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Gegenstand
dieser Erfindung ist ein variables Rahmensystems zur Fixierung von
Messobjekten für
die optische Messtechnik (3D-Digitalisierung).
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein möglichst flexibles
System zur Aufnahme und Fixierung unterschiedlicher Messobjekte
zu schaffen, das gleichzeitig die erforderlichen Registrierelemente
aufnimmt.
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Bereits
bekannt sind Rahmen mit fixen Abmessungen, die ähnlich einem Bilderrahmen aufgebaut
oder aus vollem Material hergestellt sind. Die Rahmenseiten weisen
ein durchgängiges
Profil auf. Die Rahmen können
mit Klebemarken (runde selbstklebende reflektierende Folien) versehen
sein.
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Problematisch
bei dieser Rahmenausführung
ist, dass jeweils ein Rahmen in fixer Baugröße für gleiche Größen und
Formen von Messobjekten zur Verfügung
steht. Die Fixierung erfolgt jeweils z. B. mit abgelängten Gewindestangen
und Schraubmuttern sowie Klebstoff oder Knetmasse für die Messobjektbefestigung.
Die glatten Profile der Rahmen weisen keine geometrischen Merkmale
(z. B. Vertiefungen oder Erhöhungen)
zur Registrierung auf.. Für Messobjekte
mit anderen Abmessungen muss jeweils eine neuer Rahmen in der Werkstatt
in Sonderanfertigung mit entsprechender langer Vorlaufzeit und Fertigungszeit
gefertigt werden.
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Hier
soll die Erfindung Abhilfe schaffen, indem durch die Verwendung
eines Baukastensystems mit variablen Rahmenelementen, Fixierelementen und
Registrierelementen bei der 3D Digitalisierung zeitnah zu dem Messauftrag
mit den damit verbundenen Messobjektabmessungen eine Arbeitsumgebung
erstellt werden kann, die zu einer zeitsparenden und insbesondere
fehlerfreien Durchführung
des Auftrages erforderlich ist, wie zum Beispiel die Erfassung der
Objekte von allen Seiten insbesondere der Vorder- und Rückseite.
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Optische
Technologien gehören
zu den zukunftsträchtigen
Technologien in Europa und weltweit. 3D-Datenerfassung, Analyse und Verarbeitung der
digitalen Daten gewinnen zunehmend an Bedeutung in zahlreichen Gebieten
von Wissenschaft und Technik. Zudem nimmt die optische Messtechnik heute
bei vielen Firmen in der Qualitätssicherung
stetig an Bedeutung zu. Sie verdrängt oder ergänzt dabei
noch weitgehend unbemerkt die klassischen Lösungen. Die heute vorliegenden
Verfahren zur optischen 3D-Messtechnik sind ausgereift, wenn es
sich um stationäre,
häufig
immer wiederkehrende Messaufgaben handelt.
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Die
mobilen tragbaren Geräte
(3D Scanner), die im vorliegenden Fall zur 3D-Digitalisierung zum Einsatz
kommen, arbeiten vorwiegend nach dem Prinzip der Laser- oder Streifenlichttriangulation. Durch
mehrfache Positionierung wird – ähnlich einer Sprühpistole – die Oberfläche flächendeckend
aus Einzelscanns erfasst. So wird durch das 3D-Scannen eine große Menge
an Koordinaten von genau vermessenen Oberflächenpunkten erhalten, die so
genannte Punktewolke. Danach werden diese einzelnen Punktewolken
zur kompletten Messobjekt-Oberfläche
miteinander verbunden. Dieser Vorgang wird als „Meshing" oder „Registration" bezeichnet. Die
Beschreibung der Oberfläche
wird im nachfolgenden Arbeitsschritt softwaretechnisch durch aneinander liegende
Dreiecke, sogenannte „Polygone", definiert. Ein
geeignetes Stativ ermöglicht
die jeweilige feste Positionierung des 3D Scanners während des
einzelnen Scannvorgangs. Als Einsatzort kann für diese Lösung ein Arbeitsplatz im Büro, Labor,
Werkraum, in der Produktionshalle oder im Außenbereich in Frage kommen.
