DE102021121073A1

DE102021121073A1 - Measuring device and method for measuring an object

Info

Publication number: DE102021121073A1
Application number: DE102021121073.9A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Kaumanns; Janne JUSLIN; Lucas Siegel
Original assignee: Inline3d GmbH
Current assignee: Inline3d GmbH
Priority date: 2021-08-13
Filing date: 2021-08-13
Publication date: 2023-02-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung (10) und ein Verfahren zur Messung eines Objekts, wobei mit einer Mehrzahl von relativ zu einem zu messenden Objekt (15) in unterschiedlichen Positionen angeordneten Kameras (11, 12, 13) der Messvorrichtung Bilder des Objekts erfasst werden, wobei Bilddaten der Bilder mittels einer Verarbeitungseinrichtung (14) der Messvorrichtung gespeichert und verarbeitet werden, wobei die Verarbeitungseinrichtung aus den Bilddaten ein dreidimensionales Modell des Objekts berechnet, welches durch Objektpunkte in einem Koordinatensystem repräsentiert ist, wobei die Verarbeitungseinrichtung in einem ersten Schritt relative Positionen der Objektpunkte des Objekts zueinander berechnet, wobei die Verarbeitungseinrichtung in einem zweiten Schritt aus Referenzdaten eines Referenzobjekts (18) absolute Referenzpositionen von Referenzobjektpunkten, die eine Maßverkörperung repräsentieren, berechnet, wobei die Verarbeitungseinrichtung in einem dritten Schritt die relativen Positionen der Objektpunkte des Objekts nach der Maßverkörperung transformiert.The invention relates to a measuring device (10) and a method for measuring an object, with a plurality of cameras (11, 12, 13) of the measuring device arranged in different positions relative to an object (15) to be measured being used to capture images of the object, wherein image data of the images are stored and processed by means of a processing device (14) of the measuring device, wherein the processing device calculates a three-dimensional model of the object from the image data, which is represented by object points in a coordinate system, the processing device in a first step relative positions of the object points of the object to one another is calculated, with the processing device in a second step calculating absolute reference positions of reference object points, which represent a material measure, from reference data of a reference object (18), with the processing device in a third step calculating the rel ative positions of the object points of the object are transformed according to the material measure.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung und ein Verfahren zur Messung eines Objektes, wobei mit einer Mehrzahl von relativ zu einem zu messenden Objekt in unterschiedlichen Positionen angeordneten Kameras einer Messvorrichtung Bilder des Objektes erfasst werden, wobei Bilddaten der Bilder mittels einer Verarbeitungseinrichtung der Messvorrichtung gespeichert und verarbeitet werden, wobei die Verarbeitungseinrichtung aus den Bilddaten ein dreidimensionales Modell des Objektes berechnet, welches durch Objektpunkte in einem Koordinatensystem repräsentiert ist.The invention relates to a measuring device and a method for measuring an object, images of the object being captured with a plurality of cameras of a measuring device arranged in different positions relative to an object to be measured, image data of the images being stored and processed by a processing device of the measuring device , wherein the processing device calculates a three-dimensional model of the object from the image data, which is represented by object points in a coordinate system.

Derartige Vorrichtungen und Verfahren sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt und werden zur berührungslosen Messung von Produkten bzw. Bauteilen eingesetzt. Insbesondere bei der industriellen Herstellung von Bauteilen in größeren Stückzahlen wird eine maßliche Überprüfung dieser Bauteile durchgeführt, um ein angestrebtes Qualitätsniveau einhalten zu können. Zur Vereinfachung einer derartigen Prüfung kommen vielfach Lehren als eine Maßverkörperung des Bauteils zum Einsatz. Handelt es sich um größere, komplexere Bauteile, wie beispielsweise Karosseriebauteile im Fahrzeugbau, können ebenfalls Lehren zur Prüfung dieser Bauteile eingesetzt werden.Devices and methods of this type are sufficiently known from the prior art and are used for non-contact measurement of products or components. Especially in the industrial production of components in larger quantities, a dimensional check of these components is carried out in order to be able to maintain a desired level of quality. To simplify such a test, gauges are often used as a material measure of the component. If the components are larger, more complex, such as bodywork components in vehicle construction, gauges can also be used to test these components.

Eine Prüfung eines derartigen Bauteils kann vielfach auch durch eine Bildmessung des Bauteils in einen Fertigungsprozess integriert und so vereinfacht werden. Bei der Bildmessung wird das Bauteil bzw. das zu messende Objekt von zumindest zwei Kameras aus unterschiedlichen Positionen aufgenommen. Die mit den Kameras aufgenommenen Bilddaten werden mittels einer Verarbeitungseinrichtung bzw. eines Computers verarbeitet, wobei mittels Triangulation ein dreidimensionales Modell des Bauteils berechnet wird. Dabei können Objektpunkte, wie beispielsweise ein Mittelpunkt einer Bohrung in dem Bauteil, mittels Bildverarbeitung identifiziert und eine Lage der jeweiligen Obj ektpunkte in einem Koordinatensystem bestimmt und durch eine Matrix beschrieben werden. Eine hohe Messgenauigkeit kann dabei dadurch erzielt werden, dass eine größere Anzahl an Kameras verwendet wird, die das Bauteil aus unterschiedlichen Positionen aufnehmen. Auch wird es dadurch möglich eine Vielzahl von Objektpunkten, die sich beispielsweise an gegenüberliegenden Seiten des Bauteils befinden, zu erfassen.A test of such a component can often also be integrated into a production process by an image measurement of the component and can thus be simplified. During image measurement, the component or the object to be measured is recorded by at least two cameras from different positions. The image data recorded with the cameras are processed using a processing device or a computer, with a three-dimensional model of the component being calculated using triangulation. Object points, such as a center point of a hole in the component, can be identified by image processing and a position of the respective object points can be determined in a coordinate system and described by a matrix. High measurement accuracy can be achieved by using a larger number of cameras that record the component from different positions. This also makes it possible to detect a large number of object points that are located, for example, on opposite sides of the component.

