probing of the measurement object are in the invention In addition, the visual sensors for the extraction of information about the measurement object and about the conditions used in the probing environment. From the picture information on the one hand, measuring object properties are near the touch point (eg clean or dirty, analysis of the shape deviation and roughness) and, on the other hand, image quality (e.g. bright, high-contrast, homogeneous).

Die Erfindung wird am Beispiel eines visuellen Sensors auf der Basis einer Kamera mit elektronischem Bildsensor nachfolgend erläutert.The invention is the example of a visuel len sensor based on a camera with electronic image sensor explained below.

Das durch die Kamera mit elektronischem Bildsensor erzeugte Bild, welches zur Ermittlung des Wertes der Messgröße (Antastpunkt) herangezogen wird, enthält einerseits die geometrische Information über Lage und Verlauf der Messobjektstrukturübergänge. Zu diesen Strukturübergängen zählen folgende optisch wirksame Grenzübergänge:

  • – Körperkanten (geometrische Ausprägung),
  • – Grenzlinien zwischen Materialübergängen (Materialausprägung)
  • – Grenzlinien zwischen Farbübergängen (spektrale Ausprägung),
  • – Grenzlinien zwischen Oberflächen unterschiedlicher Profilierung, beispielsweise unterschiedlicher Rauheit (Oberflächenausprägung).
The image generated by the camera with an electronic image sensor, which is used to determine the value of the measured variable (touch point), on the one hand contains the geometric information about the position and course of the measured object structure transitions. These structural transitions include the following optically effective border crossings:
  • - body edges (geometric shape),
  • - boundary lines between material transitions (material characteristics)
  • - borderlines between color transitions (spectral expression),
  • - Boundary lines between surfaces of different profiling, for example different roughness (surface characteristics).

Wie in 1 dargestellt sind zusätzlich entsprechend der optischen Superpositionseigenschaft wirksame Effekte weiterer Einflüsse auf den Antastprozess im Bild vorhanden.As in 1 In addition, according to the optical superposition property, effective effects of further influences on the probing process are shown in the image.

Messabweichungen durch Positionierung, Temperaturgradienten, Auflösung des elektronischen Bildsensors und Abweichungen durch nicht korrigierbare Verzeichnung sind nach GUM separat zu erfassen und führen zur Erhöhung des auf der Grundlage des Grauwertbildes ermittelten Messunsicherheitswertes. Vibrationen können durch die Aufnahme von Bildserien erfasst und nach deren Auswertung quantifiziert werden.measurement deviations by positioning, temperature gradients, resolution of the electronic image sensor and deviations by uncorrectable Distortion is to be recorded separately according to GUM to increase the determined on the basis of the gray value image Uncertainty value. Vibrations can be absorbed by the recording be captured by image series and quantified after their evaluation.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren erfolgt eine Bewertung der Gesamtwirkung im Bild, die einerseits durch das Messobjekt und andererseits durch Einflüsse des Antastprozesses verursacht werden.By the method according to the invention is evaluated the overall effect in the picture, on the one hand by the measuring object and on the other hand caused by influences of the probing process become.

Das erfindungsgemäße Verfahren teilt sich auf in eine „Voruntersuchung” und die „aktuelle Messung” während des Messprozesses (2).The method according to the invention is divided into a "preliminary examination" and the "current measurement" during the measuring process ( 2 ).

Bei der „Voruntersuchung” werden anhand von Wiederholmessungen Standardmessunsicherheiten ermittelt. Gleichzeitig werden Qualitätsparameter nach einem nachfolgend beschriebenen schrittweisen Verfahren ermittelt.at The "preliminary examination" will be based on repeat measurements Standard measurement uncertainties determined. At the same time quality parameters determined according to a stepwise procedure described below.

Die Standardmessunsicherheiten werden zugeordnet zu den Qualitätsparametern abgelegt. Sukzessive wird durch weitere Wiederholmessungen unter praxisrelevanten Bedingungen eine Wissensbasis aufgebaut.The Standard measurement uncertainties are assigned to the quality parameters stored. Successive will be by further repetition measurements under practice-relevant conditions a knowledge base.

Bei der „aktuellen Messung” während des Messprozesses werden nur noch die Qualitätsparameter berechnet. Die Messunsicherheit wird entsprechend der Zuordnung zum Qualitätsparameter aus der Wissensbasis ausgewählt.at the "current measurement" during the measurement process only the quality parameters are calculated. The measurement uncertainty becomes according to the assignment to the quality parameter selected from the knowledge base.

