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Der Anmeldung liegt die Aufgabe zu Grunde, kugelförmige Objekte, wie Sportbälle, insbesondere Fußbälle, dreidimensional zu vermessen und auf Einhaltung sowohl geometriebezogener, als auch die Oberfläche beschreibender Kriterien zu prüfen. Die Aufgabe wird gelöst durch ein neues Verfahren und eine neue Vorrichtung zum Erfassen der Koordinaten der kompletten Oberfläche kugelförmiger Objekte mit Hilfe von einem oder mehreren Liniensensoren, sowie einem Verfahren zum bildhaften optischen Erfassen und Abbilden der Objektoberfläche auf die dreidimensional erfasste Objektgeometrie.
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Aufgabenstellung und Stand der Technik
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Im Sportbereich sind die Erwartungen und Anforderungen an die Qualität der eingesetzten Sportartikel heute sehr hoch. Insbesondere die Anforderungen an Bälle, welche in offiziellen Turnieren eingesetzt werden, bezüglich der mechanischen Eigenschaften, wie Rundheit und Güte der Verbindungen der Ball-Panels, erfordern eine messtechnische Kontrolle dieser Eigenschaften. So wurden beispielsweise von den nationalen und internationalen Verbänden entsprechende Vorschriften zur Überprüfung von Fußbällen verfasst, nach denen, bei Bestehen der Prüfungen, entsprechende Zertifikate und Zulassungen zu Turnieren ausgestellt werden.
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Die bisher angewandte Methode zur Überprüfung der Rundheit von Bällen ist das Messen mit Hilfe von Tastelementen, wie Tiefenmaße etc., welche manuell oder pneumatisch, bzw. elektrisch angetrieben auf die Mitten der Panels positioniert werden und mit welchen die Abstände der Panels von einem virtuellen Nullpunkt oder dem gegenüberliegenden Panel ermittelt werden. Die so erhaltenen Maße werden über Arithmetische Mittelwertbildung oder ähnliche Methoden in eine Aussage über die Rundheit umgerechnet und mit der erlaubten Toleranz verglichen. Die Qualität der Nähte, bzw. Verbindungen sowie die Oberfläche vor und nach Dauerbelastung der Bälle werden manuell visuell beurteilt.
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Die bestehende Art der Überprüfung ist nur für Stichproben geeignet. Aus Herstellersicht wäre eine objektive 100%-Prüfung aller produzierten Bälle vorteilhaft. Ein entsprechendes Verfahren muss daher schnell und einfach anzuwenden sein, weitgehend automatisiert ablaufen können und sollte den kompletten Ball erfassen.
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Die Erfindung beschreibt Verfahren und eine Vorrichtung, mit denen sich diese Aufgabe in idealer Weise lösen lässt. Die Neuerungen der Erfindung sind ein Verfahren zum koordinatenmäßigen dreidimensionalen Erfassen und Vermessen der vollständigen Objektoberfläche, sowie ein Verfahren mit dem sich in der gleichen Vorrichtung neben der Koordinatenerfassung der Oberflächenpunkte auch die optischen Bildeigenschaften dieser Oberflächenpunkte erfassen lassen, so dass ein komplettes dreidimensionales Abbild der Messobjektoberflächen in einem Rechner generiert und mit diesem die Qualitätssicherung betrieben werden kann. Daneben gehört es zur Erfindung, das Halteproblem der Messobjekte zu lösen, indem keine Abdeckung durch Halteelemente das Erfassen des Messobjektes behindert und tatsächlich die komplette Oberfläche erfasst werden kann.
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Bezüglich des Standes der Technik der dreidimensionalen Vermessung von Körpern sind verschiedene Verfahren bekannt. Prinzipiell lassen sich mechanisch tastende und berührungslose Verfahren unterscheiden. Unter den berührungslosen Verfahren werden verschiedene physikalische Erfassungsprinzipien angewendet, z. B. optische Abtastung, Ultraschallabtastung, Erfassung mit Röntgenstrahlung usw.. Die vorliegende Erfindung beruht auf einem berührungslosen, optischen Verfahren.
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Unter den für die dreidimensionale Erfassung eines Balles in Frage kommenden berührungslosen, optischen Verfahren sind alle diejenigen, welche flächige Beleuchtungsstrukturen, wie Linien-, Gitter- oder Streifenprojektionsverfahren, bzw. strukturierte Beleuchtungen verwenden, aufgrund der geringen Beleuchtungsintensität für ein Erfassen der Ballgeometrie ungünstig. Meist erfordern diese Verfahren ein Abdunkeln der Messzelle sowie eine farblich homogene Oberfläche, welche häufig nur durch Anbringen eines Messüberziehers zu erreichen ist. Da auf Bällen alle möglichen Farben, Farbwechsel und Beschriftungen möglich sind, wird ein Verfahren zur dreidimensionalen Erfassung der Oberfläche benötigt, das unempfindlich auf diese Oberflächeneinflüsse reagiert.
