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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein
Verfahren zum Darstellen eines Objekts mittels Durchleuchtung, wie
z. B. zur zerstörungsfreien
Prüfung
von mechanischen Objekten.
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In
der röntgenbasierten
zerstörungsfreien Prüfung sind
derzeit folgende Methoden bzw. technische Geräte allgemein bekannt und routinemäßig bei der
industriellen Produktion im Einsatz:
- • Digitale
bildgebende Systeme (Empfänger)
zur Aufnahme und Speicherung von Durchstrahlungsbildern (Röntgenprojektionen),
die an jedem Bildpunkt (Pixel) ein quantitatives Maß für die Intensität der Röntgenstrahlung,
die diesen Punkt auf dem bildgebenden System erreicht, liefert. Entsprechend
dem inneren Aufbau, dem Material und der Geometrie des Objekts enthält jeder
Intensitätsmesswert
Informationen über
die integrale Röntgenschwächungseigenschaften
des Objekts entlang des Strahls von der Röntgenquelle zum Bildpunkt.
- • Robuste
und vielseitig einsetzbare Röntgenröhren, die
einen breiten Bereich von Beschleunigungsspannungen (5 bis 500 kV)
und Brennfleckgrößen (1 bis
3.000 μm)
abdecken. Insbesondere wurden in den letzten Jahren kompakte und leichtgewichtige
Röhren
entwickelt, die eine ausreichende Ausgangsstrahlungsleistung liefern, um
auch dichte und große
Objekte, wie z. B. Fahrzeug- und Flugzeugkomponenten, durchdringen zu
können.
- • Algorithmen,
die aus einer geeigneten Serie von Röntgenprojektionen aus einer
Vielzahl (typisch 50 bis 1.500) von Blickrichtungen auf das Objekt eine
dreidimensionale Repräsentation
des Objektvolumens berechnen, das an jedem Punkt eine von der Umgebung
unabhängige
numerische Information über
die röntgenphysikalischen
Eigenschaften des Objekts an diesem Punkt enthält.
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Die
wichtigste Voraussetzung zur Rekonstruktion von Materialeigenschaften
(Röntgenschwächungsvermögen) an
einem beliebigen Punkt im dreidimensionalen Raum ist eine Serie
von Röntgenprojektionen,
die unter mathematisch wohl definierten geometrischen Bedingungen
aufgenommen wurden.
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Die
existierenden Schnittbildverfahren können hinsichtlich der Messgeometrie
in drei Klassen eingeteilt werden:
- 1. Axiale
Verfahren, die auf einer relativ zueinander festen Anordnung von
Röntgenquelle
(z. B., aber nicht zwingend, einer Röntgenröhre) und dem bildgebenden System
(z. B., aber nicht zwingend, einem digitalen Flachbilddetektor)
beruhen. Die Bahn des Röntgenbrennflecks
(der Ausgangspunkt des Strahlenbündels)
bezüglich
des zu prüfenden
Objekts während
der aufeinander folgenden Aufnahmen der Projektionsbilder geht als
wichtigste Information in den Rekonstruktionsalgorithmus ein; diese
Bahn wird in diesem Zusammenhang als Trajektorie bezeichnet. Für die reale
Messung ist es belanglos, ob das Objekt zwischen einem feststehenden
Detektor und einer Röntgenquelle
gedreht oder verschoben wird, oder sich umgekehrt eine miteinander
synchronisierte Kombination aus Quelle und Detektor um das Objekt
bewegt. Die Art der Trajektorie (Vollkreis, Teilkreis, Helix und
andere) entscheidet über
den zur Rekonstruktion geeigneten Algorithmus, der außerdem als
Steuerparameter die exakten geometrischen Angaben zur Position der Quelle
und des Detektors während
der Aufnahme jeder einzelnen Röntgenprojektion
benötigt.
- 2. Derivate der axialen Verfahren, die auf algebraischen oder
auf der Radon-Inversion basierten Algorithmen basieren, welche zur
Rekonstruktion dreidimensionaler Volumendatensätze eine Projektionsbildserie
verarbeiten können,
die mit Nichtstandardgeometrien aufgenommen wurden, z. B. nichtäquidistant
abgetastete oder unvollständige
Kreisbahnen, die durch beliebige andere Positionen der Quelle ergänzt werden,
beliebige Kombinationen aus linearen oder kreisförmigen Bewegungen, sinusförmig modellierte
oder elliptische Kreisbahnen, Bahnen auf Kugeloberflächen, aber
auch allen anderen. In der Praxis nachteilig an diesen Derivaten
ist, dass sie an den Aufbau des Messsystems Anforderungen stellen,
die bisher mittels herkömmlicher
Rotations- oder Translationsachsen nicht oder nur unter einem unverhältnismäßig hohen
Aufwand realisiert werden konnten.
- 3. Planare Verfahren, bei denen Röntgenquelle und bildgebendes
System unabhängig
voneinander, aber miteinander synchronisiert, linear oder kreisförmig auf
beiden Seiten des Objekts bewegt werden. Diese Vorgehensweise erzeugt
geeignete Eingangsdaten für
spezielle Rekonstruktionsalgorithmen (unter anderem Tomosynthese,
digitale Laminographie, oder algebraische Verfahren), mittels derer
die Röntgenschwächungseigenschaften
innerhalb beliebiger Schichten des Objekts berechnet werden können.
