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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Koordinatenmessgerät mit einem Taster, einer Auswerte- und Steuereinheit sowie einer Time-of-Flight-Kamera. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Referenzieren eines Koordinatenmessgerät-fremden Koordinatensystems auf ein Koordinatenmessgerät-spezifisches Koordinatensystem.
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Das Dokument
DE 101 24 493 A1 beschreibt ein Korrekturverfahren für Koordinatenmessgeräte, d. h. für Geräte mit einem Messkopf, der innerhalb eines (fest) definierten Messvolumens relativ zu einem Werkstück bewegbar ist, das vermessen werden soll. Mit dem Messkopf werden Messpunkte an dem Werkstück vermessen. Häufig besitzt der Messkopf zu diesem Zweck ein Tastelement, insbesondere in Form eines Tasters mit einem Taststift und mit einer Tastkugel, mit der gewünschte Messpunkte an dem Werkstück physisch berührt werden. Daher wird ein derartiger Messkopf häufig als Tastkopf bezeichnet. Alternativ gibt es Messköpfe, mit denen definierte Messpunkte an einem Werkstück berührungslos vermessen werden können, insbesondere mit optischen Sensoren (z. B. Laserscanner).
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Eine Steuer- und Auswerteeinheit bestimmt aus der Position des Messkopfes innerhalb des Messvolumens und ggf. aus der Position des Tasters relativ zum Messkopf beim Antasten des Werkstücks Raumkoordinaten, die den angetasteten Messpunkt repräsentieren. Bestimmt man die Raumkoordinaten an einer Vielzahl von Messpunkten, kann man geometrische Eigenschaften des Werkstücks vermessen, wie etwa einen Durchmesser einer Bohrung oder einen räumlichen Abstand von zwei Geometrieelementen an dem Werkstück. Darüber hinaus kann man mit einer Vielzahl von Koordinaten Messkurven bestimmen, die die Raumform bzw. Oberflächenkontur einzelner Geometrieelemente oder sogar die Raumform des gesamten Werkstücks repräsentieren. Häufig werden geometrische Abmessungen, wie etwa der Durchmesser einer Bohrung oder der Abstand zwischen zwei Geometrieelementen, erst anhand der Messkurven bestimmt.
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Die Wirtschaftlichkeit eines Koordinatenmesseräts wird in der Messtechnik fast immer durch zwei Faktoren bestimmt, nämlich die Genauigkeit und Geschwindigkeit. In diesem Zusammenhang stellt sich oft die Frage, wie viele Messpunkte in welcher Zeit mit welcher Genauigkeit gewonnen werden können. Bei der Vermessung von kleineren Werkstücken (kleiner 0,5 dm3) steht dabei meist die Genauigkeit mehr im Vordergrund, da diese Art von Werkstücken sehr kleinen Toleranzen unterliegen. Um dieser Anforderung gerecht zu werden, wird somit meist taktil gemessen. Wenn größere Bauteile (z. B. Teile oder komplette Fahrzeugkarosserien) vermessen werden, so steht ein Sensor mit μm-Genauigkeit weniger im Vordergrund. Umso mehr steht jedoch die Messgeschwindigkeit im Fokus. Die Merkmale einer Fahrzeugkarosserie sollten in einer ebenso akzeptablen Zeit vermessen werden können, was wiederum die Verwendung von taktilen Sensoren, selbst im Scanning-Betrieb, ausschließt. Somit werden für solche Einsatzgebiete Sensoren verwendet, die sowohl zeitlich als auch räumlich eine sehr hohe Punktdichte aufweisen.
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Beispiele für Sensoren mit zeitlich und räumlich sehr hoher Punktdichte sind Laser-Linien-Scanner oder Streifen-Projektoren, die für Messaufgaben an den oben genannten Werkstücken regelmäßig eingesetzt werden. Linien-Scanner projizieren zur Abstandsmessung eine Laser-Linie auf das Werkstück. Diese Linie wird dann mit einer Kamera erfasst und über Triangulationsrechnungen kann dann der Abstand zum Sensor und somit die Oberfläche des Werkstücks ermittelt werden. Diese Art von Sensor bietet zwar eine hohe zeitliche und örtliche Punktdichte, hat aber bauartsbedingt Nachteile. Es muss zur Messung von einer Fläche die Laser-Linie über das Werkstück bewegt werden. Da der projizierte Streifen nicht beliebig groß sein kann, führt dies zu einer proportionalen Erhöhung der Messzeit.
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Eine Alternative zum Linien-Scanner stellen Streifenprojektoren dar. Zur Ermittlung der Oberfläche des Werkstücks wird dazu ein Schwarz-Weiß-Linienmuster auf das Werkstück projiziert. Über eine Kamera wird daraufhin das Streifenmuster erfasst und vergleichbar der Auswertung am Linien-Scanner die Oberfläche des Werkstücks über Triangulation errechnet. Diese Art von Sensoren haben Nachteile, weil die Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks diffus reflektierend sein kann.
