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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Vermessen von Werkzeugen,
insbesondere von Maschinenwerkzeugen in Einstellgeräten, sowie
auf eine Messvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Beim
Einsatz moderner Werkzeugmaschinen und Bearbeitungszentren mit automatisierten Produktionsabläufen ist
es von entscheidender Bedeutung, die Wirkabmessungen der verwendeten Maschinenwerkzeuge
genau zu kennen. Beispielsweise werden zu Herstellung präziser Bohrungen
sogenannte Einschneiden-Werkzeuge verwendet, bei denen die Wirkabmessungen
des Werkzeugs durch eine auswechselbare und einstellbare Werkzeugschneide
bestimmt werden. Um die geforderten, engen Fertigungstoleranzen
und die Anforderungen an Oberflächengüte, Bohrungsform
und dergleichen einhalten zu können,
ist häufig
eine mikrometergenaue Vermessung und gegebenenfalls Einstellung erforderlich.
Die Forderung nach hoher Vermessungsgenauigkeit gilt auch für nicht-rotatorische Werkzeuge,
beispielsweise Drehstähle
oder dergleichen.
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Anstelle
der früher üblichen
Werkzeugvermessungs- und Einstellgeräte mit Projektor werden zunehmend
Messeinrichtungen mit Kamera und angeschlossener Bildverarbeitungseinrichtung
eingesetzt. Das zu vermessende Werkzeug wird derart im Bildfeld
der Kamera positioniert, dass mindestens ein Werkzeugabschnitt des
Werkzeuges mit Hilfe der Kamera erfasst werden kann. Diese erzeugt
mindestens ein Kamerabild, welches einen dem Werkzeugabschnitt entsprechenden
Werkzeuganteil und einen dem Hintergrund entsprechenden Hintergrundanteil
hat. Der Werkzeuganteil und der Hintergrundanteil gehen entlang
eines schmalen Übergangsbereichs
ineinander über.
Dieser Übergangsbereich wird
manchmal auch als Werkzeugkontur oder Werkzeugkante in der Projektion
der entsprechenden Werkzeugstellung bezeichnet.
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Um
konturenscharfe Kamerabilder zu erzeugen, werden die Werkzeuge meist
im Durchlichtverfahren beleuchtet. Dabei ist die Beleuchtung auf
der der Kamera gegenüberliegenden
Seite des Werkzeuges angeordnet. Dadurch entsteht ein „Schattenbild”, welches über eine
geeignete Optik auf einen zweidimensionalen Bildsensor, beispielsweise
einen CCD-Chip der Kamera, projiziert wird. Über eine angeschlossene Bildverarbeitungseinrichtung
wird dann entsprechend der Helligkeitsverteilung der Projektion
ein Grauwertbild erzeugt, bei dem der Werkzeuganteil dunkel und
der Hintergrundanteil hell erscheint. Dieses Grauwertbild wird digitalisiert
und in einem Bildspeicher abgelegt. Das Bild kann mit Hilfe geeigneter
Software ausgewertet werden, um beispielsweise Hochpunkte, Wendepunkte
oder dergleichen im Verlauf des schmalen Übergangsbereiches zu erkennen
und daraus Abmessungsdaten zu ermitteln, die die Werkzeuggeometrie
repräsentieren. Auch
eine Messung im Auflicht ist möglich,
wobei dann gegebenenfalls der Werkzeuganteil hell und der Hintergrundanteil
dunkel erscheint.
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Um
die Produktionszyklen durch die notwendigen Vermessungsvorgänge so wenig
wie möglich zu
beeinträchtigen,
wird eine produktionsnahe Vermessung angestrebt. Dies kann dadurch
erreicht werden, dass die Vermessung am in der Bearbeitungsmaschine
eingespannten Werkzeug erfolgt, wozu eine geeignete Messeinrichtung
an der Bearbeitungsmaschine vorhanden sein kann. In der Regel sind
jedoch gesonderte Mess- und
Einstellgeräte
vorhanden, die in der Nähe
der Bearbeitungsmaschinen aufgestellt sind.
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An
diesen Messorten herrschen selten für die Vermessung günstige Umgebungsbedingungen. Beispielsweise
kann durch schräge
Sonneneinstrahlung, Deckenbeleuchtung und/oder Lichtreflexe an metallisch
glänzenden
Schneiden Fremdlicht entstehen, das in die Optik der Kamera gelangen
und die auf den Bildsensor fallende Helligkeitsverteilung verfälschen kann.
Das kann dazu führen,
dass das vom Sensor erfasste Grauwertbild (Image) nicht genau genug
den realen Verlauf der erfassten Werkzeugkontur in der jeweiligen
Projektion wiedergibt. Besonders problematisch ist nichtkonstantes
Fremdlicht, welches beispielsweise auf Sonneneinstrahlung durch
Oberlichter oder Fenster oder durch Raumlicht verursacht wird, welches
abhängig
vom Tageslicht aus- und eingeschaltet wird. Störende Effekte ergeben sich
auch durch die verschiedenen Oberflächenfarben zu vermessender
Werkzeuge. Eine schwarze Werkzeugschneide, beispielsweise mit einer
Beschichtung aus kubischem Bornitrid, bildet sich allein aufgrund
der dunklen Oberfläche
geometrisch anders ab als eine metallisch glänzende Schneide, die die gleiche
Geometrie haben kann. Es können
sich somit bei den in der Praxis üblichen Messumgebungen erhebliche
Messfehler ergeben, die besonders dann gravierend sein können, wenn
an einem Einstellgerät
ständig
unterschiedliche Typen von Schneiden vermessen werden und/oder wenn
ein Messgerät
an einem Standort mit häufig
wechselnden Lichtverhältnissen
aufgestellt ist.
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In
dem Fachartikel „Schluß mit dem
Chaos!” von
J. Hartmann, GIT Inspect 2/2001, Seiten 42 bis 44, wird eine Werkzeug- Vermessungseinrichtung
beschrieben, bei der das Werkzeug von hinten beleuchtet wird, so
dass die Kamera nur die Silhouette des Werkzeuges „sieht”. Als Bedingung
für eine
genaue Messung wird angegeben, dass die Beleuchtung zum einen möglichst
gleichmäßig erfolgen
muss und dass sie zum anderen unabhängig von der Umgebungshelligkeit
sein soll. Dies wird dadurch erreicht, dass für die Beleuchtung eine Lichtquelle
im nahe Infrarotbereich gewählt
wird. Dies erfordert Kameras, die für diesen Spektralbereich ausreichende
Empfindlichkeit haben.
