-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen der Lage eines Objekts in einer Werkzeugmaschine.
-
Solche Verfahren sind z.B. notwendig, um nach dem Aufspannen eines Werkstücks die genaue Lage des Werkstücks und seiner Spannmittel innerhalb der Werkzeugmaschine zu ermitteln. Die Kenntnis dieser Lage ist entscheidend für eine exakte Bearbeitung des Werkstücks, aber auch z.B. für eine Kollisionsüberwachung.
-
Da das Aufspannen und Einrichten eines Werkstücks in einer Werkzeugmaschine oft einen erheblichen Teil der Bearbeitungszeit ausmacht, ist es von Vorteil, wenn das Erfassen der genauen Lage vom Werkstück und seinen Spannmitteln möglichst schnell gelingt. Hierzu wurden bereits verschiedene Vorrichtungen oder Verfahren bekannt, die auf der Erfassung der Aufspannsituation mit der Hilfe von Kameras beruhen.
-
So ist in der
DE 11 2007 001 977 T5 ein Verfahren beschrieben, bei dem aus dem Kamerabild eines Werkstücks ein Modell des Werkstücks extrahiert wird. Die hierzu verwendeten Verfahren wie beispielsweise das Auffinden von Kanten werden ausführlich dargestellt. Das Modell wird anschließend mit bekannten Objekten verglichen, um das jeweils vorliegende Objekt zu identifizieren. Aus dem Kamerabild werden später Position und Lage des Objekts ermittelt und beispielsweise für eine Kollisionsüberwachung herangezogen.
-
Das Auffinden und Zuordnen von Kanten eines Objekts in einem Kamerabild ist jedoch sehr aufwändig. So müssen eine Vielzahl von Hypothesen getroffen und ggf. wieder verworfen werden, bis eine Übereinstimmung mit einem bekannten Objekt mit ausreichender Sicherheit erkannt werden kann.
-
Aus der
DE 196 07 258 A1 ist es bekannt, Objekte anhand ihrer Kontur zu erkennen und deren Lage zu bestimmen. Hierzu werden die Objekte vor einem bekannten, charakteristischen Hintergrund von einer Kamera aufgenommen. Da die Objekte außerdem auf einer ebenen Fläche liegen, auf die die Kamera senkrecht von oben schaut, ist die Bestimmung der Kontur der Objekte besonders einfach.
-
Auch in der
DE 10 2010 037 448 A1 werden Objekte auf einer ebenen Fläche mit bekanntem Muster senkrecht von oben mit einer Kamera aufgenommen. Wieder soll die Kontur des Objektes bestimmt werden, um das Objekt anhand eines Vergleichs mit bekannten Konturen zu bestimmten. Es werden verschiedene Möglichkeiten offenbart, wie die Kontur des Objektes extrahiert werden kann. So ist einmal eine Analyse des bekannten Musters möglich: An den Stellen, an denen dieses Muster unterbrochen ist, beginnt die Kontur des Objektes. Alternativ kann die Differenz zweier Bilder berechnet werden, auf dem einmal nur das bekannte Muster zu erkennen ist, und einmal zusätzlich das Objekt. In einem Differenzbild tritt die Kontur des Objektes dann deutlich zum Vorschein.
-
Die beiden letztgenannten Verfahren identifizieren ein Objekt anhand einer Projektion des Objektes auf die Auflagefläche. Diese Projektion kommt durch die Aufnahme des Objektes mit einer Kamera zustande, die senkrecht auf die ebene Auflagefläche ausgerichtet ist. Bei relativ flachen Objekten wie z.B. Büchern entspricht diese Projektion in etwa der Standfläche des Objektes, also der Kontaktfläche zwischen der Auflagefläche und dem Objekt.