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In
der technischen Umsetzung der axialen Verfahren wird die Röntgenquelle
und der Röntgenempfänger auf
einer mechanischen Vorrichtung montiert, die sich dann relativ zum
durchstrahlenden Objekt bewegt, oder aber das Objekt ist an einer
mechanischen Vorrichtung befestigt, die sich relativ zur Röntgenröhre und
zum Röntgenempfänger bewegt. Die
mechanische Vorrichtung kann beispielsweise ein C-Bogen sein, an
dessen Enden jeweils die Röntgenröhre und
der Röntgenempfänger befestigt
sind. Mittels des C-Bogens ist es möglich, einerseits die Röntgenröhre und
den Röntgenemp fänger um
das zu durchstrahlende Objekt zu drehen bzw. an diesem Objekt entlang
zu schieben, um die verschiedenen Durchstrahlungsbilder zu erhalten.
Andererseits ist es auch möglich,
dass der C-Bogen statisch fest ist, und das Objekt beispielsweise
mittels eines mechanischen Tisches durch den C-Bogen geschoben wird.
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Bei
planaren Verfahren ist es üblich,
dass das Objekt zwischen Röntgenquelle
und Röntgenempfänger gestellt
wird, und sich dann die Röntgenquelle
und der Röntgenempfänger relativ
zum Objekt bewegen.
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Sowohl
für herkömmliche
axiale Verfahren als auch herkömmliche
planare Verfahren ist es nachteilig, dass die Dimension des zu durchleuchtenden
Objekts in die durchleuchtende Vorrichtung passen muss. Dies bedeutet
z. B. bei der Verwendung eines C-Bogens, dass nur Objekte durchleuchtet
werden können,
die zwischen Röntgenquelle
und Röntgenempfänger passen,
und sich diese dann auch noch relativ zum Objekt bewegen lassen.
Die Verwendung von modifizierten C-Bögen,
bei denen der Abstand zwischen Röntgenquelle
und Röntgenempfänger in
einem gewissen Rahmen durch Teleskopstangen vergrößert werden
kann, erlauben es zwar das Röntgenmesssystem
der Größe des Objekts
in einem gewissen Rahmen anzupassen, ändern aber nichts an der grundlegenden
Tatsache, dass nicht beliebige Objekte beleuchtet werden können.
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Des
Weiteren ist es ein Nachteil heutiger Geräte zur röntgenbasierten zerstörungsfreien
Prüfung, dass
diese in den möglichen
Freiheitsgraden der Bewegung der Röntgenquelle und des Röntgenempfängers relativ
zum zu durchstrahlenden Objekt stark eingeschränkt sind. Dies hat den Nachteil,
dass unter Umständen
die „optimale" Positionierung der
Röntgenquelle
und des Röntgenempfängers relativ
zum zu durchstrahlenden Objekt nicht erreicht werden kann und sich
somit Artefakte in den Durchstrahlungsbildern nicht reduzieren lassen.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, die
es erlaubt für
Objekte mit größerer Varianz
in Form und Größe, ein
Objekt mittels Durchstrahlung darzustellen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, ein Verfahren
gemäß Anspruch 12
oder durch ein Softwareprogrammprodukt gemäß Anspruch 13 gelöst.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine
Darstellung eines Objekts für eine
breite Gruppe von Objekten unterschiedlichster Größe und Form
mittels Durchleuchtung erzeugt werden kann, wenn eine Strahlungsquelle
und ein Strahlungsempfänger
auf zwei verschiedenen Roboterarmen installiert werden, und die
Roboterarme durch eine Ansteuereinrichtung derart angesteuert werden,
das ein Durchleuchten des Objekts und die Erstellung von Durchstrahlungsbildern
aus verschiedenen Perspektiven möglich
ist. Eine Verarbeitungseinrichtung kann dann aus den verschiedenen Durchstrahlungsbildern
einen dreidimensionalen Datensatz als Darstellung des Objekts rekonstruieren.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass durch die Verwendung
zweier verschiedener Roboterarme als Trägerkonstruktion für die Strahlungsquelle
und den Strahlungsempfänger
der Abstand zwischen der Strahlungsquelle und dem Strahlungsempfänger variabel
ist, und dadurch eine Anpassung der Messvorrichtung an die Größe und Form
des zu durchstrahlenden Objekts vorgenommen werden kann. Es ist
auch vorteilhaft, dass die Strahlungsquelle und der Strahlungsempfänger so aufgestellt
werden können,
dass eine bevorzugte Durchstrahlrichtung des Objektes, z. B. entlang
der Längs-
oder Querachse des Objektes, vorgenommen werden kann.
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Des
Weiteren kann mit der Vorrichtung und dem Verfahren eine Wahl der
zur Durchleuchtung des Objekts verwendeten Durchstrahlungsrichtung getroffen
werden, was es erlaubt, die Erzeugung der Durchstrahlungsbilder
den äußeren (z.
B. Form des Objekts) als auch den inneren (z. B. Dichteverteilung des
Materials) Eigenschaften des Objekts anzupassen, um eine möglichst
fehlerfreie Rekonstruktion des Objekts zu erreichen.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, dass durch die
Verwendung zweier unabhängiger
Roboterarme als Trägerkonstruktion
für die Strahlungsquelle
und den Strahlungsempfänger
ein Durchleuchten eines Objektes nach sowohl obig beschriebenen
planaren Verfahren als auch nach obig beschriebenen axialen Verfahren
und deren Derivaten möglich
ist. Die vorliegende Erfindung und das vorliegende Verfahren vereint
also diese beiden Durchleuchtungstechniken der Computertomographie.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf
die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung zur Durchleuchtung eines Objekts; und
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2 ein
Flussdiagramm für
die Abarbeitung der einzelnen Schritte eines Verfahrens beim Durchleuchten
eines Objekts.
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Bezug
nehmend auf 1 bis 2 wird nun
ein erstes Ausführungsbeispiel
für die
Vorrichtung zur Darstellung eines Objekts mittels Durchleuchtung
beschrieben. In den Figuren werden für Objekte und Elemente gleiche
oder ähnliche
Bezugszeichen verwendet. Funktionsgleiche Objekte und Elemente,
die in mehreren Figuren auftreten, werden darüber hinaus mit gleichen Bezugszeichen
bezeichnet.