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In
EP 0 760 622 B1 wird ein Verfahren vorgestellt, in dem ein dreidimensional zu erfassender Körper mit einem Überzug versehen wird, auf welchem bestimmte Muster aufgebracht sind. In
EP 1 290 408 B1 und
DE 103 09 788 A1 werden Verfahren offen gelegt in welchen auf den zu erfassenden Körper bestimmte Markierungen aufgebracht werden. Beide Verfahren, sowie alle anderen Verfahren bei welchen erst Markierungen angebracht oder Messgewebe über die Bälle gezogen werden müssen, sind für die Erfassung der Bälle zu umständlich oder nicht geeignet, weil z. B. die zu kontrollierenden Nähte oder Oberflächenstrukturen durch die Messüberzieher abgedeckt werden.
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Wird das Verfahren der Lasertriangulation zum Vermessen von Objektoberflächen verwendet, so ist durch die Punkt- oder Linienförmige Beleuchtung mit Laserlicht die Lichtintensität auf dem Objekt wesentlich höher und hierdurch, sowie durch die definierte Wellenlänge des Lasers, die Anfälligkeit gegenüber Fremdlicht wesentlich geringer als bei flächenhafter Projektion von Lichtmustern auf das Messobjekt. Auch die, bei anderen dreidimensionalen optischen Erfassungssystemen erforderliche, aufwändige Kalibrierung entfällt, da alle notwendigen Komponenten, wie Beleuchtung, optische Erfassung und Wandlung der optischen Signale in Abstandsinformationen sich in ein separates Erfassungsmodul integrieren lassen, das einmal, während oder nach der Herstellung, kalibriert wird und dann unabhängig von dem Einsatzort reproduzierbare Abstandswerte liefert. Der prinzipielle Nachteil der Abschattung bei Triangulationsverfahren ist beim Abtasten vieler Objekte, insbesondere von Bällen, nicht von Bedeutung.
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Eine auf Triangulationsprinzip und einem EDV-Plotter aufgebaute Vorrichtung zum dreidimensionalen Erfassen von Objekten wird in
DE 39 10 855 C2 beschrieben. Ein Nachteil ist dort, dass das Erfassungsprinzip auf punktförmiger Abstandsmessung beruht und die Bewegung der elektromagnetisch wirkenden Abtasteinheit in einer Ebene und nicht Radial angeordnet erfolgt, so dass die Einrichtung eher für zylinderförmige und weniger für kugelförmige Objekte geeignet ist.
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In
DE 10 2004 025 801 A1 wird eine Sensortechnik beschrieben, mit welcher Position und Geschwindigkeit rotierender Objekte mit einem einzigen Sensor erfasst und hieraus die Geometrieinformation eines Objektes ermittelt werden kann. In der Erfindung können entsprechende Sensoren vorteilhaft eingesetzt werden.
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In Form von Triangulations-Sensoren mit Laserlicht oder LED-Licht werden weitere entsprechende Erfassungsmodule als Abstands- oder Profilsensoren einschlägig beschrieben und angeboten. Der Unterschied zwischen Abstandssensoren und Profilsensoren ist der, dass ein Abstandssensor pro Erfassungszyklus einen eindimensionalen Abstandswert liefert und somit zur dreidimensionalen Erfassung einer Oberfläche Relativbewegungen zwischen Sensor und Messobjekt in zwei unabhängige Richtungen des Raumes notwendig sind, wohingegen ein Profilsensor pro Erfassungszyklus ein Feld von Abstandswerten längs einer Linie liefert und zur Erfassung der Oberfläche Relativbewegungen in nur einer Dimension erforderlich sind.
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In
DE 10 2004 017 172 A1 wird ein Verfahren zur Vermessung eines Messobjektes beschrieben. Entsprechend diesem Verfahren rotiert ein Messsystem um das Messobjekt und die Lage des Messobjektes wird anhand einer Referenzstruktur auf dem Messobjekt ermittelt. Zum Erfassen von Bällen oder anderen vorwiegend rotationssymmetrischen Objekten wird sinnvollerweise das Objekt gedreht, auch kann auf eine Referenzstruktur verzichtet werden, wenn das Verfahren der vorliegenden Erfindung angewendet wird.
