WO2016202852A1 - Coordinate measuring machine and method for calibrating same using a time-of-flight camera - Google Patents

Coordinate measuring machine and method for calibrating same using a time-of-flight camera Download PDF

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WO2016202852A1
WO2016202852A1 PCT/EP2016/063740 EP2016063740W WO2016202852A1 WO 2016202852 A1 WO2016202852 A1 WO 2016202852A1 EP 2016063740 W EP2016063740 W EP 2016063740W WO 2016202852 A1 WO2016202852 A1 WO 2016202852A1
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WO
WIPO (PCT)
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cmm
tof
coordinate system
specific coordinate
characteristic feature
Prior art date
Application number
PCT/EP2016/063740
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German (de)
French (fr)
Inventor
Dominik DOMINIK SEITZ
Rainer Sagemüller
Tobias TOBIAS HELD
Jochen Burger
Original Assignee
Carl Zeiss Industrielle Messtechnik Gmbh
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Filing date
Publication date
Application filed by Carl Zeiss Industrielle Messtechnik Gmbh filed Critical Carl Zeiss Industrielle Messtechnik Gmbh
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B21/00Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant
    • G01B21/02Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring length, width, or thickness
    • G01B21/04Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring length, width, or thickness by measuring coordinates of points
    • G01B21/042Calibration or calibration artifacts
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/002Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B5/00Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques
    • G01B5/004Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques for measuring coordinates of points
    • G01B5/008Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques for measuring coordinates of points using coordinate measuring machines

Definitions

  • the present invention relates to a coordinate measuring machine with a button, a
  • the invention further relates to a method for referencing a coordinate measuring machine-foreign coordinate system to a coordinate measuring machine-specific coordinate system.
  • Document DE 196 18 283 A1 discloses an image pickup device and a method for three-dimensional non-contact measurement.
  • the document US 2015/0049186 A1 discloses a coordinate measuring machine including a camera.
  • the document US 201 1/01 19025 A1 discloses a manipulation aid for coordinate measurement.
  • the document DE 10 2006 039 000 A1 discloses a stylus holder.
  • the document US 2013/0010070 A1 discloses an information processing apparatus and a method for processing information.
  • the document DE 101 24 493 A1 describes a correction method for
  • Coordinate measuring machines ie for devices with a measuring head, which are inside a (fixed) defined measuring volume is movable relative to a workpiece that measure
  • Measuring points on the workpiece are measured with the measuring head.
  • the measuring head for this purpose has a probe element, in particular in the form of a probe with a stylus and a stylus, with the desired measurement points on the workpiece are physically touched. Therefore, such a measuring head is often referred to as a probe.
  • a probe element in particular in the form of a probe with a stylus and a stylus
  • optical sensors for example laser scanners
  • a control and evaluation determines from the position of the measuring head within the measuring volume and possibly from the position of the probe relative to the measuring head when probing the workpiece spatial coordinates that represent the touched measuring point. Determining the spatial coordinates at a plurality of measurement points, one can measure geometric properties of the workpiece, such as a diameter of a bore or a spatial distance of two geometric elements on the workpiece. In addition, you can determine with a variety of coordinates measuring curves that represent the spatial shape or surface contour of individual geometric elements or even the spatial shape of the entire workpiece. Frequently, geometric dimensions, such as the diameter of a bore or the distance between two geometric elements, are determined based on the measurement curves.
  • sensors with temporally and spatially very high point density are laser line scanner or strip projectors that are regularly used for measuring tasks on the above workpieces.
  • Line scanners project a laser line onto the workpiece for distance measurement. This line is then recorded with a camera and triangulation calculations can then be used to determine the distance to the sensor and thus the surface of the workpiece.
  • this type of sensor has a high temporal and spatial point density, but has disadvantages due to the design. It must be moved to measure the surface of a laser line over the workpiece. Since the projected strip can not be arbitrarily large, this leads to a proportional increase in the measuring time.
  • tactile is often measured. In a tactile measurement, however
  • Preliminary information eg about the type and orientation of the used probe, the position / orientation of a fixed on the coordinate measuring machine axis of rotation or the position / orientation of a located on the coordinate measuring workpiece required.
  • This preliminary information must currently be created by a manual operation of the user in a pre-measurement step.
  • the position of a calibration ball is roughly measured manually (probe calibration)
  • the space axis of the rotation axis is measured manually or the position of the workpiece is measured roughly by hand.
  • the respective feature can then be measured automatically again in an automated step, with a correspondingly adapted strategy or correspondingly adapted number of support points being used.
  • KMB coordinate measuring system
  • a CMM comprising: a probe for probing an object to be measured within a fixed measuring volume, which is assigned to the CMM and which defines a CMM-specific coordinate system; an evaluation and control unit; and a ToF camera, wherein the ToF camera is arranged to illuminate and record at least one ToF image of a scene in the measurement volume, the ToF image defining a ToF-specific coordinate system different from the CMM-specific coordinate system, and the scene having a characteristic feature whose geometry and / or attitude with respect to the CMM-specific coordinate system is known; wherein the evaluation and control unit is set up to recognize the characteristic feature in the ToF image and to determine the geometry and / or position of the recognized characteristic feature in the ToF-specific coordinate system; and wherein the evaluation and control unit is further configured, based on the geometries and / or positions of the characteristic feature in the CMM-specific coordinate system and in the ToF-specific coordinate system, a mapping function for referencing the CMM-specific coordinate system to the ToF-specific coordinate
  • the ToF camera provides the above-mentioned preliminary information, so that a manual rough pre-measurement is unnecessary. All measurement steps can be automated.
  • the geometry and position of a previously unknown probe can be roughly measured automatically.
  • the position of a rotation axis can be roughly calculated automatically.
  • the position of a workpiece can be roughly measured automatically.
  • the evaluation and control unit is further configured to determine in the ToF-specific coordinate system a geometry and / or position of an unknown object from a ToF image, which shows the unknown object within the measurement volume, and based on the thus determined geometry and / or location of the unknown object, a test plan in the CMM-specific coordinate system for the Unknown object to be determined without the unknown object was pre-measured manually coarse in the CMM-specific coordinate system.
  • Coordinate measuring device understood. This schedule defines the movement paths of the probe during an automated measurement. This roadmap also defines the touch points (on the object to be measured) that correspond to interpolation points.
  • the unknown object is a replaceable, with respect to its construction unknown button, which has at least one stylus, each of the stylus has at least one connecting element and a Tastkugel, which is provided at a free end of the corresponding stylus, and where the test plan represents a calibration of the unknown probe.
  • buttons are often assembled depending on the application by the user.
  • the manufacturers of the CMM provide probe kits for this purpose.
  • the probe kits have connecting elements, joint pieces and probe balls. These elements can be present in different dimensions.
  • a variety of different buttons can be configured by the user himself.
  • the ToF image of the scene shows both the
  • unknown probe as well as a Einmesskugel whose dimensions are known and which is fixed, and preferably permanently arranged at a known position of a base of the CMM, as a characteristic feature.
  • the characteristic feature rotates about a rotation axis, which is not visible in the ToF image itself, wherein the evaluation and control unit is further adapted to a plurality of staggered ToF images according to a respective position of the characteristic feature in each ToF image with respect to a position of the axis of rotation in the CMM-specific coordinate system to evaluate.
  • the characteristic feature stationary fixed and permanent in
  • Measuring volume may be provided, wherein the evaluation and control unit is further configured to cause the ToF camera cyclically recurring to record a new ToF image including the characteristic feature, and wherein the evaluation and control unit is further configured, at least two of the new ToF To evaluate images with respect to a respective position of the characteristic feature in the ToF-specific coordinate system and to determine a drift in the CMM-specific coordinate system in the event that the respective position of the characteristic feature in the ToF-specific coordinate system changes significantly.
  • the ToF camera during a referencing operation is at least fixedly disposed at a position outside the measurement volume and preferably detects the entire measurement volume.
  • the characteristic feature comprises: a
  • Reference sphere a part of a machine frame that moves the stylus within the measuring volume; a reference button; and / or a probe magazine.
  • the object is achieved by a method for referencing a non-CMM coordinate system to a CMM-specific coordinate system, comprising the following steps: taking a ToF image with a ToF camera of a CMM, the ToF camera for Illuminating and picking up the ToF image, the ToF image defining a ToF-specific coordinate system different from the CMM-specific coordinate system and showing a scene in a measurement volume of the CMM (10) having a characteristic feature whose geometry and / or location is known in the CMM-specific coordinate system; Recognizing the characteristic feature in the ToF image by means of image recognition, which is performed by an evaluation and control unit of the CMM; Determining a geometry and / or location of the detected characteristic feature in the ToF image; and a mapping function by the evaluation and control unit based on the geometries and / or positions of the characteristic feature in the CMM-specific coordinate system and in the Tof-specific coordinate system to reference the coordinate systems to each other.
  • the method further comprises the steps of: determining a geometry, in particular a construction, and a position of an unknown probe and at least one layer of a known calibration sphere from a ToF image; Determining the corresponding geometries and positions in the CMM-specific coordinate system; Determining a test plan in the CMM-specific coordinate system, in particular for a probe calibration, for the unknown probe, without the unknown probe having been manually roughed in advance in the CMM-specific coordinate system.
  • the method further comprises the steps of: rotating the characteristic feature about a rotation axis in the measurement volume; Generating multiple, staggered ToF images; Determining a respective location of the characteristic feature from the ToF images; and evaluating the respective positions of the characteristic feature with respect to an orientation of the axis of rotation in the CMM-specific coordinate system.
  • the method further comprises the steps of: permanent stationary fixation of the characteristic feature in the measurement volume; cyclically recording a new ToF image that always contains the characteristic feature; Evaluating at least two of the new ToF images for a respective position of the characteristic feature in the ToF specific coordinate system; and determining a drift in the CMM-specific coordinate system in the event that the respective position of the characteristic feature in the ToF-specific coordinate system substantially changes.
  • FIG. 1 is a perspective view of a coordinate measuring machine in exemplary gantry design
  • Fig. 2 shows several different buttons
  • Fig. 3 shows a reference key and an unknown new key
  • FIG. 4 shows a scanning of a calibration sphere within a measuring volume, wherein the calibration sphere is kept spatially fixed by a clamping
  • FIG. 5 shows a conventional probe (FIG. 5A) and a probe for scanning undercuts (FIG. 5B);
  • Fig. 6 is a flowchart of a referencing method
  • FIG. 7 is a flowchart of a method for roughly determining coordinates of a workpiece
  • FIG. 8 is a flowchart of a method for probe calibration.
  • a coordinate measuring machine is shown by way of example in the gantry design and designated in its entirety by the reference numeral 10.
  • the coordinate measuring machine 10 (hereinafter also referred to as "CMM" for short) has a base 12 on which a portal 14 is arranged.
  • a traverse of the portal 14 carries a carriage 16, on which a quill 18 is arranged.
  • the CMM further comprises one or more, preferably electric, drives (not shown here) with which the portal 14 in the direction of an arrow 20 is horizontally movable relative to the base 12.
  • the carriage 16 can be moved along an arrow 22 on the portal 14 horizontally, and preferably perpendicular to the first direction 22.
  • the quill 18 can in the direction of an arrow 24 be moved vertically relative to the carriage 18.
  • the directions 20, 22 and 24 preferably form a Cartesian coordinate system.
  • the portal 14 and the quill 18 in each case scales 26 may be arranged, with the aid of a current position of the portal 14, the carriage 16 and / or the sleeve 18 can be determined.
  • a button 28 is arranged, which carries a stylus 30 with a Tastkugel 31.
  • the pushbutton 28 can be moved with one or more, preferably electrical, drives of the CMM 10, which are not shown here, within a measuring volume 33, which here by the movement axes and areas (20-24) of the portal 14, the carriage 16th and the sleeve 18 is spanned and is illustrated with a dashed auxiliary line.
  • the stylus 30 with its probe ball 31 is used for probing a workpiece 32, which is fixedly arranged on the base 12 of the CMM 10.
  • the base 12 thus also serves as a workpiece holder.
  • the CMM 10 is shown here in the form of a typical example.
  • the invention is not limited to gantry type coordinate measuring machines and may equally be used with coordinate measuring machines of a different type and other devices for measuring workpieces, such as coordinate measuring machines in horizontal arm construction.
  • the workpiece 32 has, by way of example, two bores 34a, 34b whose position, shape, depth, and diameter are to be measured by means of the CMM 10.
  • the bores 34a, 34b are typical geometric features of the workpiece 32, which can be measured by means of coordinate measuring machines. Other geometric features may be, for example, cylindrical or non-cylindrical protrusions, trunnions or recesses, undercuts, edge lengths or even a complex spatial shape, such as the topographies of a turbine blade.
  • different probes 28 are often used, as will be explained in more detail below with reference to FIGS. 2 to 5.
  • Reference numeral 36 denotes a controller which controls the drives of the CMM 10
  • controller 36 is a programmable logic controller (PLC).
  • PLC programmable logic controller
  • the reference numeral 38 denotes e.g. a computer on which a measuring or
  • Evaluation software 39 is executed.
  • the computer or computer 38 determines with the software 39 a current position of the portal 14, the carriage 16 and / or the quill 18, in particular taking into account the scales 26.
  • the measured values provided by the controller 36 are evaluated by the software 39 (eg Transformation into a workpiece-own coordinate system).
  • the software 39 generates a measurement protocol 40, which includes a measurement curve 42 and a numerical output of the measurement values 44 by way of example.
  • the controller 36 and the computer 38 with the measurement or evaluation software 38 form an evaluation and control unit.
  • the controller 36 in this example has a first memory 46 in which measurement parameters (e.g., key metrics) for the measurement of the workpiece 32 are stored.
  • the measurement parameters in memory 46 may include i.a. determine the movements of the probe 28 within the measuring volume 33. In particular, they can define a trajectory and the speeds and accelerations of the probe 28 during a measurement process.
  • the reference numeral 48 denotes a second memory or memory area are stored in the second measurement parameters that define a modified movement of the probe 28 within the measuring volume 33.
  • the first measurement parameters in memory 46 are typically determined by the user with the aid of the measurement and evaluation software 39 before the start of an actual measurement run. This is in particular a probe calibration.
  • each of the probes 28 must be calibrated prior to use, i. be measured. In this case, position and size differences of the probe 28, preferably in comparison to a reference probe of the CMM 10, determined.
  • a reference key is a key 28 supplied with the CMM 10 and specially marked, the dimensions of which the CMM 10 has deposited in one of its memories 46, 48.
  • the controller 36 or the software 39 can still take into account the following data: key type, probe direction, stylus type, radius of the probe ball and the like.
  • the core of the CMM 10 is the probe 28. There are switching and measuring probes 28. In FIG. 2, four different probes 28-1 to 28-4 are shown. 3 shows a detailed view of a (reference) button 28-1 and a star-shaped button 28-4. The following description is made with simultaneous reference to FIGS. 2 and 3.
  • the CMM 10 always determines the same location or the same position, no matter which type of stylus is used and from which (probing) direction 50 (see FIG. 2), the workpiece 32 is touched.
