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WO2001088471A1 - Verfahren und vorrichtung zum bestimmen der 3d-form eines objektes - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum bestimmen der 3d-form eines objektes Download PDF

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Publication number
WO2001088471A1
WO2001088471A1 PCT/EP2001/005598 EP0105598W WO0188471A1 WO 2001088471 A1 WO2001088471 A1 WO 2001088471A1 EP 0105598 W EP0105598 W EP 0105598W WO 0188471 A1 WO0188471 A1 WO 0188471A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
objects
measurement
measuring
registration
measured
Prior art date
Application number
PCT/EP2001/005598
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Armin Maidhof
Peter Andrä
Manfred Adlhart
Michael Kaus
Markus Basel
Frank Thoss
Markus Lazar
Thomas Nasswetter
Hans Steinbichler
Original Assignee
Steinbichler Optotechnik Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Steinbichler Optotechnik Gmbh filed Critical Steinbichler Optotechnik Gmbh
Priority to JP2001584823A priority Critical patent/JP2003533685A/ja
Priority to EP01943385A priority patent/EP1285224A1/de
Priority to US10/276,632 priority patent/US7414732B2/en
Publication of WO2001088471A1 publication Critical patent/WO2001088471A1/de

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/002—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/002—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates
    • G01B11/005—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates coordinate measuring machines

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for determining the SD shape of an object.
  • the object can also be called a measurement object.
  • the spatial and SD coordinates of surface points of the object or measurement object can be determined by the method and the device.
  • Tactile and optical methods are primarily used to determine the shape of surfaces.
  • optical 3D measuring methods allow non-contact, areal and time-efficient measurement of complex object shapes of various sizes.
  • optical measurement technology A large number of optical sensors with different properties now exist for optical measurement technology. For example, The 3D shape of surfaces is often measured over a large area using optical triangulation methods (stripe projection, moire). However, a variety of 3D measurement arrangements with coherent light (laser scanning method, interferometic contouring method) are also known.
  • Tactile and optical methods are used in the field of three-dimensional coordinate measuring technology, in areal 3D shape accuracy and surface inspection. tion of technical objects, in the inspection and position control of components, in particular of motor vehicles, model and tool shapes required.
  • 3D-CMM three-dimensional coordinate measuring machines
  • strip projection methods with a matrix camera and a projector for uncoded or coded strips are known, in which the three-dimensional coordinates of the surface points from the image coordinates of the camera image and the strip numbers detected at the respective image coordinate is calculated on the basis of geometric models of the measurement setup.
  • methods based on photogrammetry using several cameras and projectors are known.
  • Laser triangulation methods working point by point and line by line are expanded by in some cases complex scanning and handling mechanisms for extensive surface probing. Imaging triangulation methods from the field of photogrammetry allow the measurement of a large number of individual points with high accuracy.
  • a common, principle-related problem arises in all 3D measurement methods and systems, namely the problem that a single area measurement using a 3D CMM is not sufficient for the complete acquisition of a measurement object, for example in the all-round measurement. For this reason, objects from different directions of a 3D CMM or several 3D CMMs that can be changed in position are recorded and measured.
  • the spatial arrangement of the 3D CMM and the object can change, for example when repositioning the measuring device or the object. If the corresponding positions of the 3D CMM for the object are known, the corresponding individual measurements can be linked like a mosaic for the purpose of the overall object reconstruction.
  • the 3D object coordinates acquired by individual measurements in the respective device coordinate system are transformed by means of a geometric transformation rule into the spatially fixed coordinate system of the 3D measurement arrangement, the reference coordinate system (hereinafter referred to as reference KOS) ,
  • a metrological problem is that with the previously known methods, inaccuracies in the position values result in gaps between the individual fields and in loss of accuracy over the entire object dimension. This problem is to be solved by the present invention.
  • Various methods and system solutions are known for determining the positions of the measuring devices and linking the individual measuring fields.
  • optical 3D sensors are known which are positioned in the required measuring positions and aligned with the object using a mechanical guide system (e.g. multi-axis CNC, coordinate measuring machines, measuring arm, robot).
  • the position values are given to the guidance system (internal glass scales), from which the transformation rule to be used for linking the individual measuring fields is determined.
  • the accuracy of the overall measurement places high demands on the execution of the movement mechanics.
  • the disadvantage is the high level of design and cost involved in creating the management and measuring system. Despite the effort, residual errors and gaps between the measurement data remain at a significant level, especially in multi-axis positioning systems. A high expenditure of time arises from the definition of the path movement, the measurement volume and the travel speeds for the CNC machine.
  • the object must be brought to the measuring system, which means that mobile measurement is not possible.
  • Special versions relate to sensors that are mounted on a movable "measuring arm” (e.g. articulation arm). Although they allow mobile measurement by simple transport, the object measuring range is limited to approximately 1 m.
  • photogrammetric methods and systems which determine the spatial position of a camera (or a projector) in relation to several visible references. be able to determine boundary points whose coordinates are given in space (spatial backward step).
  • photogrammetric methods and systems are known which can determine several spatial positions of a camera (or a projector) or spatial positions of several cameras (or projectors) relative to one another, provided that the gray value and phase images taken from different directions have several common measuring points, for example in the form of measuring marks contain, whose coordinates do not have to be known in advance (bundle compensation).
  • this method also calculates the coordinates of these measuring points (simultaneous calibration).
  • a length reference is introduced as a yardstick.
  • photogrammetric orientation methods which can determine the spatial position of an optoelectronic 3D sensor (consisting of at least one camera and a projector), a camera or a projector for several visible reference points, the coordinates of which are given in space.
  • a reference network of individual measuring points that is stationary with respect to the measurement object enables the measurement data of individual partial measurements to be composed. It is known that such reference points e.g. in the form of measuring marks both on the object itself or outside the object, e.g. be attached to external measuring cages or backdrops (DE 19840 334 A1, DE 195 36 294 A1).
  • Prerequisites for a sufficiently precise determination of the position of optoelectronic sensors by means of a reference network are a minimum number of three to four measuring marks in a sensor receptacle and their distribution as uniform as possible in the measuring field.
  • a large number of coded and uncoded measuring marks must therefore be used to measure extensive objects. The application of these measuring marks and, if necessary, their removal are therefore very time-consuming (high workload).
  • essential parts of the surface of the measuring object are covered by the glued-on marks or the measuring cage used or the backdrop. If the minimum number of measuring marks or their even distribution in the measuring field cannot be guaranteed for complex-structured, that is to say non-planar objects, then the object can be not fully measured.
  • measuring cages or scenes become unwieldy and difficult to transport due to the necessary expansion and weight.
  • the advantage of a mobile measuring system is therefore lost.
  • a loss of accuracy results from inadequate setting stability, especially if its mass is reduced.
  • the measurement of the marks requires the use of an additional measuring system and thus an increased amount of work.
  • 3D data sets also referred to as matching
  • these methods are also used for the registration of measured 3D data sets on predefined CAD models of these objects for the purpose of the target-actual comparison.
  • numerical compensation methods are used, which calculate the desired transformation from one to the other 3D data set, that is, the transformation parameters.
  • the transformation between the spatially changed device KOS can thus be carried out.
  • a device KOS is defined for the reference or reference KOS, so that the 3D data of different device KOS can be transformed to this reference KOS. The result is a uniform surface description with 3D object coordinates in the reference KOS.
  • the object of the invention is to propose an improved method and an improved device of the type specified at the outset.
  • this object is achieved by the features of claim 1.
  • several areas of the object are measured. Several areas are understood to mean at least two areas.
  • the SD coordinates of the object or the surface of the object are determined by the measurement.
  • at least one reference object is measured.
  • the measured areas of the object are linked together. This linkage, which can also be referred to as registration, takes place in relation to a coordinate system.
  • the reference object is generally in a position whose relative position to the object is unknown.
  • the method according to the invention does not presuppose that the position of the reference object in relation to the object is predetermined.
  • the reference object therefore does not have to be positioned in a specific, predetermined position relative to the object.
  • the reference object must maintain the position in which it has been brought and in which it is located.
  • the reference object is in a constant (fixed, fixed, stable) position to the object.
  • the reference object can be a previously measured reference object.
