DE102019220247A1 - Method and arrangement for the optical calibration of axes of rotation for coordinate measurements - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren einer Drehachse (30) für Koordinatenmessungen, wobei wenigstens eine Drehachse (30) sowie wenigstens eine Markeranordnung (100) und wenigstens zwei Erfassungseinrichtungen (13a, 13b) bereitgestellt sind, und wobei das Verfahren umfasst:- Erzeugen einer Relativbewegung zwischen der Markeranordnung (100) und den Erfassungseinrichtungen (13a, 13b) mittels der Drehachse (30), während die Erfassungseinrichtungen (13a, 13b) die Markeranordnung (100) jeweils optisch erfassen;- Ermitteln von Koordinaten der Markeranordnung (100) auf Basis von Erfassungsinformationen der optischen Erfassungseinrichtungen (13a, 13b);- Bestimmen von Kalibrierinformationen zum Kalibrieren der Drehachse (30) anhand der ermittelten Koordinaten.Ferner betrifft die Erfindung eine Anordnung (20) zum Kalibrieren einer Drehachse (30) für Koordi natenmessungen.The invention relates to a method for calibrating an axis of rotation (30) for coordinate measurements, at least one axis of rotation (30) and at least one marker arrangement (100) and at least two detection devices (13a, 13b) being provided, and the method comprising: generating a Relative movement between the marker arrangement (100) and the detection devices (13a, 13b) by means of the axis of rotation (30), while the detection devices (13a, 13b) each detect the marker arrangement (100) optically; - Determination of coordinates of the marker arrangement (100) on the basis of of detection information of the optical detection devices (13a, 13b); - Determination of calibration information for calibrating the axis of rotation (30) on the basis of the determined coordinates. Furthermore, the invention relates to an arrangement (20) for calibrating an axis of rotation (30) for coordinate measurements.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum optischen Kalibrieren von Drehachsen, die für Koordinatenmessungen verwendet werden.The invention relates to a method and an arrangement for the optical calibration of axes of rotation which are used for coordinate measurements.
Das maschinelle Ermitteln von Objektkoordinaten mittels Koordinatenmessgeräten (KMG) ist verbreitet und bekannt. Koordinatenmessgeräte umfassen in der Regel eine Mehrzahl von bewegbaren Achsen, um einen hiervon geführten Messsensor (oder auch Messkopf) zum Vermessen eines Objekts und/oder das Objekt selbst zu bewegen. Insbesondere sollen hierdurch unterschiedliche Bereiche der Objekte durch Erzeugen benötigter Relativbewegungen vermessen werden. Bei dem Objekt kann es sich um ein bevorzugt maschinell gefertigtes Werkstück handeln.The mechanical determination of object coordinates by means of coordinate measuring machines (CMM) is widespread and known. Coordinate measuring devices generally comprise a plurality of movable axes in order to move a measuring sensor (or also measuring head) guided by them for measuring an object and / or the object itself. In particular, this is intended to measure different areas of the objects by generating the required relative movements. The object can be a preferably machine-made workpiece.
Es ist bekannt, den Messsensor, der ein taktiler Sensor oder ein optischer Sensor sein kann, mittels wenigstens einer Drehachse relativ zu dem Objekt auszurichten. Unter einer Drehachse (oder auch Rotationsachse) kann dabei eine angetriebene und/oder ansteuerbare Achse verstanden werden, die eine Rotationsbewegung erzeugen kann. Anders ausgedrückt kann es sich hierbei um ein bevorzugt elektrisch angetriebenes und/oder elektronisch oder digital ansteuerbares Rotationsgelenk handeln. Mit der Drehachse gekoppelte Komponenten können dann in einer gewünschten Weise verdreht werden.It is known to align the measuring sensor, which can be a tactile sensor or an optical sensor, relative to the object by means of at least one axis of rotation. An axis of rotation (or also axis of rotation) can be understood to mean a driven and / or controllable axis that can generate a rotational movement. In other words, this can be a preferably electrically driven and / or electronically or digitally controllable rotary joint. Components coupled to the axis of rotation can then be rotated in a desired manner.
Bei Koordinatenmessgeräten kommen Drehachsen zum Beispiel in sogenannten Drehtischen zum Einsatz, auf denen typischerweise das zu vermessene Objekt positioniert wird. Ein Beispiel hierzu findet sich in der
Ebenso kommen Drehachsen in Einheiten zum Einsatz, mit denen der Messsensor aktiv bewegt wird. Hierbei kann es sich zum Beispiel um eine Drehachse handeln die, an einer Pinole des Koordinatenmessgeräts angeordnet wird oder allgemein mittels wenigstens einer bevorzugt linearen Achse des Koordinatenmessgeräts verlagerbar ist. Diese Drehachse kann den Messsensor mit dem Koordinatenmessgerät und insbesondere der erwähnten Pinole oder Linearachse verbinden und ferner bevorzugt relativ hierzu verdrehen. Bekannt ist der Einsatz derartiger Drehachsen in sogenannten Dreh-Schwenk-Gelenken, die zwei Drehachsen umfassen, deren Rotationsachsen senkrecht zueinander verlaufen, und die typischerweise an einer Pinole des Koordinatenmessgeräts angeordnet werden. Ein Beispiel hierzu findet sich in der
Die Erfindung richtet sich prinzipiell auf jegliche der oben genannten Arten von Drehachsen, ohne aber darauf beschränkt zu sein.In principle, the invention is directed to any of the above-mentioned types of axes of rotation, but without being restricted thereto.
Um eine gewünschte Messgenauigkeit zu erreichen, müssen die Drehachsen eine hohe Genauigkeit aufweisen. Idealerweise sind die Drehachsen steif und fehlerfrei und lassen nur eine Rotationsbewegung um die vorgesehene Rotationsachse zu. Idealerweise wird diese Bewegung dann auch fehlerfrei mit einem Winkelmesssystem erfasst. In der Realität ist dies aber aus vielfachen Gründen nicht erreichbar, beispielsweise da Ungenauigkeiten bei der Fertigung von Bauteilen der Drehachse auftreten und Temperatureinflüsse vorliegen. Mögliche Fehler von Drehachsen werden zum Beispiel in der Norm ISO 230-7:2015 definiert und auch in der Beschreibungseinleitung der oben genannten
Systemimmanente und folglich reproduzierbare Fehler von Drehachsen können mittels einer Kalibrierung ermittelt und dann bevorzugt rechnerisch bei realen Objektvermessungen kompensiert werden. Gemäß obiger Norm ist es beispielsweise bekannt, sogenannte Korrektur- oder auch Fehlertabellen während einer Kalibrierung anzulegen und auf diese zwecks einer Messwertkorrektur (insbesondere Winkelwertkorrektur) im weiteren Betrieb zurückzugreifen.System-inherent and consequently reproducible errors in axes of rotation can be determined by means of a calibration and then preferably compensated for computationally in real object measurements. According to the above standard, it is known, for example, to create so-called correction or error tables during a calibration and to use them for the purpose of a measured value correction (in particular angle value correction) in further operation.
Die geforderten Genauigkeiten, mit der diese Fehler ermittelt werden sollen, liegen bei Winkelpositionsabweichungen typischerweise unter 10 µrad und bei anderen Laufabweichungen oder allgemeinen Bewegungsfehlern bei unter 2 µm.The required accuracies with which these errors are to be determined are typically less than 10 µrad for angular position deviations and less than 2 µm for other running errors or general movement errors.
Für den Kalibriervorgang sind bereits zahlreiche Lösungen vorgeschlagen worden. Diese zeichnen sich jedoch oftmals dadurch aus, dass aufwändige Systeme zum Vermessen der Drehachse bzw. von deren Fehlern erforderlich sind, um die vorstehend erwähnten Genauigkeiten zu erfüllen. Diese Systeme müssen angeschafft, eingerichtet und bedient werden, was jeweils mit Kosten, Aufwand und einem hohen Maß an erforderlichem Fachwissen einhergeht. Dies ist insbesondere dann nachteilig, wenn die Kalibrierung, wie allgemein üblich, auch beim Kunden in regelmäßigen Abständen wiederholt werden soll. Numerous solutions have already been proposed for the calibration process. However, these are often characterized by the fact that complex systems are required to measure the axis of rotation or its errors in order to achieve the above-mentioned accuracies. These systems have to be acquired, set up and operated, which is associated with costs, effort and a high level of specialist knowledge. This is particularly disadvantageous if, as is generally the case, the calibration should also be repeated at regular intervals at the customer's facility.
Bei der oben genannten
Weiter sind aus der
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Aufwand zur Kalibrierung von Drehachsen, die für die Koordinatenmessung verwendet werden, unter Einhalten einer geforderten Genauigkeit zu vereinfachen.One object of the present invention is to simplify the effort involved in calibrating axes of rotation that are used for coordinate measurement while maintaining the required accuracy.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Anordnung gemäß den beigefügten unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Ferner versteht es sich, dass die in der einleitenden Beschreibung erwähnten Merkmale einzeln oder in beliebiger Kombination auch bei der vorliegend offenbarten Lösung vorgesehen sein können, sofern nicht anders angegeben oder ersichtlich.This object is achieved by a method and an arrangement according to the attached independent claims. Advantageous further developments are given in the dependent claims. Furthermore, it goes without saying that the features mentioned in the introductory description can also be provided individually or in any combination in the presently disclosed solution, unless otherwise stated or evident.
Der Erfinder hat erkannt, dass durch optisches Erfassen von Komponenten und insbesondere von deren Koordinaten Kalibriervorgänge von Koordinatenmessgeräten vereinfacht werden können. Genauer gesagt können die Freiheitsgrade, also Position und Orientierung, welche gemeinsam eine Pose bzw. Lage definieren, optisch aufwandsarm erfasst werden.The inventor has recognized that the optical detection of components and in particular their coordinates can simplify calibration processes of coordinate measuring machines. More precisely, the degrees of freedom, that is to say position and orientation, which together define a pose or position, can be detected optically with little effort.
Insbesondere können optisch erfassbare Marker (hierin auch lediglich als optische Marker bezeichnet) an Komponenten eines Koordinatenmessgeräts angebracht und gemeinsam hiermit bewegbar sein. Die Bewegungen der Marker und somit der Komponenten sind optisch erfassbar, typischerweise mittels digitaler Kamerasysteme. Derartige Ansätze werden üblicherweise der Photogrammetrie zugeordnet.In particular, optically detectable markers (also referred to herein as optical markers) can be attached to components of a coordinate measuring machine and can be moved together with them. The movements of the markers and thus of the components can be recorded optically, typically by means of digital camera systems. Such approaches are usually assigned to photogrammetry.
Die Erfindung überwindet dabei das Vorurteil, dass kamerabasierte Objekterfassungen eine geringe Genauigkeit besitzen daher für Kalibrierungen in dem vorliegenden technischen Gebiet prinzipiell ungeeignet wären.The invention overcomes the prejudice that camera-based object recordings have a low level of accuracy and are therefore in principle unsuitable for calibrations in the technical field at hand.
Genauer gesagt schlägt die Erfindung eine optische Kalibrierung von der Drehachse eines Koordinatenmessgeräts vor. Lösungen, die auf einer optischen Erfassung von Bewegungen einer Komponente (die beispielsweise von einer Drehachse bewegt wird oder Teil der Drehachse ist) zwecks einer Kalibrierung beruhen, können hierin allgemein als optische Kalibrierung (d.h. Kalibrierung mittels oder auf Basis optischer Erfassungen) bezeichnet werden.More precisely, the invention proposes an optical calibration of the axis of rotation of a coordinate measuring machine. Solutions that are based on an optical detection of movements of a component (which is, for example, moved by an axis of rotation or is part of the axis of rotation) for the purpose of calibration can generally be referred to herein as optical calibration (i.e. calibration by means of or based on optical detection).
Die Drehachse kann zum Beispiel in einem Koordinatenmessgerät fest verbaut sein. Sie kann aber losgelöst bzw. als eine Einzelkomponente, zum Beispiel während einer Wartung oder nach ihrer Herstellung, erfindungsgemäß kalibriert werden.The axis of rotation can be permanently installed in a coordinate measuring machine, for example. However, it can be detached or calibrated according to the invention as an individual component, for example during maintenance or after its manufacture.
Vorteile des erfindungsgemäßen Vorgehens sind ein geringer Aufwand zur Kalibrierung, insbesondere hinsichtlich Einrichtung und Bedienung des optischen Erfassungssystems. Auch fallen die Kosten zum Beispiel im Vergleich zu Lösungen mit Laserinterferonmetern vergleichsweise gering aus. Weiter können erforderliche Qualifikationen eines Bedieners vergleichsweise gering ausfallen.Advantages of the procedure according to the invention are the low cost of calibration, especially with regard to setting up and operating the optical detection system. The costs are also comparatively low compared to solutions with laser interferon meters, for example. Furthermore, the required qualifications of an operator can be comparatively low.
Zudem ist es möglich, die Drehachse auch im eingebauten Zustand (d. h. im Zielsystem, insbesondere im Koordinatenmessgerät) und daher auch direkt beim Kunden zu kalibrieren. Weiter sind Kalibrierungen von verschiedensten Arten von Drehachsen mit demselben (Erfassungs-) System möglich, zum Beispiel von sowohl Drehtischachsen als auch von Dreh-Schwenk-Gelenksachsen.It is also possible to calibrate the axis of rotation when it is installed (i.e. in the target system, in particular in the coordinate measuring machine) and therefore also directly at the customer. Calibrations of the most varied types of rotary axes are also possible with the same (detection) system, for example both rotary table axes and rotary-swivel joint axes.