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Obwohl
im Folgenden eine Vorrichtung zum Durchleuchten von Flugzeugturbinen
beschrieben wird um beispielsweise Materialermüdungen und Risse in Bauteilen
der Flugzeugturbine zu erkennen, ist es auch möglich, andere Objekte zu durchleuchten,
wie es im Anschluss an die Figurenbeschreibung noch erörtert werden
wird.
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Die
Durchleuchtungsvorrichtung in 1 umfasst
zwei Roboterarme 10, 14 mit jeweils einer Standvorrichtung 12 und 16,
eine Strahlungsquelle 18, einen Strahlungsempfänger 20,
eine Ansteuereinrichtung 22, eine Verarbeitungseinrichtung 24 sowie
ein Objekt 26, welches in diesem Ausführungsbeispiel eine an einem
Flugzeug angebrachte Flugzeugturbine ist. Die beiden Roboterarme 10 und 14 sind
in zwei, bezüglich
des Objektes 26, gegenüberliegenden
Positionen aufgestellt. Die Roboterarme 10, 14 können hierbei
Industrieroboter sein, wie sie beispielsweise in der Automobilindustrie
eingesetzt werden. In 1 sind beispielsweise zwei Roboterarme 10 und 14 mit
jeweils drei Kugelgelenken, welche die Funktionsweise des menschlichen
Armes mit Schulter-, Ellbogen- und Handgelenk nachstellen, zur dreidimensionalen
Positionierung und zur dreidimensionalen Ausrichtung der Roboterarme 10 und 14 dargestellt.
An dem ersten Roboterarm 10 ist die Strahlungsquelle 18 (z.
B. eine industrieübliche
Röntgenröhre mit
Beschleunigungsspannungen zw. 500 und 1.500 kV) angebracht, die
die Strahlung erzeugt, welche zur Durchleuchtung der Flugzeugturbine 26 verwendet
wird. An dem zweiten Roboterarm 14 ist ein Strahlungsempfänger 20 angebracht,
welcher die von der Strahlungsquelle 18 erzeugte und durch
die Flugzeugturbine 26 gegangene Strahlung empfängt. Der
Strahlungsempfänger 20 kann
z. B. eine industrieüblicher
Bildverstärker
oder ein industrieübliches Flatpannel
für Röntgenstrahlung
sein.
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Die
Ansteuereinrichtung 22 dient zum Ansteuern, d. h. zur dreidimensionalen
Positionierung und zur dreidimensionalen Ausrichtung der beiden Roboterarme 10 und 14 und
damit zur dreidimensionalen Positionierung und zur dreidimensionalen Ausrichtung
der Strahlungsquelle 18 und des Strahlungsempfängers 20.
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An
den Strahlungsempfänger 20 ist
die Verarbeitungseinrichtung 24 angeschlossen, welche, wie
im Folgenden noch näher
erläutert
werden wird, eine Anschlussmöglichkeit
für externe
Vorrichtungen 32 besitzt. Die Verarbeitungseinrichtung 24 ist
ausgebildet, um aus den vom Strahlungsempfänger 20 erzeugten
Durchstrahlungsbildern einen dreidimensionalen Datensatz zur Darstellung
der Flugzeugturbine 26 zu rekonstruieren. Zu diesem Zweck
ist die Verarbeitungseinrichtung 24 mit der Ansteuereinrichtung 22 verbunden,
um die für
die Rekonstruktion der Flugzeugturbine 26 nötigen Informationen über die verwendeten
Durchstrahlungsrichtungen für
die einzelnen Durchstrahlungsbilder, d. h. die Information über die
dreidimensionale Positionierung und dreidimensionale Ausrichtung
der Roboterarme 10 und 14 (bzw. der Strahlungsquelle 18 und
dem Strahlungsempfänger 20),
zu erhalten.
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Die
Ansteuereinrichtung 22 umfasst eine Lagekontrolleinrichtung 28,
welche dazu dient, die Lage der Roboterarme 10 und 14 (und
damit der Strahlungsquelle 18 und des Strahlungsempfängers 20), d.
h. die dreidimensionale Positionierung und die dreidimensionale
Ausrichtung der Strahlungsquelle 18 und des Strahlungsempfängers 20 zu
erfassen. Des Weiteren umfasst die Verarbeitungseinrichtung 24 eine
Vorrichtung zum nichtflüchtigen
Speichern (wie z. B. einen FLASH-, PROM-, EPROM-Baustein oder eine
Festplatte) der Ansteuersignale zur dreidimensionalen Positionierung
und dreidimensionalen Ausrichtung der Roboterarme 10 und 14.
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Im
Folgenden sollen nun die einzelnen Schritte des Verfahrens zur Darstellung
eines Objekts mittels Durchleuchtung anhand des Ausführungsbeispiels
zur Durchleuchtung einer Flugzeugturbine beschrieben werden.
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In
Schritt 40 werden als erstes die einzelnen dreidimensionalen
Positionierungen und Ausrichtungen der Strahlungs quelle 18 und
des Strahlungsempfängers 20 programmiert,
und in der Einrichtung zum nichtflüchtigen Speichern 30 der
Ansteuereinrichtung 22 abgelegt. Dabei wird die Programmierung,
worauf zu einem späteren
Zeitpunkt noch näher eingegangen
wird, der dreidimensionalen Positionierung und der dreidimensionalen
Ausrichtung der Roboterarme 10 und 14 Beispielsweise
so vorgenommen, dass zum Zeitpunkt der Erzeugung eines Durchstrahlungsbildes
die Strahlungsquelle 18 auf den Strahlungsempfänger 20 ausgerichtet
ist, damit einerseits die maximal mögliche Intensität der Strahlung
den Strahlungsempfänger 20 erreicht,
und andererseits Projektionseffekte, aufgrund einer zueinander verkippten
Ausrichtung der Strahlungsquelle 18 und des Strahlungsempfängers 20 ausgeschlossen
werden können.