Die Bestimmung der Qualitätsparameter erfolgt sowohl bei der „Voruntersuchung” als auch bei der „aktuellen Messung” in verschiedenen Schritten. Dazu wird in einem ersten Schritt der Antastprozess bewertet. Hierzu wird mit einem Suchverfahren im Bild unter Verwendung eines Kantenortkriteriums zunächst der Kantenort (Kanten- oder Strukturübergang) bestimmt. Zur Bewertung der Güte des Kantenortes werden direkte Qualitätsparameter (dQP) definiert, die ausschließlich aus den Bildinformationen eines einzelnen Suchstrahls abgeleitet werden. Zu den direkten Qualitätsparametern (dQP) zählen beispielsweise:

  • – Intensität,
  • – Kontrast,
  • – Kantensteilheit,
  • – Symmetrie des Kantenübergangs,
  • – Rauschen (beidseitig des Kantenübergangs und im Übergangsgebiet),
  • – Farbübergang (sowie weitere spektrale Änderungen am Kantenübergang),
  • – Ansprechqualität (Güte) des verwendeten Kantanortkriteriums.
The determination of the quality parameters takes place both during the "preliminary examination" and during the "current measurement" in various steps. For this purpose, the probing process is evaluated in a first step. For this purpose, the edge location (edge or structure transition) is first determined using a search method in the image using an edge location criterion. To evaluate the quality of the edge location, direct quality parameters (dQP) are defined, which are derived exclusively from the image information of a single search beam. The direct quality parameters (dQP) include, for example:
  • - intensity,
  • - contrast,
  • Edge slope,
  • - symmetry of the edge transition,
  • - noise (both sides of the edge transition and in the transition area),
  • - color transition (and other spectral changes at the edge transition),
  • - Quality of response (quality) of the Kantanort criterion used.

Im zweiten Schritt erfolgt eine Bewertung der Güte des Kantenortes entlang des Konturverlaufs (Strukturübergangs) an benachbarten Antastpunkten, für die jeweils die direkten Qualitätsparameter (dQP) bestimmt und deren Variabilität ermittelt werden.in the second step is an evaluation of the quality of the edge location along the contour path (structure transition) to adjacent ones Probing points, for each of which the direct quality parameters (dQP) determined and their variability are determined.

Für jeden so ermittelten direkten Qualitätsparameter (dQP) werden mittelbare Qualitätsparameter (mQP) abgeleitet. Es ist auch möglich, weitere mittelbare Qualitätsparameter (mQP) aus den direkten Qualitätsparametern (dQP) zu bilden, indem die zeitliche Variabilität durch Aufnahme von Bildserien genutzt wird.For every direct quality parameter determined in this way (dQP) indirect quality parameters (mQP) are derived. It is also possible to have further indirect quality parameters (mQP) from the direct quality parameters (dQP), by using the temporal variability by taking picture series becomes.

Zu den mittelbaren Qualitätsparametern (mQP) zählen beispielsweise:

  • – örtliche Homogenität der direkten Qualitätsparameter (dQP) entlang des Konturverlaufs,
  • – zeitliche Homogenität der direkten Qualitätsparameter (dQP) entlang der Einzelbilder einer zeitversetzten Bildfolge.
The indirect quality parameters (mQP) include, for example:
  • Local homogeneity of the direct quality parameters (dQP) along the contour,
  • Temporal homogeneity of the direct quality parameters (dQP) along the individual images of a time-shifted image sequence.

In einem optionalen dritten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, unter Einbeziehung der Kenntnis über die erwartete Form des Messobjektes bzw. dessen erwarteten Konturverlauf und den weiteren Antastpunkten in der Umgebung des gewünschten Antastortes, mit Hilfe von Geometriequalitätsparametern (gQP) Aussagen über die Qualität der lokalen Messobjektgeometrie abzuleiten. Dazu gehören beispielsweise:

  • – lokale Abweichungen von der Regelgeometrie,
  • – lokale Formabweichungen,
  • – lokale Verunreinigungen,
  • – Richtung der erwarteten Kantenübergänge.
In an optional third step of the method according to the invention, it is possible, taking into account the knowledge of the expected shape of the measurement object or its expected contour and the other probing points in the vicinity of the desired Antastortes, using geometry quality parameters (gQP) statements about the quality of derive local measurement object geometry. These include, for example:
  • - local deviations from the rule geometry,
  • - local form deviations,
  • - local impurities,
  • - Direction of the expected edge transitions.