Insbesondere schlägt die Erfindung ein Verfahren zum Kalibrieren einer Drehachse für Koordinatenmessungen vor, wobei eine Drehachse (zum Beispiel von einem, in einem oder für ein Koordinatenmessgerät) sowie wenigstens eine Markeranordnung und wenigstens zwei Erfassungseinrichtungen bereitgestellt sind, und wobei das Verfahren umfasst:
- - Erzeugen einer Relativbewegung zwischen der Markeranordnung und den Erfassungseinrichtungen mittels der Drehachse, während die Erfassungseinrichtungen die Markeranordnungen jeweils optisch erfassen;
- - Ermitteln von Koordinaten der Markeranordnung auf Basis von Erfassungsinformationen der optischen Erfassungseinrichtungen;
- - Bestimmen von Kalibrierinformationen zum Kalibrieren der Drehachse anhand der ermittelten Koordinaten.
- - Generating a relative movement between the marker arrangement and the detection devices by means of the axis of rotation, while the detection devices each optically detect the marker arrangements;
- Determining coordinates of the marker arrangement on the basis of detection information from the optical detection devices;
- - Determination of calibration information for calibrating the axis of rotation on the basis of the determined coordinates.
Die Erfassungseinrichtungen können alternativ auch als Bildaufzeichnungseinrichtungen bezeichnet werden. Insbesondere kann es sich um digitale Kameras handeln. Die Erfassungseinrichtungen können jeweils Bilder (auch als Aufzeichnungsbilder oder Kamerabilder bezeichenbar), insbesondere in Form von digitalen Bildern und/oder digitalen Dateien erfassen und/oder aufzeichnen. Diese Bilder können ausgegeben werden, beispielsweise zwecks Auswertung oder Abspeicherung. Die Bilder können Informationen zu einer erfassten Szene (insbesondere mit darin erfassten Markern) enthalten. Die Informationen können Pixelwerte sein oder beschreiben. Derartige Werte können zum Beispiel Grauwerte, Farbwerte oder binäre Werte sein, die in einem BildKoordinatensystem definiert sind.The detection devices can alternatively also be referred to as image recording devices. In particular, they can be digital cameras. The acquisition devices can each acquire and / or record images (which can also be referred to as recorded images or camera images), in particular in the form of digital images and / or digital files. These images can be output, for example for the purpose of evaluation or storage. The images can contain information on a captured scene (in particular with markers captured therein). The information can be or describe pixel values. Such values can be, for example, gray values, color values or binary values that are defined in an image coordinate system.
Die Erfassungseinrichtungen können mittels bekannter Verfahren intrinsisch und/oder extrinsisch kalibriert sein oder (als eine erfindungsgemäß umfasste Maßnahme) entsprechend kalibriert werden. Sind Referenzdaten der Markeranordnung verfügbar, die in bekannter Weise eine relative Lage von Einzelmarkern der Markeranordnung zueinander beschreiben, kann die extrinsisch (oder auch äußere) Kalibrierung auch aus Einzelbildern einer der Erfassungseinrichtungen ermittelt werden, d. h. ohne Einzelbilder verschiedener Erfassungseinrichtungen gemeinsam zu verarbeiten und/oder miteinander zu vergleichen.The detection devices can be intrinsically and / or extrinsically calibrated by means of known methods or (as a measure encompassed according to the invention) can be calibrated accordingly. If reference data of the marker arrangement are available that describe a relative position of individual markers of the marker arrangement to one another in a known manner, the extrinsic (or also external) calibration can also be determined from individual images of one of the detection devices, i.e. without processing individual images from different detection devices together and / or with one another to compare.
Wie bereits erläutert, kann die Drehachse in einem Rotationsgelenk des Koordinatenmessgeräts integriert sein und/oder ein solches Rotationsgelenk bilden. Die Drehachse kann von wenigstens einer weiteren Achse des Koordinatenmessgeräts in einem Arbeitsraum des Koordinatenmessgeräts variabel positionierbar sein. Alternativ kann die Drehachse von einem (in der Regel ortsfesten) Drehtisch des Koordinatenmessgeräts umfasst sein oder einen solchen Drehtisch bereitstellen.As already explained, the axis of rotation can be integrated in a rotary joint of the coordinate measuring device and / or form such a rotary joint. The axis of rotation can be variably positioned by at least one further axis of the coordinate measuring machine in a working space of the coordinate measuring machine. Alternatively, the axis of rotation can be encompassed by a (usually stationary) turntable of the coordinate measuring machine or provide such a turntable.
Es kann sich allgemein um eine mechanische Drehachse (d. h. eine mechanische Baugruppe) handeln, die bevorzugt elektronisch und/oder digital ansteuerbar ist. It can generally be a mechanical axis of rotation (i.e. a mechanical assembly) which can preferably be controlled electronically and / or digitally.
Insbesondere kann sie eine Antriebseinrichtung zum Beispiel in Form eines Elektromotors zum Ausführen einer Drehbewegung umfassen.In particular, it can comprise a drive device, for example in the form of an electric motor, for executing a rotary movement.
Hiervon zu unterscheiden ist die hierin ebenfalls erwähnte Rotationsbewegungsachse (oder auch lediglich Rotationsachse) der Drehachse. Hierbei kann es sich um eine virtuelle Achse handeln, um die die Drehachse als reale Baugruppe ihre Rotationsbewegung ausführt. Die Rotationsbewegungsachse kann zum Beispiel orthogonal auf einem die Drehachse umfassenden Drehtisch stehen oder orthogonal durch ein die Drehachse umfassendes Drehgelenk verlaufen.This is to be distinguished from the axis of rotation movement (or also just axis of rotation) of the axis of rotation, which is also mentioned here. This can be a virtual axis around which the rotary axis executes its rotational movement as a real assembly. The axis of rotation movement can, for example, stand orthogonally on a turntable that includes the axis of rotation or extend orthogonally through a swivel joint that includes the axis of rotation.
Unter einem Koordinatenmessgerät kann ein Gerät verstanden werden, dass zum Erfassen von Koordinaten eines Bauteils eingerichtet ist und insbesondere von dessen Oberflächenkoordinaten. Diese können zum Beispiel optisch oder taktil erfasst werden. Das Koordinatenmessgerät kann dazu eingerichtet sein, einen Messsensor derart zu bewegen, dass dieser das Bauteil und insbesondere dessen Oberfläche in gewünschten Bereichen antasten kann.A coordinate measuring machine can be understood to mean a device that is set up to record the coordinates of a component and, in particular, its surface coordinates. These can be recorded optically or tactilely, for example. The coordinate measuring machine can be set up to move a measuring sensor in such a way that it can touch the component and in particular its surface in desired areas.
Hierfür kann das Koordinatenmessgerät zusätzlich zu der Drehachse bevorzugt eine Mehrzahl von weiteren Bewegungsachsen umfassen, insbesondere eine Mehrzahl von Linearachsen. Diese können zum Beispiel paarweise orthogonal zueinander verlaufen. Gängige Bauarten von Koordinatenmessgeräten, die auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein können, betreffen zum Beispiel eine Portalbauweise oder Brückenbauweise.For this purpose, in addition to the axis of rotation, the coordinate measuring machine can preferably include a plurality of further movement axes, in particular a plurality of linear axes. These can, for example, run in pairs orthogonally to one another. Common types of coordinate measuring machines, which can also be provided within the scope of the present invention, relate, for example, to a portal construction or a bridge construction.
Das Koordinatenmessgerät kann auch ein Positionsmesssystem umfassen, um die Position und/oder Orientierung (d. h. die räumliche Lage) eines Messsensors (und insbesondere eines Messtasters und/oder optischen Messkopfes) zu erfassen. Insbesondere kann das Positionsmesssystem dazu eingerichtet sein, Stellungen (zum Beispiel im Sinne eines aktuellen Bewegungsausmaßes) der Bewegungsachsen des Koordinatenmessgeräts zu erfassen. Daraus kann dann die vorstehend erwähnte Position und/oder Orientierung berechnet werden.The coordinate measuring machine can also comprise a position measuring system in order to detect the position and / or orientation (i.e. the spatial location) of a measuring sensor (and in particular of a measuring probe and / or optical measuring head). In particular, the position measuring system can be set up to detect positions (for example in terms of a current extent of movement) of the axes of movement of the coordinate measuring machine. The above-mentioned position and / or orientation can then be calculated therefrom.
Die Markeranordnung kann auch als ein Target bezeichnet werden. Die Markeranordnung kann eine Mehrzahl von Einzelmaklern umfassen. Für jeden dieser Einzelmarker kann dann wenigstens ein Koordinatenwert (auch als Objektpunkt oder Objektkoordinate bezeichenbar) und bevorzugt zumindest die vollständige Position (d. h. Koordinaten der drei räumlichen Positionsfreiheitsgrade) und gegebenenfalls auch die Orientierung (d. h. die Koordinaten der drei räumlichen Orientierungsfreiheitsgrade) ermittelt werden. Hieraus können dann in der nachstehend erläuterten Weise Fehleranteile und/oder Kalibrierinformationen der Drehachse ermittelt werden.The marker arrangement can also be referred to as a target. The marker array may include a plurality of individual brokers. For each of these individual markers, at least one coordinate value (which can also be referred to as an object point or object coordinate) and preferably at least the complete position (i.e. coordinates of the three spatial degrees of freedom of position) and possibly also the orientation (i.e. the coordinates of the three spatial degrees of freedom of orientation) can then be determined. From this, error components and / or calibration information of the axis of rotation can then be determined in the manner explained below.
Die Einzelmarker können gleichartig ausgebildet sein (zum Beispiel jeweils eine gleichartige geometrische Form und/oder geometrische Eigenschaften aufweisen), können jedoch voneinander abweichende Abmessungen aufweisen (d. h. unterschiedlich skaliert sein).The individual markers can be designed in the same way (for example each have a similar geometric shape and / or geometric properties), but can have dimensions that differ from one another (that is, they can be scaled differently).
Es können auch Mischformen aus verschiedenartigen Einzelmaklern vorgesehen sein. Zumindest einer der Einzelmarker kann als Referenz zum Identifizieren anderer Einzelmarker dienen, die z.B. hinsichtlich ihrer Identität nicht anderweitig codiert und/oder markiert sind. Insbesondere können diese anderen Einzelmarker zumindest teilweise gleichartig und/oder gleichförmig und/oder gleich dimensioniert sein. Insbesondere kann zumindest einer der Einzelmarker eine Referenz bilden, in Bezug auf die die Einzelmarker (z.B. abstandsabhängig und/oder virtuell) nummeriert werden. Auf diese Wiese können die jeweiligen Einzelmarker in den Bildern unterschiedlicher Erfassungseinrichtungen identifiziert und z.B. in ein Verhältnis gesetzt und/oder einander zugeordnet werden (z.B. im Rahmen einer Triangulation). Die Anzahl der als Referenz dienenden Marker kann die Anzahl der weiteren Marker unterschreiten (beispielsweise können wenigstens zehnmal mehr weitere Marker vorgesehen sein).Mixed forms of different types of individual brokers can also be provided. At least one of the individual markers can serve as a reference for identifying other individual markers which, for example, are not otherwise coded and / or marked with regard to their identity. In particular, these other individual markers can be at least partially identical and / or uniform and / or dimensioned identically. In particular, at least one of the individual markers can form a reference with respect to which the individual markers are numbered (e.g. depending on the distance and / or virtually). In this way, the respective individual markers in the images of different detection devices can be identified and, for example, set in a relationship and / or assigned to one another (e.g. as part of a triangulation). The number of markers serving as reference can be less than the number of further markers (for example, at least ten times more further markers can be provided).
