DE10212004A1

DE10212004A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung zumindest eines Abschnitts eines Werkstücks oder eines Werkzeugs

Info

Publication number: DE10212004A1
Application number: DE2002112004
Authority: DE
Inventors: Christoph Zoller; Christian Pfau
Original assignee: E Zoller GmbH and Co KG; E Zoller GmbH and Co KG Einstell und Messgeraete
Current assignee: E Zoller GmbH and Co KG; E Zoller GmbH and Co KG Einstell und Messgeraete
Priority date: 2002-03-18
Filing date: 2002-03-18
Publication date: 2003-10-02
Also published as: WO2003078924A3; AU2003222761A8; WO2003078924A2; AU2003222761A1

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Erfassung zumindest eines Abschnitts (10) eines Werkstücks oder eines Werkzeugs (12), insbesondere eines Zerspanungswerkzeugs, mit zumindest einer Kamera (13) zur Aufnahme von Einzelbildern (14-28) im Auflicht und mit wenigstens einer Datenverarbeitungsanlage (29). DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, daß zumindest Teilbereiche der Einzelbilder (14-28) der Kamera (13) zu einem Gesamtbild (30) zusammengesetzt werden.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Erfassung zumindest eines Abschnitts eines Werkstücks oder eines Werkzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der Druckschrift DE 199 41 771 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung eines Abschnitts eines Werkstücks oder eines Werkzeugs mit einer Kamera zur Aufnahme von Einzelbildern im Auflicht bekannt. Die Einzelbilder werden zur Bearbeitung in einer Datenverarbeitungsanlage gespeichert, in der sie zur Ermittlung von Geometrien und Konturen mit einem Bildverarbeitungssystem bearbeitet und ausgewertet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren und eine gattungsgemäße Vorrichtung weiterzuentwickeln, und zwar dahingehend, daß ein Werkstück oder ein Werkzeug in einem gewünschten Darstellungsbereich im Auflicht mit einem hohen Informationsgehalt vollständig darstellbar ist.
Sie wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Erfassung zumindest eines Abschnitts eines Werkstücks oder eines Werkzeugs, insbesondere eines Zerspanungswerkzeugs, mit zumindest einer Kamera zur Aufnahme von Einzelbildern im Auflicht und mit wenigstens einer Datenverarbeitungsanlage.
Es wird vorgeschlagen, daß zumindest Teilbereiche der Einzelbilder zu einem Gesamtbild zusammengesetzt werden. Vorteilhaft kann eine kostengünstige Standardkamera, deren Bilderfassungsbereich etwa 1 × 1 mm beträgt, zur Ermittlung des Gesamtbilds mit einem hohen Informationsgehalt eingesetzt werden. Das zu erfassende Werkstück oder Werkzeug kann unabhängig von seiner Größe vollständig dargestellt und vorteilhaft können axiale und radiale Abschnitte des Werkstücks oder des Werkzeugs aufgenommen und anhand des Gesamtbilds vermessen werden.
Die Größe des Werkstücks oder des Werkzeugs ist lediglich von einem möglichen Verfahrbereich eines Meßgeräts abhängig und kann beispielsweise von 0,2 mm bis 40 mm betragen. Eine Verwendung eines kostenintensiven Zoom- und/oder eines Weitwinkelobjektivs und ein damit verbundener notwendiger Objektivwechsel kann vorteilhaft vermieden werden. Einen zusätzlichen Kalibrieraufwand für das Objektiv und Kosten, insbesondere Kosten für Wechselobjektive, können vermieden werden. Ferner ist ein Gesamtbild des Werkstücks oder des Werkzeugs mit einer hohen Auflösung erreichbar.
Erfolgt in einem ersten Schritt eine grobe Erfassung des Werkstücks oder des Werkzeugs und in zumindest einem weiteren Schritt eine verfeinerte Erfassung, kann das gesamte Werkstück oder das gesamte Werkzeug oder nur der Abschnitt, der genau erfaßt werden soll, schnell und einfach bestimmt und insgesamt Zeit eingespart werden.