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DE 42 08 455 A1 beschreibt ebenfalls ein Verfahren zur berührungslosen dreidimensionalen Vermessen von Objekten, wobei allerdings keine automatische vollständige Vermessung einer kugelförmigen Objektoberfläche erfolgen kann, da kein entsprechendes Aufnahmeverfahren zum Lösung des Abschattungsproblems an den Auflagepunkten beschrieben ist.
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Ein solches Aufnahmeverfahren ist auch in
US 2003/0231793 A1 nicht offenbart, obgleich dort ein 3D-Scanner beschrieben wird, welches geeignet ist, rechnergesteuert drehbar gelagerte Objekte in verschiedenen Erfassungszyklen unterschiedlicher Sensorpositionen zu erfassen und zu einem Gesamtabbild der Objektkoordinaten zusammenzusetzen.
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Die Offenlegung
FR 2 694 090 A1 beschreibt eine Einrichtung mit der Bälle entlang einer Linie auf Fehler in der Oberfläche inspiziert werden können. Hier wird der zu prüfende Ball alternierend in jeweils einer von zwei orthogonalen Achsen gehalten und durch Drehung in der Halteachse weiterbewegt. Die Inspektion erfolgt hier eindimensional durch optisches Abtasten solange bis die gewünschten Bereiche der Oberfläche erfasst wurden.
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Grundlegendes Funktionsprinzip
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Das Problem, welches der Erfindung zugrunde liegt, nämlich das Vermessen und Prüfen von Sportbällen oder ähnlichen Messobjekten, kann in folgende Aufgaben untergliedert werden:
- – das räumliche Erfassen der Oberflächenkoordinaten der Messobjekte ohne Abdeckung durch Halteelemente, in dessen Anschluss eine geometrische Beschreibung der Oberfläche des Messobjektes im Objektkoordinatensystem in einem Rechner vorliegt
- – das geometrische Auswerten der Oberflächendaten mit einer entsprechenden Software, nach den vorgegebenen geometriebezogenen Prüfkriterien, beispielsweise der Beurteilung der Rundheit
- – das optische koordinatenbasierte Erfassen der Oberfläche des zu untersuchenden Objekts, in dessen Anschluss für alle optisch erfassten Punkte der Oberfläche des Objektes eine optische Bildpunktbeschreibung, z. B. Helligkeit, Farbe, Farbsättigung, oder eine Beschreibung im RGB-Format, welches häufig in der Computertechnik zur Beschreibung von Grafikpixeln Verwendung findet, vorliegt
- – das Auswerten der Oberflächenbildinformationen nach Algorithmen digitaler Bildverarbeitung, z. B. durch Punkteweisen Vergleich der erfassten und skalierten Oberfläche mit einer im Rechner hinterlegten Soll-Oberfläche.
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Das geometrische Erfassen der Objektoberfläche basiert erfindungsgemäß auf dem sequenziellen Abtasten von kugelförmigen Oberflächensegmenten des Messobjektes ohne Abdeckung durch Halteelemente und dem Zusammensetzen der erfassten Segmente im Rechner zu einer Komplettbeschreibung der Oberfläche als eine vollständige Menge von Punktkoordinaten aller Punkte der in dem zugrunde liegenden Messraster erfassten Oberfläche. Die Segmente werden hierbei durch stete linienförmige Abstandsmessungen der Oberfläche des Messobjektes bei gleichzeitiger kontinuierlicher oder intermittierender Drehung des Messobjektes um 360° erfasst. Die linienförmigen Abstandsmessungen werden mit geeigneten Sensoren durchgeführt. Geeignete Sensoren sind z. B. Profilsensoren.
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Je nach erforderlicher Geschwindigkeit kann die Erfassung während einer Umdrehung des Messobjektes mit einem oder mit mehreren Sensoren erfolgen, so dass pro Umdrehung auch mehrere Oberflächensegmente erfasst werden können. Für genügend kleine Messobjekte und nicht zu hohe Forderungen an die Auflösung und bei einem Verzicht auf die Erfassung der Polbereiche der Drehung kann auch ein Sensor ausreichend sein, der während einer Umdrehung das komplette Messobjekt erfasst. Im Allgemeinen sind zur Erfassung der kompletten Oberfläche mindestens zwei Liniensensoren erforderlich, oder ein Sensor, der an mindestens zwei Messpositionen je ein Oberflächensegment erfasst.
