DE102010029110A1

DE102010029110A1 - Kalibrierverfahren und Kalibriervorrichtung

Info

Publication number: DE102010029110A1
Application number: DE102010029110A
Authority: DE
Inventors: Bingyan West Sacramento Zhao; Xiaodong West Sacramento Tian; Zhe West Sacramento Jin; Vijay West Sacramento Srivatsan
Original assignee: Mori Seiki Co Ltd
Current assignee: DMG Mori Co Ltd
Priority date: 2009-05-29
Filing date: 2010-05-19
Publication date: 2010-12-02
Also published as: JP5606786B2; JP2010276603A; US8310539B2; US20100302366A1

Abstract

Die Kalibriervorrichtung 1 ist in einer Werkzeugmaschine 50 angeordnet und bietet: ein Bildaufnahmeobjektmaterial 10 mit einem Kalibriermuster 14, das einen Kennzeichnungspunkt enthält und an der Spindel 55 angebracht ist, Rechnerteile 22, 23 für zweidimensionale Koordinaten, welche die zweidimensionalen Koordinaten von Kennzeichnungspunkten basierend auf den zweidimensionalen Bilddaten berechnen, die von den Bildern des Kalibriermusters 14 erzeugt werden, die in mannigfaltigen Bewegungspositionen der Spindel 55 durch die CCD-Kamera 58 aufgenommen wurden, einen Rechnerteil 24 für dreidimensionale Koordinaten, der die dreidimensionalen Koordinaten der Kennzeichnungspunkte berechnet, die jeder Bewegungsposition der Spindel 55 entsprechen, und einen Parameterrechnerteil, der die intrinsischen Parameter und extrinsischen Parameter der CCD-Kamera 58 basierend auf den zweidimensionalen Koordinaten und dreidimensionalen Koordinaten in jeder Bewegungsposition der Spindel 55 berechnet.

Description

Technisches Fachgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kalibrierverfahren und eine Kalibriervorrichtung, wobei die intrinsischen und extrinsischen Parameter eines Mittels zum Aufnehmen von Bildern in einer Werkzeugmaschine berechnet werden, die ein eingebautes Bildaufnahmegerät aufweist, das Bilder eines vorkonfigurierten Gegenstandes aufnimmt und zweidimensionale Daten erzeugt.
Hintergrund der Technik
Auf dem Gebiet der Werkzeugmaschinen werden in letzter Zeit Werkzeugmaschinen mit CCD-Kameras ausgerüstet, die Bilder von einem bestimmten Gegenstand aufnehmen (beispielsweise Werkstücken, Befestigungen, Tischen, Werkzeugen usw.), zweidimensionale Daten erzeugen und basierend auf den durch diese CCD-Kameras erzeugten zweidimensionalen Daten Tätigkeiten ausführen, wie dreidimensionales Messen, Erzeugen dreidimensionaler Daten, Rückmelden der korrekten Anordnung von Werkstücken und Überprüfen auf Kollisionen von Werkzeug und Werkstück.
Zur Durchführung dieser Prozesse mit einem hohen Grad an Genauigkeit muss daher ein Kalibrierprozess durchgeführt werden, um im Voraus genaue Kameraparameter für die CCD-Kamera zu ermitteln. Außerdem umfassen die Kameraparameter intrinsische Parameter, die für die Kamera spezifisch sind und extrinsische Parameter, welche den Einbauort der Kamera und die Lage in dem globalen Koordinatensystem aufzeigen.
Zur Ermittlung dieser Kameraparameter wird herkömmlich üblicherweise eine Kalibriertafel verwendet, die an ihrer Oberseite ein schachbrettartiges Kalibriermuster aufweist, und die in diesem Dokument vorgeschlagene Erfindung ist eine andere Art als das herkömmliche Kalibrierverfahren, das dieses schachbrettartige Kalibriermuster verwendet.
Ein Beispiel dieses Prozesses ist: Aufnehmen des Bildes des Kalibriermusters der Kalibriertafel mit der CCD-Kamera, Erzeugen zweidimensionaler Daten und basierend auf den erzeugten zweidimensionalen Daten, Extrahieren der Gitterpunkte des schachbrettartigen Musters, welche die Kennzeichnungspunkte des Kalibriermusters sind, und Berechnen der zweidimensionalen Koordinaten. Die intrinsischen und extrinsischen Parameter werden basierend auf den berechneten zweidimensionalen Koordinaten der Gitterpunkte und der dreidimensionalen Koordinaten (dreidimensionale Koordinaten in dem globalen Koordinatensystem) der Gitterpunkte berechnet, die in dem vorher festgelegten Gebiet der Anordnung der Kalibriertafeln auftreten. Außerdem muss das Bild des Kalibriermusters durch Ändern der Anordnung der Kalibriertafel aus vielen verschiedenen Richtungen aufgenommen werden.
Zusätzliche Informationen über das obige Kalibrierverfahren werden in anderen Dokumenten wie der Japanischen ungeprüften Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2005-250628 aufgezeigt.
Kurzfassung der Erfindung
Technische Problemstellung
Das obige Kalibrierverfahren hat jedoch die folgenden Schwierigkeiten. Die Bedienungsperson muss nämlich die dreidimensionalen Koordinaten der Gitterpunkte des Kalibriermusters in dem Koordinatensystem der Werkzeugmaschine im Voraus kennen, die Kalibriertafeln so anordnen, dass die dreidimensionalen Koordinaten der Gitterpunkte auf festgelegten Koordinaten liegen, und nachdem die Kalibriertafel angeordnet ist, die dreidimensionalen Koordinaten der Gitterpunkte messen. Es besteht eine Grenze der Genauigkeit, mit der die Bedienungsperson die Kalibriertafel anordnen kann und der Genauigkeit, mit der die dreidimensionalen Koordinaten der Gitterpunkte gemessen werden können, daher können die intrinsischen und extrinsischen Parameter nicht genau berechnet werden. Außerdem sind das Anordnen der Kalibriertafel an festgelegten Stellen und das Messen der dreidimensionalen Koordinaten der Gitterpunkte außerordentlich schwierig.
Außerdem ist es schwierig, die Kalibriertafel in der Maschine genau anzuordnen und die dreidimensionalen Koordinaten jedes Gitterpunkts genau zu messen, nachdem die Kalibriertafel in der Maschine angeordnet ist, daher werden die intrinsischen und extrinsischen Parameter der CCD-Kamera ebenfalls unter Verwendung des folgenden Verfahrens berechnet. Zuerst werden die intrinsischen Parameter der CCD-Kamera basierend auf den zweidimensionalen Koordinaten der Gitterpunkte berechnet, die aus den zweidimensionalen Bilddaten des Kalibriermusters und den dreidimensionalen Koordinaten jedes der Gitterpunkte berechnet wurden, die in dem Koordinatensystem der Kalibriertafel liegen. Als Nächstes nimmt die CCD-Kamera die Bilder von verschiedenen Teilen der Struktur auf, welche die Werkzeugmaschine als Kennzeichnungspunkte bilden, und die zweidimensionalen Koordinaten werden für alle Punkte berechnet. Dann werden die extrinsischen Parameter der CCD-Kamera basierend auf den berechneten zweidimensionalen Koordinaten und den dreidimensionalen Koordinaten jedes der Kennzeichnungspunkte im Koordinatensystem der Werkzeugmaschine berechnet. Wenn dieses Verfahren angewendet wird, ist es jedoch unmöglich, die intrinsischen und extrinsischen Parameter in einem Schritt zu berechnen.
Nebenbei ist es im Inneren einer Werkzeugmaschine nicht sehr hell, daher enthalten die zweidimensionalen Bilddaten, die durch Aufnehmen des Bildes der in die zuvor erwähnte Werkzeugmaschine eingebauten Kalibriertafel erhalten werden, viele Verzerrungen und diese Verzerrungen machen es schwierig, jeden der Gitterpunkte genau zu extrahieren. Bedingt durch Gründe wie diese können die intrinsischen und extrinsischen Parameter nicht genau berechnet werden.
Wenn die Gitterpunkte zahlreich sind, ist es ein zusätzliches Problem, dass das Kalibriermuster kompliziert wird und außerdem die Lage jedes Gitterpunktes genau konfiguriert werden muss. Daher wird das Erstellen der Kalibriertafel kostspielig.
Die Erfindung zieht die obigen Ergebnisse in Betracht und benutzt ein einfaches Kalibriermuster. Das Ziel der Erfindung in dieser Anmeldung ist es, ein Kalibrierverfahren und eine Kalibriervorrichtung zu schaffen, die in einem kurzen Zeitraum einfach und genau kalibrieren können.
