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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vermessen von Objekten und
eine entsprechende Messvorrichtung.
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Beim
Vermessen von Objekten, z.B. von Karosseriebauteilen bei deren Fertigung
oder ganzen Rohkarossen, entsteht oft die Notwendigkeit, diese auf
ihre Exaktheit zu überprüfen. Zu
diesem Zweck wird bei einem bekannten Verfahren ein Lichtmuster auf
das Bauteil geschickt und die Reflexion vermessen. Durch Vergleich
mit zu erwartenden Reflexionsmustern oder durch Betrachtung der Änderung
des reflektieren Lichtmusters beim Überstreichen des Bauteils können Rückschlüsse auf
die Exaktheit des Bauteils gezogen werden.
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Bei
einem anderen bekannten Verfahren wird das Bauteil beleuchtet und
das daran gestreute Licht gegebenenfalls nach entsprechender Projektion
mit einem Sensor aufgenommen und analysiert bzw. mit zu erwartenden
Streumustern verglichen.
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Dabei
können
ein oder mehrere Sensoren zur Aufnahme des reflektierten Lichtmusters
bzw. des gestreuten Lichts eingesetzt werden.
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Eine Änderung
der Lage oder Orientierung des oder der Sensoren soll die Messung
möglichst wenig
beeinflussen. Eine solche Änderung
kann z.B. durch Setzungen oder Temperatureinflüsse passieren. Auf diese Weise
wird die gegenseitige Lage einzelner Sensoren bzw. die Lage eines
Sensors gegenüber
der Lage des zu vermessenden Objekts ungenau und kann die Messung
beeinflussen.
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Daraus
resultiert die Notwendigkeit, den oder die Sensoren mit Hilfe von
Referenzmarken in das Koordinatensystem des zu vermessenden Objekts
einzumessen. Die Lage der Referenzmarken ist im Koordinatensystem
des zu vermessenden Objekts bekannt bzw. im Vorhinein vermessen.
Werden nun die Referenzmarken mit dem oder den Sensoren gemessen,
so ist die relative Lage bzw. Orientierung des bzw. der Sensoren mit
Bezug zu den Referenzmarken und somit mit Bezug zu dem Koordinatensystem
des Objektes bekannt (siehe
DE 19634254 A1 ).
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Zum
Beispiel beim Karosseriebau können die
einzelnen Sensoren bei ihrem Einbau in das Fahrzeugbauteilkoordinatensystem
eingemessen werden, um die Beziehung zwischen Sensor- und Fahrzeugbauteilkoordinatensystem
festzustellen. Eine spätere Überprüfung der
Lage und Orientierung erfordert allerdings das Stoppen der Produktion,
um die Sensoren wieder neu einzumessen. Dementsprechend wird eine
solche Einmessung nur vorgenommen, wenn eine Sensormessung tatsächlich eine schlechte
Qualität
aufweist. Um Temperatureffekte oder kurzfristige Störungen aufzudecken,
sind solche turnusmäßigen Einmessungen
jedoch oftmals zu grob.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Vermessen von
Objekten und eine entsprechende Messvorrichtung anzugeben, die eine zuverlässigere
Einmessung der Sensoren gestattet.
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Diese
Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 bzw. mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 14
gelöst.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
werden feststehende Referenzmarken bereitgestellt, die im Koordinatensystem
des zu vermessenden Objekts eingemessen sind. Die Referenzmarken
können
dabei vom Objekt unabhängig
angebracht sein, z.B. an einem Gebäudeteil oder Gerüst. Das
von dem Objekt kommende Licht wird gleichzeitig mit den Referenzmarken
aufgenommen. Schließlich
werden die Referenzkoordinaten der Referenzmarken in dem Sensorkoordinatensystem
bestimmt.
