WO2009141333A1 - Verfahren zur ermittlung der messunsicherheit von koordinatenpunkten bei der geometriemessung - Google Patents

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WO2009141333A1
WO2009141333A1 PCT/EP2009/056050 EP2009056050W WO2009141333A1 WO 2009141333 A1 WO2009141333 A1 WO 2009141333A1 EP 2009056050 W EP2009056050 W EP 2009056050W WO 2009141333 A1 WO2009141333 A1 WO 2009141333A1
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Karina Weissensee
Gerhard Linss
Susanne TÖPFER
Olaf Kühn
Maik Rosenberger
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Technische Universität Ilmenau
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Definitions

  • Probe deviation describes the deviation behavior of the overall system consisting of coordinate measuring machine, visual sensor and any additional equipment (eg lighting, rotary / swivel joints) in a very small measuring volume [VDI / VDE 2617 - sheet 6.1].
  • the size of the probing deviation is determined by the deviations of the coordinate measuring machine and, in particular, by the probing deviations of the visual coordinates Sensor including the optical imaging system and the illumination system (eg noise, digitization errors, aberrations, optical interactions with the surface of the specimen, calibration values of the sensor, insufficient algorithms in the measured value processing).
  • the invention is explained below using the example of a visual sensor based on a camera with an electronic image sensor.
  • the QP must be significant with regard to the measurement uncertainty to be determined. For example, high-contrast edge transitions lead to quality parameters that allow conclusions to be drawn about a correspondingly low measurement uncertainty. On the other hand, QP of low-contrast edge transitions lead to correspondingly high values for the measurement uncertainty.
  • the standard deviation s serves as the best estimate for the standard measurement uncertainty u. Successive reference measurements are used to build up a knowledge base under practice-relevant conditions.
  • the assignment rule is formed eg by applying the method of multiple linear regression analysis. In principle, however, other mathematical methods (eg from the field of data mining) can also be used. Saving measurement data, selected QP and the assignment rule used in the database, assigned to the respective measurement type
  • the quality parameters and standard deviations obtained for each measurement type can be used in later individual examinations in order to be able to make a statement about the standard measurement uncertainty despite the execution of only a single measurement on a measurement object.
  • the individual examination is as follows:
  • the quality parameters are determined during the measurement by the computing and control unit of the measuring instrument using the assigned calculation rules.
  • the QPs are derived either directly from the image information of a single search beam. Depending on the type of measurement, significant QP may be required to include contouring to evaluate the quality of the edge location. In addition, image information of adjacent search beams is recorded.
  • M 1 (X) ... M n (X) Regression coefficients
  • the determination of M 0 (X)... M n (X) is then carried out by dissolving the
  • Single measurement to measurement type X can be estimated
  • the number and scope of the reference repeat measurements stored in the database and the QPs defined in accordance with the measurement types, as well as the type of measurement tasks in the preliminary investigations, have an influence on the quality of the assignment rules to be formed in this way. If the knowledge base is extended by further repeat measurements, it is also necessary to adapt the assignment rule.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Messunsicherheit u von Koordinatenpunkten bei der Geometriemessung mit Koordinaten- oder Formmessgeräten, vorzugsweise mit visuellen Sensoren. Das Verfahren wird für einen vorgegebenen Messtyp X mit vorgegebenen Qualitätsparametern QP, die für den Messtyp X signifikant sind, ausgeführt und startet mit dem Ausführen von Voruntersuchungen für den vorgegebenen Messtyp X. Die in den Voruntersuchungen ermittelte, zum Messtyp X gehörende Standardabweichung s, ausgewählte Referenzqualitätsparameterwerte QPR und eine dazu bestimmte Zuordnungsvorschrift werden in einer Datenbank gespeichert. Im Rahmen der Ausfüh-rung einer nachfolgenden Einzeluntersuchung für den vorgegebenen Messtyp X werden Einzelmesswerte und Einzelqualitätsparameter QPE bestimmt und die Messunsicherheit u der Einzeluntersuchung durch Anwendung der Zuordnungsvorschrift auf die Einzelqualitätsparameter QPE berechnet.

Description

Verfahren zur Ermittlung der Messunsicherheit von Koordinatenpunkten bei der Geometriemessung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Messunsicherheit von Koordinatenpunkten bei der Geometrie- oder Längenmessung.
Der Anwendungsbereich der Erfindung erstreckt sich auf Koordi- naten- und Formmessgeräte mit visuellen Sensoren, unabhängig davon ob die visuellen Sensoren in ihrer Position und Orientierung variabel oder fest angeordnet sind. Visuelle Sensoren sind Sensoren, die zur Bestimmung von Messpunkten die Intensitätsverteilung des optisch abgebildeten Messobjekts / Werk- Stückes in der Bildebene auswerten. Hierzu zählen auch Kameras mit elektronischen Bildsensoren. Beispielsweise sind Messkameras ohne zusätzliche Koordinatenachsen im Anwendungsbereich eingeschlossen, da auch diese Koordinatenmessergebnisse liefern. Die Erfindung ist aber nicht auf diesen Sensortyp beschränkt. Beispielsweise können auch die mit Weißlichtinter- ferometrie (WLI), konfokaler Scanning Mikroskopie (CSM) oder mit optischen Rasterscanverfahren mit Punktfokussensoren gewonnenen 2, 5D-Oberflachen von Messobjekten gewonnenen Informationen dem erfindungsgemäßen Verfahren als Eingangsdaten dienen.