Lösung des Problems
Zwecks Erreichung des obigen Ziels betrifft die vorliegende Erfindung ein Kalibrierverfahren zum Berechnen von intrinsischen Parameter und extrinsischen Parameter eines Bildaufnahmemittels für eine Werkzeugmaschine, wobei die Werkzeugmaschine umfasst: einen bewegbaren Hauptteil, eine Vorschubanordnung zum Antreiben und Bewegen des bewegbaren Hauptteils, ein Steuergerät zum Steuern der Bewegung der Vorschubanordnung, und ein an der Werkzeugmaschine vorgesehenes Bildaufnahmemittel zum Aufnehmen eines Bildes eines vorkonfigurierten Gegenstandes und Erzeugen der zweidimensionalen Bilddaten, wobei das Kalibrierverfahren umfasst:
einen Anbauprozess, in dem ein Bildaufnahmeobjektmaterial, das ein Kalibriermuster einschließlich eines Kennzeichnungspunkts aufweist, an dem bewegbaren Hauptteil befestigt wird,
einen Bildaufnahmeprozess, in dem die Vorschubanordnung den bewegbaren Hauptteil bewegt und das Bildaufnahmemittel Bilder des Kalibriermusters in verschiedenen Bewegungspositionen aufnimmt und zweidimensionale Bilddaten erzeugt,
einen Berechnungsprozess zweidimensionaler Koordinaten, bei dem basierend auf den zweidimensionalen Bilddaten des Kalibriermusters, die durch den Bildaufnahmeprozess für jede Bewegungsposition des bewegbaren Hauptteils erzeugt wurden, die Kennzeichnungspunkte bei jedem zweidimensionalen Bild extrahiert und die zweidimensionalen Koordinaten berechnet werden,
einen Berechnungsprozess dreidimensionaler Koordinaten, bei dem das Steuergerät die Bewegungspositionen des bewegbaren Hauptteils sendet, wenn die Bilder des Kalibriermusters in dem Bildaufnahmeprozess aufgenommen werden, und basierend auf den empfangenen Bewegungspositionen und der Lage der Kennzeichnungspunkte für den Hauptteil die dreidimensionalen Koordinaten für jeden Kennzeichnungspunkt berechnet werden, der jeder Bewegungsposition des bewegbaren Hauptteils entspricht, und
einen Parameterberechnungsprozess, bei dem die intrinsischen und extrinsischen Parameter des Bildaufnahmemittels basierend auf den zweidimensionalen Koordinaten und den dreidimensionalen Koordinaten für jede Bewegungsposition des bewegbaren Hauptteils berechnet werden, die sowohl durch den Berechnungsprozess zweidimensionaler Koordinaten als auch den Berechnungsprozess dreidimensionaler Koordinaten berechnet wurden.
Das Kalibrierverfahren kann durch die folgende Kalibriervorrichtung vorteilhaft angewendet werden.
Und zwar ist diese Kalibriervorrichtung eine Kalibriervorrichtung zum Berechnen intrinsischer Parameter und extrinsischer Parameter eines Bildaufnahmemittels, das an einer Werkzeugmaschine vorgesehen ist, wobei die Werkzeugmaschine umfasst:
einen bewegbaren Hauptteil,
eine Vorschubanordnung zum Antreiben und Bewegen des bewegbaren Hauptteils,
ein Steuergerät zum Steuern der Bewegung der Vorschubanordnung, und
ein für die Werkzeugmaschine vorgesehenes Bildaufnahmemittel zum Aufnehmen eines Bildes eines vorkonfigurierten Gegenstandes und Erzeugen der zweidimensionalen Bilddaten, wobei die Kalibriervorrichtung umfasst:
ein Bildaufnahmeobjektmaterial, das ein Kalibriermuster einschließlich eines Kennzeichnungspunkts aufweist und an dem bewegbaren Hauptteil befestigt ist, wobei es das Kalibriermuster ist, dessen Bilder durch das Bildaufnahmemittel in verschiedenen Bewegungspositionen des bewegbaren Hauptteils aufgenommen werden,
Berechnungsmittel für zweidimensionale Koordinaten, worin basierend auf den zweidimensionalen Bilddaten, die aus den durch das Bildaufnahmemittel in verschiedenen Bewegungspositionen des bewegbaren Hauptteils aufgenommenen Bildern des Kalibriermusters erzeugt wurden, die Kennzeichnungspunkte bei jedem zweidimensionalen Bild extrahiert und die zweidimensionalen Koordinaten berechnet werden,
ein Berechnungsmittel für dreidimensionale Koordinaten, bei dem das Steuergerät die Bewegungspositionen des bewegbaren Hauptteils sendet, wenn die Bilder des Kalibriermusters durch das Bildaufnahmemittel aufgenommen werden, und basierend auf den empfangenen Bewegungspositionen und der Lage der Kennzeichnungspunkte für den bewegbaren Hauptteil die dreidimensionalen Koordinaten für jeden Kennzeichnungspunkt berechnet werden, der jeder Bewegungsposition des bewegbaren Hauptteils entspricht, und
ein Parameterberechnungsmittel, in dem basierend auf den zweidimensionalen Koordinaten und den dreidimensionalen Koordinaten für jede Bewegungsposition des bewegbaren Hauptteils, die jeweils durch das Berechnungsmittel zweidimensionaler Koordinaten und das Berechnungsmittel dreidimensionaler Koordinaten berechnet wurden, die intrinsischen und extrinsischen Parameter des Bildaufnahmemittels berechnet werden.
Gemäß dieser Kalibriervorrichtung wird zuerst das Bildaufnahmeobjektmaterial an dem bewegbaren Hauptteil befestigt. Dieses Bildaufnahmeobjektmaterial weist ein Kalibriermuster auf, das einen Kennzeichnungspunkt enthält. Wenn die Werkzeugmaschine ein Bearbeitungszentrum ist, könnte zudem ein Beispiel des bewegbaren Hauptteils die Spindel oder der Tisch sein, und wenn die Werkzeugmaschine eine Drehmaschine ist, könnte ein Beispiel des bewegbaren Hauptteils ein Revolverkopf sein, aber der bewegbare Hauptteil ist nicht speziell auf diese Beispiele beschränkt.
Als Nächstes bewegt die Vorschubanordnung den bewegbaren Hauptteil und gleichzeitig werden durch das Bildaufnahmemittel in verschiedenen Bewegungspositionen des bewegbaren Hauptteils Bilder des Kalibriermusters aufgenommen und zweidimensionale Daten erzeugt. Außerdem kann das Aufnehmen des Bildes des Kalibriermusters in jeder Bewegungsposition durchgeführt werden, wo der bewegbare Hauptteil in vielfache Bewegungspositionen bewegt wird, so dass die Bewegung des bewegbaren Hauptteils und das Aufnehmen der Bilder mit dem Bildaufnahmemittel durch das Steuergerät basierend auf dem NC-Programm gesteuert werden. Wenn das Bild des Kalibriermusters durch das Bildaufnahmemittel aufgenommen wird, werden ferner die Bewegungspositionen des bewegbaren Hauptteils vom Steuergerät zum Berechnungsmittel für dreidimensionale Koordinaten übertragen.
Danach extrahiert das Berechnungsmittel für zweidimensionale Koordinaten die Kennzeichnungspunkte aus jedem zweidimensionalen Bild und berechnet die zweidimensionalen Koordinaten basierend auf den zweidimensionalen Bilddaten, die erzeugt wurden, nachdem die Bilder des Kalibriermusters in vielfachen Bewegungspositionen des bewegbaren Hauptteils mit dem Bildaufnahmemittel aufgenommen wurden; während die Bewegungspositionen des bewegbaren Hauptteils von dem Augenblick, wo das Bild des Kalibriermusters durch das Bildaufnahmemittel aufgenommen wurde, gesendet werden, und das Berechnungsmittel für dreidimensionale Koordinaten die dreidimensionalen Koordinaten der Kennzeichnungspunkte basierend auf der Position des Kennzeichnungspunkts für empfangene Bewegungspositionen und des bewegbaren Hauptteils berechnet, die jeder Bewegungsposition des bewegbaren Hauptteils entsprechen. Wenn der bewegbare Hauptteil außerdem beispielsweise die Spindel zum Befestigen eines Werkzeugs ist, wird die Position der Kennzeichnungspunkte in Bezug auf den bewegbaren Hauptteil durch den Versatzbetrag in der Spindelachslinienrichtung zwischen der Spitze der Spindel und dem Kennzeichnungspunkt definiert. Außerdem ist das Koordinatensystem der zweidimensionalen Koordinaten das Koordinatensystem, das in dem zweidimensionalen Bild konfiguriert wurde, daher ist das dreidimensionale Koordinatensystem das Koordinatensystem, das in der Werkzeugmaschine konfiguriert wurde.
