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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Ansichten einer
Hohlraumoberfläche
einer komplexen Bohrung.
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Die
visuelle Inspektion von Bohrungen, Rohren oder sonstigen Hohlräumen ist
in vielen Fällen eine
unabdingbare Aufgabe für
eine ordnungsgemäß Funktionalität technischer
Einrichtungen. Durch die beschränkte
Zugänglichkeit
des Hohlraumes sind dabei i.A. besondere Maßnahmen zur optischen Abbildung
wie z.B. spezielle Beleuchtungseinrichtungen und Sonderoptiken erforderlich.
Bei kleinen und kleinsten Bohrungen kommen daher zur Abbildung solcher
Hohlräume
Endoskope, Boreskope, u.ä. kleinster
Bauformen zum Einsatz. Allein im Bereich der Automobilindustrie
werden derzeit etwa 40 Millionen Hydraulikzylinder pro Jahr produziert,
deren Bohrungen zum Zwecke der Qualitätssicherung zu 100% geprüft werden
sollen. Deshalb werden schon seit geraumer Zeit Anstrengungen unternommen, diese
Prüfaufgaben
mit Mitteln der Bildverarbeitung zu automatisieren.
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Bei
der automatischen, visuellen Inspektion von kleinen Bohrungen stellt
bereits die optische Abbildung zur geeigneten Bilderfassung eine
ernsthafte Schwierigkeit dar. Bohrungen in technischen Geräten weisen
im Gegensatz zur einfachen Zylinderform i.A. eine wesentlich komplexere
Gestalt auf. Die Innenräume
haben Seitenbohrungen, Absätze,
Nuten, etc. Zur automatischen Prüfung
solcher Hohlräume
sind im Allgemeinen unterschiedliche Beleuchtungen oder Blickwinkel
erforderlich. Derzeitige Systeme erreichen deshalb oft keine ausreichende
Prüfleistung oder
machen eine aufwendige, mehrfache Erfassung der Hohlraumoberfläche mit
unterschiedlichen Abbildungsoptiken bzw. Beleuchtungsanordnungen
nötig. Aufgrund
der beschränkten
Zugänglichkeit
kann meist nur eine bestimmte, durch die Abbildungsoptik sowie die
Zugangsöffnung
vorgegebene Perspektive des Hohlraumes abgebildet werden.
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Oft
ist die Erfassung der erforderlichen Oberflächenanteile, die für eine Prüfung zur
Qualitätsbeurteilung
herangezogen werden müssen,
dadurch nicht in geeigneter Weise möglich. Diese Anteile der Oberfläche sind
die "relevante Hohlraumoberfläche".
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Wünschenswert
ist daher eine Anordnung, die es erlaubt, die (relevante) Oberfläche eines
Hohlraumes zu erfassen, so daß
- • trotz
der räumlich
beschränkten
Zugänglichkeit die
für eine
Prüfung
erforderliche Oberfläche
vollständig
in der zur automatischen Prüfung
geeigneten Qualität
abgebildet werden kann,
- • die
dazu erforderliche Bewegung und Handhabung von Prüfobjekt
oder Sensoreinheit minimiert wird,
- • durch
unterschiedliche Blickwinkel oder Beleuchtungsanordnung alle relevanten
Erscheinungen der Hohlraum-Oberfläche für eine automatische Erkennung
geeignet dargestellt werden.
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Bisherige
Methoden zur Abbildung von Bohrungsoberflächen können aufgrund des hohen Zeitbedarfs
und des notwendigen Handhabungsmechanismus eine geeignete Bilderfassung
für eine
automatische visuelle Prüfung
in der Produktionsumgebung nicht leisten. Stand der Technik im industriellen Einsatz
ist die Video-Endoskopie, die mit der Verfügbarkeit kostengünstiger
Videokameras eingeführt wurde,
vgl. Steiner, 1991, Endoskopie – Einsatz
in der Fertigung und Instandhaltung, Lehrgang der Technischen Akademie
Esslingen, Mai 1991. Für
die Bildaufnahme werden in der Regel starre Endoskope mit Seitblick
eingesetzt, um die innenliegenden Mantelflächen der Bohrung zu inspizieren.
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Während einer
definierten Vorschub- und Drehbewegung wird fortlaufend das vom
Endoskop gelieferte Bild auf den Sensor einer Videokamera abgebildet
und als S/W- oder Farbbild auf einem Monitor dargestellt.