  • a button 28 may be modular.
  • the reference probe 28-1 has, for example, a single stylus 30, at the free end of the Tastkugel 31 is attached.
  • the stylus 30 has a single connecting element 52, which connects the Tastkugel 31 with a Tastschaft 54.
  • the dimensions of the connecting element 52 and the Tastkugel 31 and their orientations are known.
  • CMMs 10 often also have stylus kits, from the components of which application-specific buttons 28 are assembled by the user himself. can be built.
  • pivot pieces 56 belong to the button assembly sets.
  • the buttons 28-2 and 28-3 of Fig. 2 each have two links 56-1 and 56-2.
  • the pushbutton 28-2 and the pushbutton 28-3 each have four connecting elements 52 as an example. Both buttons 28-2 and 28-3 each have two styli 30-1 and 30-2.
  • the styli 30-1 and 30-2 of the probe 28-2 are L-shaped, wherein the connecting elements 52 each enclose an angle of 90 °.
  • the styli 30-1 and 30-2 of the probe 28-3 are angled (angle not equal to 90 °) formed.
  • the button 28-4 is star-shaped and has in Fig. 2, five pins 30 which
  • the types of keys shown in FIGS. 2 and 3 can therefore be designed differently.
  • the connecting elements 52 and the Taststarte 30 may have different lengths, since e.g. deeper holes 34 require longer styli 30. If the holes 34 have a certain inclination, you need to their measurement appropriately inclined Tastriche to reach an inside of the bore 34 well.
  • each of the buttons 28 requires a probe calibration. For each of the buttons 28, it is necessary to know where the probes 31 of the styli 30 are located and what radii the probes 31 have. Once these data are determined once for each of the styli 31 and for each button 28 and then stored, the button 28 can be changed without costly remeasurement. The software 39 can then automatically consider which of the buttons 28 is being used.
  • buttons 28 with a wide variety
  • Configurations of the probe pins 30 provide the same measurement results, the computer 38 must know in advance the relative spatial arrangement of the styli 30, the dimensions of the styli 30 and the radii of the Tastkugeln 31. These parameters are determined during probe calibration. After calibration, the computer 38 knows the center distances of the Tastkugeln 31 -4 to the center 60 of the ball 31 -1 of the reference button 28-1 (see FIG. 3). The diameter of the Tastkugeln 31 -4 is then known or calculated. As a standard of determination, a dimensionally accurate sphere is usually used for the calibration, as shown by way of example in FIG. 4. FIG. 4 shows such a ball standard or a calibration ball 62. The metering ball 62 is positioned at an arbitrary position on the base 12 of the CMM 10. For this purpose, a clamping 64 can be used, which represents an interference contour for measurements within the measuring volume 33. In the following, a probe calibration will now be described.
  • control and evaluation unit brings the position of the
  • Einmesskugel 62 within the measuring volume 33 in experience Usually, the calibration ball 62 is touched with the reference key 28-1, whose position and geometry the computer 38 knows, from several sides according to a defined strategy (manually). The computer 38 determines therefrom the center of the calibration sphere. With each further button 28 (in Fig. 4, another button 28-2 is shown), which is to be used, the calibration ball is now also touched, the calibration ball 62 of course remains at its metered position. From the data thus obtained, correction quantities are calculated for the (unknown) push-button 28-2. In a next step, the computer 38 calculates a location difference of the button 28-2 to the reference button 28-1. From the probing a ball and its center are calculated.
  • the calculated center is correct only for the reference key 28-1.
  • the correction amount needed for the button 28-2 can be determined.
  • the radius of the probe ball 31 of the probe 28-2 can be determined.
  • the radius of the detection ball 62 determined by the computer 38 using the probe 28 is larger by the probe ball radius than the known exact radius of the calibration ball 62.
  • the probe ball radius can therefore be determined as the difference between the measured ball radius and the stored radius of the calibration ball 62.
  • the coarse preliminary sensing required for the probe calibration is conventionally accomplished by manual control of the probes 28 by the measurement volume 33.
  • the purpose is a time-of-flight camera shown in FIG. 1 (hereinafter referred to briefly as ToF camera) 70 used.
  • the KMG10 includes the ToF camera 70.
  • the ToF camera 70 is connected to controller 36 and / or computer 38 (hardwired and / or wireless) for signal and data exchange.
  • the ToF camera 70 is positioned so that preferably the entire measuring volume 33 can be detected.
  • the ToF camera 70 may be movably formed relative to the base 12. However, a (picking) position of the ToF camera 70 is known. From the images taken by the ToF camera 70, positions, positions and dimensions of objects located in the measurement volume 33, such as the probe or buttons 28, the calibration ball 62, the clamping 64 and the like can be determined at least roughly by the control and evaluation unit be determined.
  • buttons 28 are constructed very complex.
  • button 28-5 is shown in Fig. 5B
  • Fig. 5A shows a "simple" reference button 28-1.
  • the reference button 28-1 of FIG. 5A horizontal undercuts can not be measured. This can only be the button 28-5 of Fig. 5B.
  • a ToF camera 70 is a 3D camera system, which by means of a
  • Runtime method Measures distances.
  • a scene such as the measuring volume 33, is illuminated with a light pulse.
  • the light pulses are e.g. produced with LED or laser diodes, which are modulated sufficiently fast, so that a camera sensor can perfectly measure transit times.
  • a pulse duration moves in the nanosecond range.
  • the lighting is usually emitted in the near infrared range.
  • the ToF camera 70 measures for each pixel the time it takes the light to reach the object and back again. The time required is directly proportional to the distance. The camera 70 thus provides for each pixel the distance of the object imaged thereon.
  • the ToF camera 70 can be used in a distance range of a few decimeters to about
  • a distance resolution is about 1 cm.
  • a lateral resolution reaches about 200 x 200 pixels.
  • the camera 70 can take up to 160 images per Deliver second.
  • a core element of the ToF camera 70 is the image sensor, which measures the run time separately for each pixel. This image sensor resembles a chip for digital cameras, but with the difference that a pixel is much more complicated. It does not just have to be able to collect the incoming light, but also to measure the runtime. It can image sensors are used, which have a resolution of preferably up to 204 x 204 pixels with an edge length of 45 ⁇ .
  • the CMM-specific coordinate system is defined by the measurement volume 33 (see FIG. 1).
  • a “reference” is generally understood as a reference system.
  • “Referencing” generally means “referring to something”.
  • FIG. 6 shows a flowchart of a method for referencing the CMM-specific coordinate system to the ToF-specific coordinate system (or vice versa).
  • a first step S10 the ToF camera 10 is moved relative to the measuring volume 33,
  • the ToF camera 70 is positioned so that it has, in particular, the entire measuring volume 33 in its field of vision. It is understood that the ToF camera 70 could also be arranged within the measuring volume 33. Further, it will be understood that the ToF camera 70 may be positioned at different locations to also illuminate and record shadows of objects located in a scene within the field of view of the ToF camera 70.
  • the scene is composed of the objects within the measurement volume 33 that the ToF camera 70 sees.
  • the scene may also include, for example, the portal and / or the button 28.
  • the ToF image of the scene is taken and in shape
  • the evaluation and control unit determines, by means of stored recognition algorithms (preferably image recognition algorithms), the objects contained in the scene (step S14). At least one of the objects is known in terms of its geometry and / or position in the CMM-specific coordinate system.
  • the gauge ball 62 (see FIG. 4) is e.g. in a lower left corner of the base 12 of the CMM 10 - at least during the duration of the recording - stationary fixed.
  • the geometry of the calibration ball 62, and possibly the clamping 64, are stored in the memory 46 (see FIG. 1) as data in the CMM-specific coordinate system. The same applies to the position or position of the calibration ball 62 and / or the clamping 64 within the measuring volume 33.
  • step S16 specific identifying features of the object within the ToF image can be identified.
  • step S18 the corresponding coordinates of the identifier can be determined in the ToF specific coordinate system.
  • these coordinates are also stored in the memory 46.
  • step S22 the coordinates of the same recognition feature with respect to the CMM-specific coordinate system are retrieved from the memory 46.
  • step S24 an imaging function is then determined that maps the coordinates of the specific recognition feature from the coordinate system of the CMM 10 into the coordinate system of the ToF camera 70. This completes the referencing process.
  • Components (portal, base, buttons, etc.) of the CMM 10 is not changed and that the referencing method described in connection with FIG. 6 is completed, further special applications can be performed, which will be described below with reference to FIGS. 7 and 8 to be discribed.
  • Fig. 7 shows a flowchart of a method with which the position of a
  • the evaluation and control unit may determine a measurement or testing plan for the probe 28 (step S28).
  • the test plan consists of any number of support points (contact points between button 28 and workpiece 32).
  • the probe 28 automatically runs the workpiece 32 along a test curve to fine-tune the coordinates of the workpiece 32 in the CMM-specific coordinate system (see step S30).
  • FIG. 8 shows a flow chart for a method for probe calibration.
  • a geometry of an unknown probe 28 (compare buttons 28-2 to 28-4 in FIG. 2) is determined on the basis of a (referenced) ToF image.
  • the stylus pens 30 of the unknown button 28 e.g. identified by means of image recognition.
  • the image recognition algorithm knows the components from which the buttons 30 can be constructed.
  • the image recognition algorithm thus knows e.g. the various types of fasteners 52, the configuration of the links 56 and the like.
  • the orientations of the stylus pins 30 can also be recognized at least roughly.
  • the stylus balls 31 can be identified (step S36). This also applies to the diameter of the stylus balls 31.
  • Such a check is particularly useful for long inspection plans that require, for example, an hour or more to measure all the required points of a workpiece.
  • cyclic measurements of the fixed points can be carried out every five minutes. If the position of the fixed point does not change over time in the ToF image, then there is no drift.
  • Another advantage of using a ToF camera 70 is the fact that
  • Interference contours such as the clamping 64 (see FIG. 4), can be detected and taken into account in the determination of the test plan (measuring curve along which the probe 28 is moved during a measuring operation).
  • the ToF image may also replace a CAD model of the workpiece 32. If e.g.
  • Freeform surfaces are to be scanned tactile, it is necessary for higher web speeds of the probe 28 that the direction of a surface normal is known in advance. This information is usually extracted from CAD model data. But if no CAD model is available, it has been necessary to scan very slowly so far. However, the required surface normal can at least roughly be derived from the data of the ToF image.
  • a working volume (measuring volume 33) of the CMM can be achieved with the ToF camera 70
  • the axis of rotation in the coordinate system of the CMM 10 can be determined on the basis of the ToF images.
  • a known object eg the calibration ball 62
  • ToF images are recorded at different (known) rotation angles.
  • the calibration ball 62 is identifiable in each of the ToF images. From the familiar contour of the calibration sphere visible in the ToF image 62 can be closed back to the respective position of the center of the Einmesskugel 62. From the different positions of the centers at the different angular positions can be deduced on a trajectory of the center during rotation. The trajectory in turn defines an area on which the axis of rotation is perpendicular.
  • the orientation of the axis of rotation can be calculated from the ToF images.
  • the use of a ToF camera 70 offers the advantage that the CMM 10 does not provide any preliminary information, for example about the type and orientation of a new pushbutton 28, the position and orientation of an axis of rotation fastened on the CMM 10 or the position and Orientation of a located on the CMM 10 workpiece 32 is needed.
  • This preliminary information is conventionally provided by manual operation of the user in a pre-measurement step of the CMM 10. In this case, either the position of the calibration ball is manually roughly measured (probe calibration), the spatial axis of the installed rotary axis is manually roughly measured or the position of the workpiece is measured roughly by hand. Once this rough manual measurement has been carried out, the respective feature can then be measured again in an automated step.
  • the use of the ToF camera 70 makes the manual pre-measurement superfluous.

Abstract

Disclosed is a CMM (10), comprising: a contact probe (28) for probing an object (32, 62) to be measured within a fixedly defined measurement volume (33), which is assigned to the CMM (10) and which defines a CMM-specific coordinate system; an evaluation and control unit (36, 38, 39); and a TOF camera (70), wherein the TOF camera (70) is configured to illuminate and record at least one TOF image of a scene in the measurement volume (33), wherein the TOF image defines a TOF-specific coordinate system which differs from the CMM-specific coordinate system and wherein the scene has a characteristic feature (28-1, 32, 62), the geometry and/or position of which in relation to the CMM-specific coordinate system is/are known; wherein the evaluation and control unit (36, 38, 39) is configured to identify the characteristic feature (28-1, 32, 62) in the TOF image and determine the geometry and/or position of the identified characteristic feature (28-1, 32, 62) in the TOF-specific coordinate system; and wherein the evaluation and control unit (36, 38, 39) is furthermore configured to determine an imaging function for referencing the CMM-specific coordinate system to the TOF-specific coordinate system, or vice versa, on the basis of the geometries and/or positions of the characteristic feature in the CMM-specific coordinate system and in the TOF-specific coordinate system.

Description

Koordinatenmessgerät und Verfahren zum Kalibrieren desselben  Coordinate measuring machine and method for calibrating the same
mit einer Time-of-Flight-Kamera  with a time-of-flight camera
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Koordinatenmessgerät mit einem Taster, einer The present invention relates to a coordinate measuring machine with a button, a
Auswerte- und Steuereinheit sowie einer Time-of-Flight-Kamera. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Referenzieren eines Koordinatenmessgerät-fremden Koordinatensystems auf ein Koordinatenmessgerät-spezifisches Koordinatensystem.  Evaluation and control unit and a time-of-flight camera. The invention further relates to a method for referencing a coordinate measuring machine-foreign coordinate system to a coordinate measuring machine-specific coordinate system.
[0002] Das Dokument US 2014/0286536 A1 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung einer The document US 2014/0286536 A1 discloses a method for determining a
Position und einer Ausrichtung eines bekannten Gegenstands mit sechs Freiheitsgraden. Das Dokument DE 196 18 283 A1 offenbart eine Bildaufnahmevorrichtung und ein Verfahren für die dreidimensionale berührungslose Messung. Das Dokument US 2015/0049186 A1 offenbart ein Koordinatenmessgerät inklusive einer Kamera. Das Dokument US 201 1/01 19025 A1 offenbart eine Manipulationshilfe zur Koordinatenmessung. Das Dokument DE 10 2006 039 000 A1 offenbart eine Taststifthalterung. Das Dokument US 2013/0010070 A1 offenbart eine Informationsverarbeitungsvorrichtung und ein Verfahren zum Verarbeiten von Informationen.  Position and alignment of a known article with six degrees of freedom. Document DE 196 18 283 A1 discloses an image pickup device and a method for three-dimensional non-contact measurement. The document US 2015/0049186 A1 discloses a coordinate measuring machine including a camera. The document US 201 1/01 19025 A1 discloses a manipulation aid for coordinate measurement. The document DE 10 2006 039 000 A1 discloses a stylus holder. The document US 2013/0010070 A1 discloses an information processing apparatus and a method for processing information.
