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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen von dimensionalen und/oder geometrischen Eigenschaften eines Messobjekts.
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WO 01/00370 A1 offenbart eine 3D-Messanordnung mit einem mehrachsigen Roboter, der einen 3D-Koordinatensensor trägt. Der Roboter bewegt den 3D-Koordinatensensor relativ zu einem Messobjekt, das insbesondere eine Fahrzeugrohkarosserie sein kann, und er ermöglicht so eine 3D-Messung von dimensionalen und/oder geometrischen Eigenschaften des Messobjekts. Die Kalibrierung der 3D-Messanordnung wird in einer Kaskade mit mindestens drei Kalibrierschritten durchgeführt, wobei nacheinander der 3D-Koordinatensensor mit seinem Arbeitspunkt, der Roboterarm mit seinen Achsen und dann die Zuordnung des Roboterarms zu dem Messobjekt kalibriert werden. Eine Kalibriervorrichtung für die 3D-Messanordnung beinhaltet einen Halter mit einem Kalibriermuster in Form einer Bohrung, die in einer Musterplatte angeordnet ist. Das Kalibriermuster wird in mehreren Positionen relativ zu dem 3D-Koordinatensensor positioniert, um den 3D-Koordinatensensor in dem ersten Kalibrierschritt zu kalibrieren. Die Kalibrierung der Roboterachsen erfolgt mit einem weiteren Kalibrierkörper in Form eines Tisches mit einer Trägerplatte, auf der definierte Messmarken angeordnet sind. In dem dritten Kalibrierschritt werden schließlich weitere Kalibriermarken verwendet, die an dem Messobjekt selbst oder in dessen Nähe an weiteren Haltern angeordnet sind. Die Kalibrierung der bekannten 3D-Messanordnung ist recht aufwendig und erfordert für jeden der mindestens drei Kalibrierschritte spezielle Kalibrierkörper.
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WO 2011/143576 A2 offenbart ein System mit einem mehrachsigen Roboter, der dazu eingerichtet ist, Werkstücke zu greifen und entlang einer definierten Bewegungsbahn zu bewegen. Zusätzlich beinhaltet das System eine Vielzahl von Kameras, die dazu eingerichtet sind, die Pose (Position und Orientierung) der zu greifenden Werkstücke zu bestimmen, damit der Roboter die Werkstücke zuverlässig greifen kann. Die Kameras bilden somit die „Augen“ des Roboters und
WO 2011/143576 A2 offenbart ein Verfahren zum Kalibrieren der „Hand-Augen“-Beziehung zwischen dem Koordinatensystem des Roboters und dem Koordinatensystem der Kameras. Das Verfahren beinhaltet, dass eine Kalibrierplatte an dem freien Ende des Roboterarms angeordnet wird und dass der Roboter die Kalibrierplatte an eine Vielzahl von Raumpositionen innerhalb der Kamerasichtfelder bewegt. Die aufgenommenen Kamerabilder können nicht nur für die „Hand-Auge“-Kalibrierung, sondern auch für die intrinsische und extrinsische Kalibrierung der Kameras selbst verwendet werden. Die Kalibrierplatte kann ein elektronisches Display aufweisen, das verschiedene Kalibriermuster anzeigt. Dieses bekannte System ist allerdings nicht dazu eingerichtet, dimensionale und/oder geometrische Eigenschaften eines Messobjekts zu bestimmen. Insbesondere fehlt ein 3D-Koordinatensensor zum Messen des Messobjekts und folglich berücksichtigt das Kalibrierverfahren auch keinen solchen 3D-Koordinatensensor.
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US 2008/0239327 A1 offenbart eine 3D-Messanordnung mit einem handgeführten Tastkopf und einem Stereo-Kamerasystem, das dazu eingerichtet ist, eine jeweils aktuelle Pose des Tastkopfes mithilfe von Marken zu bestimmen, die an dem Tastkopf angeordnet sind. Zum Kalibrieren der 3D-Messanordnung wird die Spitze des Tastkopfes in einer Spannvorrichtung fixiert und der Tastkopf wird in verschiedene Orientierungen relativ zu der fixierten Spitze gebracht. Anhand der aufgenommenen Kamerabilder werden sowohl Formfehler des Tastkopfes als auch Verwindungen des Kameragestells bestimmt. Das beschriebene Kalibrierverfahren eignet sich vor allem für kostengünstige tragbare Versionen einer taktilen 3D-Messanordnung. Nachteilig ist hier, dass die Messgenauigkeit einer derartigen Messanordnung für manche Anwendungen nicht hoch genug ist.
DE 10 2004 024 378 A1 offenbart ein Verfahren zur robotergestützten Vermessung von Messobjekten. Dabei werden Bewegungsbahnen des Messsensors vorab unter Verwendung eines Referenzobjekts festgelegt und in ein Roboterkoordinatensystem übertragen. Die Ist-Bahnen des an dem Roboter geführten Sensors werden unter Verwendung von Markierungen und einer Positionserfassungseinrichtung aufgezeichnet. Es wird eine Mehrzahl an Messobjekten vermessen, wobei der Sensor mit dem Roboter entlang der Ist-Bahnen geführt wird. Eine Kompensationsvorrichtung ermöglicht eine Kompensation interner und/oder externer Einflüsse auf den Roboter. Nach einer festgelegten Anzahl an Messungen wird ein Kompensationsschritt ausgeführt. Die Positionserfassungseinrichtung kann nach der Bestimmung der Bahnen des Messsensors abgebaut und für weitere Roboter verwendet werden.
