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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur dreidimensionalen Erfassung
von Messobjekten, mit einer optischen Sensoranordnung zur dreidimensionalen
Erfassung des Messobjektes, die an einem ersten 3D-Handhabungsgerät befestigt
und relativ zu dem Messobjekt verfahrbar ist.
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Aus
dem Stand der Technik sind vielfältige Messverfahren
und Messsysteme bekannt, mit denen versucht wird, dreidimensionale
Flächen
zu erfassen. Beispielsweise wurden im Automobilbau bei der Herstellung
von Formen von Prototypen über Messtaster
Messpunkte aufgenommen, die dann zu einem digitalen Modell verarbeitet
werden. Das Modell diente zur Anfertigung von Formen für den Karosseriebau.
Diese Art der mechanischen Abtastung ist sehr zeitaufwendig und
hat bei weichen Messobjekten zudem den Nachteil, dass sich die Messung auf
das Messobjekt auswirkt bzw. ungenau ist.
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Daher
wird im zunehmenden Maße
eine dreidimensionale Vermessung von Messobjekten über optische
Sensoren durchgeführt,
die das Messobjekt dreidimensional erfassen, indem die Koordinaten
bestimmter Messpunkte, beispielsweise mittels eines Triangulationsverfahrens,
berechnet werden. Bei geschlossenen Oberflächen oder Oberflächen mit
sanften Übergängen ist
ein solches optisches Messverfahren sehr präzise und schnell. Nachteilig
ist insbesondere bei großen
Objekten, dass die Anzahl der Messpunkte nicht beliebig erhöht werden
kann, ohne die Datenmenge in schwer verarbeitbare Größen zu erhöhen. Mit
anderen Worten kann der Abstand der einzelnen Messpunkte zueinander
nicht beliebig verkleinert werden, so dass eine festgelegte Auflösung der
Messpunkte vorliegt. Die Auflösung
ist bei Flächen
mit sanften Übergängen ausreichend.
Allerdings ist nur eine unzureichend genaue Bestimmung der 3D-Koordinaten
des Messobjektes in bestimmten Bereichen möglich. Insbesondere bei Kantenbereichen
mit einem relativ kleinen Krümmungsradius stellt
sich das Problem, dass zur präzisen
Erfassung der Kantenposition, beispielsweise einer Bördelkante oder
eines Kragenloches, eine sehr hohe Auflösung gewählt werden müsste. Diese
partiell notwendige, hohe Auflösung
steht einerseits im Konflikt mit einer schnellen Datenerfassung,
andererseits vergrößert sich
dadurch die Datenmenge erheblich.
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Aus
der
DE 200 22 222
U1 ist eine Messvorrichtung zum Vermessen eines Werkstücks bekannt, bei
der das Werkstück
an einem 3D-Handhabungsgerät
gehaltert ist und relativ zu einer stillstehenden Lichtquelle und
einem stillstehenden Lichtsensor bewegt wird. Nachteilig an der
dort gezeigten Ausführungsform
ist, dass sie für
große
und nicht verwindungsstabile Bauteile nicht einsetzbar ist.
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Aus
der
DE 197 39 250
A1 ist eine Vorrichtung zur optischen Erfassung von Freiformflächen bekannt,
bei der zwei 3D-Handhabungsgeräte
dazu eingesetzt werden, um einerseits ein zu untersuchendes Werkstück anzuleuchten
und andererseits das so angeleuchtete Werkstück mit beispielsweise einer
Kamera zu erfassen. Auf diese Weise werden Oberflächenfehler
auf dem Werkstück
besonders sicher erkannt. Nachteilig ist, dass ein derartiges System
für die
Erfassung der Geometrie des Messobjekts schlecht einsetzbar ist,
da die oben beschriebenen Probleme auftauchen.
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Aus
der
DE 35 10 644 A1 ist
ein Verfahren zur Vermessung von insbesondere rotationssymmetrischen
Werkstücken
bekannt, bei denen zwei optoelektronische Wandler entlang einer
Längsachse
an dem Werkstück
entlang geführt
werden. Jenseits des Werkstücks
ist eine beleuchtete Mattscheibe vorgesehen, die von dem Werkstück abgeschattet
werden kann, so dass mit Hilfe einer Helligkeitsdifferenz der beiden
optoelektronischen Wandler die Kontur des Werkstücks rekonstruiert werden kann.