Dann berechnet das Parameterberechnungsmittel die intrinsischen Parameter und extrinsischen Parameter des Bildaufnahmemittels basierend auf den zweidimensionalen Koordinaten und der dreidimensionalen Koordinaten jeder Bewegungsposition für den bewegbaren Hauptteil, die jeweils durch das Berechnungsmittel für zweidimensionale Koordinaten und das Berechnungsmittel für dreidimensionale Koordinaten berechnet wurden. Ferner können Beispiele der intrinsischen Parameter gegeben werden, wie Hauptpunktkoordinaten, Maßstabsfaktoren, Distorsion des Raumes zwischen zwei Achsen des Bildes; Beispiele der extrinsischen Parameter sind die Position und Ausrichtung des Bildaufnahmemittels in dem Koordinatensystem der Maschine usw., aber die Parameter sind nicht auf diese Beispiele beschränkt.
In dieser Art und Weise wird abhängig von dem Kalibrierverfahren und der Kalibriervorrichtung, die sich auf die Erfindung beziehen, das Bildaufnahmeobjektmaterial an dem bewegbaren Hauptteil befestigt, daher kann durch Bewegen des bewegbaren Hauptteils die Position des Bildaufnahmeobjektmaterials (Kennzeichnungspunkt) leicht geändert werden. Ebenso werden Positionsinformationen für den bewegbaren Hauptteil von dem Steuergerät erhalten, daher können die dreidimensionalen Koordinaten des Kennzeichnungspunkts genau überprüft werden und aufgrund dessen können die intrinsischen Parameter und extrinsischen Parameter sehr genau festgestellt werden. Außerdem besteht keine Notwendigkeit, die dreidimensionalen Koordinaten des Kennzeichnungspunkts zu messen, wie beim Stand der Technik.
Ferner können die genauen dreidimensionalen Koordinaten der Kennzeichnungspunkte in dem Maschinenkoordinatensystem wiedererkannt werden, daher können sowohl die intrinsischen Parameter als auch extrinsischen Parameter in einem Schritt berechnet werden und es ist effizienter. Außerdem gibt es nur einen Kennzeichnungspunkt, daher ist das Kalibriermuster einfacher und die Herstellungskosten des Bildaufnahmeobjektmaterials können herabgesetzt werden.
Wenn das Bildaufnahmeobjektmaterial in eine große Anzahl von Bewegungspositionen bewegt wird und das Bild des Kalibriermusters in jeder Position aufgenommen wird, erfordert es ferner sehr viel Zeit und Mühe für Bedienungspersonen, dies selbst auszuführen. Aber wenn einem NC-Programm gefolgt wird und es die Bewegung des bewegbaren Hauptteils und das Bildaufnehmen des Bildaufnahmemittels steuert, können die Bewegung des Bildaufnahmeobjektmaterials und das Aufnehmen des Bildes des Kalibriermusters automatisch ausgeführt werden. Folglich ist alles, was die Bedienungsperson zu tun hat, das Laufenlassen des Programms und die intrinsischen Parameter und extrinsischen Parameter des Bildaufnahmemittels können noch leichter berechnet werden.
Außerdem umfasst das Kalibriermuster eine erste Grafik, die den Kennzeichnungspunkt enthält, und eine zweite Grafik, die so angeordnet ist, dass sie die Außenseite der ersten Grafik umschließt, und einen Mittelpunkt aufweist, der dem Kennzeichnungspunkt entspricht. Das Berechnungsmittel für zweidimensionale Koordinaten kann aufgebaut sei aus: einem ersten Rechnerteil, der die zweite Grafik aus jedem der zweidimensionalen Bilder extrahiert und die Mittenkoordinaten basierend auf den zweidimensionalen Bilddaten berechnet, die erzeugt wurden, als die Bilder des Kalibriermusters in den vielfachen Bewegungspositionen des bewegbaren Hauptteils über das Bildaufnahmemittel aufgenommen wurden; und einem zweiten Rechnerteil, der einen Bereich festlegt, der die Mittenkoordinaten der zweiten Grafik auf jedem der zweidimensionalen Bilder basierend auf den Mittenkoordinaten der zweiten Grafik enthält, die durch den ersten Rechnerteil berechnet wurden, die Kennzeichnungspunkte aus dem Inneren des festgelegten Bereichs extrahiert und die zweidimensionalen Koordinaten berechnet.
Wenn dieses Verfahren angewendet wird, wird zuerst die zweite Grafik aus dem zweidimensionalen Bild basierend auf den durch das Bildaufnahmemittel aufgenommenen zweidimensionalen Bilddaten des Kalibriermusters extrahiert, und nachdem die Mittenkoordinaten durch Verwendung des ersten Rechnerteils berechnet wurden, wird basierend auf diesen berechneten Mittenkoordinaten der zweiten Grafik ein Bereich auf dem zweidimensionalen Bild festgelegt, der die Mittenkoordinaten der zweiten Grafik enthält, und der Kennzeichnungspunkt wird aus der Mitte des festgelegten Bildes extrahiert und die zweidimensionalen Koordinaten werden durch den zweiten Rechnerteil berechnet.
Der Grund, warum dies auf diese Weise durchgeführt wird, besteht darin, dass es schwierig ist, Kennzeichnungspunkte des Kalibriermusters aus den erzeugten zweidimensionalen Bilddaten genau zu extrahieren, weil es innerhalb der Werkzeugmaschine nicht sehr hell ist, bei der im Innern ein Bildaufnahmemittel und ein Bildaufnahmeobjektmaterial eingebaut sind, daher gibt es viele Verzerrungen in den zweidimensionalen Bildern, die durch Aufnehmen des Bildes des Kalibriermusters erhalten werden. Wie zuvor erläutert, ist es dies, weswegen, wenn nach dem Ermitteln der Mittenkoordinaten der zweiten Grafik, die Kennzeichnungspunkte aus diesem Bereich extrahiert werden, der diese Mittenkoordinate enthält, und die zweidimensionalen Koordinaten ermittelt werden, es möglich ist, den Kennzeichnungspunkt genau zu extrahieren und die zweidimensionalen Koordinaten präzise zu ermitteln. Hierdurch können die intrinsischen und extrinsischen Parameter genau berechnet werden.
Darüber hinaus kann der Aufbau so erstellt werden, dass das Bildaufnahmeobjektmaterial anstelle eines Werkzeugs in dem bewegbaren Hauptteil befestigt wird, das ein Werkzeug trägt, oder das Bildaufnahmeobjektmaterial anstelle eines drehbaren Werkzeugs in dem bewegbaren Hauptteil befestigt wird, das ein drehbares Werkzeug trägt, und der Kennzeichnungspunkt auf derselben geraden Linie liegt wie die Achslinie des drehbaren Werkzeugs, das in dem bewegbaren Hauptteil gehalten ist.
Wenn in dieser Weise vorgegangen wird, können die Werkzeugwechselvorrichtung oder die Bedienungspersonen selbst das Bildaufnahmeobjektmaterial leicht und genau an dem bewegbaren Hauptteil befestigen. Ferner ist das Erfassen des die Lage betreffenden Verhältnisses zwischen dem bewegbaren Hauptteil dem Kennzeichnungspunkt einfacher und genauer. Infolgedessen können die intrinsischen und extrinsischen Parameter genauer berechnet werden. Außerdem kann die erforderliche Einrichtezeit zum Befestigen des Bildaufnahmeobjektmaterials herabgesetzt werden. Wenn das Bildaufnahmeobjektmaterial an dem bewegbaren Hauptteil befestigt wird, der ein drehbares Werkzeug aufweist, wird überdies der Kennzeichnungspunkt so ausgebildet, dass er auf der Achslinie des drehbaren Werkzeugs angeordnet sein kann, weil sich die Lage des Kennzeichnungspunkts ungeachtet des Einbauwinkels des Bildaufnahmeobjektmaterials, unter dem es befestigt ist, nicht ändert.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Wie in dem Obigen verwenden das Kalibrierverfahren und die Kalibriervorrichtung, die sich auf die vorliegende Erfindung beziehen, ein einfaches Kalibriermuster und ermöglichen eine genaue und einfache Ablaufsteuerung des Kalibrierens in einem kurzen Zeitraum.