US 2010/0017178 A1 offenbart ein Verfahren und System zur Erzeugung eines digitalen Modells von mindestens einem Teil eines Objekts, das sich auf ein globales Koordinatensystem bezieht. Ein anfängliches digitales Modell, das sich auf ein lokales Koordinatensystem einer optischen Vorrichtung bezieht, wird unter Verwendung der optischen Vorrichtung erstellt. Die optische Vorrichtung verfügt über eine Vielzahl von Markierungen, die sich an bekannten Stellen in Bezug auf die optische Vorrichtung befinden und auf ein Markierungskoordinatensystem bezogen sind. Die Position der optischen Vorrichtung in Bezug auf eine externe Kameraanordnung wird bestimmt, indem die relativen Positionen der Markierungen zueinander, wie sie von einem Blickpunkt der externen Kameraanordnung aus erscheinen, mit ihren relativen Positionen in Bezug auf das Markierungskoordinatensystem in Beziehung gesetzt werden. Der Kamerastandpunkt befindet sich an einem bekannten Ort, der sich auf das globale Koordinatensystem bezieht. Es wird ein transformiertes digitales Modell erzeugt, das für das jeweilige Teil repräsentativ ist und sich auf das globale Koordinatensystem bezieht, indem das ursprüngliche digitale Modell entsprechend der Position der optischen Vorrichtung modifiziert wird.
DE 10 2004 021 893 A1 offenbart ein Verfahren und eine Hilfsvorrichtung zum Einmessen einer robotergeführten Messanordnung mit einem optischen Sensor, der über einen Abstandshalter an dem Roboter befestigt werden kann. Die Hilfsvorrichtung besitzt eine Grundplatte zur reproduzierbaren Montage des Abstandshalters mit dem Sensor. Auf der Hilfsvorrichtung ist ein Sensortarget vorgesehen. Zum Einmessen werden mithilfe des Sensors Messwerte des Sensortargets erzeugt, aus denen die Raumlage des Sensorkoordinatensystems gegenüber dem Sensortarget berechnet wird. Vorteilhafterweise sind auf dem Abstandshalter und/oder auf einem Gehäuse des Sensors Messmarken vorgesehen. Mithilfe eines weiteren Messsystems werden Messungen der Raumlagen der Messmarken und des Sensortargets durchgeführt. Aus einer Kombination der Gesamtheit dieser Messungen kann die Raumlage des Sensorkoordinatensystems gegenüber den Messmarken mit hoher Genauigkeit ermittelt werden.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen von dimensionalen und/oder geometrischen Eigenschaften eines Messobjekts anzugeben, die auf effiziente Weise eine Messung mit hoher Messgenauigkeit ermöglichen.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird gemäß Anspruch 1 ein Verfahren zum Bestimmen von dimensionalen und/oder geometrischen Eigenschaften eines Messobjekts mit folgenden Schritten vorgeschlagen:
- - Bereitstellen einer 3D-Messanordnung, die einen 3D-Koordinatensensor, einen automatisiert beweglichen Gelenkarm und ein 3D-Zielverfolgungssystem aufweist, wobei der 3D-Koordinatensensor an dem automatisiert beweglichen Gelenkarm angeordnet ist, und wobei das 3D-Zielverfolgungssystem ein Messvolumen definiert,
- - Bereitstellen eines definierten Kalibriermusters an dem 3D-Koordinatensensor,
- - Bewegen des 3D-Koordinatensensors zusammen mit dem definierten Kalibriermuster in einem ersten Bewegungszyklus an eine Vielzahl von Raumpositionen innerhalb des Messvolumens unter Verwendung des automatisiert beweglichen Gelenkarms, wobei die Vielzahl von Raumpositionen eine Vielzahl von Sollmesspositionen an dem Messobjekt beinhalten,
- - Bestimmen einer Vielzahl von Positionsmesswerten, die Posen des definierten Kalibriermusters an der Vielzahl von Raumpositionen repräsentieren, mit Hilfe des 3D-Zielverfolgungssystems
- - Anordnen des Messobjekts in dem Messvolumen,
- - Bewegen des 3D-Koordinatensensors in einem zweiten Bewegungszyklus an die Vielzahl von Raumpositionen unter Verwendung des automatisiert beweglichen Gelenkarms, wobei das Messobjekt eine Kavität aufweist, in die der 3D-Koordinatensensor in dem zweiten Bewegungszyklus eintaucht,
- - Aufnehmen einer Vielzahl von 3D-Koordinatenmesswerten an den Sollmesspositionen unter Verwendung des 3D-Koordinatensensors und unter Verwendung der Vielzahl von Positionsmesswerten, und
- - Bestimmen der dimensionalen und/oder geometrischen Eigenschaften des Messobjekts unter Verwendung der 3D-Koordinatenmesswerte.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ferner eine Vorrichtung zum Bestimmen von dimensionalen und/oder geometrischen Eigenschaften eines Messobjekts vorgeschlagen, mit einer 3D-Messanordnung, die einen 3D-Koordinatensensor, einen automatisiert beweglichen Gelenkarm, ein 3D-Zielverfolgungssystem, ein definiertes Kalibriermuster und eine Auswerte- und Steuereinheit aufweist, wobei der 3D-Koordinatensensor an dem automatisiert beweglichen Gelenkarm angeordnet ist, wobei das 3D-Zielverfolgungssystem ein Messvolumen definiert, wobei das definierte Kalibriermuster dazu eingerichtet ist, zumindest zeitweilig an dem 3D-Koordinatensensor positioniert zu werden, und wobei die Auswerte- und Steuereinheit dazu eingerichtet ist,
- - den 3D-Koordinatensensor unter Verwendung des automatisiert beweglichen Gelenkarms in einem ersten Bewegungszyklus zusammen mit dem definierten Kalibriermuster an eine Vielzahl von Raumpositionen innerhalb des Messvolumens zu bewegen, wobei die Vielzahl von Raumpositionen eine Vielzahl von Sollmesspositionen an dem Messobjekt beinhalten,
- - eine Vielzahl von ersten Positionsmesswerten unter Verwendung des 3D-Zielverfolgungssystems zu bestimmen, wobei die ersten Positionsmesswerte Posen des definierten Kalibriermusters an der Vielzahl von Raumpositionen repräsentieren,
- - den 3D-Koordinatensensor unter Verwendung des automatisiert beweglichen Gelenkarms in einem zweiten Bewegungszyklus an die Vielzahl von Raumpositionen zu bewegen, wobei das Messobjekt eine Kavität aufweist, in die der 3D-Koordinatensensor in dem zweiten Bewegungszyklus eintaucht,
- - eine Vielzahl von 3D-Koordinatenmesswerten an den Sollmesspositionen unter Verwendung des 3D-Koordinatensensors und unter Verwendung der Vielzahl von Positionsmesswerten aufzunehmen, und
- - dimensionale und/oder geometrische Eigenschaften des Messobjekts unter Verwendung der 3D-Koordinatenmesswerte zu bestimmen und/oder die Vielzahl von 3D-Koordinatenmesswerten auszugeben.