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Ein
Prototypsystem setzte ein Seitblick-Endoskop in Kombination mit
einer Zeilenkamera ein. Bei diesem System wurde der Schwerpunkt
auf eine vereinfachte mechanische Handhabung gelegt, indem auf eine
Drehung der Werkstücke
verzichtet wurde, vgl. Dressler, 1985, Hohlrauminspektion mit CCD-Zeilensensoren,
Laser Magazin, Nr. 2/1985, S.76 bis 81. Stattdessen wird der Kamerakopf
gedreht, dessen Signale mittels einer optischen Drehkupplung und
eines elektronischen Schleifrings übertragen werden. In einem
Bildspeicher werden die Zeilensignale zu einem Bild zusammengesetzt
und auf einem Monitor dargestellt. Aufgrund relativ hoher Kosten
und fehlender Auswertealgorithmen konnte sich dieses Gerät in der
industriellen Anwendung nicht durchsetzen.
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Rundumblick-Endoskope
erlauben einen Seit- oder sogar einen Retroblick über volle
360° des Bohrungsumfangs,
vgl. Wolf,
DE 78 19
433 U1 , und Greguss, Panoramic Holocamera for Tube and
Borehole Inspection, SPIE Vol. 699 Laser and Opto-Electronic Technology
in Industry, S. 127-131, 1986, allerdings sind derartige Endoskope
nur als vereinzelte Prototypen erhältlich. Rundumblick-Endoskope
sind für
die Video-Endoskopie wenig geeignet, da der menschliche Prüfer sich
nur schwer auf die ungewohnte Tunnelperspektive einstellen kann.
Durch die beschränkte
Zugänglichkeit
des angesprochenen Hohlraums und seiner Oberfläche sind dabei besondere Maßnahmen
zur optischen Abbildung nötig,
so zum Beispiel spezielle Beleuchtungseinrichtungen und Sonderoptiken.
Bei kleinen und kleinsten Bohrungen kommen Endoskope oder Boreskope
kleinster Bauformen zum Einsatz. Beispiele solcher Endoskope finden
sich in
DE 78 19 433
U1 (Wolf) oder in dem Artikel "Panoramic Holocamera for Tube Borehole
Inspection", SPIE
Vol. 699, Laser and Optoelectronic Technology in Industry, Seiten
127 bis 131, 1986 (P. Greguss).
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Aus
der
US 5,543,972 A (Kameweda)
ist eine an einem Seil hängende
Spiegeleinrichtung für eine
Bohrloch-Innenbetrachtung bekannt, welches in der Erde angeordnet
ist. Nach dortiger Spalte 8, Zeilen 22 bis 40 wird die Sonde abwärts bewegt
und Bilder abgebildet, welche eine Vielzahl von an Linien orientierten
Quadraten darstellen (vgl. Spalte 9, Zeile 39). Diese Linien werden
in Richtung von Reihen entsprechend der Bewegung der Sonde angeordnet,
so dass ein quasi-kontinuierliches Bild abgebildet werden kann.
Mit der Abwärtsbewegung
der Sonde, vgl. Spalte 13, Zeilen 14 bis 27 kann die Bohrwand des Bohrloches
linear gescannt werden und eine Abspeicherung des fotografierten
oder der fotografierten Bilder findet statt. Geologische Phänomene können so am
Bohrloch entlang betrachtet werden. Auch dort findet sich mithin
eine gekrümmte
Oberfläche
eines Hohlraums, aber eines solchen Hohlraums, der ein Bohrloch
im Erdreich darstellt. Bei dieser Art der Bohrloch-Erkennung wird
auch mit einer Aufzeichnungs-Einrichtung gearbeitet, vgl. dort
11 mit dortiger
12 und
hinsichtlich des Abwärtsbewegens
der Sonde die dortige
10. Die abwärts bewegte
Sonde findet sich in dortiger
6 mit
einem umlaufenden Fenster
31, welches eine umfängliche Betrachtung
der Oberfläche
des geologischen Bohrlochs ermöglicht.
Umfänglich
orientierte Einzelbilder können
damit aufgezeichnet werden und mittels einer Umrechung von einzelnen
Pixeln (als Felder), die in dortiger
11 benannt
sind, in eine ebene Darstellung überführt werden.
In vertikaler Richtung findet sich das Tiefensignal des Sensors
(dort Tiefensensor
52), welches der z-Richtung in Zylinderkoordinaten
entspricht. Auch erwähnt
ist dort, dass die Sonde in ihrer z-Bewegung angehalten werden kann,
vgl. dort Spalte 9, Zeile 11 bis 20, und an der Halteposition durch
Variieren des Radius einer umfänglichen Linie
Resultate erhalten werden können,
ohne die Sonde bewegen zu müssen.