Industrielle Messungen der Geometrie technischer Objekte basieren auf Längenmessungen. Als Messgeräte werden Koordinaten- und Formmessgeräte eingesetzt. Diese Messgeräte weisen in der praktischen Anwendung wesentlich höhere Messunsicherheiten auf als bei deren Abnahme bzw. Kalibrierung. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Messgeräte mit visuellen Sensoren ausgestattet sind, die ein berührungsloses und damit schnelles Messen ermöglichen. Aufgrund dieser Vorteile steigt der Einsatz visueller Sensoren bei industriellen Anwendungen, was ein schnelles, möglichst automatisierbares Verfahren zur Ermittlung der
Messunsicherheit erforderlich macht. Die Messunsicherheit ermöglicht dem Anwender, die Verlässlichkeit des Messergebnisses einzuschätzen, um die Ergebnisse verschiedener Messungen der gleichen Messgröße miteinander oder mit Referenzwerten zu vergleichen. Das Vertrauen in die
Vergleichbarkeit von Messergebnissen ist wichtig im nationalen und internationalen Handel.
In der deutschen Übersetzung des Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement (GUM) [DIN ENV 13005: deutsche Übersetzung des Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement (GUM) - Leitfaden zur Angabe der Unsicherheit beim Messen, 2. Auflage 1999, International Organization for Stan- dardization (ISO), Juni 1999, Beuth Verlag Berlin] wird gefor- dert, dass zu einem Messergebnis eine quantitative Angabe zur Qualität des Messergebnisses erfolgen muss, damit der Benutzer dessen Zuverlässigkeit beurteilen kann. Das Messergebnis ist lediglich eine Näherung oder ein Schätzwert des Wertes der Messgröße und erfordert die Angabe der Messunsicherheit dieses Schätzwertes. Dabei charakterisiert die Messunsicherheit allgemein die Streuung der Größenwerte, welche der Messgröße, basierend auf den vorhandenen Informationen, zugeordnet werden können. Der o.g. Leitfaden stellt allgemeine Regeln zur Ermittlung und Angabe der Messunsicherheit bereit. Diese können auf fast jeden Messprozess angewendet werden. Das größte Problem dabei besteht in der Entwicklung eines adäquaten mathematischen Modells der Messung zur Messunsicherheits- bewertung. Es wird von der Annahme ausgegangen, dass eine Messung bis zu dem Grad mathematisch modelliert werden muss, wie dies aufgrund der geforderten Spezifikation erforderlich ist. Zur Entwicklung des mathematischen Modells der Messung sind im Leitfaden jedoch keine spezifischen Verfahren enthalten .
In K. -D. Sommer, u.a „A Bayesian Approach to Information Fusion for Evaluating the Measurement Uncertainty", IEEE International Conference on Multisensor Fusion and Integration for Intelligent Systems. Heidelberg, Germany, 3-6 September 2006, WeBOl.1, S. 507-511. sowie in K. -D. Sommer, u.a „A Systematic Modelling Concept for Uncertainty Analysis", XVIII IMEKO WORLD CONGRESS Metrology for a Sustainable Development. Rio de Janeiro, Brazil, 17-22 September 2006, IMEKO Füll paper 2006-05-26b werden theoretische Vorgehensweisen zur Messun- sicherheitsbewertung und Modellierung von Messabläufen beschrieben. Diese basieren auf dem GUM und dem Prinzip von Bayes, wonach unsichere Größen durch Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen mit bestem Schätzwert und zugehöriger Unsicherheit angegeben werden. Diese theoretischen Betrachtungen sind für das Verständnis zwar bedeutsam, als solche aber nicht Gegenstand der beanspruchten Erfindung.
Im Gegensatz zur Ermittlung der Messunsicherheit gemäß GUM, wo eine Analysierung und Messunsicherheitsbewertung aller Einflüsse auf den Messprozess nach dem Ursache-Wirkungs- Prinzip gefordert wird, beinhaltet das erfindungsgemäße Verfahren die Bewertung der Bildqualität am ermittelten Kantenort. Die Ursachen der Abweichungen werden dabei vorrangig nicht untersucht, stattdessen wird deren Wirkung anhand ausgewählter Parameter im Grauwertbild analysiert. Im Ergebnis - A -
erfolgt die Angabe der Messunsicherheit für einen 2D-Antast- punkt automatisierbar und ohne zusätzlichen Messaufwand.