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Aus
US 6 166 811 und
US 5 033 096 sind weitere
Verfahren zum Erfassung von Werkstückoberflächen durch optische Verfahren
bekannt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen,
mit dem auch die Koordinaten von Kantenpunkten oder Löchern, insbesondere
von abgerundeten Kanten, wie Bördelkanten oder
Kragenlöchern,
mit einer hohen Genauigkeit bestimmt werden können.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe dadurch gelöst,
dass ein zum Messobjekt kontrastierender Gegenstand auf der der
Sensoranordnung abgewandten Seite mit einem zweiten 3D-Handhabungsgerät zur Erfassung
des Schattenrisses des Messobjektes (5) positioniert wird.
Dadurch ist es möglich,
für den
optischen Sensor einen im Vergleich zum Messobjekt deutlichen Kontrast
bereitzustellen, so dass der optische Sensor eine Kontrastkante
des Messobjektes bzw. eines Kantenbereiches des Messobjektes bestimmen
kann. Dadurch kann ohne Veränderung
der Auflösung
der optischen Sensoranordnung die Lage der Kante, insbesondere an
Bördelkanten oder
Kragenlöchern,
bestimmt werden.
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Es
kann auch vorgesehen werden, dass mehrere Handhabungsgeräte mit kontrastierenden Gegenständen in
dem Messsystem vorhanden sind, die an unterschiedlichen Stellen
jeweils den kontrastierenden Gegenstand positionieren. So können mehrere
Kantenbereiche eines Messobjektes gleichzeitig erfasst werden.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der kontrastierende
Gegenstand eine selbstleuchtende Fläche, insbesondere eine selbstleuchtende
Mattscheibe ist, wobei die Mattscheibe den Vorteil hat, eine Fläche aufzuweisen,
die ein Licht aussendet, das einen präzisen Schattenriss erkennen
lässt.
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Die
optische Sensoranordnung umfasst vorteilhafterweise mindestens eine
Digitalkamera, die als CCD-Kamera ausgebildet ist und eine Markierungsprojektion.
Zur Bestimmung der 3D-Koordinaten des Messobjektes ist es neben
der Kenntnis des Abstandes und der Orientierung der Kameras, sofern zwei
Kameras verwendet werden, untereinander und/oder der Kamera zu der
Projektion notwendig, dass die Raumposition und Orientierung der
Sensoranordnung bekannt ist. Dazu können beispielsweise die aus
den Steuerungsdaten des Handhabungsgerätes bekannten Daten verwendet
werden. Da heutzutage die Handhabungsgeräte sehr präzise positionieren und nicht
mehr nur für
einfache Aufgaben, wie die Bestückung
von Fließbändern, sondern
auch zur Führung
optischer Sensoren für
produktionsbegleitende Qualitätskontrollen
bezüglich
der Oberflächenbeschaffenheit
oder Maßtoleranzen
eingesetzt werden, können
die Koordinaten der Steuerung hierzu verwendet werden. Die exakte
Positionserfassung des Hand habungsgerätes bzw. der Sensoranordnung
kann auf vielfältige
Weise geschehen, die
DE 101
53 049 A1 beschreibt eine der Möglichkeiten dazu.
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Ebenso
kann die Sensororientierung auch anhand vorab eingemessener Referenzpunkte,
die sich z. B. auf der Teilehalterung befinden, rückgerechnet
werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur dreidimensionalen Erfassung von Messobjekten mit einer optischen
Sensoranordnung sieht vor, dass die an einem ersten Handhabungsgerät befestigte
Sensoranordnung auf einen Kantenbereich ausgerichtet wird. Ein zu
dem Messobjekt kontrastierender Gegenstand, vorzugsweise eine selbstleuchtende
Mattscheibe, wird auf der der. Sensoranordnung abgewandten Seite
des Messobjektes dergestalt positioniert, dass der Kantenbereich
von der Sensoranordnung als Kontrastkante erfasst wird. Der kontrastierende
Gegenstand wird also in Bezug auf die Sensoranordnung hinter dem
Messobjekt angeordnet, so dass eine scharfe Kontrastkante im zu
vermessenden Kantenbereich bzw. im Bereich der Bördelkante oder des Kragenloches
vorhanden ist. Dadurch kann die Kontur der Kante oder der Ausnehmung
präzise bestimmt
werden, ohne dass die Auflösung
der Sensoranordnung geändert
werden muss.