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Zum
Stand der Technik wird in der Druckschrift
DE 199 41 771 A1 ein Verfahren
zum Vermessen von Werkzeugen mit Auflicht beschrieben. Dabei kann
eine Anpassung der Beleuchtung durch Einstellen von Blende oder
Belichtungszeit erfolgen. Der gesamte Aufbau ist dabei zunächst einmalig
optisch zu kalibrieren. Die Messanordnung muss dabei zur Vorbereitung
der Messung, also vor Beginn der Messreihe, auf korrekte Ausleuchtung
und Streuungen im Bild hin mithilfe einer oder mehrerer Aufnahmen
bewertet werden. Erst wenn alle Anpassungen abgeschlossen sind,
wird eine Anzahl von Aufnahmen gemacht. Während der relevanten Bildaufnahme
(Vermessung) auftretenden Änderung
der Beleuchtungsverhältnisse
oder optischer Eigenschaften des zu vermessenden Werkzeuges, bleiben
aber unberücksichtigt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Messvorrichtung
zum Vermessen von Werkzeugen bereitzustellen, die weitgehend unabhängig von
den Beleuchtungsverhältnissen
der Messumgebung und von optischen Eigenschaften der zu vermessenden
Werkzeuge eine hochgenaue Werkzeugvermessung ermöglichen.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe stellt die Erfindung ein Verfahren mit den Merkmalen
nach Anspruch 1 sowie eine Messvorrichtung mit den Merkmalen nach
Anspruch 7 bereit. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Der Wortlaut sämtlicher
Ansprüche
wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren wird
mindestens ein Werkzeugabschnitt des zu vermessenden Werkzeuges
mit Hilfe mindestens einer Kamera optisch-elektronisch erfasst.
Die Kamera erzeugt bei der Erfassung eine Mehrzahl von Kamerabildern,
welche einen dem Werkzeugabschnitt entsprechenden Werkzeuganteil
und einen dem Hintergrund entsprechenden Hintergrundanteil haben.
Der Werkzeuganteil entspricht demjenigen Teil des Werkzeugabschnittes,
der in das Bildfeld der Kamera ragt. Der Werkzeuganteil und der
Hintergrundanteil gehen entlang eines schmalen Übergangsbereichs ineinander über. Dieser Übergangsbereich
wird im Folgenden auch als die im Bild erscheinende Werkzeugkontur
oder Werkzeugkante bezeichnet. Die Erfassungscha rakteristik der
Kamera wird in Abhängigkeit
mindestens eines Steuerkriteriums mit dem Ziel einer Optimierung
der Erfassungscharakteristik für
den Übergangsbereich
gesteuert. Das Ergebnis dieser Steuerung ist ein durch die Steuerung
verändertes Kamerabild,
das in Richtung einer optimalen Kantendarstellung oder Konturdarstellung
verbessert ist. Das durch die Steuerung veränderte Kamerabild wird zu einer
Bildverarbeitungseinrichtung übertragen
und dort verarbeitet. Als Ergebnis der Verarbeitung können insbesondere
relevante Abmessungswerte des vermessenen Werkzeuges ermittelt werden,
beispielsweise Durchmesser, Länge,
Winkel oder dergleichen. Solche Auswertungen können an einem von der Kamera
gelieferten, optimierten Einzelbild erfolgen. Es ist auch möglich, mehrere
Einzelbilder, die an einem sich bewegenden Werkzeug aufgenommen wurden,
bei der Bildverarbeitung miteinander in Beziehung zu setzen. Beispielsweise
kann aus einem Satz von Einzelbildern, die an einem in Arbeitsbewegung
versetzten Werkzeug aufgenommen wurden, zunächst eine Hüllkurve ermittelt werden, welche
die wirkliche Arbeitskontur des Werkzeuges repräsentiert (vgl.
DE 44 31 059 C2 ).
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Unabhängig von
der Art der Weiterverarbeitung der von der Kamera gelieferten Einzelbilder
wird durch die Erfindung eine für
die Weiterverarbeitung optimale Darstellung des schmalen Übergangsbereichs
erreicht, der die geometrische Information über den tatsächlichen
Verlauf der Projektion einer Werkzeugkante bei der von der Kamera
jeweils erfassten Werkzeugstellung trägt. Damit findet bereits am
Entstehungsort derjenigen Bilder, die der weiteren Datenverarbeitung
zugrunde liegen, eine Bildmanipulation statt, die zu einer für die Vermessung
optimalen Kantendarstellung bzw. Konturdarstellung führt. Dabei
wird die Erfassungscharakteristik der Kamera an die herrschenden
Lichtbedingungen der Umgebung, also an die Beleuchtungssituation,
und an die optischen Eigenschaften des Werkzeuges, beispielweise
an seiner Oberflächenfarbe,
so adaptiert, dass unabhängig
von eventuell vorhandenem Störlicht der
Kantenverlauf bzw. Konturverlauf geometrisch richtig im weitergeleiteten
Kamerabild repräsentiert
ist.
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In
einer Alternative umfasst die Steuerung der Erfassungscharakteristik
der Kamera eine Steuerung der Belichtungszeit bei der Erfassung
der Kamerabilder. Eine Steuerung mit Hilfe der Stellgröße „Belichtungszeit” ermöglicht es
einerseits, Kamerabilder mit ausreichendem Kontrast zwischen hellen und
dunklen Bildbereichen zu erzeugen. Andererseits wird z. B. vermieden,
dass hellere Bildbereiche in dunkle Bildbereiche „überstrahlen”. Eine
solche Überstrahlung
kann zu einer seitlichen Verschiebung des Übergangsbereiches in Richtung
des angrenzenden, dunkleren Bildbereiches führen, so dass bei überstrahlten
Bildern der tatsächliche
Verlauf des Übergangsbereiches
normalerweise nicht mit der erforderlichen Genauigkeit erfasst werden
kann. Auch eine Unterbelichtung kann die erfasste Geometrie beeinflussen.
Dieser Effekt kann durch geeignete Steuerung der Belichtungszeit
vermieden werden. Wird als Kamera eine Digitalkamera mit mindestens einem
CCD-Chip als Bildsensor verwendet, so kann die Belichtungszeit einer
durch eine Steuerung vorgebbaren Ladezeit für die Kondensatorelemente des CCD-Chips
entsprechen. Diese Funktionalität
wird bei digitalen Kameras manchmal als „Shutter-Funktion” oder als „elektronische
Blende” bezeichnet.
Somit ist es möglich,
in Abhängigkeit
der Helligkeitsverteilung den „Shutter” beispielsweise über eine
geeignete Programmsteuerung dynamisch so einzustellen, dass das
Grauwertbild weitgehend unabhängig von
den oben beschriebenen Außeneinflüssen wie Fremdlicht,
wechselnde Umgebungshelligkeit, Werkzeugfarbe und -oberfläche oder
dergleichen wird.