Beispielsweise kann auch vorgesehen sein, dass ein als Referenz dienender Marker im Rahmen bekannter Rückprojektionsverfahren in die Abbildungsebene zur Ermittlung eines Startwertes und/oder allgemein als ein Ausgangspunkt dient. Es kann dann geprüft werden, ob bei einer Rückprojektion in der Nähe ein aufgenommenes Merkmal (zum Beispiel ein einzelner Marker) eingepasst und somit identifiziert werden kann. Dabei kann in der Nähe bedeuten, dass Größenverhältnisse bei der Rückprojektion überprüft werden. Insbesondere kann ein Vergleich von Nominalradien kreisförmiger Marker aus einem Referenzdatensatz mit einem mittleren Ellipsenradius aus der Detektion eines Markers (also der Bildaufnahme, bei der die kreisförmigen Marker perspektivisch verzerrt abgebildet sein können) sowie einer ermittelten Positionsabweichung (Rückprojektion zu Detektion) durchgeführt werden. Ist die Positionsabweichung kleiner als der Nominalradius und beträgt der ermittelte Ellipsenradius weniger als 30 % des Nominalradius, so kann das aufgenommenen Merkmal als entsprechender Einzelmarker identifiziert werdenFor example, it can also be provided that a marker serving as a reference is used in the context of known back projection methods into the imaging plane to determine a starting value and / or generally as a starting point. It can then be checked whether a recorded feature (for example a single marker) can be fitted and thus identified during a rear projection in the vicinity. Nearby can mean that proportions are checked during the rear projection. In particular, a comparison of nominal radii of circular markers from a reference data set with a mean elliptical radius from the detection of a marker (i.e. the image recording in which the circular markers can be depicted with a distorted perspective) and a determined position deviation (back projection to detection) can be carried out. If the positional deviation is smaller than the nominal radius and the determined elliptical radius is less than 30% of the nominal radius, the recorded feature can be identified as a corresponding individual marker
Wenigstens einer der Einzelmarker kann dazu dienen, eine Orientierung der Markeranordnung zum Beispiel relativ zu einer jeweiligen Erfassungseinrichtung und/oder allgemein für eine Rückprojektion aus der (zweidimensionalen) Bildebene in die (dreidimensionale) Projektionsebene zu bestimmen. Andere der Einzelmarker können hingegen dazu dienen, eine jeweilige Position und/oder Orientierung dieser Einzelmarker zu bestimmen.At least one of the individual markers can serve to determine an orientation of the marker arrangement, for example relative to a respective detection device and / or generally for a back projection from the (two-dimensional) image plane into the (three-dimensional) projection plane. Others of the individual markers, on the other hand, can serve to determine a respective position and / or orientation of these individual markers.
Ein Beispiel für Einzelmarker sind ausgefüllte (bevorzugt dunkle) Kreise. Ein anderes Beispiel ist der Schnittpunkt wenigstens zweier Geraden, zum Beispiel der Schnittpunkt zwischen mehreren Einzelfeldern (genauer gesagt vier Feldern) eines Schachbrettmusters. Ein weiteres Beispiel für einen Einzelmarker ist eine Grauwertverteilung und/oder ein Grauwertmuster. Bevorzugte Typen von Einzelmarkern sind sogenannte Aruco-Marker, Optinav-marker oder ring-codierte Marker. Einzelmarker können sich von einem Untergrund zum Beispiel farblich und/oder durch andere Grauwerte abheben.An example of single markers are filled (preferably dark) circles. Another example is the point of intersection of at least two straight lines, for example the point of intersection between several individual fields (more precisely four fields) of a checkerboard pattern. Another example of an individual marker is a gray value distribution and / or a gray value pattern. Preferred types of individual markers are so-called Aruco markers, Optinav markers or ring-coded markers. Individual markers can stand out from a background, for example in terms of color and / or other gray values.
Beispielsweise kann eine zweidimensionale Gaussverteilung („Glockenkurve“) von Grauwerten als Marker verwendet werden. In einer Abbildung (d. h. Bildaufnahme des Markers) ergibt sich eine perspektivisch verzerrte Gaussverteilung. Durch Optimierungsrechnung kann die Markerposition in Abbildungskoordinaten aus dieser Aufnahme berechnet werden.For example, a two-dimensional Gaussian distribution (“bell curve”) of gray values can be used as a marker. In an image (i.e. image recording of the marker) there is a perspective distorted Gaussian distribution. The marker position in imaging coordinates can be calculated from this recording by means of an optimization calculation.
Bei Markern mit Linienmustern, wie Kreisringen, können die Kanten ebenfalls durch Grauwertübergänge abgebildet werden. Vorteilhaft sind hier Sinusverläufe oder Normalverteilung. Im Abbildungsraum werden dann die als Grauwertverteilung abgebildeten Linien in Normalrichtung (die in an sich bekannter Weise als Information z.B. aus einem Rückprojektionsverfahren ermittelbar ist) an vielen Stellen (virtuellmathematisch) geschnitten. Die Berechnung des hellsten bzw. dunkelsten Punktes des Schnittes erfolgt dann bevorzugt mittels mathematischer Faltung, über Ableitung oder durch Einpassung einer asymmetrisch verzerrten Gaus- bzw. Sinuskurve. Aus den mehreren so berechneten Punkten kann dann die Liniengeometrie berechnet werden. So kann bei einem ringförmigen Marker eine Ellipseneinpassung berechnet werden, aus der dann die Markerposition bestimmt werden kann.In the case of markers with line patterns, such as circular rings, the edges can also be represented by gray value transitions. Sinus curves or normal distribution are advantageous here. In the imaging space, the lines mapped as a gray value distribution are then cut in the normal direction (which can be determined in a manner known per se as information, e.g. from a back projection method) at many points (virtual mathematical). The lightest or darkest point of the section is then preferably calculated by means of mathematical convolution, via derivation or by fitting an asymmetrically distorted Gaussian or sinusoidal curve. The line geometry can then be calculated from the several points calculated in this way. In the case of a ring-shaped marker, for example, an elliptical fit can be calculated from which the marker position can then be determined.
Die Punkte eines sogenannten und typischerweise für eine intrinsische Kalibrierung verwendeten „Cirlce Grid“ können ebenfalls jeweils Einzelmarker darstellen, wobei bevorzugt einzelne Punkte betrachtet und/oder ausgewertet werden, die zumindest ungefähr auf einem gemeinsamen Kreis liegen.The points of a so-called “circle grid” that is typically used for an intrinsic calibration can also each represent individual markers, with individual points preferably being considered and / or evaluated which are at least approximately on a common circle.
Allgemein kann die Markeranordnung grafischer Art sein und/oder drucktechnisch herstellbar sein. Insbesondere kann es sich um einen Papierausdruck handeln, der entsprechende Einzelmarker enthält. Ebenso ist es möglich, die Markeranordnung auf einen dreidimensionalen Träger aufzubringen oder allgemein dreidimensional auszubilden. Hierfür kommen beispielsweise zylindrische und/oder rotationssymmetrisch um eine Achse (zum Beispiel eine Längsachse) ausgebildete Träger in Betracht.In general, the marker arrangement can be of a graphic nature and / or can be produced by printing. In particular, it can be a paper printout that contains corresponding individual markers. It is also possible to apply the marker arrangement to a three-dimensional carrier or to design it in general three-dimensionally. For this purpose, for example, cylindrical and / or rotationally symmetrical carriers about an axis (for example a longitudinal axis) come into consideration.
Die Erfassungseinrichtungen und insbesondere eine hiervon umfasste oder hiermit verbundene Auswertungseinrichtung kann mittels bekannter Bildauswertalgorithmen dazu eingerichtet sein, in den erfassten Bildern bzw. anhand der erfassten Bildinformationen die Einzelmarker zu identifizieren. Insbesondere kann eine Position und/oder Orientierung innerhalb einer Bildebene (oder auch Kameraebene) identifiziert werden, wie sie zum Beispiel mittels eines Pixelkoordinatensystems beschreibbar ist.The detection devices and, in particular, an evaluation device encompassed by them or connected to them can be set up by means of known image evaluation algorithms to identify the individual markers in the captured images or on the basis of the captured image information. In particular, a position and / or orientation within an image plane (or also camera plane) can be identified, as can be described, for example, by means of a pixel coordinate system.
Eine solche Ermittlung der Position von Einzelmarkern anhand der und/oder in den erfassten Bildern kann einen gesonderten erfindungsgemäßen Verfahrensschritt darstellen. Insbesondere können ermittelte Positionen von den Erfassungsinformationen der optischen Erfassungseinrichtungen umfasst sein.Such a determination of the position of individual markers on the basis of and / or in the captured images can represent a separate method step according to the invention. In particular, determined positions can be included in the detection information of the optical detection devices.
Vorteilhafterweise erfolgt das Ermitteln der Position und ggf. auch Orientierung der Einzelmarker möglichst genau. Hierfür kann die Markeranordnung entsprechend gestaltet sein. Beispielsweise können deutlich mehr Einzelmarker für eine vorstehend diskutierte Positionsermittlung als Einzelmarker für eine Orientierungsermittlung (der Markeranordnung) vorgesehen sein, z.B. mindestens dreimal oder fünfmal so viele. The position and possibly also the orientation of the individual markers are advantageously determined as precisely as possible. The marker arrangement can be designed accordingly for this purpose. For example, significantly more individual markers can be used for a position determination discussed above than individual markers for an orientation determination (the marker arrangement) be provided, for example at least three times or five times as many.
Allgemein können die Erfassungsinformationen Bilder und/oder Bilddateien an sich sein. Wie erwähnt, kann es sich aber zusätzlich oder alternativ um Positionsinformationen der Einzelmarker zum Beispiel in einer Bildebene handeln.In general, the acquisition information can be images and / or image files per se. As mentioned, however, it can additionally or alternatively be positional information of the individual markers, for example in an image plane.
Bei den ermittelten Koordinaten der Markeranordnung, die auf Basis dieser Erfassungsinformationen bestimmt werden, kann es sich hingegen um dreidimensionale Koordinaten handeln. Insbesondere kann es sich um Koordinaten im realen Raum oder, mit anderen Worten, von der real beobachteten räumlichen Szene handeln. Die Koordinaten können sämtliche sechs Freiheitsgrade (drei translatorische und drei rotatorische) beschreiben und/oder definieren, bevorzugt aber zumindest die räumliche Position (d. h. die drei transmotorisch an Freiheitsgrade). Aus zweidimensionalen Bildkoordinaten kann also dreidimensionale Raumkoordinaten bestimmt werden.In contrast, the determined coordinates of the marker arrangement, which are determined on the basis of this detection information, can be three-dimensional coordinates. In particular, they can be coordinates in real space or, in other words, of the actually observed spatial scene. The coordinates can describe and / or define all six degrees of freedom (three translational and three rotational), but preferably at least the spatial position (i.e. the three transmotoric degrees of freedom). Three-dimensional spatial coordinates can therefore be determined from two-dimensional image coordinates.
Allgemein können die Koordinaten für eine Mehrzahl von Einzelmarkern der Markeranordnung individuell bestimmt werden. Die Koordinaten der Einzelmarker werden dann bevorzugt in ein gemeinsames Koordinatensystem transformiert oder, mit anderen Worten, in einem gemeinsamen Koordinatensystem beschrieben.In general, the coordinates for a plurality of individual markers of the marker arrangement can be determined individually. The coordinates of the individual markers are then preferably transformed into a common coordinate system or, in other words, described in a common coordinate system.
Insbesondere kann es sich bei den erfassten Koordinaten um Koordinaten handeln, die analog zu den Koordinaten eines Kugelmittelpunkts sind und/oder analog hierzu verwendet werden. Entsprechende Kugelmittelpunkts-Koordinaten werden im Stand der Technik beispielsweise durch Antasten von Antastkugeln gewonnen.In particular, the detected coordinates can be coordinates that are analogous to the coordinates of a spherical center point and / or are used analogously thereto. Corresponding ball center coordinates are obtained in the prior art, for example, by probing probing balls.
Das Ermitteln der (dreidimensionalen) Koordinaten aus den (zweidimensionalen) Erfassungsinformationen bzw. Kamerabildern kann mittels bekannter Auswerteverfahren erfolgen. Lediglich beispielhaft wird verwiesen auf eine stereoskopische Auswertung, eine Mehrbildauswertung mittels Bündeltriangulation (engl.: bundle adjustment), und eine Einzelbildauswertung, wie sie mittels bekannter Bildverarbeitungsprogrammen wie „Optinav API“ oder „OpenCV“ (dort als „camera pose estimation“ bezeichnet) ausführbar ist.The (three-dimensional) coordinates can be determined from the (two-dimensional) detection information or camera images using known evaluation methods. Merely by way of example, reference is made to a stereoscopic evaluation, a multi-image evaluation using bundle triangulation, and an individual image evaluation, as can be carried out using known image processing programs such as "Optinav API" or "OpenCV" (referred to as "camera pose estimation") is.
Wenigstens zwei, bevorzugt aber drei oder fünf Erfassungseinrichtungen können verwendet werden. Sind insbesondere im Rahmen obiger Auswerteverfahren Koordinatentransformationen in ein gemeinsames Koordinatensystem erforderlich, kann beispielsweise ein (Kamera-) Koordinatensystem der ersten Erfassungseinrichtung oder aber der Drehachse und/oder eines dazugehörigen Koordinatenmessgeräts als das gemeinsame Koordinatensystem gewählt werden.At least two, but preferably three or five detection devices can be used. If coordinate transformations into a common coordinate system are required in the context of the above evaluation processes, for example a (camera) coordinate system of the first detection device or the axis of rotation and / or an associated coordinate measuring device can be selected as the common coordinate system.
Im Rahmen der Relativbewegung können entsprechend Koordinaten der Markeranordnungen und insbesondere von spezifischen Einzelmarkern für eine Mehrzahl von (relativen) Winkelpositionen und/oder Winkelpositionen der Drehachse erhalten werden. Die Koordinaten, insbesondere aber auch die darauf basierend ermittelten Kalibrierinformationen, können dann ebenfalls für eine entsprechende Mehrzahl von Winkelpositionen bestimmt werden. Insbesondere können Verläufe der Koordinaten und/oder Kalibrierinformationen über das Winkel-Bewegungsspektrum aufgezeichnet bzw. ermittelt werden.In the context of the relative movement, coordinates of the marker arrangements and in particular of specific individual markers can be obtained for a plurality of (relative) angular positions and / or angular positions of the axis of rotation. The coordinates, but in particular also the calibration information determined based thereon, can then likewise be determined for a corresponding plurality of angular positions. In particular, courses of the coordinates and / or calibration information over the angular movement spectrum can be recorded or determined.