Ob die jeweils vermessenen Bauteile bzw. Positionen der Objektpunkte den Qualitätsanforderungen entsprechen, ergibt sich aus einem Vergleich der gemessenen Ist-Positionen mit Soll-Positionen, die auch durch ein Toleranzfeld repräsentiert sein können. Die Soll-Positionen werden von einem Referenzbauteil bzw. Referenzobjekt ermittelt, welches zur Kalibrierung der Messvorrichtung mit dieser vermessen wurde. Das Referenzobjekt kann dabei im Wesentlichen mit den zu messenden Objekten identisch sein, wobei die Objektpunkte des Referenzobjektes dann als Referenzobjektpunkte für alle nachfolgenden Messungen von Objekten bzw. Bauteilen herangezogen werden. Um besonders genauere Referenzpositionen von Referenzobjektpunkten zu erhalten ist es bekannt Referenzobjekte regelmäßig mittels einer Koordinatenmessmaschine zu vermessen. Maßliche Abweichungen des Referenzobjektes können dann bei einer Kalibrierung der Messvorrichtung berücksichtigt werden. Bei einer Messung des Referenzobjektes kann eine entsprechende Korrektur der Referenzpositionen erfolgen. Eine derartige Messvorrichtung ist beispielsweise aus der WO 2018/185363 A1 bekannt. Nachteilig ist hier jedoch, dass stets eine vergleichende Messung eines Referenzbauteils mit einer Koordinatenmessmaschine erforderlich ist, wodurch sich eine Kalibrierung aufwendig und fehleranfällig gestaltet.A comparison of the measured actual positions with target positions, which can also be represented by a tolerance field, reveals whether the measured components or positions of the object points correspond to the quality requirements. The target positions are determined by a reference component or reference object, which was measured with the measuring device in order to calibrate it. The reference object can be essentially identical to the objects to be measured, with the object points of the reference object then being used as reference object points for all subsequent measurements of objects or components. In order to obtain particularly accurate reference positions of reference object points, it is known to regularly measure reference objects using a coordinate measuring machine. Dimensional deviations of the reference object can then be taken into account when calibrating the measuring device. A corresponding correction of the reference positions can take place when the reference object is measured. Such a measuring device is, for example, from WO 2018/185363 A1 known. The disadvantage here, however, is that a comparative measurement of a reference component with a coordinate measuring machine is always required, which means that calibration is complex and error-prone.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Verfahren und eine Messvorrichtung zur Messung eines Objektes vorzuschlagen, das eine vereinfachte Messung großformatiger und komplexer Bauteile mit hoher Genauigkeit ermöglicht.The invention is therefore based on the object of proposing a method and a measuring device for measuring an object, which enables simplified measurement of large-format and complex components with high accuracy.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Messvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 17 gelöst.This object is achieved by a method having the features of claim 1 and a measuring device having the features of claim 17.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Messung eines Objektes werden mit einer Mehrzahl von relativ zu einem zu messenden Objekt in unterschiedlichen Positionen angeordneten Kameras einer Messvorrichtung Bilder des Objektes erfasst, wobei Bilddaten der Bilder mittels einer Verarbeitungseinrichtung der Messvorrichtung gespeichert und verarbeitet werden, wobei die Verarbeitungseinrichtung aus den Bilddaten ein dreidimensionales Modell des Objektes berechnet, welches durch Objektpunkte in einem Koordinatensystem repräsentiert ist, wobei die Verarbeitungseinrichtung in einem ersten Schritt relative Positionen der Objektpunkte des Objektes zueinander berechnet, wobei die Verarbeitungseinrichtung in einem zweiten Schritt aus Referenzdaten eines Referenzobjektes absolute Referenzpositionen von Referenzobjektpunkten, die eine Maßverkörperung repräsentieren, berechnet, wobei die Verarbeitungseinrichtung in einem dritten Schritt die relativen Positionen der Objektpunkte des Objektes nach der Maßverkörperung transformiert.In the method according to the invention for measuring an object, images of the object are captured with a plurality of cameras of a measuring device arranged in different positions relative to an object to be measured, image data of the images being stored and processed by means of a processing device of the measuring device, the processing device consisting of the Image data calculates a three-dimensional model of the object, which is represented by object points in a coordinate system, with the processing device calculating relative positions of the object points of the object to one another in a first step, with the processing device calculating absolute reference positions of reference object points from reference data of a reference object in a second step represent a material measure, calculated, the processing device in a third step, the relative positions of the object points of the object according to the Ma ßembodiment transformed.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden zumindest zwei, vorzugsweise mehr als zwei Kameras, welche in unterschiedlichen Positionen relativ zu dem messenden Objekt bzw. Bauteil angeordnet sind, verwendet. Mittels der Kameras werden nun von den unterschiedlichen Positionen Bilder des Objektes, welches sich vorzugsweise während der Bildaufnahme unbewegt ist, erfasst. Die so gewonnenen Bilddaten werden in der Verarbeitungseinrichtung gespeichert und weiterverarbeitet. Die Verarbeitungseinrichtung ist eine Einrichtung zur Datenverarbeitung mit zumindest einem Speicher und einem Prozessor, beispielsweise ein Computer, der zur Bildverarbeitung geeignet ist. Aus den Bilddaten errechnet die Verarbeitungseinrichtung mittels Triangulation ein dreidimensionales Modell des Objektes bzw. Bauteils. Das Modell wird dabei von Objektpunkten repräsentiert, deren jeweilige Lage bzw. Position in einem dreidimensionalen Koordinatensystem festgelegt ist. Die Lage der Objektpunkte in dem dreidimensionalen Koordinatensystem kann beispielsweise durch eine Matrix definiert werden.In the method according to the invention, at least two, preferably more than two cameras, which are in different positions are arranged relative to the object or component to be measured. Images of the object, which is preferably motionless during the image recording, are now captured from the different positions by means of the cameras. The image data obtained in this way are stored and further processed in the processing device. The processing device is a device for data processing with at least one memory and one processor, for example a computer that is suitable for image processing. The processing device uses triangulation to calculate a three-dimensional model of the object or component from the image data. The model is represented by object points whose respective location or position is defined in a three-dimensional coordinate system. The position of the object points in the three-dimensional coordinate system can be defined by a matrix, for example.