Kurze Beschreibung von Zeichnungen
1 ist ein Strukturbild, das einen Aufriss des Aufbaus der Kalibriervorrichtung in Bezug auf ein Beispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
2 ist eine Seitenansicht, die einen Aufriss des Aufbaus des Bildaufnahmeobjektmaterials darstellt, das sich auf diese Ausführungsform bezieht.
3 ist eine Seitenansicht in der Richtung des Bezugspfeils A in 2.
4 ist eine erläuternde Zeichnung, um den Prozess in dem ersten Rechnerteil für zweidimensionale Koordinaten von dieser Ausführungsform darzulegen.
5 ist eine erläuternde Zeichnung, um den Prozess darzulegen, der in dem zweiten Rechnerteil für zweidimensionale Koordinaten von dieser Ausführungsform erfolgt.
6 ist eine erläuternde Zeichnung, welche die Datenstruktur der in dem Speicher für Kennzeichnungspunkte enthaltenen Daten von dieser Ausführungsform veranschaulicht.
7 ist ein erläuterndes Bild, das ein Beispiel eines NC-Programms darstellt, wenn das Bildaufnahmeobjektmaterial schrittweise zu der nächsten vorgegebenen Position bewegt wird.
8 ist ein Bild einer Vorderansicht, die das Bildaufnahmeobjektmaterial darstellt, das sich auf eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezieht.
9 ist eine Zeichnung einer Vorderansicht, die das Bildaufnahmeobjektmaterial darstellt, das sich auf eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezieht.
10 ist eine Zeichnung einer Vorderansicht, die das Bildaufnahmeobjektmaterial darstellt, das sich auf eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezieht. Beschreibung einer Ausführungsform
Nunmehr wird eine konkrete Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf der Grundlage der beigefügten Zeichnungen erläutert. Ferner ist 1 ein Strukturbild, das einen Aufriss des Aufbaus der Kalibriervorrichtung darstellt, die sich auf diese bestimmte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezieht. 2 ist eine Seitenansicht, die den strukturellen Aufriss des Bildaufnahmeobjektmaterials darstellt, das zu dieser Ausführungsform gehört. 3 ist eine Seitenansicht in der Richtung des Bezugspfeils A in 2.
Wie in 1 dargestellt ist, ist die Kalibriervorrichtung 1 in diesem Beispiel in eine Werkzeugmaschine 50 eingebaut, die als Bearbeitungszentrum bezeichnet wird, und umfasst das Bildaufnahmeobjektmaterial 10, das ein Kalibriermuster 14 aufweist, das einen Kennzeichnungspunkt P enthält, und eine Datenverarbeitungseinheit 20, welche die intrinsischen Parameter und extrinsischen Parameter der CCD-Kamera 58 auf der Grundlage der zweidimensionalen Graustufenbilddaten berechnet, die von der CCD-Kamera 58 erhalten wurden.
Zuerst wird die Werkzeugmaschine 50 erläutert. Diese Werkzeugmaschine 50 ist ausgestattet mit einem Bett 51, einem in der Richtung frei bewegbaren ersten Sattel 52, wo er angeordnet auf dem Bett 51 auf der horizontalen Fläche (Y-Achserrichtung) vorwärts und rückwärts bewegt wird, einem zweiten Sattel 53, der sich frei in linken und rechten Richtungen (X-Achsenrichtung) auf der horizontalen Fläche oberhalb des ersten Sattels 52 bewegt, einem Spindelkopf 54, der sich gelagert durch den zweiten Sattel 53 frei in der vertikalen Richtung (Z-Achsenrichtung) bewegt, einer Spindel 55, die sich frei auf der Achslinie parallel zur Z-Achse dreht und in der Achslinienmitte ein drehbares Werkzeug (nicht dargestellt) aufweist, das am unteren Ende befestigt ist, und durch den Spindelkopf 54 gelagert ist, einer drehbaren Antriebsanordnung (nicht dargestellt), welche die Spindel 55 in der Achslinienmitte dreht, einem Tisch 56, wo Werkstücke (nicht dargestellt) auf der oberen Fläche angeordnet sind und der auf dem Bett 51 angeordnet ist, einer Y-Achsenvorschubanordnung (nicht dargestellt), einer X-Achsenvorschubanordnung (nicht dargestellt), und einer Z-Achsenvorschubanordnung (nicht dargestellt), die den ersten Sattel 52, den zweiten Sattel 53, und den Spindelkopf 54 in ihre jeweiligen Bewegungsrichtungen bewegen, und ein Steuergerät 57, das die Bewegung der drehbaren Antriebsanordnung und jeder Achsenvorschubanordnung steuert.
Das Bett 51 hat einen Aufbau, der aus Seitenwänden 51a, 51b, 51c links, rechts und innenseitig gebildet ist, und der erste Sattel 52 ist sowohl an den linken und rechten Seiten der Seitenwände 51a und 51b vorgesehen und der Tisch 56 ist an der inneren Rückwand vorgesehen.
Außerdem ist in der Werkzeugmaschine 50 die CCD-Kamera 58 über einen Aggregateträger 59 an dem oberen Teil der rechten Wand 51a des Bettes 51 eingebaut. Diese CCD-Kamera 58 nimmt die Bilder des vorkonfigurierten Gegenstandes (beispielsweise eines Werkstücks, einer Befestigung, des Tisches 56 und eines Werkzeugs usw.) auf und erzeugt zweidimensionale Graustufenbilddaten und ist so eingestellt, dass sie die erzeugten zweidimensionalen Graustufenausgabedaten nach außen abgibt.
Als Nächstes wird die Kalibriervorrichtung 1 erläutert. Wie zuvor beschrieben wurde, wird die Kalibriervorrichtung 1 durch das Bildaufnahmeobjektmaterial 10 und eine Datenverarbeitungseinheit 20 gebildet, und die Datenverarbeitungseinheit 20 enthält einen Rechner und stellt einen Bilddatenspeicher 21, den ersten Rechnerteil 22 für zweidimensionale Koordinaten, den zweiten Rechnerteil 23 für zweidimensionale Koordinaten, den Rechnerteil 24 für dreidimensionale Koordinaten, den Speicher 25 für Kennzeichnungspunktpositionen, den Parameterrechnerteil 26 und den Parameterspeicher 27 bereit. Außerdem fungieren der erste Rechnerteil 22 für zweidimensionale Koordinaten und der zweite Rechnerteil 23 für zweidimensionale Koordinaten als das Berechnungsmittel für zweidimensionale Koordinaten, das in den Ansprüchen erwähnt wird.
Das Bildaufnahmeobjektmaterial 10 wird aus dem Anschlussteil 11, der an der Spindel 55 befestigt ist, und einem blockförmigen Material 12 gebildet, das eine zweidimensionale Oberfläche 13 aufweist, welche die Achslinie der Spindel 55 enthält, wenn der Anschlussteil 11 an der Spindel befestigt wurde. Das Kalibriermuster 14 ist an einer zweidimensionalen Oberfläche 13 konfiguriert. Dieses Kalibriermuster 14 beinhaltet die erste Grafik 15, die den Kennzeichnungspunkt P enthält, und die zweite Grafik 17, die eine kreisrunde Form 18 enthält, die so angeordnet ist, dass sie die Außenseite der ersten Grafik 15 umgibt. Der Mittelpunkt der kreisrunden Form 18 entspricht dem Kennzeichnungspunkt P. Die erste Grafik 15 wird aus einer Grafik 16 gebildet, welche zwei Fächerformen vereinigt, die schwarz und so gestaltet sind, dass sie symmetrisch um einen Punkt liegen, und der Mittelpunkt der Symmetrie ist der Kennzeichnungspunkt P. Außerdem ist die Grafik 17 aus einer Grafik gebildet, bei der die Innenseite der kreisrunden Form 18 weiß und die Außenseite schwarz ist.
Außerdem liegt der zuvor erwähnte Kennzeichnungspunkt P auf der Achslinie der Spindel 55, wenn der Anschlussteil 11 an der Spindel 55 befestigt ist. Er liegt nämlich auf derselben geraden Linie L wie die Achslinie des drehbaren Werkzeugs, das an der Spindel 55 befestigt ist, und ist so ausgelegt, dass er nur an einem durch einen festgelegten Abstand von der Spitze der Spindel 55 getrennten Punkt angeordnet werden kann. Ferner ist das Bildaufnahmeobjektmaterial 10 an Spindel 55 befestigt und beispielsweise bewegt sich der zweite Sattel 53 entlang der X-Richtung, weil er dazu gebracht wurde, sich in der X-Richtung zu bewegen, die CCD-Kamera 58 würde Bilder von dem Kalibriermuster 14 an mehreren Bewegungspositionen entlang der X-Richtung aufnehmen, und die zweidimensionalen Grauwertbilddaten würden erzeugt. Weiterhin ist das Steuergerät 57 so eingestellt, dass es die Bewegungspositionen in der X-Achsenrichtung, der Y-Achsenrichtung und der Z-Achsenrichtung des Spindelkopfes 54 (Spindel 55) an die Datenverarbeitungseinheit 20 sendet, wenn die Bilder des Kalibriermusters 14 von der CCD-Kamera 58 aufgenommen werden.