Trotz dieser scheinbar umfangreichen Innenwandbetrachtung eines
Erdlochs als Bohrloch bleiben bei Bohrungen in Werkstücken, die
komplexe Geometrien aufweisen können, Aufgaben
zu lösen,
welche die beschriebene abgeseilte Sonde in
US 5,543,972 A nicht darzustellen und
B abzubilden vermag.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine Oberflächendarstellung einer gekrümmten Oberfläche in einer
für eine
schnelle visuelle Prüfung
geeigneten Weise zu ermöglichen,
dabei auch schnell und sicher die gesamte Oberfläche oder Bereiche der Oberfläche optisch
darzustellen.
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Gelöst wird
diese Aufgabe mit Anspruch 1. Die Erfindung ist ein Verfahren mit
einer Sensoranordnung zur visuellen Prüfung von Hohlräumen als Bohrungen,
das gleichzeitig unterschiedliche Blickwinkel bei der Erfassung
einer relevanten Hohlraumoberfläche
ermöglicht.
Der Sensor besteht aus den Komponenten Abbildungsoptik, Bildwandler,
Handhabungseinheit, Signalverarbeitungs- und Steuereinheit. Dem
Konzept zugrunde liegen die physikalischen Grundlagen der Optik
(optische Abbildung, optoelektronische Bildwandler) sowie Methoden
der digitalen Signalverarbeitung. Dagegen wird in
US 5,543,972 A – im Unterschied
zur Lösung
des Anspruchs 1 – ein
Zusammenfügen
von transformierten Teilbildern zu mehreren lückenlosen Ansichten unterschiedlicher
Hohlraumoberflächen
aus gleicher Blickrichtung offenbart, vgl. dort die durch Markierungssterne
abgegrenzten Ansichten. Insb. zeigt die
US 5,543,972 A nach dortiger
12 nicht mehrere lückenlose, kontinuierliche Ansichten
derselben Hohlraumoberfläche
aus unterschiedlichen Blickrichtungen.
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Es
sind folgende Effekte der beanspruchten Erfindung hervorzuheben.
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Bei
einer Automatisierung bietet der Einsatz von Rundumblick-Endoskopen
den großen
Vorteil, daß auf
die mechanische Drehung des Werkstückes oder des Endoskops verzichtet
werden kann. Zur Abtastung der Bohrungsfläche reicht ein Eintauchen des
Endoskopes in das Werkstück
aus. Durch die vereinfachte Mechanik kann der gesamte Prüfablauf verkürzt werden.
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Die
Sensoranordnung erlaubt, ausgehend von einem gegebenen Zugang des
Hohlraumes, der Betrachterposition, unterschiedliche Ansichten der Hohlraumoberfläche z.B.
unter verschiedenen Betrachtungswinkeln, insbesondere auch mit verschiedenen
Beleuchtungen.
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Durch
die erweiterten Möglichkeiten
der Blickrichtungssteuerung können
Oberflächen
in Hohlräumen
geprüft
werden, die bisher nicht mit einer einzigen Sensoreinheit erfaßt werden
konnten.
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Die
Möglichkeit,
Oberflächen
mit unterschiedlichen Blickwinkeln quasi gleichzeitig zu erfassen,
erlaubt es, mit einer einzigen Sensoranordnung unterschiedliche
Erscheinungen (Fehlertypen) der Oberfläche geeignet für eine automatische
Fehlerdetektion abzubilden. Der Aufwand zur Handhabung vereinfacht
sich erheblich.
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Eine
verbesserte Bildqualität
und Präsentation
der mit der Sensoranordnung aufgenommenen Hohlraumoberflächen kann
erreicht werden.
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Die
Steuerung unterschiedlicher Blickwinkel erfolgt elektronisch, d.h.
schnell und ohne mechanischen Verschleiß.
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Mit
der Sensoranordnung werden widersprüchliche Abbildungsbedingungen,
die bisher mehrere unterschiedliche Bilddatenerfassungsysteme (Abbildungsoptik,
Beleuchtungsanordnung) erfordert haben, mit einem System erfüllt.
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Es
ergibt sich eine kostengünstige
Gesamtlösung,
da mit der Sensoranordnung bisher widersprüchliche Anforderungen an ein
Abbildungssystem mit einem einzigen System erfüllt werden können.
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Beispiele
erläutern
die Erfindung an drei Figuren (Abbildungen).
