WO2005050133A1

WO2005050133A1 - Verfahren zum automatischen messen mit koordinatenmessgeräten

Info

Publication number: WO2005050133A1
Application number: PCT/EP2004/011839
Authority: WO
Inventors: Ralf Christoph; Wolfgang Rauh
Original assignee: Werth Messtechnik GmbH
Current assignee: Werth Messtechnik GmbH
Priority date: 2003-11-14
Filing date: 2004-10-20
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2006-05-14

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Berechnen von Geometrieelementen (g1, g2) und Verknüpfungen (W) zwischen diesen mittels mit einem Koordinatenmessgerät gemessener Messpunkte (P1, P2, P3, P4, P5). Um bei der Messung insbesondere durch manuelles Eingreifen bedingte Fehler auszuschalten sowie den Zeitaufwand für die Erstellung von Messabläufen zu reduzieren, wird vorgeschlagen, dass die Art der Geometrieelemente und/oder die Art der Verknüpfung zwischen den Geometrieelementen automatisch durch Überprüfung einer Übereinstimmung von mathematischen Modellen für Art der Geometrieelemente und/oder Art der Verknüpfungen mit geometrischer Anordnung der Messpunkte bestimmt wird.

Description

Beschreibung

Verfahren zum automatischen Messen mit Koordinatenmessgeräten

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Berechnen von Geometrieelementen wie Geraden, Kreisen, Ebenen, Kugeln, Kegeln, Zylindern und/oder Verknüpfungen wie Abstand, Winkel, Lagetoleranz, Kreisdurchmesser, Bogenradius zwischen den Geometrieelementen mittels mit einem Koordinatenmessgerät gemessener Messpunkte.

Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Bestimmen von Konturen oder Bereichen eines Objekts zuzuordnenden Geometrieelementen wie Geraden oder Kreisen oder Verknüpfungen dieser wie sich schneidende Geraden durch Messen von Punkten des Objektes mittels eines Koordinatenmessgerätes.

Beim Messen mit Koordinatenmessgeräten wird so vorgegangen, dass einzelne Punkte mit der Sensorik des Koordinatenmessgeräts unter Verwendung der Koordinatenachsen gemessen werden und diese dann zu weiteren Geometrieelementen wie Geraden, Kreise, Zylinder, Kugeln venechnet werden. Üblich ist es, dass diese Berechnung aus den dafür gemessenen Punkten unter Steuerung des Bedieners abläuft. Der Typ des Ergebnisses (z.B. Gerade oder Kugel) sowie der Auswahl der Punkte erfolgt zumindest beim Einlernen des Messprozesses manuell. Dies führt zum einen zu einem hohen Zeitaufwand und zum anderen zu Fehlerquellen durch menschliches Versagen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, zuvor genannte Fehlerquellen, insbesondere die durch manuelles Eingreifen bedingten auszuschalten sowie den Zeitaufwand für die Erstellung solcher Messabläufe zu reduzieren. Zur Lösung des Problems sieht die Erfindung im Wesentlichen vor, dass die Art der Geometrieelemente und/oder die Art der Verknüpfung zwischen den Geometrieelementen automatisch durch Überprüfung einer Übereinstimmung von mathematischen Modellen für Art der Geometrieelemente und/oder Art der Verknüpfungen mit geometrischer Anordnung der Messpunkte bestimmt wird.

Es werden durch den Bediener die Einzelpunkte für die benötigten Geometrieelemente und Verknüpfungen beliebiger Reihenfolge aufgenommen. Unter Umständen ist hierbei selbst die Trennung zwischen verschiedenen Geometrieelementen nicht erforderlich. Nach Abschluss der Punktaufnahme werden durch Auslösen eines einzigen Auswertebefehls automatische Berechnungen gestartet, als deren Ergebnisse aus Einzelpunkten berechnete Geometrieelemente oder Verknüpfungen wie Winkel, Distanzen, Lagetoleranzen und andere berechnet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird dadurch realisiert, dass die Einzelpunktemenge danach durchforstet wird, welche Punktegruppen die Berechnung eines gemeinsamen Geometrieelements mit geringen Abweichungen zulassen. Aus den resultierenden Geometrieelementen wird ermittelt, welche Verknüpfung aus diesen ermittelten Geometrieelementen technisch sinnvolle Ergebnisse liefert (Geraden liegen schiefwinkelig > daraus folgt Winkel; Geraden liegen annähernd parallel > daraus folgt Distanz; Punkte bilden einen Kreis > daraus folgt Durchmesser). Da hierbei zweideutige Ergebnisse auftreten können, werden zusätzlich Technologieparameter beim Erfassen der Einzelpunkte mit hinzugezogen. So lässt sich beispielsweise aus der Ermittlung der Antastrichtung eines mit einem berührenden Taster gemessenen Einzelpunktes auf die Lage der Kante bzw. Fläche schließen. Mehrere Punkte mit gleicher Flächenrichtung lassen sich dann leicht zu einer Punktgruppe zusammenfassen. In den folgenden Patentansprüchen werden die einzelnen Möglichkeiten für die Ermittlung von Geometrieelementen und Verknüpfungen aus Einzelpunkten aufgeführt.