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Die
gleichzeitige Aufnahme der Referenzmarken und des zu vermessenden
Objekts erfolgt durch einen teildurchlässigen Spiegel im Messvolumen
des jeweiligen Sensors. Er kann dabei entweder so angeordnet werden,
dass die Sensoroptik das Messobjekt direkt (durch den teildurchlässigen Spiegel)
und die Referenzmarken reflektiert abbildet, oder, dass die Sensoroptik
die Referenzmarken direkt (durch den teildurchlässigen Spiegel) und das Objekt über den
Spiegel reflektiert abbildet.
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Der
teildurchlässige
Spiegel ermöglicht
eine sehr einfache Ausgestaltung des Verfahrens, da ohne großen optischen
Aufwand eine gleichzeitige Vermessung des Objekts und Abbildung
der Referenzmarken möglich
ist.
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Durch
die gleichzeitige Aufnahme des Messobjekts und der Referenzmarken
ist eine Simultaneinmessung der Sensoren möglich. Bei jeder einzelnen
Messung werden gleichzeitig die Referenzkoordinaten der Referenzmarken
im Sensorkoordinatensystem bestimmt und auf diese Weise für jede einzelne
Messung "online" die Lage und Orientierung
der Sensoren festgelegt. Da die Lage der Referenzmarken gegenüber dem
Koordinatensystem des zu vermessenden Objekts bekannt ist, ist so
eine eindeutige Bestimmung der Beziehung zwischen Sensorkσordinatensystem
und dem Koordinatensystem des zu vermessenden Objektes möglich.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
lässt sich bei
jeder Messaufgabe vorteilhaft einsetzen, bei der Objekte, die nicht
mit Referenzmarken ausgestattet sind, in mehreren Sensoraufnahmen
in einem übergeordneten
Koordinatensystem des zu vermessenden Objekts vermessen werden sollen,
z.B. bei Objekten, die im Produktionsverlauf auf einem Band transportiert
werden. So lassen sich z.B. beim Fahrzeugbau die Rohkarossen während des
Produktionsverlaufs "in-line" vermessen. Auf diese
Weise ist gewährleistet,
dass aufwendige und kostenintensive Nacharbeiten an Karossen vermieden
werden, wobei das Verfahren durch die simultane Einmessung der Sensoren
zudem hochpräzise
ist.
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Die
Referenzkoordinaten im Sensorkoordinatensystem, die auf diese Weise
bestimmt worden sind, können
gespeichert und später
verwendet werden, um eine Kontrolle durchzuführen. Vorteilhafterweise werden
aber aus den Referenzkoordinaten der Referenzmarken in dem Sensorkoordinatensystem direkt
Transformationsparameter zu dem übergeordneten
Koordinatensystem des zu vermessenden Objekts bestimmt. Auf diese
Weise wird das Messobjekt direkt vermessen, ohne dass die genaue
Lage und Orientierung der Sensoren noch eine Rolle spielen würde. Vorteilhafterweise
werden dabei die Messpunkte aus dem Sensorkoordinatensystem direkt
in das Objektkoordinatensystem transformiert.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist bei jedem Messvorgang einsetzbar, bei dem die Lage bzw. Orientierung
des oder der Sensoren kritisch ist. Besonders vorteilhaft lässt sich
das Verfahren bei Einsatz von einem oder mehrerer Flächensensoren
einsetzen. Dabei wird das zu vermessende Objekt mit einem bekannten
Lichtmuster beleuchtet. Mit einem flächenhaften Bildsensor, z.B.
einem CCD-Feld, wird die Helligkeitsverteilung auf dem Objekt gemessen. Ist
die genaue Lage und Orientierung des Sensors bekannt, kann der Strahlengang
von der Lichtquelle über
das Objekt zum Bildsensor rekonstruiert werden.
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Eine
weitere vorteilhafte Anwendung ist mit einem oder mehreren Lichtschnittsensoren
gegeben. Das zu vermessende Objekt wird mit einem "Lichtvorhang" beleuchtet. Z.B. über eine
seitliche, um den Basisabstand versetzte Empfängeroptik wird das von der
Objektoberfläche
reflektierte oder gestreute Licht in der Bildebene, z.B. eines CCD-Feldes, aufgenommen.