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Bevor eine Erfassung der Oberflächensegmente erfolgen kann, sind die Sensoren auf definierte, geeignete Lagen, relativ zum Messobjekt, zu positionieren. Die Positionierung der Sensoren richtet sich hierbei nach dem erfassbaren Abstandsbereich, dem Messwinkel der Sensoren und der erforderlichen Auflösung der Oberflächenerfassung. Meist werden die Positionen so zu wählen sein, dass sich die einzelnen Objektsegmente überlappen, damit keine Erfassungslücken zwischen den Segmenten entstehen.
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Aus den bekannten Positionen und Orientierungen der Sensoren an den Messpositionen im Messkoordinatensystem und den Abständen und Winkeln bzw. linearen Positionen eines jeden Messpunktes im jeweiligen Sensorkoordinatensystem kann die Position der entsprechenden Punkte auf der Objektoberfläche im Koordinatensystem des Messobjektes berechnet werden.
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Zur Auswertung und Prüfung der Messobjekte werden die erhaltenen Oberflächeninformationen in die relevanten Geometrieinformationen, wie Rundheit, mittlerer Durchmesser, etc., umgerechnet. Die Algorithmen und Methoden hierzu können der Literatur entnommen werden.
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Auf der gleichen Vorrichtung und nach dem gleichen Prinzip wie die koordinatenmäßige Erfassung von Punkten der Oberfläche des Körpers soll das bildmäßige Erfassen der Oberfläche erfolgen. Geeignete Sensoren sind hierbei zum Beispiel Zeilenkameras, die ähnlich den Linien-Abstandssensoren, mit jedem Bild eine Linie der geeignet beleuchteten Oberfläche aufnehmen. Bei bekannter Lage und Orientierung der Zeilenkameras, sowie bekannten Abbildungseigenschaften und zum jeweiligen Aufnahmezeitpunkt bekanntem Drehwinkel des Messobjektes kann für jeden Bildpunkt der Zeilenkamera der entsprechenden Objektpunkt auf dem Messobjekt berechnet werden und diesem die Bildinformation dieses Bildpunktes zugeordnet werden.
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Über Auflösung und Anordnung der optischen Sensoren kann die optische Auflösung des Messsystems mit der geometrischen Auflösung der Abstandsmessungen des Systems abgestimmt werden.
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Sind die Objekte derart beschaffen, wie dies bei Bällen der Fall ist, dass keine Hinterschneidungen auftreten, kann die komplette Oberfläche bildmäßig erfasst werden. D. h. für jeden, entsprechend der Auflösung des Systems, erfassten Oberflächenpunkt liegen nicht nur die Koordinateninformationen über die Lage im Raum vor, sondern auch dem Aufnahmesystem entsprechende Bildinformationen über die Oberflächenbeschaffenheit.
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Die Auswertung der Oberflächen-Bildinformation kann durch Anwendung bekannter Algorithmen digitaler Bildverarbeitung erfolgen, indem z. B. nach Flecken und Verschmutzung in Bereichen der Oberfläche gesucht wird, oder die Ränder von Schriftzeichen auf gerade Begrenzungslinien etc. untersucht werden. Eine vollständige Untersuchung der Oberfläche kann durch Vergleich aller Koordinatenpunkte einer Soll-Oberflächenbeschreibung des Objektes mit den erfassten Bildinformationen der Koordinaten der Objektoberfläche erfolgen. Hierzu ist es notwendig Soll- und erfasste Ist-Oberfläche miteinander in Deckung zu bringen. Dies kann mit der Methode der Kreuzkorrelation der jeweiligen Daten geschehen, oder schon bei der Aufnahme wird auf lagerichtige Erfassung geachtet. Eventuell sind die Soll- und Istoberflächen, z. B. durch Zentralprojektion, auf einheitliche Größe zu skalieren, damit der Punktweise Vergleich erfolgen kann.
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Damit die kompletten Oberflächen der kugelförmigen Objekte mit optischen Verfahren erfasst werden können muss im Laufe eines Messzyklus jeder Punkt der Oberfläche aus dem Blickwinkel des Sensors oder der Sensoren sichtbar sein, d. h. kein Punkt der Oberfläche darf über den gesamten Messzyklus verdeckt sein, beispielsweise durch eine Halte- oder Auflageeinrichtung. Die Erfindung beschreibt ein Verfahren mit einer Auflage, welche in Teilen aus dem Sichtbereich des Sensors, bzw. der Sensoren herausbewegt werden.