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Das neue Verfahren und die neue Vorrichtung verwenden einen automatisiert beweglichen Gelenkarm, insbesondere in Form eines mehrachsigen Roboters, der einen 3D-Koordinatensensor trägt. Der 3D-Koordinatensensor ist dazu eingerichtet, 3D-Koordinaten relativ zu einem Sensorkoordinatensystem zu bestimmen. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen ist der 3D-Koordinatensensor ein optischer Triangulationssensor, der nach dem Prinzip der Streifenlichtprojektion arbeitet. Prinzipiell kann der 3D-Koordinatensensor aber auch nach einem anderen Sensorprinzip arbeiten. Der 3D-Koordinatensensor kann mithilfe des Gelenkarms automatisiert an eine Vielzahl von Messpositionen relativ zu dem Messobjekt bewegt werden, was eine schnelle und flexible Messung von verschiedenen Messobjekten ermöglicht.
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Des Weiteren besitzt die 3D-Messanordnung ein 3D-Zielverfolgungssystem, das dazu eingerichtet ist, die jeweils aktuelle Position und/oder Orientierung des 3D-Koordinatensensors im Raum zu bestimmen. Der 3D-Koordinatensensor ist somit ein „Ziel“, das mithilfe des 3D-Zielverfolgungssystems im Raum verfolgt werden kann. Aufgrund der Anordnung des 3D-Koordinatensensors an dem automatisiert beweglichen Gelenkarm genügt es, wenn das 3D-Zielverfolgungssystem die Position und/oder Orientierung des 3D-Koordinatensensors an einer Vielzahl von diskreten Raumpositionen bestimmen kann, wobei die diskreten Raumpositionen gewissermaßen Stützstellen für eine approximierte Bahnverfolgung bilden. In bevorzugten Ausführungsbeispielen ist das 3D-Zielverfolgungssystem eingerichtet, die Bewegungsbahn des 3D-Koordinatensensors in Echtzeit und/oder im Rahmen der technischen Möglichkeiten kontinuierlich zu verfolgen.
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An dem 3D-Koordinatensensor ist zumindest zeitweise ein definiertes Kalibriermuster angeordnet. In einigen Ausführungsbeispielen kann der 3D-Koordinatensensor ein elektronisches Display aufweisen, auf dem ein oder mehrere verschiedene Kalibriermuster zeitgleich oder nacheinander angezeigt werden. In anderen Ausführungsbeispielen kann das definierte Kalibriermuster eine oder mehrere Marken beinhalten, die an einer Gehäuseaußenseite des 3D-Koordinatensensors angeordnet sind, beispielsweise aufgeklebt und/oder aufgedruckt sind. In einigen Ausführungsbeispielen kann das Kalibriermuster eine definierte Anordnung von geometrischen Elementen, wie etwa eine oder mehrere Kugeln, Kegel, Zylinder, Kuben oder dergleichen besitzen. Vorteilhaft besitzt das definierte Kalibriermuster bekannte Eigenschaften, die eine schnelle Detektion mithilfe des 3D-Zielverfolgungssystems ermöglichen.
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In vorteilhaften Ausführungsbeispielen beinhaltet das 3D-Zielverfolgungssystem eine oder mehrere Kameras, die dazu eingerichtet sind, das definierte Kalibriermuster unter Verwendung einer geeigneten Kamerabildauswertung zu detektieren und basierend darauf Positionsmesswerte zu bestimmen, die eine jeweils aktuelle Pose des 3D-Koordinatensensors repräsentieren. Dementsprechend arbeitet das 3D-Zielverfolgungssystem in einigen vorteilhaften Ausführungsbeispielen nach dem Prinzip der Photogrammmetrie. In weiteren Ausführungsbeispielen kann das 3D-Zielverfolgungssystem eine 3D-Raumposition des 3D-Koordinatensensors mithilfe von Kameras in einer Stereoanordnung und/oder mithilfe von Kameras oder anderen Sensoren bestimmen, die nach dem Lichtlaufzeitprinzip arbeiten, etwa mit einem oder mehreren LIDAR-Sensoren.
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Das neue Verfahren und die neue Vorrichtung bestimmen eine Vielzahl von Positionsmesswerten, die Posen des definierten Kalibriermusters an einer Vielzahl von Raumpositionen während eines ersten Bewegungszyklus repräsentieren, mithilfe des 3D-Zielverfolgungssystems. Bevorzugt bestimmen das neue Verfahren und die neue Vorrichtung an jeder Raumposition eine aktuelle Pose des definierten Kalibriermusters. Da das Kalibriermuster an dem 3D-Koordinatensensor angeordnet ist, repräsentiert eine aktuelle Pose des definierten Kalibriermusters zugleich eine aktuelle Pose des 3D-Koordinatensensors.