  • the positions and / or distances of the reference objects in space can therefore be known, for example by means of a preliminary measurement.
  • the reference object or objects are not measured beforehand, ie are initially unknown.
  • Such reference objects, the positions and / or distances of which are not known in advance, are referred to below as auxiliary objects.
  • the object on which the invention is based is achieved by a 3D coordinate measuring machine (3D CMM) which, in particular, works mechanically-tactile and / or optically non-contact.
  • 3D CMM 3D coordinate measuring machine
  • ten at least one reference object and a computer for linking (registering) the measured areas of the object.
  • the invention provides a method and a device for coordinate measurement with optical and / or tactile 3D coordinate measuring devices (using 3D references).
  • the technical field of application consists in the determination of the holistic 3D shape or the 3D shape of bodies or objects in space or even complete scenes (measurement object), composed of several measurement fields from at least one in particular optical and / or tactile coordinate measuring machine which Returns surface coordinates, and with at least one reference object or reference body.
  • the carrier of the reference object can also be the measurement object itself.
  • the reference object or objects can be located on the measurement object. However, it is also possible for the reference object or objects to be located outside the measurement object.
  • the optical and / or tactile coordinate measuring system used to carry out the method is further referred to as a 3D coordinate measuring device (3D CMM)
  • the necessary reference body is a 3D reference device
  • the necessary arrangement consisting of at least one 3D coordinate measuring device and At least one 3D reference device is referred to as a 3D measurement arrangement
  • the method for assembling a plurality of measurement fields is referred to as a 3D coordinate measurement or 3D reconstruction method.
  • the 3D measurement arrangement and the method are used in the sense of 3D measurement technology.
  • the 3D point cloud of an object or a scene is determined in the form of 3D coordinates with reference to a fixed zero point, that is to say relative to a reference coordinate system.
  • the coordinate system (KOS) of the 3D coordinate measuring machine is used as a sensor or Device KOS and the fixed reference coordinate system of the entire 3D measuring arrangement are referred to as reference KOS.
  • the calculated 3D point cloud can, for example, be processed further in a CAD / CAE system for the purpose of surface feedback, the target / actual comparison or for milling data generation.
  • the method and the device can be used for mobile measurement technology.
  • the invention relates to a method for the metrological spatial SD position detection of surface points of an object to be measured and a device for use as a 3D reference in the three-dimensional measurement of extended objects.
  • the invention further relates to a method for generating and linking 3D data sets using 3D CMM (3D reconstruction method) and a device for use as a reference for the most complete, three-dimensional shape and structure detection of extended objects.
  • the invention creates a 3D reconstruction method of the type specified at the outset and an apparatus for carrying out such a method, with which objects and object structures can be measured three-dimensionally with high precision, in particular with tactile and / or optical 3D coordinate measuring machines, the can change the spatial arrangement or position from the 3D CMM to the object in order to then be able to fit the partial views together precisely and globally (using an SD reference).
  • the invention relates to a method for linking SD data records and a 3D measurement arrangement for the complete, three-dimensional shape detection of objects by means of at least one coordinate measuring machine (sensor or probe) and at least one reference object.
  • a reference body is preferably used as a carrier for reference objects.
  • the positions and / or distances of the reference objects in the room can be known or unknown his. Parts of the object surface and the reference objects can be used to register the measured object areas.
  • the advantage of the method according to the invention compared to existing methods is that a high degree of accuracy is achieved when linking measuring fields in the overlap area of the measuring fields and at the same time also over the overall dimension of the object by a small number of 3D references.
  • the method largely avoids a dependency of the quality of the measurement results on the nature of the object.
  • Another advantage is the simplified handling of the overall measuring system and the flexibility with regard to different objects.
  • the method allows the simple measurement of smooth surfaces without a structure, especially of large objects, as well as the measurement of heavily structured object areas, to which references can be attached only with difficulty or not at all. The completeness of the object measurement without gaps in the data set can be fully guaranteed.
  • the method enables high mobility of the overall measuring system. Due to their low weight, the reference bodies are easy to handle and easy to transport. Nevertheless, a high stability of the reference structure is achieved.
  • the method enables a high measuring speed and thus a short object occupancy time.
  • a method can be used in which the previously known, unknown and measured parameters of the objects and given if necessary, measuring points in overlapping measuring fields are compared with one another, transformations between the data sets are calculated and applied.
  • the known parameters of the reference objects in the reference KOS are compared with parameters determined from the measurement in the 3D KMG KOS,
  • the parameters of the reference objects determined from measurements in the overlap area of the measuring fields are compared in different KMG-KOS,
  • correspondences between the objects and / or the measurement points of the recordings can be produced from the comparison by means of numerical compensation methods, and transformation matrices can be calculated which include one or more KMG-KOS in the reference KOS and a KMG-KOS in another KMG-KOS and so that all KMG-KOS transform into the reference KOS,
  • the transformation matrices are used to transfer the coordinates of the object measured by a measurement object with at least one 3D CMM in the CMM KOS to the reference KOS.
  • the reference objects can be described geometrically regularly or irregularly and mathematically-geometrically, so that not only their position, center coordinate or distances in space, but also other geometric parameters such as radius, curvature, etc. can be used. Such geometric parameters can also be obtained from descriptions of the surface and its structures using methods of fractal geometry, wavelet analysis, etc.
  • the reference objects can be geometrically regular or irregular. If the reference objects can be described mathematically and geometrically, their geometric parameters such as radius, curvature, etc. can be used.
  • Reference objects can be one, two or three-dimensional, e.g. marked point, marked line or grid, a measurement or signal mark, a 3D object structure, etc.
  • Signal marks are e.g. reflective and / or scattering signal marks (measuring marks) with an illumination device (also sensor itself) or light-emitting signal marks.
  • 3D object structures are advantageously e.g. individual, either reflecting and / or scattering regulating bodies, e.g. Cube, ball, pyramid, stump. Other geometries are possible.
  • reference objects can be determined by the structure of the object, e.g. Holes and edges.
  • Selected areas or measured surface points of the measurement object itself can also be used as reference objects. the. Their geometric parameters can be specified and used in the process. In particular, the spatial extent or length of a measurement object in one or more dimensions can be taken into account when linking.
  • Reference objects can be used in particular in optical measuring systems by optical structure projection, e.g. circular marks, lines and grids.
  • reference objects can exist as mathematical, virtual, synthetic models in the form of a computational data set and can also be included in the process.
  • a clear code assignment (coding, label, identification number, etc.) of the reference objects or measuring points used can advantageously be carried out in one or more recordings.
  • the acquisition of relatively or incrementally measured data is possible.
  • the 3D coordinate measuring machine itself - including a mechanical movement system - and a possibly existing mechanical object movement system can advantageously be calibrated or recalibrated during the registration. It is also possible to determine unknown positions of the auxiliary objects and reference objects in the room during the procedure. These auxiliary and reference objects measured in position can be used as reference objects just like a formally measured measurement object.
  • uncoded marks, circular rings or stripe structures can advantageously be used as auxiliary or reference objects. Because the process correspondences between the same objects in itself overlapping measuring fields, a clear code assignment (coding / label) of the objects used can take place.
  • Additional measurement data of the measurement system of reference objects, auxiliary objects or measurement objects can also be used during the registration.
  • This can be light intensity data in optical measuring systems (e.g. color, black / white, video images from cameras) or movement data in tactile measuring systems (e.g. deflection angle). Additional data can be assigned to each spatial surface point.
  • the number of reference objects is not restricted.
  • To transform the entire data set into the reference KOS no more than 3 reference objects with a known position are required. There is no prescribed minimum number of measurable reference objects in a single measurement of the 3D CMM.
  • the method can also be used to integrate measurement fields without reference objects.
  • a device is used as a carrier for the reference objects.
  • the device is preferably at least one arbitrarily shaped, 1 D, 2D or 3D reference body.
  • the reference body can have components that can be linear, rod-shaped, flat or spatial. It can also be constructed or assembled from several of these components. 2D or SD object structures can thereby arise as reference bodies, for example line structures, lattice structures, network structures, polyhedron-like structures or other structures.
  • the reference objects can be attached to the reference body or the components. Furthermore, at least one fastening device can be attached to it.
