DE102012107591B4

DE102012107591B4 - Verfahren sowie Vorrichtungssystem zur Bestimmung einer Oberflächenform eines Messobjekts

Info

Publication number: DE102012107591B4
Application number: DE102012107591.3A
Authority: DE
Inventors: Stephan Bichmann; Guilherme Francisco Mallmann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2012-08-20
Filing date: 2012-08-20
Publication date: 2015-02-05
Anticipated expiration: 2032-08-21
Also published as: DE102012107591A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung einer Oberflächenform eines Messobjekts (11, 21, 31, 41) mit einer berührungslosen Messmethode zur dreidimensionalen Formermittlung, bei dem die zu bestimmende Messobjektoberfläche zumindest bereichsweise mit mindestens einer Messfolie (14, 34, 44) abgedeckt wird, welche eine zur Durchführung der Messmethode geeignete Messfolienstruktur aufweist, und die Messmethode auf die mit der mindestens einen Messfolie (14, 34, 44) abgedeckte Messobjektoberfläche angewandt wird, wobei als Messmethode Photogrammetrie eingesetzt wird, wobei die mindestens eine Messfolie (14, 34, 44) mindestens ein Messmuster (47) oder einen Teil eines Messmusters (47) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Messfolie derart aufgelegt wird, dass die Messfolienstruktur zur Erzeugung des mindestens einen Messmusters (47) oder eines Teils eines Messmusters (47) auf der dem Messobjekt (11, 21, 31, 41) zugewandten Seite der mindestens einen Messfolie (14, 34, 44) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 2 und des Weiteren eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7 sowie ein Vorrichtungssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 15.
Es ist allgemein bekannt, Oberflächenformen berührend oder berührungslos zu bestimmen. Die berührende 3D-Messtechnik hat diverse Nachteile, zu denen insbesondere Oberflächenbeschädigungen durch die mechanische Wechselwirkung zwischen dem Messsystem und der Messobjektoberfläche sowie die in der Regel lange Messzeit gehören. Deshalb werden berührende 3D-Messtechniken oft nur zur Stichprobenmessung eingesetzt werden.
Für die berührungslose Bestimmung einer Oberflächenform sind diverse Messmethoden bekannt, die die Wechselwirkung elektromagnetischer Strahlung mit der zu vermessenden Oberfläche ausnutzen. Hierzu gehören z.B. triangulationsbasierte, deflektometrische, konfokale und interferometrische Messmethoden oder auch Methoden unter Einsatz computergenerierter Hologramme. Je nach Methode wird die Oberfläche von mindestens einem Lichtpunkt abgescannt oder flächenhaft beleuchtet.
Welche Messmethode geeignet ist, kann von der Oberflächenform selbst abhängen, aber auch von der Struktur der Oberfläche. Unter der Struktur einer Oberfläche wird hier deren mikroskopische Struktur verstanden, die die Wechselwirkung mit Licht oder sonstiger in der Messmethode genutzter elektromagnetischer Strahlung bestimmt, nicht die zu bestimmende makroskopische Oberflächenform. Somit kann die Oberflächenstruktur die Auswahl der Messmethode einschränken. Beispielhaft wird im Folgenden der Fall betrachtet, dass die zu vermessende Oberfläche zumindest zum Teil für die bei einer Messmethode genutzte elektromagnetische Strahlung spiegelnd und/oder transparent ist, wodurch prinzipbedingte Einschränkungen für die Messmethodenwahl gegeben sind.
So wird bei transparenten oder überwiegend transparenten Materialien nur wenig Strahlung reflektiert, da die gesamte oder der überwiegende Teil der Strahlung durch die Messobjektoberfläche hindurch tritt. Der allenfalls geringe Anteil der Strahlung, der über Total- oder Fresnelreflexion von der Oberfläche reflektiert wird, reicht für eine Messung aufgrund mangelnder Intensität und/oder einer ausschließlich gerichteten Reflexion oftmals nicht aus.
Bei spiegelnden Oberflächen entfällt zwar die Transmission jedoch sind die Reflexionen ausschließlich gerichteter Art, wodurch diverse Messmethoden nicht in Frage kommen. Bei spiegelnden Freiformoberflächen sind z.B. deflektometrische Messmethoden allgemein bekannt, die gezielt die Totalreflexion am Prüfling ausnutzen und wesentlich flexibler als Formprüfinterferometer sind. Es ist z.B. bekannt, bestimmte Muster, z.B. streifenartige oder schachbrettartige Muster, über eine Reflexion der Messoberfläche auf den Detektor zu projizieren. Bei üblichen Messeinrichtungen deckt die zugehörige Detektorfläche jedoch nur einen sehr begrenzten Raumwinkel ab, so dass in der Regel bei steilen Oberflächenneigungen ein gerichtet reflektierter Messstrahl am Detektor vorbeiläuft. Daher versagt das Messprinzip in der Regel an steilen Oberflächenneigungen größer als 10°. Eine Auswertung ist dann nicht möglich. Alternativ müssten besondere und damit kostenaufwändige Maßnahmen getroffen werden, um mit dem Detektor oder mehreren Detektoren einen möglichst umfassenden Raumwinkel abzudecken.