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Alternativ
oder zusätzlich
kann vorgesehen sein, dass die Steuerung der Erfassungscharakteristik
eine Steuerung der Verstärkung
von Bildsignalen innerhalb der Kamera umfasst. Bei Verwendung einer
digitalen Kamera kann hierzu beispielsweise die Gain-Einstellung
an die Umge bungsverhältnisse
adaptiv angepasst werden, um das Niveau der Bildsignalstärke für alle Bildpunkte
(Pixel) proportional zur jeweiligen Helligkeit eines Bildpunktes
anzuheben oder abzusenken.
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Alternativ
oder zusätzlich
kann die Steuerung der Erfassungscharakteristik eine Steuerung des
Gesamtniveaus der Bildhelligkeit der Kamerabilder umfassen, bei
der erfasste Bildhelligkeiten insgesamt und unabhängig vom
Absolutwert der jeweiligen Helligkeiten einzelner Bildpunkte gleichmäßig zu höheren oder
niedrigeren Werten verschoben werden. Bei Verwendung einer Digitalkamera
können hierzu
sogenannte Offset-Einstellungen verändert werden.
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Alternativ
oder zusätzlich
umfasst die Steuerung der Erfassungscharakteristik eine Ermittlung
eines Ist-Grauwertprofiles der Kamerabilder in einer quer zur Verlaufsrichtung
des Übergangsbereichs verlaufenden
Bildrichtung, einen Vergleich des Ist-Grauwertprofiles mit mindestens
einem vorgegebenen Soll-Grauwertprofil, welches eine für die Auswertung
optimale Bilddarstellung des Übergangsbereichs
repräsentiert,
sowie eine Steuerung der Erfassungscharakteristik der Kamera in
Richtung einer Angleichung des Ist-Grauwertprofiles an das Soll-Grauwertprofil.
Hierbei wird die Erkenntnis genutzt, dass verschiedene, in der Praxis
immer wieder vorkommende Standard-Kantentypen charakteristische
Grauwertprofile erzeugen, wenn man den Verlauf der Bildhelligkeit
quer, insbesondere senkrecht zu einer solchen Kante als Funktion
des Ortes aufträgt.
Beispielsweise liefern rasiermesserscharfe Kanten einen relativ
abrupten Hell-Dunkel-Übergang, während Kanten
von Platten oder runde Kanten einen über eine größere Breite verteilten Übergang
erzeugen. Wird nun beispielsweise ein Werkzeug mit einer scharfkantigen
Schneide vermessen, so sollte in einem gut ausgesteuerten Kamerabild
der Grauwertverlauf im Bereich des Übergangsbereiches etwa dem
typischen Grauwertprofil einer scharfen Schneide mit abruptem Hell-Dunkel-Übergang entsprechen. Dies wird
bei der Ansteuerung der Kamera berücksichtigt, indem deren Erfassungscharakteristik so
eingestellt wird, dass ein am tatsächlichen Bild beobachteter Übergang
durch Parameterverstellungen an der Kamera dem entsprechenden Norm-Übergang
so ähnlich
wie möglich
gemacht wird. An dem auf diese Weise optimierten Hell-Dunkel-Übergang kann
dann bei der weiteren Bildverarbeitung der zugehörigen Kantenort besonders genau
bestimmt werden.
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Für diese
Verfahrensvariante ist es zweckmäßig, wenn
vor der Messung die Soll-Grauwertprofile an verschiedenen Referenzkörpern mit
typischen Kantengeometrien ermittelt werden und die den Soll-Grauwertprofilen
entsprechenden Soll-Grauwertprofildaten in einem Speicher der Bildverarbeitungseinrichtung
gespeichert werden. Mit diesen hinterlegten bzw. eingelernten „Gutbildern” kann dann das
bei der Vermessung aktuell erfasste Bild hinsichtlich der Kantendarstellung
des Übergangsbereichs verglichen
werden. Diese Verfahrensvariante beruht somit auf Vorab-Wissen,
welches aus vorher durchgeführten
Vermessungen von Standardteilen typischer Kantenstereometrie resultiert
und welches in geeigneter Weise im Rechner hinterlegt sein kann.
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Für den Vergleich
von Ist-Grauwertprofilen mit Soll-Grauwertprofilen gibt es zahlreiche
Möglichkeiten.
Bei einer Ausführungsform
wird beim Vergleich von Ist-Grauwertprofilen und Soll-Grauwertprofilen
ein Vergleichsparameter ermittelt, der eine Norm-Steigungsgerade
eines Ist-Grauwertprofiles repräsentiert
und der mit einer entsprechenden Norm-Steigungsgeraden eines Soll-Grauwertprofiles bzw.
mit einem diese Norm-Steigung repräsentierenden Vergleichsparameter
verglichen wird. Eine Normsteigungsgerade kann z. B. eine Gerade
durch zwei Punkte eines Grauwertprofils sein, die mit einem definierten
Helligkeits-Abstand von den Werten geringster bzw. höchster Helligkeit
entfernt liegen. Der tatsächliche
Kantenort kann aus dem Schnittpunkt einer Norm- Steigungsgeraden mit einer vorgegebenen Messschwelle
ermittelt werden. Als Messschwelle dient ein vorgegebener Grauwert,
der zwischen den Grauwerten liegt, die den dunkelsten und den hellsten
Bildanteilen entsprechen und der beispielsweise etwa mittig oder
symmetrisch zwischen den Werten maximaler und minimaler Helligkeit
liegen kann. Es ist auch möglich,
Referenz-Grauwertprofile durch Norm-Steigungsdreiecke zu charakterisieren
und die Erfassungscharakteristik der Kamera unter Verwendung solcher
Norm-Steigungsdreiecke zu optimieren.
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Es
ist möglich,
die Erfassungscharakteristik der Kamera in Abhängigkeit von mindestens einer Messgröße zu steuern,
welche bei der Erfassung des Werkzeugabschnittes, d. h. während des
Vermessungsvorganges, an dem Werkzeug, an dem Bild des Werkzeugs
und/oder in der Messumgebung erfasst wird. Die Messgröße kann
beispielsweise mit Hilfe einer Belichtungsmessung ermittelt werden,
mit der beispielsweise die Helligkeit des Werkzeugabschnittes und/oder
die Helligkeit des Hintergrundes oder eine aus diesen Größen abgeleitete
Größe ermittelbar
ist. Es ist auch möglich,
eine oder mehrere Messgrößen an dem
vom Sensor der Kamera gelieferten, noch unverarbeiteten, nicht optimierten
Kamerabild zu ermitteln. Beispielsweise können Helligkeitswerte von dem
Hintergrund entsprechenden Pixeln und/oder von dem Werkzeugabschnitt
entsprechenden Pixeln ermittelt und jeweils einzeln oder in Kombination
miteinander zur Ermittlung einer Messgröße verarbeitet werden.