Bei den Kalibrierinformationen kann es sich um Informationen handeln, die dazu verwendbar sind, um zukünftige Messwerte der Drehachse und/oder eines Koordinatenmessgeräts umfassend die Drehachse anzupassen. Insbesondere können auf die Drehachse zurückzuführende Fehleranteile oder auch sogenannte Drehabweichungen (bzw. Drehtischabweichungen, siehe vorstehend zitierte
Beispielsweise können die Kalibrierinformationen derartige Abweichungen definieren oder sein und/oder allgemein Werte bzw. Einträge einer Kalibriertabelle der Drehachse sein. In an sich bekannter Weise können derartige Abweichungen verwendet werden, um insbesondere Messwerte der Drehachse (zum Beispiel Winkelmesswerte) geeignet zu korrigieren. Wie erwähnt, können die Koordinaten und/oder die Kalibrierinformationen prinzipiell winkelabhängig und bevorzugt für eine Mehrzahl von Winkelpositionen bestimmt werden. Je nach angefahrenem Winkel kann dann die zugeordnete Kalibrierinformation ermittelt und eine situationsgerechte Kompensation durchgeführt werden.For example, the calibration information can define or be such deviations and / or generally be values or entries in a calibration table of the axis of rotation. Such deviations can be used in a manner known per se, in particular to suitably correct measured values of the axis of rotation (for example angular measured values). As mentioned, the coordinates and / or the calibration information can in principle be determined as a function of the angle and preferably for a plurality of angular positions. Depending on the angle approached, the assigned calibration information can then be determined and a compensation appropriate to the situation can be carried out.
Zusammengefasst kann es sich also bei den Kalibrierinformationen um Drehfehler oder Drehabweichungen handeln, die anhand der ermittelten (dreidimensionalen) Koordinaten bestimmt werden. Diese können abgespeichert und bedarfsweise (insbesondere je nach angefahrener Winkelposition) ausgelesen und/oder für eine Kompensation verwendet werden.In summary, the calibration information can be rotational errors or rotational deviations that are determined on the basis of the (three-dimensional) coordinates that have been determined. These can be stored and, if necessary (in particular depending on the angular position approached), read out and / or used for compensation.
Zum Ermitteln von Drehabweichungen aus den Koordinaten kommen prinzipiell verschiedene Verfahren aus dem Stand der Technik in Betracht, insbesondere wenn die Koordinaten in der vorstehend erwähnten Weise analog zu Kugelmittelpunktskoordinaten verwendet werden.In principle, various methods from the prior art can be used to determine rotational deviations from the coordinates, in particular if the coordinates are used in the above-mentioned manner analogous to the coordinates of the center of the sphere.
Beispielhaft wird auf die
Wie vorstehend bereits angedeutet, sieht eine Weiterbildung vor, dass die Kalibrierinformationen Abweichungen der Drehachse von einer fehlerfreien (d. h. idealen) Drehbewegung beschreiben. Die Drehbewegung kann um eine (virtuelle) Rotationsbewegungsachse der (realen mechanischen) Drehachse stattfinden. Die Abweichungen können Fehler- und genauer gesagt Bewegungsanteile beschreiben, die von dieser fehlerfreien Drehbewegung abweichen, zum Beispiel axiale oder radiale Verschiebungen, Winkelfehler und/oder Taumelfehler.As already indicated above, a further development provides that the calibration information describes deviations of the axis of rotation from an error-free (i.e. ideal) rotary movement. The rotational movement can take place around a (virtual) rotational movement axis of the (real mechanical) rotational axis. The deviations can describe error components and, more precisely, movement components that deviate from this error-free rotary movement, for example axial or radial displacements, angular errors and / or wobble errors.
Eine Weiterbildung sieht daher vor, dass als Abweichungen wenigstens zwei Fehlerkomponenten der Drehbewegung erfasst werden, z.B. die obigen Verschiebungen, der Winkelfehler und/oder der Taumelfehler. Dabei kann eine Fehlerkomponente jeweils einen Fehleranteil bezüglich eines von sechs räumlichen Bewegungsfreiheitsgrade der Drehachse definieren. Beispielsweise kann also wenigstens eine zu einem (Dreh-) Winkelfehler zusätzliche Fehlerkomponente ermittelt werden.A further development therefore provides that at least two error components of the rotary movement are recorded as deviations, e.g. the above displacements, the angle error and / or the wobble error. In this case, an error component can define an error portion with respect to one of six spatial degrees of freedom of movement of the axis of rotation. For example, at least one error component that is additional to a (rotation) angle error can be determined.
Gemäß einer Weiterbildung sind die Erfassungseinrichtungen gleichmäßig um eine Rotationsbewegungsachse der Drehachse verteilt. Insbesondere können die Erfassungseinrichtungen in gleichen Winkelabständen zueinander (bzw. zu unmittelbar benachbarten Erfassungseinrichtungen) um die Drehachse verteilt sein, zum Beispiel in einem Abstand von 180° bei zwei Erfassungseinrichtungen, in einem Abstand von jeweils 120° bei drei Erfassungseinrichtungen, in einem Abstand von jeweils 90° bei vier Erfassungseinrichtungen usw. Anders ausgedrückt können die Erfassungseinrichtungen also drehsymmetrisch in Bezug auf die Drehachse angeordnet sein, beispielsweise sodass sie bei einer (gedanklichen) Drehung um die vorstehend erwähnten Winkelabstände wieder auf sich selbst bzw. eine vormals an gleicher Stelle positionierte Erfassungseinrichtung abgebildet werden.According to a further development, the detection devices are evenly distributed around an axis of rotational movement of the axis of rotation. In particular, the detection devices can be distributed around the axis of rotation at equal angular distances from one another (or from directly adjacent detection devices), for example at a distance of 180 ° for two detection devices, at a distance of 120 ° for three detection devices, at a distance of each 90 ° with four detection devices, etc. In other words, the detection devices can be arranged rotationally symmetrically with respect to the axis of rotation, for example so that they are mapped back onto themselves or onto a detection device previously positioned at the same point during an (imaginary) rotation by the above-mentioned angular distances become.
Der geschilderte Verteilungszustand der Erfassungseinrichtungen kann zum Beispiel durch (optional von der Erfindung ebenfalls umfassen Schritt des) Positionieren(s) der Drehachse relativ zu den Erfassungseinrichtungen erreicht werden. Beispielsweise kann die Drehachse von Bewegungsachsen eines Koordinatenmessgeräts derart verfahren werden, dass sie relativ zu den Erfassungseinrichtungen positioniert ist, insbesondere derart, dass diese entsprechend symmetrisch und die Drehachse verteilt sind.The described distribution state of the detection devices can be achieved, for example, by (optionally also included by the invention step of) positioning the axis of rotation relative to the detection devices. For example, the axis of rotation of axes of movement of a coordinate measuring machine can be moved in such a way that it is positioned relative to the detection devices, in particular in such a way that they are correspondingly symmetrical and the axis of rotation is distributed accordingly.
Allgemein kann eine solche Anordnung von Erfassungseinrichtungen zu Genauigkeitsverbesserungen führen. Insbesondere wenn auch eine entsprechend gleichmäßig verteilte und/oder drehsymmetrische Markeranordnung der nachstehend erläuterten Art verwendet wird, kann hierdurch bewirkt werden, dass die Erfassungseinrichtungen jeweils gleichartige Ausschnitte der Markeranordnung (zum Beispiel jeweils gleichartig in einer jeweiligen Bildebene verteilte Einzelmarker) erfassen. Hierdurch können sich systematische Fehleranteile zumindest teilweise aufheben.In general, such an arrangement of detection devices can lead to improvements in accuracy. In particular, if a correspondingly evenly distributed and / or rotationally symmetrical marker arrangement of the type explained below is used, this can have the effect that the detection devices each detect similar sections of the marker arrangement (for example individual markers equally distributed in a respective image plane). As a result, systematic error components can at least partially cancel each other out.
Allgemein ermöglicht die hierin vorgestellte Lösung das zuverlässige und aufwandsarme Ermitteln von Fehleranteilen. Besonders zuverlässig gelingt dies mit einem konzentrisch auf der Drehachse positionierten Target, dass drehsymmetrisch verteilte Marker aufweist. Zusätzlich wird dies dann verbessert, wenn auch die Erfassungseinrichtungen drehsymmetrisch um die Drehachse positioniert sind.In general, the solution presented here enables the reliable and low-cost determination of error components. This succeeds particularly reliably with a target which is positioned concentrically on the axis of rotation and which has markers distributed in a rotationally symmetrical manner. In addition, this is improved if the detection devices are also positioned rotationally symmetrically about the axis of rotation.
In an sich bekannter Weise können während einer Kalibrierung auftretende Fehler den einzelnen Baugruppen oder Untersystemen der hierin verwendeten Messanordnung wie folgt zugeordnet werden:
- - das Target (bzw. die Markeranordnung) ist fehlerbehaftet;
- - die Drehachse ist fehlerbehaftet;
- - die einzelnen Erfassungseinrichtungen sind fehlerbehaftet;
- - die Bestimmung der Erfassungseinrichtungen zueinander (extrinsische Kalibrierung) ist fehlerbehaftet.
- - the target (or the marker arrangement) is faulty;
- - the axis of rotation is faulty;
- - the individual recording devices are faulty;
- - The determination of the detection devices to one another (extrinsic calibration) is flawed.
Prinzipiell können diese Fehler in reproduzierbare und nicht reproduzierbare Anteile getrennt werden (zum Beispiel in Bezug auf bzw. für die Dauer des Messablaufes). Die vorliegende Lösung richtet sich insbesondere auf die Bestimmung der Drehachsenfehler. Um diese präzise zu bestimmen, sind diese vorteilhafterweise getrennt (separiert) von den anderen Fehlern zu betrachten und zu ermitteln.In principle, these errors can be separated into reproducible and non-reproducible parts (for example in relation to or for the duration of the measurement process). The present solution is aimed in particular at determining the axis of rotation errors. In order to determine these precisely, they are advantageously to be viewed and determined separately from the other errors.
Hierfür können folgende Annahmen, allein oder in beliebiger Kombination, zugrunde gelegt werden:
- - Die Fehler des Targets sind während der Messung (d. h. Kalibrierung beziehungsweise Kalibriermessung) konstant;
- - Die Fehler der Erfassungseinrichtungen (zum Beispiel Restfehler einer intrinsischen Kalibrierung diese Erfassungseinrichtungen) sind ebenfalls hinreichend konstant. Bei der Berechnung der einzelnen Markerpositionen ergeben sich an festen Orten im Objektraum bei dieser Annahme stets die gleichen Fehler;
- - Beim Start einer Messung (d. h. Kalibrierung beziehungsweise Kalibriermessung) ist die Lage der Erfassungseinrichtungen zueinander nicht hinreichend genau bekannt. Über die Dauer der Messung ändert sie sich aber nicht mehr.
- - The errors of the target are constant during the measurement (ie calibration or calibration measurement);
- The errors of the detection devices (for example residual errors of an intrinsic calibration of these detection devices) are also sufficiently constant. When calculating the individual marker positions, this assumption always results in the same errors at fixed locations in the object space;
- At the start of a measurement (ie calibration or calibration measurement), the position of the detection devices with respect to one another is not known with sufficient accuracy. However, it no longer changes over the duration of the measurement.
Es hat sich gezeigt, dass sich der größte Fehleranteil bei realen Versuchen in der Regel aus dem zweiten Punkt ergibt (Fehler der Erfassungseinrichtungen). Bei der vorliegenden Lösung sind die Kamerafehler bevorzugt ebenso reproduzierbar wie die Fehler des oben beschriebenen Koordinatenmessgeräts.It has been shown that the largest proportion of errors in real tests usually results from the second point (errors in the detection devices). In the present solution, the camera errors are preferably just as reproducible as the errors of the coordinate measuring machine described above.
Wie nachstehend noch anhand der Figuren erläutert, liegt im Fall der hierin bevorzugten konzentrischen Anordnung der Markeranordnung zur Drehachse bei den zu prüfenden (zum Beispiel acht) Winkelstellungen immer genau einer der Marker am Ort einer Erfassungseinrichtungen-Fehlmessung vorliegen. Dadurch ist in jeder zu prüfenden Winkelstellung das Target um den gleichen Betrag fehlerhaft bzw. um den gleichen Betrag verschoben gemessen. Man kann auf diese Weise einen Fehleranteil der Erfassungseinrichtungen ermitteln und berücksichtigen, ohne dass dieser fälschlicherweise als positionsabhängiger Rundlauffehler der Drehachse ermittelt und für eine Kalibrierung verwendet wird.As explained below with reference to the figures, in the case of the concentric arrangement of the marker arrangement with respect to the axis of rotation, which is preferred here, precisely one of the markers is always present at the location of a detection device incorrect measurement in the angular positions to be checked (for example eight). As a result, in every angular position to be tested, the target is incorrect by the same amount or measured shifted by the same amount. In this way, an error portion of the detection devices can be determined and taken into account without this being incorrectly determined as a position-dependent concentricity error of the axis of rotation and used for a calibration.