Aus dem Beleuchtungsstärkeverlauf
in jedem einzelnen Sensorpixel kann mit bekannten Algorithmen der
digitalen Bildverarbeitung eine Distanz abgeleitet werden. Sowohl
mit Flächen-
als auch mit Lichtschnittsensoren lässt sich ein teildurchlässiger Spiegel
sehr leicht kombinieren.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann mit einem Sensor und einem dazugehörigen teildurchlässigen Spiegel
durchgeführt
werden. Eine höhere Auflösung oder
ein größerer Gesamtmessbereich lässt sich
erreichen, wenn mehrere Sensoren vorgesehen sind, von denen jeder
einzelne zugleich das Bild der Referenzmarken und zumindest einen
Teil des Objekts aufnehmen kann. Dazu kann jedem Sensor ein entsprechend
angeordneter teildurchlässiger Spiegel
zugeordnet sein.
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Die
Auswertung der Sensordaten bzw. die Umrechnung der Koordinaten kann
rechnergestützt mit
Hilfe eines entsprechenden Computerprogramms durchgeführt werden.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wird zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zumindest eine festliegende Referenzmarke zur Verfügung gestellt.
Diese kann vom Objekt unabhängig
sein und z.B. an einem Gebäudeteil
oder Gerüstteil
angeordnet sein. Weiterhin ist zumindest ein Sensor zur Aufnahme
der zumindest einen Referenzmarke vorgesehen. Ein teildurchlässiger Spiegel
ist im Messvolumen des zumindest einen Sensors derart angeordnet,
dass die gleichzeitige Aufnahme der Referenzmarke und des Objekts
möglich
ist.
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Die
auf diese Weise bestimmten Referenzkoordinaten der Referenzmarken
in dem Koordinatensystem des Sensors können zur Transformation der
im Sensorkoordinatensystem gemessenen Messpunkte in das Objektkoordinatensystem
eingesetzt werden. Vorteilhafterweise ist dazu eine Rechnereinheit
und/oder entsprechende Software vorgesehen, die die Referenzkoordinaten
der Referenzmarken in dem jeweiligen Sensorkoordinatensystem bestimmen
kann. Vorteilhafterweise übernimmt
die Rechnereinheit und/oder die entsprechende Software auch die
Berechnung von Transformationsparametern zwischen dem jeweiligen
Sensorkoordinatensystem und dem übergeordneten
Koordinatensystem des zu vermessenden Objekts, die sich aus den
im Sensorkoordinatensystem gemessenen Referenzkoordinaten der Referenzmarken
und deren bekannter Lage im übergeordneten
Koordinatensystem des Objekts bestimmen lassen.
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Besonders
zeitsparend ist es, wenn die Rechnereinheit und/oder die entsprechende
Software auch die Transformation der am Objekt gemessenen Messpunkte
von dem jeweiligen Sensorkoordinatensystem in das übergeordnete
Koordinatensystem des zu vermessenden Objekts vornimmt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Vorrichtung
können
die Aufnahme von am Objekt diffus gestreuten Licht vorsehen. Bei
entsprechend flächigen
Objekten mit ausreichend reflektierender Oberfläche kann auch spiegelnd reflektiertes
Licht zur Vermessung eingesetzt werden.
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Im
Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung anhand der anliegenden Figuren detailliert erläutert. Dabei
zeigt
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1 schematisch
eine Ausführungsform der
Erfindung unter Einsatz von Flächensensoren und
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2 schematische
eine Ausführungsform der
Erfindung unter Einsatz von Lichtschnittsensoren.
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1 zeigt
eine Anordnung, in der das Objekt 4 vermessen werden soll.
Dieses Objekt kann z.B. Teil einer Karosserie sein, die auf dem
Förderband
transportiert wird, oder beispielsweise eine komplette Rohkarosse,
die vor dem Lackieren geprüft
werden soll. Mit 3 ist das übergeordnete Koordinatensystem
angedeutet, das zu diesem Objekt gehört.