Mit anderen Worten zeichnet sich ein Verfahren zum Berechnen von Geometrieelementen und/oder Verknüpfungen zwischen mit Koordinatenmessgeräten gemessenen Geometrieelementen dadurch aus, dass die Geometrieelemente und/oder die Verknüpfungen automatisch aus einer Menge von Einzelpunkten bestimmt werden. Dabei kann die Art der zu berechnenden Geometrieelemente bzw. der zu berechnenden Verknüpfungen aus der geometrischen Anordnung der Einzelpunkte bzw. der Geometrieelemente zueinander automatisch bestimmt werden. Vorzugsweise können zur Berechnung von Verknüpfungen weniger Punkte eingesetzt werden als zur eindeutigen Definition der zu Grunde liegenden Geometrieelemente selbst erforderlich wäre.

Des Weiteren zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass den Einzelpunkten zugeordnete Technologieinformationen bei Ermittlung der Art der Geometrieelemente bzw. der Art der Verknüpfungen hinzugezogen werden, insbesondere die Normalenrichtungen zur Werkstückoberfläche bzw. Kante und/oder die Antastrichtung des verwendeten Sensors und/oder der Antastrichtungssinn des verwendeten Sensors und/oder die Richtung des Hell-/Dunkelübergangs bei Bildverarbeitungssensorik und/oder die Auslenkung des Tasters im Antastzustand.

Als Technologieparameter werden alle für die Erfassung eines Punktes einstellbaren Parameter eines Sensors verstanden. Bei berührenden Tastern sind zum Beispiel die Antastgeschwindigkeit, die Antastrichtung, die Tasterauslenkung, Art und Geometrie von Antastelement und Taststift und die Antastkraft relevant. Bei optischen Verfahren sind die Beleuchtungsart und -stärke, die optische Vergrößerung, der Antastwinkel und der Antastrichtungssinn zu nennen.

Unter Antastsinn/Antastrichtungssinn ist die Angabe zu verstehen, ob der Antastvektor für die Erfassung der Kante von der Umgebung aus zum Werkstück hin gerichtet ist oder umgekehrt. Der Antastsinn ist vor allem bei optischen Verfahren von Interesse.

Nach einem weiteren Vorschlag sieht die Erfindung vor, dass die statistische Verteilung der den Einzelpunkten zugeordneten Technologieparametern, wie Antastrichtung, Antastrichtungssinn, Richtung des Hell-/Dunkelübergangs, Auslenkung des Tasters, Normalenrichtung der Werkstückoberfläche analysiert wird, um festzustellen, wie viele Geometrieelemente durch die Punktwolke - Menge von Messpunkten - repräsentiert werden, und/oder hieraus festzustellen, welche der Geometrieelementeart durch die jeweilige Punktwolke repräsentiert wird, und/oder um die Relativlage der Elemente zueinander zu ermitteln.

Die Zuordnung von Einzelpunkten zu Geometrieelementen kann dadurch festgelegt werden, dass die Formabweichung des berechneten Geometrieelementes aus der Einzelpunktegruppe einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet.

Dabei kann die Formabweichung für verschiedene mögliche Geometrieelemente getestet werden, wie z.B. Gerade, Kreis, Ebene, Winkel, Kugel, Distanz, Zylinder.

Auch ist vorgesehen, dass die statistische Verteilung der Antastrichtungswinkel der Einzelpunkte analysiert wird, um festzustellen, wie viele Geometrieelemente durch die Punktwolke repräsentiert werden, und/oder um hieraus festzustellen, welche Relativlage die Elemente zueinander aufweisen.

Als Geometrieelemente können zwei Geraden und als Verknüpfung zwischen den Geraden Winkel und/oder Distanz berechnet werden.

Als Verknüpfung der Einzelpunkte können Kreise bzw. Kugeln und/oder Ebenen und/oder Zylinder erkannt werden.

Als Geometrieelemente werden z. B. zwei Ebenen und als Verknüpfung hieraus ein Winkel und/oder eine Distanz berechnet.

Ein weiterer Vorschlag der Erfindung sieht vor, dass die Einzelpunkte mit Hilfe eines mechanischen Tasters und/oder eines Laserabstandssensors und/oder eines Bildverarbeitungssensors und/oder eines taktil optischen Tasters und/oder eines Streifenprojektionssensors und/oder eines Photogrammetriesensors und/oder eines Lichtschnittsensors und mit Hilfe des Koordinatenmessgeräts aufgenommen werden. Dabei können die Einzelpunkte mit unterschiedlichen Sensoren aufgenommen werden und als Gesamteinzelpunktwolke oder Gesamtpunktwolke gemeinsam ausgewertet werden. Als Sensor kommt insbesondere ein Bildverarbeitungssensor zum Einsatz. Zumindest einer der Punkte kann mit einem Lasersensor aufgenommen werden. Auch besteht die Möglichkeit, einen der verwendeten Punkte mit Hilfe eines Fasertasters aufzunehmen. Insbesondere ist jedoch vorgesehen, dass zumindest einer der verwendeten Punkte mit Hilfe eines opto-elektronischen Punktsensors (Tastauge) aufgenommen wird.

Des Weiteren ist vorgesehen, dass zumindest einer der verwendeten Punkte durch eine manuelle Messung ermittelt wird. Auch kann zumindest einer der verwendeten Punkte ein Punkt sein, dessen Koordinaten von einem Bediener vorgegeben werden.