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Vorteilhaft wird der erste Bewegungszyklus durchgeführt, bevor das Messobjekt tatsächlich gemessen wird. Der 3D-Koordinatensensor wird mithilfe des automatisiert beweglichen Gelenkarms an eine Vielzahl von Sollmesspositionen gebracht, die mithilfe des 3D-Zielverfolgungssystems erfasst werden. Anschließend erfolgt die Messung des Messobjekts in einem zweiten Bewegungszyklus unter Verwendung der Positionsmesswerte aus dem ersten Bewegungszyklus. Die Bewegungsbahn des 3D-Koordinatensensors in dem zweiten Bewegungszyklus kann also mithilfe des ersten Bewegungszyklus eingelernt werden. Dadurch dass das definierte Kalibriermuster während dieses Einlernprozesses an dem 3D-Koordinatensensor angeordnet ist, ist das Einlernen mit hoher Positioniergenauigkeit möglich. Die Messgenauigkeit des 3D-Zielverfolgungssystems ist vorteilhaft höher als die Positioniergenauigkeit des Gelenkarms, insbesondere wenn der Gelenkarm mit verschiedenen dynamischen Lasten bewegt wird. Infolge dessen ist die Messung des Objekts in dem zweiten Bewegungszyklus mithilfe des 3D-Koordinatensensors mit der hohen Messgenauigkeit aus dem ersten Bewegungszyklus möglich.
Die im ersten Bewegungszyklus bestimmten Positionsmesswerte werden in vorteilhafter Weise verwendet, um das Messobjekt innerhalb einer Kavität zu messen, auch wenn das 3D-Zielverfolgungssystem den 3D-Koordinatensensor innerhalb der Kavität nicht erfassen kann. Mit anderen Worten ermöglicht diese Ausgestaltung die Bestimmung von dimensionalen und/oder geometrischen Eigenschaften des Messobjekts innerhalb einer Kavität ohne „Sicht“ des 3D-Zielverfolgungssystems auf den 3D-Koordinatensensor. Zugleich ermöglicht diese Ausgestaltung innerhalb der Kavität eine hohe Messgenauigkeit, indem der automatisiert bewegliche Gelenkarm unter Verwendung der ersten Positionsmesswerte gesteuert wird, die außerhalb der Kavität bestimmt wurden. In vorteilhaften Ausführungsbeispielen kann auf diese Weise der Innenraum einer Fahrzeugkarosserie mit hoher Genauigkeit gemessen werden.
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Die Anordnung des 3D-Koordinatensensors an dem automatisiert beweglichen Gelenkarm ermöglicht eine Vielzahl von unterschiedlichen Bewegungsbahnen und somit eine flexible Messung von unterschiedlichen Messobjekten. Zugleich kann mithilfe des Kalibriermusters an dem 3D-Koordinatensensor eine hohe Messgenauigkeit erreicht werden. Insgesamt ermöglichen das neue Verfahren und die neue Vorrichtung daher eine effiziente Messung mit hoher Messgenauigkeit. Die oben genannte Aufgabe ist vollständig gelöst.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der automatisiert bewegliche Gelenkarm in dem zweiten Bewegungszyklus unter Verwendung von Steuerbefehlen bewegt, die in Abhängigkeit von dem ersten Bewegungszyklus bestimmt werden.
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In einigen Ausführungsbeispielen kann der Gelenkarm im ersten Bewegungszyklus manuell gesteuert werden und die dabei verwendeten Steuerbefehle werden aufgezeichnet. Die so aufgezeichneten Steuerbefehle können in dem zweiten Bewegungszyklus für die automatisierte Steuerung des Gelenkarms verwendet werden, wobei hier die Positionsmesswerte aus dem ersten Bewegungszyklus vorteilhaft berücksichtigt werden. In anderen Ausführungsbeispielen können die Steuerbefehle für den ersten Bewegungszyklus anhand von CAD-Daten, die das Messobjekt repräsentieren, bestimmt werden. Vorteilhaft können die so bestimmten Steuerbefehle unter Verwendung der Positionsmesswerte aus dem ersten Bewegungszyklus überprüft und/oder modifiziert werden, um die Steuerbefehle für den zweiten Bewegungszyklus zu erhalten. Vorteilhaft können modifizierte Steuerbefehle in einem weiteren Bewegungszyklus mithilfe des 3D-Zielverfolgungssystems und des definierten Kalibriermusters überprüft werden, bevor der 3D-Koordinatensensor in dem zweiten Bewegungszyklus bewegt wird, um ein Messobjekt zu messen.
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Die Ausgestaltung besitzt den Vorteil, dass der Gelenkarm in dem ersten Bewegungszyklus für eine automatisierte Messung des Messobjekts eingelernt wird. In bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die Wiederholgenauigkeit des automatisiert beweglichen Gelenkarms bei mehrfach hintereinander ausgeführten Bewegungszyklen innerhalb einer definierten Zeitspanne von beispielsweise weniger als einer Stunde hoch genug, so dass der 3D-Koordinatensensor in dem zweiten Bewegungszyklus ohne Verwendung des 3D-Zielverfolgungssystems bewegt werden kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird ein Bewegungsmodell mit Bewegungsparametern bereitgestellt, das Bewegungen des automatisiert beweglichen Gelenkarms lastabhängig repräsentiert, wobei zumindest ein Bewegungsparameter in Abhängigkeit von den ersten Positionsmesswerten gewählt wird.