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Ausführungsbeispiel
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Das vorliegend beschriebene Verfahren erfüllt die gestellten Anforderungen an eine dreidimensionale Erfassung, Vermessung und Prüfung von Bällen in vorteilhafter Weise. Prinzipiell lassen sich auch ähnliche Objekte nach dem Verfahren erfassen, solange diese derart gestaltet sind, dass bei der Erfassung keine Hinterschneidungen auftreten, was bei Objekten mit vorwiegend rotationssymmetrischem Charakter häufig der Fall ist.
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Im Folgenden wird ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem 3D-Laser-Profilsensor und einer Zeilenkamera zur Erfassung und Vermessung von Ballgeometrie und Balloberfläche beschrieben. Eine entsprechende Anordnung ist in 1 dargestellt.
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Der zu überprüfende Ball 10 wird in seiner dreidimensionalen Geometrie komplett erfasst. Das in diesem Ausführungsbeispiel vorgestellte, bevorzugte Verfahren hierzu basiert auf der Anwendung eines Linien-Abstandsmessmoduls 4, vorzugsweise eines 3D-Laser-Triangulationssensors, und dem während der Messung kontinuierlich um eine Polachse 5 drehenden Ball 10.
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Das dreidimensionale Erfassen der Balloberfläche geschieht dabei dadurch, dass unter verschiedenen Drehwinkeln 2 der Drehbewegung des Balles je ein Erfassungszyklus durchgeführt wird und die in allen Erfassungszyklen erfassten Daten softwaremäßig im Rechner zusammensetzt werden. Das bedeutet, dass der Sensor während einer Erfassungssequenz über eine Umdrehung des Balls um die Polachse 5 eine Anzahl von Erfassungszyklen ausführen muss, die der geforderten Auflösung entspricht. Wenn beispielsweise eine Auflösung von 0.5° gefordert ist, so müssen von dem Messsystem pro Erfassungssequenz, also pro Umdrehung des Balles, mindestens 720 Erfassungszyklen, also Abtastungen, vorgenommen werden.
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Da in dem Ausführungsbeispiel der Sensor in einem Erfassungszyklus nicht den kompletten notwendigen Winkel λ 1 von 180° des Balls erfassen kann, muss der Sensor nach einer Erfassungssequenz in λ-Richtung 1 weiterbewegt und mit der Messachse neu ausgerichtet werden, bevor eine neue Erfassungssequenz gestartet wird. Vorzugsweise geschieht die Neupositionierung des Sensors oder der Sensoren über eine Drehung um eine Achse, welche im Bereich des Ballmittelpunktes verläuft, mit konstantem Radius.
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In 1 sind drei Messpositionen 3, 11 und 15 des Triangulationssensors 4 dargestellt.
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In jeder Erfassungssequenz werden damit eine der Anzahl der Sensoren entsprechende Anzahl kugelförmiger Segmente, bzw. Zonen, der Balloberfläche erfasst. In dem hier vorgestellten Ausführungsbeispiel mit einem Sensor wird pro Erfassungssequenz ein Kugelsegment, bzw. eine Kugelzone, der Objektoberfläche erfasst. Nachdem so viele Erfassungssequenzen durchgeführt wurden, dass die komplette Balloberfläche, vorzugsweise mit Überlappungsbereichen 8 abgetastet wurde, wird die gesamte dreidimensionale Geometriebeschreibung der Balloberfläche im Rechner softwaremäßig zusammengesetzt. Dies geschieht, indem alle erfassten Oberflächenpunkte der Einzelsegmente zu einer Gesamtmenge von Oberflächenpunkten der Gesamtoberfläche zusammengeführt werden. In den Überlappungsbereichen 8 sind die Punkte zu gewichten, dies geschieht vorzugsweise derart, dass die Gewichtung der erfassten Punkte mit dem Abstand vom Sensormittelpunkt, in dem die Genauigkeit üblicherweise am höchsten ist, also mit dem Abstand von der Mittellinie 7 des zugehörigen Segments abnimmt.
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Im Folgenden wird der Erfassungsvorgang der Oberfläche des Balls datentechnisch beschrieben. Hierzu wird vorzugsweise ein Kugelkoordinatensystem benutzt, in welchem im Folgenden Drehwinkel um die Drehachse 5 des Balls mit φ 2 und senkrecht dazu, mit λ 1 bezeichnet werden. Mit einer dritten Koordinate, dem Radius r ist jeder Punkt des Raumes eindeutig beschrieben.