Auch ist vorgesehen, dass die Art der jeweils zu berechnenden Geometrieelemente durch den Bediener vorgegeben wird. Gleiches gilt in Bezug auf die Art der zu berechnenden Verknüpfung. Selbstverständlich ist auch die Möglichkeit gegeben, dass weder Art des zu berechnenden Geometrieelements noch Art der zu berechnenden Verknüpfung durch den Bediener vorgegeben werden.

Nach der Erfindung ist es auch möglich, dass die Einzelpunkte in einer definierten Reihenfolge vorsortiert werden. Dabei können die Einzelpunkte auch in einer vorher definierten Reihenfolge aufgenommen werden.

Bei den verwendeten Einzelpunkten kann es sich um Werte handeln, die aus anderen Geometrieelementen bzw. aus Verknüpfungen von anderen Geometrieelementen berechnet wurden

Die Art der zu ermittelnden Verknüpfungen kann aus erkannten Geometrieelementen dadurch bestimmt werden, dass alle möglichen Verknüpfungen berechnet werden und das technisch sinnvollste Ergebnis ausgewählt wird.

Auch sieht die Erfindung vor, dass die Menge der Einzelpunkte dahingehend analysiert wird, welche Verknüpfung sich mit geringster Abweichung zu den basierenden Geometrieelementen und/oder zu den vorgegebenen Sollwerten berechnen lassen. Insbesondere zeichnet sich das Verfahren zum Bestimmen von Konturen oder Bereichen eines Objektes zuzuordnenden Geometrieelementen wie Geraden oder Kreisen oder Verknüpfungen dieser wie sich schneidende Geraden durch Messen von Punkten des Objekts mittels eines Koordinatenmessgerätes dadurch aus, dass Koordinaten und/oder Antastrichtungen der Punkte gemessen werden und dass unter Zugrundelegung der Koordinaten- und/oder der Antastrichtungen von zumindest zwei Messwerten ein oder mehrere Geometrieelemente automatisch berechnet werden.

Werden zur Berechnung der Geometrieelemente Antastwinkel berücksichtigt, so sieht die Erfindung vor, dass gemessene Antastwinkel in Werteklassen unterteilt werden und dass in Abhängigkeit von Verteilung auf die Werteklasse oder Häufung in den Werteklassen der den Messpunkten zu Grunde liegenden Antastwinkel Art und/oder Anzahl der Geometrieelemente berechnet werden.

Ferner ist vorgesehen, dass Beziehungen zwischen den Geometrieelementen aus der Verteilung der gemessenen Antastwinkel auf die Werteklassen berechnet werden.

Des Weiteren erfolgt eine Berechnung der Geometrieelemente dadurch, dass unter Zugrundelegung von Richtungen von zwischen Messpunkten verlaufenden Geraden Geometrieelemente für die Messpunkte bestimmt werden. Dabei werden insbesondere die Geometrieelemente aus der geometrischen Relation der Messpunkte zueinander berechnet.

Um innerhalb vorgebbarer Toleranzen berechnete Geometrieelemente als solche zu klassifizieren, die tatsächlich möglichen Geometrieelementen des zu messenden Objektes entsprechen, ist vorgesehen, dass aus der geometrischen Relation der Messpunkte berechnete Ist-Geometrie-Elemente als dem Objekt zuzuordnende mögliche Geometrieelemente bewertet werden, wenn Ist-Geometrieelemente innerhalb eines Toleranzbereichs eines möglichen Geometrieelementes liegt.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen — für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung von Messpunkten, die auf sich schneidenden Geraden liegen,

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung von Messpunkten, die auf parallel zueinander verlaufenden Geraden liegen,

Fig. 3 eine Prinzipdarstellung von Messpunkten, die auf einem Kreis liegen, und

Fig. 4 eine Prinzipdarstellung von Messpunkten, die auf einer Geraden liegen,

Fig. 5 eine Prinzipdarstellung von Messpunkten, die auf einer Ebene liegen und

Fig. 6 eine Prinzipskizze von Messpunkten, die auf einem dreidimensionalen Körper liegen.

Die Erfindung wird nachstehend an Beispielen erläutert, bei denen entweder allein die Koordinaten der Messpunkte oder neben den Koordinaten auch Antastrichtungen gemessen werden.

Sind Koordinaten der zu messenden Punkte und deren Antastwinkel, d. h. Winkel zwischen Normalenvektor zur Objektoberfläche im Messpunkt und einer Bezugsgeraden wie Koordinatenachse bekannt, so erfolgt die automatische Bestimmung der Geometrieelemente sowie deren Relation zueinander wie folgt:

Zunächst wird von der Tatsache ausgegangen, dass Antastwinkel von Punkten, die auf einer Geraden liegen, annähernd gleich sind. Demgegenüber sind Antastwinkel von Punkten auf einem Kreis gleich verteilt. Somit kann aus der Verteilung der Antastwinkel von Messpunkten auf Art und Anzahl der Geometrieelemente geschlossen werden, die durch die Messpunkte repräsentiert werden. Im Einzelnen werden folgende Schritte durchgeführt:

1. Die Antastwinkel werden in eine einstellbare Anzahl von Klassen eingeteilt, wobei die Klassenbreite Δ die Empfindlichkeit des Verfahrens beeinflussen kann.