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Ein Bewegungsmodell im Sinne dieser Ausgestaltung wird von den Fachleuten teilweise als „Robotermodell“ bezeichnet. Es modelliert die Bewegung des Gelenkarms in Abhängigkeit von dem Gewicht eines an dem Gelenkarm gehaltenen Gegenstandes, wie hier des 3D-Koordinatensensors. Vorteilhaft kann das Bewegungsmodell weitere Parameter, wie insbesondere eine lastabhängige Momentangeschwindigkeit, eine Momentanbeschleunigung und/oder Drehwinkel des Gelenkarms beinhalten. Die Ausgestaltung besitzt den Vorteil, dass mithilfe der Positionsmesswerte aus dem ersten Bewegungszyklus eine individuell angepasste Parametrierung des Bewegungsmodells erleichtert wird und dadurch eine hohe Messgenauigkeit für unterschiedliche Messobjekte und Messszenarien ermöglicht wird.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist der 3D-Koordinatensensor ein elektronisches Display auf, auf dem das definierte Kalibriermuster angezeigt wird.
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Diese Ausgestaltung ermöglicht eine sehr genaue Kalibrierung und Re-Kalibrierung der 3D-Messanordnung, indem eine Vielzahl verschiedener Kalibriermuster an dem 3D-Koordinatensensor bereitgestellt werden und/oder indem ein definiertes Kalibriermuster relativ zu dem 3D-Koordinatensensor elektronisch bewegt wird. Letzteres ermöglicht eine vorteilhafte Bestimmung der jeweils aktuellen Raumposition des 3D-Koordinatensensors relativ zu dem 3D-Zielverfolgungssystem mithilfe eines an sich bekannten Phasenschiebeverfahrens. Des Weiteren können Kalibriermuster zur intrinsischen Kalibrierung der Kameras des 3D-Zielverfolgungssystems bereitgestellt werden, insbesondere zur Bestimmung und Korrektur von Verzeichnungsfehlern. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen wird ein geeignetes Kalibriermuster in Abhängigkeit von einer Sollposition und/oder Sollorientierung des 3D-Koordinatensensors relativ zu dem 3D-Zielverfolgungssystem bereitgestellt. Beispielsweise kann das Kalibriermuster bei einer größeren Entfernung zwischen dem 3D-Koordinatensensor und den Kameras eines 3D-Zielverfolgungssystems breitere Streifen beinhalten als bei einer geringeren Entfernung und umgekehrt.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist das definierte Kalibriermuster eine Vielzahl von Messmarken auf, die mit definierten Abständen zueinander angeordnet sind.
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Ein solches Kalibriermuster erleichtert die Kalibrierung der 3D-Messanordnung und ermöglicht eine höhere Messgenauigkeit, da durch die Vielzahl der Messmarken eine erhöhte Informationsdichte zur Verfügung steht.
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In einer weiteren Ausgestaltung repräsentieren die definierten Abstände eine vorbekannte Messgröße, wie insbesondere eine vorbekannte Länge und/oder einen vorbekannten Winkel. Vorzugsweise ist die vorbekannte Messgröße auf ein Normmaß zurückgeführt.
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In dieser Ausgestaltung ist das Kalibriermuster selbst kalibriert und insbesondere auf ein Längenmaß in einer SI-Einheit zurückgeführt. Die Ausgestaltung besitzt den Vorteil, dass die dimensionalen und/oder geometrischen Eigenschaften des Messobjekts direkt in SI-Einheiten bestimmt werden können. Die erhaltenen Messwerte sind unabhängig von der individuell verwendeten 3D-Messanordnung direkt miteinander vergleichbar.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird der 3D-Koordinatensensor in dem ersten Bewegungszyklus mit verschiedenen Orientierungen an einer Raumposition positioniert.
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In dieser Ausgestaltung wird der 3D-Koordinatensensor zusammen mit dem definierten Kalibriermuster um eine Achse gedreht. Die Ausgestaltung erleichtert die Kalibrierung der 3D-Messanordnung in Bezug auf verschiedene Posen des 3D-Koordinatensensors. Die Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, wenn der 3D-Koordinatensensor in dem zweiten Bewegungszyklus in eine Kavität eintaucht und somit das Sichtfeld des 3D-Zielverfolgungssystems verlässt, da auch in diesem Fall eine aktuelle Pose des 3D-Koordinatensensors mithilfe der Positionsmesswerte aus dem ersten Bewegungszyklus mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann. Darüber hinaus ermöglicht diese Ausgestaltung eine Kalibrierung der 3D-Messanordnung mithilfe einer sogenannten Umschlagsmessreihe. Da sich die individuellen Eigenschaften des Kalibriermusters während der Umschlagsmessreihe nicht wesentlich verändern, lassen sich insbesondere Fehler eines unkalibrierten Kalibriermusters aus dem redundanten Datenmaterial bestimmen. Aufgrund des automatisiert beweglichen Gelenkarms kann der 3D-Koordinatensensor sehr einfach und schnell mit verschiedenen Orientierungen positioniert werden. Die Ausgestaltung ermöglicht daher eine kostengünstige Kalibrierung mit geringem Aufwand und hoher Genauigkeit.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist während des ersten Bewegungszyklus ein Referenzobjekt in dem Messvolumen positioniert und mithilfe des 3D-Koordinatensensor werden in dem ersten Bewegungszyklus Referenzkoordinaten an dem Referenzobjekt bestimmt.
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In dieser Ausgestaltung ist der 3D-Koordinatensensor gewissermaßen an dem Referenzobjekt „angehängt“. Das Referenzobjekt stellt raumfeste Referenzpunkte bereit und ermöglicht so eine schnelle und genauere Kalibrierung des 3D-Zielverfolgungssystems.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist der 3D-Koordinatensensor ein optischer Triangulationssensor, insbesondere ein sogenannter Streifenprojektionssensor mit einem Lichtmusterprojektor und einer Kamera, die dazu eingerichtet ist, Lichtprojektionsmuster auf dem Messobjekt zu erfassen.