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Deshalb wird häufig taktil gemessen. Bei einer taktilen Messung sind jedoch Vorinformationen z. B. über die Art und Orientierung des benutzten Tasters, die Lage/Orientierung einer auf dem Koordinatenmessgerät befestigten Drehachse oder die Lage/Orientierung eines sich auf dem Koordinatenmessgerät befindlichen Werkstücks erforderlich. Diese Vorabinformation muss aktuell durch eine manuelle Bedienung des Nutzers in einem Voreinmessschritt erstellt werden. Dazu wird entweder die Lage einer Einmesskugel manuell grob eingemessen (Tasterkalibrierung), die Raumachse der Drehachse manuell grob vermessen oder die Lage des Werkstücks manuell grob vermessen. Sobald dieses grobe, manuelle Einmessen erfolgt ist, kann danach in einem automatisierten Schritt das jeweilige Merkmal automatisiert erneut vermessen werden, wobei eine entsprechend angepasste Strategie bzw. entsprechend angepasste Stützstellenzahlen eingesetzt werden.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Koordinatenmesssystem (KMB) bereitzustellen, das diese Art der Messung vereinfacht.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein KMG mit: einem Taster zum Antasten eines zu vermessenden Objekts innerhalb eines fest definierten Messvolumens, das dem KMG zugeordnet ist und das ein KMG-spezifisches Koordinatensystem definiert; einer Auswerte- und Steuereinheit; und einer ToF-Kamera, wobei die ToF-Kamera zum Ausleuchten und Aufnehmen von mindestens einem ToF-Bilds einer Szene im Messvolumen eingerichtet ist, wobei das ToF-Bild ein ToF-spezifisches Koordinatensystem definiert, welches sich vom KMG-spezifischen Koordinatensystem unterscheidet, und wobei die Szene ein charakteristisches Merkmal aufweist, dessen Geometrie und/oder Lage in Bezug auf das KMG-spezifische Koordinatensystem bekannt ist bzw. sind; wobei die Auswerte- und Steuereinheit eingerichtet ist, das charakteristische Merkmal im ToF-Bild zu erkennen und die Geometrie und/oder Lage des erkannten charakteristischen Merkmals im ToF-spezifischen Koordinatensystem zu bestimmen; und wobei die Auswerte- und Steuereinheit ferner eingerichtet ist, basierend auf der Geometrien und/oder Lagen des charakteristischen Merkmals im KMG-spezifischen Koordinatensystem und im ToF-spezifischen Koordinatensystem eine Abbildungsfunktion zum Referenzieren des KMG-spezifischen Koordinatensystems auf das ToF-spezifische Koordinatensystem, oder umgekehrt, zu bestimmen.
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Die ToF-Kamera liefert die oben genannte Vorabinformation, so dass sich eine manuelle grobe Voreinmessung erübrigt. Alle Messschritte können automatisiert erfolgen. Die Geometrie und Lage eines bislang unbekannten Tasters können automatisiert grob vermessen werden. Die Lage einer Drehachse kann automatisiert grob errechnet werden. Die Lage eines Werkstücks kann automatisiert grob vermessen werden.
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Bei einer Ausgestaltung ist die Auswerte- und Steuereinheit ferner eingerichtet, im ToF-spezifischen Koordinatensystem eine Geometrie und/oder Lage eines unbekannten Objekts aus einem ToF-Bild zu bestimmen, welches das unbekannte Objekt innerhalb des Messvolumens zeigt, und basierend auf der so bestimmten Geometrie und/oder Lage des unbekannten Objekts einen Prüfplan im KMG-spezifischen Koordinatensystem für das unbekannten Objekts zu bestimmen, ohne dass das unbekannte Objekt vorab manuell grob im KMG-spezifischen Koordinatensystem eingemessen wurde.
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Unter einem Prüfplan wird nachfolgend ein Fahrplan für den Taster des Koordinatenmessgeräts verstanden. Dieser Fahrplan definiert die Bewegungswege des Tasters während einer automatisierten Messung. Dieser Fahrplan definiert ferner die Antastpunkte (am zu vermessenden Objekt), die Stützstellen entsprechen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist das unbekannte Objekt ein austauschbarer, hinsichtlich seines Aufbaus unbekannter Taster, der mindestens einen Taststift aufweist, wobei jeder der Taststifte mindestens ein Verbindungselement und eine Tastkugel aufweist, die an einem freien Ende des entsprechenden Taststifts vorgesehen ist, und wobei der Prüfplan eine Kalibrierung des unbekannten Tasters darstellt.
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Die Taster werden oft anwendungsabhängig vom Nutzer zusammengebaut. Die Hersteller der KMG stellen zu diesem Zweck Tasterbausätze bereit. Die Tasterbausätze weisen Verbindungselemente, Gelenkstücke und Tastkugeln auf. Diese Elemente können in unterschiedlichen Abmessungen vorliegen. Somit können eine Vielzahl unterschiedlicher Taster durch den Nutzer selbst konfiguriert werden. Vor einem Einsatz des selbstkonfigurierten Tasters ist es erforderlich, dass das KMG den Aufbau des selbstkonfigurierten Tasters kennt. Anderenfalls ist keine genaue Koordinatenbestimmung möglich. Deshalb müssen diese selbstkonfigurierten Taster kalibriert werden. Die oben genannte Ausgestaltung erlaubt die Tasterkalibrierung.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung zeigt das ToF-Bild der Szene sowohl den unbekannten Taster als auch eine Einmesskugel, deren Abmessungen bekannt sind und die fix, und vorzugsweise dauerhaft, an einer bekannten Position einer Basis des KMG angeordnet ist, als charakteristisches Merkmal.
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Weiter ist es bevorzugt, wenn das charakteristische Merkmal um eine Drehachse rotiert, die im ToF-Bild selbst nicht erkennbar ist, wobei die Auswerte- und Steuereinheit ferner eingerichtet ist, mehrere zeitlich versetzte ToF-Bilder nach einer jeweiligen Position des charakteristischen Merkmals im jeweiligen ToF-Bild hinsichtlich einer Lage der Drehachse im KMG-spezifischen Koordinatensystem auszuwerten.
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Insbesondere kann das charakteristische Merkmal stationär fix und permanent im Messvolumen vorgesehen sein, wobei die Auswerte- und Steuereinheit ferner eingerichtet ist, die ToF-Kamera zyklisch wiederkehrend zu veranlassen, ein neues ToF-Bild einschließlich des charakteristischen Merkmals aufzunehmen, und wobei die Auswerte- und Steuereinheit ferner eingerichtet ist, zumindest zwei der neuen ToF-Bilder hinsichtlich einer jeweiligen Position des charakteristischen Merkmals im ToF-spezifischen Koordinatensystem auszuwerten und eine Drift im KMG-spezifischen Koordinatensystem für den Fall zu bestimmen, dass sich die jeweilige Position des charakteristischen Merkmals im ToF-spezifischen Koordinatensystem wesentlich ändert.