Zur Beurteilung der Genauigkeit von Koordinatenmessgeräten bei der Abnahme und Überwachung sind in der Richtlinie VDI/VDE
2617 Kenngrößen und Verfahren festgelegt [VDI/VDE 2617 - Blatt 6: Genauigkeit von Koordinatenmessgeräten - Kenngrößen und deren Prüfung, Koordinatenmessgeräte mit optischer Antastung - Grundlagen, Dezember 1997; Blatt 6.1: Genauigkeit von Koordi- natenmessgeräten - Kenngrößen und deren Prüfung, Koordinatenmessgeräte mit optischer Antastung, Leitfaden zur Anwendung von DIN EN ISO 10360 für Koordinatenmessgeräte mit optischen Sensoren für laterale Strukturen, Oktober 2005 und Blatt 7: Genauigkeit von Koordinatenmessgeräten - Kenngrößen und deren Prüfung, Ermittlung der Unsicherheit von Messungen auf Koordinatenmessgeräten durch Simulation, April 2006] . Die mit den Verfahren nach Richtlinie VDI/VDE 2617 - Blatt 6, 6.1 und 7 ermittelten Unsicherheiten beziehen sich ausschließlich auf das Messgerät in Wechselwirkung mit einem kalibrierten Normal- Messobjekt.
In der industriellen Messtechnik können diese Verfahren aus Effizienzgründen nicht für jede Messaufgabe spezifisch durchgeführt werden. Die Verfahren in Richtlinie VDI/VDE 2617 - Blatt 6 und 6.1 sind somit nur für Prüfmittelfähigkeitsunter- suchungen bzw. Abnahmeprüfungen und die Prüfmittelüberwachung geeignet. Das in [DIN ISO/TS 15530-3 Geometrische Produktspezifikation (GPS) - Verfahren zur Ermittlung der Messunsicherheit von Koordinatenmessgeräten (KMG) - Teil 3: Anwendung von kalibrierten Werkstücken oder Normalen, Mai 2005, Beuth Verlag Berlin] beschriebene Verfahren bezieht zwar Unsicherheiten des Messobjektes mit ein, setzt aber ein dem Messobjekt gleichar- tiges kalibriertes Referenzobjekt voraus. Weicht das Referenzobjekt von den realen Messobjekten ab, werden zusätzliche Messunsicherheiten z.B. durch variierende Material- oder Oberflächeneigenschaften geschätzt. Die Messunsicherheitsangabe ist somit anteilig subjektiv, wodurch ihre Zuverlässigkeit und Nachvollziehbarkeit nicht eindeutig gegeben ist.
Die Messunsicherheitsermittlung an Koordinatenmessgeräten mit visuellen Sensoren basiert auf Wiederholmessungen, die zusätz- lieh zur eigentlichen Messung durchzuführen sind. Auf diese
Weise kann die Messunsicherheitsermittlung nicht automatisiert werden. Bekannte Lösungen sind daher zeit- und kostenineffi- zient, unzuverlässig und nicht in jedem Fall realisierbar.
Teil des Messprozesses mit einem Koordinatenmessgerät ist der Antastprozess mit dem Tastsystem. Dabei werden durch Wechselwirkung zwischen Tastsystem und der Oberfläche des Prüflings die Koordinaten des Antastpunktes gewonnen. Die Größe der Antastabweichung wird wesentlich von der Art (Durchlicht, Auflicht) , der Richtung und der Apertur der Beleuchtung sowie durch die Eigenschaften des optischen Abbildungssystems bestimmt. Bei der Erfassung von Strukturkanten ist deren räumliche Ausprägung von entscheidender Bedeutung, da von ihr ganz wesentlich die Wahl der zweckmäßigen Beleuchtung und damit die Eigenschaften des Bildes auf dem Sensor abhängen. Durch die
Antastabweichung wird das Abweichungsverhalten des Gesamtsystems, bestehend aus Koordinatenmessgerät, visuellem Sensor und eventuellen Zusatzeinrichtungen (z.B. Beleuchtung, Dreh- /Schwenk-Gelenke) in einem sehr kleinen Messvolumen beschrie- ben [VDI/VDE 2617 - Blatt 6.1] . Die Größe der Antastabweichung wird von den Antastabweichungen des Koordinatenmessgerätes und in besonderem Maße von den Antastabweichungen des visuellen Sensors einschließlich des optischen Abbildungssystems und des Beleuchtungssystems bestimmt (z.B. Rauschen, Digitalisierungs- fehler, Abbildungsfehler, optische Wechselwirkungen mit der Oberfläche des Prüfkörpers, Kalibrierwerte des Sensors, unzu- reichende Algorithmen in der Messwertverarbeitung) .
In DE 101 47 880 B4 ist ein Verfahren zur qualitativen Bewertung von dimensionellen Messungen auf scheibenförmigen Messobjekten beschrieben. Dabei werden in einzelnen Messschritten Parameter mit zugeordneten Grenzwerten definiert, die sich auf die korrekte Ausführung einzelner Messschritte der Messung beziehen. Direkte Rückschlüsse auf die Messunsicherheit können daraus jedoch nicht gezogen werden, die Parameter dienen vielmehr der Feststellung grober und systematischer Messabweichun- gen. Quantitative Aussagen zur Messunsicherheit, wie im GUM gefordert, können daraus nicht abgeleitet werden.