-
Dieser Gedanke ließe sich auch bei der Erkennung und Lageermittlung von Werkstücken und Spannmitteln in Werkzeugmaschinen einsetzen, denn auch hier ist die Menge der möglichen Standflächen begrenzt und vorab bekannt. Beide letztgenannten Verfahren scheitern jedoch, wenn Objekte nicht senkrecht von oben abgebildet werden, sondern in einer Schrägansicht. Dann nämlich steht man vor dem Problem, dass die erkannte Kontur auch solche Kanten enthält, die nicht der Standfläche des Objekts zuzuordnen sind, sondern sozusagen der „Skyline“ des Objektes. Selbst wenn eine Draufsicht auf das Objekt möglich ist (was in Werkzeugmaschinen aus Platzgründen oft gar nicht der Fall ist), zeigt so eine Draufsicht nicht die Umrisse der Standfläche des Objektes, sondern eher eine Projektion der höher liegenden Kanten auf die Auflagefläche.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine für das Verfahren geeignete Vorrichtung zu schaffen, die eine vereinfachte Lokalisierung eines Objektes in einer Werkzeugmaschine mittels einer Kamera ermöglichen. Hierzu soll aus einem oder mehreren Schrägbildern des Objektes die Standfläche des Objektes auf einem Tisch ermittelt werden.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch. Vorteilhafte Details ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
-
Es wird ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Objektes auf einem Tisch einer Werkzeugmaschine beschrieben, wobei der Tisch eine Auflagefläche aufweist und die Standfläche des Objektes, mit der das Objekt die Auflagefläche berührt, vorab bekannt ist, mit folgenden Schritten:
- a) Aufnehmen eines Bildes des Objektes in einer Schrägansicht,
- b) Bestimmen einer Kontur des Objektes als die Kanten eines Bildbereiches, der die Auflagefläche verdeckt,
- c) Transformieren des Bildes in eine Draufsicht auf die Auflagefläche, wobei die Kontur zu einer transformierten Kontur transformiert wird, unter der Annahme, dass alle Kanten in der Auflagefläche liegen,
- d) Einpassen der vorab bekannten Standfläche des Objektes in die transformierte Kontur, indem eine Position gesucht wird, in der ein Teil der Kanten der Standfläche des Objektes möglichst gut mit einem Teil der transformierten Kanten übereinstimmen,
- e) Festlegen der im Schritt d) aufgefundenen Position als die Position des Objektes auf der Auflagefläche.
-
So wird das Problem der Unterscheidung von solchen Kanten, die die Standfläche des Objektes umranden, von Kanten der Skyline des Objektes, auf einfach Weise gelöst. Es wurde nämlich erkannt, dass bei einer Transformation des Bildes aus einer Schrägansicht in eine Draufsicht gerade die Kanten der Standfläche auch zu Kanten der Draufsicht werden, während die Kanten der Skyline nach der Transformation irgend einen Verlauf ohne Bezug zur tatsächlichen Standfläche aufweisen. Es fällt dann relativ leicht, die vorab bekannte Standfläche in die transformierte Kontur einzupassen, etwa in dem man Kante für Kante versucht, die bekannte Standfläche anzulegen. Sollten dabei mehrere Lösungen möglich sein, so kann die einzig richtige Lösung durch weitere Schrägbilder des Objektes und Wiederholung der Schritte a)–d) gefunden werden. Die transformierten Konturen umranden jeweils Bereiche, deren Schnittmenge immer näher an der bekannten Standfläche liegt. Wenn die Schrägbilder zusammen alle Kanten der Standfläche zeigen, dann entspricht diese Schnittmenge sogar der Standfläche. Für einfache Objekte kann dies schon mit zwei aus zwei entgegengesetzten Richtungen aufgenommenen Bildern des Objektes erreicht werden.
-
Letztlich erhält man eine Draufsicht auf die Auflagefläche des Tisches und eine darin enthaltene Standfläche des Objektes. Anhand dieser Draufsicht lässt sich dann die Position der Standfläche in der Auflagefläche, und damit die Position des Objektes auf dem Tisch der Werkzeugmaschine bestimmen.
-
Das Verfahren ermöglicht es sogar, ein auf dem Tisch befindliches Objekt zu identifizieren. Hierzu müssen nur alle Standflächen der in Frage kommenden Objekte vorab bekannt und unterschiedlich sein. Beim Einpassen der Standflächen in die transformierte Kontur wird dann dasjenige Objekt erkannt, dessen Standfläche am besten zu den transformierten Kanten passt, ggf. auch nach der Auswertung mehrerer Ansichten des Objektes aus unterschiedlichen Richtungen.