Vorteilhaft wird der Abschnitt und/oder ein Erfassungsweg anhand der groben Erfassung zumindest teilautomatisiert bestimmt. Es ist ein von einem Bediener unabhängiges, komfortables Verfahren erreichbar, mit dem der Abschnitt des Werkstücks oder des Werkzeugs und/oder der Erfassungsweg schnell erfaßt werden kann, wie z. B. eine Schneide, eine Fläche usw. Denkbar ist jedoch auch, daß der Bediener den zu erfassenden Abschnitt und/oder den Erfassungsweg anhand von Bildern und/oder Daten manuell bestimmen kann.
Ferner wird vorgeschlagen, daß eine Begrenzung der Einzelbilder durch Start- und Zielkoordinaten erfolgt. Durch eine Vorgabe der Start- und Zielkoordinaten kann eine anfallende Datenmenge klein gehalten werden und ein benötigter Zeitaufwand zur Erfassung der Einzelbilder kann reduziert werden. Besonders vorteilhaft wird die Ermittlung der Start- und Zielkoordinaten automatisch durchgeführt, beispielsweise bei der groben Erfassung des Werkstücks bzw. des Werkzeugs. Das Werkstück oder das Werkzeug kann im gewünschten Abschnitt vollautomatisch erfaßt werden und Kosten, insbesondere Personalkosten für den Bediener zur Bestimmung der Start- und Zielkoordinaten, können eingespart werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß eine Berechnung einer benötigten Anzahl von Einzelbildern und deren Aufnahmefortschritt zumindest teilautomatisiert erfolgt. Vorteilhaft kann der Bediener die Anzahl der Einzelbilder bestimmen oder in einem wählbaren Modus vollautomatisch bestimmen lassen. Wird die Anzahl der Einzelbilder vollautomatisch bestimmt, ist ein lückenloses und scharfes Gesamtbild erreichbar, bei dem etwaige Überlappungen scharf abgebildeter Abschnitte der Einzelbilder vorteilhaft reduziert werden können. Speicherplatz und Erfassungszeit können eingespart und Kosten können reduziert werden.
Die Einzelbilder können in unterschiedlicher Weise, die der Fachmann als sinnvoll erachtet, zu einem Gesamtbild aneinandergefügt werden, wie z. B. spiralförmig, flächenhaft, linienhaft usw. Werden die Einzelbilder in einer aneinander hängenden Reihe aufgenommen und aneinandergefügt, kann vorteilhaft das Gesamtbild entlang einer Schneidkante einer Schneide produziert werden. Werden die Einzelbilder hingegen flächenhaft aufgenommen, wie insbesondere um ein zentriertes Einzelbild, kann vorteilhaft das Gesamtbild einer Fläche, wie insbesondere einer Schneidspitze eines Bohrers, produziert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß scharf abgebildete Teilbereiche von Einzelbilder über einen Tiefenbereich zum Gesamtbild zusammengesetzt werden. Es kann ein Gesamtbild mit einer hohen Tiefenschärfe, insbesondere bei einer schräg zu einer Aufnahmeebene verlaufenden Fläche, und einem dadurch bedingten hohen Informationsgehalt erreicht werden, wobei das Gesamtbild insgesamt die Größe eines Einzelbilds oder die Größe mehrerer Einzelbilder aufweisen kann. Hierfür können für eine entsprechende Position des jeweiligen Einzelbilds über einen Tiefenbereich von ca. 1-3 mm etwa 10-30 Einzelbilder aufgenommen werden.
Vorteilhaft wird das Gesamtbild gespeichert. Eine Handhabung und/oder eine nachträgliche Bearbeitung der abgespeicherten Bilder und/oder Daten kann vereinfacht werden. Die Speicherung des Gesamtbilds kann nach der erfolgten Erfassung des Werkstücks oder des Werkzeugs mit allen Einzelbildern oder parallel zur Erfassung jedes Einzelbilds erfolgen, wobei jeweils die aktuellsten Einzelbilder zu den bereits abgespeicherten und zu einem Gesamtbild zusammengefaßten Einzelbild hinzugefügt werden kann. Wird die Speicherung des Gesamtbilds parallel zur Erfassung der Einzelbilder durchgeführt, kann ein anfallendes Datenvolumen klein gehalten und Rechenleistung sowie Systemressourcen der Datenverarbeitungsanlage können reduziert werden.