Im Fall eine nicht-konzentrischen Anordnung des Targets würde hingegen die Gefahr bestehen, dass sich der Fehleranteil der Erfassungseinrichtungen teilweise nicht mehr mit der verdrehten Markeranordnung überlappt. Nur in bestimmten Fällen (bzw. bei bestimmten Bildaufnahmen der Markeranordnung), bei denen die Überlappung vorliegt, würde der Fehler daher zum Tragen kommen. Er wäre folglich nicht mehr entsprechend einfach feststellbar (und zum Beispiel herausrechenbar) und könnte fälschlicherweise als Rundlauffehler der Drehachse interpretiert werden, der nur in bestimmten Drehstellungen auftritt (nämlich nur dann, wenn die Überlappung vorliegt). Auch dies wird nachstehend noch anhand von Figuren erläutert.In the case of a non-concentric arrangement of the target, on the other hand, there would be the risk that the error portion of the detection devices no longer partially overlaps with the rotated marker arrangement. The error would therefore only come into play in certain cases (or with certain image recordings of the marker arrangement) in which there is an overlap. As a result, it would no longer be easy to determine (and, for example, can be calculated out) and could be incorrectly interpreted as a radial runout error of the axis of rotation that only occurs in certain rotational positions (namely only when there is an overlap). This is also explained below with reference to figures.
Gleiches gilt aber auch, wenn die Markanordnung zwar konzentrisch zur Drehachse angeordnet, aber selbst nicht drehsymmetrisch ist. Auch in diesem Fall kann anhand der Bildaufnahmen kein gleichbleibender (Kamera-) Fehleranteil der Erfassungseinrichtungen erkannt werden und könnte dieser Fehleranteil daher fälschlicherweise als Drehachsenfehler interpretiert werden.The same also applies if the medullary arrangement is arranged concentrically to the axis of rotation, but is not itself rotationally symmetrical. In this case, too, no constant (camera) error portion of the detection devices can be recognized on the basis of the image recordings and this error portion could therefore be incorrectly interpreted as an axis of rotation error.
Zusammengefasst wurde erfindungsgemäß erkannt, dass dann, wenn das Target bzw. die Markeranordnung nicht hinreichend drehsymmetrisch und/oder nicht hinreichend konzentrisch zur Drehachse angeordnet ist, Fehler des Kamerasystems (d. h. der Erfassungseinrichtungen) zu falschen Ergebnissen der Drehachsenkalibrierung führen können.In summary, it was recognized according to the invention that if the target or the marker arrangement is not arranged sufficiently rotationally symmetrically and / or not sufficiently concentrically to the axis of rotation, errors in the camera system (i.e. the detection devices) can lead to incorrect results of the axis of rotation calibration.
Ebenso wurde erkannt, dass bei realen Erfassungseinrichtungen (also zum Beispiel einem realen Kamerasystem) die Fehler oftmals nicht einen diskreten Ort betreffen, sondern eine gewisse Ausdehnung haben. Es hat sich daher als vorteilhaft erwiesen, wenn die Marker so klein und zahlreich sind, dass immer eine ganze Region von Markern um einen ähnlichen Fehler versetzt in den erfassten Bildern erkannt werden kann. Das Target sollte vorteilhafterweise aber auch in diesem Fall möglichst konzentrisch zur Drehachse angeordnet sein.It was also recognized that with real detection devices (for example a real camera system) the errors often do not relate to a discrete location, but rather have a certain extent. It has therefore proven to be advantageous if the markers are so small and numerous that an entire region of markers can always be recognized in the captured images offset by a similar error. In this case too, however, the target should advantageously be arranged as concentrically as possible to the axis of rotation.
Die Anzahl von z.B. in einem einzelnen Kamerabild erfassbaren Markern kann basierend auf einer Bestimmung einer zulässigen Maximalgröße der Marker gewählt werden. Die Maximalgröße kann basierend auf Wiederholfrequenzen (insbesondere Wellenlängen) von beobachteten Fehlern bestimmt werden. Beispielsweise können Fehlerkomponenten des Erfassungssystems (bzw. von Erfassungseinrichtungen, wie Kameras) zum Beispiel in einzelnen Ebenen mit Wellen oder Splines beschrieben werden. In an sich bekannter Weise kann zum Beispiel aus einem Fehlermodell oder aber empirisch ermittelt werden, welche minimale Wellenlänge nötig ist, um die Fehler hinreichend zu beschreiben, wobei die Wellenlänge insbesondere eine Wiederholfrequenz des Fehlers bei Umdrehungen um die Drehachse beschreiben kann.The number of markers that can be recorded, for example, in a single camera image can be selected based on a determination of a permissible maximum size of the markers. The maximum size can be determined based on repetition frequencies (especially wavelengths) of observed errors. For example, fault components of the detection system (or of detection devices such as cameras) can be described, for example, in individual planes with waves or splines. In a manner known per se, it is possible, for example, from an error model or empirically to determine which minimum wavelength is necessary to adequately describe the errors, the wavelength in particular being able to describe a repetition frequency of the error in revolutions about the axis of rotation.
Mit der so ermittelten Wellenlänge kann die Maximalgröße der Marker bestimmt werden, wobei bevorzugt der Abstand zwischen benachbarten Markern und damit (zumindest indirekt) die Größe der Marker kleiner als die Hälfte dieser Wellenlänge ist. Als vorteilhaft hat sich als Marker-Größe ein Viertel der Wellenlänge erwiesen.With the wavelength determined in this way, the maximum size of the markers can be determined, the distance between adjacent markers and thus (at least indirectly) the size of the markers preferably being smaller than half of this wavelength. A quarter of the wavelength has proven to be advantageous as a marker size.
Ebenso bevorzugt aber nicht zwingend ist es, wenn die Erfassungseinrichtungen symmetrisch um die Rotationsachse verteilt werden. Letzteres wurde daher als vorteilhaft erkannt, da bei realen Erfassungs-Optiken (zum Beispiel Kameraobjektiven) Fehler in der Bildmitte (d. h. in der Mitte einer erfassten Aufnahme) in der Regel kleiner als am Rand sind. Außerdem steigt mit größeren aufgenommenen Bildern die Zahl der erfassten Pixel, was aufgrund einer größeren Informationsmenge günstig für die Kalibrierung ist. Ferner resultiert die Berechnung der Verkippung (auch als Taumel oder Tilt bezeichnet), wie für Rückprojektionsverfahren bekanntermaßen vorteilhaft, und gleichzeitig der Position der Markeranordnung relativ zu einer Erfassungseinrichtungen in einem Kompromiss hinsichtlich eines gewählten Betrachtungswinkels einer jeden Erfassungseinrichtung, für den es ebenfalls ein Optimum gibt. Die Verkippung wird bei den Drehachsen auch als Taumel oder Tilt bezeichnet.It is also preferred, but not mandatory, if the detection devices are distributed symmetrically about the axis of rotation. The latter was therefore recognized as advantageous, since with real acquisition optics (for example camera lenses) errors in the center of the image (ie in the center of a captured image) are usually smaller than at the edge. In addition, the larger the captured images, the greater the number of pixels captured, what is favorable for calibration due to a larger amount of information. Furthermore, the calculation of the tilt (also referred to as wobble or tilt), as is known to be advantageous for back projection methods, and at the same time the position of the marker arrangement relative to a detection device result in a compromise with regard to a selected viewing angle of each detection device, for which there is also an optimum. The tilting of the axes of rotation is also referred to as wobble or tilt.
Das Ermitteln der Verkippung ist insbesondere in folgenden Fällen vorteilhaft: Bei manchen Drehachsen soll (ggf. nur) der (Dreh-) Winkelfehler oder Rundlauf geprüft werden. In diesem Fall ist ein gemeinsamer und/oder steiler Blickwinkel der Kameras auf das Target günstig, was durch Ermitteln der Verkippung überprüft und ggf. korrigiert werden kann. Für andere Drehachsen soll dieser Kippfehler jedoch zum Zwecke der späteren Korrektur exakt erfasst werden. In diesem Falle ist ein flacherer (Blick-) Winkel günstiger, was wiederum durch Ermitteln der Verkippung überprüft und ggf. korrigiert werden kann. Der flachere Winkel ist auch zum Prüfen des Planlaufs günstig.Determining the tilt is particularly advantageous in the following cases: For some rotary axes (possibly only) the (rotary) angular error or concentricity should be checked. In this case, a common and / or steep angle of view of the cameras on the target is favorable, which can be checked and, if necessary, corrected by determining the tilt. For other axes of rotation, however, this tilting error should be recorded exactly for the purpose of later correction. In this case, a flatter (viewing) angle is more favorable, which in turn can be checked by determining the tilt and, if necessary, corrected. The shallower angle is also useful for checking the axial run-out.
Je Erfassungseinrichtungen ergibt sich daher ein Optimum der Anordnung relativ zur Markeranordnung und/oder Drehachse, welches experimentell bestimmt werden kann (zum Beispiel mit dem Ziel, ein Signal-Rausch-Verhältnis zu minimieren). Wird eine Mehrzahl von Erfassungseinrichtungen verwendet, wiederholt sich dieses Optimum in der Regel periodisch, sodass eine entsprechend symmetrische Anordnung und die Drehachse resultiert und zum Erreichen optimaler Bilderfassungsbedingungen vorteilhaft ist. Dieser Zusammenhang wurde experimentell ermittelt und verifiziert, insbesondere für Anordnungen mit bis zu fünf Erfassungseinrichtungen.For each detection device, there is therefore an optimum of the arrangement relative to the marker arrangement and / or axis of rotation, which can be determined experimentally (for example with the aim of minimizing a signal-to-noise ratio). If a plurality of acquisition devices is used, this optimum is usually repeated periodically, so that a correspondingly symmetrical arrangement and the axis of rotation result and is advantageous for achieving optimal image acquisition conditions. This relationship was determined and verified experimentally, in particular for arrangements with up to five detection devices.
Allgemein kann die Markeranordnung mehrere Einzelmarker umfassen. Diese sind bevorzugt kreisförmig und/oder in jeweils gleichen Winkelabständen zueinander (oder alternativ ausgedrückt gleichmäßig) um einen Mittelpunkt der Markeranordnung verteilt. Der Mittelpunkt der Markeranordnung kann ein geometrischer Mittelpunkt und/oder Schwerpunkt sein, der sich zum Beispiel aus den Mittelpunkten der Mehrzahl von Einzelmarkern ergibt. Es kann sich auch um einen Mittelpunkt handeln, der konzentrisch zur Drehachse und insbesondere dessen Rotationsbewegungsachse positioniert wird.In general, the marker arrangement can comprise a plurality of individual markers. These are preferably distributed circularly and / or at equal angular distances from one another (or, alternatively, evenly expressed) around a center point of the marker arrangement. The center of the marker arrangement can be a geometric center and / or center of gravity, which results, for example, from the centers of the plurality of individual markers. It can also be a center point that is positioned concentrically to the axis of rotation and, in particular, to its axis of rotational movement.
Bezüglich der Winkelabstände der Einzelmarker können die vorstehenden Ausführungen zu Winkelabständen der Erfassungseinrichtungen ebenso zutreffen, beispielsweise in der Form, dass diese jeweils von unmittelbar benachbarten Einzelmarkern und/oder auf einem gemeinsamen Kreisumfang liegenden Einzelmarkern gleichartig beanstandet sind.With regard to the angular spacings of the individual markers, the above statements on angular spacings of the detection devices can also apply, for example in the form that these are similarly spaced apart from immediately adjacent individual markers and / or individual markers lying on a common circumference.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Markeranordnung eine Mehrzahl von jeweils kreisförmig angeordneten Gruppen von Einzelmarkern. Jede Gruppe kann dabei entlang eines eigenen Kreisumfang verteilt sein, bevorzugt mit entsprechend gleichmäßigen Winkelabständen zueinander. Diese Winkelabstände können für die Gruppen auch gleich sein, sodass (virtuelle) radiale Geraden gebildet werden können, die Einzelmarker aus unterschiedlichen Gruppen schneiden. Die Kreisumfänge bzw. dazugehörigen Kreise können voneinander abweichende Radien aufweisen. Bevorzugt sind sie konzentrisch zueinander angeordnet.According to one embodiment, the marker arrangement comprises a plurality of groups of individual markers, each arranged in a circle. Each group can be distributed along its own circumference, preferably with correspondingly uniform angular distances from one another. These angular distances can also be the same for the groups, so that (virtual) radial straight lines can be formed that intersect individual markers from different groups. The circumferences or associated circles can have radii that differ from one another. They are preferably arranged concentrically to one another.
Wie erwähnt, kann allgemein vorgesehen sein, dass die Markeranordnung drehsymmetrisch angeordnete Einzelmarker umfasst und/oder allgemein rotationssymmetrisch ist, zum Beispiel bezogen auf einen (geometrischen) Mittelpunkt der Markeranordnung. Erneut kann unter einer Drehsymmetrie verstanden werden, dass die Markeranordnung bei einer (gedanklichen) Drehung zum Beispiel um die vorstehend erwähnten Winkelabstände wieder auf sich selbst abgebildet wird. Insbesondere können Einzelmarker der Markeranordnung auf gleichartige und vormals an gleicher Stelle positionierte Einzelmarker abgebildet werden.As mentioned, it can generally be provided that the marker arrangement comprises rotationally symmetrical individual markers and / or is generally rotationally symmetrical, for example in relation to a (geometric) center point of the marker arrangement. Again, rotational symmetry can be understood to mean that the marker arrangement is mapped onto itself again in the event of an (imaginary) rotation, for example by the above-mentioned angular distances. In particular, individual markers of the marker arrangement can be mapped onto similar and previously positioned individual markers.