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Des
Weiteren wird in Schritt 40 eine Durchleuchtungssequenz
festgelegt, d. h. es wird bestimmt, welche der durch die Roboterarme 10 und 14 eingenommenen
einzelnen dreidimensionalen Positionierungen und dreidimensionalen
Ausrichtungen der Strahlungsquelle 18 und des Strahlungsempfängers 20 für die Erzeugung
eines Durchstrahlungsbildes verwendet werden wird. Auch diese Information wird
in der Speichervorrichtung zum nichtflüchtigen Speichern 30 hinterlegt.
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Die
Verwendung frei beweglicher Roboterarme 10, 14 erlaubt
es hierbei, sowohl die Sequenz der dreidimensionalen Positionierungen
und dreidimensionalen Ausrichtungen der Strahlungsquelle 18 und des
Strahlungsempfängers 20,
als auch die Festlegung der Durchleuchtungssequenz optimal an das
zu durchleuchtende Objekt 26, beispielsweise an die Flugzeugturbine,
anzupassen. Das heißt
aus der Gesamtheit aller möglichen
Durchstrahlungsrichtungen der Flugzeugturbine 26 können diejenige
in einer Durchstrahlungssequenz zusammengefasst werden, die für die Rekonstruktion
eines dreidimensionalen Datensatzes zur Darstellung der Flugzeugturbine 26 vorteilhaft
erscheinen.
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In
einem nächsten
Schritt 44 wird die Kalibrierung der Vorrichtung vorgenommen.
Der Schritt 44 kann einen Unterschritt 42 beinhalten,
in welchem die Vorrichtung zu dem zu durchstrahlenden Objekt 26 transportiert
wird, falls es sich bei dem zu durchstrahlenden Objekt 26 um
ein sehr großes
bzw. fest installiertes Objekt, wie z. B. ein Flugzeug, einer Kraftwerksturbine
oder einem Brückenpfeiler,
handelt und es vorteilhaft ist die Vorrichtung zum Objekt 26 zu transportieren.
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Die
Kalibrierung der Vorrichtung umfasst einerseits das Aufstellen der
Roboterarme 10 und 14 mittels der Standvorrichtungen 12 und 16 derart, dass
der Abstand zwischen der Strahlungsquelle 18 und dem Strahlungsempfänger 20 möglichst
gering ist, aber beide dennoch noch genügend Bewegungsfreiraum um das
Objekt 26 haben, dass die im Schritt 40 gewählte Durchstrahlungssequenz
zur Durchstrahlung des Objekts 26 möglich ist. Dabei werden die
Roboterarme 10 und 14 bevorzugt auf gegenüberliegenden
Seiten des Objektes 26 aufgestellt, um eine Durchstrahlung
des Objektes 26 zu ermöglichen.
Die Wahl des Freiheitsgrades welche Seiten gewählt werden, also das Objekt 26 beispielsweise entlang
der Längs-
oder Querachse durchstrahlt wird, ist vom Bediener beim Aufstellen
der Roboterarme 10 und 14 zu treffen, und kann
z. B. von der Größe und Form
des Objekts 26 aber auch von Anforderungen an die Durchstrahlung
des Objektes 26 abhängen.
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Andererseits
umfasst der Schritt 44 der Kalibrierung der Vorrichtung
auch, dass nach einer örtlichen Änderung
des Standorts der Roboterarme 10 und 14 (z. B.
nach dem Transport und Aufbau der Vorrichtung zu bzw. an dem Standort
des Flugzeuges) die Position der Roboterarme 10 und 14 eindeutig
bestimmt ist und damit ein Durchlaufen der im Schritt 40 bestimmten
Durchstrahlungssequenz unter der Bedingung, dass jeweils zum Zeitpunkt
der Erzeugung eines Strahlungsbildes die Strahlungsquelle 18 und
der Strahlungsempfänger 20 aufeinander ausgerichtet
sind, möglich
ist. Auf mögliche technische
Realisierungen dieser Kalibrierung wird in späteren Ausführungsbeispielen noch eingegangen
werden. Nach erfolgter Kalibrierung der Vorrichtung benötigen die
Roboterarme 10 und 14 keine direkte optische Verbindung,
da die relative Position der Roboterarme 10 und 14 in
ihrem gemeinsamen Koordinatensystem festgelegt ist.
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Nach
Schritt 44 erfolgt im Schritt 46 die Messung,
d. h. das Durchleuchten der Flugzeugturbine 26. In diesem
Schritt 46 steuert die Ansteuereinrichtung 22 mittels
der in der nichtflüchtigen
Speichereinrichtung 30 abgelegten Informationen die Roboterarme 10 und 14 so
an, dass sequentiell die gewünschten
dreidimensionalen Positionierungen und dreidimensionalen Ausrichtungen
der Strahlungsquelle 18 und des Strahlungsempfängers 20 eingestellt
werden und die einzelnen Durchstrahlungsbilder der Durchstrahlungssequenz
aufgenommen werden.