Auf eine ähnliche Weise werden in DE 103 26 032 Al durch ein Verfahren zum Selbsttest eines Bildverarbeitungssystems verschiedene Bildparameter genutzt, um Beleuchtung und Schärfe von mit einem Bildverarbeitungssystem aufgenommenen Bildern zu prüfen. Das Verfahren in DE 103 26 032 Al führt jedoch nicht zur Bestimmung eines vollständigen Messergebnisses, bestehend aus Schätzwert und Messunsicherheit von Koordinatenpunkten oder Geometrieelementen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Ermittlung der Messunsicherheit von Koordinatenpunkten bei der Geometrie- oder Längenmessung mit visuellen Sensoren, geeignet für Einzelmessungen an realen Messobjekten, bereitzustellen. Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
Für die Erfindung ist bedeutungsvoll, dass zunächst im Rahmen von Voruntersuchungen Referenzwiederholmessungen ausgeführt werden, durch welche sich Qualitätsparameter auswählen und für einen vorgegeben Messtyp eine Standardabweichung ermitteln lässt. Bei der Prüfung von Messobjekten innerhalb eines späteren „online" Prozesses ist dann die Durchführung jeweiliger Einzeluntersuchungen für den vorbestimmten Messtyp ausreichend. Unter Berücksichtigung der in der Voruntersuchung ermittelten Qualitätsparameter und Standardabweichung lässt sich unter Verwendung einer Zuordnungsvorschrift dann die Messunsicherheit der Einzeluntersuchung angeben.
Bei jeder Messung werden z.B. Grauwerte erfasst, die in die Berechnung der Einzelmesswerte und der QP eingehen. Prinzi- piell ist zur Berechnung jedes QP eine Berechnungsvorschrift erforderlich. Diese Berechnungsvorschriften sind Stand der Technik im Bereich Bildmesstechnik.
Anders gesagt werden bei der Vorbereitung und Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung der Messunsicherheit bei der Geometriemessung mit Koordinaten- oder Formmessgeräten insbesondere bei der bildverarbeitenden Erfassung von Körperkanten folgende Schritte ausgeführt:
— Erfassung der Informationen vom Sensor; - Bestimmung von Kantenorten eines Messobjektes unter Verwendung eines Kantenortkriteriums; - Ermittlung von direkten Qualitätsparametern (dQP) und mittelbaren Qualitätsparametern (mQP) zur Bewertung der Güte des Kantenortes, wobei die direkten Qualitätsparameter (dQP) aus den Informationen zu einem einzelnen Antastpunkt und die unmittelbaren Qualitätsparameter
(mQP) aus den direkten Qualitätsparametern (dQP) mehrerer entlang des Kantenortes benachbarter Antastpunkte abgeleitet werden;
- Bestimmung der Messunsicherheit durch Auswahl einer Stan- dardmessunsicherheit aus einer Wissensbasis, wobei die
Wissensbasis in einer Voruntersuchung, bei der Standardmessunsicherheiten und dazugehörige Qualitätsparameter (QP) aus Wiederholmessungen ermittelt wurden, aufgebaut wurde .
Qualitätsparameter (QP) können - müssen aber nicht - in direkte (dQP) und mittelbare (mQP) Qualitätsparameter unterschieden werden. Auf die Anwendbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens Inhaltlich hat das aber keinen Einfluss. dPQ sind QP, die sich auf den betreffenden Suchstrahl des zu messenden Koordinatenpunkts beziehen. Während sich mQP auf benachbarte Suchstrahlen beziehen.
Bei einer abgewandelten Ausführungsform kann vor der Bestim- mung der Messunsicherheit ein Zwischenschritt ausgeführt werden, nämlich die Ermittlung einer Gesamtqualitätsgröße (gQ) aus der Gesamtheit der direkten und mittelbaren Qualitätsparameter (QP) unter Nutzung eines induktiven Inferenzverfahrens . Dieser Zwischenschritt wird jedoch nicht benötigt, wenn die Zuordnungsvorschrift die Messunsicherheit u direkt aus QP liefert . Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird in einem zusätzlichen Verfahrensschritt die Qualität der lokalen Messobjektgeometrie mit einem Geometriequalitätsparameter (gQP) bewertet, der bei der Ermittlung der Gesamtqualitätsgröße (gQ) berücksichtigt wird. Vorteilhaft ist es, wenn als Kantenorte des Messobjektes Kantenübergänge in Intensitätsbildern, Farbübergänge in Farbbildern, Höhensprünge oder Unstetigkeitsstel- len von 2, 5D-Oberflächenbildern verwendet werden. Weiterhin ist es möglich, über Rückinformationen aus den ermittelten Qualitätsparametern (QP) die ermittelte Messunsicherheit zu reduzieren .
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht das automatisierte Abschätzen der Messunsicherheit im Antastprozess mit visuellen Sensoren. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist erstmalig eine Aussage über die Messunsicherheit eines Koordinatenpunktes bei Messungen mit visuellen Sensoren (beispielsweise Koor- dinatenmessgeräten mit elektronischen Bildsensoren) möglich, ohne aufwendige Wiederholmessungen an Referenzobjekten zur aktuellen Messung durchführen zu müssen. Diese aufwendigen
Wiederholmessungen werden in eine Voruntersuchung verlagert.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist universell anzuwenden und demzufolge unabhängig vom Messobjekt. Im Gegensatz zur Ermitt- lung der Messunsicherheit gemäß GUM, wo eine Analysierung und Messunsicherheitsbewertung aller Einflüsse auf den Messprozess gefordert wird, beinhaltet das erfindungsgemäße Verfahren die Bewertung der Bildqualität am ermittelten Kantenort. Die Ursachen der Abweichungen werden dabei vorrangig nicht untersucht, stattdessen wird deren Wirkung anhand ausgewählter Kantenparameter im Grauwertbild analysiert. Im Ergebnis erfolgt die Angabe der Messunsicherheit für einen 2D-Antastpunkt automatisierbar und ohne zusätzlichen Messaufwand.
