DE202005015438U1

DE202005015438U1 - Tool measuring and positioning device, has evaluation unit determining image positions of characteristic of calibration object from two images, and determining aberration of camera by comparing image positions with target positions

Info

Publication number: DE202005015438U1
Application number: DE202005015438U
Authority: DE
Original assignee: E Zoller GmbH and Co KG; E Zoller GmbH and Co KG Einstell und Messgeraete
Current assignee: E Zoller GmbH and Co KG; E Zoller GmbH and Co KG Einstell und Messgeraete
Priority date: 2005-09-10
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2015-10-01

Abstract

The device has a camera (10) for measurement of characteristic of a tool (14), and a measuring device to determine camera positions. An evaluation unit (18) determines image positions of the characteristic of a calibration object (24) from two images acquired from different camera positions in a calibration process and determines an aberration of the camera by comparing the image positions with target positions determined from the camera positions.

Description

Stand der TechnikState of technology

Die Erfindung betrifft ein Werkzeugmess- und/oder Werkzeugeinstellgerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a tool measuring and / or tool setting device according to Preamble of claim 1.

Es sind Werkzeugmess- und Einstellgeräte bekannt, die aufwändig kalibriert werden müssen. Zum Kalibrieren kommen teure Kalibrierlehren zum Einsatz und der Kalibriervorgang erfolgt manuell durch einen Servicetechniker.It Tool measuring and setting devices are known, which calibrates consuming Need to become. To the Calibration uses expensive calibration gauges and the calibration process done manually by a service technician.

Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, ein besonders genaues Kalibrierverfahren bereitzustellen, das ohne eine aufwändige Kalibrierlehre von ungeschultem Personal durchgeführt werden kann. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die hohe Präzision von Längenmessvorrichtungen zum Bestimmen einer Kameraposition in gattungsgemäßen Werkzeugmess- und/oder Werkzeugeinstellgeräten zum Kalibrieren der Kamera nutzbar zu machen. Die Aufgaben werden gemäß der Erfindung durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1 und 11 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.Of the Invention is in particular the object of a particular provide accurate calibration procedure, without a complex calibration by untrained personnel. Further lies The invention is based on the object, the high precision of length measuring devices for determining a camera position in generic tool measuring and / or tool setting devices to calibrate the camera usable. The tasks become according to the invention by the features of independent claims 1 and 11 solved. Further embodiments emerge from the subclaims.

Vorteile der ErfindungAdvantages of invention

Die Erfindung geht insbesondere aus von einem Werkzeugmess- und/oder Werkzeugeinstellgerät mit einer Kamera zum optischen Vermessen wenigstens eines Merkmals eines Werkzeugs, mit einer Längenmessvorrichtung zum Bestimmen einer Kameraposition und mit einer Auswerteinheit zum Auswerten der von der Kamera erfassten Daten.The The invention is based, in particular, on a tool measuring and / or tool setting device having a Camera for optically measuring at least one feature of a tool, with a length measuring device for determining a camera position and with an evaluation unit to evaluate the data captured by the camera.

Es wird vorgeschlagen, dass die Auswerteinheit dazu vorgesehen ist, in einem Kalibriervorgang aus wenigstens zwei aus verschiedenen Kamerapositionen erfassten Bildern jeweils eine Bildposition desselben Merkmals eines Kalibriergegenstands zu bestimmen und durch einen Vergleich der erfassten Bildpositionen mit aus den Kamerapositionen bestimmten Sollpositionen einen Abbildungsfehler der Kamera zu bestimmen. Dadurch kann in einer einfachen Weise ein Verlauf eines Abbildungsfehlers der Kamera über die Bildfläche ermittelt werden und bei der Kalibrierung der Messwerte berücksichtigt bzw. kompensiert werden. Die hohe Präzision gattungsgemäßer Längenmessvorrichtungen kann vorteilhaft bei der Kalibrierung der Kamera ausgenutzt werden. Es können trotz der unvermeidbaren Abbildungsfehler der Kamera bzw. einer der Kamera vorgeschalteten Optik hochpräzise Messergebnisse erzielt werden, so dass sich hinsichtlich der Kamera und der Optik Kosteneinsparungspotenziale erschließen lassen. Die Bildpunkte können die Abbildungen eines beliebigen Merkmals eines dem Fachmann als sinnvoll erscheinenden Kalibriergegenstands sein, beispielsweise eines Werkzeugs bzw. einer Werkzeugschneide. Auf eine aufwändige und teure Kalibrierlehre kann verzichtet werden. Durch ein selbsttätiges Durchführen des Kalibriervorgangs kann dieser von ungeschultem Personal durchgeführt werden, da im einfachsten Fall ein einfaches Startsignal zum Starten des Kalibriervorgangs genügt. In manuell verstellbaren Werkzeugmess- und/oder Werkzeugeinstellgeräten kann der Bediener beim manuellen Verstellen der Kamera in eine Folge von zum Kalibrieren geeigneten Kamerapositionen über ein Display geführt sein. Eine solche Bedienerführung kann beispielsweise durch ein Pfeilsymbol von der Art eines Kompasses realisiert sein.It It is proposed that the evaluation unit is intended to in a calibration of at least two of different Camera positions captured images each have an image position of the same Feature of a calibration object and determined by a Comparison of the captured image positions with from the camera positions certain target positions to determine an aberration of the camera. As a result, in a simple manner, a course of an aberration the camera over the picture surface be determined and taken into account in the calibration of the measured values or be compensated. The high precision of generic length measuring devices can be advantageously used in the calibration of the camera. It can despite the unavoidable aberrations of the camera or a the camera upstream optics achieved high-precision measurement results so that in terms of the camera and the optics cost savings potential tap to let. The pixels can the illustrations of any feature of the skilled person as be sensible appearing calibration, for example a tool or a tool cutting edge. On an elaborate and expensive calibration gauge can be omitted. By automatically performing the Calibration process can be carried out by untrained personnel, because in the simplest case a simple start signal to start the Calibration is sufficient. In manually adjustable tool measuring and / or Werkzeuginstellgeräten can the operator manually adjusting the camera in a sequence be performed by calibrating suitable camera positions via a display. Such an operator prompt can for example by an arrow symbol of the type of a compass be realized.