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Während des
Schritts 46 überprüft die Lagekontrolleinrichtung 28 ständig die
tatsächliche
dreidimensionale Positionierung und dreidimensionale Ausrichtung
der Strahlungsquelle 18 und des Strahlungsempfängers 20 mit
der gewünschten,
in der nichtflüchtigen
Speichereinrichtung 30 abgelegten, dreidimensionalen Position
und dreidimensionalen Ausrichtung, und veranlasst bei einer Abweichung die
Ansteuereinrichtung 22, die Roboterarme 10 und 14 derart
anzusteuern, dass die tatsächliche
dreidimensionale Positionierung und die tatsächliche dreidimensionale Ausrichtung
der Strahlungsquelle 18 und des Strahlungsempfängers 20 auf
die Werte der in der nichtflüchtigen
Speichereinrichtung 30 abgelegten Positions- und Ausrichtungsangaben
zu korrigieren. Hierzu kann, wie später noch näher erläutert werden wird, die Lagekontrolleinrichtung 28 optional Informationen
von einer externen Einrichtung 34, welche dazu dient die
dreidimensionale Positionierung und die dreidimensionale Ausrichtung
der Strahlungsquelle 18 und des Strahlungsempfängers 20 zu
ermitteln, verarbeiten.
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Jedes
der im Schritt 46 vom Strahlungsempfänger 20 erzeugten
Durchstrahlungsbilder wird an die Verarbeitungseinrichtung 24 übertragen.
Des Weiteren überträgt die Ansteuereinrichtung 22 an
die Verarbeitungseinrichtung 24 die Informationen, welche
dreidimensionale Positionierung und dreidimensionale Ausrichtung
der Strahlungsquelle 18 und des Strahlungsempfängers 20 (also
welche Durchstrahlungsrichtung des Objekts 26) zum Zeitpunkt
jedes erzeugten Durchstrahlungsbildes vorlag.
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Nach
Abschluss aller sequentiellen Schritte der Messung erfolgt im Schritt 48 die
Darstellung des Objektes 26, also beispielsweise der Flugzeugturbine.
Unter der Verwendung geeigneter adaptierter Rekonstruktionsalgorithmen,
wie beispielsweise gefilterte Kegelstrahlrekonstruktion, Tomosynthese
oder einer algebraischen Methode, rekonstruiert die Verarbeitungseinrichtung 24 aus
den einzelnen vom Strahlungsempfänger 20 erzeugten
Durchstrahlungsbildern und der von der Ansteuereinrichtung 22 an
die Verarbeitungseinrichtung 24 gelieferten zugehörigen Durchstrahlrichtungen
der Flugzeugturbine 26 einen dreidimensionalen Datensatz,
welcher den inneren Aufbau der durchstrahlten Flugzeugturbine 26 wiedergibt.
Hierbei ist die Verarbeitungseinrichtung 24 so ausgelegt,
dass sie weitere zusätzliche
Informationen, die bei der Rekonstruktion des dreidimensionalen
Datensatzes der Flugzeugturbine 26 behilflich sind, und
welche von einer externen Einrichtung 32 zur Verfügung gestellt
werden, verwenden kann. Diese zusätzliche Information kann z.
B. ein dreidimensionaler Datensatz sein, welcher bei einer simulierten
Durchstrahlung der Flugzeugturbine 26 erzeugt wurde. Solch
ein simulierter dreidimensionaler Datensatz kann beispielsweise
von der Verarbeitungseinrichtung 24 verwendet werden, um
Bildartefakte im aus den Messwerten rekonstruierten dreidimensionalen
Datensatz der Flugzeugturbine 26 zu minimieren. Im Anschluss
kann der Datensatz z. B. auf Risse im Material der Flugzeugturbine
ausgewertet werden.
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Wie
schon obig erwähnt,
ist es für
die Erzeugung eines Durchleuchtungsbildes vorteilhaft, wenn die
Strahlungsquelle 18 und der Strahlungsempfänger 20 zum
Zeitpunkt der Aufnahme eines Durchleuchtungsbildes aufeinander ausgerichtet
sind. Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, dass beide Roboterarme 10 und 14 in
demselben Koordinatensystem definiert sind und damit die Positionsangaben (also
die Koordinaten) und die Blickrichtungen (also die Richtungsvektoren)
der Strahlungsquelle 18 und des Strahlungsempfängers 20 es
ermöglichen,
festzustellen, ob beide aufeinander ausgerichtet sind. Dies bedeutet,
dass man im Schritt 40 bei der Programmierung eines Bewegungsablaufs
und der Durchstrahlungssequenz ein gemeinsames Koordinatensystem
für beide
Roboterarme 10 und 14 definiert und die Schritte
der dreidimensionalen Positionierung und der dreidimensionalen Ausrichtung
der Strahlungsquelle 18 und des Strahlungsempfängers 20 so
programmiert werden, dass beide aufeinander ausgerichtet sind.
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Alternativ
kann die Ansteuerereinrichtung 22 so ausgelegt sein, dass
nur das für
beide Roboterarme 10 und 14 verwendete Koordinatensystem
und die Ansteuerschritte eines Roboterarmes, unter eventuell einer
Angabe eines Abstandes zwischen Strahlungsquelle und Strahlungsempfänger, programmiert
wird, und die Ansteuereinrichtung 22 die Ansteuerung des
zweiten Roboterarmes selbstständig
derart vornimmt, dass die Strahlungsquelle 18 und der Strahlungsempfänger 20 aufeinander
ausgerichtet werden.
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Da
ein offensichtlicher Vorteil durch das Ausrichten der Roboterarme 10 und 14 bzw.
der Strahlungsquelle 18 und des Strahlungsempfängers 20 aufeinander
nur jeweils zum Zeitpunkt der Erzeugung eines Durchstrahlungsbildes
gegeben ist, ist die Art, auf die (d. h. auf welchem Weg) die beiden Roboterarme 10 und 14 die
Positionen für
ein Durchstrahlungsbild einnehmen, nicht bedeutend, d. h. die Ansteuereinrichtung 22 kann
beispielsweise die Roboterarme 10 und 14 nach
der P2P-Methode (P2P = point to point = von Punkt zu Punkt), aber
beispielsweise auch nach der ebenfalls CP-Methode (CP = continuous path = durchgehender
Weg), ansteuern.