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Um
eine automatische Vermessung des Messobjektes durchführen zu
können,
ist vorgesehen, dass der kontrastierende Gegenstand oder der selbstleuchtende
Gegenstand mit einem zweiten Handhabungsgerät entsprechend positioniert
wird. Die Positionierung erfolgt in Abhängigkeit von dem zu vermessenden
Bereich des Messobjektes und kann durch eine entsprechende Kopplung
der Steuerungen der Handhabungsgeräte so aufeinander abgestimmt
werden, dass der kontrastierende Gegenstand in dem Bereich hinter
dem Messobjekt befindlich ist, der gerade vermessen wird.
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Wenn
die Sensoranordnung senkrecht zu einer in einer vorhergehenden Oberflächenmessung ermittelten
Ebene in einem Bereich positioniert wird, in der die Kantenerfassung
durchgeführt
werden soll, können
die Kantenpunkte für
diesen Spezialfall direkt im Messbild bestimmt werden, ohne dass
eine Umrechnung über
die Triangulation erfolgen muss.
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand der beigefügten
Figur näher
erläutert,
in der der Aufbau eines Messsystems gezeigt ist.
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Die
Figur zeigt ein erstes Handhabungsgerät 1, an dessen Endausleger
eine optische Sensoranordnung 2 angeordnet ist. Diese Sensoranordnung 2 ist
in der Lage, Objektkoordinaten von dreidimensional gekrümmten Bauteilen
zu bestimmen. Dazu wird ein Messobjekt 5 über zwei
digitale Kameras 21, 22 aufgenommen. Die Kameras 21, 22 sind
als CCD-Kameras ausgebildet und in einer zueinander festgelegten
und bekannten Orientierung sowie in einem zueinander festgelegten
und bekannten Abstand angeordnet. Auf der Grundlage der bekannten Position
der Sensoranordnung 2, die den Steuerungsdaten des Handhabungsgerätes 1 entnommen werden
können,
sowie der bekannten Raumposition und Orientierung der Kameras 21, 22 ist
es möglich, die
Raumkoordinaten des Messobjektes 5 über ein Rechenverfahren zu
bestimmen.
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Aus
Richtung des ersten Handhabungsgerätes 1 gesehen hinter
dem Messobjekt 5 ist ein zweites Handhabungsgerät 3 angeordnet,
an dessen Endausleger ein zu dem Messobjekt 5 kontrastierender
Gegenstand 4 angeordnet ist. Der kontrastierende Gegenstand 4 ist
als selbstleuchtende Mattscheibe ausgebildet, so dass Kantenbereiche
oder Löcher bzw.
Durchbrüche
innerhalb des Messobjektes 5 als konturscharfe Schatten
von der Sensoranordnung 2 erfasst werden können. Ebenfalls
können
mehrere weitere Handhabungsgeräte
hinter dem Messobjekt 5 angeordnet sein, um weitere kontrastierende
Gegenstände 4 oder
Mattscheiben an den zu vermessenden Stellen anzuordnen. Bei den
kontrastierenden Gegenständen
handelt es sich um Gegenstände,
die im Vergleich zum Messobjekt 5 für die Sensoranordnung 2 einen
deutlichen Kontrast aufweisen.
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Durch
die Befestigung der kontrastierenden Gegenstände 4 bzw. Mattscheiben
auf einem Handhabungsgerät 3 besteht
die Möglichkeit,
eine dynamische Positionierung im Hinblick auf die möglichen Blickrichtungen
der optischen Sensoran ordnung 2 durchzuführen. Weiterhin
ermöglicht
die bewegliche Anordnung an einem Handhabungsgerät eine Automatisierung der
Messung, indem die Ausrichtung der Sensoranordnung 2 bzw.
der Kameras 21, 22 auf einen bestimmten Bereich
des Messobjektes 5 an die Steuerung des zweiten Handhabungsgerätes 3 übermittelt
wird, so dass dieses die Mattscheibe oder den kontrastierenden Gegenstand 4 an
die entsprechende Stelle verfährt.
Während
der Messung positioniert das zweite Handhabungsgerät 3 den
kontrastierenden Gegenstand dergestalt, dass die optische Sensoranordnung 2 den
kontrastierenden Gegenstand hinter der zu messenden Kante des Messobjektes 5 sieht
bzw. erkennen kann, so dass der Schattenriss des Messobjektes 5 erfasst
wird. Mit Kenntnis der Position der Sensoranordnung 2 können die
Kantenpunkte, ähnlich
wie mit einem Profilprojektor, gemessen werden, jedoch liegt der
Vorteil des Messsystems gegenüber
einem Profilprojektor in der Tatsache, dass auch Kanten beliebig
gekrümmter
Messobjekte 5 erfasst werden können. Dies wird durch die freie
Positionierung des kontrastierenden Gegenstandes 4 mit
Hilfe des Handhabungsgerätes 3 ermöglicht.