-
Die einzelnen Verfahrensschritte werden in einer Auswertevorrichtung durchgeführt, die mit einer Kamera verbunden ist, und die Zugriff auf die Position des Tisches sowie auf die vorbekannten Standflächen der Objekte hat. Die Auswertevorrichtung kann besonders einfach als Software in einer Numerischen Steuerung realisiert werden, die ansonsten zur Steuerung der Werkzeugmaschine dient.
-
Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der Figuren. Dabei zeigt
-
1 ein Objekt auf einem Maschinentisch, das von einer Kamera aufgenommen wird,
-
2 ein Schrägbild des Objektes, wie es von der Kamera geliefert wird,
-
3 eine Transformation zweier aus verschiedenen Richtungen aufgenommenen Konturen des Objekts in eine senkrechte Draufsicht auf den Maschinentisch.
-
1 zeigt den Tisch 1 einer Werkzeugmaschine, auf dem ein Objekt 2 angeordnet ist. Der Tisch wird im Folgenden auch als Auflagefläche 1 des Objektes 2 bezeichnet. Das Objekt 2 kann beispielsweise ein Werkstück oder auch ein Spannmittel sein, das jeweils aus einer Menge von bekannten Werkstücken oder Spannmitteln ausgewählt und auf dem Tisch 1 befestigt wurde. Dieses Objekt 2 soll anhand seiner Standfläche, mit der das Objekt 2 die Auflagefläche 1 berührt, identifiziert und seine Position auf dem Tisch ermittelt werden, um so die Aufspannsituation zu erfassen. Die so ermittelte Aufspannsituation kann dann mit einer gewünschten Aufspannsituation verglichen werden. Alternativ kann die Bearbeitung des Werkstücks an dessen Lage angepasst werden. Ein Spannmittel kann außerdem in eine Kollisionsüberwachung eingebunden werden.
-
Hierzu wird von einer seitlich angebrachten Kamera 3 ein Bild der Szene in einer Schrägansicht aufgenommen. Voraussetzung für eine erfolgreiche Identifizierung und Lokalisierung ist, dass Lage und Ausrichtung des Tisches 1 bekannt sind. Dies ist in einer Werkzeugmaschine üblicherweise gegeben, da die Freiheitsgrade des Tisches über Achsantriebe eingestellt werden. Der Tisch ist Teil der kinematischen Kette der Maschine, die eine Transformation der Werkstückkoordinaten in die Werkzeugkoordinaten beschreibt. Außerdem weist in diesem Ausführungsbeispiel die Oberfläche des Tisches 1 ein bekanntes Muster 4 auf, anhand dessen eine Positionsbestimmung des Objektes 2 möglich ist. Hierzu kann das regelmäßige Muster von T-Nuten dienen, das üblicherweise auf so einem Tisch 1 zu finden ist, oder aber ein eigens zu diesem Zweck aufgebrachtes Schachbrettmuster oder ähnliches.
-
Die 2 zeigt ein Schrägbild des Objektes, wie es von der Kamera geliefert wird. In diesem Schrägbild lässt sich eine Kontur A–F des Objektes 2 bestimmen, die durch die Kanten A, B, C, D, E, F gebildet wird. Außerhalb dieser Kontur A–F ist noch die Auflagefläche 1 mit seinem bekannten Muster 4 abgebildet. Innehrhalb dieser Kontur ist das bekannte Muster 4 vom Objekt 2 verdeckt.
-
Die Bestimmung der Kontur A–F ist dann relativ einfach. Eine bevorzugte Möglichkeit besteht darin, jeweils ein Bild des Tisches 1 alleine und ein Bild des Tisches 1 mit Objekt 2 voneinander abzuziehen. In dieser Differenz der beiden Bilder tritt das Objekt 2 deutlich hervor. Nach einer Kantendetektion am Differenzbild, dass dann nur noch aus 1-Bit Pixeldaten besteht (also etwa weiße Kanten vor schwarzem Hintergrund) lässt sich die Kontur A–F des Objektes 2 mit den Kanten A, B, C, D, E, F besonders einfach extrahieren.