Durch das neuartige Verfahren werden Voraussetzungen für die Angabe eines vollständigen Messergebnisses, bestehend aus bestem Schätzwert und erweiterter Messunsicherheit, wie in GUM gefordert, für praxisrelevante Messungen an realen Messobjekten geschaffen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 - ein Ishikawa-Diagramm der Einflüsse auf das
Messergebnis eines Antastprozesses;
Fig. 2 - einen Ablaufplan eines erfindungsgemäßen Verfahrens .
Die Erfindung wird nachfolgend am Beispiel eines visuellen Sensors auf der Basis einer Kamera mit elektronischem Bildsensor erläutert.
Das durch die Kamera mit elektronischem Bildsensor erzeugte Bild, welches zur Ermittlung des Wertes der Messgröße (Koordinatenpunkt) herangezogen wird, enthält die geometrische Information über Lage und Verlauf der Messobjektstrukturübergänge . Zu diesen Strukturübergängen zählen folgende optisch wirksame Grenzübergänge : - Körperkanten (geometrische Ausprägung) ,
- Grenzlinien zwischen Materialübergängen (Materialausprägung)
- Grenzlinien zwischen Farbübergängen (spektrale Ausprägung) , - Grenzlinien zwischen Oberflächen unterschiedlicher Profilierung, beispielsweise unterschiedlicher Rauheit (Oberflächenausprägung) .
Wie in Fig. 1 dargestellt sind zusätzlich entsprechend der optischen Superpositionseigenschaft wirksame Effekte weiterer Einflüsse auf den Antastprozess im Bild vorhanden.
Messabweichungen durch Positionierung, Temperaturgradienten, Auflösung des elektronischen Bildsensors und Abweichungen durch nicht korrigierbare Verzeichnung sind nach GUM separat zu erfassen und führen zur Erhöhung des auf der Grundlage des Grauwertbildes ermittelten Messunsicherheitswertes . Vibrationen können durch die Aufnahme von Bildserien erfasst und nach deren Auswertung quantifiziert werden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden die zufälligen und nicht erfassbaren systematischen Messabweichungen in Form der Messunsicherheit bestimmt, die einerseits durch das Messobjekt und andererseits durch Einflüsse des Antastprozesses verursacht werden. Im Unterschied zu bekannten Verfahren wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Messunsicherheit anhand der Qualität des Kantenübergangs am Antastpunkt bestimmt. Zur Charakterisierung dieser Qualität werden Qualitätsparameter (QP) verwendet, anhand derer auf die Messunsicherheit geschlossen werden kann. Anzahl und Art der auszuwählenden QP sind vom jeweiligen Messtyp abhängig. Im Rahmen der Voruntersuchung erfolgt die Spezifizierung des Messtyps. Dies beinhaltet die Auswahl des Messequipments bzw. der Hardwarekonfigura- tion (z.B. Sensortyp, Abbildungsmaßstab des Objektivs,
Beleuchtungsart, Einstellung von Messparametern) und die zum Einsatz kommenden Mess- und Auswertealgorithmen (z.B. Kanten- ortkriterien, Softwarekonfiguration) . Geeignete QP, z.B. Intensität, Kontrast, Kantensteilheit, Symmetrie des Kantenübergangs, Rauschen (beidseitig des Kantenübergangs und im Übergangsgebiet) , Farbübergang (sowie weitere spektrale Ände- rungen am Kantenübergang) und Ansprechqualität des verwendeten Kantenortkriteriums sind von Fachleuten zu definieren und auf Signifikanz zu testen.
Die Definition von QP ist zunächst nicht vollständig automati- sierbar, da wertende Entscheidungen in Bezug auf die Messaufgabe erforderlich sind. Relevante QP im Sinne der hier angestellten Überlegungen weisen eine signifikante Abhängigkeit zur Standardabweichung der Voruntersuchungen auf. Sind relevante QP für unterschiedliche Messtypen einmal definiert, können sie im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens in
Abhängigkeit vom ausgewählten Messtyp automatisiert ausgewählt werden .
Es muss somit eine Korrelation zwischen QP und Messunsicher- heit bestehen. Die QP müssen signifikant sein hinsichtlich der zu bestimmenden Messunsicherheit. So führen beispielsweise kontrastreiche Kantenübergänge zu Qualitätsparametern, die Rückschlüsse auf eine entsprechend geringe Messunsicherheit zulassen. Andererseits führen QP von kontrastschwachen Kanten- Übergängen zu entsprechend hohen Werten für die Messunsicherheit.