  • a reference body or one or more components is constructed in a suitable manner, for example as a profile body with a changing structure, then this reference body or this component itself can be used as a reference object. the one to which further reference objects can be attached.
  • the reference objects define the reference coordinate system. They can be measured in advance.
  • Measuring adapters or styli can also be used as reference bodies, which can be in a specific position relative to the measuring object or surface structures and to which reference objects can be attached, for example in the form of signal marks, 3D object structures or the like.
  • the reference bodies or components can also be used as test bodies for checking the measurement results and for monitoring the CMM.
  • At least one reference body can be fastened or set up on, in front of or at least in the vicinity of the object by means of one or more fastening devices.
  • the object can then be measured from different directions.
  • FIG. 1 shows a measurement object and a reference body in a schematic side view
  • Fig. 2 shows the reference body in a perspective view
  • Fig. 3 shows a further reference body in a schematic side view.
  • At least one 3D CMM is used, the tactile button 1 or optoelectronic sensor 2 of which touches the object surfaces 5 and the reference objects 4, 6 in a touching or contactless manner.
  • the surface of the measurement object is provided with the reference symbol 5.
  • the measurement object 5 is connected to a reference body 3 which has reference objects 4. Reference objects 6 are applied to the measurement object.
  • the rod-shaped reference body 3 shown in FIG. 2 has various reference and auxiliary objects: measuring marks 12, measuring points 13, raster 14 and SD object structures in the form of truncated pyramids 15.
  • the tactile button 1 or the optoelectronic sensor 2 deliver measurement signals which are generated by the Detach the 3D shape of the measurement object 5.
  • the 3D coordinates of the surface points are calculated from the measurement signal sequences.
  • a device in particular a computer, is used to digitize and store the measurement signal sequences or the SD coordinates, to control the measurement sequence and to process the measurement signals or the 3D coordinates.
  • Sensor 2, button 1 or the 3D CMM or the measurement object can be moved freely in the room by hand or guided by mechanics; if necessary, their position can be measured.
  • the 3D measuring arrangement shown in FIG. 1 consists of a tactile 3D coordinate measuring machine 1 or an optical coordinate measuring machine 2 and a reference body 3 with reference objects 4 and a measuring object 5 with applied reference or auxiliary objects 6.
  • the rod-shaped reference body 3 ′ shown in FIG. 3 consists of components which have a profile-like structure with an octagonal cross section 7.
  • the components themselves can be used as reference objects.
  • Various reference objects are also attached to the profile structures of the components, namely measuring marks 12, measuring points 13 and 3D object structures in the form of spheres 15.
  • the invention creates a method for generating and linking SD data records for the most complete, three-dimensional shape and structure detection of objects (3D reconstruction method), in which individual object areas are measured and then linked with reference to a KOS.
  • the method can be carried out in such a way that on the measurement object and / or outside the measurement object at least temporarily in a fixed position relative to the object reference objects with a known position (position) and / or Known distance in space and / or auxiliary objects with unknown position and unknown distance are present and that parts of the object surface, the reference objects and / or the auxiliary objects are used to register the measured object areas.
  • the reference objects and / or the auxiliary objects can be geometrically regular or irregular.
  • the reference objects and / or auxiliary objects can be given by the structure of the object, for example bores and / or edges or the like. In optical measuring systems, the reference objects and / or auxiliary objects can be given by optical structure projection, for example circular marks, lines and / or grids. It is possible to record relatively and incrementally measured data.
  • the reference objects can exist as mathematical, virtual, synthetic models / data sets and can be used for registration. This also applies to a measured reference or master part. It is possible to use measured auxiliary objects and / or measured measuring objects as reference objects. It is possible to use additional measurement data from the measurement system of reference objects, auxiliary objects and / or measurement objects during registration, for example light intensity data with optical measurement systems (color, black / white, video images from cameras) or movement data with tactile measurement systems (deflection angle) ,
  • the invention also provides a device with which the method according to the invention can be carried out.
  • the device is preferably characterized in that reference objects and / or auxiliary objects are present on the measurement object and / or outside the measurement object at least temporarily in a fixed position relative to the object, and in that at least one mechanical-tactile or optically non-contact 3D coordinate measuring machine measures the Surface coordinates of the measurement object and / or reference object and / or auxiliary object (in different, individual object areas) determined.
  • the advantageous developments explained above for the method can be used.
  • An advantageous development is characterized in that reference objects and / or auxiliary objects are attached and used on at least one arbitrarily shaped reference body.
  • the carrier of the reference body can also be the measurement object itself.
  • the reference body is preferably a 1D, 2D or SD structure. It preferably contains essentially at least one component in line structure or lattice structure, on which auxiliary objects and / or reference objects are attached.
  • a fastening device is preferably attached to the reference body. It is advantageous if at least one such reference body is attached or set up by means of the fastening device on, in front of or at least in the vicinity of the object.
  • the method according to the invention also enables simultaneous checking of the measurement results, in particular with regard to the (local and global) accuracy etc., and thus monitoring of the CMM.
  • the reference object or objects or the reference object can be used as a test object. accordingly speaking, it is possible to check the measurement results, the reference object or objects preferably being used as test specimens.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)

Abstract

Ein Verfahren dient zum Bestimmen der 3D-Form eines Objektes. Um ein derartiges Verfahren zu verbessern, werden mehrere Bereiche des Objekts (5) gemessen. Bei mindestens einer Messung wird mindestens ein Referenzobjekt (4) gemessen. Die gemessenen Bereiche des Objekts (5) werden miteinander verknüpft.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der 3D-Form eines Objektes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der SD- Form eines Objektes. Das Objekt kann auch als Meßobjekt bezeichnet werden. Durch das Verfahren und die Vorrichtung können insbesondere die räumlichen SD- Koordinaten von Oberflächenpunkten des Objektes bzw. Meßobjektes bestimmt werden.
Für die Erfassung der Form von Oberflächen werden vor allem taktile und optische Verfahren eingesetzt. Optische 3D-Meßverfahren erlauben im Vergleich zu taktil- antastenden Koordinatenmeßmaschinen eine berührungslose, flächenhafte und zeiteffiziente Vermessung komplizierter Objektformen verschiedenster Größe.
Für die optische Meßtechnik existieren mittlerweile eine Vielzahl optischer Sensoren mit unterschiedlichen Eigenschaften. Z.B. wird die 3D-Form von Oberflächen häufig flächenhaft mit optischen Triangulations-Verfahren (Streifenprojektion, Moire) vermessen. Es sind aber auch vielfältige 3D-Meßanordnungen mit kohärentem Licht (Laser-Scanning-Verfahren, interferometische Contouring-Verfahren) bekannt.
Taktile und optische Verfahren werden auf dem Gebiet der dreidimensionalen Koordinaten-Meßtechnik, bei der flächenhaften 3D-Formtreue- und Oberflächenprü- fung technischer Objekte, bei der Inspektion und Positionskontrolle von Bauteilen, insbesondere von Kraftfahrzeugen, Modell- und Werkzeugformen benötigt.
Für stark-strukturierte Objekte und für ausgedehnte, großflächige Objekte besteht aufgrund der begrenzten Meßvolumina und des begrenzten Auflösungsvermögens der zur Verfügung stehenden dreidimensionalen Koordinatenmeßgeräte (im nachfolgenden als 3D-KMG bezeichnet) die Anforderung, die Meßdaten einzelner Teilmeßfelder mosaikartig zu der 3D-Form des Gesamtobjektes möglichst ohne Verlust an Genauigkeit und Objektstrukturauflösung zusammenzusetzen.