In einem ersten Schritt berechnet nun die Verarbeitungseinrichtung Positionen der Objektpunkte des Objektes bzw. Bauteils relativ zueinander. Bei dieser Berechnung ist eine Objektgröße bzw. ein Maßstab noch nicht bestimmt bzw. es wird kein Bezug zu einem Maßstab hergestellt. In einem zweiten Schritt werden von der Verarbeitungseinrichtung Referenzdaten eines Referenzobjektes verarbeitet, um absolute Referenzpositionen von Referenzobjektpunkten des Referenzobjektes zu berechnen. Dabei verkörpern die Referenzobjektpunkte ein absolutes Maß. Das Referenzobjekt kann dabei eine zweidimensionale oder eine dreidimensionale Maßverkörperung repräsentieren. Die Referenzdaten des Referenzobjektes können direkt an dem Referenzobjekt gemessen oder auch in die Verarbeitungseinrichtung eingegeben werden. Wesentlich ist, dass die Referenzobjektpunkte, die sich aus den Referenzdaten ergeben, eine Maßverkörperung repräsentieren. Das Referenzobjekt kann dabei im Wesentlichen dem zu messenden Objekt entsprechen oder es kann sich auch um ein Referenzobjekt mit einer davon abweichenden Gestalt handeln. In dem dritten Schritt werden nun die relativen Positionen der Objektpunkte des Objektes von der Verarbeitungseinrichtung der Maßverkörperung transformiert. Dabei passt die Verarbeitungseinrichtung die relativen Positionen der Objektpunkte des Objektes an die absoluten Referenzpositionen der Referenzobjektpunkte an. Diese rechnerische Anpassung kann beispielsweise mittels Helmert-Transformation und/oder Interpolation erfolgen. Demnach wird bei dem Verfahren in dem dritten Schritt dem Modell des gemessenen Objektes ein Maßstab zugeordnet.In a first step, the processing device now calculates the positions of the object points of the object or component relative to one another. In this calculation, an object size or a scale has not yet been determined or a reference to a scale is not established. In a second step, reference data of a reference object are processed by the processing device in order to calculate absolute reference positions of reference object points of the reference object. The reference object points embody an absolute measure. The reference object can represent a two-dimensional or a three-dimensional material measure. The reference data of the reference object can be measured directly on the reference object or entered into the processing device. It is essential that the reference object points, which result from the reference data, represent a material measure. The reference object can essentially correspond to the object to be measured or it can also be a reference object with a different shape. In the third step, the relative positions of the object points of the object are now transformed by the processing device of the material measure. In this case, the processing device adapts the relative positions of the object points of the object to the absolute reference positions of the reference object points. This computational adjustment can be done, for example, by means of Helmert transformation and/or interpolation. Accordingly, in the third step of the method, a scale is assigned to the model of the measured object.

Insbesondere kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auf eine aufwendige Vermessung eines Referenzbauteils mit einer Koordinatenmessmaschine verzichtet werden, da zur Kalibrierung prinzipiell jedes beliebige Objekt, welches einen Maßstab repräsentiert, verwendet werden kann. Auch ist keine aufwendige Korrektur einzelner zu messender Objektpunkte erforderlich. Insgesamt kann so eine Messung eines Objektes bzw. einer Vielzahl von Objekten im Rahmen eines Fertigungsprozesses einfach und mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden.In particular, with the method according to the invention, a complex measurement of a reference component with a coordinate measuring machine can be dispensed with, since in principle any object that represents a scale can be used for the calibration. Also, no complex correction of individual object points to be measured is required. Overall, an object or a multiplicity of objects can be measured easily and with high accuracy as part of a production process.

In einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens kann der zweite Schritt vor dem ersten Schritt ausgeführt werden. So ist es möglich, dass zunächst von der Verarbeitungseinrichtung die Referenzdaten des Referenzobjektes erfasst und in dieser gespeichert werden. Dann kann die Verarbeitungseinrichtung bereits aus den Referenzdaten die Maßverkörperung bestimmen, die ebenfalls in der Verarbeitungseinrichtung gespeichert werden kann. Nachfolgend kann dann das zu messende Objekt erstmalig erfasst werden, wobei die Verarbeitungseinrichtung die relativen Positionen der Objektpunkte des Objekts zueinander berechnen kann, die dann entsprechend transformiert werden. Prinzipiell ist daher eine Reihenfolge der Datenerfassung der Objektpunkte und der Referenzobjektpunkte beliebig.In an alternative embodiment of the method, the second step can be carried out before the first step. It is thus possible for the reference data of the reference object to first be recorded by the processing device and stored in it. The processing device can then already determine the material measure from the reference data, which can also be stored in the processing device. The object to be measured can then be detected for the first time, with the processing device being able to calculate the relative positions of the object points of the object to one another, which are then correspondingly transformed. In principle, therefore, any order of data acquisition of the object points and the reference object points is arbitrary.