2. Die Klassenverteilung der Antastwinkel wird analysiert, um die Art und Anzahl der Geometrieelemente zu erkennen.

3. Die Punkte werden auf Grund ihres Antastwinkels jeweils einem der zu berechnenden Geometrieelemente zugeordnet.

4. Die Geometrieelemente werden jeweils aus den ihnen zugeordneten Punkten berechnet.

5. Zur Überprüfung der Berechnung können die Abweichungen zwischen den gerechneten Formelementen und den ihnen jeweils zugeordneten Punkten herangezogen werden.

6. Die Art der Verknüpfung (z. B. Berechnung Distanz oder Winkel zwischen den Elementen) wird aus der Verteilung der Antastwinkel bestimmt.

7. Die Verknüpfung der zuvor berechneten Geometrieelemente wird berechnet.

In Bezug auf die nachstehenden Erläuterungen von Ausführungsbeispielen ist es grundsätzlich unerheblich, mit welcher Art von Sensor Messpunkte aufgenommen werden. Entscheidend ist allein die Kenntnis von Punktkoordinaten und - in Abhängigkeit von dem Auswerteverfahren - die Kenntnis bzw. die Ableitung der für die Bestimmung der Punktkoordinaten verwendeten Antastrichtungen.

An Hand der Fig. 1 soll verdeutlicht werden, dass unter Zugrundelegung von Koordinaten und Antastrichtungen und somit Antastwinkeln von Messpunkten Geometrieelemente in Form von Geraden und deren Bezug zueinander bestimmt bzw. berechnet werden können.

Dabei werden die Antastrichtungen entweder automatisch berechnet oder durch die vom Bediener verwendeten Einstellungen vorgegeben. Die automatische Bestimmung der Antastrichtung unterscheidet sich je nach Sensor. Bei berührenden Tastsystemen ergibt sich die Antastrichtung beispielsweise durch die Richtung der Auslenkung des Tasters bei Antastung des Werkstücks. Bei Bildverarbeitungssensoren wird die Antastrichtung z. B. als Normalenrichtung der auszuwertenden Kontur bestimmt. Alternativ kann die Antastrichtung beim interaktiven Messen häufig vom Bediener bestimmt werden. Bei berührenden Sensoren entspricht die Antastrichtung dann der Verfahrrichtung der Maschine, d. h. des jeweiligen berührend arbeitenden Sensors, wobei die Verfahrrichtung z. B. per Joystick gewählt werden kann. Bei Bildverarbeitungssensoren kann die Antastrichtung häufiger explizit durch numerische oder grafische Eingaben eingestellt werden.

So ergibt sich nach der Fig. 1 aus der Verteilung der Antastwinkel von Messpunkten Pl, P2, P3, P4, P5 bei ausreichend großer Empfindlichkeit Δ, dass die Antastwinkel der Messpunkte Pl und P2 innerhalb einer Klasse liegen, wohingegen die Antastwinkel der Messpunkte P3, P4 und P5 in einer zweiten Klasse. Alle anderen Klassen sind nicht besetzt. Hieraus ist zu schließen, dass die Messpunkte Pl, P2 bzw. P3, P4, P5 zwei Geometrieelemente des Typs Gerade repräsentieren. Aus den Punkten Pl und P2 sowie den Punkten P3, P4 und P5 wird sodann eine Ausgleichsgerade gl bzw. g2 berechnet. Da zudem der Winkel zwischen gl und g2 ausreichend verschieden von π ist, werden als Ergebnis der Verknüpfung der Winkel W zwischen gl und g2 sowie die Parameter der Geraden gl und g2 berechnet. Bezüglich der Messpunkte Pl, P2, P3 und P4 in Fig. 2 ergibt sich aus der Verteilung der Antastwinkel bei ausreichendem Δ, dass die Antastwinkel der Messpunkte Pl und P3 innerhalb einer Klasse liegen, die Antastwinkel der Messpunkte P2 und P4 in einer zweiten bzw. anderen Klasse. Da alle anderen Klassen nicht besetzt sind, ergibt sich, dass die Messpunkte Pl, P2, P3 und P4 zwei Geometrieelemente des Typs Gerade repräsentieren. Aus den Punkten Pl und P3 sowie den Punkten P2 und P4 wird sodann eine Ausgleichsgerade gl und g2 berechnet. Da die Differenz der Winkel der Geraden gl und g2 annähernd den Wert π ergibt, ergibt sich aus der Verknüpfung der Geometrieelemente Distanz D zwischen den Geraden gl und g2 sowie die Parameter der Geraden gl und g2.

In Fig. 3 sind Messpunkte Pl, P2, P3, P4 und P5 dargestellt, deren Antastwinkel in unterschiedlichen Klassen liegen. Aus dieser Tatsache lässt sich der Rückschluss ziehen, dass die Messpunkte Pl, P2, P3, P4 und P5 1 Geometrieelement des Typs Kreis repräsentieren. Es wird daher aus allen Messpunkten Pl, P2, P3, P4 und P5 ein Kreis berechnet. Liegt die Formabweichung innerhalb einer vorgegebenen Toleranz, werden die Parameter des Kreises als Ergebnis geliefert. Ansonsten wird eine Berechnung alternativer Geometrieelemente wie z.B. einer Ellipse und Analyse deren Formabweichung ausgelöst.