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Bei
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass als Kamera eine Digitalkamera verwendet wird, bei
der das Kamerabild durch digitale Bildsignale repräsentiert
wird, welche über
eine digitale Datenübertragungsverbindung
zur Bildverarbeitungseinrichtung übertragen werden können. Obwohl
eine solche Kamera auch analog angesteuert werden kann, ist sie
vorzugsweise zum Empfang und zur Verarbeitung von digitalen Steuersignalen
ausgelegt, mit deren Hilfe die Erfassungscharakteristik der Kamera
eingestellt werden kann. Diese Steuersignale können über eine digitale Datenübertragungsverbindung
von einer Steuereinheit der Bildverarbeitungseinrichtung zur Kamera übertragen
werden. Besonders günstig
sind Ausführungsformen,
bei denen die Übertragung
der digitalen Bilddaten von der Kamera zur Bildverarbeitungseinrichtung
und die Übertragung
der digitalen Steuersignale von der Bildverarbeitungseinrichtung bzw.
von deren Steuereinheit zur Kamera über eine gemeinsame digitale
Datenübertragungsverbindung erfolgt.
Es kann somit eine bidirektionale, digitale Datenübertragung
genutzt werden, bei der der Datenfluss in beiden Richtungen über eine
gemeinsame Schnittstelle erfolgen kann. Die Datenübertragung kann
somit in beiden Richtungen softwaregesteuert auf Protokollebene
verlaufen. Sie kann leitungsgebunden beispielsweise über ein
einziges Kabel durchgeführt
werden, gegebenenfalls ist auch eine drahtlose Datenübertragung,
beispielsweise über
geeignete Infrarotschnittstellen oder dergleichen, möglich.
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Eine
zur Durchführung
des Verfahrens geeignete Messvorrichtung zum Vermessen von Werkzeugen,
die in einer Werkzeugaufnahme zum Halten eines Werkzeuges aufgenommen
sind, hat mindestens eine Kamera zum Erfassen mindestens eines Werkzeugabschnittes
des Werkzeuges und zur Erzeugung einer Mehrzahl von Kamerabildern
der genannten Art sowie eine mit der Kamera signalübertragend
verbindbare oder verbundene Bildverarbeitungseinrichtung zur Verarbeitung
von Kamerabildern. Eine der Bildverarbeitungseinrichtung zugeordnete
Steuereinrichtung dient der Steuerung der Erfassungscharakteristik
der Kamera in Abhängigkeit mindestens
eines Steuerkriteriums mit dem Ziel einer Optimierung der Erfassungscharakteristik
für den Übergangsbereich,
um durch die Steuerung veränderte
und damit optimierte Kamerabilder zu erzeugen, die dann zur Bildverarbeitungseinrichtung übertragen
werden. Die Kamera ist bevorzugt eine Digitalkamera mit mindestens
einem zweidimensionalen Bildsensor, beispielweise einem CCD-Chip,
und mit einem an den Bildsensor angeschlossenen Analog/Digital-Wandler
zur Umwandlung der am Bildsensor auftretenden analogen Signale in
digitale Bildsignale. Diese können
dann über
eine digitale Schnittstelle zum Rechner der Bildverarbeitungseinrichtung übertragen
werden. Vorzugsweise dient die gleiche Schnittstelle auch zur Übertragung
von digitalen Steuersignalen, mit denen die Erfassungscharakteristik
der Kamera gesteuert wird. Auf diese Weise kann eine einzige Datenübertragungsleitung,
die bidirektional genutzt werden kann, für die gesamte Informationsübertragung
zwischen Kamera und Bildverarbeitungseinrichtung dienen.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.
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1 ist
eine schematische Darstellung eines Werkzeugvoreinstellgerätes, das
mit einer Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung
ausgestattet ist;
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2 ist
eine schematische Darstellung der Erzeugung von digitalen Bildsignalen
der Kamera, der Datenübertragung
zur Bildverarbeitungseinrichtung sowie der Übertragung und Nutzung von
Steuersignalen zur Steuerung der Erfassungscharakteristik der Kamera;
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3 ist
eine schematische Darstellung eines Kamerabildes mit Werkzeuganteil,
Hintergrundanteil und schmalem Übergangsbereich;
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4 ist
eine Darstellung eines Grauwertprofils;
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5 ist
eine schematische Darstellung verschiedener Standard-Grauwertprofile für typische Standard-Kantengeometrien;
und
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6 ist
eine schematische Darstellung, die den Einfluss verschiedener Stellgrößen auf
den Verlauf eines Grauwertprofils zeigt.
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In 1 ist
schematisch ein Voreinstellgerät 1 für Maschinenwerkzeuge 2 gezeigt,
die als Bearbeitungswerkzeuge in einem Bearbeitungszentrum genutzt
werden sollen. Das Voreinstellgerät hat eine drehbare Werkzeugaufnahme 3,
in die ein Rotationswerkzeug 2 eingespannt und um eine
horizontale Drehachse 4 gedreht werden kann. Bei der gezeigten Ausführungsform
ist die Werkzeugaufnahme 3 mit Hilfe eines Motors 5 computernumerisch
gesteuert drehbar. Bei anderen Ausführungsformen ist eine manuelle
Drehung des Werkzeugs mittels eines Handrades oder dergleichen vorgesehen.
Es gibt auch Ausführungsformen
mit unbeweglicher Werkzeugaufnahme.
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Dem
Voreinstellgerät 1 ist
eine Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung
zugeordnet. Diese umfasst eine unterhalb der Achse 4 angeordnete
und generell nach oben gerichtete Lichtquelle, z. B. eine Kaltlichtquelle 10,
die das Werkzeug 2 derart von unten beleuchtet, dass in
die Optik einer der Lichtquelle diametral zur Achse 4 gegenüberliegend
angeordnete Kamera 11 ein Schattenbild eines Werkzeugabschnittes 12 des
Werkzeuges 2 fällt.
Die Kamera 11 ist in Bezug auf die Drehachse 4 so
angeordnet, dass die Drehachse bei richtiger Justierung in der Schärfezone
der Kameraoptik liegt. Die Kaltlichtquelle 10 und die Kamera 11 sind an
einer Säule 13 befestigt,
die auf einem Maschinengestell des Voreinstellgerätes beweglich
gelagert ist und die mittels eines nicht näher dargestellten X-Z-Koordinatenschlittens in
einer horizontalen Ebene in X-Richtung (senkrecht zur Achse 4)
und in Z-Richtung (parallel zur Achse 4) verfahrbar ist.