Der Bilddatenspeicher 21 enthält die zweidimensionalen Grauwertbilddaten, die erzeugt wurden, als die Bilder des Kalibriermusters 14 von der CCD-Kamera 58 in verschiedenen Bewegungspositionen für das Bildaufnahmeobjektmaterial 10 in der X-Achsenrichtung aufgenommen wurden.
Der erste Rechnerteil 22 für zweidimensionale Koordinaten extrahiert die zweite Grafik 17 und die kreisrunde Form 18 und berechnet für jeden die Mittenkoordinaten basierend auf den zweidimensionalen Grauwertbilddaten des Kalibriermusters 14 in jeder Bewegungsposition des Bildaufnahmeobjektmaterials 10, die in dem Bilddatenspeicher 21 gespeichert ist. Außerdem ist das Verfahren zum Extrahieren der kreisrunden Form 18 nicht auf dieses beschränkt, aber als Beispiel, wie in 4, kann ein Verfahrensbeispiel gegeben werden, in welchem die zweidimensionalen Grauwertbilddaten mit einem Grenzwert binär ausgedrückt werden und basierend auf diesen binären Bilddaten Umrisslinien extrahiert werden, die der kreisrunden Form 18 äquivalent sind. Darüber hinaus stellt 4 die Umrisslinien des Blockmaterials 12, die erste Grafik 15 und die zweite Grafik 17 dar, nicht das binäre Bild selbst.
Der zweite Rechnerteil 23 für zweidimensionale Koordinaten legt basierend auf den Mittenkoordinaten für die kreisrunde Form 18, die durch den ersten Rechnerteil 22 für zweidimensionale Koordinaten berechnet wurde, einen Bereich R fest, der die Mittenkoordinaten der kreisrunden Form 18 in jedem zweidimensionalen Bild beinhaltet, wie in 5 dargestellt ist. Der Kennzeichnungspunkt P wird aus dem Inneren des festgelegten Bereichs R extrahiert und diese zweidimensionalen Koordinaten werden berechnet und die errechneten zweidimensionalen Koordinaten werden in dem Speicher 25 für Kennzeichnungspunktpositionen gespeichert. Darüber hinaus wird ein Verfahren zum Extrahieren des Kennzeichnungspunkts P gegeben und während nicht notwendigerweise auf dieses beschränkt wird, ist ein ähnliches Beispiel ein Verfahren, bei dem die Umrisslinien der fächerförmigen Grafik 16 aus den binären Bilddaten extrahiert werden und basierend auf den extrahierten Umrisslinien der Schnittpunkt der Umrisslinien extrahiert wird. Ferner ist die 5 wie die 4 nicht das binäre Bild selbst, sondern eine Figur die das blockförmige Material 12, die erste Grafik 15 und die Umrissform der zweiten Grafik 17 darstellt. Außerdem ist das Koordinatensystem der zweidimensionalen Koordinaten das Koordinatensystem, das in dem zweidimensionalen Bild festgelegt wurde.
Der Rechnerteil 24 für dreidimensionale Koordinaten berechnet dreidimensionale Koordinaten des Kennzeichnungspunkts P, die jeder Achsenlage entsprechen, die basierend auf der Position des Kennzeichnungspunkts P in Bezug auf die Spindel 55 und jeder Bewegungsposition von dem Steuergerät 57 empfangen wurden, das die Bewegungspositionen in der X-Achsenrichtung, Y-Achsenrichtung und Z-Achsenrichtung des Spindelkopfes 54 (Spindel 55) sendet, wenn die CCD-Kamera 58 Bilder des Kalibriermusters 14 aufnimmt; und dann werden die berechneten dreidimensionalen Koordinaten in dem Speicher 25 für Kennzeichnungspunktpositionen abgelegt. Außerdem ist das Koordinatensystem für die dreidimensionalen Koordinaten das für die Werkzeugmaschine 50 konfigurierte Koordinatensystem. Ferner wird die Lage des Kennzeichnungspunkts P in Bezug auf die Spindel 55 beispielsweise von der Bedienungsperson basierend auf dem Abstand des Kennzeichnungspunkts P von der Spitze der Spindel im Voraus eingegeben und konfiguriert.
Der Speicher 25 für Kennzeichnungspunktpositionen speichert die zweidimensionalen und dreidimensionalen Koordinaten des Kennzeichnungspunkts P, die durch den Rechnerteil 23 für zweidimensionale Koordinaten und den Rechnerteil 24 für dreidimensionale Koordinaten berechnet wurden, und, wie in 6 dargestellt ist, werden die nacheinander erzeugten Bildnummern des Kalibriermusters 14, zweidimensionale Koordinaten für den Kennzeichnungspunkt P und dreidimensionale Koordinaten für den Kennzeichnungspunkt P verknüpft und abgelegt.
Der Parameterrechnerteil 26 berechnet die Parameter basierend auf zweidimensionalen Koordinaten und dreidimensionalen Koordinaten für den Kennzeichnungspunkt P, die in dem Speicher 25 für Kennzeichnungspunktpositionen gespeichert sind. Konkret verwendet der Parameterrechnerteil 26 vielfache Kombinationen von zweidimensionalen Koordinaten und dreidimensionalen Koordinaten, die in einem wechselseitig entsprechenden Verhältnis stehen, berechnet die intrinsischen Parameter und extrinsischen Parameter der CCD-Kamera 58 und legt die intrinsischen Parameter und extrinsischen Parameter in dem Parameterspeicher 27 ab. Ferner hat es in der Vergangenheit viele Arten von Verfahren gegeben, die für das Verfahren der Berechnung der intrinsischen Parameter und extrinsischen Parameter unter Verwendung vielfacher Kombinationen von zweidimensionalen Koordinaten und dreidimensionalen Koordinaten für den Kennzeichnungspunkt P vorgeschlagen wurden, und das angewendete Verfahren ist ohne Bedeutung. Außerdem können Beispiele der intrinsischen Parameter als Hauptpunktkoordinaten, Maßstabsfaktoren, Distorsion des Raumes zwischen zwei Achsen des Bildes angegeben werden. Für die extrinsischen Parameter können die Beispiele als parallele Bewegungsvektoren, welche die Lage der CCD-Kamera 58 in dem Koordinatensystem (globales Koordinatensystem) der Werkzeugmaschine 50 ausdrücken, der Drehbereich, der ähnlich die Lage der CCD-Kamera 58 in dem Koordinatensystem der Werkzeugmaschine 50 ausdrückt, usw. angegeben werden.
Dann werden die intrinsischen Parameter und extrinsischen Parameter der CCD-Kamera 58 basierend auf den in dem Parameterspeicher 27 gespeicherten Daten festgelegt.
In dem Beispiel der Kalibriervorrichtung 1, die wie oben aufgebaut ist, bringen zuerst eine Werkzeugwechselvorrichtung oder die Bedienungspersonen selbst ein Bildaufnahmeobjektmaterial 10 an der Spindel 55 an. Außerdem wird der Kennzeichnungspunkt P auf der Achslinie der Spindel 55 angeordnet, daher wird sich die Lage des Kennzeichnungspunkts P nicht aufgrund des Einbauwinkels des Bildaufnahmeobjektmaterials 10 ändern.
Als Nächstes bewegt die X-Achsenvorschubanordnung den zweiten Sattel 53 und das Bildaufnahmeobjektmaterial 10 bewegt sich in der X-Richtung; die CCD-Kamera 58 nimmt Bilder des Kalibriermusters 14 auf und es werden es werden zweidimensionale Grauwertbilder erzeugt, und die erzeugten zweidimensionalen Grauwertbilddaten werden in dem Bilddatenspeicher 21 abgelegt. Wenn die CCD-Kamera 58 die Bilder des Kalibriermusters 14 aufnimmt, werden außerdem die Bewegungspositionen des Spindelkopfes 54 (Spindel 55) durch das Steuergerät 57 an den Rechnerteil 24 für dreidimensionale Koordinaten gesendet.