Die erfindungsgemäße Lösung kann bei Werkzeugmessgeräten, Werkzeugeinstellgeräten sowie bei kombinierten Mess- und Einstellgeräten zum Einsatz kommen. Der Abbildungsfehler ist im Allgemeinen ortsabhängig und kann durch ein zweidimensionales Vektorfeld auf der Bildfläche beschrieben werden.The inventive solution can for tool measuring devices, Tool setting devices as well used in combined measuring and setting devices. Of the Aberrations is generally location-dependent and can be due to a two-dimensional Vector field on the picture surface to be discribed.

Eine gleichmäßig gute Kalibrierung eines gesamten Kamerablickfelds kann erreicht werden, wenn die Sollpositionen gleichmäßig über eine Bildfläche der Kamera verteilt angeordnet sind.A equally good Calibration of an entire camera field of view can be achieved if the set positions evenly over one scene the camera are distributed.

In einer Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Auswerteinheit dazu vorgesehen ist, zumindest eine Komponente eines Differenzvektors zwischen einer Bildposition und einer Sollposition der Bildposition zu bestimmen. Durch eine Addition der Komponente kann ein Bild der Kamera in einer der Komponente entsprechenden Richtung vorteilhaft entzerrt, gedreht oder verschoben werden. Besonders vorteilhaft sind Ausgestaltungen der Erfindung, in denen zwei Komponenten des Differenzvektors in der Bildebene der Kamera bestimmt werden und zu mehreren Bildpunkten, am besten zu allen Pixeln der Kamera, gespeichert werden. Die hochpräzise Rechtwinkligkeit gattungsgemäßer Längenmessvorrichtungen kann vorteilhaft genutzt werden, wenn die den Komponenten entsprechenden Koordinaten parallel zu den Achsen der Längenmessvorrichtung verlaufen. Die unterschiedlichen Komponenten können besonders übersichtlich in unterschiedlichen Korrekturmatritzen gespeichert sein. Prinzipiell sind jedoch auch Ausgestaltungen der Erfindung denkbar, in denen andere Kenngrößen des Vektorfelds von Differenzvektoren, beispielsweise Koeffizienten einer Entwicklung des Vektorfelds nach einem orthonormalen Funktionensystem, ermittelt und von der Auswerteinheit verarbeitet werden.In A development of the invention is proposed that the evaluation unit is provided, at least one component of a difference vector between an image position and a target position of the image position to determine. By adding the component, a picture of the Camera in a direction corresponding to the component advantageous equalized, rotated or shifted. Especially advantageous are embodiments of the invention, in which two components of the Difference vector can be determined in the image plane of the camera and saved to several pixels, preferably to all pixels of the camera become. The high-precision Squareness generic length measuring devices can be used to advantage if the coordinates corresponding to the components parallel to the axes of the length measuring device run. The different components can be very clear stored in different correction matrices. in principle However, embodiments of the invention are also conceivable in which other characteristics of the vector field of difference vectors, for example coefficients of a development of the vector field according to an orthonormal function system, and be processed by the processing unit.

Liegen die Kamerapositionen in einer parallel zu einer Bildebene der Kamera verlaufenden Ebene, so kann erreicht werden, dass eine Unschärfe in der Abbildung des Kalibriergegenstands sich auf alle Bilder bzw. Bildpositionen in einer gleichen Weise auswirkt und daher keinen Fehler in der Kalibrierung verursacht.If the camera positions lie in a plane running parallel to an image plane of the camera, then it can be achieved that a blur in the image of the calibration object affects all Images or image positions in a similar way and therefore does not cause an error in the calibration.