Bezüglich der in Fig. 4 dargestellten Messpunkte Pl, P2, P3 und P4 ergibt die Verteilung deren Antastwinkel, dass diese sämtlichst in einer Klasse liegen. Somit ist der Schluss zu ziehen, dass die Messpunkte Pl, P2, P3 und P4 1 Geometrieelement des Typs Gerade repräsentieren. Somit wird aus allen Messpunkten Pl, P2, P3 und P4 eine Ausgleichsgerade bestimmt. Zur Absicherung des Ergebnisses wird die Formabweichung der berechneten Gerade ermittelt. Liegt die Formabweichung innerhalb einer vorgegebenen Toleranz, werden die Parameter der Geraden als Ergebnis geliefert. Ansonsten wird die Berechnung alternativer Geometrieelemente wie z.B. Ellipse und Analyse deren Formabweichung ausgelöst. Liegen zu den den Fig. 1 bis 4 zu entnehmenden Messpunkten keine Antastrichtungen vor, so sind ebenfalls Geometrieelemente den einzelnen Messpunkten zuzuordnen bzw. aus diesen zu berechnen. Dies erfolgt wie folgt:

Liegen allein die Koordinaten der Messpunkte vor, ist die Reihenfolge der Messpunkte für die Auswertung von Bedeutung. Es werden jeweils Geraden aus dem ersten Messpunkt und allen folgenden Messpunkten gebildet, also mathematisch berechnet, und die Winkel zwischen den Geraden analysiert. Im Einzelnen werden folgende Schritte durchgeführt:

1. Winkel Wl der Verbindungsgerade im i-ten zum (i+l)-ten Messpunkt wird berechnet.

2. Winkel W2 der Verbindungsgeraden vom (i+l)-ten Messpunkt zum (i+2)-ten Messpunkt werden berechnet.

3. Ist die Differenz zwischen den Winkeln W2 und Wl kleiner als eine vorgegebene Toleranz, wird der (i+2)-te Messpunkt der Geraden zugeordnet, die durch den i-ten und den (i+l)-ten Messpunkt gebildet wird.

4. Ist die Differenz zwischen den Winkeln W2 und Wl größer als eine vorgegebene Toleranz, wird der (i+2)-te Messpunkt als Startpunkt für eine neue Gerade angesehen, deren Winkel W3 dann aus der Verbindungsgeraden aus den Messpunkten i+2 und i+3 gebildet wird.

Unter Berücksichtigung dieser Kriterien soll anhand der Fig. 1 bis 4 verdeutlicht werden, dass auch ohne Bekanntsein des Antastwinkels bzw. der Antastrichtung den Messpunkten Geometrieelemente zugeordnet werden können, die ein zu messendes Objekt kennzeichnen.

So wird in Fig. 1 eine Gerade gl2 aus den Punkten Pl und P2 gebildet bzw. durch diese gelegt. Zu einer Bezugsgeraden des Koordinatensystems, das durch das Koordinaten- messgerät vorgegeben wird, ergibt sich ein Winkel W12 zu der Geraden gl2. Entsprechend wird durch die Punkte P2 und P3 eine Gerade g23 gebildet, deren Winkel zu der Bezugsgeraden W23 beträgt. Dieser Winkel W23 unterscheidet sich signifikant vom Winkel W12 der Geraden gl2. Somit wird der Messpunkt P3 als Startpunkt einer neuen Gerade g34 mit einem Winkel W34 verwendet, der durch die Messpunkte P3 und P4 gebildet wird. Sodann wird eine Gerade g45 aus den Messpunkten P4 und P5 gebildet. Der durch die Gerade g45 vorgegebene Winkel W45 unterscheidet sich nicht signifikant von dem Winkel W34, so dass der Messpunkt P5 als Zugehörigkeit zu der Geraden g34 eingestuft wird, die durch die Messpunkte P3 und P4 bestimmt wird. Da keine weiteren Messpunkte vorliegen, werden folglich zwei Ausgleichsgeraden gl und g2 aus den jeweils zugehörigen Messpunkten Pl, P2 einerseits und P3, P4 und P5 andererseits berechnet. Anschließend wird der Winkel zwischen den Geraden gl und g2 berechnet und als Ergebnis geliefert, da der Winkel von π signifikant verschieden ist.

Gemäß Fig. 2 wird eine Gerade gl2 aus den Messpunkten Pl und P2 gebildet. Der zugehörige Winkel zu der Bezugsgeraden ist W12. Aus der durch die Messpunkte P2 und P3 gebildeten Geraden g23 wird der Winkel W23 bestimmt, der sich signifikant vom Winkel W12 der Geraden gl2 unterscheidet. Somit wird der Messpunkt P3 als Startpunkt einer neuen Geraden g34 verwendet, die durch die Messpunkt P3 und P4 vorgegeben bzw. gebildet wird. Der Winkel zwischen der Geraden g34 und der Bezugsgeraden beträgt W34. Da keine weiteren Messpunkte vorhanden sind und der Winkel zwischen den Geraden gl2 und g34 nicht signifikant verschieden ist von π, wird die Distanz D der Geraden gl2 und g34 berechnet und als Ergebnis geliefert.