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Es
sind zwei Flächensensoren 6 und 8 gezeigt.
Das erfindungsgemäße Verfahren
ist jedoch auch mit nur einem Flächensensor
bzw. mit einer größeren Anzahl
anwendbar, wenn eine noch höhere Genauigkeit
bzw. ein größeres Messfeld
gewünscht ist. 1 bzw. 2 bezeichnen
die Sensorkoordinatensysteme der Flächensensoren 6 bzw. 8.
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Die
gezeigten Flächensensoren 6, 8 bestehen
im gezeigten Beispiel aus einer Lichtquelle 34, 36 mit
einer Projektionsoptik 42 bzw. 44, die zum Projizieren
der Lichtquelle 34, 36 auf das Messobjekt 4 dient.
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Weiterhin
umfasst jeder Flächensensor 6, 8 ein
Lichtdetektorelement, im gezeigten Beispiel eine CCD-Bildfläche 30, 32.
Zu der CCD-Bildfläche 30, 32 entsprechend
angeordnet ist eine Aufnahmeoptik 38, 40, die
das vom Objekt kommende Licht auf die CCD-Fläche 30, 32 richtet. Über feste
Verbindungen 46, 48 ist mit jedem Flächensensor 6, 8 ein
teildurchlässiger
Spiegel 16, 18 verbunden. Die Anordnung ist dabei
so, dass der teildurchlässige
Spiegel 16, 18 sich jeweils im Messvolumen des
entsprechenden Flächensensors 6, 8 befindet.
Dazu ist der teildurchlässige
Spiegel 16, 18 jeweils in dem entsprechenden Bildfeld 20, 22 des
jeweiligen Sensors 6, 8 angeordnet.
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An
einem fest installierten Element 12, z.B. einem Gebäudeteil
oder einem Gerüstteil
eines Förderbandes,
sind Referenzmarken 10 angebracht. Die teildurchlässigen Spiegel 16, 18 sind
so angeordnet, dass sie das Bild dieser Referenzmarke in die Flächensensoren 6 bzw. 8 abbilden.
Schematisch ist dies durch einen gedachten Strahlengang 14 in 1 angedeutet.
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24 bezeichnet
die äußeren Begrenzungen eines
Lichtmusters, das auf das Objekt 4 eingestrahlt wird, wodurch
das Lichtmuster 28 auf dem Objekt entsteht. Dieses Lichtmuster
ist in der Regel ein gitterförmiges
Raster, das jedoch in der 1 der Übersichtlichkeit
halber nicht dargestellt ist. Dieses Raster füllt die gezeigte Fläche 28 aus.
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Das
Lichtmuster wird von dem Objekt gestreut. Die von dem Lichtsensor
aufgenommenen gestreuten Strahlen werden in ihrer äußeren Begrenzung
durch die Pfeile 26 angedeutet.
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Von
dem zweiten Flächensensor 8 wird ebenfalls
ein entsprechendes Gittermuster auf den Prüfling 4 gestrahlt,
dessen Bild mit dem CCD-Bildsensor 32 vermessen wird. Der
Strahlengang ist analog zu dem Strahlengang, wie er für den ersten
Flächensensor 6 gezeigt
ist, wird jedoch der Übersichtlichkeit
halber in der 1 nicht gezeigt.
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In 2 ist
eine Ausführungsform
gezeigt, in der Lichtschnittsensoren 7 und 9 eingesetzt
werden. Gleiche Elemente sind mit den gleichen Bezugsziffern wie
in 1 bezeichnet und werden nicht noch einmal erläutert. Die
Lichtschnittsensoren 7, 8 umfassen jeweils eine
Lichtquelle 64 bzw. 66, die mit Hilfe einer Optik 72 bzw. 74 auf
das Objekt 4 abgebildet wird. Dies geschieht in Form eines "Lichtvorhangs", im gezeigten Beispiel
eine Laserlichtebene, mit den Begrenzungslinien 54 bzw. 55.