Weitere bekannte optische Messmethoden, wie z.B. solche, die auf dem Prinzip der Interferometrie mit Referenzflächen oder computergenerierten Hologrammen oder auf konfokalen Prinzipien beruhen, sind bei transparenten oder spiegelnden Objektoberflächen entweder auf bestimmte geometrische Ausgestaltungen des Messobjekts eingeschränkt, nämlich typischerweise sphärisch oder plan, oder mit besonderem Aufwand verbunden. Im Falle der Nutzung von computergenerierten Hologrammen muss z.B. deren höhere Geometrieflexibilität durch hohe Herstellkosten der Hologramme sowie die Festlegung auf exakt eine Geometrie erkauft werden.
Neben der oben erwähnten Deflektometrie gibt es weitere triangulationsbasierte Messverfahren, die sehr flexibel eingesetzt werden können. Grundvoraussetzung ist dort allerdings wiederum eine diffuse Strahlungsreflexion an der Objektoberfläche, weshalb diese Methoden bei transparenten oder spiegelnden Messobjekten versagen.
Als mögliche Lösung für spiegelnde oder transparente Messobjekte ist es bekannt, diese mit einem Pulverspray zu besprühen. Dies führt zu einer nicht mehr transparenten oder spiegelnden Oberfläche und ermöglicht eine diffuse Reflexion. Nachteilig ist allerdings, dass die Messobjektoberfläche durch diese Behandlung stark verschmutzt wird, so dass anschließend ein intensiver Reinigungsvorgang notwendig wird, der Zeit- und damit Kostenaufwand mit sich bringt sowie zusätzlich die Gefahr der Oberflächenbeschädigung.
Aus der US 5,569,342 A ist ein Verfahren der eingangs genannten Art bekannt, bei dem die in ihrer dreidimensionalen Form zu bestimmende Messobjektoberfläche mit einer Messfolie abgedeckt wird. Dabei wird vorzugsweise von einer einheitlichen Dicke der Folie ausgegangen, die jedoch z.B. infolge von Dehnungen veränderbar ist.
Aus der DE 44 17 872 A1 ist ein Verfahren zur optischen Digitalisierung von Gliedmaßen und Körperteilen bekannt, bei denen der Körperteil mit einem eng anliegenden Überzug überzogen wird. Das Problem der Dicke des Überzugs wird nicht angesprochen.
Die DE 102 30 494 A1 offenbart ein Verfahren zur dreidimensionalen Vermessung von Oberflächen, bei dem zu Beginn des Messvorganges eine weiche, elastische Membran über den zu vermessenden Teil der Objektoberfläche gestülpt wird. Auch hier werden mögliche Ungenauigkeiten aufgrund der Dicke der Membran vernachlässigt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie ein Vorrichtungssystem der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, welche die Genauigkeit der dreidimensionalen Formbestimmung von Oberflächen bei aufgelegter Messfolie verbessert.
Bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 2 durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 2 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verfahren ergeben sich aus den abhängigen Verfahrensansprüchen 3 bis 6.
Demnach wird das Verfahren mit einer berührungslosen Messmethode zur dreidimensionalen Formermittlung durchgeführt, bei dem die zu vermessende Messobjektoberfläche mit mindestens einer Messfolie abgedeckt wird, welche eine zur Durchführung der Messmethode geeignete Messfolienstruktur aufweist, und die Messmethode auf die mit der mindesten einen Messfolie abgedeckten Messobjektoberfläche angewandt wird.
Die Messfolienstruktur bestimmt die Art und Weise der Wechselwirkung der Messfolie mit der genutzten elektromagnetischen Strahlung. Durch die Abdeckung der Oberfläche des Messobjekts oder eines Teils hiervon mit mindestens einer geeigneten Messfolie wird eine Oberflächenstruktur zur Verfügung gestellt, die auf die gewünschte Messmethode abgestimmt ist. Auf diese Weise können bislang gegebene prinzipbedingte Einschränkungen in der Wahl der Messmethode entfallen.