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Vorzugsweise ist die ToF-Kamera während eines Referenzierungsvorgangs zumindest an einer Position stationär fix außerhalb des Messvolumens angeordnet und erfasst vorzugsweise das gesamte Messvolumen.
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Bei einer anderen Ausgestaltung weist das charakteristische Merkmal auf: eine Einmesskugel; ein Teil eines Maschinengestells, das den Taster innerhalb des Messvolumens bewegt; ein Referenztaster; und/oder ein Tastermagazin.
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Ferner wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Referenzieren eines KMG-fremden Koordinatensystems auf ein KMG-spezifisches Koordinatensystem, das die folgenden Schritte aufweist: Aufnehmen eines ToF-Bilds mit einer ToF-Kamera eines KMG, wobei die ToF-Kamera zum Ausleuchten und Aufnehmen des ToF-Bilds positioniert ist, wobei das ToF-Bild ein ToF-spezifisches Koordinatensystem definiert, das sich von dem KMG-spezifischen Koordinatensystem unterscheidet, und eine Szene in einem Messvolumen des KMG (10) zeigt, die ein charakteristisches Merkmal aufweist, dessen Geometrie und/oder Lage im KMG-spezifischen Koordinatensystem bekannt ist bzw. sind; Erkennen des charakteristischen Merkmals im ToF-Bild mittels Bilderkennung, die durch eine Auswerte- und Steuereinheit des KMG durchgeführt wird; Bestimmen einer Geometrie und/oder Lage des erkannten charakteristischen Merkmals im ToF-Bild; und Bestimmen einer Abbildungsfunktion durch die Auswerte- und Steuereinheit basierend auf den Geometrien und/oder Lagen des charakteristischen Merkmals im KMG-spezifischen Koordinatensystem und im Tof-spezifischen Koordinatensystem, um die Koordinatensysteme aufeinander zu referenzieren.
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Vorzugsweise weist das Verfahren ferner die Schritte auf: Bestimmen einer Geometrie, insbesondere eines Aufbaus, und einer Lage eines unbekannten Tasters sowie zumindest einer Lage einer bekannten Einmesskugel aus einem ToF-Bild; Bestimmen der entsprechenden Geometrien und Lagen im KMG-spezifischen Koordinatensystem; Bestimmen eines Prüfplans im KMG-spezifischen Koordinatensystem, insbesondere für eine Tasterkalibrierung, für den unbekannten Taster, ohne dass der unbekannte Taster vorab manuell grob im KMG-spezifischen Koordinatensystem eingemessen wurde.
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Insbesondere weist das Verfahren ferner die Schritte auf: Drehen des charakteristischen Merkmals um eine Drehachse im Messvolumen; Erzeugen von mehreren, zeitlich versetzten ToF-Bildern; Ermitteln einer jeweiligen Lage des charakteristischen Merkmals aus den ToF-Bildern; und Auswerten der jeweiligen Lagen des charakteristischen Merkmals hinsichtlich einer Orientierung der Drehachse im KMG-spezifischen Koordinatensystem.
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Insbesondere weist das Verfahren ferner die Schritte auf: permanentes stationäres Fixieren des charakteristischen Merkmals im Messvolumen; zyklisch wiederkehrendes Aufnehmen eines neuen ToF-Bilds, das immer das charakteristische Merkmal enthält; Auswerten von mindestens zwei der neuen ToF-Bilder hinsichtlich einer jeweiligen Position des charakteristischen Merkmals im ToF-spezifischen Koordinatensystem; und Bestimmen einer Drift im KMG-spezifischen Koordinatensystem für den Fall, dass sich die jeweilige Position des charakteristischen Merkmals im ToF-spezifischen Koordinatensystem wesentlich ändert.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht eines Koordinatenmessgeräts in exemplarischer Portalbauweise,
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2 zeigt mehrere unterschiedliche Taster;
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3 zeigt einen Referenztaster und einen unbekannten neuen Taster;
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4 zeigt eine Abtastung einer Einmesskugel innerhalb eines Messvolumens, wobei die Einmesskugel durch eine Aufspannung räumlich fixiert gehalten ist;
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5 einen gewöhnlichen Taster (5A) und einen Taster zur Abtastung von Hinterschneidungen (5B);
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6 ein Flussdiagramm eines Referenzierungsverfahrens;
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7 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum groben Bestimmen von Koordinaten eines Werkstücks; und
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8 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Tasterkalibrierung.
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In 1 ist ein Koordinatenmessgerät exemplarisch in der Portalbauweise gezeigt und in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Das Koordinatenmessgerät 10 (nachfolgend auch kurz als ”KMG” bezeichnet) weist eine Basis 12 auf, auf der ein Portal 14 angeordnet ist. Eine Traverse des Portals 14 trägt einen Schlitten 16, an dem eine Pinole 18 angeordnet ist. Das KMG weist ferner einen oder mehrere, vorzugsweise elektrische, Antriebe (hier nicht dargestellt) auf, mit denen das Portal 14 in Richtung eines Pfeils 20 horizontal relativ zu der Basis 12 bewegbar ist. Des Weiteren kann der Schlitten 16 entlang eines Pfeils 22 an dem Portal 14 horizontal, und vorzugsweise senkrecht zur ersten Richtung 22, bewegt werden. Die Pinole 18 kann in Richtung eines Pfeils 24 vertikal relativ zu dem Schlitten 18 bewegt werden. Die Richtungen 20, 22 und 24 bilden vorzugweise ein kartesisches Koordinatensystem. An der Basis 12, dem Portal 14 und der Pinole 18 können jeweils Maßstäbe 26 angeordnet sein, mit deren Hilfe eine aktuelle Position des Portals 14, des Schlittens 16 und/oder der Pinole 18 bestimmbar ist.
