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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum berührungslosen Vermessen dreidimensionaler, komplex geformter Bauteile.
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Berührungslose Vermessung von Bauteilen ist aus dem Stand der Technik bekannt. So sind Verfahren und Vorrichtungen zum photogrammetrischen Vermessen von rohrförmigen Bauteilen in einer Messzelle bekannt und z. B. in der
DE 41 24 174 C1 beschrieben. Die photogrammetrische Vermessung der äußeren Konturfläche eines Bauteils ist in der
DE 40 09 144 A1 beschrieben.
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Während ein rohrförmiges Bauteil aufgrund des ideal kreisförmig angenommenen Querschnittes auch bei einer winkeligen und dreidimensionalen Erstreckung mit einer einzigen Aufnahme in einer Position des Bauteils vermessen werden kann, können komplexe Bauteile (z. B. Blechteile im Fahrzeugbau) auch bei hoher Anzahl von Sensoren in der Regel nicht aus einer Ansicht vollständig berührungslos vermessen werden. (Eine rundum Anordnung von Sensoren, die ein vollständiges Erfassen aller zu vermessender Merkmale ermöglichen würde, ist in der Praxis zumeist nicht möglich bzw. würde einen zu hohen Aufwand erfordern.)
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Bisherige Ansätze zur automatisierten berührungslosen Vermessung solcher Bauteile, insbesondere mit photogrammetrischen Methoden, verwenden in der Regel einen an einem Roboter befestigten optischen Sensor, mit dem nacheinander die unterschiedlichen, zu vermessenden Objektbereiche angefahren und optisch erfasst werden. Um die Genauigkeit des Roboters zu steigern, werden zum Teil zusätzliche optische Systeme eingesetzt, die die Roboterposition über an der Roboterhand bzw. am optischen Sensor angebrachte Markierungen vermessen, mit denen diese Roboterposition genauer bestimmt werden kann als z. B. mittels der Auswertung der die Position ansteuernden Stellmotoren.
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Die derzeitigen Verfahren und Methoden, komplex geformte Bauteile berührungslos zu vermessen, bringen zwar verwertbar gute Messergebnisse, sind allerdings in ihrem Ablauf kompliziert und vor allem zeitaufwendig. Während die Zeit für die Durchführung einer einzelnen Vermessung im Prototypenbau oder auch in einer stichprobenartigen Kontrolle der Produktion noch von vergleichsweise untergeordneter Bedeutung ist, wird insbesondere bei einer angestrebten qualitativen Überwachung einer Produktion in Echtzeit, also im Produktionstakt, die benötige Messzeit zu einem kritischen Faktor. Hier müssen Messungen schnell vorgenommen werden, in einer zeitlichen Größenordnung, die dem Takt der Produktion, also der Zeitspanne zwischen dem Ausstoß zweier aufeinanderfolgender produzierter Bauteile entspricht, und diese Messungen müssen dennoch die gebotene Genauigkeit einhalten.
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Des Weiteren ist es aus der
WO 03/042924 A1 bekannt, ein Objekt auf einer drehbaren Scheibe anzuordnen und durch mehrere Kameras zu vermessen. Dabei wird die Trägerscheibe gedreht, um das Objekt mit wenigen Kameras rundum aufnehmen zu können. Die Verknüpfung der einzelen Aufnahmen erfolgt dabei über an der Trägerscheibe und/oder dem Objekt Angebrachte Marker.
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Allerdings kann das Objekt hier nicht von allen Seiten vermessen werden, da eine Seite immer durch die Trägerscheibe verdeckt ist.
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Aus der
US 6,681,151 B1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem mit einem Robotergreifer Werkstücke, die Messmarkierungen aufweisen, erfasst und zu einem Zielort verbracht werden, wo sie korrekt ausgerichtet und positioniert werden sollen. Dabei geraten sie am Zielort in das Blickfeld einer Kamera, welche die Messmarkierungen erfasst, deren Lage im Raum bestimmt und mit einer Soll-Lage vergleicht. Stimmen Ist- und Soll-Lage nicht überein, so wird durch Verlagern des Robotergreifers die Position des Werkstückes korrigiert. Bei diesem Verfahren geht es um das korrekte Positionieren des mit Messmarkierungen versehenen Werkstückes, so dass an diesem unbedingt Messmarkierungen angeordnet sein müssen. Der Robotergreifer hingegen ist unmarkiert.
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Insbesondere auch in der Entwicklung, im Prototypenbau und in der stichprobenartigen Überwachung der Produktion, bedeuten eine Einsparung von Messzeit und eine Reduktion des erforderlichen Handlings einen Vorteil. In der Entwicklung und dem Prototypenbau können schnell erzielte Messergebnisse zügiger rückgemeldet und damit die weitere Entwicklung bzw. die insgesamt durchzuführende Überprüfung des Prototypen schneller durchgeführt werden.