[0003] Das Dokument DE 101 24 493 A1 beschreibt ein Korrekturverfahren für The document DE 101 24 493 A1 describes a correction method for
Koordinatenmessgeräte, d.h. für Geräte mit einem Messkopf, der innerhalb eines (fest) definierten Messvolumens relativ zu einem Werkstück bewegbar ist, das vermessen Coordinate measuring machines, ie for devices with a measuring head, which are inside a (fixed) defined measuring volume is movable relative to a workpiece that measure
werden soll. Mit dem Messkopf werden Messpunkte an dem Werkstück vermessen.  shall be. Measuring points on the workpiece are measured with the measuring head.
Häufig besitzt der Messkopf zu diesem Zweck ein Tastelement, insbesondere in Form eines Tasters mit einem Taststift und mit einer Tastkugel, mit der gewünschte Messpunkte an dem Werkstück physisch berührt werden. Daher wird ein derartiger Messkopf häufig als Tastkopf bezeichnet. Alternativ gibt es Messköpfe, mit denen definierte Messpunkte an einem Werkstück berührungslos vermessen werden können, insbesondere mit optischen Sensoren (z.B. Laserscanner).  Often, the measuring head for this purpose has a probe element, in particular in the form of a probe with a stylus and a stylus, with the desired measurement points on the workpiece are physically touched. Therefore, such a measuring head is often referred to as a probe. Alternatively, there are measuring heads with which defined measuring points on a workpiece can be measured without contact, in particular with optical sensors (for example laser scanners).
[0004] Eine Steuer- und Auswerteeinheit bestimmt aus der Position des Messkopfes innerhalb des Messvolumens und ggf. aus der Position des Tasters relativ zum Messkopf beim Antasten des Werkstücks Raumkoordinaten, die den angetasteten Messpunkt repräsentieren. Bestimmt man die Raumkoordinaten an einer Vielzahl von Messpunkten, kann man geometrische Eigenschaften des Werkstücks vermessen, wie etwa einen Durchmesser einer Bohrung oder einen räumlichen Abstand von zwei Geometrieelementen an dem Werkstück. Darüber hinaus kann man mit einer Vielzahl von Koordinaten Messkurven bestimmen, die die Raumform bzw. Oberflächenkontur einzelner Geometrieelemente oder sogar die Raumform des gesamten Werkstücks repräsentieren. Häufig werden geometrische Abmessungen, wie etwa der Durchmesser einer Bohrung oder der Abstand zwischen zwei Geometrieelementen, erst anhand der Messkurven bestimmt. A control and evaluation determines from the position of the measuring head within the measuring volume and possibly from the position of the probe relative to the measuring head when probing the workpiece spatial coordinates that represent the touched measuring point. Determining the spatial coordinates at a plurality of measurement points, one can measure geometric properties of the workpiece, such as a diameter of a bore or a spatial distance of two geometric elements on the workpiece. In addition, you can determine with a variety of coordinates measuring curves that represent the spatial shape or surface contour of individual geometric elements or even the spatial shape of the entire workpiece. Frequently, geometric dimensions, such as the diameter of a bore or the distance between two geometric elements, are determined based on the measurement curves.
[0005] Die Wirtschaftlichkeit eines Koordinatenmesseräts wird in der Messtechnik fast immer durch zwei Faktoren bestimmt, nämlich die Genauigkeit und Geschwindigkeit. In diesem Zusammenhang stellt sich oft die Frage, wie viele Messpunkte in welcher Zeit mit welcher Genauigkeit gewonnen werden können. Bei der Vermessung von kleineren Werkstücken (kleiner 0,5 dm3) steht dabei meist die Genauigkeit mehr im Vordergrund, da diese Art von Werkstücken sehr kleinen Toleranzen unterliegen. Um dieser Anforderung gerecht zu werden, wird somit meist taktil gemessen. Wenn größere Bauteile (z.B. Teile oder komplette Fahrzeugkarosserien) vermessen werden, so steht ein Sensor mit μm-Genauigkeit weniger im Vordergrund. Umso mehr steht jedoch die Messgeschwindigkeit im Fokus. Die Merkmale einer Fahrzeugkarosserie sollten in einer ebenso akzeptablen Zeit vermessen werden können, was wiederum die Verwendung von taktilen Sensoren, selbst im Scan- ning-Betrieb, ausschließt. Somit werden für solche Einsatzgebiete Sensoren verwendet, die sowohl zeitlich als auch räumlich eine sehr hohe Punktdichte aufweisen. The economics of a coordinate measuring machine is almost always determined by two factors in metrology, namely the accuracy and speed. In this context, the question often arises as to how many measuring points can be obtained in which time and with what accuracy. In the measurement of smaller workpieces (less than 0.5 dm 3 ) usually the accuracy is more in the foreground, since these types of workpieces are subject to very small tolerances. To meet this requirement, it is thus usually tactile measured. If larger components (eg parts or complete vehicle bodies) are measured, a sensor with μm accuracy is less important. However, the focus is more on the measuring speed. The characteristics of a vehicle body should be able to be measured in an equally acceptable time, which in turn would allow the use of tactile sensors, even in the scanning ning operation, excludes. Thus, sensors are used for such applications, which both in time and space have a very high density of points.
[0006] Beispiele für Sensoren mit zeitlich und räumlich sehr hoher Punktdichte sind Laser-Linien- Scanner oder Streifen-Projektoren, die für Messaufgaben an den oben genannten Werkstücken regelmäßig eingesetzt werden. Linien-Scanner projizieren zur Abstandsmessung eine Laser-Linie auf das Werkstück. Diese Linie wird dann mit einer Kamera erfasst und über Triangulationsrechnungen kann dann der Abstand zum Sensor und somit die Oberfläche des Werkstücks ermittelt werden. Diese Art von Sensor bietet zwar eine hohe zeitliche und örtliche Punktdichte, hat aber bauartsbedingt Nachteile. Es muss zur Messung von einer Fläche die Laser-Linie über das Werkstück bewegt werden. Da der projizierte Streifen nicht beliebig groß sein kann, führt dies zu einer proportionalen Erhöhung der Messzeit. Examples of sensors with temporally and spatially very high point density are laser line scanner or strip projectors that are regularly used for measuring tasks on the above workpieces. Line scanners project a laser line onto the workpiece for distance measurement. This line is then recorded with a camera and triangulation calculations can then be used to determine the distance to the sensor and thus the surface of the workpiece. Although this type of sensor has a high temporal and spatial point density, but has disadvantages due to the design. It must be moved to measure the surface of a laser line over the workpiece. Since the projected strip can not be arbitrarily large, this leads to a proportional increase in the measuring time.
[0007] Eine Alternative zum Linien-Scanner stellen Streifen projektoren dar. Zur Ermittlung der An alternative to the line scanner are strip projectors. To determine the
Oberfläche des Werkstücks wird dazu ein Schwarz-Weiß-Linienmuster auf das Werkstück projiziert. Über eine Kamera wird daraufhin das Streifenmuster erfasst und vergleichbar der Auswertung am Linien-Scanner die Oberfläche des Werkstücks über Triangulation errechnet. Diese Art von Sensoren haben Nachteile, weil die Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks diffus reflektierend sein kann.  Surface of the workpiece is projected to a black and white line pattern on the workpiece. The strip pattern is then detected by a camera and the surface of the workpiece is calculated by triangulation, comparable to the evaluation on the line scanner. These types of sensors have disadvantages because the surface of the workpiece to be measured can be diffusely reflective.
[0008] Deshalb wird häufig taktil gemessen. Bei einer taktilen Messung sind jedoch Therefore, tactile is often measured. In a tactile measurement, however
Vorinformationen z.B. über die Art und Orientierung des benutzten Tasters, die Lage/Orientierung einer auf dem Koordinatenmessgerät befestigten Drehachse oder die Lage/Orientierung eines sich auf dem Koordinatenmessgerät befindlichen Werkstücks erforderlich. Diese Vorabinformation muss aktuell durch eine manuelle Bedienung des Nutzers in einem Voreinmessschritt erstellt werden. Dazu wird entweder die Lage einer Einmesskugel manuell grob eingemessen (Tasterkalibrierung), die Raumachse der Drehachse manuell grob vermessen oder die Lage des Werkstücks manuell grob vermessen. Sobald dieses grobe, manuelle Einmessen erfolgt ist, kann danach in einem automatisierten Schritt das jeweilige Merkmal automatisiert erneut vermessen werden, wobei eine entsprechend angepasste Strategie bzw. entsprechend angepasste Stützstellenzahlen eingesetzt werden. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Koordinatenmesssystem (KMB) bereitzustellen, das diese Art der Messung vereinfacht. Preliminary information eg about the type and orientation of the used probe, the position / orientation of a fixed on the coordinate measuring machine axis of rotation or the position / orientation of a located on the coordinate measuring workpiece required. This preliminary information must currently be created by a manual operation of the user in a pre-measurement step. For this purpose, either the position of a calibration ball is roughly measured manually (probe calibration), the space axis of the rotation axis is measured manually or the position of the workpiece is measured roughly by hand. As soon as this rough, manual calibration has taken place, the respective feature can then be measured automatically again in an automated step, with a correspondingly adapted strategy or correspondingly adapted number of support points being used. It is an object of the present invention to provide a coordinate measuring system (KMB) which simplifies this type of measurement.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein KMG mit: einem Taster zum Antasten eines zu vermessenden Objekts innerhalb eines fest definierten Messvolumens, das dem KMG zugeordnet ist und das ein KMG-spezifisches Koordinatensystem definiert; einer Auswerte- und Steuereinheit; und einer ToF-Kamera, wobei die ToF-Kamera zum Ausleuchten und Aufnehmen von mindestens einem ToF-Bilds einer Szene im Messvolumen eingerichtet ist, wobei das ToF-Bild ein ToF-spezifisches Koordinatensystem definiert, welches sich vom KMG-spezifischen Koordinatensystem unterscheidet, und wobei die Szene ein charakteristisches Merkmal aufweist, dessen Geometrie und/oder Lage in Bezug auf das KMG-spezifische Koordinatensystem bekannt ist bzw. sind; wobei die Auswerte- und Steuereinheit eingerichtet ist, das charakteristische Merkmal im ToF-Bild zu erkennen und die Geometrie und/oder Lage des erkannten charakteristischen Merkmals im ToF- spezifischen Koordinatensystem zu bestimmen; und wobei die Auswerte- und Steuereinheit ferner eingerichtet ist, basierend auf der Geometrien und/oder Lagen des charakteristischen Merkmals im KMG-spezifischen Koordinatensystem und im ToF-spezifischen Koordinatensystem eine Abbildungsfunktion zum Referenzieren des KMG-spezifischen Koordinatensystems auf das ToF-spezifische Koordinatensystem, oder umgekehrt, zu bestimmen. This object is achieved by a CMM comprising: a probe for probing an object to be measured within a fixed measuring volume, which is assigned to the CMM and which defines a CMM-specific coordinate system; an evaluation and control unit; and a ToF camera, wherein the ToF camera is arranged to illuminate and record at least one ToF image of a scene in the measurement volume, the ToF image defining a ToF-specific coordinate system different from the CMM-specific coordinate system, and the scene having a characteristic feature whose geometry and / or attitude with respect to the CMM-specific coordinate system is known; wherein the evaluation and control unit is set up to recognize the characteristic feature in the ToF image and to determine the geometry and / or position of the recognized characteristic feature in the ToF-specific coordinate system; and wherein the evaluation and control unit is further configured, based on the geometries and / or positions of the characteristic feature in the CMM-specific coordinate system and in the ToF-specific coordinate system, a mapping function for referencing the CMM-specific coordinate system to the ToF-specific coordinate system, or vice versa, to determine.
Die ToF-Kamera liefert die oben genannte Vorabinformation, so dass sich eine manuelle grobe Voreinmessung erübrigt. Alle Messschritte können automatisiert erfolgen. Die Geometrie und Lage eines bislang unbekannten Tasters können automatisiert grob vermessen werden. Die Lage einer Drehachse kann automatisiert grob errechnet werden. Die Lage eines Werkstücks kann automatisiert grob vermessen werden. The ToF camera provides the above-mentioned preliminary information, so that a manual rough pre-measurement is unnecessary. All measurement steps can be automated. The geometry and position of a previously unknown probe can be roughly measured automatically. The position of a rotation axis can be roughly calculated automatically. The position of a workpiece can be roughly measured automatically.
Bei einer Ausgestaltung ist die Auswerte- und Steuereinheit ferner eingerichtet, im ToF- spezifischen Koordinatensystem eine Geometrie und/oder Lage eines unbekannten Objekts aus einem ToF-Bild zu bestimmen, welches das unbekannte Objekt innerhalb des Messvolumens zeigt, und basierend auf der so bestimmten Geometrie und/oder Lage des unbekannten Objekts einen Prüfplan im KMG-spezifischen Koordinatensystem für das unbekannten Objekts zu bestimmen, ohne dass das unbekannte Objekt vorab manuell grob im KMG-spezifischen Koordinatensystem eingemessen wurde. In one embodiment, the evaluation and control unit is further configured to determine in the ToF-specific coordinate system a geometry and / or position of an unknown object from a ToF image, which shows the unknown object within the measurement volume, and based on the thus determined geometry and / or location of the unknown object, a test plan in the CMM-specific coordinate system for the Unknown object to be determined without the unknown object was pre-measured manually coarse in the CMM-specific coordinate system.
[0013] Unter einem Prüfplan wird nachfolgend ein Fahrplan für den Taster des Under a test plan below is a roadmap for the button of
Koordinatenmessgeräts verstanden. Dieser Fahrplan definiert die Bewegungswege des Tasters während einer automatisierten Messung. Dieser Fahrplan definiert ferner die Antastpunkte (am zu vermessenden Objekt), die Stützstellen entsprechen.  Coordinate measuring device understood. This schedule defines the movement paths of the probe during an automated measurement. This roadmap also defines the touch points (on the object to be measured) that correspond to interpolation points.
[0014] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist das unbekannte Objekt ein austauschbarer, hinsichtlich seines Aufbaus unbekannter Taster, der mindestens einen Taststift aufweist, wobei jeder der Taststifte mindestens ein Verbindungselement und eine Tastkugel aufweist, die an einem freien Ende des entsprechenden Taststifts vorgesehen ist, und wobei der Prüfplan eine Kalibrierung des unbekannten Tasters darstellt. According to a further embodiment, the unknown object is a replaceable, with respect to its construction unknown button, which has at least one stylus, each of the stylus has at least one connecting element and a Tastkugel, which is provided at a free end of the corresponding stylus, and where the test plan represents a calibration of the unknown probe.