Vorteilhaft kann ein Messraum der Messvorrichtung durch ein Fachwerk gebildet werden, an dem die Kameras ortsfest angeordnet werden können, wobei das Objekt in dem Messraum angeordnet werden kann. Das Fachwerk kann beispielsweise ein kubisches Fachwerk sein, welches aus miteinander an Knoten verbundenen Streben ausgebildet ist. An den Streben können die Kameras ortsfest angeordnet sein, sodass in einem von dem Fachwerk umgebenen Volumen der Messraum ausgebildet wird. Bei dem Messraum muss es sich folglich nicht um einen gegenüber einer Umgebung verschlossenen Raum handeln. Das Fachwerk bzw. der Messraum kann sich jedoch selbst innerhalb eines Raums befinden. Dadurch wird es möglich das Fachwerk und auch die zu vermessenden Objekte zu temperieren und auch geeignete Beleuchtungsbedingungen für Kameraaufnahmen auszubilden. Auch kann das zu messende Objekt einfach in dem Messraum ortsfest angeordnet werden, beispielsweise durch Positionierung auf einem dafür vorgesehenen Untergrund.A measuring space of the measuring device can advantageously be formed by a framework on which the cameras can be arranged in a stationary manner, with the object being able to be arranged in the measuring space. The truss can be a cubic truss, for example, which is formed from struts connected to one another at nodes. The cameras can be stationarily arranged on the struts, so that the measuring space is formed in a volume surrounded by the framework. Consequently, the measurement space does not have to be a space that is closed to the environment. However, the truss or the measuring room can itself be located within a room. This makes it possible to temper the framework and also the objects to be measured and also to develop suitable lighting conditions for camera recordings. The object to be measured can also be simply arranged in a stationary manner in the measuring space, for example by positioning it on a subsurface provided for this purpose.

In dem zweiten Schritt kann die Verarbeitungseinrichtung die Referenzdaten des Referenzobjekts aus durch mit den Kameras gewonnenen Bilddaten des Referenzobjekts gewinnen. Mit den Kameras kann dann wie bei einer Messung eines zu messenden Objekts das Referenzobjekt mit den Kameras aufgenommen werden. Die Bilddaten bzw. Referenzdaten des Referenzobjekts können dann mittels der Verarbeitungseinrichtung in dieser gespeichert und verarbeitet werden, wobei die Verarbeitungseinrichtung dann aus den Referenzdaten die absoluten Referenzpositionen der Referenzobjektpunkte, die eine Maßverkörperung repräsentieren, berechnen kann. Das Referenzobjekt kann dabei dem zu messenden Objekt im Wesentlichen entsprechen oder es kann sich um ein vollkommen anderes Objekt, wie beispielsweise einen Maßstab, handeln.In the second step, the processing device can obtain the reference data of the reference object from image data of the reference object obtained with the cameras. With the cameras, the reference object can then be recorded with the cameras, as in the case of a measurement of an object to be measured. The image data or reference data of the reference object can then be stored and processed in the processing device in the latter, with the processing device then deriving the absolute reference positions of the reference object from the reference data points that represent a material measure. The reference object can essentially correspond to the object to be measured or it can be a completely different object, such as a ruler.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Referenzobjekt in einem Messraum der Messvorrichtung befestigt wird. Wenn der Messraum beispielsweise durch ein Fachwerk ausgebildet wird, kann das Referenzobjekt dann an dem Fachwerk ortsfest so befestigt werden, dass das Referenzobjekt zumindest von einer Anzahl von Kameras erfassbar ist. Messungen mit dem Referenzobjekt können dann auch durchgeführt werden, wenn zu messende Objekte bereits im Messraum positioniert sind. It is particularly advantageous if the reference object is fixed in a measuring space of the measuring device. If the measuring space is formed by a framework, for example, the reference object can then be fixed in place on the framework in such a way that the reference object can be captured by at least a number of cameras. Measurements with the reference object can then also be carried out when the objects to be measured are already positioned in the measuring space.

Vorteilhaft ist auch, dass das Referenzobjekt dann stets die gleiche Temperatur wie der Messraum bzw. ein Fachwerk, an dem das Referenzobjekt befestigt ist, aufweist.It is also advantageous that the reference object then always has the same temperature as the measuring room or a framework to which the reference object is attached.

Das Referenzobjekt kann aus Graphit oder einem Kohlenstoffverbundwerkstoff und abweichend von dem zu messenden Objekt ausgebildet sein. Graphit und Kohlenstoffverbundwerkstoffe, wie beispielsweise kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff oder kohlenstofffaserverstärkter Kohlenstoff weisen gegenüber anderen Werkstoffen einen vergleichsweise niedrigen Temperaturausdehnungskoeffizienten auf. Beispielsweise kann das Referenzobjekt rechteckig oder quadratisch ausgebildet sein sowie kontrastierende, mit Kameras gut erkennbare Objektpunkte aufweisen sein. Das Referenzobjekt kann dreidimensional ausgebildet sein, sodass die Objektpunkte beispielsweise in verschiedenen Ebenen bzw. Abständen voneinander an dem Referenzobjekt ausgebildet bzw. angeordnet sind. Aufgrund des niedrigen Ausdehnungskoeffizienten des Referenzobjekts können Temperaturfehler bei einer Kalibrierung der Messvorrichtung minimiert werden. Gleichzeitig können Serien von Messungen von Objekten ohne weitere Aufwände oder Umbauten durch eine wiederholte Kalibrierung mit dem Referenzobjekt besonders genau vermessen werden.The reference object may be made of graphite or carbon composite material and may be different from the object to be measured. Graphite and carbon composite materials, such as carbon fiber reinforced plastic or carbon fiber reinforced carbon, have a comparatively low coefficient of thermal expansion compared to other materials. For example, the reference object can be rectangular or square and have contrasting object points that are easily recognizable with cameras. The reference object can be three-dimensional, so that the object points are formed or arranged, for example, in different planes or distances from one another on the reference object. Due to the low coefficient of expansion of the reference object, temperature errors can be minimized when calibrating the measuring device. At the same time, series of measurements of objects can be measured particularly precisely without any further effort or modifications by repeated calibration with the reference object.

In dem zweiten Schritt können die Referenzdaten des Referenzobjekts aus einem in der Verarbeitungseinrichtung gespeicherten dreidimensionalen Vektormodell des zu messenden Objekts gewonnen werden. Bei dem Vektormodell kann es sich um CAD-Daten des betreffenden Objekts bzw. Referenzobjekts handeln. Das Referenzobjekt wird dann durch CAD-Daten repräsentiert. Dieses Vektormodell kann in der Verarbeitungseinrichtung gespeichert und so von der Verarbeitungseinrichtung zur Berechnung der Referenzobjektpunkte von der Verarbeitungseinrichtung verwendet werden. Eine Verwendung eines physischen Referenzobjekts ist dann nicht mehr zwingend erforderlich.In the second step, the reference data of the reference object can be obtained from a three-dimensional vector model, stored in the processing device, of the object to be measured. The vector model can be CAD data of the relevant object or reference object. The reference object is then represented by CAD data. This vector model can be stored in the processing device and can thus be used by the processing device to calculate the reference object points from the processing device. It is then no longer absolutely necessary to use a physical reference object.