Eine besonders homogene Entzerrung des Kamerabilds kann bei gleichzeitig geringem mathematischen Aufwand erzielt werden, wenn die Sollpositionen in einem rechtwinkligen Raster über die Bildfläche der Kamera verteilt sind. Diese Vorteile kommen insbesondere dann zum Tragen, wenn das Raster ein quadratisches Gitter bildet. Prinzipiell sind jedoch auch andere Verteilungen der Sollpositionen denkbar.A Especially homogeneous equalization of the camera image can be done simultaneously low mathematical effort can be achieved if the target positions in a rectangular grid over the picture surface the camera are distributed. These advantages come in particular then to bear when the grid forms a square grid. in principle However, other distributions of the desired positions are conceivable.

Ist die Auswerteinheit dazu vorgesehen, in dem Kalibriervorgang die Kamera selbsttätig in eine Folge von Kamerapositionen zu verfahren, in welchen das Merkmal in den Sollpositionen erscheint, kann die hohe Präzision gattungsgemäßer Werk zeugmess- und/oder Werkzeugeinstellgeräte bezüglich der Bestimmung des Verfahrwegs der Kamera vorteilhaft zur Kalibrierung der Kamera genutzt werden. Ferner kann jeder beliebige Gegenstand mit einem im Rahmen der angestrebten Messgenauigkeit hinreichend scharf abbildbaren Merkmal als Kalibrierlehre genutzt werden. Ferner können dadurch vorteilhaft auch eventuelle Fehler in der Vorrichtung zur Bestimmung des Verfahrwegs in dem Kalibriervorgang Berücksichtigung finden und kompensiert werden.is the evaluation provided to in the calibration process the Camera automatically to move into a sequence of camera positions in which the Feature appears in the nominal positions, the high precision of generic and / or tool setting devices in terms of the determination of the travel of the camera advantageous for calibration used by the camera. Furthermore, any object can with a sufficient in the context of the targeted measurement accuracy sharply reproducible feature can be used as a calibration gauge. Further can This advantageously also possible errors in the device for Determination of travel in the calibration process Consideration find and be compensated.

Ein in einem Durchlichtverfahren besonders klar erkennbares Merkmal kann zum Kalibrieren der Kamera genutzt werden, wenn das Merkmal ein Punkt einer charakteristischen Spitze des Kalibriergegenstands ist, die ein Extremum der Kontur in zumindest zwei unabhängige Koordinatenrichtungen bildet. Prinzipiell kann jedoch auch ein anderes Merkmal, beispielsweise ein auf eine Glasscheibe aufgedruckter Kreis, zur Kalibrierung verwendet werden.One particularly clearly recognizable feature in a transmitted light process Can be used to calibrate the camera when the feature a point of a characteristic peak of the calibration object is that forms an extremum of the contour in at least two independent coordinate directions. In principle, however, also another feature, for example a circle printed on a glass, used for calibration become.

Ist die Auswerteinheit dazu vorgesehen, aus dem Vergleich der ermittelten Bildpositionen mit den Sollpositionen eine Bildtransformationsmatrix zum Kalibrieren der Kamera zu bestimmen, kann ein Abbildungsfehler eines Merkmals während eines Messvorgangs aus der Bildtransformationsmatrix ausgelesen werden. Eine Berechnung des Abbildungsfehlers während des eigentlichen Messvorgangs kann vorteilhaft entfallen.is the evaluation provided to from the comparison of the determined Image positions with the target positions an image transformation matrix to calibrate the camera can be an aberration a feature during of a measurement process from the image transformation matrix become. A calculation of the aberration during the actual measurement process can be advantageously eliminated.

Eine hinreichend genaue Kalibrierung trotz einer vergleichsweise geringen Dichte von Kalibrierbildpunkten ist erreichbar, wenn die Auswerteinheit dazu vorgesehen ist, wenigstens eine Komponente eines Fehlervektors eines Bildpunkts der Ka mera durch eine Interpolation zwischen den entsprechenden Komponenten der Differenzvektoren von in einer Umgebung des Bildpunkts angeordneten Kalibrierbildpunkten zu bestimmen.A sufficiently accurate calibration despite a comparatively low Density of calibration pixels is achievable if the evaluation unit to is provided, at least one component of an error vector of a Pixel of the camera by an interpolation between the corresponding ones Components of the difference vectors of in an environment of the pixel to determine arranged calibration pixels.

Zeichnungdrawing

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.Further Advantages are shown in the following description of the drawing. In the drawing is an embodiment represented the invention. The drawing, the description and the Claims included numerous features in combination. The skilled person will become the characteristics appropriately also individually consider and summarize to meaningful further combinations.