[0015] Die Taster werden oft anwendungsabhängig vom Nutzer zusammengebaut. Die Hersteller der KMG stellen zu diesem Zweck Tasterbausätze bereit. Die Tasterbausätze weisen Verbindungselemente, Gelenkstücke und Tastkugeln auf. Diese Elemente können in unterschiedlichen Abmessungen vorliegen. Somit können eine Vielzahl unterschiedlicher Taster durch den Nutzer selbst konfiguriert werden. Vor einem Einsatz des selbstkonfigurierten Tasters ist es erforderlich, dass das KMG den Aufbau des selbstkonfigurierten Tasters kennt. Anderenfalls ist keine genaue Koordinatenbestimmung möglich. Deshalb müssen diese selbstkonfigurierten Taster kalibriert werden. Die oben genannte Ausgestaltung erlaubt die Tasterkalibrierung. The buttons are often assembled depending on the application by the user. The manufacturers of the CMM provide probe kits for this purpose. The probe kits have connecting elements, joint pieces and probe balls. These elements can be present in different dimensions. Thus, a variety of different buttons can be configured by the user himself. Before using the self-configured button, it is necessary for the CMM to know the structure of the self-configured button. Otherwise, no exact coordinate determination is possible. Therefore, these self-configured pushbuttons must be calibrated. The above configuration allows the probe calibration.
[0016] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung zeigt das ToF-Bild der Szene sowohl den According to another embodiment, the ToF image of the scene shows both the
unbekannten Taster als auch eine Einmesskugel, deren Abmessungen bekannt sind und die fix, und vorzugsweise dauerhaft, an einer bekannten Position einer Basis des KMG angeordnet ist, als charakteristisches Merkmal.  unknown probe as well as a Einmesskugel whose dimensions are known and which is fixed, and preferably permanently arranged at a known position of a base of the CMM, as a characteristic feature.
[0017] Weiter ist es bevorzugt, wenn das charakteristische Merkmal um eine Drehachse rotiert, die im ToF-Bild selbst nicht erkennbar ist, wobei die Auswerte- und Steuereinheit ferner eingerichtet ist, mehrere zeitlich versetzte ToF-Bilder nach einer jeweiligen Position des charakteristischen Merkmals im jeweiligen ToF-Bild hinsichtlich einer Lage der Drehachse im KMG-spezifischen Koordinatensystem auszuwerten. Further, it is preferred that the characteristic feature rotates about a rotation axis, which is not visible in the ToF image itself, wherein the evaluation and control unit is further adapted to a plurality of staggered ToF images according to a respective position of the characteristic feature in each ToF image with respect to a position of the axis of rotation in the CMM-specific coordinate system to evaluate.
[0018] Insbesondere kann das charakteristische Merkmal stationär fix und permanent im In particular, the characteristic feature stationary fixed and permanent in
Messvolumen vorgesehen sein, wobei die Auswerte- und Steuereinheit ferner eingerichtet ist, die ToF-Kamera zyklisch wiederkehrend zu veranlassen, ein neues ToF-Bild einschließlich des charakteristischen Merkmals aufzunehmen, und wobei die Auswerte- und Steuereinheit ferner eingerichtet ist, zumindest zwei der neuen ToF-Bilder hinsichtlich einer jeweiligen Position des charakteristischen Merkmals im ToF-spezifischen Koordinatensystem auszuwerten und eine Drift im KMG-spezifischen Koordinatensystem für den Fall zu bestimmen, dass sich die jeweilige Position des charakteristischen Merkmals im ToF-spezifischen Koordinatensystem wesentlich ändert.  Measuring volume may be provided, wherein the evaluation and control unit is further configured to cause the ToF camera cyclically recurring to record a new ToF image including the characteristic feature, and wherein the evaluation and control unit is further configured, at least two of the new ToF To evaluate images with respect to a respective position of the characteristic feature in the ToF-specific coordinate system and to determine a drift in the CMM-specific coordinate system in the event that the respective position of the characteristic feature in the ToF-specific coordinate system changes significantly.
[0019] Vorzugsweise ist die ToF-Kamera während eines Referenzierungsvorgangs zumindest an einer Position stationär fix außerhalb des Messvolumens angeordnet und erfasst vorzugsweise das gesamte Messvolumen. Preferably, the ToF camera during a referencing operation is at least fixedly disposed at a position outside the measurement volume and preferably detects the entire measurement volume.
[0020] Bei einer anderen Ausgestaltung weist das charakteristische Merkmal auf: eine In another embodiment, the characteristic feature comprises: a
Einmesskugel; ein Teil eines Maschinengestells, das den Taster innerhalb des Messvolumens bewegt; ein Referenztaster; und/oder ein Tastermagazin.  Reference sphere; a part of a machine frame that moves the stylus within the measuring volume; a reference button; and / or a probe magazine.
[0021] Ferner wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Referenzieren eines KMG- fremden Koordinatensystems auf ein KMG-spezifisches Koordinatensystem, das die folgenden Schritte aufweist: Aufnehmen eines ToF-Bilds mit einer ToF-Kamera eines KMG, wobei die ToF-Kamera zum Ausleuchten und Aufnehmen des ToF-Bilds positioniert ist, wobei das ToF-Bild ein ToF-spezifisches Koordinatensystem definiert, das sich von dem KMG-spezifischen Koordinatensystem unterscheidet, und eine Szene in einem Messvolumen des KMG (10) zeigt, die ein charakteristisches Merkmal aufweist, dessen Geometrie und/oder Lage im KMG-spezifischen Koordinatensystem bekannt ist bzw. sind; Erkennen des charakteristischen Merkmals im ToF-Bild mittels Bilderkennung, die durch eine Auswerte- und Steuereinheit des KMG durchgeführt wird; Bestimmen einer Geometrie und/oder Lage des erkannten charakteristischen Merkmals im ToF-Bild; und Bestim- men einer Abbildungsfunktion durch die Auswerte- und Steuereinheit basierend auf den Geometrien und/oder Lagen des charakteristischen Merkmals im KMG-spezifischen Koordinatensystem und im Tof-spezifischen Koordinatensystem, um die Koordinatensysteme aufeinander zu referenzieren. Further, the object is achieved by a method for referencing a non-CMM coordinate system to a CMM-specific coordinate system, comprising the following steps: taking a ToF image with a ToF camera of a CMM, the ToF camera for Illuminating and picking up the ToF image, the ToF image defining a ToF-specific coordinate system different from the CMM-specific coordinate system and showing a scene in a measurement volume of the CMM (10) having a characteristic feature whose geometry and / or location is known in the CMM-specific coordinate system; Recognizing the characteristic feature in the ToF image by means of image recognition, which is performed by an evaluation and control unit of the CMM; Determining a geometry and / or location of the detected characteristic feature in the ToF image; and a mapping function by the evaluation and control unit based on the geometries and / or positions of the characteristic feature in the CMM-specific coordinate system and in the Tof-specific coordinate system to reference the coordinate systems to each other.
Vorzugsweise weist das Verfahren ferner die Schritte auf: Bestimmen einer Geometrie, insbesondere eines Aufbaus, und einer Lage eines unbekannten Tasters sowie zumindest einer Lage einer bekannten Einmesskugel aus einem ToF-Bild; Bestimmen der entsprechenden Geometrien und Lagen im KMG-spezifischen Koordinatensystem; Bestimmen eines Prüfplans im KMG-spezifischen Koordinatensystem, insbesondere für eine Tasterkalibrierung, für den unbekannten Taster, ohne dass der unbekannte Taster vorab manuell grob im KMG-spezifischen Koordinatensystem eingemessen wurde. Preferably, the method further comprises the steps of: determining a geometry, in particular a construction, and a position of an unknown probe and at least one layer of a known calibration sphere from a ToF image; Determining the corresponding geometries and positions in the CMM-specific coordinate system; Determining a test plan in the CMM-specific coordinate system, in particular for a probe calibration, for the unknown probe, without the unknown probe having been manually roughed in advance in the CMM-specific coordinate system.
Insbesondere weist das Verfahren ferner die Schritte auf: Drehen des charakteristischen Merkmals um eine Drehachse im Messvolumen; Erzeugen von mehreren, zeitlich versetzten ToF-Bildern; Ermitteln einer jeweiligen Lage des charakteristischen Merkmals aus den ToF-Bildern; und Auswerten der jeweiligen Lagen des charakteristischen Merkmals hinsichtlich einer Orientierung der Drehachse im KMG-spezifischen Koordinatensystem. In particular, the method further comprises the steps of: rotating the characteristic feature about a rotation axis in the measurement volume; Generating multiple, staggered ToF images; Determining a respective location of the characteristic feature from the ToF images; and evaluating the respective positions of the characteristic feature with respect to an orientation of the axis of rotation in the CMM-specific coordinate system.
Insbesondere weist das Verfahren ferner die Schritte auf: permanentes stationäres Fixieren des charakteristischen Merkmals im Messvolumen; zyklisch wiederkehrendes Aufnehmen eines neuen ToF-Bilds, das immer das charakteristische Merkmal enthält; Auswerten von mindestens zwei der neuen ToF-Bilder hinsichtlich einer jeweiligen Position des charakteristischen Merkmals im ToF-spezifischen Koordinatensystem; und Bestimmen einer Drift im KMG-spezifischen Koordinatensystem für den Fall, dass sich die jeweilige Position des charakteristischen Merkmals im ToF-spezifischen Koordinatensystem wesentlich ändert. In particular, the method further comprises the steps of: permanent stationary fixation of the characteristic feature in the measurement volume; cyclically recording a new ToF image that always contains the characteristic feature; Evaluating at least two of the new ToF images for a respective position of the characteristic feature in the ToF specific coordinate system; and determining a drift in the CMM-specific coordinate system in the event that the respective position of the characteristic feature in the ToF-specific coordinate system substantially changes.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. [0026] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention. Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are explained in more detail in the following description. Show it:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Koordinatenmessgeräts in exemplarischer Portalbauweise, 1 is a perspective view of a coordinate measuring machine in exemplary gantry design,
Fig. 2 zeigt mehrere unterschiedliche Taster; Fig. 2 shows several different buttons;
Fig. 3 zeigt einen Referenztaster und einen unbekannten neuen Taster; Fig. 3 shows a reference key and an unknown new key;
Fig. 4 zeigt eine Abtastung einer Einmesskugel innerhalb eines Messvolumens, wobei die Einmesskugel durch eine Aufspannung räumlich fixiert gehalten ist; 4 shows a scanning of a calibration sphere within a measuring volume, wherein the calibration sphere is kept spatially fixed by a clamping;
Fig. 5 einen gewöhnlichen Taster (Fig. 5A) und einen Taster zur Abtastung von Hinter- schneidungen (Fig. 5B); FIG. 5 shows a conventional probe (FIG. 5A) and a probe for scanning undercuts (FIG. 5B);
Fig. 6 ein Flussdiagramm eines Referenzierungsverfahrens; Fig. 6 is a flowchart of a referencing method;
Fig. 7 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum groben Bestimmen von Koordinaten eines Werkstücks; und FIG. 7 is a flowchart of a method for roughly determining coordinates of a workpiece; FIG. and
Fig. 8 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Tasterkalibrierung. 8 is a flowchart of a method for probe calibration.
[0027] In Fig. 1 ist ein Koordinatenmessgerät exemplarisch in der Portalbauweise gezeigt und in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Das Koordinatenmessgerät 10 (nachfolgend auch kurz als "KMG" bezeichnet) weist eine Basis 12 auf, auf der ein Portal 14 angeordnet ist. Eine Traverse des Portals 14 trägt einen Schlitten 16, an dem eine Pinole 18 angeordnet ist. Das KMG weist ferner einen oder mehrere, vorzugsweise elektrische, Antriebe (hier nicht dargestellt) auf, mit denen das Portal 14 in Richtung eines Pfeils 20 horizontal relativ zu der Basis 12 bewegbar ist. Des Weiteren kann der Schlitten 16 entlang eines Pfeils 22 an dem Portal 14 horizontal, und vorzugsweise senkrecht zur ersten Richtung 22, bewegt werden. Die Pinole 18 kann in Richtung eines Pfeils 24 vertikal relativ zu dem Schlitten 18 bewegt werden. Die Richtungen 20, 22 und 24 bilden vorzugweise ein kartesisches Koordinatensystem. An der Basis 12, dem Portal 14 und der Pinole 18 können jeweils Maßstäbe 26 angeordnet sein, mit deren Hilfe eine aktuelle Position des Portals 14, des Schlittens 16 und/oder der Pinole 18 bestimmbar ist. In Fig. 1, a coordinate measuring machine is shown by way of example in the gantry design and designated in its entirety by the reference numeral 10. The coordinate measuring machine 10 (hereinafter also referred to as "CMM" for short) has a base 12 on which a portal 14 is arranged. A traverse of the portal 14 carries a carriage 16, on which a quill 18 is arranged. The CMM further comprises one or more, preferably electric, drives (not shown here) with which the portal 14 in the direction of an arrow 20 is horizontally movable relative to the base 12. Furthermore, the carriage 16 can be moved along an arrow 22 on the portal 14 horizontally, and preferably perpendicular to the first direction 22. The quill 18 can in the direction of an arrow 24 be moved vertically relative to the carriage 18. The directions 20, 22 and 24 preferably form a Cartesian coordinate system. At the base 12, the portal 14 and the quill 18 in each case scales 26 may be arranged, with the aid of a current position of the portal 14, the carriage 16 and / or the sleeve 18 can be determined.
An einem unteren freien Ende der Pinole 18 ist ein Taster 28 angeordnet, der einen Taststift 30 mit einer Tastkugel 31 trägt. Der Taster 28 kann mit einem oder mehreren, vorzugsweise elektrischen, Antrieben des KMG 10, die hier nicht dargestellt sind, innerhalb eines Messvolumens 33 bewegt werden, welches hier durch die Bewegungsachsen und -bereiche (20-24) des Portals 14, des Schlittens 16 und der Pinole 18 aufgespannt ist und mit einer gestrichelten Hilfslinie veranschaulicht ist. Der Taststift 30 mit seiner Tastkugel 31 dient zum Antasten eines Werkstücks 32, welches auf der Basis 12 des KMG 10 fix angeordnet ist. Die Basis 12 dient somit auch als Werkstückaufnahme. At a lower free end of the sleeve 18, a button 28 is arranged, which carries a stylus 30 with a Tastkugel 31. The pushbutton 28 can be moved with one or more, preferably electrical, drives of the CMM 10, which are not shown here, within a measuring volume 33, which here by the movement axes and areas (20-24) of the portal 14, the carriage 16th and the sleeve 18 is spanned and is illustrated with a dashed auxiliary line. The stylus 30 with its probe ball 31 is used for probing a workpiece 32, which is fixedly arranged on the base 12 of the CMM 10. The base 12 thus also serves as a workpiece holder.
Das KMG 10 ist hier in Form eines typischen Beispiels dargestellt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Koordinatenmessgeräte in Portalbauweise beschränkt und kann gleichermaßen bei Koordinatenmessgeräten eines anderen Typs und anderen Vorrichtungen zum Vermessen von Werkstücken verwendet werden, etwa bei Koordinatenmessgeräten in Horizontalarm-Bauweise. The CMM 10 is shown here in the form of a typical example. However, the invention is not limited to gantry type coordinate measuring machines and may equally be used with coordinate measuring machines of a different type and other devices for measuring workpieces, such as coordinate measuring machines in horizontal arm construction.