Die Verarbeitungseinrichtung kann die Referenzdaten des Referenzobjekts aus durch Bildsynthese des Vektormodells erzeugten Bilddaten des Referenzobjekts gewinnen. Wenn ein Vektormodell bzw. CAD-Daten des zu messenden Objekts bzw. des Referenzobjekts in der Verarbeitungseinrichtung gespeichert sind, kann mittels der Verarbeitungseinrichtung ein Rendering des Vektormodells durchgeführt werden, sodass Bilddaten des Referenzobjekts von der Verarbeitungseinrichtung erzeugt werden. Bei dem Rendering können unterschiedliche Beleuchtungsszenarien des Referenzobjekts simuliert werden. Weiter kann vorgesehen sein, dass Objektpunkte und Referenzobjektpunkte auf Basis der Bilddaten bzw. der erzeugten Bilddaten mittels Bildverarbeitung durch die Verarbeitungseinrichtung ermittelt werden. Da die Erkennung der Objektpunkte bei dem zu messenden Objekt mit dem Referenzobjekt mit dem gleichen Verfahren durchgeführt wird, können eventuell sonst bei unterschiedlichen Verfahren auftretende Fehler ausgeschlossen werden.The processing device can obtain the reference data of the reference object from image data of the reference object generated by image synthesis of the vector model. If a vector model or CAD data of the object to be measured or the reference object is stored in the processing device, the processing device can be used to render the vector model so that image data of the reference object are generated by the processing device. Different lighting scenarios of the reference object can be simulated in the rendering. Furthermore, it can be provided that object points and reference object points are determined on the basis of the image data or the generated image data by means of image processing by the processing device. Since the detection of the object points in the object to be measured is carried out with the reference object using the same method, errors that may otherwise occur with different methods can be ruled out.

Die Verarbeitungseinrichtung kann ausgehend von dem Vektormodell des zu messenden Objekts Positionen der Kamera berechnen. Dreidimensionale Referenzpositionen von Referenzobjektpunkten des Referenzobjekts können von der Verarbeitungseinrichtung in zweidimensionale Bilddaten der jeweiligen Kameras umgerechnet werden. Folglich berechnet die Verarbeitungseinrichtung die jeweilige Kameraposition auf Basis der dreidimensionalen Referenzdaten des Vektormodells.The processing device can calculate positions of the camera based on the vector model of the object to be measured. Three-dimensional reference positions of reference object points of the reference object can be converted into two-dimensional image data of the respective cameras by the processing device. Consequently, the processing device calculates the respective camera position on the basis of the three-dimensional reference data of the vector model.

Folglich kann die Verarbeitungseinrichtung das dreidimensionale Modell des Objekts und/oder dreidimensionale Referenzdaten des Referenzobjekts in zweidimensionale Bilddaten für die jeweilige Kameraposition umwandeln. Als ein Referenzobjekt kann dabei alternativ auch ein im Wesentlichen mit dem zu messenden Objekt übereinstimmendes Objekt verwendet werden.Consequently, the processing device can convert the three-dimensional model of the object and/or three-dimensional reference data of the reference object into two-dimensional image data for the respective camera position. Alternatively, an object that essentially matches the object to be measured can also be used as a reference object.

Die Verarbeitungseinrichtung kann weiter die Referenzdaten für die jeweilige Kameraposition mit den gemessenen Positionen der Objektpunkte des Objekts überlagern, wobei die Verarbeitungseinrichtung die gemessenen Positionen der Objektpunkte nach der Maßverkörperung der Referenzdaten bestimmen kann. Die dann vorhandenen zweidimensionalen Referenzdaten bzw. Bilddaten für die jeweilige Kameraposition können mit zweidimensionalen Bilddaten des Referenzobjekts der gleichen Kameraposition überlagert und verglichen werden. Dabei kann die Verarbeitungseinrichtung die gemessenen Positionen der Objektpunkte mit einer Soll-Position bzw. dem zugehörigen Referenzobjektpunkt überlagern. Für die Objektpunkte kann auf Basis der absoluten Referenzpositionen der Referenzobjektpunkte ein absoluter Messwert von der Verarbeitungseinrichtung ausgegeben werden. Sofern ein Rendering des Vektormodells durchgeführt wurde kann eine Überlagerung der jeweiligen Bilddaten, der Bilddaten des gemessenen Objekts und/oder der Referenzdaten des Referenzobjekts vorgenommen werden.The processing device can also superimpose the reference data for the respective camera position with the measured positions of the object points of the object, with the processing device being able to determine the measured positions of the object points according to the material measure of the reference data. The then existing two-dimensional reference data or image data for the respective camera position can be superimposed and compared with two-dimensional image data of the reference object of the same camera position. The processing device can overlay the measured positions of the object points with a target position or the associated reference object point. For the object points, based on the absolute reference positions of the reference object points, an absolute measurement value can be obtained from the processing direction are output. If the vector model has been rendered, the respective image data, the image data of the measured object and/or the reference data of the reference object can be superimposed.