Es zeigen:It demonstrate:

1 Ein Werkzeugmess- und Werkzeugeinstellgerät mit einer Kamera und mit einer Längenmessvorrichutng, 1 A tool measuring and tool setting device with a camera and with a length measuring device,

2a – 2c eine Folge von Bildern eines Merkmals eines Kalibriergegenstands, 2a - 2c a sequence of images of a feature of a calibration object,

3 das Bild aus der 2c in einer detaillierten Darstellung, 3 the picture from the 2c in a detailed presentation,

4 ein von einer Auswerteinheit in einem Kalibriervorgang bestimmtes Korrekturbild für einen Abbildungsfehler in einer X-Richtung und 4 a correction image determined by an evaluation unit in a calibration process for an aberration in an X-direction and

5 ein von der Auswerteinheit in einem Kalibriervorgang bestimmtes Korrekturbild für einen Abbildungsfehler in einer Y-Richtung. 5 a correction image determined by the evaluation unit in a calibration process for an aberration in a Y direction.

Beschreibung des Ausführungsbeispielsdescription of the embodiment

1 zeigt ein Werkzeugmess- und Werkzeugeinstellgerät mit einer ersten, als Durchlichtkamera ausgebildeten Kamera 10 und mit einer zweiten, als Auflichtkamera ausgebildeten Kamera, die her nicht explizit dargestellt ist. Beide Kameras 10 sind über drei CNC-Achsen verfahrbar auf einem Schlitten 40 montiert. Eine Längenmessvorrichtung 16 mit hochpräzisen Glasmaßstäben 44 – 48 ist dazu vorgesehen, eine Kameraposition (X_K, Z_K) der Kameras 10 bzw. des Schlittens 40 in den drei Raumrichtungen zu bestimmen. 1 shows a tool measuring and Werkzeuginstellgerät with a first, designed as a transmitted light camera camera 10 and with a second, trained as incident light camera camera, which is not explicitly shown here. Both cameras 10 are movable on a slide via three CNC axes 40 assembled. A length measuring device 16 with high-precision glass scales 44 - 48 is intended to be a camera position (X _K , Z _K ) of the cameras 10 or the carriage 40 to be determined in the three spatial directions.

Ferner umfasst das Werkzeugmess- und Einstellgerät eine als universell programmierbare Recheneinheit ausgebildete Auswerteinheit 18 zum Auswerten der von der Kamera 10 erfassten Daten, zum Steuern eines Mess- und Einstellvorgangs und zum Steuern eines Kalibriervorgangs.Furthermore, the tool measuring and setting device comprises an evaluation unit designed as a universally programmable arithmetic unit 18 to evaluate the from the camera 10 collected data to control a measurement and adjustment process and to control a calibration process.

Während des Mess- und Einstellvorgangs wird ein Werkzeug 14 in einem Werkzeugfutter 42 verspannt und anschließend vermessen. Dazu bestimmt die Auswerteinheit 18 aus den von der Kamera 10 erfassten Daten Kenngrößen für das eingespannte Werkzeug 14, beispielsweise eine Schneidenposition und einen Wirkradius. Für verschiedene Anwendungen sind in der Auswerteinheit 18 eine Vielzahl von Mess- und/oder Einstellprogrammen implementiert.During the measurement and adjustment process becomes a tool 14 in a tool chuck 42 clamped and then measured. The evaluation unit determines this 18 from the camera 10 recorded data characteristics for the clamped tool 14 , For example, a cutting position and a radius of action. For different applications are in the evaluation unit 18 a Implemented variety of measurement and / or adjustment programs.

Die Auswerteinheit 18 ist ferner dazu vorgesehen, in einem Kalibriervorgang aus insgesamt 25 aus verschiedenen Kamerapositionen (X_K, Z_K) erfassten Bildern jeweils eine Bildposition 20 desselben Merkmals 12 eines beliebigen Kalibriergegenstands 24, hier eines Werkzeugs 14, zu bestimmen. In den 2a – 2c sind exemplarisch 3 der 25 aus verschiedenen Kamerapositionen (X_K, Z_K) erfassten Bilder dargestellt. Die Kamerapositionen (X_K, Z_K) liegen in einer parallel zu einer Bildebene 30 bzw. Schärfeebene der Kamera 10 verlaufenden Ebene. Im Kalibriervorgang verfährt die Auswerteinheit 18 die Kamera 10 selbsttätig in die Folge der 25 Kamerapositionen (X_K, Z_K), in welchen das Merkmal 12 in den Bildpositionen 20 erscheint.The evaluation unit 18 Furthermore, it is provided in each case one image position in a calibration process from a total of 25 images captured from different camera positions (X _K , Z _K ) 20 the same feature 12 any calibration item 24 , here a tool 14 to determine. In the 2a - 2c By way of example, 3 of the 25 images captured from different camera positions (X _K , Z _K ) are shown. The camera positions (X _K , Z _K ) lie in a plane parallel to an image plane 30 or sharpness level of the camera 10 extending level. The evaluation unit moves in the calibration process 18 the camera 10 automatically into the episode of 25 Camera positions (X _K , Z _K ), in which the feature 12 in the picture positions 20 appears.