Das Werkstück 32 besitzt in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel exemplarisch zwei Bohrungen 34a, 34b, deren Lage, Form, Tiefe, und Durchmesser mittels des KMG 10 vermessen werden soll. Die Bohrungen 34a, 34b sind typische Geometriemerkmale des Werkstücks 32, die mittels Koordinatenmessgeräten vermessbar sind. Andere Geometriemerkmale können z.B. zylindrische oder nicht-zylindrische Vorsprünge, Zapfen oder Ausnehmungen, Hinterschneidungen, Kantenlängen oder gar eine komplexe Raumform sein, wie etwa die Topographien einer Turbinenschaufel. In Abhängigkeit der zu vermessenden Geometrien werden oft unterschiedliche Taster 28 eingesetzt, wie es nachfolgend noch näher unter Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 5 erläutert werden wird. [0031] Mit der Bezugsziffer 36 ist eine Steuerung bezeichnet, die die Antriebe des KMG 10 In the present exemplary embodiment, the workpiece 32 has, by way of example, two bores 34a, 34b whose position, shape, depth, and diameter are to be measured by means of the CMM 10. The bores 34a, 34b are typical geometric features of the workpiece 32, which can be measured by means of coordinate measuring machines. Other geometric features may be, for example, cylindrical or non-cylindrical protrusions, trunnions or recesses, undercuts, edge lengths or even a complex spatial shape, such as the topographies of a turbine blade. Depending on the geometries to be measured, different probes 28 are often used, as will be explained in more detail below with reference to FIGS. 2 to 5. Reference numeral 36 denotes a controller which controls the drives of the CMM 10
steuert. In vielen Fällen ist die Steuerung 36 eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS).  controls. In many cases, the controller 36 is a programmable logic controller (PLC).
Mit der Bezugsziffer 38 ist z.B. ein Computer bezeichnet, auf dem eine Mess- bzw. The reference numeral 38 denotes e.g. a computer on which a measuring or
Auswertesoftware 39 ausgeführt wird. Der Computer bzw. Rechner 38 bestimmt mit der Software 39 eine aktuelle Position des Portals 14, des Schlittens 16 und/oder der Pinole 18, insbesondere unter Berücksichtigung der Maßstäbe 26. Die von der Steuerung 36 gelieferten Messwerte werden durch die Software 39 ausgewertet (z.B. Transformation in ein Werkstück-eigenes Koordinatensystem). Die Software 39 erzeugt insbesondere ein Messprotokoll 40, das hier beispielhaft eine Messkurve 42 und eine nummerische Ausgabe der Messwerte 44 beinhaltet. Gemeinsam bilden die Steuerung 36 und der Computer 38 mit der Mess- bzw. Auswertesoftware 38 eine Auswerte- und Steuereinheit.  Evaluation software 39 is executed. The computer or computer 38 determines with the software 39 a current position of the portal 14, the carriage 16 and / or the quill 18, in particular taking into account the scales 26. The measured values provided by the controller 36 are evaluated by the software 39 (eg Transformation into a workpiece-own coordinate system). In particular, the software 39 generates a measurement protocol 40, which includes a measurement curve 42 and a numerical output of the measurement values 44 by way of example. Together, the controller 36 and the computer 38 with the measurement or evaluation software 38 form an evaluation and control unit.
Prinzipiell ist es denkbar, die Auswerte- und Steuereinheit mit nur einem Computer 38 oder mit nur einer Steuerung 36 zu realisieren, wobei die jeweils andere Funktionalität dann per Hardware und/oder per Software integriert ist. Beispielsweise könnte auf einem Computer 38 eine speicherprogrammierbare Steuerung 36 in Form einer entsprechenden Software implementiert sein. Aus diesem Grund ist die Darstellung in Fig. 1 mit einer Steuerung 36 und einem separaten (Auswerte)-Computer 38 nur eine von mehreren Realisierungsvarianten. In principle, it is conceivable to realize the evaluation and control unit with only one computer 38 or with only one controller 36, wherein the respective other functionality is then integrated by hardware and / or software. For example, on a computer 38, a programmable logic controller 36 could be implemented in the form of appropriate software. For this reason, the illustration in FIG. 1 with a controller 36 and a separate (evaluation) computer 38 is only one of several implementation variants.
Die Steuerung 36 besitzt in diesem Beispiel einen ersten Speicher 46, in dem Messparameter (z.B. Taster-Kennzahlen) für die Vermessung des Werkstücks 32 gespeichert sind. Die Messparameter im Speicher 46 können u.a. die Bewegungen des Tasters 28 innerhalb des Messvolumens 33 bestimmen. Sie können insbesondere eine Bewegungsbahn und die Geschwindigkeiten und Beschleunigungen des Tasters 28 während eines Messvorgangs festlegen. The controller 36 in this example has a first memory 46 in which measurement parameters (e.g., key metrics) for the measurement of the workpiece 32 are stored. The measurement parameters in memory 46 may include i.a. determine the movements of the probe 28 within the measuring volume 33. In particular, they can define a trajectory and the speeds and accelerations of the probe 28 during a measurement process.
[0035] Mit der Bezugsziffer 48 ist ein zweiter Speicher oder Speicherbereich bezeichnet, in dem zweite Messparameter gespeichert sind, die eine modifizierte Bewegung des Tasters 28 innerhalb des Messvolumens 33 definieren. Die ersten Messparameter im Speicher 46 werden typischerweise vom Anwender mit Hilfe der Mess- und Auswertesoftware 39 vor Beginn eines eigentlichen Messdurchlaufs bestimmt. Hierbei geht es insbesondere um eine Tasterkalibrierung. The reference numeral 48 denotes a second memory or memory area are stored in the second measurement parameters that define a modified movement of the probe 28 within the measuring volume 33. The first measurement parameters in memory 46 are typically determined by the user with the aid of the measurement and evaluation software 39 before the start of an actual measurement run. This is in particular a probe calibration.
Da unterschiedlichen Taster 28 eingesetzt werden, muss jeder der Taster 28 vor einer Benutzung kalibriert werden, d.h. eingemessen werden. Dabei werden Lage- und Größenunterschiede des Tasters 28, vorzugsweise im Vergleich zu einem Referenztaster des KMG 10, ermittelt. Ein Referenztaster ist ein mit dem KMG 10 gelieferter und besonders gekennzeichneter Taster 28, dessen Abmessungen das KMG 10 in einem seiner Speicher 46, 48 hinterlegt hat. Damit der richtige Messwert 44 am Computer 38 angezeigt wird, können von der Steuerung 36 oder der Software 39 noch folgende Daten berücksichtigt werden: Tastertyp, Antastrichtung, Taststifttyp, Radius der Tastkugel und Ähnliches. Since different probes 28 are used, each of the probes 28 must be calibrated prior to use, i. be measured. In this case, position and size differences of the probe 28, preferably in comparison to a reference probe of the CMM 10, determined. A reference key is a key 28 supplied with the CMM 10 and specially marked, the dimensions of which the CMM 10 has deposited in one of its memories 46, 48. In order for the correct measured value 44 to be displayed on the computer 38, the controller 36 or the software 39 can still take into account the following data: key type, probe direction, stylus type, radius of the probe ball and the like.
Das Kernstück des KMG 10 ist der Taster bzw. Tastkopf 28. Es gibt schaltende und messende Taster 28. In der Fig. 2 sind vier unterschiedliche Taster 28-1 bis 28-4 gezeigt. Fig. 3 zeigt eine Detailansicht eines (Referenz- )Tasters 28-1 und eines sternförmigen Tasters 28-4. Die nachfolgende Beschreibung erfolgt unter gleichzeitiger Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3. The core of the CMM 10 is the probe 28. There are switching and measuring probes 28. In FIG. 2, four different probes 28-1 to 28-4 are shown. 3 shows a detailed view of a (reference) button 28-1 and a star-shaped button 28-4. The following description is made with simultaneous reference to FIGS. 2 and 3.
Das KMG 10 ermittelt immer den gleichen Ort bzw. die gleiche Position, egal welcher Tastertyp benutzt wird und aus welcher (Antast-)Richtung 50 (vergleiche Fig. 2) das Werkstück 32 angetastet wird. The CMM 10 always determines the same location or the same position, no matter which type of stylus is used and from which (probing) direction 50 (see FIG. 2), the workpiece 32 is touched.
Der Aufbau und die Abmessungen des Referenztasters 28-1 sind bekannt und in mindestens einer der Speichern 46 oder 48 hinterlegt. Ein Taster 28 kann modular aufgebaut sein. Der Referenztaster 28-1 weist z.B. einen einzigen Taststift 30 auf, an dessen freiem Ende die Tastkugel 31 angebracht ist. Der Taststift 30 weist ein einziges Verbindungselement 52 auf, das die Tastkugel 31 mit einem Tastschaft 54 verbindet. Die Abmessungen des Verbindungselements 52 und der Tastkugel 31 sowie deren Ausrichtungen sind bekannt. Oft verfügen KMG 10 aber auch über Tasterbausätze, aus deren Bestandteilen anwendungsspezifische Taster 28 durch den Nutzer selbst zusammenge- baut werden können. Neben den Verbindungselementen 52 gehören Gelenkstücke 56 zu den Tasterbausätzen. Die Taster 28-2 und 28-3 der Fig. 2 verfügen jeweils über zwei Gelenkstücke 56-1 und 56-2. Der Taster 28-2 sowie der Taster 28-3 weisen jeweils exemplarisch vier Verbindungselemente 52 auf. Beide Taster 28-2 und 28-3 verfügen jeweils über zwei Taststifte 30-1 und 30-2. Die Taststifte 30-1 und 30-2 des Tasters 28-2 sind L-förmig ausgebildet, wobei die Verbindungselemente 52 jeweils einen Winkel von 90° einschließen. Die Taststifte 30-1 und 30-2 des Tasters 28-3 sind winklig (Winkel ungleich 90°) ausgebildet. The structure and dimensions of the reference probe 28-1 are known and stored in at least one of the memories 46 or 48. A button 28 may be modular. The reference probe 28-1 has, for example, a single stylus 30, at the free end of the Tastkugel 31 is attached. The stylus 30 has a single connecting element 52, which connects the Tastkugel 31 with a Tastschaft 54. The dimensions of the connecting element 52 and the Tastkugel 31 and their orientations are known. However, CMMs 10 often also have stylus kits, from the components of which application-specific buttons 28 are assembled by the user himself. can be built. In addition to the connecting elements 52, pivot pieces 56 belong to the button assembly sets. The buttons 28-2 and 28-3 of Fig. 2 each have two links 56-1 and 56-2. The pushbutton 28-2 and the pushbutton 28-3 each have four connecting elements 52 as an example. Both buttons 28-2 and 28-3 each have two styli 30-1 and 30-2. The styli 30-1 and 30-2 of the probe 28-2 are L-shaped, wherein the connecting elements 52 each enclose an angle of 90 °. The styli 30-1 and 30-2 of the probe 28-3 are angled (angle not equal to 90 °) formed.
[0040] Der Taster 28-4 ist sternförmig ausgebildet und weist in Fig. 2 fünf Stifte 30 auf, die The button 28-4 is star-shaped and has in Fig. 2, five pins 30 which
rechtwinklig zueinander am Tasterschaft 54 angebracht sind.  are mounted at right angles to each other on the probe shaft 54.
[0041] Die in den Fig. 2 und 3 gezeigten Tastertypen können also unterschiedlichst ausgestaltet sein. Die Verbindungselemente 52 bzw. die Taststifte 30 können unterschiedliche Längen aufweisen, da z.B. tiefere Bohrungen 34 längere Taststifte 30 erfordern. Wenn die Bohrungen 34 eine bestimmte Neigung aufweisen, braucht man zu deren Vermessung entsprechend geneigte Taststifte, um ein Inneres der Bohrung 34 gut erreichen zu können. Jedoch erfordert jeder der Taster 28 eine Tasterkalibrierung. Für jeden der Taster 28 ist es erforderlich, zu wissen, wo die Enden bzw. Tastkugeln 31 der Taststifte 30 lokalisiert sind und welche Radien die Tastkugeln 31 haben. Sobald diese Daten für jeden der Taststifte 31 bzw. für jeden Taster 28 einmal ermittelt und anschließend abgespeichert sind, können die Taster 28 ohne aufwendige Neuvermessung gewechselt werden. Die Software 39 kann dann automatisch berücksichtigen, welcher der Taster 28 gerade verwendet wird. The types of keys shown in FIGS. 2 and 3 can therefore be designed differently. The connecting elements 52 and the Taststifte 30 may have different lengths, since e.g. deeper holes 34 require longer styli 30. If the holes 34 have a certain inclination, you need to their measurement appropriately inclined Taststifte to reach an inside of the bore 34 well. However, each of the buttons 28 requires a probe calibration. For each of the buttons 28, it is necessary to know where the probes 31 of the styli 30 are located and what radii the probes 31 have. Once these data are determined once for each of the styli 31 and for each button 28 and then stored, the button 28 can be changed without costly remeasurement. The software 39 can then automatically consider which of the buttons 28 is being used.
[0042] Damit bei einem Messvorgang unterschiedliche Taster 28 mit den unterschiedlichsten Thus, in a measuring operation different buttons 28 with a wide variety
Konfigurationen der Tasterstifte 30 gleiche Messergebnisse liefern, muss der Computer 38 vorab die räumliche Relativanordnung der Taststifte 30, die Abmessungen der Taststifte 30 sowie die Radien der Tastkugeln 31 kennen. Diese Parameter werden bei der Tasterkalibrierung bestimmt. Nach der Kalibrierung kennt der Rechner 38 die Mittenabstände der Tastkugeln 31 -4 zum Mittelpunkt 60 der Kugel 31 -1 des Referenztasters 28-1 (vergleiche Fig. 3). Auch der Durchmesser der Tastkugeln 31 -4 ist dann bekannt bzw. berechenbar. [0043] Als Bestimmungsnormal wird für die Kalibrierung üblicherweise eine formgenaue Kugel verwendet, wie es exemplarisch in der Fig. 4 gezeigt ist. In der Fig. 4 ist ein derartiges Kugelnormal bzw. eine Einmesskugel 62 gezeigt. Die Einmesskugel 62 wird an einer beliebigen Position auf der Basis 12 des KMG 10 positioniert. Zu diesem Zweck kann eine Aufspannung 64 verwendet werden, die eine Störkontur für Messungen innerhalb des Messvolumens 33 darstellt. Im Nachfolgenden wird nun eine Tasterkalibrierung beschrieben. Configurations of the probe pins 30 provide the same measurement results, the computer 38 must know in advance the relative spatial arrangement of the styli 30, the dimensions of the styli 30 and the radii of the Tastkugeln 31. These parameters are determined during probe calibration. After calibration, the computer 38 knows the center distances of the Tastkugeln 31 -4 to the center 60 of the ball 31 -1 of the reference button 28-1 (see FIG. 3). The diameter of the Tastkugeln 31 -4 is then known or calculated. As a standard of determination, a dimensionally accurate sphere is usually used for the calibration, as shown by way of example in FIG. 4. FIG. 4 shows such a ball standard or a calibration ball 62. The metering ball 62 is positioned at an arbitrary position on the base 12 of the CMM 10. For this purpose, a clamping 64 can be used, which represents an interference contour for measurements within the measuring volume 33. In the following, a probe calibration will now be described.