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An einem unteren freien Ende der Pinole 18 ist ein Taster 28 angeordnet, der einen Taststift 30 mit einer Tastkugel 31 trägt. Der Taster 28 kann mit einem oder mehreren, vorzugsweise elektrischen, Antrieben des KMG 10, die hier nicht dargestellt sind, innerhalb eines Messvolumens 33 bewegt werden, welches hier durch die Bewegungsachsen und -bereiche (20–24) des Portals 14, des Schlittens 16 und der Pinole 18 aufgespannt ist und mit einer gestrichelten Hilfslinie veranschaulicht ist. Der Taststift 30 mit seiner Tastkugel 31 dient zum Antasten eines Werkstücks 32, welches auf der Basis 12 des KMG 10 fix angeordnet ist. Die Basis 12 dient somit auch als Werkstückaufnahme.
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Das KMG 10 ist hier in Form eines typischen Beispiels dargestellt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Koordinatenmessgeräte in Portalbauweise beschränkt und kann gleichermaßen bei Koordinatenmessgeräten eines anderen Typs und anderen Vorrichtungen zum Vermessen von Werkstücken verwendet werden, etwa bei Koordinatenmessgeräten in Horizontalarm-Bauweise.
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Das Werkstück 32 besitzt in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel exemplarisch zwei Bohrungen 34a, 34b, deren Lage, Form, Tiefe, und Durchmesser mittels des KMG 10 vermessen werden soll. Die Bohrungen 34a, 34b sind typische Geometriemerkmale des Werkstücks 32, die mittels Koordinatenmessgeräten vermessbar sind. Andere Geometriemerkmale können z. B. zylindrische oder nicht-zylindrische Vorsprünge, Zapfen oder Ausnehmungen, Hinterschneidungen, Kantenlängen oder gar eine komplexe Raumform sein, wie etwa die Topographien einer Turbinenschaufel. In Abhängigkeit der zu vermessenden Geometrien werden oft unterschiedliche Taster 28 eingesetzt, wie es nachfolgend noch näher unter Bezugnahme auf die 2 bis 5 erläutert werden wird.
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Mit der Bezugsziffer 36 ist eine Steuerung bezeichnet, die die Antriebe des KMG 10 steuert. In vielen Fällen ist die Steuerung 36 eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS).
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Mit der Bezugsziffer 38 ist z. B. ein Computer bezeichnet, auf dem eine Mess- bzw. Auswertesoftware 39 ausgeführt wird. Der Computer bzw. Rechner 38 bestimmt mit der Software 39 eine aktuelle Position des Portals 14, des Schlittens 16 und/oder der Pinole 18, insbesondere unter Berücksichtigung der Maßstäbe 26. Die von der Steuerung 36 gelieferten Messwerte werden durch die Software 39 ausgewertet (z. B. Transformation in ein Werkstück-eigenes Koordinatensystem). Die Software 39 erzeugt insbesondere ein Messprotokoll 40, das hier beispielhaft eine Messkurve 42 und eine nummerische Ausgabe der Messwerte 44 beinhaltet. Gemeinsam bilden die Steuerung 36 und der Computer 38 mit der Mess- bzw. Auswertesoftware 38 eine Auswerte- und Steuereinheit.
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Prinzipiell ist es denkbar, die Auswerte- und Steuereinheit mit nur einem Computer 38 oder mit nur einer Steuerung 36 zu realisieren, wobei die jeweils andere Funktionalität dann per Hardware und/oder per Software integriert ist. Beispielsweise könnte auf einem Computer 38 eine speicherprogrammierbare Steuerung 36 in Form einer entsprechenden Software implementiert sein. Aus diesem Grund ist die Darstellung in 1 mit einer Steuerung 36 und einem separaten (Auswerte)-Computer 38 nur eine von mehreren Realisierungsvarianten.
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Die Steuerung 36 besitzt in diesem Beispiel einen ersten Speicher 46, in dem Messparameter (z. B. Taster-Kennzahlen) für die Vermessung des Werkstücks 32 gespeichert sind. Die Messparameter im Speicher 46 können u. a. die Bewegungen des Tasters 28 innerhalb des Messvolumens 33 bestimmen. Sie können insbesondere eine Bewegungsbahn und die Geschwindigkeiten und Beschleunigungen des Tasters 28 während eines Messvorgangs festlegen.
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Mit der Bezugsziffer 48 ist ein zweiter Speicher oder Speicherbereich bezeichnet, in dem zweite Messparameter gespeichert sind, die eine modifizierte Bewegung des Tasters 28 innerhalb des Messvolumens 33 definieren. Die ersten Messparameter im Speicher 46 werden typischerweise vom Anwender mit Hilfe der Mess- und Auswertesoftware 39 vor Beginn eines eigentlichen Messdurchlaufs bestimmt. Hierbei geht es insbesondere um eine Tasterkalibrierung.
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Da unterschiedlichen Taster 28 eingesetzt werden, muss jeder der Taster 28 vor einer Benutzung kalibriert werden, d. h. eingemessen werden. Dabei werden Lage- und Größenunterschiede des Tasters 28, vorzugsweise im Vergleich zu einem Referenztaster des KMG 10, ermittelt. Ein Referenztaster ist ein mit dem KMG 10 gelieferter und besonders gekennzeichneter Taster 28, dessen Abmessungen das KMG 10 in einem seiner Speicher 46, 48 hinterlegt hat. Damit der richtige Messwert 44 am Computer 38 angezeigt wird, können von der Steuerung 36 oder der Software 39 noch folgende Daten berücksichtigt werden: Tastertyp, Antastrichtung, Taststifttyp, Radius der Tastkugel und Ähnliches.
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Das Kernstück des KMG 10 ist der Taster bzw. Tastkopf 28. Es gibt schaltende und messende Taster 28. In der 2 sind vier unterschiedliche Taster 28-1 bis 28-4 gezeigt. 3 zeigt eine Detailansicht eines (Referenz-)Tasters 28-1 und eines sternförmigen Tasters 28-4. Die nachfolgende Beschreibung erfolgt unter gleichzeitiger Bezugnahme auf die 2 und 3.
