JP2009509778A - 生産機械におけるカメラの校正方法及びシステム - Google Patents

Abstract

本発明は生産機械の作業室（１０）におけるカメラ（１２）の校正のための方法及びシステムに関する。その際校正対象（２４）が機械の作業室（１０）内の異なる位置に動かされ、カメラ（１２）によって撮影され、校正対象（２４）のパラメータがカメラ（１２）の相応の撮像に関係付けられる。確定されたデータを介してカメラ（１２）のパラメータが決定される。カメラ（１２）の特に精密なパラメータを得るため、本発明によれば作業室（１０）内の校正対象（２４）の異なる位置が機械の測定システムを利用して決定され、その際カメラ（１２）のパラメータの確定が機械の測定システムのデータを考慮して実行される。

Description

本発明は、請求項１ないし９の上位概念に示されるような種類の生産機械におけるカメラを校正するための方法およびシステムに関する。

生産機械の内部には、生産プロセスを監視したり生産プロセスに対するパラメータを確定するため、このようなカメラが広い利用範囲に使用される。ここでは模範的に、衝突監視、部品識別、部品測定、又は部品位置識別が挙げられ、その際そのため１つ又は複数のカメラが生産機械の内部に配置されている。機械の作業室に配置されたカメラによってこのような監視機能や識別機能を十分に信頼できるようにかつ精密に実施し得るようにするためには、カメラの機械に関係する位置及びカメラの内部パラメータができるだけ正確に決定され得なければならない。言い換えれば、カメラの内在的及び外在的パラメータが正確に知られているほど、カメラによって撮影される画像ないしフィルム映像がより精密かつ信頼性をもって評価され得る。ここで内在的パラメータとは、そのレンズの焦点距離のようなカメラ固有のデータ又はセンサのパラメータを意味する。これに対し外在的パラメータとは生産機械の作業室内のカメラの位置ないし座標及び方位を意味する。

カメラの外在的パラメータを確定するため、今日行われている校正方法においては、その形態において、またその寸法において既知の校正対象が機械の作業室内の異なる位置に手動で動かされ、その際カメラによって撮影される。校正対象の各位置のパラメータは、カメラのパラメータを決定するため、十分に情報ないしデータが存在するまでカメラの相応する撮像に関係付けられる。校正対象の情報ないしパラメータ及びそれぞれ関係付けられたカメラの撮像は、今日では通常、例えばダイレクト・リニア・トランスフォーメイション（Direct Linear Transformation：DLT）等の方法に基くアルゴリズムで計算される。

本発明の課題は、冒頭に述べたような方法及びシステムを改善し、カメラの内在的及び外在的パラメータの正確な決定を実施し得るようにすることにある。

この課題は本発明に従えば、請求項１ないし９の特徴を有する生産機械におけるカメラの校正のための方法及びシステムによって達成される。本発明の目的にかない且つありきたりでない発展形態を持った有利な構成は、従属請求項に記載されている。

本発明に従う方法においては、機械の作業室内の校正対象の異なる位置が、機械のいずれにしろ存在する測定システムを利用して決定される。カメラの位置及び特に外在的パラメータの確定はその際、機械の測定システムのデータを考慮して行われる。生産機械ないし工作機械は、その運動軸に通常そのような測定システムを備え、その測定システムによって１つ又は複数の機械軸に沿う調整が確定され得る。異なる座標系、例えば機械座標系又は工具座標系への変換は、機械内の既知の依存性に基いて行われる。

本発明によれば、それゆえ校正対象の位置決めは従来のように手動で行われるのではなく、むしろ機械のいずれにしろ存在する測定システムを用いて行われる。そのため、機械の作業室内の異なる位置を機械軸ないし工具の調整運動を検出する測定システムを介して確定し得るようにするため、校正対象は好ましくは生産機械の可動機械軸又は工具ないし工具取付具に配置される。生産機械はそのため少なくとも１つの調節及び測定可能な軸を有しなければならないが、その軸に基いて機械の作業室内の校正対象の異なる位置が精密に決定され得ることは明らかである。現今通常の加工センタにおいてはこの精度は経験上μｍ領域にあり、その結果生産機械の測定システムはカメラの校正のために十分な精度を供給することができる。したがって機械軸を介しての校正対象の極めて精密な位置決定に基いて、カメラの校正のために必要な撮像は、測定システムを介して検出されるパラメータに関して極めて精密な方法でもたらされる。測定システムを介して検出されるパラメータは、カメラの位置の確定の際共に入り込み、その結果生産機械内のカメラの極めて精密な校正が実現される。