[0044] In einem ersten Schritt bringt die Steuer- und Auswerteeinheit die Position der In a first step, the control and evaluation unit brings the position of the
Einmesskugel 62 innerhalb des Messvolumens 33 in Erfahrung. Üblicherweise wird die Einmesskugel 62 dazu mit dem Referenztaster 28-1 , dessen Position und Geometrie der Rechner 38 kennt, von mehreren Seiten nach einer festgelegten Strategie (manuell) angetastet. Der Rechner 38 ermittelt daraus den Mittelpunkt der Einmesskugel. Mit jedem weiteren Taster 28 (in der Fig. 4 ist ein weiterer Taster 28-2 gezeigt), der verwendet werden soll, wird nun die Einmesskugel ebenfalls angetastet, wobei die Einmesskugel 62 natürlich an ihrer eingemessenen Position verbleibt. Aus den so gewonnenen Daten werden für den (unbekannten) Taster 28-2 Korrekturgrößen errechnet. In einem nächsten Schritt berechnet der Rechner 38 eine Ortsdifferenz des Tasters 28-2 zum Referenztaster 28-1. Aus den Antastungen werden eine Kugel und deren Mittelpunkt berechnet. Der berechnete Mittelpunkt ist natürlich nur für den Referenztaster 28-1 richtig. Jedoch kann auf Basis dieser Daten die für den Taster 28-2 benötigte Korrekturgröße ermittelt werden. In einem weiteren Schritt kann der Radius der Tastkugel 31 des Tasters 28-2 bestimmt werden. Der Radius der vom Rechner 38 unter Einsatz des Tasters 28 ermittelten Einmesskugel 62 ist um den Tastkugelradius größer als der bekannte exakte Radius der Einmesskugel 62. Der Tastkugelradius kann daher als Differenz des gemessenen Kugelradius und des gespeicherten Radius der Einmesskugel 62 bestimmt werden.  Einmesskugel 62 within the measuring volume 33 in experience. Usually, the calibration ball 62 is touched with the reference key 28-1, whose position and geometry the computer 38 knows, from several sides according to a defined strategy (manually). The computer 38 determines therefrom the center of the calibration sphere. With each further button 28 (in Fig. 4, another button 28-2 is shown), which is to be used, the calibration ball is now also touched, the calibration ball 62 of course remains at its metered position. From the data thus obtained, correction quantities are calculated for the (unknown) push-button 28-2. In a next step, the computer 38 calculates a location difference of the button 28-2 to the reference button 28-1. From the probing a ball and its center are calculated. Of course, the calculated center is correct only for the reference key 28-1. However, based on this data, the correction amount needed for the button 28-2 can be determined. In a further step, the radius of the probe ball 31 of the probe 28-2 can be determined. The radius of the detection ball 62 determined by the computer 38 using the probe 28 is larger by the probe ball radius than the known exact radius of the calibration ball 62. The probe ball radius can therefore be determined as the difference between the measured ball radius and the stored radius of the calibration ball 62.
Die für die Tasterkalibrierung erforderlichen groben Vorabantastungen erfolgen konventionell durch eine manuelle Steuerung der Taster 28 durch das Messvolumen 33. The coarse preliminary sensing required for the probe calibration is conventionally accomplished by manual control of the probes 28 by the measurement volume 33.
[0046] Die oben beschriebene Tasterkalibrierung lässt sich aber auch automatisieren. Zu diesem However, the probe calibration described above can also be automated. To this
Zweck wird eine in der Fig. 1 gezeigte Time-of-Flight-Kamera (nachfolgend kurz auch als ToF-Kamera bezeichnet) 70 eingesetzt. Das KMG10 weist die ToF-Kamera 70 auf. Die ToF-Kamera 70 ist mit der Steuerung 36 und/oder dem Computer 38 (fest verdrahtet und/oder drahtlos) zwecks Signal- und Datenaustausch verbunden. Die ToF-Kamera 70 ist so positioniert, dass vorzugsweise das gesamte Messvolumen 33 erfassbar ist. Die ToF-Kamera 70 kann beweglich relativ zur Basis 12 ausgebildet sein. Eine (Aufnahme-) Position der ToF-Kamera 70 ist aber bekannt. Aus den Bildern, die die ToF-Kamera 70 aufnimmt, können Positionen, Lagen und Abmessungen von im Messvolumen 33 befindlichen Gegenständen, wie z.B. dem oder den Tastern 28, der Einmesskugel 62, der Aufspannung 64 und Ähnliches zumindest grob durch die Steuer- und Auswerteeinheit bestimmt werden. Die im Zusammenhang mit der Tasterkalibrierung erforderlichen späteren, genauen Antastbewegungen können auf Basis dieser Daten automatisiert erfolgen. Anders als bei der konventionellen Vorgehensweise ist eine Annäherung der Taster 28 an die Einmesskugel 62 nicht länger durch eine manuelle Steuerung erforderlich, selbst wenn die Taster 28 sehr komplex aufgebaut sind. Exemplarisch sei in diesem Zusammenhang auf Taster 28 hingewiesen, mit denen Hinterschneidungen vermessbar sind. Ein derartiger Taster 28-5 ist in der Fig. 5B gezeigt, wo hingegen die Fig. 5A einen "einfachen" Referenztaster 28-1 zeigt. Mit dem Referenztaster 28-1 der Fig. 5A lassen sich horizontale Hinterschneidungen nicht vermessen. Dies kann nur der Taster 28-5 der Fig. 5B. The purpose is a time-of-flight camera shown in FIG. 1 (hereinafter referred to briefly as ToF camera) 70 used. The KMG10 includes the ToF camera 70. The ToF camera 70 is connected to controller 36 and / or computer 38 (hardwired and / or wireless) for signal and data exchange. The ToF camera 70 is positioned so that preferably the entire measuring volume 33 can be detected. The ToF camera 70 may be movably formed relative to the base 12. However, a (picking) position of the ToF camera 70 is known. From the images taken by the ToF camera 70, positions, positions and dimensions of objects located in the measurement volume 33, such as the probe or buttons 28, the calibration ball 62, the clamping 64 and the like can be determined at least roughly by the control and evaluation unit be determined. The later, exact probing movements required in connection with the probe calibration can be automated on the basis of this data. Unlike the conventional approach, an approach of the probe 28 to the Einmesskugel 62 is no longer required by a manual control, even if the buttons 28 are constructed very complex. By way of example, it should be noted in this context button 28, with which undercuts are vermessbar. Such a button 28-5 is shown in Fig. 5B, whereas Fig. 5A shows a "simple" reference button 28-1. With the reference button 28-1 of FIG. 5A, horizontal undercuts can not be measured. This can only be the button 28-5 of Fig. 5B.
[0047] Generell gilt, dass eine ToF-Kamera 70 ein 3D-Kamerasystem darstellt, das mittels eines In general, a ToF camera 70 is a 3D camera system, which by means of a
Laufzeitverfahrens (Time-of-Flight-Verfahren) Distanzen misst. Zu diesem Zweck wird eine Szene, wie das Messvolumen 33, mit einem Lichtimpuls ausgeleuchtet. Die Lichtimpulse werden z.B. mit LED oder Laserdioden erzeugt, die genügend schnell modulierbar sind, damit ein Kamerasensor einwandfrei Laufzeiten messen kann. Eine Impulsdauer bewegt sich dabei im Nanosekundenbereich. Die Beleuchtung wird meist im nahen Infrarot-Bereich ausgesendet. Die ToF-Kamera 70 misst für jeden Bildpunkt die Zeit, die das Licht bis zum Objekt und wieder zurück benötigt. Die benötigte Zeit ist direkt proportional zur Distanz. Die Kamera 70 liefert somit für jeden Bildpunkt die Entfernung des darauf abgebildeten Objekts.  Runtime method (time-of-flight method) Measures distances. For this purpose, a scene, such as the measuring volume 33, is illuminated with a light pulse. The light pulses are e.g. produced with LED or laser diodes, which are modulated sufficiently fast, so that a camera sensor can perfectly measure transit times. A pulse duration moves in the nanosecond range. The lighting is usually emitted in the near infrared range. The ToF camera 70 measures for each pixel the time it takes the light to reach the object and back again. The time required is directly proportional to the distance. The camera 70 thus provides for each pixel the distance of the object imaged thereon.
[0048] Die ToF-Kamera 70 kann in einem Entfernungsbereich von wenigen Dezimetern bis ca. The ToF camera 70 can be used in a distance range of a few decimeters to about
40 m eingesetzt werden. Eine Distanzauflösung beträgt dabei etwa 1 cm. Eine laterale Auflösung erreicht etwa 200 x 200 Pixel. Die Kamera 70 kann bis zu 160 Bilder pro Sekunde liefern. Ein Kernelement der ToF-Kamera 70 ist der Bildsensor, der die Laufzeit für jeden Bildpunkt separat misst. Dieser Bildsensor ähnelt dabei einem Chip für Digitalkameras, jedoch mit dem Unterschied, dass ein Pixel um einiges komplizierter aufgebaut ist. Es muss nicht einfach nur das einfallende Licht sammeln können, sondern auch die Laufzeit messen können. Es können Bildsensoren eingesetzt werden, die eine Auflösung von vorzugsweise bis zu 204 x 204 Pixel bei einer Kantenlänge von 45 μηη aufweisen. 40 m are used. A distance resolution is about 1 cm. A lateral resolution reaches about 200 x 200 pixels. The camera 70 can take up to 160 images per Deliver second. A core element of the ToF camera 70 is the image sensor, which measures the run time separately for each pixel. This image sensor resembles a chip for digital cameras, but with the difference that a pixel is much more complicated. It does not just have to be able to collect the incoming light, but also to measure the runtime. It can image sensors are used, which have a resolution of preferably up to 204 x 204 pixels with an edge length of 45 μηη.
[0049] Mittels der ToF-Kamera 70 ist es also möglich, Geometrien, Ausrichtungen, By means of the ToF camera 70, it is possible geometries, alignments,
Topographien, Merkmalskomplexe von zu vermessenden Werkstücken, Positionen und Lagen in einem KMG-spezifischen Koordinatensystem - zumindest grob - zu bestimmen. Das KMG-spezifische Koordinatensystem ist durch das Messvolumen 33 (vergleiche Fig. 1 ) definiert. Die Bilder, die die ToF-Kamera 70 liefert, d.h. also die ToF-Bilder, definieren ein ToF-Kamera-spezifisches bzw. ToF-spezifisches Koordinatensystem. Im nachfolgenden wird unter Bezugnahme auf Fig. 6 beschrieben werden, wie die beiden Koordinatensysteme aufeinander referenziert werden. Unter einer "Referenz" versteht man allgemein ein Bezugsystem. Unter "Referenzieren" versteht man allgemein "sich auf etwas beziehen".  To determine topographies, feature complexes of workpieces to be measured, positions and positions in a CMM-specific coordinate system - at least roughly. The CMM-specific coordinate system is defined by the measurement volume 33 (see FIG. 1). The images that the ToF camera 70 provides, i. So the ToF images, define a ToF camera-specific or ToF-specific coordinate system. In the following, with reference to Fig. 6 will be described how the two coordinate systems are referenced to each other. A "reference" is generally understood as a reference system. "Referencing" generally means "referring to something".
[0050] Fig. 6 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Referenzieren des KMG- spezifischen Koordinatensystems auf das ToF-spezifische Koordinatensystem (oder umgekehrt). 6 shows a flowchart of a method for referencing the CMM-specific coordinate system to the ToF-specific coordinate system (or vice versa).
[0051] In einem ersten Schritt S10 wird die ToF-Kamera 10 relativ zum Messvolumen 33, In a first step S10, the ToF camera 10 is moved relative to the measuring volume 33,
vorzugsweise außerhalb davon, positioniert. Die ToF-Kamera 70 wird so positioniert, dass sie insbesondere das gesamte Messvolumen 33 in ihrem Blickfeld hat. Es versteht sich, dass die ToF-Kamera 70 auch innerhalb des Messvolumens 33 angeordnet werden könnte. Ferner versteht es sich, dass die ToF-Kamera 70 an unterschiedlichen Orten positioniert werden kann, um auch Schattenräume von Gegenständen auszuleuchten und aufzunehmen, die sich in einer Szene bzw. Szenerie befinden, die im Blickfeld der ToF- Kamera 70 liegt. Die Szene setzt sich aus den Gegenständen innerhalb des Messvolumens 33 zusammen, die die ToF-Kamera 70 sieht. Die Szene kann auch z.B. das Portal und/oder den Taster 28 umfassen. [0052] In einem Schritt S12 wird das ToF-Bild der Szene aufgenommen und in Form preferably outside of it, positioned. The ToF camera 70 is positioned so that it has, in particular, the entire measuring volume 33 in its field of vision. It is understood that the ToF camera 70 could also be arranged within the measuring volume 33. Further, it will be understood that the ToF camera 70 may be positioned at different locations to also illuminate and record shadows of objects located in a scene within the field of view of the ToF camera 70. The scene is composed of the objects within the measurement volume 33 that the ToF camera 70 sees. The scene may also include, for example, the portal and / or the button 28. In a step S12, the ToF image of the scene is taken and in shape
entsprechender Daten an die Auswerte- und Steuereinheit übertragen. Die Auswerte- und Steuereinheit bestimmt mittels hinterlegten Erkennungsalgorithmen (vorzugsweise Bilderkennungsalgorithmen), die Objekte, die in der Szene enthalten sind (Schritt S14). Mindestens eines der Objekte ist hinsichtlich seiner Geometrie und/oder Lage im KMG- spezifischen Koordinatensystem bekannt. So wird beispielsweise die Einmesskugel 62 (vergleiche Fig. 4) z.B. in einer linken unteren Ecke der Basis 12 des KMG 10 - zumindest während der Dauer der Aufnahme - stationär fixiert. Die Geometrie der Einmesskugel 62, sowie ggf. der Aufspannung 64, sind im Speicher 46 (vergleiche Fig. 1 ) als Daten im KMG-spezifischen Koordinatensystem hinterlegt. Das Gleiche gilt für die Position bzw. Lage der Einmesskugel 62 und/oder der Aufspannung 64 innerhalb des Messvolumens 33.  corresponding data transmitted to the evaluation and control unit. The evaluation and control unit determines, by means of stored recognition algorithms (preferably image recognition algorithms), the objects contained in the scene (step S14). At least one of the objects is known in terms of its geometry and / or position in the CMM-specific coordinate system. For example, the gauge ball 62 (see FIG. 4) is e.g. in a lower left corner of the base 12 of the CMM 10 - at least during the duration of the recording - stationary fixed. The geometry of the calibration ball 62, and possibly the clamping 64, are stored in the memory 46 (see FIG. 1) as data in the CMM-specific coordinate system. The same applies to the position or position of the calibration ball 62 and / or the clamping 64 within the measuring volume 33.