Bekannt sind eine Vielzahl von (taktilen und optischen) Meßverfahren und SD- Sensoren zur 3D-Koordinatenmessung bzw. 3D-Formerfassung von Objekten. Die vorgeschlagenen Meß- und Auswertestrategien sind außerordentlich vielfältig. Wichtige Meßprinzipien bei den optischen Meßverfahren sind die Triangulation und die Interferometrie. Für die Formerfassung und Oberflächenkontrolle besitzen die Triangulations- und Konturmeßverfahren die größte praktische Bedeutung. Für viele Vermessungsaufgaben ist eine flächenhafte und somit simultane Erfassung von Formdaten der gesamten Oberfläche vorteilhaft. Bildgebende Konturmeßverfahren (Streifenprojektion, Moire, interferometrische Contouring-Verfahren) werden als sogenannte Feldmeßverfahren für derartige Aufgaben eingesetzt. Bei den flä- chenhaft messenden, optischen Meßsystemen sind insbesondere Streifenprojekti- ons-Verfahren mit einer Matrixkamera und einem Projektor für uncodierte oder codierte Streifen bekannt, bei denen die dreidimensionalen Koordinaten der Oberflächenpunkte aus den Bildkoordinaten des Kamerabildes und den an der jeweiligen Bildkoordinate detektierten Streifennummern auf der Basis geometrischer Modelle des Meßaufbaus berechnet wird. Ebenso sind an die Photogrammetrie angelehnte Verfahren unter Verwendung mehrerer Kameras und Projektoren bekannt. Punkt- und linienweise arbeitende Lasertriangulationsverfahren werden durch zum Teil aufwendige Scanning- und Handhabungsmechanismen für eine flächenhafte Oberflächenantastung erweitert. Bildgebende Triangulationsverfahren aus dem Bereich der Photogrammetrie erlauben die Vermessung einer Vielzahl von Einzelpunkten mit hoher Genauigkeit. Bei allen 3D-Meßverfahren und -Systemen tritt ein gemeinsames, prinzipbedingtes Problem auf, nämlich das Problem, daß für die vollständige Erfassung eines Meßobjektes, z.B. bei der Rundum-Vermessung, eine einzelne Flächenvermessung mittels 3D-KMG nicht ausreichend ist. Deshalb werden Objekte aus unterschiedlichen Richtungen eines in der Position veränderbaren 3D-KMG oder mehrerer 3D- KMG aufgenommen und vermessen. Die räumliche Anordnung von 3D-KMG und Objekt kann sich ändern, z.B. bei Neupositionierung des Meßgerätes oder des Objektes. Sind die entsprechenden Positionen des 3D-KMG zum Objekt bekannt, können zum Zwecke der Gesamtobjektrekonstruktion die entsprechenden Einzelmessungen mosaikartig verknüpft werden. Die durch Einzelmessungen im jeweiligen Geräte-Koordinatensystem (nachfolgend als Geräte-KOS bezeichnet) erfaßten 3D-Objektkoordinaten werden mittels einer geometrischen Transformationsvorschrift in das raumfeste Koordinatensystem der 3D-Meß-Anordnung, dem Referenz-Koordinatensystem (nachfolgend als Referenz-KOS bezeichnet), transformiert.
Folgende Verfahrensschritte werden angewendet:
1. Ermittlung der unbekannten Parameter der Transformationen zwischen Geräte-KOS und Referenz-KOS;
2. Durchführung der Transformation auf die Datensätze der einzelnen Meßfelder, das heißt Berechnung der 3D-Koordinaten im Referenz-KOS mit Hilfe der berechneten Transformationsparameter.
Ein meßtechnisches Problem besteht darin, daß bei den bisher bekannten Verfahren Ungenauigkeiten der Positionswerte im Ergebnis zu Klaffungen zwischen den Einzelfeldern sowie zu Genauigkeitsverlusten über die gesamte Objektdimension führen. Dieses Problem soll durch die vorliegende Erfindung gelöst werden. Für die Ermittlung der Meßgerätepositionen und Verknüpfung der Einzelmeßfelder sind unterschiedliche Verfahren und Systemlösungen bekannt.
Bekannt sind neben taktilen Tastern vor allem optische 3D-Sensoren, die mittels einem mechanischen Führungssystem (z.B. Mehrachs-CNC-, Koordinatenmeßma- schinen, Meßarm, Roboter) in die erforderlichen Meßstellungen positioniert und zum Objekt ausgerichtet werden. Dem Führungssystem werden die Positionswerte vorgegeben (interne Glas-Maßstäbe), aus denen die für die Verknüpfung der Einzelmeßfelder anzuwendende Transformationsvorschrift ermittelt wird. Die Genauigkeit der Gesamtvermessung stellt hohe Anforderungen an die Ausführung der Bewegungsmechanik. Nachteil ist der hohe konstruktive und kostenmäßige Aufwand für die Erstellung des Führungs- und Meßsystems. Trotz des Aufwandes verbleiben gerade bei mehrachsigen Positioniersystemen Restfehler und Klaffungen zwischen den Meßdaten in signifikanter Höhe. Ein hoher zeitlicher Aufwand entsteht durch die Definition der Bahnbewegung, des Meßvolumens und der Verfahrgeschwindig- keiten für die CNC-Maschine. Des weiteren muß das Objekt zum Meßsystem gebracht werden, das heißt es ist keine mobile Messung möglich. Spezielle Ausführungen betreffen Sensoren, die an einem beweglichen „Meßarm" montiert sind (z.B. Artikulationsarm). Zwar erlauben diese durch einfachen Transport eine mobile Messung, jedoch ist der Objektmeßbereich auf etwa 1 m beschränkt.
Bekannt sind des weiteren Systeme, bei denen der Sensor (oder taktile Taster) per Hand frei oder unterstützt durch eine Bewegungsmechanik über das Objekt geführt wird und dabei Messungen ausführt. Die Bewegung und Position des Sensors wird über ein externes (z.B. optoelektronisches) raumfestes Referenzmeßsystem erfaßt, deren Positionsdaten zur Verknüpfung der Einzelmessungen verwendet werden. Diese Lösung stellt hohe Anforderungen an die Genauigkeit des Referenzmeßsystems. Die Mobilität des Systems wird dadurch eingeschränkt, daß sich der Sensor immer im Meßbereich des Referenzmeßsystems befinden muß.
Des weiteren sind photogrammetrische Verfahren und Systeme bekannt, die die räumliche Lage einer Kamera (oder eines Projektors) zu mehreren sichtbaren Refe- renzpunkten bestimmen können, deren Koordinaten im Raum gegeben sind (räumlicher Rückwärtsschritt). Außerdem sind photogrammetrische Verfahren und Systeme bekannt, die mehrere räumliche Positionen einer Kamera (oder eines Projektors) oder räumliche Positionen mehrerer Kameras (oder Projektoren) zueinander bestimmen können, sofern die aus verschiedenen Richtungen aufgenommenen Grauwert- und Phasenbilder mehrere gemeinsame Meßpunkte z.B. in Form von Meßmarken enthalten, deren Koordinaten vorab nicht bekannt sein müssen (Bündelausgleich). Bei diesem Verfahren werden zusätzlich zu den Lagen der Kameras oder Projektoren auch die Koordinaten dieser Meßpunkte berechnet (Simultankalibrierung). Als Maßstab wird eine Längenreferenz eingeführt.
Weiterhin sind photogrammetrische Orientierungsverfahren bekannt, die die räumliche Lage eines optoelektronischen 3D-Sensors (bestehend aus mindestens einer Kamera und einem Projektor), einer Kamera oder eines Projektors zu mehreren sichtbaren Referenzpunkten bestimmen können, deren Koordinaten im Raum gegeben sind. Ein zum Meßobjekt ortsfestes Referenznetz von einzelnen Meßpunkten ermöglicht eine Zusammensetzung der Meßdaten einzelner Teilmessungen. Es ist bekannt, daß derartige Referenzpunkte z.B. in Form von Meßmarken sowohl auf dem Objekt selbst oder außerhalb des Objektes, z.B. auf externen Meßkäfigen bzw. Kulissen angebracht werden (DE 19840 334 A1 , DE 195 36 294 A1 ).