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Die
Kamera 11 (vgl. 2) ist eine mit einer telezentrischen
Optik ausgestattete Digitalkamera, die als Graubildkamera ausgestaltet
ist. Es sind auch Versionen mit Farbsensor verfügbar. Als zweidimensionaler
Bildsensor der Kamera dient ein CCD-Chip 20, der im Beispielsfall
eine Auflösung
von 640×480 Pixeln
(Bildpunkten) 21 hat. An den CCD-Chip 20 ist ein
Analog/Digital-Wandler 22 angeschlossen, der die vom Sensor
gelieferten Analogsignale 23 in digitale Bildsignale 24 umwandelt.
Diese repräsentieren das
Kamerabild, welches von der Kamera 11 digital zur Bildverarbeitungseinrichtung 25 übertragen
wird. Die mit einem Rechner, beispielsweise mit einem Personalcomputer,
ausgestattete Bildverarbeitungseinrichtung 25 verarbeitet
die von der Kamera 11 kommenden, digitalen Kamerabilder.
Dabei können Bilder
und/oder ausgewertete Daten gespeichert und/oder an externe Ausgabeeinrichtungen
wie Drucker, optische und/oder akustische Anzeigeeinrichtungen oder
dergleichen abgegeben werden. Bei der gezeigten Ausführungsform
ist an die Bildverarbeitungseinrichtung 25 ein Monitor 15 angeschlossen, an
dem das aktuelle Kamerabild angezeigt werden kann. Der Monitor dient
auch zur Anzeige von Eingabemasken für die Bedienung des Voreinstellgerätes sowie
zur Ausgabe bzw. Anzeige von der Bedienerführung und der Bedienerinformation
dienenden Daten. Insbesondere können
am Ende eines Auswertevorgangs ermittelte Abmessungswerte für das Werkzeug 2 angezeigt
werden.
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Die
digitale Datenübertragung
erfolgt über eine
digitale Schnittstelle gemäß Spezifikation IEEE1394,
wie sie beispielsweise unter der Bezeichnung FireWire Interface
bekannt ist. Die entsprechende Steckbuchse an der Kamera ist über ein
Kabel 26 mit einer entsprechenden Steckbuchse der Bildverarbeitungseinrichtung 25 verbunden.
Auch andere Schnittstel len sind möglich, beispielsweise Kameralink
oder eine einfache SPS-Schnittstelle oder
USB.
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Die
Kamera ist so konfiguriert, dass es möglich ist, mit Hilfe der Bildverarbeitungseinrichtung 25 einige
Kameraparameter über
geeignete, digitale Steuersignale 27 über die gleiche Schnittstelle
zu beeinflussen. Die Kamera kann beispielsweise gemäß der 1394a
Kameraspezifikation gebaut sein. Bei der gezeigten Ausführungsform
ist es insbesondere möglich,
die Belichtungszeit der Kamera einzustellen, indem mit Hilfe geeigneter
Steuersignale die Ladezeit der einzelnen Pixel-Kondensatorelemente 21 des
CCD-Chips 20 vorgegeben wird. Diese Funktion wird im Folgenden
als „Shutter-Funktion” oder „elektronische
Blende” bezeichnet,
welche über
Steuersignale S beeinflusst werden kann. Weiterhin ist es möglich, über digitale
Steuersignale G den Verstärkungsfaktor
des Analog/Digital-Wandlers 22 einzustellen. Diese Funktionalität, auch
als Gain-Einstellung bezeichnet, ermöglicht es, die den einzelnen
Pixel-Helligkeiten entsprechenden Digitalwerte proportional zum
jeweiligen Absolutwert anzuheben oder abzusenken (Verstärkerfunktion).
Weiterhin ist es möglich, über geeignete
digitale Steuersignale O am Analog/Digital-Wandler 22 die
Digitalwerte für
die erfassten Bildhelligkeiten insgesamt und unabhängig vom
Absolutwert der jeweiligen Helligkeiten um den gleichen Betrag abzuheben
oder abzusenken. Diese Offset-Einstellung entspricht einer Nullpunktverschiebung
der digitalen Bildsignale.
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Diese
Einstellmöglichkeiten
können
einzeln oder in Kombination dazu genutzt werden, die Erfassungscharakteristik
der Kamera einzustellen. Die Einstellungen haben unmittelbar Einfluss
auf die Qualität
des digitalen Kamerabildes, welches in Form digitaler Bildsignale 24 von
der Kamera 11 zur Bildverarbeitungseinrichtung 25 übertragen
wird.
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Bei
anderen Ausführungsformen
können noch
andere Kameraparameter einstellbar sein, beispielsweise durch eine
Tiefpassfilterung und/oder durch Einführung von Nicht-Linearitäten im Grauwertverlauf.
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Wird
die Kamera 11 so positioniert, dass ein Teil des Werkzeuges 2 in
das Bildfeld der Kamera ragt, so entsteht ein Grauwert-Kamerabild 30 (3),
welches einen dem Schattenriss des Werkzeugabschnittes entsprechenden
Werkzeuganteil 31 und einen dem Hintergrund entsprechenden
Hintergrundanteil 32 hat, der beim gezeigten Durchlichtverfahren
heller ist das der Werkzeuganteil. Der Werkzeuganteil 31 und
der Hintergrundanteil 32 gehen entlang eines schmalen,
quasi-linienhaften Übergangsbereiches 33 ineinander über. Dieser Übergangsbereich
wird auch als die in der entsprechenden Projektion erscheinende
Werkzeugkante oder Werkzeugkontur bezeichnet.
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In 4 ist
ein typischer Verlauf der Grauwerte entlang einer Bildrichtung 34 gezeigt,
die im stumpfen Winkel quer über
den Übergangsbereich 33 verläuft. Dabei
sind auf der x-Achse Ortskoordinaten in Form von Pixel-Positionen,
d. h. Positionen von Bildpunkten, aufgezeichnet. Die y-Achse repräsentiert
Grauwerte, d. h. Helligkeitswerte der entsprechenden Pixel auf einer
normierten Grauwertskala, bei der beispielsweise der Minimalwert
(absolute Dunkelheit) dem Wert Null und der Maximalwert MAX einem
Grauwert 255 entsprechen kann. Die mit durchgezogener Linie
dargestellte Grauwertkurve 35 ist gekennzeichnet durch
einen dem Werkzeuganteil 31 entsprechenden Dunkelbereich 36 mit
bedeckten Sensor-Pixeln 21 und entsprechend niedrigen Grauwerten,
einen dem hellen Hintergrund entsprechenden Hellbereich 37 mit
hohen Grauwerten nahe dem Maximum und einem dazwischenliegenden
Grauwertübergang 38,
der einen generell S-förmigen
Verlauf hat. Das Niveau der niedrigsten Helligkeitswerte wird als
unteres Plateau 39 und der Sättigungswert höchster Helligkeiten
wird als oberes Plateau 40 be zeichnet. Der Grauwerthub 41 zwischen
unterem Plateau 39 und oberem Plateau 40 wird
auch als Kantenhub bezeichnet.