[0053] Da mindestens eine Objekt, welches in der Szene des ToF-Bilds enthalten ist, bekannt ist, können spezifische Erkennungsmerkmale des Objekts innerhalb des ToF-Bilds identifiziert werden (siehe Schritt S16). Sobald das spezifische Erkennungsmerkmal identifiziert ist, können in einem Schritt S18 die entsprechenden Koordinaten des Erkennungsmerkmals im ToF-spezifischen Koordinatensystem bestimmt werden. Vorzugsweise werden diese Koordinaten ebenfalls im Speicher 46 hinterlegt. In einem Schritt S22 werden die Koordinaten des gleichen Erkennungsmerkmals in Bezug auf das KMG-spezifische Koordinatensystem aus dem Speicher 46 abgefragt. In einem Schritt S24 wird dann eine Abbildungsfunktion bestimmt, die die Koordinaten des spezifischen Erkennungsmerkmals aus dem Koordinatensystem des KMG 10 in das Koordinatensystem der ToF-Kamera 70 abbildet. Damit ist der Referenzierungsvorgang abgeschlossen. Since at least one object contained in the scene of the ToF image is known, specific identifying features of the object within the ToF image can be identified (see step S16). Once the specific identifier is identified, in step S18 the corresponding coordinates of the identifier can be determined in the ToF specific coordinate system. Preferably, these coordinates are also stored in the memory 46. In a step S22, the coordinates of the same recognition feature with respect to the CMM-specific coordinate system are retrieved from the memory 46. In a step S24, an imaging function is then determined that maps the coordinates of the specific recognition feature from the coordinate system of the CMM 10 into the coordinate system of the ToF camera 70. This completes the referencing process.
[0054] Unter der Voraussetzung, dass die Position der ToF-Kamera 70 gegenüber den restlichen Assuming that the position of the ToF camera 70 with respect to the rest
Komponenten (Portal, Basis, Taster, etc.) des KMG 10 nicht verändert wird und dass das im Zusammenhang mit der Fig. 6 beschriebene Referenzierungsverfahren abgeschlossen ist, können weitere spezielle Anwendungen durchgeführt werden, die nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 7 und 8 beschrieben werden.  Components (portal, base, buttons, etc.) of the CMM 10 is not changed and that the referencing method described in connection with FIG. 6 is completed, further special applications can be performed, which will be described below with reference to FIGS. 7 and 8 to be discribed.
[0055] Fig. 7 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens, mit dem die Lage bzw. Position eines Fig. 7 shows a flowchart of a method with which the position of a
(unbekannten) Werkstücks 32 - zumindest grob - anhand eines ToF-Bilds im KMG- spezifischen Koordinatensystem bestimmt wird (siehe Schritt S26). Alternativ oder ergänzend kann auch die Orientierung des Werkstücks 32 ermittelt werden. Sobald das Werkstück 32 grob lokalisiert ist, kann die Auswerte- und Steuereinheit einen Mess- bzw. Prüfplan für den Taster 28 bestimmen (Schritt S28). Der Prüfplan setzt sich aus einer beliebigen Anzahl von Stützstellen (Kontaktpunkten zwischen Taster 28 und Werkstück 32) zusammen. Der Taster 28 fährt das Werkstück 32 automatisiert entlang einer Prüfkurve ab, um eine Feinbestimmung der Koordinaten des Werkstücks 32 im KMG- spezifischen Koordinatensystem durchzuführen (siehe Schritt S30). (unknown) workpiece 32 - at least roughly - on the basis of a ToF image in the CMM specific coordinate system is determined (see step S26). Alternatively or additionally, the orientation of the workpiece 32 can also be determined. Once the workpiece 32 is roughly located, the evaluation and control unit may determine a measurement or testing plan for the probe 28 (step S28). The test plan consists of any number of support points (contact points between button 28 and workpiece 32). The probe 28 automatically runs the workpiece 32 along a test curve to fine-tune the coordinates of the workpiece 32 in the CMM-specific coordinate system (see step S30).
[0056] Ähnliches gilt für die oben bereits erläuterte Tasterkalibrierung, die nachfolgend unter The same applies to the above-described probe calibration, the below
Bezugnahme auf das Flussdiagramm der Fig. 8 beschrieben wird. In der Fig. 8 ist ein Flussdiagramm für ein Verfahren zur Tasterkalibrierung gezeigt. In einem ersten Schritt S32 wird grob eine Geometrie eines unbekannten Tasters 28 (vergleiche Taster 28-2 bis 28-4 in Fig. 2) anhand eines (referenzierten) ToF-Bilds bestimmt. In einem Schritt S34 werden die Tasterstifte 30 des unbekannten Tasters 28 z.B. mittels Bilderkennung identifiziert. Der Bilderkennungsalgorithmus kennt die Komponenten, aus denen die Taster 30 aufgebaut sein können. Der Bilderkennungsalgorithmus kennt also z.B. die verschiedenen Typen der Verbindungselemente 52, die Ausgestaltung der Gelenkstücke 56 und Ähnliches. Mittels der Bilderkennung lassen sich auch die Ausrichtungen der Tasterstifte 30 zumindest grob erkennen. Auch die Tasterkugeln 31 können so identifiziert werden (Schritt S36). Dies gilt auch für den Durchmesser der Tasterkugeln 31. Sobald die Geometrie und/oder Lage bzw. Position des (unbekannten) Tasters auf Basis des ToF-Bilds grob bestimmt ist, kann wiederum ein Mess- bzw. Prüfplan für diesen spezifischen Taster 28 zweckst Tasterkalibrierung bestimmt werden (Schritt S38).  Referring to the flowchart of Fig. 8 will be described. FIG. 8 shows a flow chart for a method for probe calibration. In a first step S32, roughly a geometry of an unknown probe 28 (compare buttons 28-2 to 28-4 in FIG. 2) is determined on the basis of a (referenced) ToF image. In a step S34, the stylus pens 30 of the unknown button 28, e.g. identified by means of image recognition. The image recognition algorithm knows the components from which the buttons 30 can be constructed. The image recognition algorithm thus knows e.g. the various types of fasteners 52, the configuration of the links 56 and the like. By means of the image recognition, the orientations of the stylus pins 30 can also be recognized at least roughly. Also, the stylus balls 31 can be identified (step S36). This also applies to the diameter of the stylus balls 31. Once the geometry and / or position or position of the (unknown) button on the basis of ToF image is roughly determined, again a measurement or test plan for this specific button 28 Taststastekalibrierung be determined (step S38).
[0057] Eine weitere Anwendung, die nicht in Form eines speziellen Flussdiagramms gezeigt ist, ist in der Korrektur einer sogenannten Nullpunktsdrift zu sehen. Aufgrund äußerer Einflüsse (z.B. Temperatur) kann sich ein absoluter Nullpunkt des KMG-spezifischen Koordinatensystems über die Zeit verändern. Dies bedeutet, dass sich eine absolute Lage des Nullpunkts im Bezugssystem des KMG 10 über die Zeit ändern kann. Mit der ToF-Kamera 70 können Fixpunkte innerhalb des Messvolumens 33 zyklisch vermessen - und damit überwacht - werden. Ein derartiger Fixpunkt kann durch die Einmesskugel 62 repräsentiert werden, die in diesem Fall permanent stationär innerhalb des Messvolumens 33 installiert bleibt. Da sich die tatsächliche Position des Fixpunkts über die Zeit nicht ändert, die Lage sich aber im Bild - aufgrund der Drift - über die Zeit ändert, ist klar, dass ein Drift-Effekt vorliegt, der rechnerisch korrigiert werden kann. Eine derartige Überprüfung ist insbesondere bei langen Prüfplänen sinnvoll, die z.B. eine Stunde oder länger zum Vermessen aller erforderlichen Punkte eines Werkstücks benötigen. In diesem Fall können z.B. alle fünf Minuten zyklische Vermessungen der Fixpunkte durchgeführt werden. Verändert sich die Lage der oder des Fixpunktes über die Zeit im ToF-Bild nicht, liegt auch keine Drift vor. Another application, which is not shown in the form of a special flow chart, can be seen in the correction of a so-called zero-point drift. Due to external influences (eg temperature), an absolute zero point of the CMM-specific coordinate system can change over time. This means that an absolute location of the zero point in the frame of reference of the CMM 10 may change over time. With the ToF camera 70 fixed points within the measuring volume 33 can be cyclically measured - and thus monitored. Such a fixed point can be represented by the measuring ball 62, which in this case is permanently stationary within the measuring volume 33 remains installed. Since the actual position of the fixed point does not change over time, but the position changes in the image over time due to the drift, it is clear that there is a drift effect that can be corrected by calculation. Such a check is particularly useful for long inspection plans that require, for example, an hour or more to measure all the required points of a workpiece. In this case, for example, cyclic measurements of the fixed points can be carried out every five minutes. If the position of the fixed point does not change over time in the ToF image, then there is no drift.
[0058] Ein weiterer Vorteil der Verwendung einer ToF-Kamera 70 ist darin zu sehen, dass Another advantage of using a ToF camera 70 is the fact that
Störkonturen, wie z.B. die Aufspannung 64 (vergleiche Fig. 4), erfassbar sind und bei der Bestimmung des Prüfplans (Messkurve entlang der der Taster 28 während eines Messvorgangs bewegt wird) berücksichtigt werden können.  Interference contours, such as the clamping 64 (see FIG. 4), can be detected and taken into account in the determination of the test plan (measuring curve along which the probe 28 is moved during a measuring operation).
[0059] Das ToF-Bild kann auch ein CAD-Modell des Werkstücks 32 ersetzen. Wenn z.B. The ToF image may also replace a CAD model of the workpiece 32. If e.g.
Freiformflächen taktil abgetastet werden sollen, ist es für höhere Bahngeschwindigkeiten des Tasters 28 erforderlich, dass die Richtung einer Oberflächennormale vorab bekannt ist. Diese Information wird normalerweise aus CAD-Modelldaten extrahiert. Steht aber kein CAD-Modell zur Verfügung, musste bisher sehr langsam gescannt werden. Die erforderliche Oberflächennormale kann aber aus den Daten des ToF-Bild zumindest grob abgeleitet werden.  Freeform surfaces are to be scanned tactile, it is necessary for higher web speeds of the probe 28 that the direction of a surface normal is known in advance. This information is usually extracted from CAD model data. But if no CAD model is available, it has been necessary to scan very slowly so far. However, the required surface normal can at least roughly be derived from the data of the ToF image.
[0060] Ferner lässt sich mit der ToF-Kamera 70 ein Arbeitsvolumen (Messvolumen 33) des KMG Furthermore, a working volume (measuring volume 33) of the CMM can be achieved with the ToF camera 70
10 hinsichtlich einer Gerätesicherheit überwachen.  10 with regard to device safety.
[0061] Eine weitere mögliche Anwendung der ToF-Kamera 70 ist in einer schnellen Drehachse- Einmessung zu sehen. Selbst ohne Kenntnis der Ausrichtung der Drehachse kann anhand der ToF-Bilder die Drehachse im Koordinatensystem des KMG 10 bestimmt werden. Zu diesem Zweck wird ein bekannter Gegenstand (z.B. die Einmesskugel 62) an der Drehachse befestigt. Anschließend werden mehrere ToF-Bilder bei unterschiedlichen (bekannten) Drehwinkeln aufgenommen. Die Einmesskugel 62 ist in jedem der ToF-Bilder identifizierbar. Aus der bekannten und im ToF-Bild sichtbaren Kontur der Einmesskugel 62 kann auf die jeweilige Lage des Mittelpunkts der Einmesskugel 62 zurückgeschlossen werden. Aus den verschiedenen Positionen der Mittelpunkte bei den unterschiedlichen Winkelstellungen kann auf eine Bahnkurve des Mittelpunkts bei Rotation zurückgeschlossen werden. Die Bahnkurve wiederum definiert eine Fläche, auf der die Drehachse senkrecht steht. Somit lässt sich die Orientierung der Drehachse rechnerisch aus den ToF-Bildern bestimmen. Another possible application of the ToF camera 70 can be seen in a fast rotation axis measurement. Even without knowing the orientation of the axis of rotation, the axis of rotation in the coordinate system of the CMM 10 can be determined on the basis of the ToF images. For this purpose a known object (eg the calibration ball 62) is attached to the axis of rotation. Subsequently, several ToF images are recorded at different (known) rotation angles. The calibration ball 62 is identifiable in each of the ToF images. From the familiar contour of the calibration sphere visible in the ToF image 62 can be closed back to the respective position of the center of the Einmesskugel 62. From the different positions of the centers at the different angular positions can be deduced on a trajectory of the center during rotation. The trajectory in turn defines an area on which the axis of rotation is perpendicular. Thus, the orientation of the axis of rotation can be calculated from the ToF images.