Mittels einer Sensoreinrichtung der Messvorrichtung kann eine Temperatur und/oder Schwingungen in oder an dem Messraum gemessen werden, wobei die Verarbeitungseinrichtung die Temperatur und/oder Schwingungen bei der Transformation berücksichtigen kann. So können dann Messfehler, wie sie beispielsweise durch eine temperaturbedingte Ausdehnung des zu messenden Objekts, eines Fachwerks an dem Kameras befestigt sind, oder eines Referenzobjekts, berücksichtigt werden. So kann eine Kompensation von Messfehlern durchgeführt werden, wenn beispielsweise das Referenzobjekt auf Daten eines Vektormodells oder unter abweichenden Bedingungen erfasst wurde. Die Sensoreinrichtung kann einen oder mehrere Temperatursensoren und/oder einen oder mehrere Beschleunigungssensoren aufweisen, die an der Messvorrichtung und/oder an dem Objekt angeordnet sind.A sensor device of the measuring device can be used to measure a temperature and/or vibrations in or on the measuring space, with the processing device being able to take the temperature and/or vibrations into account during the transformation. In this way, measurement errors such as those caused by temperature-related expansion of the object to be measured, a framework to which the cameras are attached, or a reference object can be taken into account. In this way, measurement errors can be compensated if, for example, the reference object was recorded on data from a vector model or under different conditions. The sensor device can have one or more temperature sensors and/or one or more acceleration sensors, which are arranged on the measuring device and/or on the object.

Die Verarbeitungseinrichtung kann mittels Bildverarbeitung eine Öffnung in dem zu messenden Objekt bestimmen und deren Mittelpunkt berechnen. Dies kann beispielsweise durch Randkantenerkennung, Ellipse Fit, Canny Edge oder anderen geeigneten Verfahren durchgeführt werden.The processing device can use image processing to determine an opening in the object to be measured and calculate its center point. This can be carried out, for example, by edge detection, ellipse fit, canny edge or other suitable methods.

Die Verarbeitungseinrichtung kann das dreidimensionale Modell des Objekts und/oder dreidimensionale Referenzdaten des Referenzobjekts in zweidimensionale Bilddaten einer Öffnungsfläche der Öffnung umwandeln und deren Mittelpunkt berechnen. Dadurch können eventuelle Fehler, die sich bei einer Randkantenerkennung auf Basis von Grauwerten ergeben können, vermieden werden. Aufgrund einer im Wesentlichen orthogonalen Ausrichtung eines Bildes, bezogen auf eine Flächennormale im Mittelpunkt, auf die Öffnungsfläche der Öffnung, ergibt sich beispielsweise bei Bohrungen stets eine kreisrunde Öffnung ohne mögliche Schatten an Kanten. Im Gegensatz dazu können bei einem Einpassen einer Ellipse und der Berechnung des zugehörigen Mittelpunktes Ungenauigkeiten zu Messfehlern führen.The processing device can convert the three-dimensional model of the object and/or three-dimensional reference data of the reference object into two-dimensional image data of an opening area of the opening and calculate its center point. In this way, any errors that can arise in the case of marginal edge detection based on gray values can be avoided. Due to an essentially orthogonal alignment of an image, based on a surface normal in the center, on the opening surface of the opening, there is always a circular opening without possible shadows at edges, for example in the case of bores. In contrast, when fitting an ellipse and calculating the associated center point, inaccuracies can lead to measurement errors.

Eine weitere Verbesserung einer Messgenauigkeit wird möglich, wenn in die Öffnung eine Zielmarkierung eingesetzt wird. Die Zielmarkierung kann in einer einfachen Ausführungsform ein Stift sein, der in eine Bohrung gesteckt wird. An dem Stift kann auch ein quaderförmiger Körper mit kontrastierenden Punkten an Flächen des Körpers angeordnet sein. So wird es noch einfacher möglich eine Achslage des Stifts anhand der leicht mit Bildverarbeitung erkennbaren Flächen des quaderförmigen Körpers zum Identifizieren. Eine Achse bzw. Längsachse des Stifts kann dann eindeutig einen Mittelpunkt der Öffnung definieren. Auch wird es so möglich unter widrigen Beleuchtungsbedingungen einen Mittelpunkt zu bestimmen.A further improvement in measurement accuracy is possible if a target marking is inserted into the opening. In a simple embodiment, the target marking can be a pin that is inserted into a bore. A cuboid body with contrasting points on surfaces of the body can also be arranged on the pin. This makes it even easier to identify an axis position of the pin based on the surfaces of the cuboid body, which can easily be recognized with image processing. An axis or longitudinal axis of the pin can then clearly define a center point of the opening. This also makes it possible to determine a center point under adverse lighting conditions.

Vorzugsweise wird eine Mehrzahl gleichartiger Objekte in einer Abfolge gemessen. So können innerhalb eines Produktionsprozesses von Bauteilen diese Bauteile bzw. Objekte nacheinander durch Messen geprüft werden. Dabei ist es dann nach einer Kalibrierung der Messvorrichtung nur noch erforderlich in dem ersten Schritt das jeweilige zu messende Objekt zu erfassen und die relativen Positionen der Objektpunkte zu berechnen, und weiter in dem dritten Schritt die relativen Positionen der Objektpunkte des gerade gemessenen Objekts nach der Maßverkörperung zu transformieren. Eine vergleichsweise schnelle und genaue Messung einer großen Anzahl von Bauteilen wird so möglich.A plurality of objects of the same type are preferably measured in a sequence. Thus, within a production process of components, these components or objects can be checked one after the other by measuring. After calibration of the measuring device, it is then only necessary to detect the respective object to be measured and to calculate the relative positions of the object points in the first step, and then in the third step the relative positions of the object points of the object just measured according to the material measure to transform. A comparatively fast and precise measurement of a large number of components is thus possible.