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Die Beschreibung wird im Folgenden auf das Erfassen der Balloberfläche mit einem Liniensensor beschränkt, der immer so positioniert sein soll, dass die durch den Koordinatenursprung 9 verlaufende Polachse 5 des Balls in der aus Profilline und optischer Achse des Sensors 4 gebildeten Messebene 7 des Profilsensors 4 verläuft. Die Abtastung des gesamten Balls erfolgt in dem Ausführungsbeispiel an drei Messpositionen 3, 11, 15 unter drei Winkeln Λ1, Λ2, Λ3 mit konstantem Radius R 6.
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Jeder Erfassungszyklus i des Abstandssensors liefert eine Folge von n Abstandswerten d[0..n – 1] und zugehörigen Linienpositionswerten h[0..n – 1] im Sensorkoordinatensystem, die in einer vorgegebenen Dichte auf der Abtastlinie des Profilsensors liegen und entsprechend dem Erfassungswinkel β 3 des Profilsensors mit dem aktuellen Abstand R der Nullebene des Sensors vom Koordinatenursprung einen Erfassungsbereich α auf der Balloberfläche ergeben. In 3 ist die Anordnung eines Erfassungszyklus dargestellt. Der Sensor erfasst alle Punkte im Bereich des Erfassungswinkels β. Für einen einzelnen herausgenommenen Punkt P der Linie liefert der Sensor die Werte d und h. Die vom Sensor im Sensorkoordinatensystem gelieferten Daten werden von dem Rechner, an dem der Sensor angeschlossen ist, übernommen und in Abstandsinformationen im Objektkoordinatensystem umgerechnet, siehe 2.
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Aus jedem Abstandswert d[i] wird über (1) und (2) r = √(R – d)² + h² (1) λ = arcsin( h / r) + Λ (2) ein Punkt P[i] = (r[i], λ[i], φ = const.) der Balloberfläche berechnet.
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Je nach Besonderheiten der Profilsensoren sind evtl. Korrekturrechnungen vorzunehmen, bzw. kann sich die Art der Rechnung von der hier vorgestellten Berechnung unterscheiden, falls der Profilsensor z. B. keine kartesischen Koordinaten h und d, 3, liefert, sondern Winkel und Radien.
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Zeigt die Mess-Mittelachse des Profilsensors nicht durch den Koordinatenursprung, so sind die entsprechenden Winkelverschiebungen in Richtung λ und φ über Trigonometrische Punktionen zu berücksichtigen.
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Jeder Erfassungszyklus des Profilsensors liefert also eine Folge von n diskreten Punkten P[0..n – 1] der Oberfläche, wobei jeder Punkt im Koordinatensystem durch P[i] = (r[i], λ[i], φ = const.) beschrieben ist. Die so berechneten Punkte einer Linie auf der Objektoberfläche werden im Rechner gespeichert.
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Der Ball wird zum Erfassen eines Segmentes seiner Oberfläche um seine Polachse, insgesamt um φ = 360° gedreht und während der Drehung einzelne Erfassungszyklen des Sensors durchgeführt.
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Jede Erfassungssequenz während der 360° Drehung des Balls liefert durch Aneinanderreihen von m Folgen der einzelnen Erfassungszyklen im Rechner ein zweidimensionales Feld von Punkten der Oberfläche P[i, j] = (r[i, j], λ[i, j], φ[j]). Dieses zweidimensionale Feld beschreibt das Kugelsegment, bzw. die Kugelzone, der Oberfläche des Balls, welche bei einer Umdrehung des Balls durch den Sensor erfasst wurde.
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Erhöht man die Zahl k der Erfassungssequenzen bei geeigneter Wahl von Λ und R auf einen Wert 1, welcher bei dem hier vorgestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel 1 = 3 beträgt, so dass der komplette Bereich des Winkels λ von 0° bis 180° erfasst ist, so gelangt man über ein dreidimensionales Feld zu einer Gesamtzahl von Punkten P[i, j, k] = (r[i, j, k], λ[i, j, k], φ[j, k]) mit 0 <= i < n (3) 0 <= j < m (4) 0 <= k < 1 (5) λ[0, j, k] = Λ[k] – α/2 (6) λ[n – 1, j, k] = Λ[k] + α/2 (7) φ[0, k] = 0 (8) φ[m – 1, k] = 360°· (m – 1) / m (9) welche eine komplette Beschreibung der Balloberfläche darstellen.
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Wird die Balloberfläche in Kartesischen Koordinaten benötigt, so lassen sich alle Punktkoordinaten in bekannter Weise aus dem Kugelkoordinatensystem umrechnen.