In Fig.3 wird eine Gerade gl2 aus dem Messpunkten Pl und P2 gebildet. Der zugehörige Winkel zu der Bezugsgeraden beläuft sich auf W12. Ein einer durch die Messpunkte P2 und P3 gebildeten Gerade g23 zugeordneter Winkel W23 unterscheidet sich signifikant vom Winkel W12 der Geraden gl2. Das bedeutet, dass der Messpunkt P3 als Startpunkt einer neuen Gerade g34 mit einem Winkel W34 verwendet wird, die aus dem Messpunkt P3 und P4 gebildet wird. Da der Winkel W34 signifikant unterschiedlich von dem Winkel W23 ist, wird der Messpunkt P4 als Startpunkt für eine neue Gerade g45 bestimmt durch die Messpunkte P4 und P5 verwendet. Der zugehörige Winkel W45 ist wiederum signifikant unterschiedlich von dem Winkel W34. Da die Analyse der Messpunkte Pl, P2, P3, P4 und P5 mehr als zwei Geometrieelemente erzeugt, wird zunächst ein Ausgleichskreis aus den Messpunkten Pl, P2, P3, P4 und P5 berechnet. Zur Absicherung des Ergebnisses wird die Formabweichung des berechneten Kreises berechnet. Liegt die Formabweichung innerhalb einer vorgegebenen Toleranz, werden die Parameter des Kreises als Ergebnis geliefert. Ansonsten wird die Berechnung alternativer Geometrieelemente wie z. B. einer Ellipse und Analyse deren Formabweichung ausgelöst.

Nach der Fig. 4 wird ebenfalls aus Messpunkten Pl und P2 eine Gerade gl2 gebildet und der Winkel W12 bestimmt. Sodann wird aus den Messpunkten P2 und P3 eine Gerade g23 und g3 gebildet, deren Winkel W23 beträgt. Da sich die Winkel W12 und W23 nicht signifikant unterscheiden, wird der Messpunkt P3 als zugehörig zu der Geraden gl2 klassifiziert. Durch den Messpunkt P3 und den folgenden Messpunkt P4 wird eine neue Gerade g34 gebildet. Da sich auch der so bestimmte Winkel W34 nicht signifikant von dem Winkel W12 unterscheidet, wird der Messpunkt P4 gleichfalls als zu der Geraden gl2 zugehörig klassifiziert. Als Ergebnis der Berechnung werden die Parameter der Ausgleichsgeraden gl geliefert, die durch die Messpunkte Pl, P2, P3 und P4 gebildet wird.

Zur Absicherung des Ergebnisses wird die Formabweichung der berechneten Gerade berechnet. Liegt die Formabweichung innerhalb einer vorgegebenen Toleranz, werden die Parameter der Geraden als Ergebnis geliefert, ansonsten wird die Berechnung alternativer Geometrieelemente wie z. B. Ellipse und Analyse deren Formabweichung ausgelöst.

Den Fig. 5 und 6 sind rein beispielhaft Maßnahmen zu entnehmen, wie aus Koordinaten von Messpunkten bzw. Antastwinkel/ Antastrichtung eine Ebene bzw. ein dreidimensionales Geometrieelement bestimmt werden kann.

So ist in Fig. 5 die Erkennung einer Ebene durch Aufnahme von vier Messpunkten Pl, P2, P3, P4 dargestellt. Zu jedem Messpunkt werden Antastwmkel φ und δ bestimmt, wobei φ dem Winkel zwischen der X-Achse des Koordinatensystems und dem Antastsektor und δ dem Winkel zwischen der Z-Achse des Koordinatensystems und dem Antastsektor entspricht. Die Winkel φ und δ werden entsprechend zuvor wiedergegebenen Verfahrens bestimmt und in Klassen aufgeteilt. Dabei muss im Fall der Ebene eine Verteilung der Winkel φ und δ in jeweils einer Klasse erfolgen. Ist eine entsprechende Winkelverteilung festzustellen, so kann auf die Erkennung einer Ebene geschlossen werden.

Für die Bestimmung von 3D-Geometrieelementen ist die Kenntnis der Winkel φ und δ der Normalenrichtung zur Werkstückoberfläche in den Messpunkten zu jeweils einer Koordinatenachse erforderlich. Analog zu den 2D-Elementen, also Ebenen, erfolgt eine Unterteilung der Winkel φ und δ in Klassen. Die Klassenverteilung ergibt anschließend Informationen über die Art des vorliegenden Geometrieelementes. Die Verteilung der Winkel φ und δ ergeben sich bei einer Ebene wie in Bild 5 dargestellt, jeweils als eine Klasse.

Ist die Normalenrichtung in den Messpunkten unbekannt, erfolgt bei der Bestimmung der 3D-Elemente jeweils zunächst die Berechnung von Geraden zwischen zwei Messpunkten. Aus den Geraden wird jeweils paarweise eine Ebene aufgespannt. Die Verteilung der Winkel φ und δ der Normalenvektoren dieser Ebene werden wie zuvor beschrieben analysiert und führen zur Entscheidung, welche Art von Geometrieelement erfasst wurde.