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Damit
während
der Messung (Schritt 46) die Roboterarme 10 und 14 bzw.
die Strahlungsquelle 18 und der Strahlungsempfänger 20 zu
den Zeitpunkten der Aufnahme der Durchstrahlungsbilder aufeinander
ausgerichtet sind, indem definierte Positionen in einem gemeinsamen,
in Schritt 40 festgelegten, Koordinatensystem angesteuert
werden, umfasst der Schritt 44 der Kalibrierung der Vorrichtung
auch das Einstellen einer definierten Grundposition für die dreidimensionale
Positionierung und die dreidimensionale Ausrichtung beider Roboterarme 10 und 14 in
dem in Schritt 40 festgelegten gemeinsamen Koordinatensystem.
Von dieser Grundposition der Roboterarme 10 und 14 ausgehend
kann dann die Ansteuereinrichtung 22 die weitere Durchleuchtungssequenz während des
Schrittes 46 ansteuern.
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Das
Einstellen der Grundposition im verwendeten Koordinatensystem, von
der aus die Ansteuereinrichtung 22 dann die dreidimensionalen
Positions- und dreidimensionalen Ausrichtungen der Strahlungsquelle 18 und
des Strahlungsempfängers 20, gemäß der in
Schritt 40 gemachten Vorgaben, vornimmt, kann z. B. dadurch
erfolgen, dass der Bediener der Vorrichtung die Roboterarme 10 und 14 manuell
im Schritt 44 auf die Grundpositionen einstellt und diese
mit industrieüblichen
Techniken, wie z. B. Lineal, Wasserwaagen und lasergestützten Systemen, überprüft.
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Alternativ
kann das Einstellen der Grundposition der Roboterarme 10 und 14 im
gemeinsamen Koordinatensystem auch dadurch erfolgen, dass die Ansteuereinrichtung 22 die
räumliche
Lage der Roboterarme 10 und 14 kennt und selbständig die Grundposition
ansteuert und überprüft. Dies
kann z. B. dadurch erreicht werden, dass an den Gelenken der Roboterarme 10 und 14 Sender
angebracht sind, deren Position im Raum von einer externen Vorrichtung 34 durch Triangulation
bestimmt werden, und die externe Einrichtung 34 diese Positionsangaben dann
an die Lagekontrolleinrichtung 28 der Ansteuereinrichtung 22 meldet.
Für diese
Sender würde
sich z. B. die RFID-Technologie (RFID = radio frequency identification
= Radiofunkerkennung) oder aber auch Ultraschall-Techniken eignen.
Alternativ könnte
die externe Vorrichtung 34 die Lagebestimmung der Roboterarme 10 und 14 auch über eine
Verwendung von Stereokameras vornehmen. Mit diesen Informationen
wäre die
Ansteuereinrichtung 22 die Kalibrierung der Grundposition
im Schritt 44 selbstständig vorzunehmen.
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Ist
die Kalibrierung der Position der Roboterarme 10 und 14 in
ihrem gemeinsamen Koordinatensystem, z. B. durch manuelles Einstellen
durch den Bediener, oder durch die Verwendung von Triangulationsmethoden,
erfolgt, so kann wie obig beschrieben im Schritt 46 die
Durchleuchtung des Objekts 26 vorgenommen werden.
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Im
Folgenden soll anhand eines Ausführungsbeispiels
noch näher
auf die Lagekontrolle der Roboterarme 10 und 14,
d. h. auf die tatsächlichen eingenommenen
dreidimensionalen Positionierungen und Ausrichtungen im Schritt 46 (der
Messung) eingegangen werden. Zu Beginn der Messung in Schritt 46 steuert
die Ansteuereinrichtung 22, ausgehend von den im Schritt 44 eingestellten
Grundpositionen der Roboterarme 10 und 14, nacheinander
die einzelnen dreidimensionalen Positionierungen und Ausrichtungen
der Roboterarme 10 und 14 an, wie sie im Schritt 40 in
der nichtflüchtigen
Speichereinrichtung 30 abgelegt wurden. Hierbei protokolliert
z. B. die Lagekontrolleinrichtung 28 die Positionsänderungen
(= Drehwinkel) aller in den Roboterarme 10 und 14 eingebauten
mechanischen Gelenke, welche beispielsweise über industrieübliche Schrittmotoren bewegt
werden, mit, und kann so die dreidimensionalen Positionierungen
und Ausrichtungen der Roboterarme 10 und 14 in
ihrem gemeinsamen Koordinatensystem fortschreiben.
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Sind
die Roboterarme 10 und 14 bzw. die in ihnen befindliche
Antriebseinrichtung mit einer Elektronik zur Stellgradrückmeldung
ausgestattet, so kann alternativ die Lagekontrolleinrichtung 28 die
Positionsbestimmung der Roboterarme 10 und 14 aus diesen
Informationen beziehen.
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In
beiden Beispielen bestimmt also die Lagekontrolleinrichtung 28 die
Positionierung und Ausrichtung der Roboterarme 10 und 14 aus
der Ansteuerung der einzelnen mechanischen Gelenke der Roboterarme.
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Wie
obig schon erwähnt
wurde, ist es auch möglich,
dass die Lagekontrolleinrichtung 28 Informationen einer
externen Einrichtung 34, welche die Lage der Roboterarme 10 und 14 betreffen,
verarbeitet. Wie schon erwähnt
wurde, ist es z. B. vorstellbar, dass die externe Einrichtung 34 die
Lage der Roboterarme 10 und 14 mittels Triangulation
oder mittels einer Verwendung von Stereokameras bestimmt und diese
Information über
die dreidimensionale Positionierung und dreidimensionale Ausrichtung
der Roboterarme an die Lagekontrolleinrichtung 28 übermittelt.