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Ein solcher 3D-Koordinatensensor ermöglicht die Aufnahme einer Vielzahl von 3D-Koordinatenmesswerten in kurzer Zeit. Zusammen mit dem automatisiert beweglichen Gelenkarm ermöglicht die 3D-Messanordnung daher eine großflächige Messung eines Messobjekts und insbesondere einen vollständigen 3D-Scan.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist das 3D-Zielverfolgungssystem eine Vielzahl von Kameras auf. Vorzugsweise besitzen die Kameras jeweils ein Kamerasichtfeld und die Kamerasichtfelder definieren das Messvolumen der 3D-Messanordnung.
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In dieser Ausgestaltung arbeitet das 3D-Zielverfolgungssystem optisch und unter Verwendung von Methoden der Bildverarbeitung. Ein solches 3D-Zielverfolgungssystem ermöglicht eine kostengünstige und robuste Realisierung in industriellen Produktionsumgebungen und eignet sich daher hervorragend, um dimensionale und/oder geometrische Eigenschaften von Werkstücken produktionsnah zu bestimmen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Bestimmen von dimensionalen und/oder geometrischen Eigenschaften eines Messobjekts mit Kavität,
- 2 die Vorrichtung aus 1 in einem vorteilhaften ersten Bewegungszyklus, und
- 3 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels des neuen Verfahrens.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet.
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Die Vorrichtung 10 beinhaltet ein 3D-Zielverfolgungssystem 12, das in diesem Ausführungsbeispiel eine Vielzahl von Kameras 14a, 14b besitzt. Allgemein ist das 3D-Zielverfolgungssystem 12 dazu eingerichtet, eine jeweils aktuelle Position und/oder Orientierung eines Ziels innerhalb seines Erfassungsbereichs zu bestimmen. Die Kameras 14a, 14b sind hier an einem Gestell 16 montiert und auf ein Messvolumen 17 gerichtet, in dem ein 3D-Koordinatensensor 18 als zu verfolgendes Ziel beweglich angeordnet ist. Der 3D-Koordinatensensor 18 kann relativ zu einem Messobjekt 20 bewegt werden und ermöglicht die Bestimmung von 3D-Koordinaten an dem Messobjekt 20 relativ zu einem Sensorkoordinatensystem 22. Das Sensorkoordinatensystem 22 wird typischerweise durch den 3D-Koordinatensensor 18 definiert. Alternativ oder ergänzend zu den Kameras 14a, 14b kann das 3D-Zielverfolgungssystem 12 mit LIDAR-Sensoren arbeiten.
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In einigen Ausführungsbeispielen ist der 3D-Koordinatensensor ein 3D-Streifenlichtprojektionssensor, wie er beispielsweise von der Carl Zeiss Optotechnik GmbH, Georg-Wiesböck-Ring 12, 83115 Neubeuern, Deutschland unter der Produktbezeichnung COMET vertrieben wird. Prinzipiell kann der 3D-Koordinatensensor ein beliebiger Sensor sein, der die Bestimmung von 3D-Koordinaten an dem Messobjekt 20 relativ zu einem Sensorkoordinatensystem 22 ermöglicht. Prinzipiell kann der 3D-Koordinatensensor 18 Messpunkte an dem Messobjekt 20 optisch, kapazitiv oder taktil erfassen. Die Messpunkte können beispielsweise unter Verwendung eines Lichtlaufzeitverfahrens und/oder unter Verwendung von trigonometrischen Beziehungen zwischen einer oder mehreren Kameras und/oder einem Projektor optisch erfasst werden.
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Wie in 1 dargestellt ist, ist der 3D-Koordinatensensor 18 hier an einem automatisiert beweglichen Gelenkarm 24 angeordnet. In bevorzugten Ausführungsbeispielen kann der Gelenkarm 24 ein mehrachsiger Roboter sein, der dazu eingerichtet ist, den 3D-Koordinatensensor 18 an einer Vielzahl von Raumpositionen innerhalb des Messvolumens 17 und/oder in eine Vielzahl von Orientierungen relativ zu dem Messobjekt 20 zu positionieren. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Messobjekt 20 auf einem Werkstücktisch 26 angeordnet. Der Gelenkarm 24 kann relativ zu dem Werkstücktisch 26 entlang einer oder mehrerer Linearachsen verfahrbar sein. In weiteren Ausführungsbeispielen kann das Messobjekt 20 auf einer Fördereinrichtung, wie etwa einem Förderband (hier nicht dargestellt) angeordnet sein, das sich relativ zu dem Gestell 16 und/oder dem Gelenkarm 24 bewegt.
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Die Vorrichtung 10 beinhaltet ferner eine Auswerte- und Steuereinheit 28, die dazu eingerichtet ist, die Bewegung des 3D-Koordinatensensors 18 relativ zu dem Messobjekt 20 zu steuern und mithilfe des 3D-Koordinatensensors 18 und des 3D-Zielverfolgungssystems 12 Raumkoordinaten relativ zu einem Bezugskoordinatensystem 30 zu bestimmen. Das Bezugskoordinatensystem 30 kann ein Koordinatensystem des 3D-Zielverfolgungssystems 12 oder ein anderes Koordinatensystem sein, das über eine Koordinatentransformation mit dem Koordinatensystem des 3D-Zielverfolgungssystems 12 und/oder dem Sensorkoordinatensystem 22 verbunden ist. Die Koordinatentransformation wird in den bevorzugten Ausführungsbeispielen durch eine Kalibrierung in der nachfolgend beschriebenen Weise bestimmt, so dass die Vorrichtung 10 in der Lage ist, 3D-Koordinaten des Messobjekts 20 relativ zu dem Bezugskoordinatensystem 30 zu bestimmen. In vorteilhaften Ausführungsbeispielen ermöglicht die Vorrichtung 10 einen 3D-Scan des Messobjekts 20 relativ zu dem Bezugskoordinatensystem 30, indem 3D-Koordinaten an einer Vielzahl von Messpunkten bestimmt werden, die an der Oberfläche des Messobjekts 20 verteilt sind..