So entsteht auf dem Objekt ein Lichtschnitt 58 bzw. 59.
Die Projektionsoptik 72 bzw. 74 kann die Laserlichtebene
dabei statisch mit einer entsprechenden Optik oder kinematisch über einen
schwingenden oder rotierenden Spiegel erzeugen.
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Der
Lichtschnitt 58, 59 wird von dem jeweiligen Sensor 60 bzw. 62 mit
Hilfe der Aufnahmeoptik 68 bzw. 70, die den Lichtschnitt 58, 59 auf
das CCD-Feld 60, 62 abbildet, aufgenommen. Das
von der Aufnahmeoptik 68 bzw. 70 erfasste Licht
des jeweiligen Lichtschnitts 58, 59 ist mit Begrenzungslinien 56 bzw. 57 bezeichnet.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann mit den erfindungsgemäßen Ausführungen
wie folgt durchgeführt
werden. Erläutert
wird das Verfahren am Beispiel der Rohkarossenüberprüfung bei der Fertigung von
Fahrzeugen.
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Ein
Karosseriebauteil 4 bzw. eine Rohkarosse wird auf einem
Transportband durch die Messstation geführt. Bei der Ausführungsform
der 1 wird von der Lichtquelle jedes Flächensensors 6, 8 ein
gitterförmiges
Lichtmuster auf den Prüfling 4 geschickt. Das
vom Objekt kommende Licht 26 geht durch den teildurchlässigen Spiegel 16 bzw. 18 und
wird von der Aufnahmeoptik 38 bzw. 40 auf das
CCD-Feld 30 bzw. 32 abgebildet. Der Strahlengang
von dem Sensor 6, 8 zum Objekt und wieder zurück wird
also durch den teildurchlässigen
Spiegel nicht beeinflusst. Gleichzeitig nimmt der CCD-Bildfeldsensor 30 bzw. 32 die
Reflexion der Referenzmarken 10 an dem teildurchlässigen Spiegel 16 bzw. 18 auf.
Es werden also gleichzeitig die Messpunkte des auf dem Objekt 4 abgebildeten
Gittermusters und die Lage der Referenzmarken gemessen.
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Aus
der Helligkeitsverteilung für
jeden einzelnen Sensorpunkt des CCD-Sensors 30 lässt sich die
dreidimensionale Kontur des Objekts in an sich bekannter Weise bestimmen.
Diese Kontur liegt dann zunächst
im Sensorkoordinatensystem 1 bzw. 2 vor.
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Die
Referenzmarken 10 sind durch ihre feste Verbindung mit
einem festen Teil 12, z.B. dem Gebäude oder einem Gerüst unveränderlich
bezüglich des übergeordneten
Koordinatensystems 3, in dem sich das Objekt 4 bewegt.
Die gleichzeitige Messung dieser Referenzmarken durch den jeweiligen
Sensor 6, 8 gibt Referenzkoordinaten der Referenzmarken 10 in
dem jeweiligen Sensorkoordinatensystem 1 oder 2.
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Die
genaue Lage der Referenzmarken 10 im übergeordneten Koordinatensystem 3 wurde
im Vorhinein festgestellt und verbleibt unveränderlich. Aus den Referenzkoordinaten
der Referenzmarken in dem jeweiligen Sensorkoordinatensystem 1 bzw. 2 können nun
mit den bekannten Koordinaten der Referenzmarken 10 im übergeordneten
Koordinatensystem 3 Transformationsparameter berechnet
werden, die die Transformation von Messpunkten aus dem jeweiligen
Sensorkoordinatensystem in das übergeordnete
Koordinatensystem erlauben.
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Dies
wird in der Regel von einer Rechnereinheit mit entsprechender Software
gemacht, die in den 1 und 2 nicht
gezeigt ist und direkt mit den CCD-Bildfeldsensoren 30 und 32 verbunden
ist.