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Das KMG 10 ermittelt immer den gleichen Ort bzw. die gleiche Position, egal welcher Tastertyp benutzt wird und aus welcher (Antast-)Richtung 50 (vergleiche 2) das Werkstück 32 angetastet wird.
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Der Aufbau und die Abmessungen des Referenztasters 28-1 sind bekannt und in mindestens einer der Speichern 46 oder 48 hinterlegt. Ein Taster 28 kann modular aufgebaut sein. Der Referenztaster 28-1 weist z. B. einen einzigen Taststift 30 auf, an dessen freiem Ende die Tastkugel 31 angebracht ist. Der Taststift 30 weist ein einziges Verbindungselement 52 auf, das die Tastkugel 31 mit einem Tastschaft 54 verbindet. Die Abmessungen des Verbindungselements 52 und der Tastkugel 31 sowie deren Ausrichtungen sind bekannt. Oft verfügen KMG 10 aber auch über Tasterbausätze, aus deren Bestandteilen anwendungsspezifische Taster 28 durch den Nutzer selbst zusammengebaut werden können. Neben den Verbindungselementen 52 gehören Gelenkstücke 56 zu den Tasterbausätzen. Die Taster 28-2 und 28-3 der 2 verfügen jeweils über zwei Gelenkstücke 56-1 und 56-2. Der Taster 28-2 sowie der Taster 28-3 weisen jeweils exemplarisch vier Verbindungselemente 52 auf. Beide Taster 28-2 und 28-3 verfügen jeweils über zwei Taststifte 30-1 und 30-2. Die Taststifte 30-1 und 30-2 des Tasters 28-2 sind L-förmig ausgebildet, wobei die Verbindungselemente 52 jeweils einen Winkel von 90° einschließen. Die Taststifte 30-1 und 30-2 des Tasters 28-3 sind winklig (Winkel ungleich 90°) ausgebildet.
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Der Taster 28-4 ist sternförmig ausgebildet und weist in 2 fünf Stifte 30 auf, die rechtwinklig zueinander am Tasterschaft 54 angebracht sind.
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Die in den 2 und 3 gezeigten Tastertypen können also unterschiedlichst ausgestaltet sein. Die Verbindungselemente 52 bzw. die Taststifte 30 können unterschiedliche Längen aufweisen, da z. B. tiefere Bohrungen 34 längere Taststifte 30 erfordern. Wenn die Bohrungen 34 eine bestimmte Neigung aufweisen, braucht man zu deren Vermessung entsprechend geneigte Taststifte, um ein Inneres der Bohrung 34 gut erreichen zu können. Jedoch erfordert jeder der Taster 28 eine Tasterkalibrierung. Für jeden der Taster 28 ist es erforderlich, zu wissen, wo die Enden bzw. Tastkugeln 31 der Taststifte 30 lokalisiert sind und welche Radien die Tastkugeln 31 haben. Sobald diese Daten für jeden der Taststifte 31 bzw. für jeden Taster 28 einmal ermittelt und anschließend abgespeichert sind, können die Taster 28 ohne aufwendige Neuvermessung gewechselt werden. Die Software 39 kann dann automatisch berücksichtigen, welcher der Taster 28 gerade verwendet wird.
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Damit bei einem Messvorgang unterschiedliche Taster 28 mit den unterschiedlichsten Konfigurationen der Tasterstifte 30 gleiche Messergebnisse liefern, muss der Computer 38 vorab die räumliche Relativanordnung der Taststifte 30, die Abmessungen der Taststifte 30 sowie die Radien der Tastkugeln 31 kennen. Diese Parameter werden bei der Tasterkalibrierung bestimmt. Nach der Kalibrierung kennt der Rechner 38 die Mittenabstände der Tastkugeln 31-4 zum Mittelpunkt 60 der Kugel 31-1 des Referenztasters 28-1 (vergleiche 3). Auch der Durchmesser der Tastkugeln 31-4 ist dann bekannt bzw. berechenbar.
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Als Bestimmungsnormal wird für die Kalibrierung üblicherweise eine formgenaue Kugel verwendet, wie es exemplarisch in der 4 gezeigt ist. In der 4 ist ein derartiges Kugelnormal bzw. eine Einmesskugel 62 gezeigt. Die Einmesskugel 62 wird an einer beliebigen Position auf der Basis 12 des KMG 10 positioniert. Zu diesem Zweck kann eine Aufspannung 64 verwendet werden, die eine Störkontur für Messungen innerhalb des Messvolumens 33 darstellt. Im Nachfolgenden wird nun eine Tasterkalibrierung beschrieben.
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In einem ersten Schritt bringt die Steuer- und Auswerteeinheit die Position der Einmesskugel 62 innerhalb des Messvolumens 33 in Erfahrung. Üblicherweise wird die Einmesskugel 62 dazu mit dem Referenztaster 28-1, dessen Position und Geometrie der Rechner 38 kennt, von mehreren Seiten nach einer festgelegten Strategie (manuell) angetastet. Der Rechner 38 ermittelt daraus den Mittelpunkt der Einmesskugel. Mit jedem weiteren Taster 28 (in der 4 ist ein weiterer Taster 28-2 gezeigt), der verwendet werden soll, wird nun die Einmesskugel ebenfalls angetastet, wobei die Einmesskugel 62 natürlich an ihrer eingemessenen Position verbleibt. Aus den so gewonnenen Daten werden für den (unbekannten) Taster 28-2 Korrekturgrößen errechnet. In einem nächsten Schritt berechnet der Rechner 38 eine Ortsdifferenz des Tasters 28-2 zum Referenztaster 28-1. Aus den Antastungen werden eine Kugel und deren Mittelpunkt berechnet. Der berechnete Mittelpunkt ist natürlich nur für den Referenztaster 28-1 richtig. Jedoch kann auf Basis dieser Daten die für den Taster 28-2 benötigte Korrekturgröße ermittelt werden. In einem weiteren Schritt kann der Radius der Tastkugel 31 des Tasters 28-2 bestimmt werden. Der Radius der vom Rechner 38 unter Einsatz des Tasters 28 ermittelten Einmesskugel 62 ist um den Tastkugelradius größer als der bekannte exakte Radius der Einmesskugel 62. Der Tastkugelradius kann daher als Differenz des gemessenen Kugelradius und des gespeicherten Radius der Einmesskugel 62 bestimmt werden.