Wird eine Vermessung des Abschnitts des Werkstücks oder des Werkzeugs anhand des Gesamtbilds durchgeführt, können Geometrien und Konturen, die sich über mehrere Einzelbilder erstrecken, einfach und genau vermessen werden, wie insbesondere Winkel, Radien, Steigungen, Schneiden, Flächen usw. Ferner können Istwerte des Werkstücks oder des Werkzeugs mit Sollwerten verglichen und fertigungsbedingte und/oder verschleißbedingte Abweichungen automatisch und/oder manuell ermittelt werden. Mit einem sog. "TeachIn-Verfahren" kann das Verfahren automatisiert und an verschiedene Anforderungen angepaßt werden, so daß insbesondere gleichartige Werkstücke und/oder Werkzeuge komfortabel und schnell vermessen werden können.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß ein Zoomen anhand des abgespeicherten Gesamtbilds erfolgt. Unterschiedliche Bereiche können auf einer Ausgabeeinheit, insbesondere einem Bildschirm und/oder einem Drucker, in unterschiedlichen Größen dargestellt werden, wobei für jede Größendarstellung auf das abgespeicherte Gesamtbild zurückgegriffen werden kann. Ein Informationsverlust durch eine Datenkomprimierung für eine entsprechende, vorangegangene Darstellung kann vorteilhaft vermieden werden.
Zur Durchführung des Verfahrens wird eine Vorrichtung zur Erfassung zumindest eines Abschnitts des Werkstücks oder des Werkzeugs mit einer Kamera im Auflicht und mit wenigstens einer Datenverarbeitungsanlage vorgeschlagen, mit der zumindest Teilbereiche der Einzelbilder der Kamera in der Datenverarbeitungsanlage zu einem Gesamtbild zusammensetzbar sind.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß ein Objektiv der Kamera eine feste Blende aufweist. Es ist ein kostengünstiges Objektiv erreichbar, das einen einfachen Aufbau aufweist und Kosten, insbesondere Produktionskosten, können reduziert werden. Ferner können durch eine bewegliche Blende bedingte Fehler vermieden werden.
Weist das Objektiv eine geringe Tiefenschärfe, insbesondere kleiner als 0,1 mm, auf, kann ein Abstand zwischen dem Objektiv und einem Punkt des Werkstücks oder des Werkzeugs, der vom Objektiv scharf abgebildet wird, einfach und exakt über die Brennweite des Objektivs ermittelt werden. Werden im zu erfassenden Abschnitt zu mehreren Aufnahmen die jeweiligen Abstände der scharf abgebildeten Punkte ermittelt, können mit den ermittelten Abständen Tiefeninformationen gewonnen werden, mit denen einzelne Parameter des Werkstücks oder des Werkzeugs bestimmbar sind, wie beispielsweise eine Lage des Abschnitts bezüglich eines bestehenden Koordinatensystems, ein Freiwinkel und/oder ein Spanwinkel einer Werkzeugschneide usw. Ferner können bei Objektiven mit einer geringen Tiefenschärfe Abbildungsfehler klein gehalten werden.
Ist ein Abstand zwischen der Kamera und dem Werkstück oder dem Werkzeug veränderbar, kann vorteilhaft ein beliebiger Punkt am Werkstück oder am Werkzeug scharf abgebildet werden. Der Abstand kann verändert werden, indem ein Halter für das Werkstück oder für das Werkzeug bewegbar ausgeführt ist, oder indem vorteilhaft das Objektiv bewegbar ausgeführt ist. Es ist eine konstruktiv einfache Vorrichtung erreichbar, mit der der Abstand zwischen Objektiv und Werkstück oder Werkzeug ermittelt werden kann.