Voraussetzungen für eine ausreichend genaue Lagebestimmung von optoelektronischen Sensoren mittels Referenznetz sind eine Mindestanzahl von drei bis vier Meßmarken in einer Sensoraufnahme sowie deren möglichst gleichmäßige Verteilung im Meßfeld. Somit müssen zur Vermessung ausgedehnter Objekte eine hohe Anzahl an codierten und uncodierten Meßmarken verwendet werden. Das Anbringen dieser Meßmarken und gegebenenfalls ihre Entfernung sind deshalb sehr zeitaufwendig (hoher Arbeitsaufwand). Außerdem werden wesentliche Teile der Oberfläche des Meßobjektes durch die aufgeklebten Marken oder den verwendeten Meßkäfig bzw. der Kulisse verdeckt. Können bei komplex-strukturierten, das heißt nicht flächenhaften Objekten die Mindestanzahl an Meßmarken oder deren gleichmäßige Verteilung im Meßfeld nicht gewährleistet werden, so läßt sich das Objekt nicht vollständig vermessen. Bei Meßobjekten mit einer räumlichen Ausdehnung von mehr als 1 Kubikmeter werden Meßkäfige bzw. Kulissen aufgrund der notwendigen Ausdehnung und des Gewichts unhandlich und schwierig zu transportieren. Der Vorteil eines mobilen Meßsystems geht somit verloren. Einbußen an Genauigkeit resultieren aus einer mangelhaften Kulissenstabilität, insbesondere wenn deren Masse reduziert wird. Das Einmessen der Marken erfordert in jedem Fall die Verwendung eines zusätzlichen Meßsystems und damit einen erhöhten Arbeitsaufwand.
Bekannt sind Verfahren zur sogenannten Registrierung von vor allem durch optische Feldmeßverfahren gewonnenen 3D-Datensätzen (auch als Matching bezeichnet), die aus sich überlappenden 3D-Datensätzen die Lage zweier 3D-KMG zueinander oder die Lage zweiter Positionen eines beweglichen 3D-KMG gewinnen. Diese Verfahren werden auch für die Registrierung gemessener 3D-Datensätze auf vorgegebene CAD-Modelle dieser Objekte zum Zwecke des Soll-Ist-Vergleiches eingesetzt. Für die Registrierung von 3D-Datensätzen werden numerische Ausgleichsverfahren angewendet, die die gesuchte Transformation vom einen auf den anderen 3D-Datensatz, das heißt die Transformationsparameter, berechnen. Damit kann die Transformation zwischen den räumlich veränderten Geräte-KOS ausgeführt werden. In der Regel wird ein Geräte-KOS zum Referenz- bzw. Bezugs-KOS definiert, so daß die 3D-Daten unterschiedlicher Geräte-KOS auf dieses Referenz- KOS transformiert werden können. Im Ergebnis liegt eine einheitliche Oberflächenbeschreibung mit 3D-Objektkoordinaten im Referenz-KOS vor.
Registrierverfahren setzen eine ausreichende Überlappung der einzelnen Meßfelder und eine ausreichende Strukturierung der Objektoberfläche voraus. Ansonsten können die einzelnen Transformationen nicht eindeutig und nicht genau genug bestimmt werden. Nachteilig ist somit die begrenzte Genauigkeit über das Gesamtobjekt und die Abhängigkeit der Meßergebnisgüte von der Beschaffenheit des Objektes. Bei glatten Objektoberflächen versagt das Verfahren gänzlich und kann nicht angewendet werden (keine eindeutige Lösung der Transformation). Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung der eingangs angegebenen Art vorzuschlagen.
Bei einem Verfahren zum Bestimmen der 3D-Form eines Objektes wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Gemäß der Erfindung werden mehrere Bereiche des Objektes gemessen. Unter mehreren Bereichen sind dabei mindestens zwei Bereiche zu verstehen. Durch die Messung werden die SD- Koordinaten des Objektes bzw. der Oberfläche des Objektes bestimmt. Bei mindestens einer Messung wird dabei mindestens ein Referenzobjekt gemessen. Die gemessenen Bereiche des Objektes werden miteinander verknüpft. Diese Verknüpfung, die auch als Registrierung bezeichnet werden kann, erfolgt in Bezug auf ein Koordinatensystem. Das Referenzobjekt befindet sich im allgemeinen in einer Position, deren relative Lage zu dem Objekt unbekannt ist. Das erfindungsgemäße Verfahren setzt nicht voraus, daß die Position des Referenzobjekts zum Objekt vorgegeben ist. Das Referenzobjekt muß also nicht in einer bestimmten, vorgegebenen Position zum Objekt positioniert sein. Während der Messung muß das Referenzobjekt allerdings die Position, in die es gebracht worden ist und in der es sich befindet, beibehalten. Während der Messung befindet sich das Referenzobjekt also in einer gleichbleibenden (fixierten, festen, stabilen) Position zum Objekt.
Bei dem Referenzobjekt kann es sich um ein vorab bereits vermessenes Referenzobjekt handeln. Die Positionen und/oder Abstände der Referenzobjekte im Raum können also bekannt sein, beispielsweise durch einen Vorabvermessung. Es ist allerdings auch möglich, daß das oder die Referenzobjekte vorab nicht vermessen, also vorerst unbekannt sind. Derartige Referenzobjekte, deren Positionen und/oder Abstände vorab nicht bekannt sind, werden im Folgenden als Hilfsobjekte bezeichnet. Es handelt sich dabei allerdings um Referenzobjekte im Sinne der Erfindung.
Bei einer Vorrichtung zum Bestimmen der 3D-Form eines Objekts wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe gelöst durch ein 3D-Koordinatenmeßgerät (3D- KMG), das insbesondere mechanisch-taktil und/oder optisch-berührungslos arbei- ten kann, mindestens ein Referenzobjekt und einen Rechner zum Verknüpfen (Registrieren) der gemessenen Bereiche des Objekts.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Durch die Erfindung werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Koordinatenmessung mit optischen und/oder taktilen 3D-Koordinatenmeßgeräten (unter Verwendung von 3D-Referenzen) geschaffen. Das technische Anwendungsgebiet besteht in der Bestimmung der ganzheitlichen 3D-Form oder der 3D-Gestalt von Körpern oder Objekten im Raum oder sogar kompletten Szenen (Meßobjekt), zusammengesetzt aus mehreren Meßfeldern von mindestens einem insbesondere optischen und/oder taktilen Koordinatenmeßgerät, das die 3D-Oberflächenkoordinaten liefert, und mit mindestens einem Referenzobjekt bzw. Referenzkörper.
Der Träger des Referenzobjekts kann auch das Meßobjekt selbst sein. Das oder die Referenzobjekte können sich auf dem Meßobjekt befinden. Es ist allerdings auch möglich, daß sich das oder die Referenzobjekte außerhalb des Meßobjekts befinden.
Das zur Durchführung des Verfahrens dienende optische und/oder taktile Koordi- natenmeßsystem wird im weiteren als 3D-Koordinatenmeßgerät (3D-KMG), der notwendige Referenzkörper wird als 3 D-Referenz- Vorrichtung, die notwendige Anordnung bestehend aus mindestens einem 3D-Koordinatenmeßgerät und mindestens einer 3D-Referenz-Vorrichtung wird als 3D-Meß-Anordnung und das Verfahren zum Zusammensetzen mehrerer Meßfelder wird als 3D-Koordinatenmeß- bzw. 3D-Rekonstruktions-Verfahren bezeichnet.
Die Anwendung der 3D-Meß-Anordnung und des Verfahrens erfolgt im Sinne der 3D-Meßtechnik. Als Ergebnis der Berechnung wird die 3D-Punktwolke eines Objektes oder einer Szene in Form von 3D-Koordinaten mit Bezug zu einem raumfesten Nullpunkt, das heißt relativ zu einem Bezugs-Koordinatensystem ermittelt. Das Koordinatensystem (KOS) des 3D-Koordinatenmeßgerätes wird als Sensor- bzw. Geräte-KOS und das raumfeste Bezugs-Koordinatensystem der gesamten 3D- Meß-Anordnung als Referenz-KOS bezeichnet. Die errechnete 3D-Punktwolke kann beispielsweise in einem CAD-/CAE-System zum Zwecke der Flächenrückführung, des Soll-Ist-Vergleiches oder zur Fräsdatengenerierung weiterverarbeitet werden. Insbesondere ist das Verfahren und die Vorrichtung für die mobile Meßtechnik einsetzbar.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur meßtechnischen räumlichen SD- Lageerfassung von Oberflächenpunkten eines zu vermessenden Objektes sowie eine Vorrichtung zur Verwendung als 3D-Referenz bei der dreidimensionalen Vermessung ausgedehnter Objekte.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Erzeugung und Verknüpfung von 3D- Datensätzen mittels 3D-KMG (3D-Rekonstruktions-Verfahren) sowie eine Vorrichtung zur Verwendung als Referenz zur möglichst vollständigen, dreidimensionalen Form- und Strukturerfassung ausgedehnter Objekte.