Das erfindungsgemäße Verfahren bezieht sich im ersten und zweiten Schritt der Bewertung der lokalen Umgebung des Kantenortes im Bild auf Kantenparameter, wie sie z. B. in der DE 10 2007 003 060.8 beschrieben worden sind. Die Bestimmung von Geometriequalitätsparametern im dritten Schritt geht über die Nutzung der Kantenparameter hinaus und erweitert den Nutzeffekt der Erfindung beträchtlich.The method according to the invention in the first and second step of the evaluation of the local environment of the edge location in the image refers to edge parameters, as described, for example, in US Pat. B. in the DE 10 2007 003 060.8 have been described. The determination of geometry quality parameters in the third step goes beyond the use of the edge parameters and greatly expands the utility of the invention.

Nachfolgend werden erfindungsgemäß die analysierten direkten und mittelbaren Qualitätsparameter (dQP, mQP) und/oder die Geometriequalitätsparameter (gQP) unter Nutzung eines induktiven Inferenzverfahrens zu einer Gesamtqualitätsgröße (gQ) verdichtet. Aus dieser Gesamtqualitätsgröße (gQ) werden im letzten Verfahrensschritt Messunsicherheitsangaben (ux, uy) eines 2D-Antastpunktes abgeleitet. Dabei wird auf die Wissensbasis zugegriffen, die anhand der Voruntersuchungen aufgebaut worden ist. Die zum Qualitätsparameter zugeordnete Messunsicherheit wird als beste Schätzung angenommen.In the following, according to the invention, the analyzed direct and indirect quality parameters (dQP, mQP) and / or the geometry quality parameters (gQP) are compressed to an overall quality variable (gQ) using an inductive inference method. From this overall quality variable (gQ), in the last method step measurement uncertainty data (u x , u y ) of a 2D touch point are derived. In doing so, access is made to the knowledge base that has been built up on the basis of the preliminary investigations. The measurement uncertainty assigned to the quality parameter is assumed to be the best estimate.

Das Gesamtverfahren, bestehend aus den oben erläuterten Schritten, ermöglicht das automatisierte Abschätzen der Messunsicherheit im Antastprozess mit visuellen Sensoren. Es stellt damit die Grundlage dar, um bei komplexen Messaufgaben, beispielsweise Kombinationen aus mehreren Geometrieelementen, mit weiteren Schätzverfahren auch die Einflüsse des gesamten Messprozesses auf den Messwert zu bewerten. Dazu sind die ermittelten Messunsicherheiten von 2D-Antastpunkten unter Berücksichtigung der Antast- und Messstrategie weiter fortzupflanzen.The Overall method, consisting of the steps explained above, enables automated estimation of measurement uncertainty in the touch process with visual sensors. It thus provides the basis for complex measurement tasks, such as combinations from several geometric elements, with further estimation methods also the influences of the entire measuring process on the measured value to rate. These are the determined uncertainties of 2D probing points continue to propagate taking into account the probing and measuring strategy.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist erstmalig eine Aussage über die Messunsicherheit eines Koordinatenpunktes bei Messungen mit visuellen Sensoren (beispielsweise Koordinatenmessgeräten mit elektronischen Bildsensoren) möglich, ohne im eigentlichen Messprozess aufwendige Wiederholmessungen an Referenzobjekten durchführen zu müssen. Diese aufwendigen Wiederholmessungen wurden in die Voruntersuchungen verlagert.With the method of the invention is the first time a statement about the measurement uncertainty of a coordinate point for measurements with visual sensors (for example, coordinate measuring machines with electronic image sensors) possible without the actual Measuring process perform complex repeat measurements on reference objects to have to. These elaborate repeat measurements were relocated to the preliminary investigations.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist universell anzuwenden und demzufolge unabhängig vom Messobjekt. Im Gegensatz zur Ermittlung der Messunsicherheit gemäß GUM, wo eine Analysierung und Messunsicherheitsbewertung aller Einflüsse auf den Messprozess gefordert wird, beinhaltet das erfindungsgemäße Verfahren die Bewertung der Bildqualität am ermittelten Kantenort. Die Ursachen der Abweichungen werden dabei vorrangig nicht untersucht, stattdessen wird deren Wirkung anhand ausgewählter Kantenparameter im Grauwertbild analysiert. Im Ergebnis erfolgt die Angabe der Messunsicherheit für einen 2D-Antastpunkt automatisierbar und ohne zusätzlichen Messaufwand.The inventive method is universally applicable and therefore independent of the measurement object. In contrast to determine the measurement uncertainty according to GUM, where an analysis and measurement uncertainty assessment of all influences is required on the measuring process, includes the inventive Method the evaluation of image quality at the determined Edge location. The causes of the deviations are given priority not examined, instead their effect is based on selected Edge parameters analyzed in the gray value image. The result is the indication of the measurement uncertainty for a 2D touch point automatable and without additional measuring effort.