Das erfindungsgemäße Verfahren teilt sich auf in Voruntersuchungen (offline) und die Einzelmessung (online) während des Messprozesses. Diese Aufteilung und die Verbindung zwischen den beiden Bereichen ist in Fig. 2 schematisch zusammenge- fasst . Zur Ermittlung der Messunsicherheit bei einer Einzelmessung werden Rückschlüsse aus Informationen der Voruntersuchungen, die in einer Datenbank hinterlegt werden, gezogen. Da Messauf- gaben für die Messung mit visuellen Sensoren sehr unterschiedlich sind, müssen auch Messgeräteeinstellungen variabel sein. Für diese unterschiedlichen Messgeräteeinstellungen (z.B. Sensortyp, Beleuchtungsart, Abbildungsmaßstab, Objektiv, Umgebungsbedingungen) und Messoptionen (Kantenortkriterium, Mess- Strategie) ist im Vorfeld eine Typisierung vorzunehmen.
Zunächst müssen also im Rahmen der Voruntersuchungen die für den gewählten Messtyp geeigneten Messgeräteeinstellungen und die relevanten Qualitätsparameter ausgewählt werden. Sind diese einmal bestimmt, werden die gewählten Parameter und Abhängigkeiten in einer Datenbank gespeichert, auf welche während nachfolgender Einzelmessungen zurückgegriffen werden kann. Die Ermittlung der Messunsicherheit der Einzelmessung ist nur dann zuverlässig möglich, wenn Voruntersuchungen des gleichen Messtyps als Informationsbasis dienen. Unter einem Messtyp werden hier die Zuordnung zu während der Messung eingesetztem Messequipment / Hardwarekonfiguration (z.B. Sensortyp, Abbildungsmaßstab des Objektivs, Beleuchtungsart, Einstellung von Messparametern) und die zum Einsatz kommenden Mess- und Auswertealgorithmen/Softwarekonfiguration (z.B. Kantenortkriterien) verstanden.
Das erfindungsgemäße Verfahren startet in jedem Fall mit einem Abschnitt „Voruntersuchungen", in welchem für einen späteren Abschnitt „Einzeluntersuchung" (d.h. Ausführen einer Messung am konkreten Messobjekt und Bewertung der Messunsicherheit), die erforderliche Datenbasis erzeugt wird. Im Rahmen der Voruntersuchungen werden für einen oder mehrere zu behandelnde Messtypen Referenzwiederholmessungen durchgeführt. Dabei werden durch die Rechen- und Steuereinheit des Messgeräts ein dem Messtyp zugeordneter Satz an Qualitätsparametern (QP- Vektor) und die Standardabweichung s berechnet und in einer Datenbank hinterlegt. Zur Berechnung beispielsweise der Qualitätsparameter des Kantenorts im Bild können z.B. Kantenparameter verwendet werden, wie sie in der DE 10 2007 003 060.8 beschrieben worden sind. Beispiele für mögliche QP sind: - Intensität,
Kontrast,
Kantensteilheit,
Symmetrie des Kantenübergangs,
Rauschen (beidseitig des Kantenübergangs und im Übergangs- gebiet) ,
Farbübergang (sowie weitere spektrale Änderungen am Kantenübergang) ,
Ansprechqualität des verwendeten Kantenortkriteriums.
Rechenvorschriften für grundlegende QP wie z.B. Kontrast sind allgemein. Prinzipiell können im Rahmen der Voruntersuchung jederzeit neue QP definiert und deren Berechnungsvorschrift in der Datenbank hinterlegt werden.
Die Standardabweichung s dient dabei als bester Schätzwert für die Standardmessunsicherheit u. Sukzessive wird durch weitere Referenzwiederholmessungen unter praxis-relevanten Bedingungen eine Wissensbasis aufgebaut.
a) Vorlaufuntersuchung (offline) : Festlegung des Messtyps o Beinhaltet bei der Messung eingesetzte Hardware- und Softwarekonfiguration (Sensortyp, Spezifikationen des Objektivs, Einstellung von Messparametern, Mess- und Auswertealgorithmen) - Durchführung von Wiederholmessungen
Auswahl und Berechnung von signifikanten QP entsprechend dem Messtyp o Festlegung signifikanter QP durch den Fachmann und
Zuordnung zum Messtyp - Berechnung der Standardabweichung s als bester Schätzwert für die Standardmessunsicherheit u Ermittlung einer Zuordnungsvorschrift (u = /(QP1...QPn)) o Die Zuordnungsvorschrift wird z.B. durch Anwendung der Methode der multiplen linearen Regresssions- analyse gebildet. Prinzipiell sind jedoch auch weitere mathematische Verfahren (z.B. aus dem Bereich des Data Mining) verwendbar. Speichern von Messdaten, ausgewählten QP und der verwendeten Zuordnungsvorschrift in der Datenbank, zugeordnet zum jeweiligen Messtyp
Nach Aufbau der Datenbank können die gewonnenen Qualitätsparameter und Standardabweichungen für jeden Messtyp in späteren Einzeluntersuchungen verwendet werden, um trotz Ausführung von nur einer einzigen Messung an einem Messobjekt eine Aussage über die Standardmessunsicherheit treffen zu können. Die Einzeluntersuchung läuft wie folgt ab:
b) Einzeluntersuchung (online) : - Auswahl des anzuwendenden Messtyps o Auswahl aus der Menge der Messtypen, für die im
Rahmen der Voruntersuchungen Daten in der Datenbank abgelegt wurden. Die Schätzung der Messunsicherheit kann bei der Einzeluntersuchung nur erfolgen, wenn für den jeweiligen Messtyp bereits Voruntersuchungen durchgeführt worden sind. - Durchführung der Messung
Berechnung der dem Messtyp entsprechenden QP Abschätzung der Messunsicherheit gemäß der Zuordnungsvorschrift durch Zugriff auf die Datenbank o Die Zuordnungsvorschrift ist eine mathematische Funktion der Form u = f{QPλ...QPn) , die aus den Referenzwiederholmessungen der Voruntersuchung zum selben Messtyp gebildet wurde. Durch Einsetzen der QP der Einzeluntersuchung wird ein Schätzwert für die Messunsicherheit berechnet. Die Qualität der Schätzung hängt vom Umfang der Voruntersuchung ab.