Zur zusätzlichen
Absicherung der dreidimensionalen Positionierung und der dreidimensionalen
Ausrichtung oder zur Verbesserung bzw. Kontrolle der Genauigkeit
können
beispielsweise außerdem
am Objekt 26 Kalibrierkörper,
wie z. B. absorbierende Kugeln oder Netze, angebracht werden, deren
Positionen in den einzelnen Projektionsbildern dann bei der Rekonstruktion
von der Verarbeitungseinrichtung erkannt und ausgewertet werden,
um festzustellen, ob die zur Rekonstruktion der 3D-Gestalt des Objekts 26 herangezogenen
bzw. angenommenen Lagepositionen der Roboterarme 18 und 20 bei
den einzelnen Projektionsbildern korrekt waren, und/oder um diese angenommenen
Lagepositionen zu korrigieren, wie z. B. dann, wenn die Abweichung
zu groß ist.
Letztere Lagekontrolle kann anhand der Projektionsbilder auch anhand
von CAD-Daten des Objekts 26 vorgenommen werden, wie z.
B. indem die Verarbeitungseinrichtung 24 simuliert, wie
das jeweilige Projektions- bzw. Durchleuchtungsbild aussähe, wenn
es tatsächlich in
der angenommenen, wie z. B. von der Ansteuereinrichtung 22 angegebenen,
Stellung von Quelle 18 und Empfänger 20 erhalten worden
wäre, und
indem sie dann die angenommene Stellung entsprechend ändert, wenn
sie feststellt, dass die Abweichung eine gewisse Schwelle übersteigt.
Die bestimmte Lage bzw. Stellung von Quelle 18 und Empfänger 20,
wie sie im vorhergehenden erwähnt
und im folgenden noch erwähnt
wird, kann sich auf die absolute Lage derselben oder ihre relative
Lage zueinander beziehen. Die simulierten Durchleuchtungsbilder
können
der Verarbeitungseinrichtung 24 natürlich auch von außen zugeführt werden.
Anstelle einer Überprüfung können die
Lageauswertungen der Durchleuchtungsbilder auch unmittelbar als
Grundlage für
die Bestimmung der tatsächlichen
Stellungen von Quelle 18 und Empfänger 20 bei den einzelnen Durchleuchtungsbildern
herangezogen werden, welche dann bei der Rekonstruktion verwendet
werden.
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Alternativ
zur Befestigung der Kalibrierkörper auf
dem Objekt, können
die Kalibrierkörper
an dem Empfänger 20 bzw.
auf Empfängerseite
und/oder an der Quelle 18 bzw. auf Quellenseite angebracht
sein. Sie werden dazu fix mit der Quelle 18 bzw. dem Empfänger verbunden
und zwar so, dass sie durch den Empfänger abgebildet werden. Beispielsweise
können
zwei Kreuze in Strahlungsrichtung gesehen hintereinander angebracht
zur Kalibrierung eingesetzt werden. Durch den Versatz in der Abbildung
der Kalibrierkörper,
der durch die Strahlungsrichtung bestimmt wird, kann auf eine eventuelle
Diskrepanz zwischen der tatsächlichen
Position der Roboterarme und der hinterlegten Sollposition geschlossen werden.
Diese Diskrepanz kann entweder durch Korrektur der Position der
Roboterarme korrigiert oder im Rekonstruktionsalgorithmus entsprechend
berücksichtigt
bzw. korrigiert werden.
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Während der
Messung, also im Schritt 46, vergleicht die Lagekontrolleinrichtung 28 die
ermittelte tatsächliche
Position der Roboterarme 10 und 14 mit der gewünschten, also
anzusteuernden, Position und Ausrichtung der Roboterarme 10 und 14 und
veranlasst die Ansteuereinrichtung 22 bei einer Abweichung
nachzuregeln, d. h. die gewünschte
Position und Ausrichtung der Roboterarme 10 und 14 anzusteuern.
Dies ist notwendig, da die Verarbeitungseinrichtung 24 im
Schritt 48 zur Rekonstruktion und Darstellung des Objekts 26 neben
den einzelnen erzeugten Durchleuchtungsbildern auch die Blickwinkel,
d. h. die dreidimensionalen Positionsangaben und dreidimensionalen
Ausrichtungen der Strahlungsquelle 18 und des Strahlungsempfängers 20,
benötigt.
Sollte es z. B. im Schritt 46 nicht möglich sein, eine der gewünschten
dreidimensionalen Positionierungen und dreidimensionalen Ausrichtungen
der Roboterarme 10 und 14 anzusteuern, da dies
z. B. die Schrittweite der einzelnen Schrittmotoren in den Roboterarmen 10 und 14 nicht
zulässt,
eine Korrektur der der Lagekontrolleinrichtung 28 bekannten
tatsächlichen dreidimensionalen
Positionierung und dreidimensionalen Ausrichtung der Roboterarme 10 und 14 auf die
in der nichtflüchtigen
Speichereinrichtung 30 abgelegten Werte also nicht möglich ist,
so kann alternativ die Lagekontrolleinrichtung 28 die entsprechende
gewünschte,
aber nicht erreichbare, dreidimensionale Positionierung und dreidimensionale
Ausrichtung der Roboterarme 10 und 14 in der nichtflüchtigen
Speichereinrichtung 30 überschreiben,
damit die Verarbeitungseinrichtung 24 im Schritt 48 der
Rekonstruktion und Darstellung des Objekts 26 einen konsistenten
Satz aus Durchleuchtungsbildern und Durchstrahlrichtungen (= Blickwinkel)
erhält.