Die Abdeckung erfolgt dabei vorzugsweise so, dass die Messfolie unmittelbar auf der zu vermessenden Messobjektoberfläche, welche ein Teilbereich der gesamten Oberfläche des Messobjekts sein kann, aufliegt, d. h. ohne oder zumindest im Wesentlichen ohne Abstand oder Einschlüsse, z.B. Lufteinschlüsse oder Falten. Auf diese Weise bestimmt die Oberflächenform des Messobjekts die Form der dem Messobjekt abgewandten Messfolienoberfläche im abdeckenden Bereich. Damit kann, obwohl die Messmethode nicht unmittelbar auf die Messobjektoberfläche sondern auf den abgedeckten Bereich der Messobjektoberfläche oder auf einem Teilbereich hiervon angewandt wird, die Oberflächenform des Messobjekts ermittelt werden.
Bei der Verwendung mehrerer Messfolien können diese auf der Messobjektoberfläche nebeneinander eingesetzt werden, um unterschiedliche Bereiche der Messobjektoberfläche abzudecken. Eine Mehrzahl von Messfolien könnte z.B. sinnvoll sein, um Faltenbildungen zu vermeiden. Es ist auch möglich nacheinander unterschiedliche zu vermessende Oberflächenbereiche eines Messobjekts erfindungsgemäß mit Messfolie abzudecken und die Messmethode jeweils auf die abgedeckten Bereiche oder auf einen Teil des abgedeckten Bereichs anzuwenden
Gemäß dem Verfahren des Anspruchs 1 wird als Messmethode die Photogrammetrie eingesetzt. Hierbei wird die dreidimensionale Oberflächenform anhand mindestens zweier photografischer Aufnahmen aus unterschiedlichen Richtungen ermittelt. Eine hierfür geeignete Messfolie kann Messmuster aufweisen, die vorteilhaft kontrastreich ausgebildet sein können. Dabei werden die Messmuster auf der Unterseite mindestens einer ansonsten zumindest teiltransparenten Messfolie vorgesehen. Da in diesem Fall die Messmuster bei die Messobjektoberfläche abdeckender Messfolie unmittelbaren Kontakt zur Messobjektoberfläche aufweisen oder ihr zumindest sehr nahe sind, kann für die Ermittlung der Form der abgedeckten Messobjektoberfläche die lokale Dicke der abdeckenden Messfolie vernachlässigt werden. Als Messmuster können z.B. Streifen- oder Schachbrettmuster vorgesehen werden sowie Passmarken, wie sie beispielhaft aus der Photogrammetrie bereits bekannt sind.
Gemäß dem unabhängigen Anspruch 2 ist es vorgesehen, die Foliendicke bei der Auswertung der Messung zu berücksichtigen. Im Falle der Verwendung von Messmustern werden diese dann auf der dem Messobjekt abgewandten Oberfläche der mindestens einen Messfolie aufgebracht.
Es kann auch vorgesehen werden, die zu vermessende Messobjektoberfläche mit mindestens einer Messfolie abzudecken, die eine von der gewählten Messmethode eingesetzte elektromagnetische Strahlung allgemein diffus streut. Messmethoden, die eine diffus streuende Oberfläche erfordern oder für die eine diffus streuende Oberfläche vorteilhaft ist sind z.B. triangulationsbasierte Messmethoden, beispielsweise die Lasertriangulation, Lichtschnittverfahren oder Streifenprojektion, wie z.B. die Weißlicht-Streifenprojektion.
Die erfindungsgemäße Verwendung der Messfolie erlaubt somit grundsätzlich den Einsatz jeglicher elektromagnetische Strahlung nutzender Messmethode für beliebige Messobjekte. Die elektromagnetische Strahlung kann je nach Messmethode aktiv erzeugt oder durch das Umgebungslicht zur Verfügung gestellt werden. Es ist lediglich die für die Messmethode geeignete Messfolienstruktur zu verwenden, die sich aus der Messmethode unmittelbar ergibt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere vorteilhaft für die Formmessung von Messobjekten mit einer Oberfläche, die für die eingesetzte Strahlung zumindest zum Teil spiegelnd und/oder transparent ist. Darüber hinaus ist es aber auch denkbar, bei bereits diffus streuender Oberfläche eines Messobjektes mindestens eine Messfolie einzusetzen, z.B. um durch zusätzliche, z.B. kontrastreiche, Messmuster die Messmöglichkeiten zu verbessern.
Die Messfolie kann händisch oder mit mechanischen Hilfsmitteln auf das Messobjekt aufgebracht werden. Alternativ ist denkbar, bei geeigneten Materialien von Messobjekt und Messfolie adhäsive Methoden, z. B. die Elektroadhäsion. vorzusehen.