In Fig. 6 ist ein dreidimensionaler Körper in Seitenansicht und Draufsicht dargestellt, der verschiedene geometrische Elemente aufweist. Mit Hilfe einer digitalen Bildverarbeitung ist es möglich, eine Draufsicht einzelner Messpunkt an den Geraden Gl, G2, G3 und G4 sowie am Kreis Kl aufzunehmen und diese Geometrieelemente entsprechend zuvor erfolgter Erläuterungen zu erkennen. An den Ebenen El, E2 und E3 werden Messpunkte z. B. mit Hilfe eines berührenden Tastsystems oder mit Hilfe eines Lasersensors aufgenommen. Die Auswertung der Punkte und Antastvektoren nach dem erläuterten Vorgehen führt sodann zu den benötigten Informationen über die Geometrieelemente.

Claims

PatentansprücheVerfahren zum automatischen Messen mit Koordinatenmess geraten

1. Verfahren zum Berechnen von Geometrieelementen wie Geraden, Kreisen, Ebenen, Kugeln, Kegeln, Zylindern und/oder Verknüpfungen wie Abstand, Winkel, Lagetoleranz, Kreisdurchmesser, Bogenradius zwischen den Geometrieelementen mittels mit einem Koordinatenmessgerät gemessener Messpunkte, dadurch gekennzeichnet , dass die Art der Geometrieelemente und/oder die Art der Verknüpfung zwischen den Geometrieelementen automatisch durch Überprüfung einer Übereinstimmung von mathematischen Modellen für Art der Geometrieelemente und/oder Art der Verknüpfungen mit geometrischer Anordnung der Messpunkte bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Beschreibung der Geometrieelemente benötigte Parameter wie Richtung, Schwerpunktlage, Durchmesser aus den Messpunkten berechnet werden.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ekennzeichnet, dass zur Berechnung von Verknüpfungen weniger Punkte eingesetzt werden als zur eindeutigen Definition der zu Grunde liegenden Geometrieelemente selbst erforderlich wäre.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Einzelpunkten zugeordnete Technologieinformationen bzw. -parameter bei Ermittlung der Art der Geometrieelemente bzw. der Art der Verknüpfungen hinzugezogen werden, insbesondere die Normalenrichtung zur Werkstückoberfläche bzw. Kante, wobei die Normalenrichtung durch Relation zur Antastrichtung des verwendeten Sensors und/oder Antastsinn des verwendeten Sensors und/oder der Richtung des Hell-/Dunkelübergangs bei Bildverarbeitungssensoren und/oder der Auslenkung des Tasters im Antastzustand vorgegeben wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die statistische Verteilung der den Einzelpunkten zugeordneten Technologieparametern bzw. -informationen, insbesondere die Normalenrichtung zur Werk- stückoberfläche bzw. -kante analysiert wird, wobei die Normalenrichtung durch Relation zur Antastrichtung des verwendeten Sensors und/oder Antastsinn des verwendeten Sensors und/oder der Richtung des Hell-/Dunkelübergangs bei Bildverarbeitungssensoren und/oder der Auslenkung des Tasters im Antastzustand vorgegeben wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung von Einzelpunkten zu Geometrieelementen dadurch festgelegt wird, dass die Formabweichung des berechneten Geometrieelementes aus der Einzelpunktegruppe einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet.

7. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass hierbei die Formabweichungen für verschiedene mögliche Geometrieelemente getestet werden, wie z. B. Gerade, Kreis, Ebene, Winkel, Kugel, Distanz, Zylinder.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die statistische Verteilung der Antastrichtungswinkel der Einzelpunkte analysiert wird, um festzustellen, wie viele Geometrieelemente durch die Menge der Einzelpunkte (Punktwolke) repräsentiert werden, und/oder hieraus festzustellen, welche Relativlage die Elemente zueinander aufweisen.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Geometrieelemente 2 Geraden und als Verknüpfung zwischen den Geraden Winkel und/oder Distanz berechnet werden.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Verknüpfung der Einzelpunkte Kreise erkannt werden.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Verknüpfung Kugeln und/oder Ebenen und/oder Zylinder erkannt werden.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Geometrieelemente 2 Ebenen und als Verknüpfung hieraus ein Winkel und/oder eine Distanz berechnet wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelpunkte mit Hilfe eines mechanischen Tasters und/oder eines Laser- abstandssensors und/oder eines Bildverarbeitungssensors und/oder eines taktil optischen Tasters und/oder eines Streifenprojektionssensors und/oder eines Pho- togrammetriesensors und/oder eines Lichtschnittsensors und mit Hilfe des Koor- dinatenmessgeräts aufgenommen werden.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelpunkte mit unterschiedlichen Sensoren aufgenommen und als Gesamteinzelpunktwolke gemeinsam mit einem einheitlichen Koordinatensystem ausgewertet werden.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensor ein Bildverarbeitungssensor zum Einsatz kommt.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Punkte mit einem Lasersensor aufgenommen wurde.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der verwendeten Punkte mit Hilfe eines Fasertasters aufgenommen wurde.

18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der verwendeten Punkte mit Hilfe eines opto-elektronischen Punktsensors (Tastauge) aufgenommen wurde.

19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der verwendeten Punkte durch eine manuelle Messung ermittelt wurde.