Durch die Erfindung werden ein 3D-Rekonstruktions-Verfahren der eingangs angegebenen Art und eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens geschaffen, mit welchen Objekte und Objektstrukturen mit insbesondere taktilen und/oder optischen 3D-Koordinatenmeßgeräten mit hoher Präzision dreidimensional vermessen werden können, wobei sich die räumliche Anordnung bzw. Stellung vom 3D-KMG zum Objekt ändern kann, um anschließend die Teilansichten paßgenau und global genau zusammenfügen zu können (unter Verwendung einer SD- Referenz).
Wie erläutert betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Verknüpfung von SD- Datensätzen und eine 3D-Meß-Anordnung zur vollständigen, dreidimensionalen Formerfassung von Objekten mittels wenigstens einem Koordinatenmeßgerät (Sensor oder Taster) und wenigstens einem Referenzobjekt. Vorzugsweise wird ein Referenzkörper als Träger von Referenzobjekten verwendet. Die Positionen und/oder Abstände der Referenzobjekte im Raum können bekannt oder unbekannt sein. Teile der Objektoberfläche und die Referenzobjekte können zur Registrierung der gemessenen Objektbereiche benutzt werden.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens im Vergleich zu bestehenden Verfahren besteht darin, daß eine hohe Genauigkeit bei der Verknüpfung von Meßfeldern im Überlappungsbereich der Meßfelder und gleichzeitig auch über die Gesamtdimension des Objektes durch eine geringe Anzahl von 3D-Referenzen erreicht wird. Eine Abhängigkeit der Meßergebnisgüte von der Beschaffenheit des Objektes wird somit durch das Verfahren weitestgehend vermieden.
Ein weiterer Vorteil besteht in der vereinfachten Handhabung des Gesamtmeßsystems und der Flexibilität bezüglich unterschiedlicher Objekte. Das Verfahren erlaubt die einfache Vermessung glatter Oberflächen ohne Struktur vor allem von großflächigen Objekten als auch die Vermessung stark-strukturierter Objektbereiche, an denen nur schwierig oder gar keine Referenzen angebracht werden können. Die Vollständigkeit er Objektvermessung ohne Lücken im Datensatz kann voll gewährleistet werden.
Das Verfahren ermöglicht eine hohe Mobilität des Gesamtmeßsystems. Die Referenzkörper sind aufgrund des geringen Gewichtes leicht handhabbar und leicht transportierbar. Trotzdem wird eine hohe Stabilität der Referenzstruktur erreicht.
Insbesondere ist keine Mindestanzahl an Referenzpunkten in den einzelnen Messungen notwendig. Das hat den Vorteil geringerer Kosten und eines geringen Ar- beits-, Zeitaufwandes bei der Anbringung und Entfernung der Referenzobjekte. Weiterhin wird die Verdeckung des Objektes auf ein Minimum reduziert.
Das Verfahren ermöglicht insgesamt eine hohe Meßgeschwindigkeit und somit geringe Objektbelegungszeit.
Gemäß der Erfindung kann ein Verfahren angewendet werden, bei dem die vorab bekannten, unbekannten und gemessenen Parameter der Objekte und gegebe- nenfalls Meßpunkte in überlappenden Meßfeldern miteinander verglichen, Transformationen zwischen den Datensätzen berechnet und angewendet werden.
Die bekannten Parameter der Referenzobjekte im Referenz-KOS werden mit aus Messung ermittelten Parameter im 3D-KMG-KOS verglichen,
in unterschiedlichen KMG-KOS werden die aus Messungen im Überlappungsbereich der Meßfelder ermittelten Parameter der Referenzobjekte verglichen,
die Positionen der Meßpunkte auf den Objektoberflächen werden in überlappenden Meßfeldern verglichen,
insbesondere können mittels numerischer Ausgleichsverfahren aus dem Vergleich Korrespondenzen zwischen den Objekten und/oder den Meßpunkten der Aufnahmen hergestellt werden und Transformationsmatrizen berechnet werden, die ein oder mehrere KMG-KOS in das Referenz- KOS sowie ein KMG-KOS in ein anderes KMG-KOS und damit alle KMG-KOS in das Referenz-KOS transformieren,
die Transformationsmatrizen werden dazu verwendet, die von einem Meßobjekt mit mindestens einem 3D-KMG im KMG-KOS gemessenen Koordinaten des Objektes in das Referenz-KOS zu überführen.
Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung können die Referenzobjekte geometrisch regelmäßig oder unregelmäßig und mathematischgeometrisch beschreibbar sein, so daß nicht nur deren Position, Mittelpunkts-Koordinate oder Abstände im Raum, sondern auch andere geometrische Parameter, wie Radius, Krümmung u.a. benutzt werden können. Derartige geometrische Parameter können auch aus Beschreibungen der Oberfläche und ihrer Strukturen mit Methoden der Fraktalen Geometrie, der Wavelet-Analyse etc. gewonnen werden. Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung können die Referenzobjekte geometrisch regelmäßig oder unregelmäßig sein. Lassen sich die Referenzobjekte mathematisch-geometrisch beschreiben, können deren geometrische Parameter, wie Radius, Krümmung u.a. benutzt werden.
Es ist möglich, die Meßpunkte in einer oder mehreren Aufnahmen in ihrer Verteilung zu verändern, in der Anzahl zu reduzieren und/oder mehrere Meßpunkte zusammenzufassen. Weiterhin ist es möglich, die gemessene oder veränderte 3D-Punktwolke einer oder mehrerer Aufnahmen in eine Oberflächenbeschreibung (z.B. Dreiecksnetz-Beschreibung, Spline-Flächen-Beschreibung oder dergleichen) zu überführen und als solche weiterzuverwenden.
Referenzobjekte können ein-, zwei- oder dreidimensional sein, z.B. markierter Punkt, markierte Linie oder Raster, eine Meß- bzw. Signalmarke, eine 3D-Objektstruktur usw.
Signalmarken sind z.B. reflektierende und/oder streuende Signalmarken (Meßmarken) mit einer Beleuchtungseinrichtung (auch Sensor selbst) oder lichtemittierende Signalmarken.
3D-Objektstrukturen sind vorteilhafterweise z.B. einzelne, entweder reflektierende und/oder streuende Regelkörper, z.B. Würfel, Kugel, Pyramide, -stumpf. Andere Geometrien sind denkbar.
Ebenso können Referenzobjekte durch die Struktur des Objektes, z.B. Bohrungen und Kanten, gegeben sein.
Als Referenzobjekte können auch ausgewählte Bereiche oder gemessene Oberflächenpunkte des Meßobjekts selbst benutzt wer- den. Deren geometrische Parameter können vorgegeben und im Verfahren verwendet werden. Insbesondere kann die räumliche Ausdehung bzw. Länge eines Meßobjekts in einer oder mehreren Dimensionen bei der Verknüpfung berücksichtigt werden.
Referenzobjekte können insbesondere bei optischen Meßsystemen durch optische Strukturprojektion, z.B. kreisförmige Marken, Linien und Raster, gegeben sein.
Außerdem können Referenzobjekte als mathematische, virtuelle, synthetische Modelle in Form eines rechnermäßigen Datensatzes vorliegen und im Verfahren zusätzlich einbezogen werden.
Vorteilhafterweise kann eine eindeutige Code-Zuweisung (Codierung, Label, Identifikations-Nummer etc.) der verwendeten Referenzobjekte oder Meßpunkte in einer oder mehreren Aufnahmen erfolgen. Insbesondere ist bei Verwendung optischer Strukturprojektion in optischen Meßsystemen die Erfassung von relativ oder inkrementell gemessenen Daten möglich.
Vorteilhaft können das 3D-Koordinatenmeßgerät selbst - inklusive einem mechanischen Bewegungssystem - und ein möglicherweise vorhandenes mechanisches Objektbewegungssystem während der Registrierung kalibriert oder nachkalibriert werden. Ebenso ist es möglich, unbekannte Positionen der Hilfsobjekte und Referenzobjekte im Raum während des Verfahrens zu bestimmen. Diese in der Position vermessenen Hilfs- und Referenzobjekte können ebenso wie ein formmäßig vermessenes Meßobjekt als Referenzobjekte verwendet werden.