Die erfindungsgemäße Messvorrichtung zur Messung eines Objekts umfasst eine Mehrzahl von relativ zu einem zu messenden Objekt in unterschiedlichen Positionen angeordneten Kameras und eine Verarbeitungseinrichtung, wobei mit den Kameras Bilder des Objekts erfassbar sind, wobei mittels der Verarbeitungseinrichtung Bilddaten der Bilder speicherbar und verarbeitbar sind, wobei mittels der Verarbeitungseinrichtung aus den Bilddaten ein dreidimensionales Modell des Objekts, welches durch Objektpunkte in einem Koordinatensystem repräsentiert ist, berechenbar ist, wobei mittels der Verarbeitungseinrichtung in einem ersten Schritt relative Positionen der Objektpunkte des Objekts zueinander berechenbar sind, wobei mittels der Verarbeitungseinrichtung in einem zweiten Schritt aus mit den Kameras gewonnenen Referenzbilddaten eines Referenzobjekts absolute Referenzpositionen von Referenzobjektpunkten, die eine Maßverkörperung repräsentieren, berechenbar sind, wobei mittels der Verarbeitungseinrichtung in einem dritten Schritt die relativen Positionen der Objektpunkte des Objekts nach der Maßverkörperung transformierbar sind. Zu den Vorteilen der erfindungsgemäßen Messvorrichtung wird auf die Vorteilsbeschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen einer Messvorrichtung ergeben sich aus den Merkmalsbeschreibungen der auf den Verfahrensanspruchs 1 zurückbezogenen Unteransprüche.The measuring device according to the invention for measuring an object comprises a plurality of cameras arranged in different positions relative to an object to be measured and a processing device, with the cameras being able to capture images of the object, with the processing device being able to store and process image data of the images, with the processing device can calculate a three-dimensional model of the object from the image data, which is represented by object points in a coordinate system, with the processing device being able to calculate relative positions of the object points of the object in a first step, with the processing device being able to calculate in a second step reference image data of a reference object obtained with the cameras, absolute reference positions of reference object points, which represent a material measure, can be calculated, with the processing device ung in a third step, the relative positions of the object points of the object can be transformed according to the material measure. For the advantages of the measuring device according to the invention, reference is made to the description of the advantages of the method according to the invention. Further advantageous embodiments of a measuring device result from the feature descriptions of the dependent claims referring back to method claim 1.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.Preferred embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings.

Es zeigen:

1 Eine schematische Darstellung einer Messvorrichtung;
2 eine Darstellung eines Verfahrensablaufs;
3 eine Bilddarstellung eines Objekts.

Show it:

1 A schematic representation of a measuring device;
2 a representation of a process flow;
3 an image representation of an object.

Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Messvorrichtung 10, welche aus einer Mehrzahl von Kameras 11, 12, 13 und einer Verarbeitungseinrichtung 14 gebildet ist. Die Kameras 11, 12, 13 sind mit der Verarbeitungseinrichtung 14 verbunden, sodass mit den Kameras 11, 12, 13 aufgenommene Bilder eines Objekts 15 aufgenommen und als Bilddaten von der Verarbeitungseinrichtung 14 gespeichert und verarbeitet werden können. Die Kameras 11, 12, 13 sind ortsfest an einem hier nicht dargestellten Fachwerk befestigt. Ein sich zwischen den Kameras 11, 12, 13 erstreckender Raum entspricht einem Messraum 16 innerhalb dem das Objekt 15 auf einem Untergrund 17 angeordnet ist. Weiter ist in dem Messraum 16 ein Referenzobjekt 18 positioniert.The 1 shows a schematic representation of a measuring device 10, which is formed from a plurality of cameras 11, 12, 13 and a processing device 14. The cameras 11 , 12 , 13 are connected to the processing device 14 so that images of an object 15 recorded by the cameras 11 , 12 , 13 can be recorded and stored as image data by the processing device 14 and processed. The cameras 11, 12, 13 are fixed in place on a truss, not shown here. A space extending between the cameras 11 , 12 , 13 corresponds to a measuring space 16 within which the object 15 is arranged on a base 17 . A reference object 18 is also positioned in the measurement space 16 .

Die Verarbeitungseinrichtung 14 erfasst gemäß des beispielhaften Ablaufdiagramms des Messverfahrens in der 2 zunächst Bilddaten des Objekts 15 mit den Kameras 11, 12, 13 in einem Aufnahmeschritt 19 und speichert diese. Aus den Bilddaten berechnet die Verarbeitungseinrichtung 14 ein dreidimensionales Modell des Objekts 15, welches durch Objektpunkte in einem Koordinatensystem repräsentiert ist. Dabei berechnet die Verarbeitungseinrichtung 14 in einem ersten Schritt 20 relative Positionen der Objektpunkte des Objekts 15 zueinander. In einem zweiten Schritt 21 berechnet die Verarbeitungseinrichtung 14 aus Referenzdaten des Referenzobjekts 18 absolute Referenzpositionen von Referenzobjektpunkten, die eine Maßverkörperung repräsentieren. Die Referenzdaten werden durch einen Aufnahmeschritt 23 mit Bildaufnahmen des Referenzobjekts 18 oder alternativ aus einem Vektormodell eines Referenzobjekts gewonnen und in der Verarbeitungseinrichtung 14 gespeichert. In einem dritten Schritt 24 werden von der Verarbeitungseinrichtung 14 die relativen Positionen der Objektpunkte des Objekts 15 nach der Maßverkörperung transformiert. Danach erfolgt in einem Ausgabeschritt 25 eine Ausgabe des Ergebnisses der so durchgeführten Messung in Form absoluter Messwerte oder eines Vergleichs.The processing device 14 detects according to the exemplary flow chart of the measurement method in FIG 2 first image data of the object 15 with the cameras 11, 12, 13 in a recording step 19 and stores them. From the image data, the processing device 14 calculates a three-dimensional model of the object 15, which is represented by object points in a coordinate system. In this case, the processing device 14 calculates relative positions of the object points of the object 15 to one another in a first step 20 . In a second step 21, the processing device 14 uses reference data of the reference object 18 to calculate absolute reference positions of reference object points, which represent a material measure. The reference data are obtained by a recording step 23 with image recordings of the reference object 18 or alternatively from a vector model of a reference object and are stored in the processing device 14 . In a third step 24, the relative positions of the object points of the object 15 are transformed by the processing device 14 according to the material measure. Then, in an output step 25, the result of the measurement carried out in this way is output in the form of absolute measured values or a comparison.