Das Merkmal 12 ist im vorliegenden Fall eine Kante einer Werkzeugschneide und eine charakteristische Spitze des Kalibriergegenstands 24, die ein Extremum einer Kontur 38 des Kalibriergegenstands 24 in zwei unabhängigen Koordinatenrichtungen X, Z bildet, und zwar in der X-Richtung und in der Z-Richtung. Das im vorliegenden Ausführungsbeispiel ausgewählte Merkmal 12 ist ein Schnittpunkt zweier an den Extrema der Kontur 38 des Kalibriergegenstands 24 in der X-Richtung und in der Z-Richtung anliegender, horizontaler bzw. vertikaler Tangenten. In alternativen Ausgestaltungen der Erfindung könnte auch ein anderes Merkmal 12 des Kalibriergegenstands 24, beispielsweise ein Zentrum eines Krümmungsradius, gewählt werden.The feature 12 is in the present case an edge of a tool cutting edge and a characteristic tip of the calibration object 24 that is an extremum of a contour 38 of the calibration item 24 in two independent coordinate directions X, Z, in the X direction and in the Z direction. The selected in the present embodiment feature 12 is an intersection of two at the extremes of the contour 38 of the calibration item 24 in the X direction and in the Z direction adjacent, horizontal or vertical tangents. In alternative embodiments of the invention could also be another feature 12 of the calibration item 24 , for example, a center of a radius of curvature, are selected.

Die Kamerapositionen (X_K, Z_K) sind über ein gleichmäßiges, rechtwinkliges Gitter bzw. über ein quadratisches Raster 36 mit 5×5 Punkten verteilt, welches unter Berücksichtigung eines Skalierungs- bzw. Abbildungsfaktors der Kamera 10 die Größe eines Bildbereichs der Kamera 10 im Wesentlichen überdeckt. Dem entsprechend sind auch Sollpositionen 26 des Merk mals 12 in einem gleichmäßigen, rechtwinkligen Raster 36 über eine Bildfläche 34 der Kamera 10 verteilt.The camera positions (X _K , Z _K ) are over a uniform, rectangular grid or over a square grid 36 distributed with 5 × 5 points, which takes into account a scaling or imaging factor of the camera 10 the size of an image area of the camera 10 essentially covered. Accordingly, are also nominal positions 26 of the Merk 12 in a regular, rectangular grid 36 over a picture surface 34 the camera 10 distributed.

Nach dem Aufnehmen der Bilder und dem Ermitteln der jeweiligen Koordinatenwerte der Bildpositionen 20 des Merkmals 12 subtrahiert die Auswerteinheit 18 von den Koordinatenwerten der Bildposition 20 die Koordinatenwerte der jeweils zugehörigen Kameraposition (X_K, Z_K), die von den Glasmaßstäben 44, 48 der Längenmessvorrichtung 16 abgelesen sind. Der Wert des Glasmaßstabs 46 bleibt während des Kalibrierverfahrens konstant. Die Koordinatenwerte der Kameraposition (X_K, Z_K) beschreiben die Sollpositionen 26 der Bildpositionen 20 ( 3). Ist die Kamera 10 bzw. das optische System völlig frei von Abbildungsfehlern 28, so liefert das Ergebnis der oben beschriebenen Subtraktion null bzw. einen konstanten Wert. Ein solcher konstanter Wert kann durch Subtraktion eines Offsets, und zwar eines Mittelwerts, eliminiert werden. Die Subtraktion der Sollpositionen 26 von den Bildpositionen 20 ist ein impliziter Vergleich der von den Kamerapositionen (X_K, Z_K) bestimmten Sollpositionen 26 mit den Bildpositionen 20.After taking the pictures and determining the respective coordinate values of the picture positions 20 of the feature 12 subtracts the evaluation unit 18 from the coordinate values of the image position 20 the coordinate values of the respective associated camera position (X _K , Z _K ), that of the glass scales 44 . 48 the length measuring device 16 are read. The value of the glass scale 46 remains constant during the calibration process. The coordinate values of the camera position (X _K , Z _K ) describe the target positions 26 the picture positions 20 ( 3 ). Is the camera 10 or the optical system completely free of aberrations 28 , the result of the above-described subtraction yields zero or a constant value. Such a constant value can be eliminated by subtracting an offset, namely an average value. The subtraction of the target positions 26 from the picture positions 20 is an implicit comparison of the target positions determined by the camera positions (X _K , Z _K ) 26 with the picture positions 20 ,

Die Ergebnisse der oben beschriebenen Subtraktion sind Komponenten von Differenzvektoren 32 zwischen den Bildpositionen 20 und den zugehörigen Sollpositionen 26. Die Auswerteinheit 18 speichert die Komponenten in zwei Matritzen. Eine erste 5×5-Matrix enthält die Differenzen der Koordinaten der Bildpositionen 20 und der Sollpositionen 26 in der x-Richtung bzw. eine erste Komponente dX des Differenzvektors 32 und eine zweite 5x5-Matrix enthält die Differenzen der Koordinaten der Bildpositionen 20 und der Sollpositionen 26 in der Y- Richtung bzw. eine zweite Komponente dZ des Differenzvektors 32.The results of the subtraction described above are components of difference vectors 32 between the picture positions 20 and the associated target positions 26 , The evaluation unit 18 stores the components in two matrices. A first 5x5 matrix contains the differences of the coordinates of the image positions 20 and the target positions 26 in the x-direction or a first component dX of the difference vector 32 and a second 5x5 matrix contains the differences of the coordinates of the image positions 20 and the target positions 26 in the Y direction or a second component dZ of the difference vector 32 ,

Die Größen der Komponenten dX, dZ sowie der Krümmungsradius des Merkmals 22 sind in den Figuren zur einfacheren Erkennbarkeit des Prinzips stark vergrößert dargestellt.The sizes of the components dX, dZ and the radius of curvature of the feature 22 are shown greatly enlarged in the figures for easier recognizability of the principle.