Zeichnung

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Einstell- und Meßgeräts,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Zusammensetzung scharf abgebildeter Teilbereiche mehrerer Aufnahmen zu einem Sub-Gesamtbild,
Fig. 3 eine schematische Darstellung bei einer Aufnahme eines Einzelbilds im Auflicht,
Fig. 4 ein auf einem Bildschirm ausgegebenes Gesamtbild und
Fig. 5 eine vergrößerte Darstellung des Gesamtbilds aus Fig. 4, zusammengesetzt aus den Einzelbildern.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Fig. 1 zeigt ein Einstell- und Meßgerät zur Erfassung zumindest eines Abschnitts 10 eines Werkzeugs 12. Das Einstell- und Meßgerät weist einen Optikträger 35 auf, der an einen Meßschlitten 41 montiert ist. Der Meßschlitten 41 ist auf nicht näher dargestellten Linearachsen verfahrbar gelagert. Am Optikträger 35 sind zwei CCD-Kameras 13, 36 zur Erfassung des Werkzugs 12 im Durchlicht und im Auflicht montiert. Die CCD-Kameras 13, 36 sind über nicht näher dargestellte Leitungen mit einer Datenverarbeitsanlage 29 verbunden.
Die CCD-Kamera 13 nimmt im Auflicht Einzelbilder 14-28 vom Werkzeug 1.2 auf, wobei die CCD-Kamera 13 ein Objektiv 33 mit einer festen Blende und mit einer geringen Tiefenschärfe aufweist (Fig. 3 und Fig. 4).
Zu Beginn der Erfassung des Abschnitts 10 wird das Werkzeug 12 in einen drehbaren Werkzeughalter 37 eingebracht und von diesem gehalten. Die CCD-Kamera 13 und ihre Auflichtbeleuchtung 38 werden manuell und/oder automatisch mit einem bekannten Abstand 34 zum Werkzeug 12 positioniert. Die Auflichtbeleuchtung 38 wird anschließend eingeschaltet und vorzugsweise gedimmt, so daß eine Lichtstärke und eine Leuchtrichtung 39 der Auflichtbeleuchtung 38 einen von der CCD-Kamera 13 sichtbaren Abschnitt 11 ausleuchtet.
In einem ersten Schritt erfolgt eine grobe Erfassung des Werkzeugs 12. Hierfür wird der Optikträger mit der CCD-Kamera 13 in Richtung des Werkzeugs 12 bewegt. Das Werkzeug 12 bzw. der zu erfassende Abschnitt 10 wird anschließend in einem zweiten Schritt verfeinert erfaßt. Im zweiten Schritt werden zur Begrenzung einer Anzahl der Einzelbilder 14-28 Start- und Zielkoordinaten 31, 32 angegeben, wobei die Bestimmung der Start- und Zielkoordinaten 31, 32 manuell oder auch automatisch anhand von vorgegebenen Kriterien erfolgen kann.
Die Anzahl der benötigten Einzelbilder 14-28 und deren Aufnahmefortschritt zwischen den Start- und Zielkoordinaten 31, 32 werden von der Datenverarbeitungsanlage 29 automatisch berechnet, wobei der Aufnahmefortschritt maximal einem Abbildungsbereich der CCD-Kamera 13 von etwa 1 × 1 mm entspricht.
Liegt der Abschnitt 10 bezüglich der linearen Achsen, die ein Koordinatensystem bilden, schräg im Raum, werden von einer festen Position der Einzelbilder 14-28 mehrere Bilder 42, 43, 44 aufgenommen, wobei der Abstand 34 zwischen der CCD-Kamera 13 und dem Werkzeug 12 für jedes Bild 42, 43, 44 verändert wird (Fig. 2). Scharf abgebildete Teilbereiche 46, 47, 48 der Bilder 42, 43, 44 werden anschließend über einen Tiefenbereich zu einem scharfen Sub-Gesamtbild 45 zusammengesetzt und gespeichert.
Nach der Aufnahme des ersten Einzelbilds 14 bzw. des ersten Sub-Gesamtbilds 45, wird dasselbe in einen Zwischenspeicher der Datenverarbeitungsanlage 29 gespeichert und der Abbildungsbereich der CCD-Kamera 13 um den Aufnahmefortschritt verfahren. Das folgende Einzelbild 15 bzw. das folgende Sub- Gesamtbild wird zum ersten Einzelbild 14 bzw. zum ersten Sub- Gesamtbild 45 im Zwischenspeicher der Datenverarbeitungsanlage 29 hinzugefügt. Das Verfahren wird fortgesetzt, bis die Einzelbilder 14-28 bzw. die Sub-Gesamtbilder, im Zwischenspeicher zu einem Gesamtbild 30 des gewünschten Abschnitts 10 zusammengesetzt sind. Das Gesamtbild 30 der Einzelbilder 14-28 bzw. der Sub-Gesamtbilder wird anschließend in der Datenverarbeitungsanlage 29 gespeichert.
Anschließend wird eine Vermessung des Werkzeugs 12 anhand des Gesamtbilds 30 durchgeführt. Hierzu wird das Gesamtbild 30 an eine Ausgabeeinheit, wie z. B. einen Bildschirm 40, ausgegeben (Fig. 4 und Fig. 5).
Werden Teilbereiche des Gesamtbilds 30 am Bildschirm 40 gezoomt, erfolgt eine Vergrößerung jeweils anhand des abgespeicherten Gesamtbilds 30, damit ein Informationsverlust vermieden werden kann (Fig. 5). Die Einzelbilder 17, 18, 24, 25, die keine Informationen zum Werkzeug 12 beinhalten, können für ein verbessertes Gesamtbild 30 eingefärbt oder auch gelöscht werden, um eine angefallene Datenmenge zu reduzieren.
Wird ein nicht näher dargestellter Abschnitt so gewählt, daß dieser entlang einer Schneidkante des Werkzeugs verläuft, werden Einzelbilder in einer aneinander hängenden Reihe aufgenommen. Beim Abbilden des flächenhaften Abschnitts 10 hingegen werden die Einzelbilder 14-28 flächenhaft um das zentrierte Einzelbild 21 aufgenommen. Bezugszeichen 10 Abschnitt
11 Abschnitt
12 Werkzeug
13 Kamera
14 Einzelbild
15 Einzelbild
16 Einzelbild
17 Einzelbild
18 Einzelbild
19 Einzelbild
20 Einzelbild
21 Einzelbild
22 Einzelbild
23 Einzelbild
24 Einzelbild
25 Einzelbild
26 Einzelbild
27 Einzelbild
28 Einzelbild
29 Datenverarbeitungsanlage
30 Gesamtbild
31 Startpunkt
32 Zielpunkt
33 Objektiv
34 Abstand
35 Meßschlitten
36 Kamera
37 Werkzeughalter
38 Auflichtbeleuchtung
39 Leuchtrichtung
40 Bildschirm
41 Meßschlitten
42 Bild
43 Bild
44 Bild
45 Sub-Gesamtbild
46 Teilbereich
47 Teilbereich
48 Teilbereich