Danach berechnet der erste Rechnerteil 22 für zweidimensionale Koordinaten die Mittenkoordinaten der zweiten Grafik 17 der kreisrunden Form 18 in jedem zweidimensionalen Bild basierend auf dem jeweiligen im Bilddatenspeicher 21 gespeicherten zweidimensionalen Grauwertbild; als Nächstes bestimmt der zweite Rechnerteil 23 für zweidimensionale Koordinaten basierend auf den berechneten Mittenkoordinaten der kreisrunden Form 18 den Bereich R, der die Mittenkoordinaten der kreisrunden Form 18 in jedem zweidimensionalen Bild beinhaltet, extrahiert den Kennzeichnungspunkt P aus der Mitte des Bereichs R und berechnet dessen zweidimensionale Koordinaten. Dann werden die berechneten zweidimensionalen Koordinaten in dem Speicher 25 für Kennzeichnungspunktpositionen abgelegt.
Ferner empfängt der Rechnerteil 24 für dreidimensionale Koordinaten die Bewegungspositionen des Spindelkopfes 54 in der X-Richtung, der Y-Richtung und der Z-Richtung von dem Steuergerät 57, wenn die CCD-Kamera 58 die Bilder des Kalibriermusters 14 aufnimmt, und berechnet die dreidimensionalen Koordinaten für den Kennzeichnungspunkt P, die jeder empfangenen Bewegungsposition entsprechen, basierend auf jeder empfangenen Bewegungsposition und der Position des Kennzeichnungspunkts P in Bezug auf die Spindel 55. Die berechneten dreidimensionalen Koordinaten werden in dem Speicher 25 für Kennzeichnungspunktpositionen abgelegt.
Dann berechnet der Parameterrechnerteil 26 die intrinsischen Parameter und die exintrinsischen Parameter der CCD-Kamera 58 basierend auf den sich wechselseitig entsprechenden zweidimensionalen Koordinaten und den dreidimensionalen Koordinaten, die in dem Speicher 25 für Kennzeichnungspunktpositionen gespeichert sind. Die berechneten intrinsischen Parameter und exintrinsischen Parameter werden im Parameterspeicher 27 abgelegt.
Bei dem Beispiel der Kalibriervorrichtung 1, die wie oben aufgebaut ist, wird das Bildaufnahmeobjektmaterial 10 an der Spindel 55 angebracht, daher kann die Position des Bildaufnahmeobjektmaterials 10 (Kennzeichnungspunkt P) bequem geändert werden und das Bildaufnahmeobjektmaterial 10 kann an der Spindel 55 einfach und genau befestigt werden. Überdies kann das Verhältnis zwischen der Spindel 55 und dem Kennzeichnungspunkt P leicht erfasst werden. Außerdem ist das Erlangen von Positionsinformationen der Spindel 55 von dem Steuergerät 57 einfach, daher können die dreidimensionalen Koordinaten des Kennzeichnungspunkts P genau erkannt werden. Folglich können die intrinsischen Parameter und exintrinsischen Parameter mit hoher Genauigkeit ermittelt werden.
Weiterhin können die genauen dreidimensionalen Koordinaten des Kennzeichnungspunkts P in dem Koordinatensystem der Werkzeugmaschine erkannt werden, daher ist dies effizient, weil die intrinsischen Parameter und exintrinsischen Parameter in einem Schritt berechnet werden können. Zudem muss lediglich das Bildaufnahmeobjektmaterial 10 an der Spindel 55 angebracht werden, daher kann die erforderliche Einrichtezeit bedeutend herabgesetzt werden. Außerdem gibt es nur einen Kennzeichnungspunkt P, der das Kalibriermuster 14 sehr einfach macht, und folglich können die Kosten der Herstellung des Bildaufnahmeobjektmaterials beträchtlich herabgesetzt werden. Ferner ist das Kalibriermuster 14 auf einer zweidimensionalen Oberfläche 13 konfiguriert, daher kann die Herstellung des Bildaufnahmeobjektmaterials vereinfacht werden.
Außerdem umfasst das Kalibriermuster 14 bei dem vorliegenden Beispiel die erste Grafik 15, die den Kennzeichnungspunkt P enthält, und die zweite Grafik 17, die eine kreisrunde Form 18 beinhaltet, die so angeordnet ist, dass sie die Außenseite der ersten Grafik 15 umgibt, und die Mitte der kreisrunden Form 18 entspricht dem Kennzeichnungspunkt P; und wenn die zweidimensionalen Koordinaten des Kennzeichnungspunkts P aus dem zweidimensionalen Bild des Kalibriermusters 14 berechnet werden, wird zuerst die kreisrunde Form 18 aus der zweiten Grafik 17 extrahiert und es werden deren Mittenkoordinaten berechnet, und nach dem Festlegen des Bereichs R, der die berechneten Mittenkoordinaten beinhaltet, wird der Kennzeichnungspunkt P aus dem Bereich R extrahiert und die zweidimensionalen Koordinaten werden berechnet. Dies erfolgt aufgrund der Schwierigkeit des genauen Extrahierens des Kennzeichnungspunkts P aus dem Kalibriermuster 14 wegen der großen Menge von Verzerrungen in den zweidimensionalen Grauwertbilddaten, die vom Aufnehmen des Bildes des Kalibriermusters 14, verursacht durch die Dunkelheit innerhalb der Werkzeugmaschine 50 erhalten werden, wo die CCD-Kamera 58 und das Bildaufnahmeobjektmaterial eingebaut sind.
Wenn folglich wie bei dem obigen Verfahren der Kennzeichnungspunkt P extrahiert werden kann, nachdem der Extraktionsbereich des Kennzeichnungspunkts P eingeschränkt wurde, so kann der richtige Kennzeichnungspunkt P extrahiert werden und die zweidimensionalen Koordinaten können exakt aufgefunden werden. Demzufolge können die intrinsischen Parameter und extrinsischen Parameter extrahiert werden und die zweidimensionalen Koordinaten können sehr exakt aufgefunden werden. Überdies liegt der Grund dafür, dass die Mittenkoordinaten der kreisrunden Form 18 nicht zu den zweidimensionalen Koordinaten des Kennzeichnungspunkts P gemacht werden, darin, dass die berechneten Mittenkoordinaten der kreisrunden Form 18 den zweidimensionalen Koordinaten des Kennzeichnungspunkts P nicht mit hoher Genauigkeit entsprechen.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde oben erläutert, aber die konkrete Form der vorliegenden Erfindung ist nicht auf diese beschränkt.
Das Bildaufnahmeobjektmaterial 10 kann zum Beispiel zu verschiedenen Bewegungspositionen bewegt werden und die CCD-Kamera 58 nimmt das Bild des Kalibriermusters 14 auf. Der Parameterrechnerteil 26 kann so ausgebildet sein, dass der Prozess, der nach der Bildaufnahme die intrinsischen Parameter und extrinsischen Parameter der CCD-Kamera 58 berechnet, auf einem NC-Programm basiert. 7 zeigt ein Beispiel eines solchen NC-Programms. Zu dieser Zeit steuert das Steuergerät 57 mindestens die CCD-Kamera 58, jede Vorschubanordnung und den Parameterrechnerteil 26.
Wie in 7 dargestellt ist enthält dieses NC-Programm einen Initialisierungsbefehl 60, der die CCD-Kamera 58 initialisiert, einen Bewegungsbefehl 61, der die Spindel 55 über jeden Vorschubantrieb in die erste Bewegungsposition bewegt, einen Bildaufnahmebefehl 62, der das Bild des Kalibriermusters 14 auf dem Bildaufnahmeobjektmaterial 10 aufnimmt und die zweidimensionalen Grauwertbilddaten erzeugt, einen Bewegungsbefehl 63, der die Spindel 55 über jeden Vorschubantrieb in eine andere Bewegungsposition bewegt, und einen Rechenbefehl 64, der die intrinsischen Parameter und extrinsischen Parameter der CCD-Kamera 58 über den Parameterrechnerteil 26 berechnet. Der Bewegungsbefehl 63 und der Bildaufnahmebefehl 62 werden abwechselnd wiederholt, so dass es möglich ist, Bilder des Kalibriermusters 14 in verschiedenen Positionen aufzunehmen. Das NC-Programm ist so ausgelegt, dass die Arbeitsgänge in der Reihenfolge von dem Initialisierungsbefehl 60, Bewegungsbefehl 61, Bildaufnahmebefehl 62, Bewegungsbefehl 63, Bildaufnahmebefehl 62, Bewegungsbefehl 63, Bildaufnahmebefehl 62 ..., und Berechnungsbefehl 64 durchgeführt werden.