Der Abbildungsfehler 28 umfasst dabei neben Fehlern der Optik auch einen eventuellen Fehler in der Aufhängung und einen Fehler in einer Bildverarbeitung des von der Kamera 10 erfassten Bilds.The aberration 28 In addition to errors in the optics, this also includes a possible suspension error and an error in the camera's image processing 10 captured image.

Nach dem Erfassen der Bildpositionen 20 und dem Speichern der Matritzen berechnet die Auswerteinheit 18 für jede Richtung eine Fehlermatrix von den Dimensionen des CCD-Arrays der Kamera 10, so dass jedem Pixel ein Matrixeintrag entspricht, der eine Komponente dX, dZ eines Abbildungsfehlers 28 der Kamera 10 am Ort des Pixels beschreibt. Dazu sind in der Auswerteinheit 18 verschiedene Interpolationsverfahren implementiert bzw. implementierbar, die sich in der Wahl des Interpolationsalgorithmus bzw. Kalibrieralgorithmus unterscheiden. In jedem Fall erzeugt die Auswerteinheit 18 eine stetige Funktion auf der von dem Pixelraster überdeckten Grundfläche und speichert die Werte der Funktion in den Pixelpunkten in der Fehlermatrix. Der Abbildungsfehler 28 wird durch das Interpolationsverfahren durch ein zweidimensionales Vektorfeld aus Vektoren mit zwei Komponenten dX, dZ auf dem Pixelraster beschrieben. Die Komponenten dX, dZ des Vektorfelds werden dabei wie unabhängige skalare Felder behandelt und jeweils in einer unabhängigen Fehlermatrix gespeichert. Dabei werden die in den Sollpositionen 26 des Merkmals 12 erfassten Komponen ten dX, dZ des Fehlers als Stützpunkte genutzt, die in der die Funktion beschreibenden Fläche in einem dreidimensionalen Koordinatensystem liegen.After capturing the image positions 20 and storing the matrices calculates the evaluation unit 18 for each direction an error matrix of the dimensions of the CCD array of the camera 10 such that each pixel corresponds to a matrix entry which is a component dX, dZ of an aberration 28 the camera 10 describes at the location of the pixel. These are in the evaluation unit 18 implemented or implemented different interpolation methods, which differ in the choice of the interpolation algorithm or calibration algorithm. In any case, the evaluation unit generates 18 a continuous function on the base area covered by the pixel grid and stores the values of the function in the pixel points in the error matrix. The aberration 28 is described by the interpolation method by a two-dimensional vector field of vectors with two components dX, dZ on the pixel grid. The components dX, dZ of the vector field are treated as independent scalar fields and each stored in an independent error matrix. In the process, they will be in the target positions 26 of the feature 12 detected components dX, dZ of the error are used as vertices that lie in the area describing the function in a three-dimensional coordinate system.

4 zeigt eine dreidimensionale Darstellung der Fehlermatrix bezüglich der X-Richtung, wobei auf der X-Achse die Zeilenposition der Fehlermatrix abgetragen ist, auf einer Y-Achse die Spaltenposition der Fehlermatrix und auf einer Z-Achse der Wert des Matrixelements an der entsprechenden Zeilen- und Spaltenposition bzw. die Komponente dX des Abbildungsfehlers dargestellt ist. Analog zeigt 5 eine dreidimensionale Darstellung der Fehlermatrix bezüglich der Z-Richtung, wobei auf der Z-Achse die zweite Komponente dZ des Abbildungsfehlers dargestellt ist. Die Stützpunkte sind durch fettere Kreuze sichtbar gemacht, während die durch das Interpolationsverfahren gewonnenen Punkte durch dünnere Kreuze dargestellt sind. 4 shows a three-dimensional representation of the error matrix with respect to the X direction, wherein on the X-axis, the row position of the error matrix is plotted, on a Y-axis, the column position of the error matrix and on a Z-axis, the value of the matrix element at the corresponding row and Column position or the component dX of the aberration is shown. Analog shows 5 a three-dimensional representation of the error matrix with respect to the Z-direction, wherein on the Z-axis, the second component dZ of the aberration is shown. The vertices are made visible by fatter crosses, while the points obtained by the interpolation method are represented by thinner vertices.