Die Qualitätsparameter werden während der Messung durch die Rechen- und Steuereinheit des Messgeräts unter Anwendung zuge- ordneter Rechenvorschriften bestimmt. Die QP werden dabei entweder direkt aus den Bildinformationen eines einzelnen Suchstrahls abgeleitet. Je nach Messtyp kann es zur Bestimmung von signifikanten QP erforderlich sein, zur Bewertung der Güte des Kantenorts den Konturverlauf einzubeziehen . Dabei werden zusätzlich Bildinformationen benachbarter Suchstrahlen erfasst .
Möglichkeiten und Beispiele zur Berechnung der Qualitätsparameter wurden oben dargestellt. Die Bestimmung der Werte der QP erfolgt bei der „Vorlaufuntersuchung" und bei der „Einzelmessung" nach gleichen Rechenvorschriften automatisiert durch die Rechen- und Steuereinheit des Messgeräts. Bei spiel :
Definition des Messtyp X: Durchlicht/Auflichtmessung mit
Kantenortkriterium X, X-facher Abbildungsmaßstab, Sensor X usw.
QP1(X) globaler Kontrast: QP1(X) = GW0-GW11 mit GW0 =höchster Grauwert entlang des Suchstrahls GW11 =kleinster Grauwert entlang des Suchstrahls
Als geeignet für das erfindungsgemäße Verfahren werden QP definiert, die eine signifikante Abhängigkeit zur erzielten Standardabweichung aufweisen. Als Maß für diese Beziehung werden Korrelationskoeffizienten herangezogen. Ein geeignetes Signifikanzniveau wird im Rahmen der Voruntersuchungen aus Erfahrungswerten festgelegt. Die QP werden unabhängig von der Standardabweichung berechnet, die Reihenfolge der Berechnung von QP und Standardabweichung spielt dabei keine Rolle.
Bei der Einzelmessung wird der für den jeweiligen Messtyp definierte QP-Vektor berechnet. Ein Wert für die Messunsicherheit wird durch Anwendung einer Zuordnungsvorschrift aus den in der Datenbank zum vorliegenden Messtyp abgelegten Informationen (QP-Vektoren mit zugehöriger Standardabweichung s) und den aktuell berechneten QP geschlussfolgert . Die Zuordnungs- Vorschrift dient der automatisierten Schätzung der Messunsicherheit u der Einzelmessung beruhend auf QPE der Einzelmessung sowie der QPR und der Standardabweichung s der Voruntersuchung, bei der die Referenzwiederholmessungen ausgeführt wurden. Dabei ist s generell als Schätzwert für u zu betrach- ten. Der Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass bei der Einzeluntersuchung keine umfangreichen Wiederholmessungen durchzuführen sind. Eine mögliche Variante für die Herleitung einer Zuordnungsvorschrift stellt die Methode der multiplen linearen Regressionsanalyse dar. Prinzipiell sind auch Approximationsverfahren und Verfahren aus dem Bereich der Künstlichen Intelligenz und des Data Minings möglich. Diese erfordern jedoch wesentlich umfangreichere Voruntersuchungen .
Beispiel : Zu jeder Referenzwiederholmessung eines Messtyps werden s und QP berechnet und gemäß dem allgemeinen Modellansatz Gleichungen der Form sw (X) = M0(X) + M1 (X) ■ QPm {X) + m2 (X) ■ QPW2 (X) + ...Mn (X) ■ QPWn (X) + et (i = \..n) mit: QPm(X)...QPWn(X) =signifikante Qualitätsparameter einer Wiederholmessung zu Messtyp X sw(X) =Standardabweichung einer Wiederholmessung als
Schätzwert für die Standardmessunsicherheit u
X = Messtyp
M1(X)...Mn(X) = Regressionskoeffizienten B0(I) = Regressionskonstante e(i = \...n) = Restfehler aufgestellt . Die Bestimmung von M0(X)...Mn(X) erfolgt dann durch Lösung der
Zielfunktion ∑e; =min Für spätere Einzelmessungen kann die Standardmessunsicherheit u anhand der Zuordnungsvorschrift uE (X) = m0 (X) + m, (X) ■ QPEγ (X) + m2 (X) • QPE2 (X) + ...mn (X) • QPEn (X) mit: QPEl(X)...QPEn (X) =signifikante Qualitätsparameter einer
Einzelmessung zu Messtyp X abgeschätzt werden Einfluss auf die Güte der auf diese Weise zu bildenden Zuordnungsvorschrift haben Anzahl und Umfang der in der Datenbank hinterlegten Referenzwiederholmessungen aus den Voruntersu- chungen und die dem Messtypen entsprechend definierten QP sowie die Art der Messaufgaben in den Voruntersuchungen. Wird die Wissensbasis durch weitere Wiederholmessungen erweitert, ist auch eine Anpassung der Zuordnungsvorschrift notwendig.