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1 zeigt
die Grundanordnung des Meßaufbaus
mit Einzelkomponenten zur gesamten Sensoranordnung.
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2a, 2b zeigen
Abbildungsoptiken E aus einem Endoskop mit Rundumblick als "Fischaugenoptik", bzw. mit "Retroblick".
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3 zeigt
eine Transformation Tr mit Polarkoordinatentransformation, die den
Kreisring in ein Rechteck umformt. Alle Bilder bi werden
entlang der z-Achse zu einem Gesamtbild der Oberfläche zusammengefügt.
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Die
Grundanordnung des Meßaufbaus
mit den Einzelkomponenten zur gesamten Sensoranordnung zeigt 1.
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Das
Prüfobjekt
P enthält
einen Hohlraum H, der in der Abbildung im Schnitt gezeigt ist. Der
Hohlraum ist durch die Öffnung
G zugänglich
für die
Einführung
der Sensorik. Der Sensor S besteht aus einer geeigneten Abbildungsoptik
E (Endoskop, Spiegel, etc.), einer Beleuchtungseinrichtung B sowie
dem Bildwandler D, z.B. einem Matrix-CCD-Array (CCD-Kamera). Der Bildwandler
liefert ein elektrisches Signal, das dem abgebildeten Hohlraum gemäß der Abbildungseigenschaften
der Optik E entspricht. Dieses Signal wird zur elektronischen Signalverarbeitungseinheit
VR (z.B. einem Rechner) für
die weitere Verarbeitung geleitet.
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Die
Signalverarbeitungseinheit VR beinhaltet Einrichtungen zur Speicherung
mehrerer Bildsignale, zur Transformation von Bildsignalen, zur Extraktion von
Teilbildsignalen und zur Vereinigung mehrerer (Teil-)Bildsignale
zu einem neuen Bildsignal (z.B. in Form eines digitalen Bildverarbeitungssystems
mit entsprechenden Verarbeitungsalgorithmen). Die Signalverarbeitungseinheit
VR ist verbunden mit der Handhabungseinheit VH, die das Einführen der
Sensoreinheit in den Hohlraum kontrolliert. Über diese Verbindung erfolgt
ein Austausch von Signalen, so daß der Signalverarbeitungseinheit
VR die Relativposition von Sensor und Prüfobjekt bekannt ist. Dabei ist
es unerheblich, ob die Signalverarbeitungseinheit VR eine bestimmte
Position vorgibt, die dann von der Handhabungseinheit VH angefahren
wird, oder ob die Bewegung von der Handhabungseinheit VH initiiert
wird und das Erreichen einer bestimmten Position an die Signalverarbeitungseinheit
VR gemeldet wird.
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Die
Beleuchtungseinrichtung erzeugt im Hohlraum die für die Abbildung
notwendige Helligkeit. Die Beleuchtung kann z.B. erzeugt werden durch
gemeinsam oder getrennt mit der Abbildungsoptik in den Hohlraum
eingebrachte Lichtquellen, durch gemeinsam oder getrennt mit der
Abbildungsoptik in den Hohlraum eingebrachte lichtleitende Einrichtungen
(z.B. Glasfasern), die das Licht einer externen Lichtquelle im Hohlraum
abgeben oder durch das Licht einer externen Lichtquelle, das in
den Strahlengang der Abbildungsoptik mittels Strahlteiler eingekoppelt
wird und im Hohlraum aus der Abbildungsoptik austritt.
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Zur
Bilderfassung wird der Sensor S durch die Öffnung G in das Prüfobjekt
eingeführt,
im einfachsten Fall durch eine lineare Bewegung. Dabei ist es unerheblich,
ob der Sensor relativ zum Prüfobjekt oder
das Prüfobjekt
relativ zum Sensor bewegt wird. Der Bildwandler liefert dabei ein
Signal in Form einer kontinuierlichen Folge von Bildern der abgebildeten Hohlraumoberfläche an die
Signalverarbeitungseinheit. Dieses Signal (der Bildinhalt) verändert sich
mit der Relativposition z von Sensor S und Objekt P. Die Erfassung
des relevanten Anteils oder der gesamten Hohlraumoberfläche erfolgt
dabei durch Aufnahme und Speicherung mehrerer Einzelbilder des Bildwandlers
D und nachfolgender Verarbeitung der Einzelbilder in der Signalverarbeitungseinheit
VR.
