WO2008135530A1 - Verfahren für koordinatenmessgeräte mit bildverarbeitunssensor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für Koordinatenmessgeräte mit Bildverarbeitungssensor zur Messung von Strukturen von Messobjekten, wobei der Bildverarbeitungssensor relativ zum Messobjekt während der Messung in mindestens einer Koordinatenrichtung bewegt wird. Damit die Funktion der "On the fly"-Messung weitgehend unabhängig vom Bediener gewährleistet ist, wird vorgeschlagen, dass die Regeln für das Aufnehmen der Bilder während der Messung in der Software des Koordinatenmessgerätes hinterlegt sind.

Description

Beschreibung

Verfahren für Koordinatenmess gerate mit Bildverarbeitungssensor

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für Koordinatenmessgeräte mit Bildverarbeitungssensor zur Messung von Strukturen von Messobjekten, wobei der Bildverarbeitungssensor relativ zum Messobjekt während der Messung in mindestens einer Koordinatenrichtung bewegt wird.

Aus der EP-B-I 286 134 oder der EP-A-I 729 194 ist bekannt, mit Koordinatenmess- geräten und Bildverarbeitungssensorik Messwerte während der Bewegung des Messobjekts aufzunehmen. Während des Überfahrens der interessierenden Objektposition wird zum Beispiel durch Lichtblitz ein kurzes Belichten der Kamera erreicht und der entsprechende interessierende Objektausschnitt mit geringster Bewegungsunschärfe erfasst. Das Messen während der Bewegung wird als „On the fly" bezeichnet.

Grenzen der bisher bekannten Verfahren bei der Betriebsart „On the fly" bestehen darin, dass der Bediener mühsam den Gesamtablauf organisieren muss. Durch die in der Literatur beschriebenen Verfahren ist es notwendig, dass erst alle Bildinhalte für verschiedene Messpositionen abzuspeichern sind und anschließend die Auswertung der Bilder erfolgt. Dies hat den Nachteil, dass die nachfolgende Auswertung zusätzliche Messzeit benötigt, die eigentlich durch das Verfahren gespart werden soll. Alternativ ist die Auswertung der Bildinhalte jeweils abzuschließen, bevor ein nächstes Bild aufgenommen werden kann. Die Veränderung von Licht- und Vergrößerungseinstellungen bei Ver- wendung von Zoom-Optiken müssen ebenfalls vom Bediener im Vorhinein abgeschätzt und bei der Programmierung des Koordinatenmessgeräts berücksichtigt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile dadurch zu vermeiden, dass das Messgerät mit entsprechenden Vorrichtungen bzw. Verfahren ausgestattet wird, dass die Funktion der „On the fly"-Messung weitgehend unabhängig vom Bediener gewährleistet wird.

Die Aufgabe wird erfindungs gemäß im Wesentlichen dadurch gelöst, dass die Regeln für das Aufnehmen der Bilder während der Messung in der Software des Koordinaten- messgerätes hinterlegt sind.

Das Aufnehmen der Bilder während der Messung wird softwaremäßig z.B. in Abhängigkeit von Technologieparametern gesteuert, die ihrerseits Auswirkungen auf den folgenden Messprozess haben. So kann z.B. die Aufnahme der Bilder kontinuierlich bis zum Ändern einer Beleuchtungseinstellung oder z.B. sich änderndem Bezugssystem erfolgen. Auch wird z.B. die Beleuchtungslänge bzw. die Shutterzeiten in Abhängigkeit von der aktuellen Geschwindigkeit des optischen Sensors gesteuert. Ablaufprogramme ohne Änderung von Einstellparametern wie Licht, Helligkeit oder Bezugssystem werden automatisch als „On the fly"-Messung durchgeführt, auch wenn Sie nicht als „On the fly"-Messung programmiert sein sollten. Die Verfahrwege werden Splinemoves so gesteuert, dass eine maximale Beschleunigung nicht überschritten wird. Dies sind Beispiele für in der Software hinterlegte Regeln, durch die das Aufnehmen der Bilder während der Messung gesteuert wird.