20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der verwendeten Punkte ein Punkt ist, dessen Koordinaten vom Bediener vorgegeben werden.

21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Art der jeweils zu berechnenden Geometrieelemente durch den Bediener vorgegeben wird.

22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Art der zu berechnenden Verknüpfung durch den Bediener vorgegeben wird.

23. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass weder Art des zu berechnenden Geometrieelements noch Art der zu berechnenden Verknüpfung durch den Bediener vorgegeben werden.

24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelpunkte in einer definierten Reihenfolge vorsortiert werden.

25. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelpunkte in einer vorher definierten Reihenfolge aufgenommen werden.

26. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den verwendeten Einzelpunkten um Werte handelt, die aus anderen Geometrieelementen bzw. aus Verknüpfungen von anderen Geometrieelementen berechnet wurden.

27. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Art der zu ermittelnden Verknüpfungen aus erkannten Geometrieelementen dadurch bestimmt wird, dass alle möglichen Verknüpfungen berechnet werden und das technisch sinnvollste Ergebnis ausgewählt wird.

28. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge der Einzelpunkte dahingehend analysiert wird, welche Verknüpfung sich mit geringster Abweichung zu den basierenden Geometrieelementen und/oder zu den vorgegebenen Sollwerten berechnen lassen.

29. Verfahren zum Bestimmen von Konturen oder Bereichen eines Objektes zuzuordnenden Geometrieelementen wie Geraden, Kreisen, Ebenen oder 3 D-Gestaltungen oder Verknüpfungen dieser wie sich schneidende Geraden oder Ebenen durch Messen von Punkten des Objektes mittels eines Koordinatenmessgerätes, dadurch gekennzeichnet, dass Koordinaten- und/oder Antastrichtungen der Punkte gemessen werden und dass unter Zugrundelegung der Koordinaten- und/oder der Antastrichtungen von zumindest zwei Messwerten ein oder mehrere Geometrieelemente automatisch berechnet werden.

30. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass gemessene Antastwinkel in Werteklassen unterteilt werden und dass in Abhängigkeit von Verteilung auf die Werteklasse und/oder Häufung in den Werteklassen der den Messpunkten zu Grunde liegenden Antastwinkel Art und/oder Anzahl der Geometrieelemente berechnet werden.

31. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass geometrische Beziehungen zwischen den Geometrieelementen aus der Verteilung der gemessenen Antastwinkel auf die Werteklassen berechnet werden.

32. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unter Zugrundelegung von zwischen Messpunkten verlaufenden Geraden Geometrieelemente für die Messpunkte bestimmt werden.

33. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrieelemente aus der geometrischen Relation der Messpunkte zueinander berechnet werden.

34. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus aufeinander folgenden ersten und zweiten Messpunkten eine erste Gerade gebildet und ein zu einer Bezugsgerade in dem Koordinatenmessgerät eingeschlossener erster Winkel berechnet wird, dass zwischen dem zweiten Messpunkt und einem folgenden dritten Messpunkt eine zweite Gerade gebildet und ein in Bezug auf die Bezugsgerade zweiter Winkel berechnet wird, dass bei innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegendem ersten und zweiten Winkel der dritte Messpunkt einem durch die erste Gerade vorgegebenen ersten Geometrie- element in Form einer Geraden zugeordnet wird, dass bei außerhalb des Toleranzbereichs liegendem ersten und zweiten Winkel der dritte Messpunkt Ausgangspunkt für eine dritte Gerade wird, die als Basis für die Berechnung eines zweiten Geometrieelementes in Form einer Geraden berücksichtigt wird, oder dass der erste, der zweite und der dritte Messpunkt einer Berechnung eines von einer Geraden abweichenden Geometrieelementes zu Grunde gelegt werden.

35. Verfahren zum Bestimmen von Konturen oder Bereichen eines Objekts zuzuordnenden Geometrieelementen wie Geraden, Kreisen, Ebenen oder dreidimensionalen Gestaltungen oder Verknüpfungen dieser mittels Bestimmung von Messwerten von Messpunkten des Objekts mit einem oder mehreren Sensoren eines Koordinatenmessgerätes und anschließendes Analysieren, Verknüpfen und Auswerten der Messwerte, wobei Koordinaten der Messpunkte und/oder Antastrichtungen des oder der Sensoren zu den Messpunkten als die Messwerte Klassen zugeordnet werden, die Geometrieelemente charakterisieren oder aus deren Verteilung Geometrieelemente berechnet werden, und wobei aus Anzahl der mit Messwerten belegten Klassen und/oder Häufung von Messwerten in Klassen die Geometrieelemente bestimmt werden.

36. Verfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass bei durch Antastrichtungen bestimmten Messpunkten die Antastrichtungen in die Klassen aufgeteilt werden.

37. Verfahren nach zumindest Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren der gleichen Klasse zugeordneten Messpunkte diese einer Geraden als das Geometrieelement zugeordnet werden.

8. Verfahren nach zumindest Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass bei unterschiedlichen Klassen zugeordneten Messpunkten ohne Häufung von Messpunkten in einer Klasse aus den Messwerten ein Kreis, eine Ellipse o- der ein Oval als Geometrieelement berechnet oder ein entsprechendes Geometrieelement den Messpunkten zugeordnet wird.