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Dabei
werden aus mehreren Bildern bi, die vom
Bildwandler D an den Positionen pi innerhalb des
Hohlraumes aufgenommen werden, durch Extraktion von geeigneten Teilbildern
tik nach geeigneter Transformation Tr derselben
(t'ik),
ein oder mehrere neue Bilder rk der Hohlraumoberfläche zusammengesetzt.
Die Bestimmung der Positionen pi, von Lage und
Form der Teilbilder tik in den Bildern bi sowie der Transformation Tr erfolgt nach
zwei Kriterien:
- • Als Ergebnis der Verarbeitungsoperationen
ergeben sich durch Aneinanderfügen
der transformierten Teilbilder t'ik ein oder mehrere lückenlose, kontinuierliche Abbilder
rk der relevanten Hohlraumoberfläche.
- • Die
zusammengesetzten, lückenlosen,
kontinuierlichen Abbilder rk der relevanten
Hohlraumoberfläche
weisen den oder die gewünschten
Blickwinkel auf.
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Bei
bekannter Geometrie des untersuchten Hohlraumes kann durch die bekannten
Positionen pi (auf der z-Achse) und die
bekannten Abbildungseigenschaften der Optik E das Korrespondenzproblem gelöst werden.
Es kann eine Zuordnung von korrespondierenden Punkten in den verschiedenen
Abbildern rk derselben Oberfläche in Form
einer Koordinatentransformation angegeben werden.
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Mit
dem beschriebenen Verfahren kann die Oberfläche eines Hohlraumes auch in
mehreren unzusammenhängenden
Teilbereichen erfaßt
werden.
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Die
Abbildungsoptik E besteht aus einem Endoskop mit Rundumblick ("Fischaugenoptik", bzw. "Retroblick", siehe 2). Das Endoskop hat einen Durchmesser
von 10 mm und eine Länge
von 150 mm, geeignet, um in den Hohlraum H des Prüfobjektes
P, z.B. die Bohrung eines Hydraulikzylinders, eingeführt zu werden.
Am Okular des Endoskops ist der Bildwandler D, hier eine CCD-Kamera
gemäß der CCIR
Videonorm, angebracht. Die Beleuchtung besteht aus einem Diffusor,
der am Objektiv des Endoskopes angebracht ist und durch ein lichtleitendes Glasfaserbündel mit
dem Licht einer externen Lichtquelle gespeist wird.
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Das
Prüfobjekt
P ist mit einer Halterung auf einer schrittmotorgetriebenen Linearachse
befestigt, so daß durch
Bewegung der Linearachse das Endoskop in den Hohlraum des Prüfobjekts
eingeführt wird.
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Die
Verarbeitungseinheit VR besteht aus einem Rechner mit Schnittstellen
für den
Kameraanschluß sowie
der Kommunikation mit der Handhabungseinheit VH (Schrittmotorsteuerung).
Das Signal der CCD-Kamera wird über
einen A/D-Wandler digitalisiert und in digitaler Form durch Programme,
welche das beschriebene Verfahren realisierten, weiterverarbeitet.
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In
den von der Kamera als Bildwandler D aufgenommenen Bildern bi erscheinen radiale Strukturen der Bohrung
als (konzentrische) Kreisringe. Zur Erfassung der Oberfläche wird
daher aus jedem Bild bi ein Kreisring ti extrahiert. Als Transformation Tr kommt
die Polarkoordinatentransformation zum Einsatz, die den Kreisring
in ein Rechteck umformt. Alle Bilder bi,
die derart umgeformt wurden, werden entlang der z-Achse zu einem
Gesamtbild der Oberfläche
zusammengefügt,
wie 3 veranschaulicht. Die elektronische Blickrichtungssteuerung
erfolgt durch Auswahl des entsprechenden Radius für die Ermittlung
des zu extrahierenden Kreisringes. Entsprechend ergibt sich damit
bei der in 3 skizzierten Abbildungseigenschaft
des Endoskopes eine radialsymmetrische, vorausschauende oder zurückblickende
Blickrichtung. Damit ermöglicht
die Sensoranordnung gleichzeitig den Blick senkrecht auf die Bohrungswandung,
den Grund einer Ringnut oder in eine Seitenbohrung sowie schräg auf die
vordere und hintere Flanke der Ringnut.
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Für jede Blickrichtung
wird dabei eine komplette oder teilweise Abbildung rk der
Hohlraumoberfläche
erzeugt. Die Darstellung der Hohlraumoberfläche erfolgt in der "abgewickelten Form", in der z und φ in kartesischen
Koordinaten repräsentiert
werden.