Vorteilhafterweise können z.B. uncodierte Marken, Kreisringe oder Streifenstrukturen als Hilfs- oder Referenzobjekte verwendet werden. Da das Verfahren Korrespondenzen zwischen gleichen Objekten in sich überlappenden Meßfeldern herstellt, kann eine eindeutige Code- Zuweisung (Codierung/Label) der verwendeten Objekte erfolgen.
Es können auch zusätzliche Meßdaten des Meßsystems von Referenzobjekten, Hilfsobjekten oder Meßobjekten bei der Registrierung verwendet werden. Dies können Lichtintensitätsdaten bei optischen Meßsystemen (z.B. Färb-, Schwarz/Weiß-, Video-Bilder von Kameras) oder Bewegungsdaten bei taktilen Meßsystemen (z.B. Auslenkwinkei) sein. Zusatzdaten können jedem räumlichen Oberflächenpunkt zugeordnet werden.
Besonders vorteilhaft ist, daß die Anzahl der Referenzobjekte nicht beschränkt ist. Zur Transformation des Gesamtdatensatzes in das Referenz-KOS werden insgesamt nicht mehr als 3 Referenzobjekte mit bekannter Position benötigt. In einer Einzelmessung des 3D-KMG gibt es keine vorgeschriebene Mindestanzahl von meßbaren Referenzobjekten. Mit dem Verfahren lassen sich auch Meßfelder ohne Referenzobjekte einbinden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird eine Vorrichtung als Träger der Referenzobjekte verwendet. Die Vorrichtung ist in diesem Fall vorzugsweise mindestens ein beliebig geformter, 1 D-, 2D- oder 3D-Referenzkörper. Der Referenzkörper kann Bauelemente aufweisen, die linienförmig, stabförmig, flächig oder räumlich sein können. Er kann auch aus mehreren dieser Bauelemente aufgebaut oder zusammengesetzt sein. Als Referenzkörper können dadurch 2D- oder SD- Objektstrukturen entstehen, beispielsweise Linienstrukturen, Gitterstrukturen, Netzstrukturen, polyederartige Strukturen oder andere Strukturen. An dem Referenzkörper bzw. den Bauelementen können die Referenzobjekte angebracht sein. Ferner kann daran mindestens eine Befestigungsvorrichtung angebracht sein. Wenn ein Referenzkörper bzw. ein oder mehrere Bauelemente in geeigneter Weise aufgebaut ist, beispielsweise als Profilkörper mit wechselnder Struktur, so kann dieser Referenzkörper bzw. dieses Bauelement selbst als Referenzobjekt verwendet wer- den, an dem weitere Referenzobjekte befestigt sein können. Die Referenzobjekte definieren das Referenz-Koordinatensystem. Sie können vorab vermessen sein.
Als Referenzkörper können zusätzlich auch Meßadapter oder Taststifte eingesetzt werden, die sich in einer bestimmten Position zum Meßobjekt oder zu Oberflächenstrukturen befinden können und an denen Referenzobjekte angebracht sein können, beispielsweise in Form von Signalmarken, 3D-Objektstrukturen oder ähnlichem.
Die Referenzkörper bzw. Bauelemente können auch als Prüfkörper zur Überprüfung der Meßergebnisse und zur Überwachung des KMG verwendet werden.
Für die Vermessung eines Objektes kann mindestens ein Referenzkörper mittels einer oder mehrerer Befestigungsvorrichtungen auf dem, vor dem oder zumindest in der Nähe des Objektes befestigt oder aufgestellt werden. Die Vermessung des Objektes kann dann aus unterschiedlichen Richtungen erfolgen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 ein Meßobjekt und einen Referenzkörper in einer schematischen Seitenansicht,
Fig. 2 den Referenzkörper in einer perspektivischen Ansicht und
Fig. 3 ein weiterer Referenzkörper in einer schematischen Seitenansicht.
In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird wenigstens ein 3D-KMG verwendet, dessen taktiler Taster 1 oder optoelektronischer Sensor 2 die Objektoberflächen 5 und die Referenzobjekte 4, 6 berührend oder berührungslos antastet. Die Oberfläche des Meßobjekts ist mit dem Bezugszeichen 5 versehen. Das Meßobjekt 5 ist mit einem Referenzkörper 3 verbunden, der Referenzobjekte 4 aufweist. Auf dem Meßobjekt sind Referenzobjekte 6 appliziert.
Der in Fig. 2 gezeigte stabförmige Referenzkörper 3 weist verschiedene Referenz- und Hilfsobjekte auf: Meßmarken 12, Meßpunkte 13, Raster 14 und SD- Objektstrukturen in Form von Pyramidenstümpfen 15. Der taktile Taster 1 oder der optoelektronische Sensor 2 liefern Meßsignale, die von der 3D-Form des Meßobjektes 5 abhängen. Aus den Meßsignalfolgen werden die 3D-Koordinaten der Oberflächenpunkte berechnet. Gegebenenfalls wird eine Einrichtung, insbesondere ein Rechner, zur Digitalisierung und Speicherung der Meßsignalfolgen oder der SD- Koordinaten, zur Steuerung des Meßablaufes und der Verarbeitung der Meßsignale oder der 3D-Koordinaten verwendet. Sensor 2, Taster 1 oder das 3D-KMG oder das Meßobjekt können im Raum per Hand frei bewegt oder per Mechanik geführt werden; deren Position kann gegebenenfalls vermessen werden. Die in Fig. 1 gezeigte 3D-Meßanordnung besteht aus einem taktilen 3D-Koordinatenmeßgerät 1 oder einem optischen Koordinatenmeßgerät 2 und einem Referenzkörper 3 mit Referenzobjekten 4 sowie einem Meßobjekt 5 mit applizierten Referenz- oder Hilfsobjekten 6.
Der in Fig. 3 gezeigte stabförmige Referenzkörper 3' besteht aus Bauelementen, die eine profilförmige Struktur mit achteckigem Querschnitt 7 aufweisen. Die Bauelemente sind selbst als Referenzobjekte verwendbar. An den Profilstrukturen der Bauelemente sind ferner verschiedene Referenzobjekte angebracht, nämlich Meßmarken 12, Meßpunkte 13 und 3D-Objektstrukturen in Form von Kugeln 15.
Durch die Erfindung wird ein Verfahren zur Erzeugung und Verknüpfung von SD- Datensätzen zur möglichst vollständigen, dreidimensionalen Form- und Strukturerfassung von Objekten (3D-Rekonstruktions-Verfahren) geschaffen, bei dem einzelne Objektbereiche gemessen und anschließend mit Bezug zu einem KOS verknüpft werden. Das Verfahren kann in der Weise durchgeführt werden, daß auf dem Meßobjekt und/oder außerhalb des Meßobjektes wenigstens zeitweise in einer fixierten Position zum Objekt Referenzobjekte mit bekannter Position (Lage) und/oder be- kanntem Abstand im Raum und/oder Hilfsobjekte mit unbekannter Position und unbekanntem Abstand vorhanden sind und daß Teile der Objektoberfläche, die Referenzobjekte und/oder die Hilfsobjekte zur Registrierung der gemessenen Objektbereiche benutzt werden. Die Referenzobjekte und/oder die Hilfsobjekte können geometrisch regelmäßig oder unregelmäßig sein. Sie können mathematischgeometrisch beschreibbar sein, und deren geometrische Parameter wie Position, Mittelpunkts-Koordinate, Radius, Krümmung und/oder Abstände, können benutzt werden. Teile der Objektoberfläche und/oder die Referenzobjekte und/oder die Hilfsobjekte können während der Registrierung zur Kalibrierung des Meßsystems und/oder zur Kalibrierung eines oder mehrerer mechanischer Objektbewegungssysteme benutzt werden. Vorzugsweise erfolgt während der Registrierung eine eindeutige Code-Zuweisung (Codierung/Label) der verwendeten Referenzobjekte. Die Referenzobjekte und/oder Hilfsobjekte können durch die Struktur des Objektes, z.B. Bohrungen und/oder Kanten oder dergleichen, gegeben sein. Die Referenzobjekte und/oder Hilfsobjekte können bei optischen Meßsystemen durch optische Strukturprojektion, z.B. kreisförmige Marken, Linien und/oder Raster, gegeben sein. Eine Erfassung von relativ und inkrementell gemessenen Daten ist möglich. Die Referenzobjekte können als mathematische, virtuelle, synthetische Modelle/Datensatz vorliegen und zur Registrierung benutzt werden. Dies gilt auch für ein vermessenes Referenz- bzw. Masterteil. Es ist möglich, vermessene Hilfsobjekte und/oder vermessene Meßobjekte als Referenzobjekte zu verwenden. Es ist möglich, zusätzliche Meßdaten des Meßsystems von Referenzobjekten, Hilfsobjekten und/oder Meßobjekten bei der Registrierung zu verwenden, z.B. Lichtintensitätsdaten bei optischen Meßsystemen (Färb-, SchwarzΛ/Veiß-, Video-Bilder von Kameras) oder Bewegungsdaten bei taktilen Meßsystemen (Auslenkwinkel).