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Es
ist unmittelbar ersichtlich, dass bei einem derartigen Grauwertübergang
die tatsächliche
Position der für
den Grauwertübergang
verantwortlichen Werkzeugkante, d. h. der Kantenort auf der Pixel-Achse
(x-Achse), nicht ohne weiteres eindeutig ermittelbar ist. Es gibt
Verfahren, bei denen angenommen wird, dass der Kantenort dem Ort
maximaler Steigung der Grauwertkurve, d. h. dem Wendepunkt 41 dieser
Kurve entspricht. Der Erfinder hat herausgefunden, dass es Fälle gibt,
bei denen diese Annahme zu falschen d. h. geometrisch unzutreffenden
Ergebnissen führt.
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Die
Erläuterungen
zum Grauwertprofil 35 zeigen, dass die Ermittlung des Kantenortes
auf der Pixelskala entscheidend von den Helligkeitsverhältnissen
im Kamerabild abhängt.
Wird beispielsweise ein Werkzeug vermessen, welches eine metallisch glänzende Schneide
hat, auf die gegebenenfalls noch Fremdlicht fällt, so wird der Werkzeuganteil 31 des
Kamerabildes insgesamt heller erscheinen, so dass das Helligkeitsniveau
im Dunkelbereich 36 angehoben würde. Daraus könnte das
in 4 gestrichelt gezeigte Grauwertprofil 35' resultieren,
bei dem beispielsweise der Wendepunkt 41' gegenüber dem Wendepunkt 41 des
Grauwertprofils 35 seitlich in Richtung dunklerer Helligkeitswerte
verschoben wäre.
Dies kann zu Messfehlern führen. Ähnliche
Effekte, gegebenenfalls in die andere Richtung, können sich
beispielsweise ergeben, wenn die Intensität der Hintergrundbeleuchtung
schwankt, so dass das Maximalniveau im Helligkeitsbereich variiert.
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Die
Erfindung vermeidet solche Fehler zuverlässig. Das wird dadurch erreicht,
dass die Erfassenscharakteristik der Kamera 11 in Abhängigkeit mindestens
eines Steuerkriteriums gezielt gesteuert wird, um eine optimale
Darstellung des Grauwertübergangs,
d. h. eine optimale Dar stellung des Übergangsbereiches im Kamerabild
zu gewährleisten. Diese
Darstellung soll weitgehend unabhängig von den Beleuchtungsverhältnissen
der Messumgebung und/oder von der Helligkeit der zu vermessenden Werkstücke und/oder
von der Stereometrie der zu vermessenden Werkzeugkanten (scharfe
Kante, plattenförmige
Kante, runde Kante etc.) sein.
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Um
den Einfluss der Kantenstereometrie zu berücksichtigen, sind in einem
Speicher der Bildverarbeitungseinrichtung typische Grauwertprofile
für Standard-Kanten
bzw. digitale Repräsentationen
dieser typischen Grauwertprofile hinterlegt. Hierzu zeigt 5 schematisch
ein typisches Grauwertprofil 51 für eine Kante einer Platte,
ein Grauwertprofil 52 für eine
messerscharfe Kante und ein Grauwertprofil 53 für eine abgerundete
Kante, die beispielsweise an einem kugeligen Körper vorliegt. Es ist erkennbar,
dass das typische Grauwertprofil 51 an einer plattenförmigen Kante über einen
breiteren Bereich „verschmiert” ist als
das Grauwertprofil einer Messerkante, welches einen abrupten Dunkel-Hell-Übergang
zeigt. Das Grauwertprofil 53 an der runden Kante zeichnet sich
gegenüber
den anderen Grauwertprofilen durch größere Unschärfe und eine mittlere Steigung
aus. Diese Grauwertprofile werden auf einen geeigneten Kantenhub 56 zwischen
unterem Plateau 54 und oberen Plateau 55 normiert.
In einem definierten Helligkeitsabstand vom oberen Plateau 55 wird
ein oberer Kurvenpunkt 57 und in einem definierten Helligkeitsabstand
vom unteren Plateau 54 ein unterer Kurvenpunkt 58 bestimmt.
Die durch diese Punkte verlaufende Gerade wird als Norm-Steigungsgerade des
Sollprofils 52 bezeichnet. Die anderen typischen Grauwertprofile 51, 53 werden
in entsprechender Weise parametrisiert. Diese typischen Steigungsgeraden
bzw. entsprechende digitale Repräsentationen werden
als Vergleichparameter für
die tatsächlichen Messprofile
im Rechner hinterlegt.
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Für die Erzeugung
einer Datenbank mit typischen Grauwertprofilen kann beispielsweise
wie folgt vorgegangen werde. Zunächst
wird eine gewisse Anzahl von „Golden
Parts” ausgewählt, die
bestimmte Merkmale oder Merkmalskombinationen bezüglich Kantengeometrie
und/oder Oberfläche
und/oder Rautiefe und/oder Farbe oder dergleichen haben und stellvertretend
für eine
ganze Familie/Gruppe von Werkzeugen stehen. Anhand solcher „Golden
Parts” bzw.
Standard-Werkzeuge werden typische Grauwertprofile an geeigneten
Stellen ermittelt. Bei einer Variante werden die Grauwertaufnahmen
zunächst mit
Standard-Einstellungen der Kamera (Kameradefaulteinstellungen) unter
definierten, optimalen Umgebungsbedingungen, d. h. insbesondere
ohne Fremdlicht, bei festgelegten Plateaus gemacht. Dementsprechend
würden
Fehler bei den späteren
Messungen an „richtigen” Werkzeugen,
die durch Farbe (schwarz/glänzend)
und/oder Geometrie (Kante/Zylinder) und/oder ungünstige Lichtungsverhältnisse erzeugt
werden, durch Anpassung bzw. Änderung der
Erfassungscharakteristik der Kamera kompensiert werden. Die Zuverlässigkeit
der Kompensation kann dadurch erhöht werden, dass beim realen Messvorgang
für die
Steuerung der Erfassungscharakteristik noch weitere Eingabeparameter
bereitgestellt werden, beispielsweise Messwerte von Helligkeit über einen
zusätzlichen
Sensor und/oder Angaben im Messprogramm über Art des Werkzeuges, Typ
der zu vermessenden Kante (beispielsweise zylindrische Leiste oder
scharfe Schneide einer Reibahle) oder dergleichen.