Die 3 zeigte eine abschnittsweise Darstellung eines Objekts 26 mit einer Öffnung 27, die einen Mittelpunkt 28 aufweist. Bilder des Objekts 26 wurden mit dem zuvor beschriebenen Verfahren mittels Kameras gewonnen und zu einem dreidimensionalen Modell des Objekts 26 zusammengeführt. Der Mittelpunkt 28 repräsentiert hier einen Objektpunkt 29 des Objekts 26. Das dreidimensionale Modell des Objekts 26 wurde von einer Verarbeitungseinrichtung in zweidimensionale Bilddaten für die jeweiligen Kamerapositionen umgewandelt. Die hier dargestellte Ansicht des Objekts 26 entspricht einer derartigen zweidimensionalen Bilddarstellung. Gleichzeitig wurden dreidimensionale Referenzdaten eines Referenzobjekts, welches im Wesentlichen dem Objekt 26 entspricht, ebenfalls von der Verarbeitungseinrichtung in zweidimensionale Bilddaten der betreffenden Kamerapositionen umgewandelt. Das Referenzobjekt kann dabei eine zweidimensionale oder eine dreidimensionale Maßverkörperung repräsentieren. Die Verarbeitungseinrichtung überlagert nun die hier gezeigte zweidimensionale Bilddarstellung des Objekts 26 mit einem Referenzobjektpunkt 30 welcher durch einen Referenzmittelpunkt 31 einer Referenzöffnung 32 gebildet ist. So kann ein Relativabstand von Objektpunkt 29 und Referenzobjektpunkt 30 für zumindest zwei Achsen eines Koordinatensystems einfach bestimmt werden. Dadurch kann auch eine Lage des Objektpunkts 29 gemessen werden.The 3 showed a sectional representation of an object 26 with an opening 27 which has a center point 28 . Images of the object 26 were obtained using cameras using the method described above and combined to form a three-dimensional model of the object 26 . The center 28 here represents an object point 29 of the object 26. The three-dimensional model of the object 26 was converted by a processing device into two-dimensional image data for the respective camera positions. The view of the object 26 shown here corresponds to such a two-dimensional image representation. At the same time, three-dimensional reference data of a reference object, which essentially corresponds to object 26, was also converted by the processing device into two-dimensional image data of the relevant camera positions. The reference object can represent a two-dimensional or a three-dimensional material measure. The processing device now superimposes a reference object point 30 , which is formed by a reference center point 31 of a reference opening 32 , on the two-dimensional image representation of the object 26 shown here. A relative distance between object point 29 and reference object point 30 can thus be easily determined for at least two axes of a coordinate system. As a result, a position of the object point 29 can also be measured.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

WO 2018185363 A1 [0004]

Claims

Method for measuring an object, with a plurality of cameras (11, 12, 13) of a measuring device (10) arranged in different positions relative to an object (15, 26) to be measured, images of the object being recorded, image data of the images being a processing device (14) of the measuring device are stored and processed, the processing device calculating a three-dimensional model of the object from the image data, which is represented by object points (29) in a coordinate system, characterized in that the processing device in a first step (20) relative positions of the object points of the object to one another are calculated, with the processing device in a second step (21) calculating absolute reference positions of reference object points (30), which represent a material measure, from reference data of a reference object, with the processing device in a third step (24) calculating the rela tive positions of the object points of the object are transformed according to the material measure.

procedure after claim 1 , characterized in that the second step (21) is carried out before the first step (20).

procedure after claim 1 or 2 , characterized in that a measuring space (16) of the measuring device (10) is formed by a framework on which the cameras (11, 12, 13) are arranged in a stationary manner, the object (15, 26) being arranged in the measuring space.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that in the second step (21) the processing device (14) obtains the reference data of the reference object (18) from image data of the reference object obtained with the cameras (11, 12, 13).

procedure after claim 4 , characterized in that the reference object (18) is fixed in a measuring space (16) of the measuring device (10).

procedure after claim 4 or 5 , characterized in that a reference object (18) which is made of graphite or a carbon composite material and deviates from the object (15, 26) to be measured is used.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that in the second step (21) the reference data of the reference object (18) are obtained from a three-dimensional vector model of the object (15, 26) to be measured stored in the processing device (14).

procedure after claim 7 , characterized in that the processing device (14) obtains the reference data of the reference object from image data of the reference object (18) generated by image synthesis of the vector model.

procedure after claim 7 or 8th , characterized in that the processing device (14) calculates positions of the cameras (11, 12, 13) starting from the vector model of the object to be measured (15, 26).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the processing device (14) converts the three-dimensional model of the object (15, 26) and/or three-dimensional reference data of the reference object (18) into two-dimensional image data for the respective camera position.

procedure after claim 10 , characterized in that the processing device (14) overlays the reference data for the respective camera position with the measured positions of the object points (29) of the object (15, 26), the processing device determining the measured positions of the object points according to the material measure of the reference data.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that a sensor device of the measuring device (10) measures a temperature and/or vibrations in the measuring space (16), the processing device (14) taking the temperature and/or vibrations into account during the transformation .

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the processing device (14) uses image processing to determine an opening (27) in the object (15, 26) to be measured and calculates its center point (28).

procedure after Claim 13 , characterized in that the processing device (14) converts the three-dimensional model of the object (15, 26) and/or three-dimensional reference data of the reference object (18) into two-dimensional image data of an opening area (27, 32) of the opening and the center point (28, 31 ) calculated.

procedure after Claim 13 or 14 , characterized in that a target marking is inserted into the opening (27).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of objects (15, 26) of the same type are measured in a sequence.

Measuring device (10) for measuring an object, the measuring device comprising a plurality of cameras (11, 12, 13) arranged in different positions relative to an object to be measured (15, 26) and a processing device (14), with the cameras Images of the object can be captured, with image data of the images being able to be stored and processed by means of the processing device, with a three-dimensional model of the object, which is represented by object points (29) in a coordinate system, being able to be calculated from the image data by means of the processing device, characterized in that relative positions of the object points of the object to one another can be calculated by means of the processing device in a first step (20), whereby absolute reference positions of reference object points (30) which are a measurement ver body, are calculable, the relative positions of the object points of the object being able to be transformed according to the material measure by means of the processing device in a third step (24).