In Kombination mit einem Roboter wird ein hoher Automatisierungsgrad
erreicht. Insbesondere in der Qualitätssicherung findet die Prüfung der
in der Serienfertigung hergestellten Produkte statt.
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Die
Aufnahme bzw. die Datenerfassung der Messobjekte erfolgt sowohl
bei dem manuellen Scann am Stativ als auch bei der automatisierten
Erfassung mit dem Roboter aus verschiedenen Positionen in mehreren
Einzelscanns, welche in einem nachgelagerten Arbeitschritt mittels
einer Software am Computer zu einem Objekt zusammengesetzt werden
müssen.
Für das
genaue Zusammensetzen der einzelnen Scanns zu einem 3D-Objektbild
benötigt
die eingesetzte Software geometrische Anhaltspunkte bzw. Unstetigkeiten.
Zu diesem Zweck werden beim Scannen Registrierungsmarken eingesetzt. Zu
Auswertung und zum Zusammensetzten der Einzel-Scanns (Meshing, Registration)
findet im Weiteren ein spezieller Algorithmus seine Anwendung. Die Problematik
besteht darin, dass zurzeit, vor allem beim Scannen am Stativ kein
automatischer bzw. direkter Zusammenhang zwischen den Verfahrkoordinaten
der aufnehmenden Optik und den Koordinaten des Messobjektes durch
die Software hergestellt werden kann. Bei der Roboterhandhabung
ist zwar eine Verrechnung mittels der Roboterkoordinaten möglich. Die
Verrechnung über
die absoluten Roboterkoordinaten ist aber zu ungenau. Zur vollflächigen Erfassung
der Objektgeometrien muss zwischen den einzelnen Scanns in der jeweils
benötigten
Perspektive neu positioniert werden, um eine vollständige Aufnahme
des Objektes zu gewährleisten.
Um die gewonnen Daten in den folgenden Arbeitschritten nutzen zu
können,
werden die Registrierungsmarken momentan direkt auf dem zu scannenden
Objekt angebracht und mitgescannt. Diese Vorgehensweise erfordert
weitere zusätzliche
Verarbeitungsschritte in der Software, da die Registrierungsmarken
in den Bereichen, in denen sie mit aufgenommen wurden, manuell von
der gescannten Oberfläche
entfernt werden müssen.
Hieraus erwächst
das Problem, dass die Software die von der Registrierungsmarke verdeckten
Flächenstücke im nächsten Schritt
mittels Interpolation auffüllen
muss. Diese aufgefüllten
Flächen
sind durch die Streuung der Berechnung meist fehlerhaft und resultierend
wird die Genauigkeit der digitalen Daten beeinflusst. Weiterhin
ist eine genaue Zuordnung von Vorder- und Rückseite z. B. eines Blechteils
oder Kunststoffgehäuseteils
ohne Hilfsobjekte nicht möglich.
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Das
auf diese Erfindung basierende Rahmensystem mit im Rahmen integrierten
oder auf diesen aufgebrachten Registriermarken soll die Verarbeitung
der digitalen Daten wesentlich beschleunigen und deren Genauigkeit
hinsichtlich des physikalischen Gegenstücks verbessern. Die Registrierungsmarken
werden nicht mehr direkt auf dem zu scannenden Objekt angebracht
und trotzdem mitgescannt und ein wesentlicher Vorteil dieser Erfindung ist
durch die sonst nicht mögliche
exakte fehlerfreie Zuordnung von Vorder- und Rückseite des Messobjektes über die
exakte Rahmendicke gegeben. Zudem ist durch Steck- und Schraubverbindungen
der einzelnen Komponenten eine möglichst
einfach montierbare und demontierbare und portable Lösung gegeben.