Insbesondere ist vorgesehen, dass die an den jeweiligen Zielpositionen des Messobjekts aufgenommenen Bildern zusammen mit den zugehörigen Positionen der Koordinatenachsen des Koordinatenmessgeräts durch einen Software-Teil in einem Stapelspeicher (stack) abgespeichert werden und von einem zeitlich parallel und/oder zeitlich nachlaufenden Teil der Software zu Messergebnissen ausgewertet werden. Dabei kann dieser Speichervorgang in Bereichen des Messablaufs automatisch durchgeführt werden, in denen sich keine Änderung von Technologieparametern, wie Licht, Vergrößerung, Ausrichtzustand des Werkstückkoordinatensystems, Sensorwechsel oder ähnliches befindet.

In Weiterbildung sieht die Erfindung vor, dass die Aufnahme der Bilder an festen, durch die Software vorgegebenen Positionen in der Weise erfolgt, dass die resultierenden Bilder sich durch nahtloses Aneinanderfügen und/oder Überlappung zu einem Gesamtbild des Messobjekts zusammenfügen.

Der Prozess zum Aufnehmen und Speichern von Bildern/Positionen kann asynchron zum Auswerteprozess ablaufen.

Auch kann der Softwareprozess zum Aufnehmen der Bilder und Positionen gegenüber allen anderen Softwareprozessen Priorität bekommen.

Unabhängig sollte vorgesehen sein, dass das Koordinatenmessgerät durch die Software im Falle von Wechsel der Technologieparameter (wie Lichtvergrößerung, Werkstückkoordinatensystemänderung) den Bildaufnahmeprozess so lange unterbricht, bis die entsprechende Änderung der Technologieparameter vollzogen ist.

Die Problematik der zeitlichen Abstimmung der Rechenzeit für das Auswerten der Bilder und Aufnahmezeit der Bilder kann erfindungsgemäß dadurch gelöst werden, dass während des Bildaufnehmens alle zu messenden Positionen nacheinander anpositioniert werden und in jeder Position wird durch einen Software-Teil ein entsprechendes Bild mit zugehöriger Position der Koordinatenmessgeräteachsen aufgenommen und abgespeichert wird. Diese gespeicherten Daten werden in einem Stapel (stack) abgespeichert. Zeitgleich und/oder nach Abschluss der entsprechenden Aufnahmen erfolgt die Auswertung durch einen zweiten Software-Teil, der diesen Stapel (stack) permanent abarbeitet und hieraus die Messergebnisse berechnet. Der Prozess zum Aufnehmen der Bilder hat Priorität. Das führt dazu, dass immer dann, wenn relativ wenig Bilder pro Positionierweg aufgenommen werden müssen, viel Zeit für das Auswerten der bereits im Vorhinein aufgenommenen Bilder zur Verfügung steht. Diese werden dann ausgewertet. Im ungünstigsten Fall bleibt das Messgerät am Ende des abgeschlossenen Posi- tionierzyklus einen kurzen Zeitraum stehen und es werden die restlichen Bilder inklusive Positionen aus dem Stack heraus abgearbeitet und ausgewertet.

Ein zweites Vorgehen besteht darin, für das Messen „On the fly" Bereiche eines einmal erstellten CNC-Programms für Koordinatenmessgeräte zu benutzen, in denen keine Technologieparameter geändert werden. Diese werden durch die Software vorher automatisch detektiert. Zum Beispiel werden Programmbereiche, in denen keine Veränderung der Auflicht-/Durchlichtbeleuchtungsart vorgenommen werden, automatisch als Bereiche für „On the fly"-Messungen erkannt und entsprechend gemessen. Analog ist es möglich, Bereiche zu erkennen, in denen keine Vergrößerungsänderung einer entsprechenden Zoom-Optik vorgenommen wird. Diese werden dann ebenfalls „On the fly" gemessen. Eine ähnliche Vorgehensweise ist für andere Technologieparameter, wie Messungen aller Merkmale in einer Ebene, Messungen im Raum, Ausrichtung eines Werkstückkoordinatensystem und andere vorgesehen.