校正対象が生産機械の工具ないし工具取付具に固定されると、測定法の開始前に工具ないし工具取付具の零点（ツール中心点：Tool-Center-Point(TCP)）に関係する校正対象の零点が決定される。このようにして、校正対象の零点（それはカメラの所属の撮像に基き位置決定のために必要である）が、工具ないし工具取付具の零点を介して簡単に決定され得る。言い換えれば、工具ないし工具取付具の零点に対する校正対象の零点は一度決定されなければならないだけである。

カメラの特に正確な校正は、校正対象が機械の作業室内のカメラの検出領域の異なる終位置に動かされると得ることができる。これによって、カメラの検出領域に関して、最大距離における位置パラメータが機械の作業室内で確定され、それによって測定システムに基く誤差を最小化することができる。

校正対象のパラメータのカメラの相応の撮像への関係付けを、生産機械の制御部ないしその測定システムと好ましくは直接接続されている評価手段によって実行することが特に有利であることが示された。その際カメラの位置の確定は計算手段を介して有利に実行され、その計算手段は評価手段のデータに依拠し、例えばダイレクト・リニア・トランスフォーメイション（DLT）又は類似の計算法を介してカメラの位置を確定する。

本発明の他の利点、特徴及び詳細は、以下の有利な実施例の説明および図から明らかにされる。図は生産機械の作業室内のカメラを校正するための方法の経過及びそれに使用されるシステムの概略を示す。

例えば４軸式加工センタとして形成された生産機械ないし工作機械の作業室１０内にカメラ１２が配置され、その撮像が監視、部品識別、部品位置識別、部品測定、衝突監視等において使用される。カメラ１２の撮像（画像又はフィルム映像であってよい）の助けを借りて、生産機械により加工される製品についての十分に精密ないし正確な情報及びパラメータが確定され得るようにするため、カメラ１２の生産機械に関係する位置及びカメラ１２の内在的パラメータが正確に知られていなければならない。レンズの焦点距離のようなカメラ固有の特性又はカメラ１２のセンサのパラメータを示すカメラ１２の内在的パラメータのほかに、特にカメラ１２の外在的パラメータがカメラ１２によって求められた撮像の高い精度のために特に重要である。この外在的パラメータを確定する際、特に生産機械ないしその作業室１０に関係するカメラ１２の位置が重要である。

カメラ１２を精密に校正し得る、ないしそのパラメータを確定し得るようにするため、カメラは機械の作業室１０内のある箇所に配置され、そこでカメラはその後の生産プロセスにおいてその監視機能ないし識別機能を果たすべきである。生産機械の作業室１０内には作業台１４が概略的に示され、その上には後に加工すべき製品が適切なチャック部材１６によって固定することができる。作業台１４はこの実施例では通常の方法で、直角座標系１８によって示されているように、３つの機械軸に沿って移動することができる。

さらに作業室１０内には工具２０を保持しかつ駆動する工具取付具２２が認められ、この工具取付具は本実施例においては同様に座標系１８内に存在する工具軸に沿って運ばれ得る。図に再度単独に図示された工具２０には、本実施例ではいわゆるマーカーとして形成された校正対象２４が固定され、その形態及び寸法差は正確に知られている。言い換えれば、校正対象２４は生産機械の可動の機械軸ないし工具軸に固定される。本実施例において予定されている工具２０への固定の代わりに、校正対象２４を作業台１４又は他の可動の機械軸に固定することも可能である。

生産機械の制御システム２６は、機械座標系及び工具座標系を含み、それらによって例えば作業台１２ないし工具２０の動きは正確に確定することができる。校正対象２４の工具２０ないし工具取付具２２への固定後、制御システム２６の工具座標系によって決定される工具の零点（ツール中心点：Tool-Center-Point(TCP)）に対する校正対象２４のあらかじめ定義された零点が決定され得る。言い換えれば、工具２０の零点の位置を介して、制御システム２６の工具座標系によって確定されて、校正対象２４の零点も知られている。このことは、工具２０ないし工具取付具２２の零点に関係して校正対象２４の移動によって生じる。そこで制御システム２６の操作ユニット２８を介して、カメラ１２の校正を能動化することができる。そのため制御システム２６を介して校正対象２４が少なくとも１つの工具軸ないし機械軸に沿って機械の作業室１０内の異なる位置にもたらされ、その際これらの位置ないし校正対象２４のパラメータは工具座標系を用いて確定される。特に精密な校正を達成するため、校正対象２４は生産機械内のカメラ１２の検出領域の終位置にまで動かされる。校正対象２４の各位置に対応するパラメータは、制御システム２６の評価手段２８によってカメラ１２のそれぞれ所属の撮像に関係付けられ、相応に蓄積される。その際カメラ１２の各撮影にぴったり合うように、工具の対応する零点（ツール中心点(TCP)）及びしたがって校正対象２４の零点の位置も読み出され、再処理のため蓄積される。この過程は、十分に情報が集められるまでの間繰り返される。