Die gewählten
Fixierelemente sind so gestaltet, dass Objekte verschiedener Geometrien
einfach positioniert bzw. gehandhabt wenden können. Die Problematik liegt
in der Vielfalt in Form, Gestalt und Werkstoff der aufzunehmenden
Objekte.
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Die 1 bis 5 zeigen
Ausführungsbeispiele
des erfindungsgemäßen variablen
Rahmensystems.
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1 zeigt
das Rahmensystem mit einem darauf fixierten Messobjekt,
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2 zeigt
ein einfaches Fixierungselement,
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3 zeigt
ein mehrgliedriges Fixierungselement,
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4 zeigt
Registrierungselemente und Trägerelemente,
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5 zeigt
weitere Trägerelemente.
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1 zeigt
ein Rahmensystem mit mehrgliedrigen Fixierelementen, die ein exemplarisches Messobjekt
fixieren, sowie Registrierelemente, die am Rahmensystem angebracht
sind. Im gezeigten Beispiel sind vier mehrgliedrige Fixierelemente
mit einer Befestigungsscheibe mit einem Schlossbolzen für Schnellverbinder
auf der Oberseite des Rahmens befestigt. Magnetische Endstücke der
Fixierelemente halten und positionieren ein exemplarisches Messobjekt
(Bahnschienenklammer) aus Stahl in der zu scannenden Position. Acht
exemplarisch angebrachte Registrierelemente unterstützen den
Registriervorgang beim Einscannen.
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2 zeigt
ein mechanisches Spannelement, das sich direkt in der Ebene des
Rahmens befindet. Es verfügt über zwei
Freiheitsgrade, wobei die Rotation hier irrelevant ist. Die translatorische
Bewegung lässt
sich über
die gerasterte Distanzstange mit Griff (2. 1)
und das im gezeigten Quader-Profil (2. 2)
eingeschraubten Klemmglied (2. 3) bewerkstelligen.
Das Ende der Distanzstange ist mit einem Gewinde versehen, an welchem
Endstücke (2. 4)
zur Aufnahme und Positionierung der Messobjekte im Rahmensystem
aufgeschraubt werden können.
Diese in (2. 4) dargestellten
Endstücke
sind in vier unterschiedlichen Ausführungen ausgebildet, um die
zu scannenden Messobjekte in der gewünschten Position zu haltern.
Alternativ zu einem einfachen konischen Körper zur adhäsiven Fixierung
der Messobjekte am Endstück
kann ein Endstück
mit eingelassenem Industriemagneten zum Einsatz kommen. Weitere
Möglichkeiten
sind eine Elastomerspitze oder ein Druckstück mit Kugel zur elastischen
Fixierung der Messobjekte.
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3 zeigt
ein Fixierelement welches mittels der Befestigungsscheiben (3. 1)
zur Fixierung von Aufsatzteilen am Rahmen angebracht wird. Auf der
Befestigungsscheibe sitzt ein Schwenk-Stütz-Arm, welcher in Abbildung 3 Pos. 1–6 dargestellt
ist. Durch die vorhandenen Gelenke und die Drehbarkeit der Befestigungsscheibe ist
die Konstruktion flexibel gestaltet, und das Fixierungselement 3 gewährleistet
die Aufnahme und die Positionierung verschiedener Objekte im Rahmen.