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Durch
die simultane Messung der Referenzmarken gleichzeitig mit dem Aufnehmen
der Messpunkte des Objekts 4 ist eine "Online"-Bestimmung der Transformationsparameter
gewährleistet.
Eine Änderung
der Lage bzw. der Orientierung der einzelnen Sensoren, z.B. aufgrund
von Temperatureinflüssen
oder Setzungen, wirkt sich gleichermaßen auf die im Sensorkoordinatensystem
gemessenen Koordinaten der Referenzmarken aus. Da diese in die Berechnung
der Transformationsparameter zwischen Sensorkoordinatensystem und
Objektkoordinatensystem einfließen,
werden die Transformationsparameter automatisch nachkorrigiert,
so dass die Lage bzw. Orientierungsänderung der Sensoren keinen Einfluss
auf die Messung hat.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Messprinzip der 2 wird
z.B. mit Hilfe eines rotierenden oder schwingenden Spiegels aus
der punktförmigen
Lichtquelle 64 bzw. 66 ein "Lichtvorhang", im gezeigten Beispiel eine Laserlichtebene 54 bzw. 55 erzeugt. Dort
wo diese Lichtebene auf das Objekt 4 auftrifft, entsteht
ein Lichtschnitt 58, 59. Dieser Lichtschnitt wird
von dem CCD-Feld 60 bzw. 62 durch die Aufnahmeoptik 68, 70 aufgenommen.
Auch hier wird bei der gezeigten Ausführungsform das eingestrahlte und
das vom Objekt kommende Licht durch den teildurchlässigen Spiegel 16 bzw. 18 nicht
beeinflusst.
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Aus
der Helligkeitsverteilung der einzelnen aufgenommenen Lichtpunkte
des jeweiligen Lichtschnitts kann auf die Oberflächenbeschaffenheit und Struktur
des Objekts 4 geschlossen werden. Das Objekt 4 wird
z.B. auf einem Transportband in den Messbereich gebracht und die
Lichtschnitte 48, 49 bzw. weitere Lichtschnitte
anderer Sensoren rastern die Oberfläche oder einen Teil der Oberfläche ab. Aus
den Sensorsignalen lässt
sich dann ein dreidimensionales Bild erzeugen.
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Die
Funktionsweise der teildurchlässigen Spiegel 16, 18 entspricht
der Ausführungsform
der 1. Ebenso kann auch bei dieser weiteren Ausführungsform
eine Rechnereinheit mit entsprechender Software vorgesehen sein,
die die entsprechenden Transformationen der Messpunkte aus den jeweiligen
Sensorkoordinatensystemen in das übergeordnete Koordinatensystem
des Objektes vornimmt.
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Abweichend
von den gezeigten Ausführungsformen
können
die teildurchlässigen
Spiegel 16, 18 natürlich auch so angeordnet sein,
dass das Bild der Referenzmarken 10 transmittiert wird
und das vom Objekt kommende Licht von den teildurchlässigen Spiegeln
in Richtung der Sensoren reflektiert wird.
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Bei
den gezeigten Ausführungsformen
befinden sich die jeweiligen Lichtquellen in direkter Nachbarschaft
der entsprechenden Sensoren. Diese Anordnung ist jedoch nicht zwingend.
Ebenso können die
jeweiligen Lichtquellen und Lichtsensoren an verschiedenen Stellen
angeordnet sein, sofern ihre Beziehung bekannt und unveränderlich
ist.
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Die
erfindungsgemäße Messvorrichtung
und das erfindungsgemäße Verfahren
ermöglichen
das simultane Einmessen der Sensoren. Das simultane Einmessen der
Sensoren gewährleistet
eine "Online"-Korrektur der Transformation
der Messpunkte an den Sensorkoordinatensystemen in das Objektkoordinatensystem.
Auf diese Weise lässt
sich ein Messfehler aufgrund der Änderung der Lage oder Orientierung
der einzelnen Sensoren vermeiden, ohne dass ein zeitaufwendiger
Produktionsstopp notwendig wird.