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Um die Kalibrierung zu erleichtern, ist in diesem Ausführungsbeispiel ein definiertes Kalibriermuster an dem 3D-Koordinatensensor 18 angeordnet. In dem Ausführungsbeispiel beinhaltet das Kalibriermuster eine Vielzahl von Kalibriermarken 32a, 32b. In einigen Ausführungsbeispielen sind die Kalibriermarken 32a, 32b auf eine Gehäuseaußenseite des 3D-Koordinatensensors 18 geklebt und/oder gedruckt. In vorteilhaften Ausführungsbeispielen sind die Kalibriermarken 32a, 32b mit einem bekannten Abstand relativ zu einander an dem 3D-Koordinatensensor angeordnet. Wie in 1 dargestellt ist, sind Kalibriermarken 32a, 32b vorzugsweise an mehreren Seiten des 3D-Koordinatensensors angeordnet, so dass zumindest eine Kalibriermarke in jeder Position und/oder Orientierung des 3D-Koordinatensensors 18 für das 3D-Zielverfolgungssystem 12 sichtbar ist.
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In weiteren Ausführungsbeispielen kann der 3D-Koordinatensensor 18 an einer oder mehreren Seitenwänden ein elektronisches Display (hier nicht dargestellt) aufweisen, mit dessen Hilfe eine Vielzahl unterschiedlicher Kalibriermuster erzeugt werden können. In weiteren Ausführungsbeispielen können die Kalibriermarken 32a, 32b geometrische Formelemente, wie etwa Kugeln, Würfel, Zylinder, Kegel o.ä. beinhalten, die in einer bekannten Position und/oder Orientierung zu einander an dem 3D-Koordinatensensor 18 befestigt sind.
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Die Auswerte- und Steuereinheit 28 kann in bevorzugten Ausführungsbeispielen einen handelsüblichen Personal Computer beinhalten, der mit einem geeigneten Betriebssystem arbeitet, wie etwa Microsoft Windows, OSX oder Linux. Alternativ oder ergänzend kann die Auswerte- und Steuereinheit 28 eine CNC-Robotersteuerung und/oder eine speicherprogrammierbare Maschinensteuerung beinhalten. Die Auswerte- und Steuereinheit 28 kann daher mehrere verteilte Steuerungskomponenten beinhalten, die über ein geeignetes Kommunikationsnetzwerk, wie etwa ein Ethernet-basiertes Bussystem, Profinet, Devicenet o.ä miteinander gekoppelt sind. Ferner ist die Auswerte- und Steuereinheit 28 mit einer Speichereinheit gekoppelt, in der ein geeignetes Auswerte- und Steuerprogramm 36 gespeichert ist. In bevorzugten Ausführungsbeispielen ist in der Speichereinheit ferner ein Bewegungsmodell 38 gespeichert, das lastabhängige Bewegungen des Gelenkarms 24 in Abhängigkeit von Steuerbefehlen 40 zum Steuern des Gelenkarms 24 und/oder in Abhängigkeit von Bewegungsparametern 42 repräsentiert. Die Bewegungsparameter beinhalten beispielsweise Winkelgeschwindigkeiten und/oder Winkelbeschleunigungen.
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Wie in 1 dargestellt ist, kann der 3D-Koordinatensensor 18 in den bevorzugten Ausführungsbeispielen in eine Kavität 46 des Messobjekts 20 eintauchen, wie dies bei Bezugsziffer 18' angedeutet ist. In einem solchen Fall kann das 3D-Zielverfolgungssystem 12 den 3D-Koordinatensensor 18 möglicherweise nicht mehr lokalisieren, weil das Kalibriermuster 32 nicht mehr mithilfe des 3D-Zielverfolgungssystems 12 detektierbar ist. Wie nachfolgend anhand der 2 und 3 erläutert wird, ist eine Messung des Messobjekts 20 in der Kavität 46 in den bevorzugten Ausführungsbeispielen gleichwohl möglich.