Zusammenfassend lässt sich also sagen, dass der Einsatz einer ToF-Kamera 70 den Vorteil bietet, dass das KMG 10 keinerlei Vorabinformation z.B. über die Art und Orientierung eines neuen Tasters 28, die Lage und Orientierung einer auf dem KMG 10 befestigten Drehachse oder die Lage und Orientierung eines sich auf dem KMG 10 befindlichen Werkstücks 32 benötigt. Diese Vorabinformationen werden konventionell durch eine manuelle Bedienung des Nutzers in einem Voreinmessschritt der KMG 10 zur Verfügung gestellt. Dabei wird entweder die Lage der Einmesskugel manuell grob eingemessen (Tasterkalibrierung), die Raumachse der verbauten Drehachse manuell grob eingemessen oder die Lage des Werkstücks manuell grob eingemessen. Sobald diese grobe manuelle Einmessung erfolgt ist, kann danach in einem automatisierten Schritt das jeweilige Merkmal erneut vermessen werden. Der Einsatz der ToF-Kamera 70 macht die manuelle Voreinmessung überflüssig. In summary, it can therefore be stated that the use of a ToF camera 70 offers the advantage that the CMM 10 does not provide any preliminary information, for example about the type and orientation of a new pushbutton 28, the position and orientation of an axis of rotation fastened on the CMM 10 or the position and Orientation of a located on the CMM 10 workpiece 32 is needed. This preliminary information is conventionally provided by manual operation of the user in a pre-measurement step of the CMM 10. In this case, either the position of the calibration ball is manually roughly measured (probe calibration), the spatial axis of the installed rotary axis is manually roughly measured or the position of the workpiece is measured roughly by hand. Once this rough manual measurement has been carried out, the respective feature can then be measured again in an automated step. The use of the ToF camera 70 makes the manual pre-measurement superfluous.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
10 Koordinatenmessgerät / KMG10 coordinate measuring machine / CMM
12 Basis 12 base
14 Portal  14 portal
16 Schlitten  16 sleds
18 Pinole  18 quill
20-24 Pfeile / Richtungen  20-24 arrows / directions
26 Maßstäbe  26 standards
28 Taster  28 buttons
30 Taststift  30 stylus
31 Tastkugel  31 probe ball
32 Werkstück  32 workpiece
33 Messvolumen  33 measuring volume
34a/34b Bohrungen  34a / 34b holes
36 Steuerung  36 control
38 Computer  38 computers
39 Software  39 software
40 Messprotokoll  40 measurement protocol
42 Messkurve  42 trace
44 Messwerte  44 measured values
46 1 . Speicher  46 1. Storage
48 2. Speicher  48 2. Memory
50 Antastrichtung  50 Antastrichtung
52 Verlängerungselement 52 extension element
54 Tasterschaft 54 probe shaft
56 Gelenkstück  56 joint piece
58 Mittenabstand  58 center distance
60 Mittelpunkt  60 center point
62 Kugelnormal/Einmesskugel 62 ball standard / calibration ball
64 Aufspannung 64 clamping
70 ToF-Kamera  70 ToF camera

Claims

Patentansprüche claims
KMG (10) mit: CMM (10) with:
einem Taster (28) zum Antasten eines zu vermessenden Objekts (32, 62) innerhalb eines fest definierten Messvolumens (33), das dem KMG (10) zugeordnet ist und das ein KMG-spezifisches Koordinatensystem definiert;  a probe (28) for probing an object to be measured (32, 62) within a fixed measuring volume (33) associated with the CMM (10) and defining a CMM-specific coordinate system;
einer Auswerte- und Steuereinheit (36, 38, 39); und  an evaluation and control unit (36, 38, 39); and
einer ToF-Kamera (70), wobei die ToF-Kamera (70) zum Ausleuchten und Aufnehmen von mindestens einem ToF-Bilds einer Szene im Messvolumen (33) eingerichtet ist, wobei das ToF-Bild ein ToF-spezifisches Koordinatensystem definiert, welches sich vom KMG-spezifischen Koordinatensystem unterscheidet, und wobei die Szene ein charakteristisches Merkmal (28-1 , 32, 62) aufweist, dessen Geometrie und/oder Lage in Bezug auf das KMG-spezifische Koordinatensystem bekannt ist bzw. sind;  a ToF camera (70), wherein the ToF camera (70) is adapted to illuminate and record at least one ToF image of a scene in the measurement volume (33), the ToF image defining a ToF specific coordinate system which is from the CMM-specific coordinate system, and wherein the scene has a characteristic feature (28-1, 32, 62) whose geometry and / or attitude with respect to the CMM-specific coordinate system is known;
wobei die Auswerte- und Steuereinheit (36, 38, 39) eingerichtet ist, das charakteristische Merkmal (28-1 , 32, 62) im ToF-Bild zu erkennen und die Geometrie und/oder Lage des erkannten charakteristischen Merkmals (28-1 , 32, 62) im ToF-spezifischen Koordinatensystem zu bestimmen; und  wherein the evaluation and control unit (36, 38, 39) is set up to recognize the characteristic feature (28-1, 32, 62) in the ToF image and to determine the geometry and / or position of the recognized characteristic feature (28-1, FIG. 32, 62) in the ToF-specific coordinate system; and
wobei die Auswerte- und Steuereinheit (36, 38, 39) ferner eingerichtet ist, basierend auf der Geometrien und/oder Lagen des charakteristischen Merkmals im KMG-spezifischen Koordinatensystem und im ToF-spezifischen Koordinatensystem eine Abbildungsfunktion zum Referenzieren des KMG-spezifischen Koordinatensystems auf das ToF-spezifische Koordinatensystem, oder umgekehrt, zu bestimmen.  wherein the evaluation and control unit (36, 38, 39) is further arranged based on the geometries and / or positions of the characteristic feature in the CMM-specific coordinate system and in the ToF-specific coordinate system, a mapping function for referencing the CMM-specific coordinate system to the ToF-specific coordinate system, or vice versa, to determine.
KMG (10) nach Anspruch 1 , wobei die Auswerte- und Steuereinheit (36, 38, 39) ferner eingerichtet ist, im ToF-spezifischen Koordinatensystem eine Geometrie und/oder Lage eines unbekannten Objekts (28-2, 28-3, 28-4, 32) aus einem ToF- Bild zu bestimmen, welches das unbekannte Objekt (28-2, 28-3, 28-4, 32) innerhalb des Messvolumens (33) zeigt, und basierend auf der so bestimmten Geometrie und/oder Lage des unbekannten Objekts (28-2, 28-3, 28-4, 32) einen Prüfplan im KMG-spezifischen Koordinatensystem für das unbekannten Objekts (28-2, 28- 3, 28-4, 32) zu bestimmen, ohne dass das unbekannte Objekt vorab manuell grob im KMG-spezifischen Koordinatensystem eingemessen wurde. The CMM (10) according to claim 1, wherein the evaluation and control unit (36, 38, 39) is further set up in the ToF-specific coordinate system a geometry and / or position of an unknown object (28-2, 28-3, 28). 4, 32) from a ToF image showing the unknown object (28-2, 28-3, 28-4, 32) within the measurement volume (33) and based on the geometry and / or location thus determined of the unknown object (28-2, 28-3, 28-4, 32) a test plan in the CMM-specific coordinate system for the unknown object (28-2, 28- 3, 28-4, 32), without the unknown object having been manually roughed in advance in the CMM-specific coordinate system.
KMG (10) nach Anspruch 2, wobei das unbekannte Objekt (28-2, 28-3, 28-4, 32) ein austauschbarer, hinsichtlich seines Aufbaus unbekannter Taster (28-2, 28-3, 28-4, 32) ist, der mindestens einen Taststift (30) aufweist, wobei jeder der Taststifte (30) mindestens ein Verbindungselement (52) und eine Tastkugel (31 ) aufweist, die an einem freien Ende des entsprechenden Taststifts (30) vorgesehen ist, und wobei der Prüfplan eine Kalibrierung des unbekannten Tasters (28-2, 28-3, 28-4, 32) darstellt. The CMM (10) of claim 2, wherein the unknown object (28-2, 28-3, 28-4, 32) is a replaceable button of unknown construction (28-2, 28-3, 28-4, 32). with at least one stylus (30), each of the styli (30) having at least one connector (52) and a stylus (31) provided at a free end of the corresponding stylus (30), and wherein the test plan a calibration of the unknown button (28-2, 28-3, 28-4, 32) represents.
KMG (10) nach Anspruch 3, wobei das ToF-Bild der Szene sowohl den unbekannten Taster (28-2, 28-3, 28-4, 32) als auch eine Einmesskugel (62), deren Abmessungen bekannt sind und die fix, und vorzugsweise dauerhaft, an einer bekannten Position einer Basis (12) des KMG (10) angeordnet ist, als charakteristisches Merkmal zeigt. The CMM (10) of claim 3, wherein the ToF image of the scene includes both the unknown probe (28-2, 28-3, 28-4, 32) and a calibration sphere (62) whose dimensions are known and the fixed, and preferably permanently positioned at a known position of a base (12) of the CMM (10), as a characteristic feature.
KMG (10) nach Anspruch 1 , wobei das charakteristische Merkmal um eine Drehachse rotiert, die im ToF-Bild nicht erkennbar ist, und wobei die Auswerte- und Steuereinheit ferner eingerichtet ist, mehrere, zeitlich versetzte ToF-Bilder nach einer jeweiligen Position des charakteristischen Merkmals im jeweiligen ToF-Bild hinsichtlich einer Lage der Drehachse im KMG-spezifischen Koordinatensystem auszuwerten. The CMM (10) of claim 1, wherein the characteristic rotates about an axis of rotation not seen in the ToF image, and wherein the evaluation and control unit is further configured to provide a plurality of staggered ToF images at a respective position of the characteristic Feature in the respective ToF image with respect to a position of the axis of rotation in the CMM-specific coordinate system.
KMG (10) nach Anspruch 1 , wobei das charakteristische Merkmal stationär fix und permanent im Messvolumen (33) vorhanden ist, wobei die Auswerte- und Steuereinheit ferner eingerichtet ist, die ToF-Kamera (70) zyklisch wiederkehrend zu veranlassen, ein neues ToF-Bild einschließlich des charakteristischen Merkmals aufzunehmen, und wobei die Auswerte- und Steuereinheit ferner eingerichtet ist, zumindest zwei der neuen ToF-Bilder hinsichtlich einer jeweiligen Position des charakteristischen Merkmals im ToF-spezifischen Koordinatensystem auszuwerten und eine Drift im KMG-spezifischen Koordinatensystem für den Fall zu bestimmen, dass sich die jeweilige Position des charakteristischen Merkmals im ToF- spezifischen Koordinatensystem wesentlich ändert. The CMM (10) according to claim 1, wherein the characteristic feature is stationary fixed and permanent in the measurement volume (33), wherein the evaluation and control unit is further configured to cyclically cause the ToF camera (70) to generate a new ToF Including image including the characteristic feature, and wherein the evaluation and control unit is further configured to evaluate at least two of the new ToF images with respect to a respective position of the characteristic feature in the ToF-specific coordinate system and to determine a drift in the CMM-specific coordinate system in the event that the respective position of the characteristic feature in the ToF-specific coordinate system substantially changes.
7. KMG (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die ToF-Kamera (70) während eines Referenzierungsvorgangs zumindest an einer Position stationär fix außerhalb des Messvolumens (33) angeordnet ist und vorzugsweise das gesamte Messvolumen (33) erfasst. 7. The CMM (10) according to any one of claims 1 to 6, wherein the ToF camera (70) during a referencing at least at a fixed position outside the measuring volume (33) is arranged and preferably the entire measuring volume (33) detected.
8. KMG (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das charakteristische Merkmal aufweist: eine Einmesskugel (62); ein Teil eines Maschinengestells, das den Taster innerhalb des Messvolumens (33) bewegt; ein Referenztaster (28-1 ); und/oder ein Tastermagazin. The CMM (10) of any one of claims 1 to 7, wherein the characteristic feature comprises: a calibration ball (62); a part of a machine frame which moves the probe within the measuring volume (33); a reference key (28-1); and / or a probe magazine.
9. Verfahren zum Referenzieren eines KMG-fremden Koordinatensystems auf ein KMG-spezifisches Koordinatensystem, das die folgenden Schritte aufweist: 9. A method of referencing a non-CMM coordinate system to a CMM specific coordinate system comprising the steps of:
Aufnehmen eines ToF-Bilds mit einer ToF-Kamera (70) eines KMG (10), wobei die ToF-Kamera (70) zum Ausleuchten und Aufnehmen des ToF-Bilds positioniert ist, wobei das ToF-Bild ein ToF-spezifisches Koordinatensystem definiert, das sich von dem KMG-spezifischen Koordinatensystem unterscheidet, und eine Szene in einem Messvolumen (33) des KMG (10) zeigt, die ein charakteristisches Merkmal (28-1 , 32, 62) aufweist, dessen Geometrie und/oder Lage im KMG-spezifischen Koordinatensystem bekannt ist bzw. sind; Capturing a ToF image with a ToF camera (70) of a CMM (10), the ToF camera (70) being positioned to illuminate and capture the ToF image, the ToF image defining a ToF specific coordinate system, which differs from the CMM-specific coordinate system and shows a scene in a measurement volume (33) of the CMM (10) having a characteristic feature (28-1, 32, 62) whose geometry and / or position in the CMM specific coordinate system is known or are;
Erkennen des charakteristischen Merkmals im ToF-Bild mittels Bilderkennung, die durch eine Auswerte- und Steuereinheit des KMG (10) durchgeführt wird; Recognizing the characteristic feature in the ToF image by means of image recognition performed by an evaluation and control unit of the CMM (10);
Bestimmen einer Geometrie und/oder Lage des erkannten charakteristischen Merkmals im ToF-Bild; und Bestimmen einer Abbildungsfunktion durch die Auswerte- und Steuereinheit basierend auf den Geometrien und/oder Lagen des charakteristischen Merkmals im KMG-spezifischen Koordinatensystem und im Tof-spezifischen Koordinatensystem, um die Koordinatensysteme aufeinander zu referenzieren. Determining a geometry and / or location of the detected characteristic feature in the ToF image; and Determining an imaging function by the evaluation and control unit based on the geometries and / or positions of the characteristic feature in the CMM-specific coordinate system and in the Tof-specific coordinate system to reference the coordinate systems to each other.
10. Verfahren nach Anspruch 9, das ferner aufweist: 10. The method of claim 9, further comprising:
Bestimmen einer Geometrie, insbesondere eines Aufbaus, und einer Lage eines unbekannten Tasters (28-2, 28-3, 28-4) sowie zumindest einer Lage einer bekannten Einmesskugel (62) aus einem ToF-Bild; Determining a geometry, in particular a construction, and a position of an unknown probe (28-2, 28-3, 28-4) and at least one layer of a known calibration sphere (62) from a ToF image;
Bestimmen der entsprechenden Geometrien und Lagen im KMG-spezifischen Koordinatensystem; Determining the corresponding geometries and positions in the CMM-specific coordinate system;
Bestimmen eines Prüfplans im KMG-spezifischen Koordinatensystem, insbesondere für eine Tasterkalibrierung, für den unbekannten Taster (28-2, 28-3, 28-4), ohne dass der unbekannte Taster (28-2, 28-3, 28-4) vorab manuell grob im KMG- spezifischen Koordinatensystem eingemessen wurde. Determining a test plan in the CMM-specific coordinate system, in particular for a probe calibration, for the unknown probe (28-2, 28-3, 28-4) without the unknown probe (28-2, 28-3, 28-4) previously measured roughly coarsely in the CMM-specific coordinate system.
1 1 . Verfahren nach Anspruch 9, das ferner aufweist: 1 1. The method of claim 9, further comprising:
Drehen des charakteristischen Merkmals um eine Drehachse im Messvolumen (33);  Rotating the characteristic feature about an axis of rotation in the measuring volume (33);
Erzeugen von mehreren, zeitlich versetzten ToF-Bildern;  Generating multiple, staggered ToF images;
Ermitteln einer jeweiligen Lage des charakteristischen Merkmals aus den ToF- Bildern; und  Determining a respective location of the characteristic feature from the ToF images; and
Auswerten der jeweiligen Lagen des charakteristischen Merkmals hinsichtlich einer Orientierung der Drehachse im KMG-spezifischen Koordinatensystem.  Evaluating the respective positions of the characteristic feature with respect to an orientation of the axis of rotation in the CMM-specific coordinate system.
12. Verfahren nach Anspruch 9, das ferner aufweist: 12. The method of claim 9, further comprising:
permanentes stationäres Fixieren des charakteristischen Merkmals im Messvolumen (33); zyklisch wiederkehrendes Aufnehmen eines neuen ToF-Bilds, das immer das charakteristische Merkmal enthält; permanent stationary fixation of the characteristic feature in the measurement volume (33); cyclically recording a new ToF image that always contains the characteristic feature;
Auswerten von mindestens zwei der neuen ToF-Bilder hinsichtlich einer jeweiligen Position des charakteristischen Merkmals im ToF-spezifischen Koordinatensystem; und  Evaluating at least two of the new ToF images for a respective position of the characteristic feature in the ToF specific coordinate system; and
Bestimmen einer Drift im KMG-spezifischen Koordinatensystem für den Fall, dass sich die jeweilige Position des charakteristischen Merkmals im ToF-spezifischen Koordinatensystem wesentlich ändert.  Determining a drift in the CMM-specific coordinate system in the event that the respective position of the characteristic feature in the ToF-specific coordinate system changes significantly.
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