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Es ist vor dem Hintergrund dieser Erwägungen mithin Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum berührungslosen vollständigen Vermessen dreidimensionaler, komplex geformter Bauteile anzugeben, welches eine verglichen mit dem Stand der Technik zügigere und dennoch ausreichend genaue Messung ermöglicht. Das angegebene Verfahren sollte darüber hinaus für eine Automatisierung geeignet sein.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren zum berührungslosen Vermessen dreidimensionaler, komplex geformter Bauteilen mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen und Varianten dieses Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 9 angegeben.
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Der wesentliche Aspekt der Erfindung besteht darin, dass das dreidimensionale, komplex geformte Bauteil, welches zur photogrammetrischen Vermessung gehalten von einem Robotergreifer in das Blickfeld von relativ zu einander ortsfest positionierten optischen Bilderfassungsgeräten, bei denen es sich insbesondere um Kameras handeln kann, eingebracht wird, in diesem Blickfeld in zumindest zwei Positionen aufgenommen und so vermessen wird. Diese jeweilige Einzelvermessung wird in üblicher Weise rechnerisch ausgewertet, um aus den Bilddaten Positionsdaten bzw. Koordinaten der aufgenommenen Oberflächenpunkte zu ermitteln. Um die beiden Einzelmessungen dann rechnerisch miteinander zu koordinieren und in ein gemeinsames Koordinatensystem bezogen auf das Bauteil einzuordnen, werden bei jeder Aufnahme an dem Robotergreifer angeordnete Orientierungsmarkierungen mit erfasst, die relativ zum Bauteil ortsfest sind. Diese Orientierungsmarkierungen müssen so beschaffen sein, dass sie eine eindeutige Zuordnung ihrer Position relativ zu dem Koordinatensystem des Bauteils in den drei Dimensionen ermöglichen bzw. ihre Position relativ zu dem Koordinatensystem des Bauteils unverändert beibehalten (eine genaue Bestimmung dieser Position ist nicht zwingend erforderlich, wird häufig auch nicht durchgeführt). Wenn dann in den beiden, in unterschiedlichen Positionierungen des Bauteils relativ zu den optischen Bilderfassungsgeräten durchgeführten Aufnahmen die Orientierungsmarkierungen rechnerisch ausgewertet sind, können die beiden Einzelaufnahmen relativ zueinander im Koordinatensystem des Bauteils ausgerichtet und die Messungen aus den Einzelaufnahmen in Beziehung zu einander gesetzt werden. Diese einfache und effektive Lösung erlaubt es dann, insbesondere mit einer feststehenden Sensoranordnung (Kameras bzw. dergleichen optische Bilderfassungsgeräte) zu arbeiten und lediglich das Bauteil zumindest einmal in seiner Ausrichtung zu verändern. Eine solche Änderung der Ausrichtung des Bauteils ist dabei deutlich einfacher und vor allem schneller zu vollziehen, als ein positionsgenaues Verschieben eines Sensors. Dies ist insbesondere deshalb möglich, da die Lageveränderung des fest von dem Robotergreifer gehaltenen Bauteils nicht etwa positionskontrolliert erfolgen muss. Die genaue Erfassung der Position des Bauteils nach der Lageveränderung wird dann nämlich erst rechnerisch vorgenommen, indem in der oben beschriebenen Weise die Positionserfassung und das Umrechnen auf das Koordinatensystem des Bauteils erfolgen. Durch die Wahl des Robotergreifers ist es dabei möglich, das Objekt beinahe vollständig zu vermessen, ohne dass große Bereich beispielsweise durch eine Trägerscheibe verdeckt werden.
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Die Orientierungsmarkierungen an dem Roboterarm können insbesondere dreidimensional angeordnete Messmarken sein, z. B. ringartig oder in polygonaler Anordnung um den Greifer eines Roboterarmes verteilte, in eindeutigem Muster angeordnete Messmarken, die in Bezug auf den Robotergreifer in ihrer Position bzw. ihren Koordinaten genau eingemessen sind. Dadurch, dass diese Messmarken hinsichtlich der Position bzw. ihren Koordinaten genau eingemessen sind, müssen bei der Durchführung des Verfahrens nicht etwa in den nacheinander auszuführenden Aufnahmen Überlappungen dieser Messmarken vorhanden sein. Es genügt auch, wenn in jeder der Messungen unterschiedliche der eindeutig zuordbaren Messmarken erfasst werden. Denn hieraus kann die Orientierung des Koordinatensystems des Robotergreifers (und damit auch des Bauteils) in der Messzelle und damit relativ zu deren Koordinatensystem eindeutig bestimmt werden.