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Die
für das
Messsystem und das Verfahren einsetzbaren Sensoren zur dreidimensionalen
Erfassung eines Messobjektes 5 müssen in der Lage sein, Punkte
auf einer Oberfläche
in drei Dimensionen zu erfassen. Die Sensoren bestehen dabei bevorzugt aus
einer CCD-Kamera 21, 22. Für die optische Sensoranordnung 2 ist
es vorteilhaft, wenn eine Einrichtung 6 zur Erzeugung einer
temporären
Markierung auf dem Messobjekt 5 vorhanden ist. Eine solche Einrichtung 6 kann
ein eine Linie erzeugender Laser oder ein Raster- oder ein Streifenprojektor
sein.
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Grundsätzlich ist
es zur Bestimmung der Koordinaten des Messobjektes 5 erforderlich,
die Raumposition und die Orientierung der Sensoranordnung 2 zu
kennen. Dazu kann beispielsweise die Position des ersten Handhabungsgerätes 1 verwendet werden,
die aus den Steuerungsdaten des Handhabungsgerätes 1 bekannt ist.
Ebenfalls kann die Position und Orientierung des Sensors aus Messdaten zurückgerechnet
werden, wenn eine Messung so gestaltet wird, dass mindestens drei
bekannte Merkmale innerhalb eines Messvolumens gemessen werden. Eine
weitere Möglichkeit
zur Bestimmung der Raumposition und Orientierung der Sensoranordnung 2 besteht
in dem Anmessen der Position und Orientierung des Sensors durch
zusätzliche
optische Geräte, wie
Lasertracker oder kamerabasierte Tracker, so dass die Lage der Sensoranordnung 2 zu
dem Messobjekt 5 zumindest einmal festgelegt wird.
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Die
Vermessung einer Kante des Messobjektes 5 wird vorteilhafterweise
dergestalt ausgeführt, dass
zunächst
Oberflächenpunkte
des Messobjektes 5 nahe der zu vermessenden Kante bestimmt
werden. Dies geschieht in einem herkömmlichen Verfahren, bei dem
die Ebene in der Umgebung der zu vermessenden Kante mit einer herkömmlichen
Auflösung
vermessen wird. Gleichzeitig oder zeitlich nachfolgend erfolgt eine
weitere Aufnahme, bei der der kontrastierende Gegenstand 4 oder
die Mattscheibe von der Sensoranordnung 2 aus gesehen hinter
der zu vermessenden Kante angeordnet ist. Dabei ist es nicht erforderlich,
dass sich die Sensoranordnung 2 in der gleichen Messposition
befindet, wie bei der zunächst
durchgeführten
Oberflächenmessung;
es könnten
also bei einer gleichzeitigen Messung mehrere Sensoranordnungen
eingesetzt werden. Aufgrund des scharfen Schattens der Kante, beispielsweise
einem Kragenloch, ist es nicht notwendig, die Auflösung in
dem Kantenbereich zu erhöhen,
um eine präzise
Position der Kante zu bestimmen. Befindet sich die Sensoranordnung 2 senkrecht
zu der Ebene, in der die Kantenposition bestimmt werden soll, also
direkt über
der zu vermessenden Kante, können
die Kantenpunkte unmittelbar im Messbild bestimmt werden. Ist eine
nicht senkrecht zu der Ebene ausgerichtete Position der Sensoranordnung 2 der
Fall, werden die Kantenpunkte im Messbild mit der Ebene in der die
Kantenposition bestimmt werden soll, mathematisch dergestalt verschnitten,
dass sich die 3D-Koordinaten der physikalischen Kante ergeben. Hierbei
kann auch ein bekannter Kantenradius Berücksichtigung finden, wenn beispielsweise
das Durchzugswerkzeug oder der Kantenradius der Bördelkante
bekannt ist.
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Das
Messsystem sowie das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere
für die
Bestimmung abgerundeter Kanten im Karosseriebau vorteilhaft einsetzbar.
Bördelkanten
oder Kragenlöcher
können automatisiert
und gestützt
von Handhabungsgeräten vermessen
werden.