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Eine
größere Flexibilität der Fixierelemente macht
eine bessere Positionierung der Messobjekte im Rahmen möglich und
trägt damit
zur besseren Erfüllung
der Aufgabe des Systems bei. Die Aufnahme der Messobjekte am Ende
des Stützarmes
ist ebenso wichtig, da diese meist mitgescannt werden und sich nicht
als störend
erweisen dürfen
und gleichzeitig die zu scannenden Objekte gut tragen müssen. Abbildung 3 zeigt
den Stützarm,
der aus vier Gliedern (Elementen Pos. 1–Pos. 5) besteht und
die angegebenen Freiheitsgrade (Pfeile), die die Glieder beim Einspannen
besitzen. Die Besonderheit liegt in den Gliedern Pos. 3 und
Pos. 4, die ineinander greifen und mit einer Arretierschraube
zusammengehalten werden. Die 3 greift das
Prinzip des Konzeptes 2 mit den wechselbaren Endstücken (3. 6) mit
einer Aufnahme mittels eines Innengewindes (3. 5)
auf. Die Endstücke
(3. 6) unterscheiden sich, wie auch im
Konzept 2 nach der Art der Fixierung der zu scannenden
Messobjekte. Es kann eine Klebkraft, eine Magnetkraft oder eine
Federkraft als Elastomerspitze oder federnde Kugel zur Fixierung
eingesetzt werden. Hierbei ist lediglich das Innengewinde zur Befestigung
der Endstücke
zugunsten der einfacheren Fertigung zu einem Außengewinde umgestaltet
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4 zeigt
eine Registrierungsmarke (4. 1). Es handelt sich
hierbei um einen beispielsweise quadratischen Grundkörper (a-a),
dessen Seite bzw. Oberfläche
zu einer „inversen
Pyramide" mit einer
beispielsweiser Neigung von 20° geformt
ist. Dieser quadratische Grundkörper
kann auch zu beliebig vielen Pyramiden seitlich stabförmig aneinander
gereiht oder aus einem Stück
gefertigt sein. Diese Oberflächenstruktur
bildet die später
bei der optischen Erfassung der Messobjekte benötigten geometrischen Unstetigkeiten
zur Weiterverarbeitung des Scanns.
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5 zeigt
ein U-förmiges
Gusselement (Abbildung 5. 4), das beispielsweise
auf den Profilen angebracht wird. Es umschließt das Profil mit drei Seiten,
wobei die auf den Innenflächen
der Schenkel befindlichen Stege in die Bohrungen der Profile eingesetzt
werden und somit den Träger
in den Bohrungen zentrieren und fixieren.
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Weitere
Möglichkeiten,
die Registriermarken direkt auf den Profilen aufzubringen, sind
in Abbildung 5 Pos. 1–3 zu
sehen. Alle drei der hier ausgearbeiteten Lösungen der Trägerplatten
werden in den Bohrungen der Profile positioniert. Die Basis der Trägerplatte
bildet eine quadratische Grundplatte, die zwecks Aufnahme der Registriermarken
eine Aussparung auf der Oberseite besitzt. In dieser kann die Registriermarke
entweder durch Kleben oder mittels eines eingesenkten Magneten fixiert
werden. Davon abweichend kann solch ein Element, bestehend aus Trägerelement
und Registriermarke, beispielsweise auch aus einem Stück oder
mehreren ineinander befestigten Stücken aus vollem Material gefertigt
sein. Über
den unterhalb der Grundplatte befindlichen Zapfen kann die Trägerplatte
beispielsweise in den Bohrungen der Profile positioniert und fixiert
werden. Bei Version A in Abbildung 5. 1 ist
beispielsweise der Zapfendurchmesser mit einer Übermaßpassung gestaltet. Somit soll
nach dem Aufstecken der Registrierelemente ein Zusammenhalten der
beiden Elemente durch Kraft- bzw. Reibschluss gewährleistet werden.
Die Zapfen der Versionen B und C hingegen sind mit einem Bolzen
oder Gewinde gestaltet. Durch Kompatibilität zu den Profilen kann der
Registriermarkenträger
der Version B mit einem Schloss und der der Version C mit einer
Mutter in einer Bohrung des Profils fixiert werden.
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Die
Lösung
gemäß 5 Pos. 5–6 zielt
darauf ab, die Registriermarken im Rahmensystem auf den Fixierelementen
anzubringen. Hier ist eine Möglichkeit
dargestellt, die Registriermarkenträger auf dem Schwenk-Stütz-Arm der
oben konzipierten Lösungen
der Fixierelemente durch Kraft- bzw. Reibschluss (Version A) oder
durch Formschluss (Version B) zu fixieren. Die Aufnahme der Registriermarken
ist mit den oben beschriebenen Trägern (5 Pos. 1–3)
identisch.