Bevorzugt wird ferner, dass mehr als zwei Kameras verwendet werden. Da jede Messung verrauscht ist, kann mit einer gesteigerten Anzahl von Kameras das Signal-zu-Rausch-Verhältnis verbessert werden.It is also preferred that more than two cameras are used. Since every measurement is noisy, the signal-to-noise ratio can be improved with an increased number of cameras.
Andererseits resultiert aus dem Verwenden von mehr als zwei Kameras eine Überbestimmung: Für jeden (Einzel-) Marker sind mehrere Triangulationsergebnisse möglich. Für die üblichen photogrammetrischen Anwendungen haben sich das Bündelblockverfahren sowie die Verwendung des Median als besonders robust zum Auflösen dieser Überbestimmung erwiesen.On the other hand, the use of more than two cameras results in overdetermination: Several triangulation results are possible for each (individual) marker. For the usual photogrammetric applications, the bundle block method and the use of the median have proven to be particularly robust for resolving this overdetermination.
Beim Bündelblockverfahren wird aus allen möglichen Triangulationen implizit über Fehlerquadratminimierung ein Optimum berechnet. Fehler einer einzelnen Erfassungseinrichtung (d. h. Kamera) werden dadurch implizit stärker gewichtet, was nachteilig sein kann.In the bundle block method, an optimum is implicitly calculated from all possible triangulations by minimizing least squares. Errors of a single detection device (i.e. camera) are thereby implicitly weighted more heavily, which can be disadvantageous.
Häufig wird daher auch der Median verwendet: Aus allen möglichen Triangulationen werden Objektpunkte berechnet (d. h. Koordinaten der Marker, zum Beispiel als Triangulationsergebnis) Der Median wird dann zum Beispiel achsweise berechnet (d. h. je Achse eines Koordinatensystems, in dem die Koordinaten der Marker beziehungsweise des Objekts ermittelt werden). Ein berechneter Median kann dann direkt als Objektpunkt verwendet werden. Alternativ kann der Median zum Filtern der Messdaten verwendet werden: Über einen maximalen Abstand zu diesem Median (Medianfilter) wird ausgewählt, welche Objektpunkte für das Bündelblockverfahren verwendet werden sollen, die Bündelblockberechnung wird dann also nur mit einem Teil der Marker-Abbildungskoordinaten durchgeführt.The median is therefore often used: Object points are calculated from all possible triangulations (i.e. coordinates of the markers, for example as a triangulation result) The median is then calculated, for example, for each axis (i.e. for each axis of a coordinate system in which the coordinates of the marker or the object be determined). A calculated median can then be used directly as an object point. Alternatively, the median can be used to filter the measurement data: A maximum distance from this median (median filter) is used to select which object points are to be used for the bundle block method; the bundle block calculation is then only carried out with part of the marker mapping coordinates.
In beiden Fällen kann es vorkommen, dass sich durch leichtes Rauschen oder auch geringe Abweichung von den hierin offenbarten Symmetrie- und Konzentrizitätsbedingungen der Median unerwünscht und vor allem sprunghaft ändert.In both cases it can happen that the median changes undesirably and, above all, abruptly due to slight noise or also slight deviation from the symmetry and concentricity conditions disclosed herein.
Damit sich die ortsfesten Fehler der Kameras, wie oben beschrieben, auch dann noch nahezu aufheben, sollten die Markerinformationen (d.h. erfassten Koordinaten) von jeder Kamera bevorzugt stets linear und gleich gewichtet werden. Das lässt sich durch Ausmitteln der erfassten Markerkoordinaten erreichen (z.B. über mehrere erfasste Winkelpositionen hinweg). Damit sich in diesem Zusammenhang etwaiges Bildrauschen nicht negativ auswirkt, sollten die Aufnahmen entsprechend sorgfältig auf bzw. innerhalb der Bildebene gefiltert werden (z.B. mittels eines Rauschfilters mit Deblurring, einer Subpixel- Kantendetektion oder durch Mitteln von mehreren Bildern auf Pixelebene).So that the fixed errors of the cameras, as described above, almost cancel each other out, the marker information (i.e. recorded coordinates) should preferably always be linearly and equally weighted by each camera. This can be achieved by averaging the recorded marker coordinates (e.g. across several recorded angular positions). So that any image noise does not have a negative effect in this context, the recordings should be filtered accordingly on or within the image plane (e.g. using a noise filter with deblurring, subpixel edge detection or by averaging several images at the pixel level).
Wie erwähnt, ist die Markeranordnung bevorzugt konzentrisch relativ zu der Drehachse (und insbesondere dessen Rotationsbewegungsachse) angeordnet wird. Insbesondere kann die Anordnung derart erfolgen, dass das ein erwähnter Mittelpunkt (oder auch geometrischer Schwerpunkt) der Markeranordnung, um den bevorzugt mehrere Einzelmarker rotationssymmetrisch angeordnet sind, von einer Rotationsbewegungsachse der Drehachse geschnitten wird.As mentioned, the marker arrangement is preferably arranged concentrically relative to the axis of rotation (and in particular its axis of rotational movement). In particular, the arrangement can take place in such a way that the one mentioned center point (or also geometric center of gravity) of the marker arrangement, around which a plurality of individual markers are preferably arranged rotationally symmetrically, is intersected by an axis of rotational movement of the axis of rotation.
Wenn die Erfassungseinrichtungen ebenfalls drehsymmetrisch und/oder konzentrisch zu der Drehachse (und insbesondere dessen Rotationsbewegungsachse) angeordnet sind, kann dann auch eine allgemein bevorzugte Relativausrichtung der Erfassungseinrichtungen und Markeranordnung erreicht werden. Beispielsweise können diese dann jeweils drehsymmetrisch zu und/oder konzentrisch zu der Drehachse positioniert sein.If the detection devices are also arranged rotationally symmetrically and / or concentrically to the axis of rotation (and in particular its axis of rotational movement), a generally preferred relative alignment of the detection devices and marker arrangement can then also be achieved. For example, these can then each be positioned rotationally symmetrically to and / or concentrically to the axis of rotation.
Wie erwähnt, kann die Drehachse in einem Multi-Drehachsen-Gelenk (z.B. einem Dreh-Schwenk-Gelenk) des Koordinatenmessgeräts verbaut sein. Unter einem Multi-Drehachsen-Gelenk kann ein Gelenk mit mehreren z.B. als eine kinematische Kette angeordneten Drehachsen verstanden werden. Die Drehachsen können jeweils um unterschiedliche Rotationsbewegungsachsen drehbar sein. Beispielsweise können innerhalb des Gelenks wenigstens zwei oder drei Drehachsen vorgesehen sein und die Rotationsbewegungsachsen hiervon können jeweils paarweise zueinander orthogonal verlaufen.As mentioned, the axis of rotation can be built into a multi-axis joint (e.g. a rotary-swivel joint) of the coordinate measuring machine. A multi-axis joint can be understood as a joint with several axes of rotation, e.g. arranged as a kinematic chain. The axes of rotation can each be rotatable about different axes of rotational movement. For example, at least two or three axes of rotation can be provided within the joint and the axes of rotation of these can each run in pairs orthogonally to one another.
Die Drehachse kann, insbesondere wenn sie von einem Multi-Drehachsen-Gelenk umfasst ist, dazu eingerichtet sein, einen (zum Beispiel taktilen oder optischen) Messsensor und/oder einen taktilen Messtaster aktiv zu bewegen und insbesondere relativ zu einem zu vermessenden Bauteil zu verdrehen. Insbesondere kann die Drehachse an einem Koordinatenmessgerät (zum Beispiel an dessen Pinole) angeordnet sein und/oder von diesem in einem Arbeitsraum bevorzugt linear verfahren werden.The axis of rotation, in particular if it is comprised by a multi-axis joint, can be set up to actively move a (for example tactile or optical) measuring sensor and / or a tactile measuring probe and, in particular, to rotate it relative to a component to be measured. In particular, the axis of rotation can be arranged on a coordinate measuring machine (for example on its quill) and / or preferably linearly moved by this in a work space.
Insbesondere in letzterem Fall (aber auch unabhängig hiervon, d. h. als ein allgemeiner Aspekt dieser Offenbarung) können die Erfassungseinrichtungen unbeweglich sein und beispielsweise in einem Arbeitsraum und/oder an einem Arbeitstisch oder einer Grundplatte des Koordinatenmessgeräts positioniert sein. Die Markeranordnung kann dann an der Drehachse positioniert sein. Hierfür kann sie eine Schnittstelle aufweisen, die zum Beispiel in eine Wechselschnittstelle des Koordinatenmessgeräts einwechselbar ist (zum Beispiel in eine standardisierte Tasterschnittstelle). Dies ist insbesondere für die nachstehende Ausführungsform relevant, bei der jeder Drehachse aus einer Mehrzahl von Drehachsen eine eigene Markeranordnung zugeordnet wird. Je nach aktuell bewegter bzw. vermessenen Drehachse kann dann die dazugehörige Markeranordnung eingewechselt werden.In the latter case in particular (but also independently thereof, i.e. as a general aspect of this disclosure), the detection devices can be immobile and, for example, be positioned in a work space and / or on a work table or a base plate of the coordinate measuring machine. The marker arrangement can then be positioned on the axis of rotation. For this purpose, it can have an interface that can be exchanged, for example, in an interchangeable interface of the coordinate measuring machine (for example, in a standardized probe interface). This is particularly relevant for the embodiment below, in which each axis of rotation is assigned its own marker arrangement from a plurality of axes of rotation. Depending on the currently moved or measured axis of rotation, the associated marker arrangement can then be exchanged.
Alternativ kann die Drehachse in einem Drehtisch des Koordinatenmessgeräts verbaut sein. Der Drehtisch kann allgemein dazu eingerichtet sein, ein Bauteil relativ zu einem Messsensor und insbesondere einem taktilen Messtaster des Koordinatenmessgeräts zu verdrehen.Alternatively, the axis of rotation can be built into a turntable of the coordinate measuring machine. The turntable can generally be set up to rotate a component relative to a measuring sensor and in particular a tactile measuring probe of the coordinate measuring machine.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass eine Mehrzahl von Drehachsen bereitgestellt ist und für jede Drehachse eine gesonderte Markeranordnung bereitgestellt ist und wobei das Verfahren umfasst:
- - konzentrisches Relativanordnen einer jeweiligen Drehachse und einer zugeordneten Markeranordnung und anschließendes Erzeugen der Relativbewegung zwischen einer jeden Drehachse und zugeordneten Markeranordnung.
- - Concentric relative arrangement of a respective axis of rotation and an associated marker arrangement and subsequent generation of the relative movement between each axis of rotation and associated marker arrangement.
Dies kann insbesondere dann relevant sein, wenn ein Multi-Drehachsen-Gelenk mit mehreren Drehachsen vorgesehen ist, wobei für jede der Drehachse Kalibrierinformationen ermittelt werden sollen.This can be relevant in particular if a multi-axis of rotation joint is provided with several axes of rotation, wherein calibration information is to be determined for each of the axis of rotation.
Unter dem konzentrischen Relativanordnen kann insbesondere verstanden werden, dass ein gemeinsames Zentrum und insbesondere ein jeweils entlang einer gemeinsamen Achse liegendes Zentrum von Drehachse und Markeranordnung gebildet wird. Bei dieser Achse kann es sich wiederum um die Rotationsbewegungsachse der Drehachse handeln, die zum Beispiel infolge des konzentrischen Relativanordnens ein Zentrum der Markeranordnung schneiden kann.Concentric relative arrangement can in particular be understood to mean that a common center and in particular a center of the axis of rotation and marker arrangement lying along a common axis. This axis can in turn be the rotational movement axis of the axis of rotation, which, for example, as a result of the concentric relative arrangement, can intersect a center of the marker arrangement.
Diese Variante besitzt den Vorteil, dass die Markeranordnungen für die dazugehörigen Drehachsen bevorzugt innerhalb des Arbeitsraums positioniert werden können, insbesondere derart, dass sie mittels der bevorzugt von den Drehachsen bewegten Erfassungseinrichtungen zum Beispiel bei einer vollständigen Rotation der jeweiligen Drehachsen präzise erfassbar sind. Das Relativanordnen erfolgt bevorzugt zumindest teilweise mittels anderweitiger Bewegungsachsen (insbesondere Linearachsen) des Koord i naten messgeräts.This variant has the advantage that the marker arrangements for the associated axes of rotation can preferably be positioned within the work space, in particular in such a way that they can be precisely detected by means of the detection devices preferably moved by the axes of rotation, for example with a complete rotation of the respective axes of rotation. The relative arrangement is preferably carried out at least partially by means of other movement axes (in particular linear axes) of the coordinate measuring device.