-
Es ist aber nach einer Kantenerkennung nicht ohne weiteres klar, welche der Kanten A, B, C, D, E, F tatsächlich die Standfläche des Objektes 2 umrandet (also im Beispiel die Kanten A und B), und welche der Kanten Teil der Skyline des Objektes 2 bilden (hier die Kanten C, D, E, F), die nicht in der Auflagefläche 1 liegen, sondern senkrecht oder parallel (und nicht in der Tischebene) hierzu.
-
Die Erfindung löst dieses Unterscheidungsproblem auf eine besonders einfache Weise. Zunächst soll vereinfachend angenommen werden, dass das Objekt 2 auf dem Tisch 1 an sich bekannt ist, und damit auch die Form und die Maße seiner Standfläche, im Beispiel ein Rechteck mit den Kantenlängen /A/ und /B/.
-
Es wird nun angenommen, dass die gesamte Kontur A–F des auf dem Kamerabild sichtbaren Objektes 2 dessen Standfläche umrandet. Anders ausgedrückt wird angenommen, dass die Kanten A–F allesamt in der Auflagefläche 1 bzw. in der Tischebene liegen, und daher die Kontur eines völlig ebenen, zweidimensionalen Objektes bilden, das auf der Auflagefläche 1 liegt.
-
Dann wird eine Transformation des Kamerabildes mit der Kontur A–F durchgeführt, die die Schrägansicht der Auflagefläche 1 in eine Draufsicht umwandelt. Dies ist leicht möglich, da Lage und Ausrichtung der Auflagefläche 1 wie oben erklärt bekannt sind. Mit dieser Transformation wird auch die Kontur A–F in eine transformierte Kontur A’–F’ transformiert, wie in der 3 dargestellt. Die Kanten A‘ und B‘, die im Schrägbild der 2 echte Kanten A, B der Standfläche sind, erscheinen in der so erstellten Draufsicht in ihrer tatsächlichen, einer Draufsicht auf die Standfläche des Objektes 2 entsprechenden Form und Lage, während die Kanten C‘, D‘, E‘ und F‘ (die ja Transformationen der Skyline-Kanten C, D, E, F sind) keine sinnvolle Bedeutung haben.
-
Versucht man aber nun, die vorab bekannte Standfläche des Objektes 1 in die durch Transformation erhaltenen Kanten A‘, B‘, C‘, D‘, E‘, F‘ einzupassen, erkennt man, dass es in diesem Beispiel hierfür nur zwei Möglichkeiten gibt. Ein Rechteck mit den Seitenlängen /A/ und /B/ lässt sich nur an den Kanten A‘ und B‘, oder an den Kanten D‘ und E‘ anlegen.
-
In einfacher gelagerten Fällen (z.B. Standfläche ist ein Dreieck mit drei unterschiedlichen Winkeln bzw. Kantenlängen) kann so schon aus einem einzigen Kamerabild eindeutig die Position des Objektes 2 auf dem Tisch 1 ermittelt werden. Im vorliegenden Fall ist hierzu eine weitere Aufnahme des Objektes 2 aus einer anderen Richtung nötig. Diese kann leicht erstellt werden, wenn man den Tisch 1 (wie es in vielen Werkzeugmaschinen möglich ist) ein Stück dreht, so dass die Kamera eine deutlich andere Ansicht des Objektes 2 liefert.
-
Im Beispiel wurde der Tisch 1 um 180 Grad gedreht. In der 3 ist mit gestrichelter Umrandung das Ergebnis der Transformation für die zweite, aus dem zweiten Bild ermittelte Kontur des Objekts gezeigt. Man erkennt sofort, dass es nun nur noch eine einzige Möglichkeit gibt, die bekannte Standfläche so einzupassen, dass jede der Kanten der Standfläche mit einer der mittels Transformation erhaltenen Kanten zusammen fällt. In diesem einfach gewählten Beispiel ist die Schnittmenge S der beiden durch Transformation entstandenen Konturen gerade die gesuchte Standfläche. Mit anderen Objekten und/oder anders gewählten Ansichten wird dies nicht der Fall sein. Vielmehr werden manche Kanten, die in mehreren Ansichten zu sehen sind, in der Transformation aufeinander liegen, und es werden möglicherweise nicht alle gesuchten Kanten der Standfläche abgebildet sein, weil sie in keiner Ansicht zu sehen waren. Wichtig ist nur, dass die bekannte Standfläche eindeutig einem Satz von transformierten Kanten zugeordnet werden kann. Die Zuordnung wird mit zwei oder mehr ausgewerteten Bildern erheblich erleichtert, weil sich die Standfläche innerhalb der Schnittmenge S der von den transformierten Konturen eingeschlossenen Flächen befinden muss.