十分に情報が評価手段２８によって集められた後、評価手段２８ないし制御システム２６に所属される計算手段３０を介して、カメラ１２の内在的及び特に外在的パラメータを決定することができる。計算手段３０内のカメラ１２のパラメータの確定は、校正対象２４の異なる位置に対し行われる撮影の考慮のもとに、そのため工具座標系ないし機械座標系を介して確定される工具２０の零点及び工具２０の零点の校正対象２４の零点に対する知られた移動の考慮のもとに行われる。計算手段３０内の計算は、その際既知のアルゴリズムに基いて、例えばダイレクト・リニア・トランスフォーメーション（DLT）等のような既知の方法を考慮して行われ、その際工具座標系及び機械座標系の変換が制御システム２６から読み出され計算に共に入り込むと、カメラ１２の外在的パラメータの結果は機械座標系におけるカメラの位置を記述する。

カメラ１２の確定された外在的及び内在的パラメータは、操作ユニット３２に表示されるか、又は相応に制御システム２６に蓄積されるようにすることができる。もちろん、カメラ１２のパラメータの計算を制御システム２６ないし計算手段３０の外部で行うことも可能である。

したがって生産機械の機械軸及び工具軸ないし所属の機械座標系及び工具座標系の極めて高い精度によって、機械座標系内で校正対象２４の位置及び終局的にカメラ１２の位置もが極めて精密に決定されることが可能となり、その結果生産機械の作業室１０内におけるカメラ１２の正確な校正が実現される。

本発明による生産機械の作業室内のカメラを校正するための方法ないしシステムの概略図である。

符号の説明

１０ 作業室
１２ カメラ
１４ 作業台
１６ 制御システム
１８ 座標系
２０ 工具
２２ 工具取付具
２４ 校正対象
２６ 制御システム
２８ 評価手段
３０ 計算手段
３２ 操作ユニット

Claims (13)

1. 生産機械におけるカメラ（１２）の校正のための方法であって、
   ａ）校正対象（２４）が機械内の異なる位置に動かされ、
   ｂ）校正対象（２４）が各位置においてカメラ（１２）によって撮影され、
   ｃ）校正対象（２４）のパラメータがカメラ（１２）の相応の撮像に関係付けられ、
   ｄ）カメラ（１２）のパラメータがステップｃ）において得られたデータによって確定される
   方法において、
   ・ステップａ）に従う校正対象（２４）の位置が機械の測定システムを利用して決定され、
   ・ステップｄ）に従うカメラ（１２）のパラメータの確定が機械の測定システムのデータを考慮して実行される
   ことを特徴とする生産機械におけるカメラの校正方法。
2. 校正対象（２４）がステップａ）の実行前に生産機械の可動の機械軸に配置されることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 校正対象（２４）がステップａ）の実行前に機械の工具（２０）ないし工具取付具（２２）に固定されることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. 工具（２０）ないし工具取付具（２２）の零点に関係して校正対象（２４）の零点が決定されることを特徴とする請求項３記載の方法。
5. 校正対象（２４）のパラメータがステップｃ）に従って工具（２０）ないし工具取付具（２２）の零点に依存して決定されることを特徴とする請求項４記載の方法。
6. 校正対象（２４）がステップａ）において機械内のカメラ（１２）の検出領域の異なる終位置に動かされることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の方法。
7. 校正対象（２４）のパラメータの相応するカメラの撮像への関係付けが評価手段（２８）によって実行されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の方法。
8. ステップｄ）に従うカメラ（１２）のパラメータの確定が、機械の機械座標系ないし工具座標系のデータを考慮して実行されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の方法。
9. 生産機械におけるカメラ（１２）の校正のためのシステムであって、
   ａ）機械内の異なる位置に動かし得る校正対象（２４）、
   ｂ）機械内の各位置における校正対象（２４）を撮影し得るカメラ（１２）、
   ｃ）校正対象（２４）のパラメータをカメラ（１２）の相応の撮像に関係付ける評価手段（２８）
   を有するシステムにおいて、
   ・校正対象（２４）の位置を決定し得る機械の測定システムが設けられ、
   ・評価手段（２８）が機械の測定システムと接続されている
   ことを特徴とする生産機械におけるカメラの校正システム。
10. 計算手段が設けられ、この計算手段を介してカメラ（１２）のパラメータが評価手段（２８）のデータによって確定されることを特徴とする請求項９記載のシステム。
11. 計算手段（３０）が評価手段（２８）と接続されていることを特徴とする請求項１０記載のシステム。
12. 校正対象（２４）が生産機械の可動の機械軸に配置されていることを特徴とする請求項１０又は１１記載のシステム。
13. 校正対象（２４）が生産機械の工具（２０）ないし工具取付具（２２）に固定されていることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１つに記載のシステム。

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