Durch die Erfindung wird ferner eine Vorrichtung geschaffen, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. Die Vorrichtung ist vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Meßobjekt und/oder außerhalb des Meßobjektes wenigstens zeitweise in einer fixierten Position zum Objekt Referenzobjekte und/oder Hilfsobjekte vorhanden sind und daß wenigstens ein mecha- nisch-taktil oder optisch-berührungslos messendes 3D-Koordinatenmeßgerät die Oberflächenkoordinaten von Meßobjekt und/oder Referenzobjekt und/oder Hilfsobjekt (in unterschiedlichen, einzelnen Objektbereichen) ermittelt. Dabei können die oben zum Verfahren erläuterten vorteilhaften Weiterbildungen verwendet werden. Eine vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, daß Referenzobjekte und/oder Hilfsobjekte auf wenigstens einem beliebig geformten Referenzkörper befestigt und verwendet werden. Der Träger des Referenzkörpers kann auch das Meßobjekt selbst sein. Vorzugsweise ist der Referenzkörper eine 1D-, 2D- oder SD- Struktur. Er enthält vorzugsweise im wesentlichen wenigstens ein Bauelement in Linienstruktur oder Gitterstruktur, auf dem Hilfsobjekte und/oder Referenzobjekte angebracht sind. Vorzugsweise ist am Referenzkörper eine Befestigungsvorrichtung angebracht. Vorteilhaft ist es, wenn mindestens ein solcher Referenzkörper mittels der Befestigungsvorrichtung auf dem, vor dem oder zumindest in der Nähe des Objektes befestigt oder aufgestellt wird.
Es ist möglich, während oder nach der Registrierung eine eindeutige Code- Zuweisung (Codierung/Label) der verwendeten Referenzobjekte vorzunehmen. Vorzugsweise werden Korrespondenzen zwischen den Referenzobjekten hergestellt. Es ist ferner möglich, daß zusätzliche Meßdaten des Meßsystems von dem Objekt und/oder von dem oder den Referenzobjekten bei der Registrierung verwendet werden, z.B. Lichtintensitätsdaten bei optischen Meßsystemen (beispielsweise Farbbilder, Schwarz-Weiß-Bilder oder Video-Bilder von Kameras) oder Bewegungsdaten bei taktilen Meßsystemen (Auslenkwinkel).
Vorteilhaft ist es, wenn Teile des Objekts und/oder das oder die Referenzobjekte während oder nach der Registrierung zur Bestimmung geometrischer Parameter des Objekts verwendet werden. Hierdurch können geometrische Parameter der Objekte während des Verfahrens direkt berechnet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht ferner eine gleichzeitige Überprüfung der Meßergebnisse, insbesondere hinsichtlich der (lokalen und globalen) Genauigkeit etc., und somit eine Überwachung des KMG. Das oder die Referenzobjekte bzw. der Referenzkörper kann dabei als Prüfkörper verwendet werden. Dement- sprechend ist es möglich, die Meßergebnisse zu überprüfen, wobei das oder die Referenzobjekte vorzugsweise als Prüfkörper verwendet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Bestimmen der 3D-Form eines Objektes,
bei dem mehrere Bereiche des Objektes (5) gemessen werden,
wobei bei mindestens einer Messung mindestens ein Referenzobjekt (4) gemessen wird,
und bei dem die gemessenen Bereiche des Objekts (5) miteinander verknüpft werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich das oder die Referenzobjekte (4) auf dem Objekt (5) und/oder außerhalb des Objekts befinden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Referenzobjekte durch die Struktur des Objekts (5), z.B. Bohrungen und/oder Kanten und/oder Flächen und/oder dergleichen, gegeben sind.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Referenzobjekte (4) auf einem Referenzkörper (3) vorgesehen sind, der durch eine Befestigungsvorrichtung mit dem Objekt (5) verbindbar ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Referenzobjekte geometrisch regelmäßig oder unregelmäßig sind.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Referenzobjekte mathematisch, geometrisch beschreibbar sind und daß deren geometrische Parameter wie Position, Mittelpunkts-Koordinate, Radius, Krümmung und/oder Abstände und/oder dergleichen, benutzt werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn-, zeichnet, daß Teile des Objekts bzw. der Objektoberfläche und/oder das oder die Referenzobjekte während oder nach der Registrierung zur Kalibrierung des Meßsystems benutzt werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Teile des Objekts bzw. der Objektoberfläche und/oder das oder die Referenzobjekte während oder nach der Registrierung zur Kalibrierung eines oder mehrerer mechanischer Objektbewegungssysteme benutzt werden.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß während oder nach der Registrierung eine eindeutige Code- Zuweisung (Codierung/Label) der verwendeten Referenzobjekte erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Korrespondenzen zwischen den Referenzobjekten hergestellt werden.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Referenzobjekte bei optischen Meßsystemen durch optische Strukturprojektion, z.B. kreisförmige Marken, Linien, Raster oder dergleichen, gegeben sind.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Referenzobjekte als mathematische, virtuelle, synthetische Modelle oder als entsprechender Datensatz vorliegen und zur Registrierung benutzt werden.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Meßdaten des Meßsystems von dem Objekt und/oder von dem oder den Referenzobjekten bei der Registrierung verwendet werden.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Teile des Objekts und/oder das oder die Referenzobjekte während oder nach der Registrierung zur Bestimmung geometrischer Parameter des Objekts verwendet werden.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßergebnisse überprüft werden, wobei das oder die Referenzobjekte vorzugsweise als Prüfkörper verwendet werden.
16. Vorrichtung zum Bestimmen der 3D-Form eines Objekts (5), umfassend
ein 3D-Koordinatenmeßgerät (3D-KMG),
mindestens ein Referenzobjekt (4)
und einen Rechner zum Verknüpfen der gemessenen Bereiche des Objekts (5).
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß sich das oder die Referenzobjekte auf dem Objekt und/oder außerhalb des Objekts befinden.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Referenzobjekte (4) auf einem Referenzkörper (3) vorgesehen sind, der durch eine Befestigungsvorrichtung mit dem Objekt (5) verbindbar ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Referenzobjekte geometrisch regelmäßig oder unregelmäßig sind.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Referenzobjekte mathematisch-geometrisch beschreibbar sind und daß deren geometrische Parameter wie Position, Mittelpunkts- Koordinate, Radius, Krümmung und/oder Abstände und/oder dergleichen, benutzt werden.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, gekennzeichnet durch ein vorzugsweise mechanisches Objektbewegungssystem.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Referenzobjekte durch optische Strukturprojektion, z.B. kreisförmige Marken, Linien, Raster oder dergleichen, gegeben sind.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Referenzobjekte durch einen oder mehrere optische Strukturprojektoren erzeugt werden.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 23, gekennzeichnet durch Meßsystemkomponenten zum Ermitteln von zusätzlichen Meßdaten von Referenzobjekten und/oder Meßobjekten.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzkörper eine 1 D-, 2D- oder 3D-Struktur ist und vorzugsweise im wesentlichen wenigstens ein Bauelement in Linienstruktur oder Gitterstruktur oder dergleichen enthält, auf dem ein oder mehrere Referenzobjekte angebracht sind.
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