Es kann vorteilhaft sein, das erfindungsgemäße Verfahren so auszuführen, dass zum Aufbringen der Messfolie auf das Messobjekt die Messfolie mittels einer Druckdifferenz zwischen zwei an der Messfolie angrenzenden Räumen auf zumindest einen Teilbereich der Messobjektoberfläche gepresst wird. Hierfür können Messfolie und Messobjekt vor Anwendung der Druckdifferenz bereits miteinander in Kontakt gebracht werden. Die Messfolie kann aber auch bei Anwendung der Druckdifferenz erstmalig in Kontakt zum Messobjekt gelangen.
Werden dreidimensionale Formen mit der Messfolie abgedeckt, muss mitunter die Messfolie in eine Kavität hineingedrückt oder über eine Erhöhung gespannt werden. Dabei kann es im Falle einer dehnfähigen Messfolie zu Dehnungen kommen, die zu lokal unterschiedlichen Dicken der abgelegten Messfolie führen. Die Dickenschwankungen können z.B. etwa 5 bis 10 µm betragen. Diese sich daraus ergebenden geringen Messungenauigkeiten sind für viele Anwendungen nicht relevant.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann aber auch so ausgeführt werden, dass die Dicke der aufgebrachten Messfolie mittels einer Kalibriermessung an einem in seiner Oberflächenform bekannten Masterobjekt ermittelt wird. Dabei wird die Messfolie zunächst in der gleichen Art und Weise, wie sie beim Messobjekt vorgesehen wird, zuvor am Masterobjekt aufgelegt, wobei das Masterobjekt in seiner bekannten Oberflächenform dem Messobjekt ähnlich ist. Die sich ergebenden Dickenschwankungen können am Masterobjekt, z. B. in Abhängigkeit von Steigungen, Konvexität oder Konkavität eines Oberflächenbereichs, ermittelt und auf das tatsächliche Messverfahren am Messobjekt übertragen werden, so dass zur Erhöhung der Messgenauigkeit auch Dickenschwankungen der abgelegten Messfolie berücksichtigt werden können.
Es kann des Weiteren vorteilhaft sein, die mindestens eine Messfolie für den Abdeckvorgang zu erwärmen. Hierdurch kann bei geeignetem Messfolienmaterial, z.B. Kunststoff, eine Verformbarkeit der Messfolie erreicht werden, die ein faltenreduziertes oder faltenfreies Ablegen auch bei komplexeren Oberflächenformen, z.B. Freiformen, erlaubt. Die Erwärmung der Messfolie kann vor ihrem Ablegen auf der Messoberfläche, während des Ablegens oder nach dem Ablegen erfolgen. Zur Erwärmung kann z.B. ein Warm- oder Heißluftgebläse oder Wärmestrahlung eingesetzt werden.
Bei einer Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7 wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 7 und bei einem Vorrichtungssystem gemäß dem Anspruch 15 durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 15 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung ergeben sich aus den Ansprüchen 8 bis 14, vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Vorrichtungssystems aus den Unteransprüchen 16 bis 22.
Insbesondere kann es vorteilhaft sein, eine Messfolie einzusetzen, die dehnbar ist. Eine dehnbare Messfolie erleichtert das Abdecken dreidimensionaler Oberflächenformen ohne Faltenbildung, z. B. beim Abdecken konkaver oder konvexer Bereiche, oder kann zumindest die Faltenbildung reduzieren.
Als Material für die Messfolien kann Kunststoff eingesetzt werden, bevorzugt Latex oder Polyurethan.
Es kann vorteilhaft sein, für die Messfolie eine Maximaldicke von höchstens 150 µm vorzusehen. Weiter bevorzugt sind maximale Dicken von 100 µm, 75 µm oder 50 µm.
Zum Auflegen der Messfolie mittels Unterdruck können für das erfindungsgemäße Vorrichtungssystem Mittel zur Erzeugung einer Druckdifferenz zwischen zwei an der Messfolie angrenzenden Räumen vorgesehen werden.
Dabei kann es vorteilhaft sein, das Vorrichtungssystem so auszubilden, dass die Mittel zur Erzeugung der Druckdifferenz eine an eine Vakuumpumpe angeschlossene Unterdruckkammer umfassen, wobei die Messfolie Teil der die Unterdruckkammer gegen den Umgebungsdruck begrenzenden Unterdruckkammerwandung ist. Hierzu kann das Messobjekt in die Unterdruckkammer eingebracht werden. Das Messobjekt kann dabei mit seiner zu vermessenden Oberfläche gegen die Messfolie gedrückt werden. Durch den anschließend in der Unterdruckkammer erzeugten Unterdruck legt sich die Messfolie an die Messobjektoberfläche an, wobei idealerweise Einschlüsse des in der Unterdruckkammer befindlichen Mediums, z.B. Luft, zwischen der Messfolie und der Messobjektoberfläche vermieden werden.