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In 2 bezeichnen gleiche Bezugszeichen dieselben Elemente wie zuvor. Im Unterschied zu der Situation gemäß 1 ist hier ein Referenzobjekt 50 anstelle des Messobjekts 20 in dem Messvolumen 17 der Vorrichtung 10 angeordnet. Das Referenzobjekt 50 kann beispielsweise eine Referenzkugel 52 und/oder weitere markante Merkmale aufweisen, für die mithilfe des 3D-Koordinatensensors 18 Raumkoordinaten relativ zu dem Sensorkoordinatensystem 22 bestimmt werden können. Der 3D-Koordinatensensor 18 kann auf diese Weise „virtuell“ an das Referenzobjekt 50 „angehängt“ werden, während seine Position und/oder Orientierung innerhalb des Messvolumens mithilfe des Gelenkarms 24 variiert wird. Mithilfe des 3D-Zielverfolgungssystems 12 kann die jeweilige Raumposition des 3D-Koordinatensensors 18 relativ zu dem Bezugskoordinatensystem 30 bestimmt werden. In Abhängigkeit davon können Bewegungsparameter 42 des Bewegungsmodells 38 lastabhängig mit hoher Genauigkeit bestimmt werden, insbesondere entlang von Bewegungspfaden, die bei der späteren Messung eines Messobjekts 20 innerhalb einer Kavität 46 verlaufen. Grundsätzlich kann das Einlernen einer Bewegungsbahn zur Messung eines Messobjekts 20 und/oder das Bestimmen von optimalen Bewegungsparametern 42 auch ohne Referenzobjekt 50 erfolgen, beispielsweise auf Basis von Steuerbefehlen 40, die anhand eines CAD-Datensatzes bestimmt werden, der das Messobjekt 20 repräsentiert.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Verfahrens gemäß 3 wird jedoch zunächst das Referenzobjekt 50 positioniert (Schritt 60). Gemäß Schritt 62 wird eine Zählvariable J=1 gesetzt. Die Zählvariable J=1 repräsentiert hier eine erste Raumposition, an der der 3D-Koordinatensensor 18 mithilfe des Gelenkarms 24 positioniert wird, um in einem späteren Messdurchlauf Koordinatenmesswerte an dem Messobjekt 20 zu bestimmen. Gemäß Schritt 64 wird der 3D-Koordinatensensor 18 nun an der Raumposition J positioniert. Gemäß Schritt 66 können die Steuerbefehle, die für die Positionierung gemäß Schritt 64 erforderlich sind, in einem Bereich der Speichereinheit gespeichert werden. Gemäß Schritt 68 werden hier zusätzlich mithilfe des 3D-Koordinatensensors 18 Koordinatenmesswerte an dem Referenzobjekt 50 aufgenommen. Des Weiteren werden mithilfe des 3D-Zielverfolgungssystems 12 Positionsmesswerte bestimmt, die die aktuelle Raumposition und/oder Orientierung des 3D-Koordinatensensors 18 in dem Bezugskoordinatensystem 30 repräsentieren. Gemäß Schritt 72 erfolgt eine Abfrage, ob die Bestimmung von derartigen Positionsmesswerten für eine weitere Raumposition und/oder Orientierung des 3D-Koordinatensensors 18 erfolgen soll. Gegebenenfalls wird die Zählvariable J gemäß Schritt 74 inkrementiert und das Verfahren von Schritt 64 - 72 an erneut durchlaufen.
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Sobald für alle gewünschten Raumpositionen des 3D-Koordinatensensors 18 geeignete Positionsmesswerte mithilfe des 3D-Zielverfolgungssystem 12 bestimmt wurden, wird das Bewegungsmodell 38 für den Gelenkarm 24 gemäß Schritt 76 lastabhängig parametriert. Insbesondere können Steuerparameter, die Sollpositionen, Sollgeschwindigkeiten und/oder Sollbeschleunigungen des Gelenkarms 24 repräsentieren, in Abhängigkeit von den 3D-Daten aus den Schritten 68, 70 bestimmt werden, um den 3D-Koordinatensensor 18 optimal in der Kavität 46 des Messobjekts 20 zu positionieren. Alternativ oder ergänzend können im Schritt 76 modifizierte Steuerbefehle bestimmt werden, die in Abhängigkeit von den Positionsmesswerten des 3D-Zielverfolgungssystems 12 eine lastabhängige Abweichung des 3D-Koordinatensensors 18 von einer gewünschten Sollmessposition minimieren.
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Die Schritte 62 bis 72 repräsentieren einen ersten Bewegungszyklus, in dessen Verlauf der 3D-Koordinatensensor 18 an eine Vielzahl von Sollmesspositionen und/oder Orientierungen innerhalb des Messvolumens gebracht wird. Dieser erste Bewegungszyklus wird in den bevorzugten Ausführungsbeispielen des neuen Verfahrens vorteilhaft genutzt, um die Bewegungsbahn des 3D-Koordinatensensors 18 für den nachfolgenden Messablauf lastabhängig zu optimieren.
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Gemäß Schritt 78 wird das Messobjekt 20 in dem Messvolumen positioniert. Gemäß Schritt 80 werden mithilfe des 3D-Koordinatensensors 18 und - soweit möglich - mithilfe des 3D-Zielverfolgungssystems 12 Koordinatenmesswerte an dem Messobjekt 20 aufgenommen. Vorteilhaft wird der 3D-Koordinatensensor 18 dabei unter Verwendung des Bewegungsmodells 38 mit den optimierten Bewegungsparametern 42 aus dem ersten Bewegungszyklus gesteuert. Dies macht es insbesondere möglich, den 3D-Koordinatensensor 18 in die Kavität 46 des Messobjekts 20 hineinzubewegen und innerhalb der Kavität 46 Koordinatenmesswerte aufzunehmen, auch wenn die jeweils aktuelle Raumposition des 3D-Koordinatensensors 18 innerhalb der Kavität 46 nicht mehr mithilfe des 3D-Zielverfolgungssystems 12 bestimmt werden kann.
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Gemäß Schritt 82 werden schließlich dimensionale und/oder geometrische Eigenschaften des Messobjekts unter Verwendung der 3D-Koordinatenmesswerte bestimmt. Dimensionale Eigenschaften können beispielsweise räumliche Abstände zwischen zwei Messpunkten an dem Messobjekt 20 beinhalten. Aus einer Vielzahl von Koordinatenmesswerten können zudem geometrische Eigenschaften des Messobjekts, wie etwa die Ebenheit oder Krümmung einer Oberfläche bestimmt werden.
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Es versteht sich, dass die 3D-Koordinatenmesswerte und/oder die dimensionalen und/oder geometrischen Eigenschaften von der Auswerte- und Steuereinheit 28 in geeigneter Weise ausgegeben werden können, beispielsweise auf einem Display der Auswerte- und Steuereinheit (hier nicht dargestellt).