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Ein
Messvorgang an einem Rotationswerkzeug mit messerscharfer Schneide
kann dann wie folgt ablaufen. Zunächst wird das Werkzeug im Bildfeld
der Kamera positioniert und so eingestellt, dass sich die zu vermessende
Werkzeugschneide, deren Kontur die Wirkabmessung des Rotationswerkzeuges
bestimmt, in der Schärfezone
der Kamera befindet. In dem von der Kamera erfassten Kamerabild liegt
dann ein dunkler Flächenanteil 31 vor,
der dem Werkzeuganteil entspricht und der an ei nem kantennahen Übergangsbereich 33 in
den hellen Hintergrundanteil 32 übergeht.
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Dieses
Kamerabild wird nach Digitalisierung digital zur Bildverarbeitungseinrichtung 25 übertragen.
In dieser wird rechnerisch ein Ist-Grauwertprofil 60 ermittelt,
welches als punktierte Linie schematisch in 3 dargestellt
ist. Im Rechner sind definierte Grauwertniveaus für das untere
Plateau 39 und das obere Plateau 40 hinterlegt.
Es ist erkennbar, dass im Beispielsfall der dunkle Bereich des Ist-Grauwertprofils 60 oberhalb
des unteren Plateaus und der helle Bereich unterhalb des oberen
Plateaus 40 liegt. Nun erfolgt mit Hilfe einer Steuerung
der Erfassungscharakteristik der Kamera eine Angleichung des Ist-Grauwertprofils
an das Soll-Grauwertprofil 52 einer messerscharfen Kante.
Hierzu überträgt die Bildverarbeitungseinrichtung 25 digitale
Steuersignal 27 an die Kamera, um die Erfassungscharakteristik
so zu verändern,
dass die dunkelsten Grauwerte des Ist-Grauwertprofils 60 mit
dem vorgegebenen unteren Plateau 39 und die größten Grauwerte
im Hellbereich 37 mit dem oberen Plateau 40 zusammenfallen. Das
Grauwertprofil wird sozusagen zwischen vorgegebenen unteren und
oberen Helligkeitsniveaus „geklemmt”. Die Positionen
des unteren Plateaus 39 und/oder des oberen Plateaus 40 auf
der Grauwertskala können
ebenfalls verändert
werden. Im Beispielsfall wird das Grauwertprofil nach oben und unten
gestreckt, so dass der zunächst
flache Grauwertübergang
nach dieser Veränderung
steiler verläuft. In 4 wird
das durch Steuerung der Erfassungscharakteristik veränderte und
damit optimierte Grauwertprofil durch das durchgezogene Grauwertprofil 35 repräsentiert.
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Das
Ist-Grauwertprofil 60 gehört zu einer ausgewählten Bildrichtung,
die in stumpfem Winkel, vorzugsweise etwa senkrecht, zum Verlauf
der Hell-Dunkel-Kante verläuft
(vergleiche Richtung 34 in 4). Eine
spezielle Logik im Auswerteprogramm sorgt dafür, dass für jeden Kantenort eine geeignete, möglichst
steil auf den zu vermessenden Kantenab schnitt fallende Messrichtung
gewählt
wird. Somit kann beispielsweise für Messpunkte, die im unteren Abschnitt
der in 4 gezeigten Werkzeugkontur liegen, anstatt der
horizontal in X-Richtung verlaufenden Messrichtung 34 auch
eine senkrecht zu dieser (in Z-Richtung) verlaufenden Messrichtung
ausgewählt
werden.
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Bei
der gezeigten Ausführungsform
wird das Bild immer zeilenweise (in X-Richtung) und innerhalb der
Zeile dann spaltenweise eingelesen, beginnend links oben. Das Bild
liegt somit zunächst
als „Zahlengrab” im Bildspeicher.
Die Kontur wird dann zunächst grob
ausgewertet, um den Bereich seiner Extrempunkte in X-und Z-Richtung
zu ermitteln. Diese Extrempunkte X1 und Z1 sind deshalb von Bedeutung, weil
das gezeigte Werkzeug ein Werkstück
mit diesen „äußeren” Kanten
bearbeitet. Daher sind diese Bereiche relevant. Bei der Auswertung
durchstößt dann
die jeweils ausgewertete Bildrichtung (z. B. Richtung 34 in 4)
die Kontur im Wesentlichen senkrecht, wobei die Bildrichtung horizontal
oder vertikal sein kann. In der Umgebung dieses Durchstoßpunktes,
beispielsweise im Bereich von vier bis fünf Pixeln um diesen Durchstoßpunkt herum,
wird der Grauwertverlauf nochmals genauer analysiert und ein Subpixeling
durchgeführt.
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Anhand
von 6 wird erläutert,
auf welche Weise der Verlauf des Grauwertprofils zur optimalen Kantendarstellung
verändert
werden kann. Wird beispielsweise die Belichtungszeit (Parameter
S) von niedrigen Werten (Pfeil nach unten) zu höheren Werten (Pfeil nach oben)
verlängert,
so werden dunkle und hellere Grauwerte zu höheren Werten verschoben, wobei
gleichzeitig das Grauwertprofil im Übergangsbereich steiler wird.
Wird die Verstärkung (Gain-Einstellung
G) zwischen niedrigen Werten (Pfeil nach unten) und höheren Werten
(Pfeil nach oben) verändert,
werden alle Grauwerte der Kurve proportional zu ihrem Absolutwert
erhöht.
Eine Verstellung des Offset-Parameters (O) bewirkt eine Verschiebung
der Gesamtkurve ohne Formänderung nach
unten oder nach oben. Es ist erkennbar, dass durch eine geeignete
Kombination dieser Kameraeinstellungen das Ist-Grauwertprofil so
in Richtung der Helligkeitsachse gestreckt werden kann, dass der
Dunkelbereich mit dem unteren Plateau 39 und der Hellbereich
mit dem oberen Plateau 40 zusammenfällt. Durch Veränderung
des oberen Plateaus 40 und/oder des unteren Plateaus 39 kann
der Kantenhub 41 des „geklemmten” Grauwertprofils 35 verändert und
dieses dadurch noch gestreckt oder gestaucht werden.
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Die
genannte Einstellmöglichkeiten
werden dazu genutzt, das Ist-Grauwertprofil
so zu optimieren, das seine Norm-Steigungsgerade 62 die
gleiche Steigung hat wie die Norm-Steigungsgerade 52 des entsprechenden
Standard-Kantentyps.