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Die für die Tasterkalibrierung erforderlichen groben Vorabantastungen erfolgen konventionell durch eine manuelle Steuerung der Taster 28 durch das Messvolumen 33.
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Die oben beschriebene Tasterkalibrierung lässt sich aber auch automatisieren. Zu diesem Zweck wird eine in der 1 gezeigte Time-of-Flight-Kamera (nachfolgend kurz auch als ToF-Kamera bezeichnet) 70 eingesetzt. Das KMG10 weist die ToF-Kamera 70 auf. Die ToF-Kamera 70 ist mit der Steuerung 36 und/oder dem Computer 38 (fest verdrahtet und/oder drahtlos) zwecks Signal- und Datenaustausch verbunden. Die ToF-Kamera 70 ist so positioniert, dass vorzugsweise das gesamte Messvolumen 33 erfassbar ist. Die ToF-Kamera 70 kann beweglich relativ zur Basis 12 ausgebildet sein. Eine (Aufnahme-)Position der ToF-Kamera 70 ist aber bekannt. Aus den Bildern, die die ToF-Kamera 70 aufnimmt, können Positionen, Lagen und Abmessungen von im Messvolumen 33 befindlichen Gegenständen, wie z. B. dem oder den Tastern 28, der Einmesskugel 62, der Aufspannung 64 und Ähnliches zumindest grob durch die Steuer- und Auswerteeinheit bestimmt werden. Die im Zusammenhang mit der Tasterkalibrierung erforderlichen späteren, genauen Antastbewegungen können auf Basis dieser Daten automatisiert erfolgen. Anders als bei der konventionellen Vorgehensweise ist eine Annäherung der Taster 28 an die Einmesskugel 62 nicht länger durch eine manuelle Steuerung erforderlich, selbst wenn die Taster 28 sehr komplex aufgebaut sind. Exemplarisch sei in diesem Zusammenhang auf Taster 28 hingewiesen, mit denen Hinterschneidungen vermessbar sind. Ein derartiger Taster 28-5 ist in der 5B gezeigt, wo hingegen die 5A einen ”einfachen” Referenztaster 28-1 zeigt. Mit dem Referenztaster 28-1 der 5A lassen sich horizontale Hinterschneidungen nicht vermessen. Dies kann nur der Taster 28-5 der 5B.
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Generell gilt, dass eine ToF-Kamera 70 ein 3D-Kamerasystem darstellt, das mittels eines Laufzeitverfahrens (Time-of-Flight-Verfahren) Distanzen misst. Zu diesem Zweck wird eine Szene, wie das Messvolumen 33, mit einem Lichtimpuls ausgeleuchtet. Die Lichtimpulse werden z. B. mit LED oder Laserdioden erzeugt, die genügend schnell modulierbar sind, damit ein Kamerasensor einwandfrei Laufzeiten messen kann. Eine Impulsdauer bewegt sich dabei im Nanosekundenbereich. Die Beleuchtung wird meist im nahen Infrarot-Bereich ausgesendet. Die ToF-Kamera 70 misst für jeden Bildpunkt die Zeit, die das Licht bis zum Objekt und wieder zurück benötigt. Die benötigte Zeit ist direkt proportional zur Distanz. Die Kamera 70 liefert somit für jeden Bildpunkt die Entfernung des darauf abgebildeten Objekts.
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Die ToF-Kamera 70 kann in einem Entfernungsbereich von wenigen Dezimetern bis ca. 40 m eingesetzt werden. Eine Distanzauflösung beträgt dabei etwa 1 cm. Eine laterale Auflösung erreicht etwa 200×200 Pixel. Die Kamera 70 kann bis zu 160 Bilder pro Sekunde liefern. Ein Kernelement der ToF-Kamera 70 ist der Bildsensor, der die Laufzeit für jeden Bildpunkt separat misst. Dieser Bildsensor ähnelt dabei einem Chip für Digitalkameras, jedoch mit dem Unterschied, dass ein Pixel um einiges komplizierter aufgebaut ist. Es muss nicht einfach nur das einfallende Licht sammeln können, sondern auch die Laufzeit messen können. Es können Bildsensoren eingesetzt werden, die eine Auflösung von vorzugsweise bis zu 204×204 Pixel bei einer Kantenlänge von 45 μm aufweisen.
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Mittels der ToF-Kamera 70 ist es also möglich, Geometrien, Ausrichtungen, Topographien, Merkmalskomplexe von zu vermessenden Werkstücken, Positionen und Lagen in einem KMG-spezifischen Koordinatensystem – zumindest grob – zu bestimmen. Das KMG-spezifische Koordinatensystem ist durch das Messvolumen 33 (vergleiche 1) definiert. Die Bilder, die die ToF-Kamera 70 liefert, d. h. also die ToF-Bilder, definieren ein ToF-Kamera-spezifisches bzw. ToF-spezifisches Koordinatensystem. Im nachfolgenden wird unter Bezugnahme auf 6 beschrieben werden, wie die beiden Koordinatensysteme aufeinander referenziert werden. Unter einer ”Referenz” versteht man allgemein ein Bezugsystem. Unter ”Referenzieren” versteht man allgemein ”sich auf etwas beziehen”.
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6 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Referenzieren des KMG-spezifischen Koordinatensystems auf das ToF-spezifische Koordinatensystem (oder umgekehrt).