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Wichtig ist lediglich, dass diese Orientierungsmarkierungen in ausreichender Zahl und in geeigneter Verteilung über die Dimensionen des Koordinatensystems des Bauteils in zwei miteinander zu kombinierenden Messungen mit unterschiedlicher Positionierung des Bauteils im Blickfeld der Sensoren (Kameras bzw. dergleichen optische Bilderfassungsgeräte) liegen und bei der Vermessung erfasst werden können.
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Dabei ist selbstverständlich von entscheidender Bedeutung, dass in den Messungen für jede der eingemessenen Positionen des Bauteils, die Ausrichtung des Bauteils in Bezug auf den Robotergreifer unverändert bleibt. Mit anderen Worten muss der Robotergreifer das Bauteil fest ergreifen, ohne dass es hier zu einem Verrutschen oder einer sonstigen Positionsverschiebung des Bauteils relativ zu dem Robotergreifer kommen kann.
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Orientierungsmarkierungen können zusätzlich auch auf dem Bauteil selbst in dreidimensionaler Verteilung angeordnete Peilpunkte sein. Dies können entweder besonders auffällige Strukturen (z. B. Durchbrüche, Kanten oder dergleichen) sein, deren Vorgabeposition z. B. aus CAD-Konstruktionen bekannt sind, oder auch positionsgetreu aufgebrachte Markierungspunkte.
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Dabei dürfte klar sein, dass insbesondere das aufwendige Aufbringen von Messmarken auf die Oberfläche des Bauteils für eine zügige Durchführung der Messung eher ungeeignet ist, so dass diese Variante, bei der Orientierungsmarkierungen auch auf der Oberfläche des Bauteils angebracht werden, in ihrer Anwendung üblicherweise auf die exakte und hinsichtlich der Messpunkte dicht gelegte Vermessung in der Entwicklung oder im Prototypenbau beschränkt ist. Für eine Vermessung der Bauteile im Rahmen einer Qualitätskontrolle zur Überwachung der laufenden Produktion, werden bevorzugt Orientierungsmarkierungen, wie Messmarken, allein an dem Robotergreifer verwendet, oder es wird zusätzlich auf die oben beschriebenen, optisch markanten Details an dem Bauteil selbst zurückgegriffen.
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Insbesondere für eine automatisierte und zügige Durchführung mehrerer aufeinanderfolgender Messungen ist es von Vorteil, wenn der Robotergreifer ein 5-Achs-Industrierobotergreifer ist. Ein solcher kann in einem Produktionsstrang am Ende der Produktion einlaufende zu vermessende Bauteile zügig ergreifen und in unterschiedlichen Ausrichtungen in die Blickfelder der Sensoren halten.
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Dabei ist es auch von Vorteil, wenn die optischen Bilderfassungsgeräten in einer Messzelle starr angeordnet sind, in die das Bauteil dann mit der Haltevorrichtung eingebracht wird. Die Anordnung in einer Messzelle stellt insbesondere die Einhaltung der exakten Positionierungen der optischen Bilderfassungsgeräte zueinander sicher. Eine Messzelle lässt sich zudem gut gegen störende optische Einflüsse von außen isolieren.
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Insbesondere dann, wenn die zu vermessenden Konturflächen in ihren Konturen schwächer ausgeprägt sind oder wenn Einflüsse von außerhalb, z. B. Streulicht, die Durchführung von Messungen erschweren, kann es hilfreich sein, in bekannter Art und Weise mittels einer Beleuchtungseinheit ein Lichtmuster auf die Oberfläche aufzubringen und dann die Vermessung durchzuführen. Ein solches Lichtmuster kann z. B. ein mit Lasern erzeugtes Streifenmuster sein.
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Insbesondere in der Qualitätssicherung zur Überwachung eines laufenden Produktionsprozesses werden zweckmäßigerweise die Bauteile nicht etwa vollständig vermessen, sondern vielmehr nur in vorgegebenen Messpunkten, die besonders qualitätsrelevant sind (Vergleiche Anspruch 7).
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten schematischen Figuren. Dabei zeigen:
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1 schematisch eine Messzelle mit darin an einem Robotergreifer in einer ersten Messposition angeordnetem zu vermessenden Bauteil und
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2 schematisch den Aufbau aus 1, wobei durch Bewegen des Robotergreifers das Bauteil eine zweite Messposition einnimmt.
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Die Figuren sind stark schematisierte Darstellungen, die allein der Erläuterung des erfindungsgemäßen Messprinzips dienen und keinesfalls maßstabsgerecht sind.
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In 1 ist in einer grob vereinfachten Prinzipskizze ein Messaufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer ersten Messposition des Bauteils dargestellt.