Weiter kann vorgesehen sein, dass für eine Drehachse zwei Markeranordnungen bereitgestellt sind und Relativbewegungen dieser Markeranordnungen ausgeführt und/oder erfasst werden. Insbesondere können diese Markeranordnungen konzentrisch zueinander und bevorzugt auch zu einer gemeinsamen Rotationsachse (vorzugsweise derjenigen der betrachteten Drehachse) angeordnet sein. Weiter können die Markeranordnungen gemäß jeglicher hierin geschilderter Varianten ausgebildet sein und beispielsweise drehsymmetrisch um die Rotationsachse verteilte Einzelmarker umfassen. Vorteilhafterweise wird hierdurch ermöglicht, dass anhand der Relativbewegungen dann auch die Kalibrierung stattfindet und/oder die Fehlerkomponenten der Drehachse bestimmt werden.It can further be provided that two marker arrangements are provided for an axis of rotation and relative movements of these marker arrangements are carried out and / or detected. In particular, these marker arrangements can be arranged concentrically to one another and preferably also to a common axis of rotation (preferably that of the axis of rotation under consideration). Furthermore, the marker arrangements can be designed in accordance with any of the variants described herein and, for example, comprise individual markers distributed rotationally symmetrically about the axis of rotation. This advantageously enables the calibration to then also take place on the basis of the relative movements and / or the error components of the axis of rotation to be determined.
Fehleranteile, welche die Markeranordnungen gemeinsam zum Beispiel relativ zu einem System von Erfassungseinrichtungen erfahren, wie im Fall der nachstehend erläuterten Relativbewegungen, können dann unberücksichtigt bleiben. Anders ausgedrückt kann die Kalibrierung auf Basis der Relativbewegungen der Markeranordnungen zueinander und bevorzugt ausschließlich basierend auf diesen Relativbewegungen stattfinden und können anderweitige Bewegungen und insbesondere gemeinsame Bewegungen der Markeranordnungen (zum Beispiel relativ zu wenigstens einer Erfassungseinrichtung) nicht ermittelt werden und/oder nicht in die Kalibrierung einfließen.Error components which the marker arrangements experience together, for example relative to a system of detection devices, as in the case of the relative movements explained below, can then be disregarded. In other words, the calibration can take place on the basis of the relative movements of the marker arrangements to one another and preferably exclusively based on these relative movements and other movements and in particular joint movements of the marker arrangements (for example relative to at least one detection device) cannot be determined and / or not be included in the calibration .
Wie nachstehend noch anhand der Figuren erläutert, kann die Variante mit einer Mehrzahl von Markeranordnungen zum Beispiel zum Kalibrieren von Drehachsen eines Industrieroboters verwendet werden. Allgemein können die Erfassungseinrichtungen neben der Drehachse bzw. dem Roboter stehen, zum Beispiel auf einem Stativ.As will be explained below with reference to the figures, the variant with a plurality of marker arrangements can be used, for example, for calibrating axes of rotation of an industrial robot. In general, the detection devices can stand next to the axis of rotation or the robot, for example on a tripod.
Relativbewegungen des Stators der zu kalibrierenden Drehachse relativ zu den Erfassungseinrichtungen können allgemein in einem oder sämtlichen der folgenden Fällen auftreten:
- - Die Erfassungseinrichtungen und/oder das Stativ wackeln zum Beispiel infolge einer Berührung.
- - Nach dem Anordnen erfahren die Erfassungseinrichtungen und/oder das Stativ eine Positionsänderung aufgrund eines Temperaturdrifts.
- - Durch Verlagerung des Schwerpunkts der weiteren Roboterachsen deformieren sich in einer kinematischen Kette vorgelagerte Vorrichtungskomponenten (zum Beispiel Roboterglieder) bis zum Stator der zu kalibrierenden Drehachse.
- - The detection devices and / or the tripod wobble, for example as a result of contact.
- - After the arrangement, the detection devices and / or the stand experience a change in position due to a temperature drift.
- - By shifting the center of gravity of the other robot axes, upstream device components (for example robot links) are deformed in a kinematic chain up to the stator of the axis of rotation to be calibrated.
Es hat sich gezeigt, dass derartige Relativbewegungen in der Regel derart groß sind, dass sie bei der Bestimmung der Drehachsenfehler nicht vernachlässigt werden dürfen und zugleich so klein, dass sie die hierin geschilderten vorteilhaften Symmetrie- und Konzentrizitätsbedingungen nicht unzulässig stark verletzten.It has been shown that such relative movements are usually so large that they must not be neglected when determining the axis of rotation errors and at the same time so small that they do not violate the advantageous symmetry and concentricity conditions described here in an impermissibly strong manner.
Zum Kalibrieren der Drehachse mit obiger Mehrzahl von Markeranordnungen kann diese bewegt werden. Eine Relativbewegung zwischen den Markeranordnungen tritt dann auf, wenn sich bei einer Rotation der Drehachse eine davon in einem größeren Ausmaß bewegt (d. h. mehr verdreht wird als die andere). Die sich weniger stark oder auch gar nicht verdrehende Markeranordnung kann an einem Stator der Drehachse angeordnet sein.To calibrate the axis of rotation with the above plurality of marker arrangements, it can be moved. Relative movement between the marker arrays occurs when one of them moves (i.e., rotates more than the other) to a greater extent when the axis of rotation is rotated. The marker arrangement, which rotates less or not at all, can be arranged on a stator of the axis of rotation.
In betrachteten Winkelstellungen kann für die Markeranordnung am Stator (z.B. eine äußere Markeranordnung, welche eine innere Markernordnung umschließt und/oder bevorzugt konzentrisch aufnimmt) ein Koordinatensystem bestimmt werden. Anschließend können die Markeranordnungs-Daten des Rotors (z.B. einer inneren Markeranordnung, die von der äußeren umgeben und bevorzugt konzentrisch umgeben ist) in das Stator-Koordinatensystem transformiert werden. Letzteres kann gleichbedeutend mit dem Bilden einer Differenz von Koordinatenwerten sein, die anhand der äußeren und inneren Markeranordnung ermittelt wurden.In the angular positions considered, a coordinate system can be determined for the marker arrangement on the stator (e.g. an outer marker arrangement which encloses an inner marker arrangement and / or preferably accommodates it concentrically). Then the marker arrangement data of the rotor (e.g. an inner marker arrangement, which is surrounded by the outer one and is preferably surrounded concentrically) can be transformed into the stator coordinate system. The latter can be synonymous with forming a difference between coordinate values that were determined using the outer and inner marker arrangement.
Auf diese Weise können die reinen kinematischen Fehler der Drehachsen bestimmt werden, ohne dass die Relativbewegung der Kamera zum Stator die Kalibrierung bzw. das Messergebnis signifikant beeinflusst. Dies wird nachstehend noch anhand von Figuren erläutert. Bildlich gesprochen liegt ein Vorteil dieses Vorgehens darin, dass das zugrunde gelegte Koordinatensystem sozusagen gemeinsam mit den fehlerverursachenden Relativbewegungen verfährt beziehungsweise diesen folgt, sodass ermittelte Fehleranteile in diesem Koordinatensystem ermittelbar sind, ohne selbst Relativbewegungsanteile zu umfassen.In this way, the pure kinematic errors of the axes of rotation can be determined without the movement of the camera relative to the stator significantly influencing the calibration or the measurement result. This is explained below with reference to figures. Figuratively speaking, an advantage of this procedure is that the underlying coordinate system travels, so to speak, together with the error-causing relative movements or follows them, so that determined error components in this coordinate system can be determined without even including relative movement components.
Gemäß einer Weiterbildung erfolgt auch ein extrinsisches Kalibrieren (oder, mit anderen Worten, Bestimmen der äußeren Orientierung oder allgemein der relativen Anordnung) der Erfassungseinrichtungen durch Erfassen der Markeranordnung. Zum exzentrischen Kalibrieren einer Mehrzahl von Erfassungseinrichtungen existieren verschiedene Ansätze im Stand der Technik. Ein Vorteil dieser Weiterbildung ist, dass auf die auch im Anschluss verwendete Markeranordnung zurückgegriffen wird. Der Einrichtungsaufwand, die Kosten und die allgemeine Komplexität verringern sich entsprechend.According to a development, extrinsic calibration (or, in other words, determination of the external orientation or generally the relative arrangement) of the detection devices by detecting the marker arrangement also takes place. Various approaches exist in the prior art for eccentric calibration of a plurality of detection devices. One advantage of this development is that the marker arrangement also used subsequently is used. The set-up effort, the costs and the general complexity are reduced accordingly.
Prinzipiell wäre es auch möglich, während einem erstmaligen Erfassen der Markranordnung sowohl die extrinsische Kalibrierung als auch eine Ermittlung der Kalibrierinformationen vorzunehmen. Hierdurch kann sich eine erforderliche Rechenzeit, nicht aber zwingend eine Messzeit vergrößern. Es ist aber vorteilhaft, die extrinsische Kalibrierung vor eigentlichen Objektvermessungen und/oder Kalibriervorgängen durchzuführen, da dann zum Beispiel unmittelbar während dem Vermessen bereits Zwischenergebnisse ausgegeben werden können.In principle, it would also be possible to carry out both the extrinsic calibration and a determination of the calibration information during an initial detection of the marrow arrangement. This can increase a required computing time, but not necessarily a measurement time. However, it is advantageous to carry out the extrinsic calibration before the actual object measurements and / or calibration processes, since then, for example, intermediate results can already be output immediately during the measurement.
Liegen für die Markeranordnung Referenzdaten vor, können diese mit bekannten Ansätzen direkt zur Berechnung der extrinsischen Parameter verwendet werden. Hintergründe hierzu finden sich zum Beispiel in dem Fachbuch „Nahbereichsphotogrammetrie“, Thomas Luhmann, VDE Verlag, 4. Auflage (2018). Vorliegend wurde jedoch erkannt, dass anschließend noch eine Transformation in KMG-Koordinaten vorteilhaft ist, zum Beispiel um zukünftig in KMG-Koordinaten ermittelte Koordinatenwerte mittels der Kalibrierinformationen korrigieren zu können. Hierfür wird vorgeschlagen, eine Position der Markeranordnung in Kamerakoordinaten zu ermitteln und anschließend zum Beispiel mittels Rigid Body Transformation oder einem Block Matching Algorithmus in KMG-Koordinaten transformiert.If reference data is available for the marker arrangement, these can be used directly to calculate the extrinsic parameters using known approaches. Background information can be found, for example, in the specialist book “Nahbereichsphotogrammetrie”, Thomas Luhmann, VDE Verlag, 4th edition (2018). In the present case, however, it was recognized that a transformation into CMM coordinates is then advantageous, for example in order to be able to correct future coordinate values determined in CMM coordinates using the calibration information. For this purpose, it is proposed to determine a position of the marker arrangement in camera coordinates and then to transform it into CMM coordinates, for example by means of rigid body transformation or a block matching algorithm.
Liegen für die Markeranordnung keine Referenzdaten vor, kann die Markeranordnung bevorzugt von anderen Bewegungsachsen außer der zu kalibrierenden Drehachse (insbesondere von etwaigen Linearachsen eines Koordinatenmessgeräts) in verschiedene Positionen bewegt und von den Erfassungseinrichtungen dort erfasst werden. Insbesondere kann stets ein vorbestimmter Einzelmarker in diesen Positionen erfasst werden. Je nach Wahl der angefahrenen Positionen, kann somit eine Art virtuelle Markeranordnung aus dem in den verschiedenen Positionen aufgenommenen Einzelmarkererfassungen erstellt werden (zum Beispiel ein 3x3 Gitter aus Aufnahmen des Einzelmakers, wenn dieser nach Art eines 3x3 Gitters positioniert und erfasst wird). Auf diese Weise kann eine referenzierte virtuelle Markeranordnung sozusagen künstlich erstellt werden und für eine extrinsische Kalibrierung mittels an sich bekannter Algorithmen verwendet werden.If no reference data is available for the marker arrangement, the marker arrangement can preferably be moved into different positions by other axes of movement besides the axis of rotation to be calibrated (in particular by any linear axes of a coordinate measuring machine) and detected there by the detection devices. In particular, a predetermined individual marker can always be recorded in these positions. Depending on the choice of the positions approached, a kind of virtual marker arrangement can be created from the individual marker recordings recorded in the various positions (for example a 3x3 grid from recordings of the single maker if this is positioned and recorded in the manner of a 3x3 grid). In this way, a referenced virtual marker arrangement can be created artificially, so to speak, and used for an extrinsic calibration by means of algorithms known per se.
Bei üblichen Tracking-Verfahren, welche räumliche Bewegungen optischer Marker entlang zunächst unbekannter Pfade verfolgen, ist die Qualität der Referenzdaten einer Markeranordnung sehr wichtig. Die Referenzdaten beschreiben die relative Lage der Marker zueinander. Bei den vorliegenden Kalibrierungen der Drehachse können derartige Referenzdaten aber vorteilhafterweise auch mitbestimmt (d.h. erst im Kalibrierprozess generiert) werden.In conventional tracking methods which track spatial movements of optical markers along initially unknown paths, the quality of the reference data of a marker arrangement is very important. The reference data describe the position of the markers relative to one another. With the present calibrations of the axis of rotation, however, reference data of this type can advantageously also be determined (i.e. only generated in the calibration process).