In einem ersten Kalibrieralgorithmus nutzt die Auswerteinheit 18 zum Erzeugen der Funktion einen Polynomansatz, in dem zwischen den Stützpunkten Polynome aufgespannt werden, deren Koeffizienten sich in bekannter Weise aus den Anforderungen an die Stetigkeit der Ableitungen ergeben. Der Grad der Stetigkeit ist dabei immer um eins geringer als der Grad der Polynome.In a first calibration algorithm, the evaluation unit uses 18 to generate the function, a polynomial set in which polynomials are spanned between the vertices whose coefficients result in a known manner from the requirements for the continuity of the derivatives. The degree of continuity is always one less than the degree of the polynomials.

In einem zweiten Kalibrieralgorithmus nutzt die Auswerteinheit 18 zum Erzeugen der Funktion eine lineare Interpolation bzw. ein Polynom erster Ordnung, so dass sich die die Funktion beschreibende Hyperebene aus einer Vielzahl von gebogenen Flächen und/oder Facetten zusammensetzt.In a second calibration algorithm, the evaluation unit uses 18 for generating the function, a linear interpolation or a first-order polynomial such that the hyperplane describing the function is composed of a plurality of curved surfaces and / or facets.

In einem zweiten Kalibrieralgorithmus nutzt die Auswerteinheit 18 zum Erzeugen der Funktion eine Fläche höherer Ordnung, die mit einem möglichst geringen quadratischen Fehler mittels variabler Parameter an die Stützpunkte angepasst wird.In a second calibration algorithm, the evaluation unit uses 18 to generate the function, a surface of higher order, which is adapted to the support points with as small a square error as possible by means of variable parameters.

Die Auswerteinheit 18 nutzt zum Bestimmen der Fehlermatritzen bzw. der skalaren Felder beider Richtungen X, Y den gleichen Kalibrieralgorithmus. Unabhängig von dem verwendeten Kalibrieralgorithmus ist die Auswerteinheit 18 daher dazu vorgesehen, die Komponenten dX, dZ eines Differenzvektors eines Bildpunkts bzw. Pixels der Kamera 10 durch eine Interpolation zwischen den entsprechenden Komponenten dX, dZ der Differenzvektoren 32 von in einer Umgebung des Bildpunkts der Kamera 10 angeordneten Stützstellen zu bestimmen.The evaluation unit 18 uses the same calibration algorithm to determine the error arrays and the scalar fields of both directions X, Y, respectively. Regardless of the calibration algorithm used, the evaluation unit is 18 Therefore, it is provided, the components dX, dZ of a difference vector of a pixel or pixel of the camera 10 by an interpolation between the corresponding components dX, dZ of the difference vectors 32 from in an environment of the pixel of the camera 10 to determine arranged support points.

Nach dem erfolgreich durchgeführten Kalibrierprogramm nutzt die Kamera 10 die Fehlermatritzen in jedem Messprogramm des Werkzeugmess- und Werkzeugeinstellgeräts, um aus dem Bildern der Kamera 10 erfasste Rohkoordinatenwerte mit dem entsprechenden Eintrag der Fehlermatrix zu beaufschlagen und so zu präzisen Messwerten zu kommen.After the successful calibration program, the camera uses 10 the error matrices in each measuring program of the tool measuring and tool setting device to get out of the pictures of the camera 10 Recorded raw coordinate values with the corresponding entry of the error matrix and thus come to precise measurements.

Das oben beschriebene Kalibrierverfahren kann selbstverständlich mit jeder anderen, dem Fachmann als sinnvoll erscheinenden Verteilung von Stützpunkten durchgeführt werden. Um eine Genauigkeit der Kalibrierung zu erhöhen, kann die Anzahl von Stützpunkten beliebig erhöht werden.The Of course, the calibration method described above can with any other distribution that appears appropriate to the person skilled in the art from bases carried out become. To increase the accuracy of the calibration, can the number of vertices arbitrarily increased become.