Ein weiteres Detail zur Realisierung einer besseren Bedienbarkeit von Koordinaten- messgeräten mit Bildverarbeitungssensor und „On the fly"-Betriebsart ist dadurch gegeben, dass in der Koordinatenmessgeräte-Software vorgesehen wird, auf definierte Positionen mit dem Bildverarbeitungssensor „On the fly" zu positionieren. Diese Positionen werden so ausgewählt, dass sich die entstehenden Aufnahmen nahtlos aneinander fügen oder leicht überlappen. Diese können dann unter Berücksichtigung der jedem Bild zugeordneten Positionen zu einem großen Gesamtbild zusammengefügt werden. Die Auswertung erfolgt dann automatisch nach Abschluss des Gesamtbildaufnahmevorgangs oder für Teilbereiche bereits während der Bildaufnahme weiterer Bilder.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Koordinatenmessgerätes zur Durchführung des erfindung s gemäßen Verfahren,

Fig. 2 einen Signalfluss des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 3 eine weiteren Ausführungsform eines Koordinatenmessgerätes zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 4 aufgenommene Bildbereiche und ein aus diesen gebildetes Gesamtbild.

In den Fig. 1 und 3 sind Koordinatenmessgeräte dargestellt, mit denen eine Steuerungsbzw. Rechnereinheit verbunden bzw. in denen eine solche integriert ist, um entsprechend der erfindung s gemäßen Lehre Strukturen eines Objektes mittels eines Bildverarbeitungssensors während der Bewegung des Sensors nach dem so genannten „on the fly"-Verfahren zu messen, wobei die Regeln für das Aufnehmen der Bilder während der Messung in der Software des Koordinatenmessgerätes hinterlegt sind, die in der Steue- rungs- bzw. Rechnereinheit abgelegt ist.

Nach der Fig. 1 weist ein Koordinatenmessgerät 10 z. B. einen aus Granit bestehenden Grundrahmen 14 mit einem Messtisch 16 auf, auf dem ein zu messendes Objekt 18 positioniert ist. Von dem Grundrahmen 14 geht ein Portal 20 aus, das Säulen 22, 24 aufweist, von denen wiederum eine Traverse 26 ausgeht, entlang der, also in X-Richtung (Pfeil 28) ein Schlitten 30 verstellbar ist, der seinerseits eine Pinole oder Säule 32 aufnimmt, die in Z-Richtung (Pfeil 34) verstellbar ist. In Y-Richtung, also in die Zeichenebene hinein bzw. aus dieser heraus, kann der Messtisch 16 und/oder das Portal 20 verstellt werden.

Von der Pinole 32 geht ein Bildverarbeitungssensor 36 mit Kamera wie CCD-Kamera aus. Im Ausführungsbeispiel ist in dem Messtisch 16 eine extern triggerbare Durchlichtbe- leuchtung 38 integriert. Alternativ besteht die Möglichkeit, im Hellfeld- oder Dunkelfeldauflicht mit einer nicht dargestellten oberhalb des Messtischs 16 angeordneten Beleuchtung zu messen.

Erwähntermaßen wird das Koordinatenmessgerät 10 mittels der mit diesem verbundenen Steuerungseinheit bzw. Rechnereinheit 12 gesteuert. In dieser ist eine Speichervorrichtung für das Speichern von Bildstapeln gemeinsam mit einer Auswerteeinheit für den Bildverarbeitungssensor 36 integriert.

Um im „On the Fly"-Modus zu messen wird üblicherweise während des Überfahrens der interessierenden Position des zu messenden Objekts 18 z.B. durch Lichtblitz ein kurzes Belichten der Kamera wie CCD-Kamera des Bildverarbeitungssensors 36 erreicht und der entsprechende interessierende Objektausschnitt mit geringster Bewe- gungsunschärfe erfasst. Dieses sogenannte „On the fly"-Messverfahren ist hinlänglich bekannt. Beispielhaft wird auf die Erläuterungen in der EP-B-I 286 134 oder der EP-A- 1 729 194 verwiesen, auf deren Offenbarung vollinhaltlich Bezug genommen wird.