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In einem ersten Schritt S10 wird die ToF-Kamera 10 relativ zum Messvolumen 33, vorzugsweise außerhalb davon, positioniert. Die ToF-Kamera 70 wird so positioniert, dass sie insbesondere das gesamte Messvolumen 33 in ihrem Blickfeld hat. Es versteht sich, dass die ToF-Kamera 70 auch innerhalb des Messvolumens 33 angeordnet werden könnte. Ferner versteht es sich, dass die ToF-Kamera 70 an unterschiedlichen Orten positioniert werden kann, um auch Schattenräume von Gegenständen auszuleuchten und aufzunehmen, die sich in einer Szene bzw. Szenerie befinden, die im Blickfeld der ToF-Kamera 70 liegt. Die Szene setzt sich aus den Gegenständen innerhalb des Messvolumens 33 zusammen, die die ToF-Kamera 70 sieht. Die Szene kann auch z. B. das Portal und/oder den Taster 28 umfassen.
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In einem Schritt S12 wird das ToF-Bild der Szene aufgenommen und in Form entsprechender Daten an die Auswerte- und Steuereinheit übertragen. Die Auswerte- und Steuereinheit bestimmt mittels hinterlegten Erkennungsalgorithmen (vorzugsweise Bilderkennungsalgorithmen), die Objekte, die in der Szene enthalten sind (Schritt S14). Mindestens eines der Objekte ist hinsichtlich seiner Geometrie und/oder Lage im KMG-spezifischen Koordinatensystem bekannt. So wird beispielsweise die Einmesskugel 62 (vergleiche 4) z. B. in einer linken unteren Ecke der Basis 12 des KMG 10 – zumindest während der Dauer der Aufnahme – stationär fixiert. Die Geometrie der Einmesskugel 62, sowie ggf. der Aufspannung 64, sind im Speicher 46 (vergleiche 1) als Daten im KMG-spezifischen Koordinatensystem hinterlegt. Das Gleiche gilt für die Position bzw. Lage der Einmesskugel 62 und/oder der Aufspannung 64 innerhalb des Messvolumens 33.
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Da mindestens eine Objekt, welches in der Szene des ToF-Bilds enthalten ist, bekannt ist, können spezifische Erkennungsmerkmale des Objekts innerhalb des ToF-Bilds identifiziert werden (siehe Schritt S16). Sobald das spezifische Erkennungsmerkmal identifiziert ist, können in einem Schritt S18 die entsprechenden Koordinaten des Erkennungsmerkmals im ToF-spezifischen Koordinatensystem bestimmt werden. Vorzugsweise werden diese Koordinaten ebenfalls im Speicher 46 hinterlegt. In einem Schritt S22 werden die Koordinaten des gleichen Erkennungsmerkmals in Bezug auf das KMG-spezifische Koordinatensystem aus dem Speicher 46 abgefragt. In einem Schritt S24 wird dann eine Abbildungsfunktion bestimmt, die die Koordinaten des spezifischen Erkennungsmerkmals aus dem Koordinatensystem des KMG 10 in das Koordinatensystem der ToF-Kamera 70 abbildet. Damit ist der Referenzierungsvorgang abgeschlossen.
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Unter der Voraussetzung, dass die Position der ToF-Kamera 70 gegenüber den restlichen Komponenten (Portal, Basis, Taster, etc.) des KMG 10 nicht verändert wird und dass das im Zusammenhang mit der 6 beschriebene Referenzierungsverfahren abgeschlossen ist, können weitere spezielle Anwendungen durchgeführt werden, die nachfolgend unter Bezugnahme auf die 7 und 8 beschrieben werden.
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7 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens, mit dem die Lage bzw. Position eines (unbekannten) Werkstücks 32 – zumindest grob – anhand eines ToF-Bilds im KMG-spezifischen Koordinatensystem bestimmt wird (siehe Schritt S26). Alternativ oder ergänzend kann auch die Orientierung des Werkstücks 32 ermittelt werden. Sobald das Werkstück 32 grob lokalisiert ist, kann die Auswerte- und Steuereinheit einen Mess- bzw. Prüfplan für den Taster 28 bestimmen (Schritt S28). Der Prüfplan setzt sich aus einer beliebigen Anzahl von Stützstellen (Kontaktpunkten zwischen Taster 28 und Werkstück 32) zusammen. Der Taster 28 fährt das Werkstück 32 automatisiert entlang einer Prüfkurve ab, um eine Feinbestimmung der Koordinaten des Werkstücks 32 im KMG-spezifischen Koordinatensystem durchzuführen (siehe Schritt S30).
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Ähnliches gilt für die oben bereits erläuterte Tasterkalibrierung, die nachfolgend unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm der 8 beschrieben wird. In der 8 ist ein Flussdiagramm für ein Verfahren zur Tasterkalibrierung gezeigt. In einem ersten Schritt S32 wird grob eine Geometrie eines unbekannten Tasters 28 (vergleiche Taster 28-2 bis 28-4 in 2) anhand eines (referenzierten) ToF-Bilds bestimmt. In einem Schritt S34 werden die Tasterstifte 30 des unbekannten Tasters 28 z. B. mittels Bilderkennung identifiziert. Der Bilderkennungsalgorithmus kennt die Komponenten, aus denen die Taster 30 aufgebaut sein können. Der Bilderkennungsalgorithmus kennt also z. B. die verschiedenen Typen der Verbindungselemente 52, die Ausgestaltung der Gelenkstücke 56 und Ähnliches. Mittels der Bilderkennung lassen sich auch die Ausrichtungen der Tasterstifte 30 zumindest grob erkennen. Auch die Tasterkugeln 31 können so identifiziert werden (Schritt S36). Dies gilt auch für den Durchmesser der Tasterkugeln 31. Sobald die Geometrie und/oder Lage bzw. Position des (unbekannten) Tasters auf Basis des ToF-Bilds grob bestimmt ist, kann wiederum ein Mess- bzw. Prüfplan für diesen spezifischen Taster 28 zweckst Tasterkalibrierung bestimmt werden (Schritt S38).