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Zusammengefasst lässt sich erfindungsgemäß der Abtastvorgang der Balloberfläche oder der Oberfläche eines anderen geeigneten Objektes mit einem Liniensensor so beschreiben:
Die Erfassung der Oberfläche eines Balls erfolgt in einer oder mehreren Erfassungssequenzen unter verschiedenen Winkeln Λ und evtl. verschiedenen Abständen R des oder der Sensoren von dem Koordinatenursprung. Innerhalb einer Erfassungssequenz bleibt der Winkel Λ konstant. Jede Erfassungssequenz setzt sich aus mehreren Erfassungszyklen unter unterschiedlichen Drehwinkeln φ des Balls zusammen. Jeder Erfassungszyklus liefert eine Folge von Punkten auf der Balloberfläche längs einer Linie.
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Damit aus Erfassungszyklen und Erfassungssequenzen die gesamte Oberfläche zusammengesetzt werden kann, sind ein Rechner 2 mit der entsprechenden Schnittstelle zum Empfangen der vom Profilsensor gelieferten Daten und eine Software zum Steuern des Messablaufs, zum Berechnen der Koordinaten und zum Zusammensetzten der kompletten Oberflächenbeschreibung notwendig.
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Damit die Erfassung der Oberfläche vollständig ist, müssen sich im Allgemeinen die Erfassungsbereiche 1, 7 der einzelnen Erfassungssequenzen in den Randbereichen 8 überlappen. Innerhalb dieser Randbereiche wird die Geometrieinformation durch gewichtete Mittelung der Daten der Erfassungssequenzen berechnet. Dies erfolgt hierbei, wie schon beschrieben, vorzugsweise derart, dass die Gewichtung der Daten mit dem Abstand vom Kernbereich des erfassten Ballsegmentes abfällt, da die Auflösung der Sensoren von der Sensormitte zum Sensorrand hin abnimmt.
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Die Software übernimmt ebenfalls die Berechnung der Rundheitsinformationen aus den dreidimensionalen Daten des Balls und die Inspektion der Oberfläche, insbesondere im Bereich der Verbindungsstrecken der Panels des Balls. Zur Berechnung der Rundheit des Balls sind hierzu die Mitte des erfassten Balls, vorzugsweise über Schwerpunktsberechnung, aus der Daten der Balloberfläche zu bestimmen, sowie der mittlere Radius und durch Integration der quadratischen Abweichungen vom Mittleren Radius ein Rundheitsmaß. Soll die Rundheit nur durch Mittelung und Extremwertbestimmung der Abstände der Panelmitten bestimmt werden, so müssen über Methoden der digitalen Bildverarbeitung die einzelnen Panels detektiert und die Panelmitten bestimmt werden.
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Die bildhafte Erfassung der Oberfläche erfolgt nach dem gleichen Prinzip wie die Abstandserfassung, nur dass anstelle der Liniensensoren zur Abstandsmessung stattdessen eine oder mehrere Zeilenkameras 14 mit entsprechender Beleuchtung 13 verwendet werden. Die optische Oberflächenbeschreibung der Eigenschaften des erfassten Messobjektes erfolgt durch Zuordnung aller oder einer Teilmenge der während der Aufnahmen mit der Zeilenkamera erfassten Bildpunkte der Objektoberfläche zu den zugehörigen koordinatenmäßig erfassten Punkten der Oberfläche des Objektes. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel, Bild 1, wird eine Zeilenkamera verwendet, die an drei Positionen, unter den gleichen Winkeln wie die Abstandsmessungen, die Bildoberfläche des Messobjektes erfasst.
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Im Folgenden ist beschrieben, wie aus der bekannten Lage und Orientierung der Zeilenkamera im Raum, sowie der Abbildungseigenschaften der Kamera zu einem Bildpunkt der entsprechende Punkt auf der Oberfläche des Messobjektes ermittelt wird. In 5 ist dies vereinfacht dargestellt.
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Alle Punkte der realen Welt deren Abbild auf einen bestimmten Bildpunkt B 34 auf dem Zeilensensor der Kamera fällt, liegen auf einem Strahl 32, welcher über die Kamerageometrie und die Optischen Eigenschaften, in 5 symbolisiert dargestellt durch 31, der Kamera beschrieben ist. Für jeden Bildpunkt der Kamera existiert ein solcher Strahl 32, relativ zur optischen Achse 35 der Kamera.