Folglich wird das Objekt 18 nicht dann gemessen, wenn der Bildverarbeitungssensor 36 zu dem Objekt 18 statisch ausgerichtet ist, sondern dann, wenn der Bildverarbeitungssensor 36 relativ zu dem Messobjekt 18 bewegt wird. Dabei erfolgt eine Bewegung zumindest in einer Koordinatenrichtung.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Regeln für Aufnehmen der Bilder während der Messung mit dem Bildverarbeitungssensor 36 in der Software des Koordinaten- messgerätes 10 hinterlegt sind, also in der auf die Steuerungs- bzw. Rechnereinheit 12 aufgespielte Software. Dabei werden die an den jeweiligen Zielpositionen des Messobjektes aufgenommenen Bilder zusammen mit den zugehörigen Positionen des Koordinatenachsen des Koordinatenmessgerätes 10 durch einen Softwareteil in einem Stapelspeicher (Stack) abgespeichert und von einem zeitlich parallel und/oder zeitlich nachlaufenden Teil der Software zu Messergebnissen ausgewertet. Das Aufnehmen der Bilder während der Messung wird softwaremäßig z.B. in Abhängigkeit von Technologieparametern gesteuert, die ihrerseits Auswirkungen auf den folgenden Messprozess haben. So kann z.B. die Aufnahme der Bilder kontinuierlich bis zum Ändern einer Beleuchtungseinstellung oder z.B. sich änderndem Bezugssystem erfolgen. Auch wird z.B. die Beleuchtungslänge bzw. die Shutterzeiten in Abhängigkeit von der aktuellen Geschwindigkeit des optischen Sensors gesteuert. Ablaufprogramme ohne Änderung von Einstellparametern wie Licht, Helligkeit oder Bezugssystem werden automatisch als „On the fly"-Messung durchgeführt, auch wenn Sie nicht als „On the fly"-Messung programmiert sein sollten. Die Verfahrwege werden Splinemoves so gesteuert, dass eine maximale Beschleunigung nicht überschritten wird. Dies sind Beispiele für in der Software hinterlegte Regeln, durch die das Aufnehmen der Bilder während der Messung gesteuert wird.

Anhand der Fig. 2 soll rein prinzipiell der Signalfluss zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens verdeutlicht werden. So kann ein CNC-Programm die Steuerung des Koordinatenmessgerätes 10, die Zielposition für die Aufnahme der Bilder und Positionen zur Bestimmung der Objektmerkmale generieren. Durch einen internen Triggerbus 40 wird sichergestellt, dass die Bildaufnahme und die Positionsmessung und das optionale Blitzen der Beleuchtung zeitsynchron und somit orts synchron durchgeführt werden.

Die entsprechenden Bilder mit den zugehörigen Positionen des Koordinatenmessgerätes 10 werden in einem Stapelspeicher 42 gespeichert. Gleichzeitig hierzu liest ein Steuerrechner 44 aus einem Signalverarbeitungsrechner 46 bereits vorhandene Bilder mit zugehörigen Positionen aus und berechnet hieraus die zu messenden Merkmale und Verknüpfungen.

Bei dem Stapelspeicher 42 kann es sich um einen Arbeitsspeicher handeln, der im Signalverarbeitung srechner 46 für die Bilderserien allociert ist. Der Signalverarbeitungsrechner 46 kann ein PC mit ausreichendem Arbeitsspeicher und Bildverarbeitungssoftware sein.

Hierbei wird der Stapelspeicher 42 geleert. Durch diesen Auswerteprozess können so viele Bilder und Positionszuordnung ausgewertet werden, wie die verbleibende Rechenzeit des eingesetzten Computers verfügbar ist.

Bei der Abarbeitung hat das Aufnehmen der Bilder Priorität. Gegebenenfalls werden zum Ende des Messprozesses verbleibende Bilderstapel ausgewertet.

Steuerrechner 44, Signalverarbeitungsrechner 46 und der Stapelspeicher können dabei in der Steuerungs- und Rechnereinheit 12 integriert sein, der seinerseits ein PC mit Steuerungskarte für CNC-Geräte sein kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch nicht auf Koordinatenmessgeräte beschränkt, wie diese rein prinzipiell der Fig. 1 zu entnehmen sind.