Dann, wenn das Steuergerät 57 das NC-Programm ablaufen lässt, bewegt jede Vorschubanordnung die Spindel 55 der Reihe nach in festgelegte Bewegungspositionen, nimmt die CCD-Kamera 58 in jeder Bewegungsposition Bilder des Kalibriermusters 14 auf und es werden die zweidimensionalen Grauwertbilddaten für jedes erzeugt und in dem Bilddatenspeicher 21 abgelegt. Wenn zweidimensionale Grauwertbilder in dem Bilddatenspeicher 21 gespeichert sind, berechnet jeder Rechnerteil 22, 23 für zweidimensionale Koordinaten die zweidimensionalen Koordinaten des Kennzeichnungspunkts P und legt sie in dem Speicher 25 für Kennzeichnungspunktpositionen ab. Währenddessen empfängt der Rechnerteil 24 für dreidimensionale Koordinaten die Bewegungspositionen der Spindel 55 für die Augenblicke, in denen die CCD-Kamera 58 Bilder des Kalibriermusters 14 aufgenommen hat, und berechnet dann die dreidimensionalen Koordinaten für den Kennzeichnungspunkt P und legt sie in dem Speicher 25 für Kennzeichnungspunktpositionen ab.
Dann, wenn die Spindel 55 zu allen Bewegungspositionen bewegt worden ist und die Bilder des Kalibriermusters 14 in jeder Bewegungsposition aufgenommen worden sind, wird der abschließende Block (Berechnungsbefehl 64) des NC-Programms ablaufen gelassen und der Parameterrechnerteil 26 berechnet die intrinsischen Parameter und extrinsischen Parameter für die CCD-Kamera 58 basierend auf den im Speicher 25 für Kennzeichnungspunktpositionen gespeicherten Daten und legt sie dann in dem Parameterspeicher 27 ab.
Wenn die Bedienungspersonen die Arbeitsgänge selbst ausführen sollen, wenn das Bildaufnahmeobjektmaterial 10 zu einer großen Anzahl von Bewegungspositionen bewegt wird und das Bild des Kalibriermusters 14 in jeder Bewegungsposition aufgenommen wird, würde es einen großen Zeitumfang und Arbeitsaufwand beanspruchen, wenn aber die Bewegungen der Spindel 55 und das Aufnehmen der Bilder der CCD-Kamera 58 wie in diesem Beispiel durch das NC-Programm gesteuert werden, können die Bewegung des Bildaufnahmeobjektmaterials 10 und das Aufnehmen der Bilder des Kalibriermusters 14 automatisch ausgeführt werden. Infolgedessen muss die Bedienungsperson nur das zuvor erwähnte NC-Programm ablaufen lassen und die intrinsischen Parameter und extrinsischen Parameter der CCD-Kamera 58 können sogar noch einfacher berechnet werden.
Ferner war in dem obigen Beispiel die Art der Werkzeugmaschine, die als Beispiel vorgegeben wurde, eine Art der Werkzeugmaschine 50, die als Bearbeitungszentrum bezeichnet wird, aber die Kalibriervorrichtung 1 kann ebenso gut bei einer Drehmaschine verwendet werden. In diesem Fall sollte das Bildaufnahmeobjektmaterial an dem Revolverkopf angebracht werden.
Außerdem ist das Bildaufnahmeobjektmaterial 10 nicht auf die obige Anordnung beschränkt. Beispielsweise muss der Kennzeichnungspunkt P nicht auf der Achslinie der Spindel 55 angeordnet werden, aber in diesem Fall besteht die Schwierigkeit, die Lage des Kennzeichnungspunkts P gemäß dem Einbauwinkel des Bildaufnahmeobjektmaterials 10 in Bezug auf die Spindel 55 zu ändern. Wenn die Kalibriervorrichtung 1 beispielsweise in einer Werkzeugmaschine mit einem unbeweglichen Tisch angeordnet wird, kann das Bildaufnahmeobjektmaterial 10 an dem Tisch angebracht werden.
Weiterhin kann das Bildaufnahmeobjektmaterial 10 wie Bildaufnahmeobjektmaterialien 30, 40, 45 strukturiert sein, wie in den 8 bis 10 dargestellt ist. Darüber hinaus haben in der folgenden Erläuterung die baulichen Teile, welche die gleichen wie bei der Struktur in dem Bildaufnahmeobjektmaterial 10 sind, die gleichen Symbole und sind in der ausführlichen Erläuterung weggelassen.
Wie in 8 dargestellt ist, ist das Kalibriermuster 31 auf dem Bildaufnahmeobjektmaterial 30 konfiguriert und umfasst die erste Grafik 32, die einen Kennzeichnungspunkt P und die zweite Grafik 34 beinhaltet, welche die rechtwinklige Form 35 enthält, die so angeordnet ist, das sie die Außenseite der ersten Grafik 32 umgibt. Die Mitte der quadratischen Form 35 entspricht dem Kennzeichnungspunkt P. Die erste Grafik 32 ist so aufgebaut, das sie zwei rechtwinklige und monochrome Grafiken 33 kombiniert, die so gestaltet sind, dass sie in Bezug auf einen Punkt symmetrisch sind. Die Mitte des Symmetriepunktes ist der Kennzeichnungspunkt P und die zweite Grafik 34 ist aus einer weißen rechtwinkligen Form 35 aufgebaut ist, die eine weiße Innenseite und eine schwarze Außenseite aufweist.
Wie in 9 dargestellt ist, ist im Gegensatz dazu ein Kalibriermuster 41 auf dem Bildaufnahmeobjektmaterial 40 konfiguriert und es umfasst die erste Grafik 42, die einen Kennzeichnungspunkt (nicht abgebildet) und eine zweite Grafik 43 beinhaltet, welche eine kreisrunde Form 44 enthält, die so angeordnet ist, das sie die Außenseite der ersten Grafik 42 umgibt. Der Mittelpunkt dieser kreisrunden Form 44 entspricht dem Kennzeichnungspunkt (nicht dargestellt). Die erste Grafik 42 ist aus einem schwarzen inneren Kreis gebildet und der Mittelpunkt ist der Kennzeichnungspunkt (nicht dargestellt), die zweite Grafik 43 ist aus einer Grafik gebildet, bei der die Innenseite der kreisrunden Form 44 weiß und die Außenseite schwarz ist.
Wie in 10 dargestellt ist, ist ein Kalibriermuster 46 auf dem Bildaufnahmeobjektmaterial 45 konfiguriert und es umfasst die Grafik 47, die eine kreisrunde Form 48 beinhaltet. Die Grafik 47 ist aus einer Grafik gebildet, bei der die Innenseite der kreisrunden Form 48 weiß und die Außenseite schwarz ist. Der Mittelpunkt dieser kreisrunden Form 48 entspricht dem Kennzeichnungspunkt (nicht dargestellt). Wenn dieses Bildaufnahmeobjektmaterial 45 verwendet wird, lässt die Kalibriervorrichtung 1 außerdem den zweiten Rechnerteil 23 für zweidimensionale Koordinaten weg und die Mittelpunktkoordinaten der kreisrunden Form 48, die durch Verwendung des ersten Rechnerteils 22 für zweidimensionale Koordinaten berechnet werden, sind die Koordinaten des Kennzeichnungspunkts (nicht dargestellt).
Außerdem kann jeder der folgenden Aspekte verwendet werden, welche die zweidimensionalen Koordinaten des Kennzeichnungspunkts P berechnen. Es ist nämlich zulässig, die zweidimensionalen Koordinaten des Kennzeichnungspunkts P mit den Rechnerteilen 22, 23 für zweidimensionale Koordinaten basierend auf den zweidimensionalen Grauwertbilddaten zu berechnen, die erzeugt wurden, wenn Bilder des Kalibriermuster 14 nach dem Bewegen des Bildaufnahmeobjektmaterials 10 zu all den Bewegungspositionen mit der CCD-Kamera 58 aufgenommen wurden, und die Koordinaten in dem Speicher 25 für Kennzeichnungspunktpositionen abzulegen. Es ist auch zulässig, ein Bild des Kalibriermusters 14 mit der CCD-Kamera 58 in diesen Bewegungspositionen jedes Mal aufzunehmen, wenn das Bildaufnahmeobjektmaterial 10 zu einer Bewegungsposition bewegt wird, die zweidimensionalen Koordinaten des Kennzeichnungspunkts P zu berechnen, indem die Rechenverfahren 22, 23 für zweidimensionale Koordinaten basierend auf den erzeugten zweidimensionalen Grauwertbilddaten verwendet werden, und die Koordinaten in dem Speicher 25 für Kennzeichnungspunktpositionen abzulegen, und das Bildaufnahmeobjektmaterial 10 dann zur nächsten Bewegungsposition zu bewegen.