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Die Messvorrichtung besteht im Wesentlichen aus einer an sich bekannten Messzelle 1 mit daran ortsfest und positionsgetreu angeordneten optischen Sensoren in Form von Kameras 2. Die Kameras 2 erfassen einen Messbereich in der Messzelle aus verschiedenen optischen Blickwinkeln, so dass aus einer rechnerischen Auswertung der Bilder der einzelnen Kameras die betrachteten dreidimensionalen Strukturen in an sich bekannter Weise vermessen werden können.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel dient ein Roboter 3, der hier ein Mehrachsroboter ist, dazu, ein an einer mit dem letzten Roboterarmelement starr verbundenen Halterung bzw. einem Greifer 4 positionsfest festgelegtes, zu vermessende Bauteil 5 in die Messzelle 1 in den Messbereich der Kameras 2 zu verbringen und dort zu halten.
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An dem Roboter sind in einer zu dem Greifer starren und ortsfesten Position Messmarken 6 angeordnet, die in eindeutiger Weise eine Orientierung des Koordinatensystems 7, welches ein Koordinatensystem des Greifers 4 und damit auch des mit dem Greifer während des Messvorganges starr verbundenen Bauteils 5 ist, für die Kameras 2 erkennbar machen. Die Messmarken 6 sind dabei so angebracht, dass sie bei einem Messvorgang zusammen mit dem Bauteil 5 bzw. seinem relevanten zu vermessenden Abschnitt in den Blickbereich der Kameras 2 ragen und von letzteren erfasst und erkannt werden. Die Messmarken 6 sind bevorzugt über einen gesonderten Messvorgang, der insbesondere mit einer von der Messzelle 1 getrennten Messvorrichtung vorgenommen worden ist, in ihrer Orientierung zum Greifer 4 eingemessen.
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Die Messmarken 6 erlauben so eine Korrelation zwischen dem Koordinatensystem 7 des Greifers 4, das aufgrund der starren und in ihrer Relation nicht veränderbaren Verbindung zwischen dem Greifer 4 und dem Bauteil 5 auch als Koordinatensystem des Bauteils 5 angesehen werden kann, und dem Koordinatensystem 8 der Messzelle 1, in welchem die Kameras 2 festgelegte Position haben.
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Um nun das Bauteil 5 in einer Erstreckung vermessen zu können, die in einer einzigen Position des Bauteils 5 in der Messzelle 1 für die Kameras 2 nicht in ihrer Gesamtheit zu erfassen ist, werden zunächst mit den Kameras 2 Aufnahmen des Bauteils 5 in einer ersten Position in der Messzelle gemacht (1), das Bauteil dann mit dem Roboter 3 in seiner Position verändert (2) und erneut Aufnahmen mit den Kameras 2 gemacht.
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Da bei beiden Aufnahmeserien die Messmarken 6 mit erfasst werden, kann so die relative Position des Koordinatensystems 7 des Greifers 4 und damit des Bauteils 5 zu dem Koordinatensystem 8 der Messzelle anhand einer Auswertung der Messmarken 6 bestimmt und insbesondere eine Verschiebung dieser Relation in den beiden Position erfasst werden. Darauf basierend können rechnerisch die Aufnahmen bzw. die daraus resultierenden Messungen im Koordinatensystem 7 des Greifers 4 (bzw. des Bauteils 5) zusammengefügt bzw. transformiert werden, und es kann eine vollständige Auswertung bzw. Vermessung des Bauteils auch über in einer Position allein für die Kameras 2 nicht sichtbare Bereich erfolgen.
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Wie anhand des Ausführungsbeispiels und der 1 und 2 beschrieben, wird bei diesem Prinzip mit einem Handlingsystem (Roboter 3) das Bauteil in unterschiedlichen Lagen in der Messzelle 1, in der die Sensorik (Kameras) fest angeordnet sind, positioniert, um alle Merkmale zu erfassen. Über Messmarken 6 an dem Greifer 4 wird die Bauteilposition direkt erfasst und die Einzelmessungen können in ein einheitliches Koordinatensystem transformiert werden.
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Zusätzlich kann das Bauteil auch in eine mit Markierungen versehene Hilfsvorrichtung eingelegt werden, oder Markierungen werden ortsfest direkt am Bauteil angebracht und entsprechend ausgewertet. Es können letztlich zusätzlich auch am Bauteil selbst vorhandene Merkmale, z. B. markante Bohrungen, Stifte und dergleichen zur Positionierung bzw. Positionserfassung verwendet werden. So kann zusätzlich zu einer Beurteilung der Bauteilpositionierung anhand der definierten Messmarken 6 am Greifer 4 eine Bauteilpositionierung auch über Vergleich von CAD Daten des Bauteils mit den in den Messbildern gefundenen Raumkanten die Lage des Bauteils in allen sechs Freiheitsgraden überprüft werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Messzelle
- 2
- Kamera
- 3
- Roboter
- 4
- Greifer
- 5
- Bauteil
- 6
- Messmarke
- 7
- Koordinatensystem
- 8
- Koordinatensystem