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Aus der Lage und Orientierung der Zeilenkamera im Kugelkoordinatensystem des Messsystems und der optischen Achse der Zeilenkamera ergibt sich für jeden Bildpunkt der Zeilenkamera und des bekannten Abbildungsstrahls 32 dieses Bildpunktes ein Strahl im Raum, auf welcher der zu dem Bildpunkt gehörende Objektpunkt P 34 liegen muss. Die Schnittpunkte der Abbildungsstrahlen aller Bildpunkte mit der Schnittlinie 30 der Objektoberfläche und der Bildebene ergeben die zugehörigen Punkte der Objektoberfläche zu den entsprechenden Bildpunkten. Jedem dieser Punkte der Objektoberfläche kann damit die Bildinformation des Bildpunktes der Kamera zugeordnet werden. Oberflächenpunkten, denen kein Bildpunkt zugeordnet werden kann, können aus Nachbarpunkten interpolierte Bildinformationen erhalten. Die Ermittlung des Schnittpunktes von Oberfläche und der Bildgeraden kann rechentechnisch iterativ durch eine Suchfunktion gelöst werden.
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In dem Ausführungsbeispiel wird die Zeilenkamera 1 14 in jeder Aufnahmeposition so angeordnet, dass die optische Achse durch den Koordinatenursprung 9 verläuft und die Polachse 5 des Messobjektes in der Erfassungsebene 12 der Zeilenkamera aus Bildzeile und Optischer Achse liegt. Dann liegen alle zu einer Messung der Zeilenkamera gehörigen Punkte der Oberfläche auf einer Winkelkoordinaten φ, die sich aus der Winkelverschiebung des Zeilensensors zu dem Nullwinkel in Drehrichtung des Balles und dem aktuellen Drehwinkel um die Achse 5 des Balles ergibt.
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Die Drehung des Balls kann über einen Elektromotor 18 erfolgen und die Erfassung des Drehwinkels des Balls über einen Drehwinkelsensor 19. In einer anderen möglichen Ausführung kann zum Drehen des Balls ein Schrittmotor verwendet und auf den Drehwinkelsensor verzichtet werden.
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Im Einzelnen besteht ein entsprechend der Erfindung aufgebautes System aus den folgenden Komponenten
- – den weiter oben beschriebenen Sensoren
- – entsprechenden Beleuchtungseinheiten für die Zeilenkameras, evtl. im infraroten Wellenlängenbereich, falls sich hierdurch Oberflächenqualitätsmerkmale besser erfassen lassen
- – dem weiter oben beschriebenen Rechner mit den entsprechenden Schnittstellen und der Auswertesoftware
- – einer drehbar gelagerten mechanische Aufnahme 16 des Balls
- – Auflageelementen 4 des Balls, welche entsprechend dem Ausführungsbeispiel nadelförmig 20 ausgeführt sind und derart an die mechanische Aufnahme angekoppelt sind, dass die Auflageelemente im Erfassungsbereich 7, 12 der Sensoren aus diesem Erfassungsbereich nach unten 21 wegbewegt werden. Anstelle der Bewegung der Nadelelemente nach unten können diese auch zur Seite geklappt werden oder anstelle von nadelförmigen Auflageelementen kann auch ein elastisches Auflageelement verwendet werden, das über Umlenkungen im Erfassungsbereich aus dem Sichtfeld der Sensoren herausgeführt wird.
- – Führungs- und Antriebselementen zum Bewegen des Sensors auf die jeweiligen Erfassungspositionen, zum Erfassen des entsprechenden Ballsegmentes. In dem, besonders bevorzugten, Ausführungsbeispiel der Erfindung sind Zeilenkamera 14 und Abstandssensor 4 einander gegenüber angeordnet und auf einem drehbar gelagerten Schwenkarm 22, 3, befestigt, mit einer Drehachse des Arms, welche durch den Koordinatenursprung 9 verläuft.
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Vorteile der Erfindung
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Die wesentlichen Vorteile des hier vorgestellten Verfahrens sind, dass die Oberfläche von Sportbällen oder ähnlichen Objekten in Form und Farbe vollständig und schnell, d. h. innerhalb von Sekunden, erfasst wird, sowie die einfache Anwendbarkeit und Robustheit der dreidimensionalen Erfassung der Oberflächenkoordinaten infolge nicht notwendigen Abdunkelns der Abtastbereiche und Tolerierung von Beschriftungen und Farbänderungen auf der Oberfläche.
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Ein über die Möglichkeiten vergleichbarer Verfahren hinausgehender Vorteil der Erfindung ist, dass in der gleichen Vorrichtung, durch Ergänzung einer Zeilenkamera, neben der Koordinatenmäßigen Erfassung auch eine optische, bildmäßige Erfassung der Oberfläche erfolgen und für jeden Koordinatenpunkt der Oberfläche auch eine Beschreibung der optischen Eigenschaften generiert werden kann.