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Bei
einer Variante des Verfahrens werden die charakteristischen Norm-Grauwertprofile von
Standardteilen (Golden Parts) mit Hilfe von Steigungsdreiecken bzw.
deren digitaler Repräsentation
charakterisiert. Dies wird zunächst
anhand der linken Teilfigur in 5 erläutert. Zunächst wird
in einem geeigneten Abstand unterhalb des oberen Plateaus 55 ein
oberes Hilfsplateau 55' und
in einem geeigneten Abstand oberhalb des unteren Plateaus 54 ein geeignetes
Hilfsplateau 54' definiert.
Die Schnittpunkte des typischen Grauwertprofils 51 mit
den Hilfsniveaus 54' und 55' definieren
gemeinsam mit den Richtungen der Ortsachse und der Helligkeitsachse
ein Standarddreieck 50',
dessen Form charakteristisch für
den Grauwertverlauf des Profils 51 ist. Bei der anhand 3 erläuterten
Auswertung eines gemessenen Ist-Grauwertprofils 35 werden
nun entsprechende Hilfsniveaus 39' und 40' definiert. Als Referenz für den Kurvenoptimierungsprozess
wird ein den Werkzeugtyp repräsentierende
Norm-Steigungsdreieck 50 bzw. eine rechnerische Repräsentation
derselben herangezogen. Mit Hilfe dieses Steigungsdreiecks 50 wird
die Erfassungscharakteristik der Kamera so verändert, dass das erfasste Grauwertprofil
an dieses Steigungsdreieck so angepasst wird, dass der Profilverlauf
durch die an den spitzen Winkeln liegenden Eckpunkte des Steigungsdreiecks 50 verläuft. Der
wahre Kantenort ergibt sich bei dieser Variante aus dem Schnittpunkt
der Messschwelle M mit der Hypotenuse des Steigungsdreiecks 50.
Die beschriebenen Verfahrensvarianten ergeben hinsichtlich der Lage
des Kantenortes vergleichbare Ergebnisse.
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An
diesem durch Steuerung der Erfassungscharakteristik der Kamera optimierten
Grauwertprofil kann nun der wahre Kantenort 61 mit Hilfe
einer vorgegebenen Messschwelle M bestimmt werden. Der wahre Kantenort
liegt auf der Ortsachse (Pixel-Achse), dort, wo die Steigungsgerade 62 das
Niveau der Messschwelle M schneidet. Es ist erkennbar, dass dieser
Kantenort nicht notwendigerweise dem Schnittpunkt der Messschwelle
mit dem Grauwertprofil 35 oder dem Wendepunkt des Grauwertprofils entspricht.
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Die
Positionen der Messschwelle M, des oberen Plateaus 40 und
des unteren Plateaus 39 können mit Hilfe von Versuchsmessungen
an Standardteilen empirisch festgelegt werden. Es hat sich als nützlich herausgestellt,
wenn das obere Plateau 40 deutlich unterhalb des maximalen
Helligkeitswerts MAX liegt, so dass der Bereich der Helligkeits-Sättigung
im Bereich 37 auf jeden Fall zuverlässig erfasst werden kann. Ein
Abstand des unteren Plateaus 39 vom Null-Niveau der Helligkeit
ist ebenfalls vorteilhaft. Es kann ein geringer Grauwert-Abstand
ausreichen. Insgesamt ist anzustreben, den Kantenhub 41 möglichst
groß zu
gestalten, um eine genauere Interpolation am Grauwertprofil zur
Bestimmung des Kantenortes zu ermöglichen.
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Es
hat sich in zahlreichen aufwendigen Vorversuchen gezeigt, dass die
Lage der Messschwelle M auf der Grauwertskala in erster Näherung nur
von der Kantenstereometrie, d. h. von der geometrischen Form der
zu vermessenden Kante abhängig
ist. Dagegen liegt keine oder nur eine geringe Abhängigkeit von
der Oberflächenhelligkeit
des Werkzeuges vor. Störende
Auswirkungen von Oberflächenhelligkeit und
Fremdlicht werden bei der Streckung des Grauwertprofils zwischen
den vorgegebenen Helligkeitsplateaus berücksichtigt.
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Beim
Ausführungsbeispiel
werden die typischen Kantenverläufe
(5) anhand von Steigungswerten bzw. Steigungsgeraden
parametrisiert. Bei anderen Varianten ist es auch möglich, die
Parametrisierung der unter idealen Messbedingungen ermittelten Soll-Kurven
(5) durch Kurvenverläufe zu parametrisieren.
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Die
Erfindung schafft somit ein adaptives Vermessungssystem, welches
schnell und empfindlich auf wechselnde Umgebungsbedingungen reagiert
und bei dem die Kamera schnell so eingestellt wird, dass eine optimale,
geometriegetreue Erfassung von Werkzeugkonturen möglich wird.
Dabei kann eine optimale Aufteilung der „Arbeit” zwischen Bilderfassung (Kamera)
und Bildverarbeitung (Bildverarbeitungsrechner) erreicht werden.
Die adaptive Kamera ist nur so weit intelligent, dass sie digitale Kamerabilder
liefert, bei denen die Kantendarstellung, d. h. die Darstellung
des Hell-Dunkel-Übergangs,
unabhängig
von den Umgebungsbedingungen so optimiert ist, dass eine geometriegetreue
und damit genau Ermittlung von Abmessungswerten des vermessenen
Werkzeuges durch die Bildverarbeitungseinrichtung möglich wird.
Die Bildverarbeitung selbst, welche als Endergebnis zu Abmessungswerten
des Werkzeuges führen
kann, wird auf Seiten der Bildverarbeitungseinrichtung durchgeführt, die
jede hierfür
geeignete Konfiguration haben kann. Sie benötigt keine Einrichtung zur
Umwandlung analoger Bildsignale in digitale Bildsignale.
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Die
Erfindung wurde am Beispiel einer Messeinrichtung mit Durchlicht
erläutert.
Die Erfindung ist auch anwendbar bei Auflichtmessungen und kann insbesondere
auch für
diese Beleuchtungsart zuverlässigere
Messergebnisse gewährleisten.
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Bei
der beschriebenen Ausführungsform wird
eine Videokamera mit zweidimensionalem Bildsensor zur Erzeugung
von (zweidimensionalen) Kamerabildern genutzt. Dabei wird eine Vielzahl übereinanderliegender
Zeilen praktisch zeilengleich erfasst. Die Erfindung ist auch anwendbar
bei Ausführungsformen,
bei denen zur Erzeugung von Kamerabildern eine oder mehrere Zeilenkameras
verwendet werden. Mit Hilfe einer Zeilenkamera kann durch ein geeigneten
Scan-Vorgang (Relativbewegung zwischen Zeilenkamera und Werkzeug
senkrecht zur Zeilenrichtung) und sequenzielle Erfassung von Zeilen
ebenfalls ein „Kamerabild” erzeugt
werden, welches die Bildinformation von nacheinander aufgenommenen
Zeilen enthält.