1: Kalibriervorrichtung
10: Bildaufnahmeobjektmaterial
14: Kalibriermuster
20: Datenverarbeitungseinheit
21: Bilddatenspeicher
22: erster Rechnerteil für zweidimensionale Koordinaten
23: zweiter Rechnerteil für zweidimensionale Koordinaten
24: Rechnerteil für dreidimensionale Koordinaten
25: Speicher für Kennzeichnungspunktpositionen
26: Parameterrechnerteil
27: Parameterspeicher
50: Werkzeugmaschine
55: Spindel
57: Steuergerät
58: CCD-Kamera

Liste der Zitate
Patentliteratur

Japanische ungeprüfte Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2005-250628

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- JP 2005-250628 [0006]

Claims

Kalibrierverfahren zum Berechnen von intrinsischen Parameter und extrinsischen Parameter eines Bildaufnahmemittels (58) für eine Werkzeugmaschine (50), wobei die Werkzeugmaschine umfasst: einen bewegbaren Hauptteil (52, 53, 54, 55), eine Vorschubanordnung zum Antreiben und Bewegen des bewegbaren Hauptteils, ein Steuergerät (57) zum Steuern der Bewegung der Vorschubanordnung, und ein an der Werkzeugmaschine vorgesehenes Bildaufnahmemittel zum Aufnehmen eines Bildes eines vorkonfigurierten Gegenstandes und Erzeugen der zweidimensionalen Bilddaten, dadurch gekennzeichnet, dass das Kalibrierverfahren umfasst: einen Anbauprozess, in dem ein Bildaufnahmeobjektmaterial (10), das ein Kalibriermuster (14) einschließlich eines Kennzeichnungspunkts (P) aufweist, an dem bewegbaren Hauptteil befestigt wird, einen Bildaufnahmeprozess, in dem die Vorschubanordnung den bewegbaren Hauptteil bewegt und das Bildaufnahmemittel Bilder des Kalibriermusters in verschiedenen Bewegungspositionen aufnimmt und zweidimensionale Bilddaten erzeugt, einen Berechnungsprozess zweidimensionaler Koordinaten, worin basierend auf den zweidimensionalen Bilddaten des Kalibriermusters, die durch den Bildaufnahmeprozess für jede Bewegungsposition des bewegbaren Hauptteils erzeugt wurden, die Kennzeichnungspunkte in jedem zweidimensionalen Bild extrahiert und die zweidimensionalen Koordinaten berechnet werden, einen Berechnungsprozess dreidimensionaler Koordinaten, bei dem das Steuergerät die Bewegungspositionen des bewegbaren Hauptteils sendet, wenn die Bilder des Kalibriermusters in dem Bildaufnahmeprozess aufgenommen werden, und basierend auf den empfangenen Bewegungspositionen und der Lage der Kennzeichnungspunkte für den bewegbaren Hauptteil die dreidimensionalen Koordinaten für jeden Kennzeichnungspunkt berechnet werden, der jeder Bewegungsposition des bewegbaren Hauptteils entspricht, und einen Parameterberechnungsprozess, bei dem die intrinsischen und extrinsischen Parameter des Bildaufnahmemittels basierend auf den zweidimensionalen Koordinaten und den dreidimensionalen Koordinaten für jede Bewegungsposition des bewegbaren Hauptteils berechnet werden, die sowohl durch den Berechnungsprozess zweidimensionaler Koordinaten als auch den Berechnungsprozess dreidimensionaler Koordinaten berechnet wurden.
Kalibrierverfahren nach Anspruch 1, wobei das Steuergerät zumindest bei dem Bildaufnahmeprozess die Vorschubanordnung und das Bildaufnahmemittel basierend auf dem NC-Programm so steuert, dass die Vorschubanordnung den bewegbaren Hauptteil in mannigfaltige Positionen bewegt und das Bildaufnahmemittel das Bild des Kalibriermusters in jeder Bewegungsposition aufnimmt und zweidimensionale Bilddaten erzeugt.
Kalibriervorrichtung (1) zum Berechnen intrinsischer Parameter und extrinsischer Parameter eines Bildaufnahmemittels (58), das in einer Werkzeugmaschine (50) vorgesehen ist, wobei die Werkzeugmaschine umfasst: einen bewegbaren Hauptteil (52, 53, 54, 55), eine Vorschubanordnung zum Antreiben und Bewegen des bewegbaren Hauptteils, ein Steuergerät (57) zum Steuern der Bewegung der Vorschubanordnung, und ein an der Werkzeugmaschine vorgesehenes Bildaufnahmemittel zum Aufnehmen eines Bildes eines vorkonfigurierten Gegenstandes und Erzeugen der zweidimensionalen Bilddaten, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibriervorrichtung umfasst: ein Bildaufnahmeobjektmaterial (10), das ein Kalibriermuster (14) einschließlich eines Kennzeichnungspunkts (P) aufweist und an dem bewegbaren Hauptteil befestigt ist, wobei es das Kalibriermuster ist, dessen Bilder durch das Bildaufnahmemittel in verschiedenen Positionen des bewegbaren Hauptteils aufgenommen werden, Berechnungsmittel (22, 23) für zweidimensionale Koordinaten, worin basierend auf den zweidimensionalen Bilddaten, die von den durch das Bildaufnahmemittel in verschiedenen Bewegungspositionen des bewegbaren Hauptteils aufgenommenen Bildern des Kalibriermusters erzeugt wurden, die Kennzeichnungspunkte bei jedem zweidimensionalen Bild extrahiert und die zweidimensionalen Koordinaten berechnet werden, ein Berechnungsmittel (24) für dreidimensionale Koordinaten, wobei das Steuergerät die Bewegungspositionen des bewegbaren Hauptteils sendet, wenn die Bilder des Kalibriermusters durch das Bildaufnahmemittel aufgenommen werden, und basierend auf den empfangenen Bewegungspositionen und der Lage der Kennzeichnungspunkte für den bewegbaren Hauptteil die dreidimensionalen Koordinaten für jeden Kennzeichnungspunkt berechnet werden, der jeder Bewegungsposition des bewegbaren Hauptteils entspricht, und ein Parameterberechnungsmittel (26), in dem basierend auf den zweidimensionalen Koordinaten und den dreidimensionalen Koordinaten für jede Bewegungsposition des bewegbaren Hauptteils, die jeweils durch das Berechnungsmittel für zweidimensionale Koordinaten und das Berechnungsmittel für dreidimensionale Koordinaten berechnet wurden, die intrinsischen und extrinsischen Parameter des Bildaufnahmemittels berechnet werden.
Kalibriervorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Kalibriermuster eine erste Grafik (15) umfasst, die den Kennzeichnungspunkt enthält, und eine zweite Grafik (17), die so angeordnet ist, dass sie die Außenseite der ersten Grafik umschließt und einen Mittelpunkt aufweist, der dem Kennzeichnungspunkt entspricht, und das Berechnungsmittel für zweidimensionale Koordinaten durch einen ersten Rechnerteil (22) für zweidimensionale Koordinaten, der die zweite Grafik aus jedem der zweidimensionalen Bilder extrahiert und die Mittenkoordinaten basierend auf den zweidimensionalen Bilddaten berechnet, die erzeugt wurden, als die Bilder des Kalibriermusters in den mannigfaltigen Bewegungspositionen des bewegbaren Hauptteils über das Bildaufnahmemittel aufgenommen wurden, und einen zweiten Rechnerteil (23) aufgebaut ist, der basierend auf den Mittenkoordinaten der zweiten Grafik, die durch den ersten Rechnerteil berechnet wurden einen Bereich (R) festlegt, der die Mittenkoordinaten der zweiten Grafik auf jedem der zweidimensionalen Bilder enthält, die Kennzeichnungspunkte aus dem Inneren des konfigurierten Bereichs extrahiert und die zweidimensionalen Koordinaten berechnet.
Kalibriervorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei das Bildaufnahmeobjektmaterial anstatt eines Werkzeugs in dem bewegbaren Hauptteil befestigt ist, der ein Werkzeug hält.
Kalibriervorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Bildaufnahmeobjektmaterial anstatt eines drehbaren Werkzeugs in dem bewegbaren Hauptteil befestigt ist, der ein drehbares Werkzeug hält und der Kennzeichnungspunkt auf der gleichen geraden Linie angeordnet ist wie die Achslinie des drehbaren Werkzeugs, das in dem bewegbaren Hauptteil gehalten ist.