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Eine weitere Anwendung, die nicht in Form eines speziellen Flussdiagramms gezeigt ist, ist in der Korrektur einer sogenannten Nullpunktsdrift zu sehen. Aufgrund äußerer Einflüsse (z. B. Temperatur) kann sich ein absoluter Nullpunkt des KMG-spezifischen Koordinatensystems über die Zeit verändern. Dies bedeutet, dass sich eine absolute Lage des Nullpunkts im Bezugssystem des KMG 10 über die Zeit ändern kann. Mit der ToF-Kamera 70 können Fixpunkte innerhalb des Messvolumens 33 zyklisch vermessen – und damit überwacht – werden. Ein derartiger Fixpunkt kann durch die Einmesskugel 62 repräsentiert werden, die in diesem Fall permanent stationär innerhalb des Messvolumens 33 installiert bleibt. Da sich die tatsächliche Position des Fixpunkts über die Zeit nicht ändert, die Lage sich aber im Bild – aufgrund der Drift – über die Zeit ändert, ist klar, dass ein Drift-Effekt vorliegt, der rechnerisch korrigiert werden kann. Eine derartige Überprüfung ist insbesondere bei langen Prüfplänen sinnvoll, die z. B. eine Stunde oder länger zum Vermessen aller erforderlichen Punkte eines Werkstücks benötigen. In diesem Fall können z. B. alle fünf Minuten zyklische Vermessungen der Fixpunkte durchgeführt werden. Verändert sich die Lage der oder des Fixpunktes über die Zeit im ToF-Bild nicht, liegt auch keine Drift vor.
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Ein weiterer Vorteil der Verwendung einer ToF-Kamera 70 ist darin zu sehen, dass Störkonturen, wie z. B. die Aufspannung 64 (vergleiche 4), erfassbar sind und bei der Bestimmung des Prüfplans (Messkurve entlang der der Taster 28 während eines Messvorgangs bewegt wird) berücksichtigt werden können.
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Das ToF-Bild kann auch ein CAD-Modell des Werkstücks 32 ersetzen. Wenn z. B. Freiformflächen taktil abgetastet werden sollen, ist es für höhere Bahngeschwindigkeiten des Tasters 28 erforderlich, dass die Richtung einer Oberflächennormale vorab bekannt ist. Diese Information wird normalerweise aus CAD-Modelldaten extrahiert. Steht aber kein CAD-Modell zur Verfügung, musste bisher sehr langsam gescannt werden. Die erforderliche Oberflächennormale kann aber aus den Daten des ToF-Bild zumindest grob abgeleitet werden.
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Ferner lässt sich mit der ToF-Kamera 70 ein Arbeitsvolumen (Messvolumen 33) des KMG 10 hinsichtlich einer Gerätesicherheit überwachen.
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Eine weitere mögliche Anwendung der ToF-Kamera 70 ist in einer schnellen Drehachse-Einmessung zu sehen. Selbst ohne Kenntnis der Ausrichtung der Drehachse kann anhand der ToF-Bilder die Drehachse im Koordinatensystem des KMG 10 bestimmt werden. Zu diesem Zweck wird ein bekannter Gegenstand (z. B. die Einmesskugel 62) an der Drehachse befestigt. Anschließend werden mehrere ToF-Bilder bei unterschiedlichen (bekannten) Drehwinkeln aufgenommen. Die Einmesskugel 62 ist in jedem der ToF-Bilder identifizierbar. Aus der bekannten und im ToF-Bild sichtbaren Kontur der Einmesskugel 62 kann auf die jeweilige Lage des Mittelpunkts der Einmesskugel 62 zurückgeschlossen werden. Aus den verschiedenen Positionen der Mittelpunkte bei den unterschiedlichen Winkelstellungen kann auf eine Bahnkurve des Mittelpunkts bei Rotation zurückgeschlossen werden. Die Bahnkurve wiederum definiert eine Fläche, auf der die Drehachse senkrecht steht. Somit lässt sich die Orientierung der Drehachse rechnerisch aus den ToF-Bildern bestimmen.
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Zusammenfassend lässt sich also sagen, dass der Einsatz einer ToF-Kamera 70 den Vorteil bietet, dass das KMG 10 keinerlei Vorabinformation z. B. über die Art und Orientierung eines neuen Tasters 28, die Lage und Orientierung einer auf dem KMG 10 befestigten Drehachse oder die Lage und Orientierung eines sich auf dem KMG 10 befindlichen Werkstücks 32 benötigt. Diese Vorabinformationen werden konventionell durch eine manuelle Bedienung des Nutzers in einem Voreinmessschritt der KMG 10 zur Verfügung gestellt. Dabei wird entweder die Lage der Einmesskugel manuell grob eingemessen (Tasterkalibrierung), die Raumachse der verbauten Drehachse manuell grob eingemessen oder die Lage des Werkstücks manuell grob eingemessen. Sobald diese grobe manuelle Einmessung erfolgt ist, kann danach in einem automatisierten Schritt das jeweilige Merkmal erneut vermessen werden. Der Einsatz der ToF-Kamera 70 macht die manuelle Voreinmessung überflüssig.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Koordinatenmessgerät/KMG
- 12
- Basis
- 14
- Portal
- 16
- Schlitten
- 18
- Pinole
- 20–24
- Pfeile/Richtungen
- 26
- Maßstäbe
- 28
- Taster
- 30
- Taststift
- 31
- Tastkugel
- 32
- Werkstück
- 33
- Messvolumen
- 34a/34b
- Bohrungen
- 36
- Steuerung
- 38
- Computer
- 39
- Software
- 40
- Messprotokoll
- 42
- Messkurve
- 44
- Messwerte
- 46
- 1. Speicher
- 48
- 2. Speicher
- 50
- Antastrichtung
- 52
- Verlängerungselement
- 54
- Tasterschaft
- 56
- Gelenkstück
- 58
- Mittenabstand
- 60
- Mittelpunkt
- 62
- Kugelnormal/Einmesskugel
- 64
- Aufspannung
- 70
- ToF-Kamera
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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