-
Die Form der Objekte (oder genauer von deren Standfläche) ist dabei nicht wichtig, es können sowohl Geraden als auch Bögen als Kanten vorkommen, die stetig oder mit Knicken ineinander übergehen. Für echte Kanten A, B zwischen der Standfläche des Objektes 2 und der Auflagefläche 1 des Tisches wird die Transformation immer eine Draufsicht auf die Standfläche liefern.
-
Da wie erwähnt die echten Kanten A, B der Standfläche des Objektes im transformierten Bild, also in der Draufsicht, an der Stelle liegen, an der sie auch real liegen, lässt sich die Lage dieser Kanten anhand des Musters 4 ablesen, etwa durch Abzählen der Nuten auf dem Tisch 1 und ggf. Interpolieren einer Kantenposition. Hierfür muss also das Muster 4 bekannt und zur Positionsbestimmung geeignet sein. Für genauere Positionsbestimmungen kann natürlich auch ein entsprechend feineres Muster 4 auf der Auflagefläche 1 angebracht werden, etwa in der Form eines Kreuzgitters oder eines Schachbrettmusters.
-
Eine andere Möglichkeit zur Positionsbestimmung besteht darin, die Kamera vorab zu kalibrieren, so dass jedem Bildpunkt auf dem Tisch 1 bereits eine Position zugeordnet ist. Die Position einer im Bild bestimmten Kante der Standfläche des Objektes steht damit sofort fest. Eine solche Kalibrierung kann beispielsweise mittels eines Schachbrettmusters vorgenommen werden, das zum Kalibrieren der Kamera auf den Tisch 1 gelegt wird.
-
Nur unwesentlich schwieriger wird die Aufgabe, wenn zusätzlich zur Lage des Objektes auch das Objekt selbst erkannt werden soll, wenn also z.B. ein Spannmittel aus einer Menge von bekannten Spannmitteln erkannt werden soll. Haben diese Spannmittel unterschiedliche Standflächen, so muss also versucht werden, alle bekannten Standflächen an der transformierten Kontur A’–F’ anzulegen, ggf. auch an mehreren solcher transformierten Konturen und deren Schnittmenge S, die aus unterschiedlichen Ansichten generiert wurden. Dies wird nur mit der Standfläche desjenigen Objektes gelingen, das sich tatsächlich auf dem Tisch befindet.
-
Sowohl bei der Lagebestimmung als auch bei der Erkennung des Objektes 1 werden sich z.B. aufgrund von Abbildungsfehlern oder Fehlern in der Transformation nie exakte Übereinstimmungen zwischen den tatsächlichen, vorbekannten Kanten A, B der Standfläche mit den aus der Transformation erhaltenen Kanten A‘, B‘ ergeben. Es kann daher eine Gütefunktion herangezogen werden, anhand derer die beste Lösung aufgefunden werden kann. Überschreitet der Wert der Gütefunktion einen gewissen Schwellwert, oder ist dieser Wert für eine gefundene Lösung (entsprechend einem erkannten Objekt und dessen Lage) deutlich besser als für alle anderen möglichen Lösungen, so kann man von der Richtigkeit der Lösung ausgehen.
-
Somit kann auf einfache Weise ein Objekt 2 auf dem Tisch 1 einer Werkzeugmaschine erkannt und gleichzeitig dessen Lage ermittelt werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 112007001977 T5 [0004]
- DE 19607258 A1 [0006]
- DE 102010037448 A1 [0007]