Die Generierung der Referenzdaten ist dahingehend vorteilhaft, als dass grobe Abweichungen bei der Bildauswertung (insbesondere während der Rückprojektion) zu Fehlern führen könnten. Daher kann zumindest eine neue (z.B. erstmals betrachtete) Markeranordnung zumindest einmalig vor bzw. bei dem Durchführen einer Kalibrierung aus unterschiedlichen Winkeln photogrammetrisch vermessen werden. Hierunter wird auch verstanden, dass zunächst nur provisorische bzw. initiale Referenzdaten durch messtechnisch erfasste Referenzdaten ergänzt und/oder ersetzt werden.The generation of the reference data is advantageous in that gross deviations in the image evaluation (in particular during the back projection) could lead to errors. Therefore, at least one new marker arrangement (e.g. viewed for the first time) can be photogrammetrically measured at least once before or when performing a calibration from different angles. This is also understood to mean that initially only provisional or initial reference data are supplemented and / or replaced by reference data recorded using measurement technology.
Erfindungsgemäß kann also auch die Maßnahme vorgesehen sein, Referenzdaten der Markeranordnung zu ermitteln, bevorzugt in der nachstehend erläuterten Weise. Insbesondere kann es dabei vorkommen, dass in einzelnen Winkelstellungen nicht alle Marker einer Markeranordnung erfasst und/oder im Rahmen einer Bildauswertung detektiert wurden. Dann kann wie folgt vorgegangen werden, wobei die nachstehenden Maßnahmen auch einzeln und/oder in beliebiger Kombination vorgesehen und beansprucht werden können:
- - Ermitteln einer günstigen Startwinkelstellung (zum Beispiel mit demjenigen Bilddatensatz, mit den meisten bspw. anhand von initialen Referenzdaten erkannten Markern);
- - Ersetzen der Referenzdaten durch Objektkoordinaten der erkannten Marker, die in der Startwinkelstellung bspw. per Triangulation bestimmt wurden;
- - Für nicht erkannte Marker werden initiale Koordinaten bzw. Referenzdaten aus der Startwinkelstellung weiter behalten;
- - Wiederholen der Marker-Berechnung und Objektkoordinatenberechnung mit Rückprojektionsverfahren und aktuellen (d.h. teilweise ersetzten) Referenzdaten;
- - Transformieren der Objektkoordinaten aller Marker in ein gemeinsames Koordinatensystem (z.B. mit Transformationsmatrix für jede Winkelstellung aus sogenannter Rigid-Body-Transformation mit aktuellen Referenzdaten der Marker in dieser Winkelstellung);
- - Daraus ergeben sich für die meisten Marker mehrere nahe beieinander liegende Koordinaten. Diese werden gemittelt und als neue, verbesserte Referenzdaten gespeichert.
- - Bevorzugtes Wiederholen der wiederholten Markerberechnungen (vorzugsweise samt anschließender Transformation und Mittelung) solange, bis die Wiederholung der Marker-Berechnung keine neuen Marker-Objektkoordinaten mehr ergibt.
- Determination of a favorable starting angle position (for example with that image data set, with most of the markers recognized, for example, on the basis of initial reference data);
- - Replacing the reference data with object coordinates of the recognized markers, which were determined in the starting angle position, for example by triangulation;
- - For unrecognized markers, initial coordinates or reference data from the starting angle position are retained;
- - Repeating the marker calculation and object coordinate calculation with back projection method and current (ie partially replaced) reference data;
- - Transforming the object coordinates of all markers into a common coordinate system (e.g. with a transformation matrix for each Angular position from so-called rigid body transformation with current reference data of the markers in this angular position);
- - This results in several closely spaced coordinates for most markers. These are averaged and saved as new, improved reference data.
- - Preferred repetition of the repeated marker calculations (preferably including subsequent transformation and averaging) until the repetition of the marker calculation no longer results in any new marker object coordinates.
Da dieses Vorgehen robust und sicher ist und eine vergleichsweise kurze Rechenzeit benötigt, kann es in jegliche Drehachs-Vermessung integriert werden.Since this procedure is robust and safe and requires a comparatively short computing time, it can be integrated into any rotary axis measurement.
Die Erfindung betrifft auch eine Anordnung zum Kalibrieren einer Drehachse für Koordinatenmessungen, wobei die Anordnung eine Drehachse (von einem Koordinatenmessgerät und insbesondere ein Koordinatenmessgerät mit einer solchen Drehachse), wenigstens eine Markeranordnung und wenigstens zwei Erfassungseinrichtungen umfasst,
wobei eine Relativbewegung zwischen der Markeranordnung und den Erfassungseinrichtungen mittels der Drehachse erzeugbar ist, während die Erfassungseinrichtungen die Markeranordnungen jeweils optisch erfassen;
und wobei die Anordnung eine Computereinrichtung umfasst, die dazu eingerichtet ist
- - Koordinaten der Markeranordnung auf Basis von Erfassungsinformationen der optischen Erfassungseinrichtungen zu ermitteln; und
- - Kalibrierinformationen zum Kalibrieren der Drehachse anhand der ermittelten Koordinaten zu bestimmen.
wherein a relative movement between the marker arrangement and the detection devices can be generated by means of the axis of rotation, while the detection devices each detect the marker arrangements optically;
and wherein the arrangement comprises a computer device which is adapted to do so
- To determine coordinates of the marker arrangement on the basis of detection information from the optical detection devices; and
- - To determine calibration information for calibrating the axis of rotation on the basis of the determined coordinates.
Allgemein können sämtliche Ausführungen von und Weiterbildungen zu den Verfahrensmerkmalen auch auf die gleichlautenden Anordnungsmerkmale zutreffen bzw. bei diesen vorgesehen sein. Insbesondere kann die Anordnung dazu eingerichtet sein, sämtliche Schritte, Maßnahmen und Betriebszustände der hierin geschilderten Art vorzunehmen und/oder auszuführen. Dies kann zum Beispiel mittels der Computereinrichtung erfolgen.In general, all statements and developments relating to the method features can also apply to the identical arrangement features or be provided for them. In particular, the arrangement can be set up to undertake and / or carry out all steps, measures and operating states of the type described herein. This can be done, for example, by means of the computer device.
Allgemein kann die Computereinrichtung wenigstens eine Prozessoreinrichtung und/oder wenigstens eine Speichereinrichtung umfassen. Die Prozessoreinrichtung kann dazu eingerichtet sein, auf der Speichereinrichtung hinterlegte Programmanweisungen, Algorithmen und/oder Instruktionen auszuführen. Hierdurch kann sie dann die vorstehend geschilderten, aber auch jegliche anderweitigen hierin offenbarten erfindungsgemäßen Maßnahmen ausführen oder veranlassen.In general, the computer device can comprise at least one processor device and / or at least one memory device. The processor device can be set up to execute program instructions, algorithms and / or instructions stored in the memory device. In this way, it can then carry out or initiate the measures according to the invention described above, but also any other measures disclosed herein.
Allgemein kann die Computereinrichtung über eine Datenverbindung mit den Erfassungseinrichtungen verbunden sein und von diesen Erfassungsinformationen erhalten oder aber anderweitige Informationen, auf deren Basis dann Erfassungsinformationen von der Computereinrichtung ermittelt werden.In general, the computer device can be connected to the acquisition devices via a data connection and can receive acquisition information from them or other information on the basis of which acquisition information is then determined by the computer device.
Weiter kann die Computereinrichtung dazu eingerichtet sein, die Kalibrierinformationen beispielsweise zwecks zukünftiger Messwertkorrekturen an eine Steuereinrichtung der Drehachse und/oder eines die Drehachse umfassenden Koordinatenmessgeräts zu übermitteln. Insbesondere kann aber die Computereinrichtung dazu eingerichtet sein, eine solche Messwertkorrektur selbst durchzuführen. Gemäß einer Ausführungsform ist die Computereinrichtung von einer Steuereinrichtung eines Koordinatenmessgeräts umfasst bzw. bildet diese Steuereinrichtung.Furthermore, the computer device can be set up to transmit the calibration information to a control device of the axis of rotation and / or a coordinate measuring device comprising the axis of rotation, for example for the purpose of future measured value corrections. In particular, however, the computer device can be set up to carry out such a measured value correction itself. According to one embodiment, the computer device is comprised by a control device of a coordinate measuring device or forms this control device.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten schematischen Figuren erläutert. Gleichwirkende oder gleichartige Merkmale können dabei figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein.
-
1 : zeigt ein Koordinatenmessgerät umfassend eine Anordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, die ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel ausführt. -
2 : zeigt ein Koordinatenmessgerät umfassend eine Anordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, die ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel ausführt. -
3A-C : zeigen Beispiele für Markeranordnungen, wie sie beiden Varianten der 1 und2 verwendet werden können; -
4 zeigt ein Ablaufschema für ein Verfahren, wie es mitden Anordnungen aus 1 und2 ausführbar ist; -
5A-D zeigen Beispiele zur Erläuterung einer vorteilhaften konzentrischen und drehsymmetrischen Markeranordnung; -
6A-C zeigen eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform mit einer Mehrzahl von Markeranordnungen die beispielhaft zur Kalibrierung einer Roboter-Drehachse eingesetzt werden.
-
1 : shows a coordinate measuring machine comprising an arrangement according to a first embodiment, which executes a method according to the invention according to a first embodiment. -
2 : shows a coordinate measuring machine comprising an arrangement according to a second exemplary embodiment, which executes a method according to the invention according to a second exemplary embodiment. -
3A-C : show examples of marker arrangements as used in the variants of the1 and2 can be used; -
4th shows a flow chart for a method as it relates to thearrangements 1 and2 is executable; -
5A-D show examples to explain an advantageous concentric and rotationally symmetrical marker arrangement; -
6A-C show a further embodiment according to the invention with a plurality of marker arrangements which are used by way of example for calibrating a robot axis of rotation.
Das Koordinatenmessgerät
Die Computereinrichtung
Die Position der Kameras
Die Kameras
Dies ist vorteilhaft für eine rotationssymmetrische Anordnung um die Drehachse
Diese Rotationsachse fällt bevorzugt mit einer Rotationsbewegungsachse R der zu kalibrierenden Drehachse
Die Anordnung
Um die zweite Drehachse
Zur Kalibrierung wird die Markeranordnung
Die Computereinrichtung
Durch Auswerten einer Mehrzahl von Kamerabildern für jede Drehstellung der Drehachse
Diese werden von der Computereinrichtung
In
Auf dem Drehtisch
An der Pinole
Nach einem Ausrichten der Kameras
Analog, wie zur
In den
Die Markeranordnung
Sämtliche Markeranordnungen
Im Fall von
Jeder Einzelmarker
Zunächst Bezug nehmend auf
Sämtliche dieser Einzelmarker
Die Anzahl und Verteilung der kreisförmigen Einzelmarker
Eine Symmetrieachse, um die die Einzelmarker
Der zentrale Aruco-Einzelmarker
Im Folgenden wird auf die Markeranordnung
Um die bevorzugte drehsymmetrische Eigenschaft der Markeranordnung
Die Drehsymmetrie liegt erneut in Bezug auf eine orthogonal auf der Blattebene stehende Symmetrieachse vor. Diese fällt, wie zur
Im Folgenden wird auf die Markeranordnung
Gezeigt ist eine Längsachse L der Markeranordnung
Bevorzugt wird auch in diesem Fall die Markeranordnung
In
In einem Schritt
In einem Schritt
In einem Schritt
In einem Schritt
Insbesondere können die Kalibrierinformationen in einer Korrekturmatrix oder Korrekturdatei gespeichert werden. Diese können auf einem Datenträger, einer Datenbank oder einem Speicherbaustein gespeichert werden, welche jeweils der Drehachse zugeordnet oder in dieser eingebaut sein können.In particular, the calibration information can be stored in a correction matrix or correction file. These can be stored on a data carrier, a database or a memory module, which can each be assigned to the axis of rotation or built into it.
Analog zu bekannten Verfahren können diese Kalibrierinformationen vor oder bei der Verwendung der Drehachse im Zielsystem (zum Beispiel einem Messroboter oder einer Drehachse eines KMGs) in eine Recheneinheit (zum Beispiel von einer Steuereinrichtung) geladen und zur Korrektur der gewonnenen Messdaten verwendet werden.Analogous to known methods, this calibration information can be loaded into a computing unit (for example by a control device) before or when the axis of rotation is used in the target system (for example a measuring robot or a rotary axis of a CMM) and used to correct the measurement data obtained.
In den
Die
Jede der Markeranordnungen
Die Einzelmarker
Ferner gezeigt sind Fehlerkomponenten FM, FK, die in bei einer Messung erfassten Verschiebungen gegenüber dem abgebildeten Idealzustand (oder, mit anderen Worten, dem Referenzzustand) der Einzelmarker
Im Fall der konzentrischen Anordnung gemäß den
Bei den nicht-konzentrischen Anordnung der
In den
Aus den
Jede der Markeranordnungen
Gezeigt sind auch verschiedene Fehlerkomponenten, die Relativbewegungen zwischen dem Kamerasystem
Beispielsweise wirkt im Fall von
Wie im allgemeinen Beschreibungsteil bereits erläutert, kann deshalb vorgesehen sein, die äußere Markeranordnung
Genauer gesagt können die bei den Referenzmarkern
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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