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Zu
den im vorhergehenden beschriebenen Ausführungsbeispielen existieren
verschiedene Alternativen. So ist es beispielsweise möglich, dass
anstelle der Ansteuereinrichtung 22 die Verarbeitungseinrichtung 24 selbst
die Lagesteuerung der Roboterarme 10 und 14 vornimmt,
und dass die Ansteuereinrichtung beispielsweise lediglich die Protokollierungsaufgabe übernimmt,
um die tatsächlich
eingenommenen Lagepositionen der Roboterarme bzw. von Strahlungsquelle 18 und
Strahlungsempfänger 20 für die Rekonstruktion
durch die Verarbeitungseinrichtung 24 zu erfassen und protokollieren.
Auf ähnliche
Weise ist es nicht unbedingt erforderlich, dass der Bewegungsablauf
der Roboterarme 10 und 14 vorab einprogrammiert
wird. Vielmehr kann es auch vorgesehen sein, dass beispielsweise
die Verarbeitungseinrichtung 24 die einzunehmende Stellung
von Quelle 18 und Empfänger 20 denselben
online während
der Messung vorgibt.
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Der
Bewegungsablauf, der den Roboterarmen 10 und 14 vorgegeben
wird, kann neben obigen Nebenbedingungen, wie z. B. der Aufeinanderausrichtung
von Quelle 18 und Empfänger 20,
beispielsweise noch an folgende Nebenbedingungen geknüpft sein.
Beispielsweise weist die Ansteuereinrichtung 22 zwei Betriebsmodi
auf, wobei bei dem ersten der zwei Betriebsmodi die Strahlungsquelle 18 und
der Strahlungsempfänger 20 so
bewegt werden, dass sich dieselben um eine gemeinsame Achse mit einem
jeweils festen Abstand bewegen (axiales Verfahren), und bei dem
zweiten der Betriebsmodi die Strahlungsquelle 18 und der
Strahlungsempfänger 20 so
bewegt werden, dass sich dieselben in jeweiligen Ebenen, die parallel
zueinander sind, parallel zueinander bewegen (planares Verfahren).
Im erstgenannten Fall beschreiben Quelle 18 und Empfänger 20 beispielsweise
eine oder mehrere vollständige Kreisbahnen
bzw. Drehungen oder eine oder mehrere Kreisbögen bzw. Teildrehungen um das
Objekt 26. In dem Fall mehrerer Voll- oder Teilkreisbahnen
können
diese um verschiedene und insbesondere nicht-parallele Drehachsen
definiert sein, beispielsweise je nach dem, welche Kombination von
Durchleuchtungsebenen und Drehbewegungen innerhalb dieser Ebenen
zu einem ausrechenden Rekonstruktionsergebnis bei kürzestem
Messablauf ergeben. Diese Kreisbögen
können
wiederum natürlich
anhand eines CAD-Modells des Objekts 26 ermittelt werden.
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Obwohl
im obigen Ausführungsbeispiel
davon ausgegangen wurde, dass die Vorrichtung dazu verwendet wird,
große
Objekte, wie z. B. Flugzeugturbinen, Kraftwerksturbinen oder Brückenpfeiler,
zu durchleuchten, und deshalb die Vorrichtung an den Standort des
zu durchleuchtenden Objekts 26 transportiert wird, ist
es auch möglich,
die Vorrichtung fest zu installieren, und mit dieser Objekte 26 zu
durchleuchten, die man zum Standort der Vorrichtung bringen kann.
In diesem Fall ist eine Definition des gemeinsamen Koordinatensystems
für die
Roboterarme 10 und 14 und die Kalibrierung der
Vorrichtung im Schritt 44 nur einmal, nämlich während der einmaligen Installation
der Vorrichtung nötig.
So ist es beispielsweise vorstellbar die Vorrichtung bei der Fertigung
von Maschinenteilen, wie z. B. Motorblöcken, einzusetzen um hier eine
Kontrolle der Maschinenteile auf Risse, Schwachstellen, Materialfehler
und dergleichen durchzuführen.
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Obwohl
im obigen Ausführungsbeispiel
davon ausgegangen wurde, dass die Programmierung der Durchstrahlungssequenz
zeitlich vor einem eventuellen Transport der Vorrichtung und deren
Aufbau an dem Standort des zu durchstrahlenden Objektes 26 erfolgt,
ist es auch möglich,
dass die Programmierung der Durchstrahlungssequenz zusammen mit
der Kalibrierung der Vorrichtung erst nach einem eventuellen Transport
der Vorrichtung und deren Aufbau am Standort des Objektes 26 stattfindet.
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Abhängig von
den Gegebenheiten kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Darstellung
eines Objekts mittels Durchstrahlung in Hardware oder in Software
implementiert werden. Die Implementierung kann auf einem digitalen
Speichermedium, insbesondere einer Diskette, einer CD oder einer
DVD, mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die so
mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, dass
das Verfahren zur Darstellung eines Objekts mittels Durchleuchtung
ausgeführt
wird. Allgemein besteht die Erfindung somit auch in einem Softwareprogrammprodukt bzw.
einem Programmprodukt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten
Programmcode zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
wenn das Softwareprogrammprodukt auf einem Rechner oder auf einem
Prozessor abläuft.
In anderen Worten ausgedrückt
kann die Erfindung somit als ein Computerprogramm bzw. Softwareprogramm
bzw. Programm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens realisiert
werden, wenn das Programm auf einem Prozessor abläuft. Der
Prozessor kann hierbei von einem Computer, einer Chipkarte (Smartcard)
oder einem anderen integrierten Schaltkreis gebildet sein.