Das Kalibrierverfahren korrigiert vorteilhaft in einem Schritt eine durch die Linsen der Optik der Kamera 10 beding te radiale Bildverzerrung, einen Fehler in einer optischen Mittellage bzw. in einem Offset, einen durch eine Kameraschrägstellung bezogen auf die Werkzeugachsen bedingten Abbildungsfehler, korrigiert Bildverzerrungen aufgrund von Fertigungs- und Montagetoleranzen und weitere Fehler von unbekannter Herkunft. Die Genauigkeit des Kalibrierverfahrens hängt von Genauigkeit bzw. Linearität der Glasmaßstäbe 44 – 48 der Längenmessvorrichtung 16, von der Genauigkeit der Winkelanordnung der Glasmaßstäbe 44 – 48, von der Messgenauigkeit der Bildverarbeitung bzw. von einem Kamerarauschen der Kamera 10 und von dem ausgewählten Interpolationsmodell ab. Die Genauigkeit des Kalibrierverfahrens liegt bei qualitativ hochwertigen Werkzeugmess- und Werkzeugeinstellgeräten der gattungsgemäßen Art unterhalb von ca. ±2μm. Zur Erhöhung der Messgenauigkeit können Glasmaßstäbe 44 – 48 mit einer höheren Messgenauigkeit verwendet werden. Ein Abbildungsfehler bei horizontaler- und vertikaler Winkelmessung kann durch das erfindungsgemäße Kalibrierverfahren auf einen Wert unterhalb von ±0.015° reduziert werden.The calibration method advantageously corrects in one step through the lenses of the optics of the camera 10 conditional radial image distortion, an error in an optical center position or in an offset, caused by a camera mounting position relative to the tool axes aberrations corrected image distortions due to manufacturing and assembly tolerances and other errors of unknown origin. The accuracy of the calibration process depends on the accuracy or linearity of the glass scales 44 - 48 the length measuring device 16 , from the accuracy of the angular arrangement of the glass scales 44 - 48 , the accuracy of the image processing or a camera noise of the camera 10 and from the selected interpolation model. The accuracy of the calibration is in high-quality tool measuring and Werkzeuginstellgeräten the generic type below about ± 2μm. Glass scales can be used to increase the measuring accuracy 44 - 48 be used with a higher measurement accuracy. An aberration in the horizontal and vertical angle measurement can be reduced by the calibration method according to the invention to a value below ± 0.015 °.

1010: Kameracamera
1212: Merkmalfeature
1414: WerkzeugTool
1616: LängenmessvorrichtungLength measuring device
1818: Auswerteinheitevaluation
2020: Bildpositionimage position
2424: KalibriergegenstandCalibration
2626: Sollpositiontarget position
2828: Abbildungsfehleraberrations
3030: Bildebeneimage plane
3232: Differenzvektordifference vector
3434: Bildflächescene
3636: Rastergrid
3838: Konturcontour
4040: Schlittencarriage
4242: Werkzeugfutterchuck
4444: Glasmaßstabglass scale
4646: Glasmaßstabglass scale
4848: Glasmaßstabglass scale
dXdX: Komponentecomponent
dZdZ: Komponentecomponent
XX: Koordinatenrichtungcoordinate direction
ZZ: Koordinatenrichtungcoordinate direction
X_K X _K: Kamerapositioncamera position
Z_K Z _K: Kamerapositioncamera position

Claims

Tool measuring and / or tool setting device with a camera ( 10 ) for optically measuring at least one feature ( 12 ) of a tool ( 14 ), with a length measuring device ( 16 ) for determining a camera position (X _K , Z _K ) and with an evaluation unit ( 18 ) for evaluating the camera ( 10 ), characterized in that the evaluation unit ( 18 ) is provided in a calibration process from at least two images captured from different camera positions (X _K , Z _K ) in each case one image position ( 20 ) of the same feature ( 12 ) of a calibration object ( 24 ) and by comparing the captured image positions ( 20 ) with target positions determined from the camera positions (X _K , Z _K ) ( 26 ) an aberration ( 28 ) the camera ( 10 ).

Tool measuring and / or tool setting device according to claim 1, characterized in that the desired positions ( 26 ) evenly over a screen ( 34 ) the camera ( 10 ) are arranged distributed.

Tool measuring and / or tool setting device according to one of the preceding claims, characterized in that the camera positions (X _K , Z _K ) in a plane parallel to an image plane ( 30 ) the camera ( 10 ) extending level lie.

Tool measuring and / or tool setting device according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation unit ( 18 ) is provided, at least one component (dX, dZ) of a difference vector ( 32 ) between the image position ( 20 ) and the target position ( 26 ).

Tool measuring and / or tool setting device according to one of the preceding claims, characterized in that the setpoint positions ( 26 ) in a rectangular grid ( 36 ) over the image area ( 34 ) the camera ( 10 ) are distributed.

Tool measuring and / or tool setting device according to claim 5, characterized in that the grid ( 36 ) forms a square grid.

Tool measuring and / or tool setting device according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation unit ( 18 ) is provided in the calibration process, the camera ( 10 ) automatically in a sequence of camera positions (X _K , Z _K ), in which the feature ( 12 ) in the image positions ( 20 ) of a aberration-free camera ( 10 ) appears.

Tool measuring and / or tool setting device according to claim 7, characterized in that the feature ( 12 ) a point of a characteristic peak of the calibration object ( 24 ), which is an extremum of the contour ( 38 ) in at least two independent coordinate directions (X, Z).

Tool measuring and / or tool setting device according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation unit ( 18 ) is provided from a comparison of the determined image positions ( 20 ) with the target positions ( 26 ) an image transformation matrix for calibrating the camera ( 10 ).

Tool measuring and / or tool setting device according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation unit ( 18 ) is provided, at least one component (dX, dZ) of a difference vector ( 32 ) of a pixel of the camera ( 10 ) by an interpolation between the corresponding components (dX, dZ) of the difference vectors ( 32 ) of in an environment of the pixel of the camera ( 10 ) to determine arranged support points.