Eine alternative Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass durch die Fortpflanzung von Ausgleichsalgorithmen unter Anwendung der Monte-Carlo-Methode die Messunsicherheiten eingehender Koordinatenpunkte zur Messunsicherheit von Geometrieele- menten bzw. deren Prüfmerkmalen kombiniert werden. Weiterführende Hinweise dazu findet der Fachmann z.B. in: Evaluation of measurement data — Supplement 1 to the "Guide to the expres- sion of uncertainty in measurement" —Propagation of distribu- tions using a Monte Carlo method, ISO - International Organi- zation for Standardization . Genf: ISO, 2007.
Außerdem ist eine Verknüpfung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit dem Verfahren in DE 102 42 852 Al möglich. Dadurch wird zusätzlich der Einfluss von Störsignalen bei der Formelement- berechnung aus Koordinatenpunkten minimiert. Es werden Erkennungsalgorithmen mit der Ausgleichsrechnung von Formelementen kombiniert, um fälschlicherweise erfasste Koordinatenpunkte zu eliminieren. Eine Kombination mit diesem Verfahren erweitert den Nutzeffekt der Erfindung beträchtlich.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Ermittlung der Messunsicherheit u von Koordinatenpunkten bei der Geometriemessung mit Koordinaten- oder Formmessgeräten, vorzugsweise mit visuellen Sensoren, für einen vorgegebenen Messtyp X mit vorgegebenen Qualitätsparametern QP, die für den Messtyp X signifikant sind, folgende Schritte umfassend:
■ Ausführen von Voruntersuchungen für den vorgegebenen Messtyp X mit folgenden Teilschritten: - Ausführen von mehreren Referenzwiederholmessungen für den Messtyp X zur Gewinnung von Referenzmesswerten,
- Bestimmung von Referenzqualitätsparametern QPR , die den vorgegebenen Qualitätsparametern QP entsprechen, aus den gewonnenen Referenzmesswerten, - Ermitteln der Standardabweichung s aus den gewonnenen Referenzmesswerten,
- Auswahl signifikanter Referenzqualitätsparameter QPR, deren Korrelation zur Standardabweichung s oberhalb einer vorgegebenen Signifikanzschwelle liegt, - Ermittlung einer Zuordnungsvorschrift, welche eine
Korrelation zwischen der ermittelten Standardabweichung s und den ausgewählten signifikanten Referenzqualitätsparametern QPR beschreibt;
■ Speichern der zum Messtyp X gehörenden Standardabweichung s, der ausgewählten Referenzqualitätsparameterwerte QPR und der Zuordnungsvorschrift in einer Datenbank;
■ Ausführen einer Einzeluntersuchung für den vorgegebenen Messtyp X mit folgenden Teilschritten:
- Ausführen einer Einzelmessung zur Gewinnung von Einzel- messwerten,
- Bestimmung von Einzelqualitätsparametern QPE der Einzelmessung, die den im Rahmen der Voruntersuchungen ausgewählten Referenzqualitätsparametern QPR entsprechen, aus den gewonnenen Einzelmesswerten;
■ Berechnung der Messunsicherheit u der Einzeluntersuchung durch Anwendung der Zuordnungsvorschrift auf die Einzel- qualitätsparameter QPE der Einzeluntersuchung.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Qualitätsparameter QP Bildinformationen eines einzelnen Suchstrahls, auf dem der durch die Messunsicherheit u zu bewertende Koordinatenpunkt liegt, verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Qualitätsparameter QP die Güte des Kantenorts entlang des Konturverlaufs (Strukturübergangs) verwendet wird, basierend auf Bildinformationen aus Suchstrahlen, die benachbart zu dem Suchstrahls, auf dem der durch die Messunsicherheit u zu bewertende Koordinatenpunkt liegt, verlaufen.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Qualitätsparameter QP Kantenübergänge in Intensitätsbildern oder Farbübergänge in Farbbildern oder Höhensprünge oder Unstetigkeitsstellen von 2, 5D-Oberflächen- bildern verwendet werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der in der Datenbank gespeicherte Messtyp Angaben zu der bei der Messung eingesetzten Hardware- und Softwarekonfiguration, insbesondere zu Sensortyp, Spezifika- tionen des Objektivs, Einstellung von Messparametern, Mess- und Auswertealgorithmen umfasst.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Zuordnungsvorschrift durch Anwendung der Methode der multiplen linearen Regressionsanalyse ermittelt wird.
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