Vielmehr sind das Messverfahren „On the fly" und das erfindungsgemäße Verfahren für sonstige bekannte Koordinatenmessgeräte einsetzbar. Rein beispielhaft sei dies anhand der Fig. 3 an einem weiteren Ausführungsbeispiel für ein Koordinatenmessgerät zur Realisierung des oben beschriebenen Verfahrens verdeutlicht. Dabei werden in Bezug auf Fig. 1 für gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 wird ein nicht dargestelltes Messobjekt durch den Bildverarbeitungssensor 36 mit integrierter Kamera wie CCD-Kamera von unten betrachtet. Oberhalb des Messobjektes ist eine Beleuchtungseinrichtung 48 angeordnet. Die Steuerungs- bzw. Rechnereinheit 12 mit dem Stapelspeicher 40 und Positionen ü- bernimmt die Steuerung des Systems gemäß zuvor beschriebener Weise. Dabei soll entsprechend dem Ausführungsbeispiel die Maschine so gesteuert werden, dass die nacheinander angefahrenen Bildbereiche immer aneinander anschließen bzw. sich leicht ü- berlappen, wie an Hand der Fig. 4 verdeutlicht wird. Die einzelnen Bildbereiche sind mit den Bezugszeichen 50, 52, 54, 56 gekennzeichnet. Hierdurch besteht die Möglich- keit, ohne Stoppen des Messgerätes einen größeren Messbereich abzurastern, als durch die Aufnahme von Einzelbildern möglich ist. Es entsteht ein Gesamtbild 58. In diesem Gesamtbild 58 können durch einen parallel laufenden Auswerteprozess die entsprechenden Geometriemerkmale berechnet werden.

Claims

PatentansprücheVerfahren für Koordinatenmessgeräte mit Bildverarbeitungssensor

1. Verfahren für Koordinatenmessgeräte mit Bildverarbeitungssensor zur Messung von Strukturen von Messobjekten, wobei der Bildverarbeitungssensor relativ zum Messobjekt während der Messung in mindestens einer Koordinatenrichtung bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeln für das Aufnehmen der Bilder während der Messung in der Software des Koordinatenmessgerätes hinterlegt sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die an den jeweiligen Zielpositionen des Messobjekts aufgenommenen Bildern zusammen mit den zugehörigen Positionen der Koordinatenachsen des Ko- ordinatenmessgeräts durch einen Software-Teil in einem Stapelspeicher (stack) abgespeichert werden und von einem zeitlich parallel und/oder zeitlich nachlaufenden Teil der Software zu Messergebnissen ausgewertet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Speichervorgang in Bereichen des Messablaufs automatisch durchgeführt wird, in denen sich keine Änderung von Technologieparametern, wie Licht, Vergrößerung, Ausrichtzustand des Werkstückkoordinatensystems, Sensorwechsel oder ähnliches befindet.

4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme der Bilder an festen, durch die Software vorgegebenen Positionen in der Weise erfolgt, dass die resultierenden Bilder sich durch nahtloses Aneinanderfügen und/oder Überlappung zu einem Gesamtbild des Messobjekts zusammenfügen.

5. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozess zum Aufnehmen und Speichern von Bildern/Positionen asynchron zum Auswerteprozess abläuft.

6. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Softwareprozess zum Aufnehmen der Bilder und Positionen gegenüber allen anderen Softwareprozessen Priorität bekommt

7. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Koordinatenmessgerät durch die Software im Falle von Wechsel der Technologieparameter (wie Lichtvergrößerung Werkstückkoordinatensystemänderung) den Bildaufnahmeprozess so lange unterbricht, bis die entsprechende Änderung der Technologieparameter vollzogen ist.

8. Verfahren nach zumindest einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Triggerbus Bildaufnahme, Positionsmessung und kurzzeitiges Belichten des Objekts zeitsynchron durchgeführt werden und so aufgenommene Bilder mit zugehörigen Positionen des Koordinatenmessgeräts in einem Stapelspeicher gespeichert werden.

9. Verfahren nach zumindest einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Daten des Stapelspeichers einem Signalverarbeitungsrechner zugeführt werden, aus dem ein Steuerrechner Bilder mit zugehörigen Positionen ausliest bei gleichzeitigem Leeren des Stapelspeichers.

10. Verfahren nach zumindest einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Bildverarbeitungssensor gemessenen Bildern mit den zugehörigen Positionen des Koordinatenmessgeräts in einem Stapelspeicher gespeichert werden und dass gleichzeitig oder zeitversetzt eine Steuerrechner aus einem Signalverarbeitung srechner bereits vorhandene Bilder mit zugehörigen Positionen ausliest und hieraus die zu messenden Merkmale und Verknüpfungen des zu messenden Objekts berechnet.