Durch das neuartige Verfahren werden Voraussetzungen für die Angabe eines vollständigen Messergebnisses, bestehend aus bestem Schätzwert und erweiterter Messunsicherheit, wie in GUM gefordert, für praxisrelevante Messungen an realen Messobjekten geschaffen.By The novel procedure will be prerequisites for the Specification of a complete measurement result, consisting of best estimate and extended measurement uncertainty, such as in GUM, for practically relevant measurements on real measuring objects created.

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Claims (5)

Verfahren zur Ermittlung der Messunsicherheit bei der Geometriemessung mit Koordinaten- oder Formmessgeräten vorzugsweise mit visuellen Sensoren umfassend folgende Schritte: – Erfassung der Informationen vom Sensor; – Bestimmung von Kantenorten eines Messobjektes unter Verwendung eines Kantenortkriteriums; – Ermittlung von direkten Qualitätsparametern (dQP) und mittelbaren Qualitätsparametern (mQP) zur Bewertung der Güte des Kantenortes, wobei die direkten Qualitätsparameter (dQP) aus den Informationen zu einem einzelnen Antastpunkt und die unmittelbaren Qualitätsparameter (mQP) aus den direkten Qualitätsparametern (dQP) mehrerer entlang des Kantenortes benachbarter Antastpunkte abgeleitet werden; – Ermittlung einer Gesamtqualitätsgröße (gQ) aus der Gesamtheit der direkten und mittelbaren Qualitätsparameter (QP) unter Nutzung eines induktiven Inferenzverfahrens und – Bestimmung der Messunsicherheit durch Auswahl einer Standardmessunsicherheit aus einer Wissensbasis entsprechend der Gesamtqualitätsgröße (gQ), wobei die Wissensbasis in einer Voruntersuchung, bei der Standardmessunsicherheiten und dazugehörige Qualitätsparameter (QP) aus Wiederholmessungen ermittelt wurden, aufgebaut wurde.Method for determining the measurement uncertainty Geometry measurement with coordinate or shape measuring instruments preferably with visual sensors comprising the following steps: - Capture the information from the sensor; - Determination of edge locations a measurement object using an edge location criterion; - Detection of direct quality parameters (dQP) and indirect ones Quality parameters (mQP) for the evaluation of the quality the edge location, with the direct quality parameters (dQP) from the information about a single touch point and the immediate quality parameters (mQP) from the direct Quality parameters (dQP) of several along the edge location derived adjacent probing points; - Detection a total quality variable (gQ) from the Totality of direct and indirect quality parameters (QP) using an inductive inference method and - Determination the measurement uncertainty by selecting a standard measurement uncertainty from a knowledge base according to the overall quality size (gQ), where the knowledge base in a preliminary study, the standard measurement uncertainties and associated quality parameters (QP) from repeat measurements were established. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass in einem zusätzlichen Verfahrensschritt die Qualität der lokalen Messobjektgeometrie mit einem Geometriequalitätsparameter (gQP) bewertet wird, der bei der Ermittlung der Gesamtqualitätsgröße (gQ) berücksichtigt wird.Method according to claim 1, characterized that in an additional process step the quality the local metric geometry with a geometry quality parameter (gQP) used in determining the overall quality size (gQ) is taken into account. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Kantenorte des Messobjektes Kantenübergänge in Intensitätsbildern oder Farbübergänge in Farbbildern oder Höhensprünge oder Unstetigkeitsstellen von 2,5D-Oberflächenbildern sein können.Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that the edge locations of the measurement object edge transitions in intensity images or color transitions in color pictures or height jumps or discontinuities of 2.5D surface images. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass über Rückinformationen aus den ermittelten Qualitätsparametern (QP) die ermittelte Messunsicherheit reduzierbar ist.Method according to one of claims 1 to 3 characterized in that via feedback determined from the determined quality parameters (QP) Measurement uncertainty is reducible. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass es automatisiert abläuft.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that it runs automatically.
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