Claims

1. Verfahren zur Erfassung zumindest eines Abschnitts (10) eines Werkstücks oder eines Werkzeugs (12), insbesondere eines Zerspanungswerkzeugs, mit zumindest einer Kamera (13) zur Aufnahme von Einzelbildern (14-28) im Auflicht und mit wenigstens einer Datenverarbeitungsanlage (29), dadurch gekennzeichnet, daß zumindest Teilbereiche der Einzelbilder (14-28) der Kamera (13) zu einem Gesamtbild (30) zusammengesetzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Schritt eine grobe Erfassung des Werkstücks oder des Werkzeugs (12) und in zumindest einem zweiten Schritt eine verfeinerte Erfassung erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt (10) und/oder ein Erfassungsweg anhand der groben Erfassung zumindest teilautomatisiert bestimmt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Begrenzung der Einzelbilder (14-28) durch Start- und Zielkoordinaten (31, 32) erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Berechnung einer benötigten Anzahl von Einzelbildern (14-28) und deren Aufnahmefortschritt zumindest teilautomatisiert erfolgt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelbilder in einer aneinander hängenden Reihe aufgenommen werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelbilder (14-20, 22-28) flächenhaft um ein zentriertes Einzelbild (21) aufgenommen werden.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß scharf abgebildete Teilbereiche von Einzelbildern (42-44) über einen Tiefenbereich zum Gesamtbild (45) zusammengesetzt werden.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gesamtbild (30) gespeichert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vermessung des Werkstücks oder des Werkzeugs (12) anhand des Gesamtbilds (30) durchgeführt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zoomen anhand des abgespeicherten Gesamtbilds (30) erfolgt.

12. Vorrichtung zur Erfassung zumindest eines Abschnitts (10) eines Werkstücks oder eines Werkzeugs (12) mit zumindest einer Kamera (13) im Auflicht und mit wenigstens einer Datenverarbeitungsanlage (29) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest Teilbereiche der Einzelbilder (14-28) der Kamera (13) in der Datenverarbeitungsanlage (29) zu einem Gesamtbild (30) zusammensetzbar sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Objektiv (33) der Kamera (13) eine feste Blende aufweist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektiv (33) eine geringe Tiefenschärfe aufweist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abstand (34) zwischen der Kamera (13) und dem Werkstück oder dem Werkzeug (12) veränderbar ist.