Alternativ kann das Vorrichtungssystem so ausgebildet werden, dass die Mittel zur Erzeugung der Druckdifferenz eine an eine Druckpumpe angeschlossene Überdruckkammer umfassen, wobei die Messfolie Teil der die Überdruckkammer gegen den Umgebungsdruck begrenzenden Überdruckkammerwandung ist. Das Messobjekt befindet sich dabei außerhalb der Überdruckkammer.
Dabei kann es vorteilhaft sein, das Vorrichtungssystem so auszubilden, dass mindestens eine zur Messeinrichtung gehörende Strahlungsquelle für die elektromagnetische Strahlung sowie mindestens ein zur Messeinrichtung gehörender Strahlungsdetektor für die elektromagnetische Strahlung in der Überdruckkammer angeordnet sind.
Im Folgenden werden anhand von Figuren beispielhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt.
Es zeigt jeweils schematisch
1: eine optische Vermessung eines transparenten Messobjekts gemäß dem Stand der Technik,
2: ebenfalls nach dem Stand der Technik eine optische Vermessung eines spiegelnden Messobjekts,
3: eine ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannte optische Vermessung eines mit einem Pulver beschichteten Messobjekts,
4: das erfindungsgemäße Messverfahren vor dem Ablegen einer Messfolie,
5: das Verfahren nach 4 während des Ablegens der Messfolie,
6: das Messverfahren bei abgelegter Messfolie,
7: das Messverfahren bei abgelegter Messfolie mit alternativer Messobjektform,
8: das Messverfahren mit mittels Unterdruckkammer angepresster Messfolie,
9: das Messverfahren mit mittels Überdruckkammer angepresster Messfolie und
10: ein Photogrammetrieverfahren mit Messfolie.
Die 1 bis 3 verdeutlichen die Probleme, die sich beim Stand der Technik ergeben. Gemäß 1 soll ein transparentes Messobjekt 1 vermessen werden. Eine Messeinrichtung 2 arbeitet mit Laserstrahlung, die durch zwei Laserstrahlen 3a und 3b symbolisiert ist. Die Messeinrichtung 2 weist einen räumlich beschränkten Detektorempfangsbereich 4 auf.
Der Laserstrahl 3a wird an der Oberfläche des Messobjekts 1 nur schwach reflektiert. Der reflektierte Anteil des Laserstrahls 3a würde den Detektorbereich 4 erreichen. Der weitaus größte Anteil des auftreffenden Laserstrahls 3a wird allerdings in das transparente Messobjekt 1 eindringen. Der zweite Laserstrahl 3b trifft auf das Messobjekt 1 in einem solchen Winkel zur Oberfläche, dass der schwache reflektierte Anteil den Detektorbereich 4 nicht erreichen würde. Unter diesen Voraussetzungen sind optische Messmethoden über Bereiche der Messobjektoberfläche mit steiler Oberflächenneigung nicht möglich.
2 zeigt eine ebenfalls zum Stand der Technik gehörende entsprechende Variante bei einem spiegelnden Messobjekt 5. Hier werden die Laserstrahlen 3a und 3b vollständig gerichtet reflektiert. Aber auch hier kann allein der reflektierte Teil des Laserstrahls 3a den Detektorbereich 4 erreichen, der reflektierte Teil des auf einen Oberflächenbereich mit zur Strahlrichtung starker Neigung auftreffenden Laserstrahls 3b läuft am Detektor vorbei.
3 zeigt schließlich das Messobjekt 5 mit einer hier nicht sichtbaren, zum Stand der Technik gehörenden Pulverbeschichtung, die zu einer diffusen Reflexion an der Pulveroberfläche führt. Nunmehr erreichen reflektierte Anteile sowohl des Laserstrahls 3a als auch des Laserstrahls 3b den Detektorbereich 4, so dass eine Messung über den in 3 angedeuteten Bereich des Messobjekts 5 möglich ist. Die Pulverbeschichtung führt allerdings zu unerwünschten Notwendigkeiten in Bezug auf die anschließende Reinigung des Messobjekts 5.
Die 4 bis 6 zeigen ein Vorgehen nach einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens. Eine Messeinrichtung 12 entspricht der Messeinrichtung 2 des Standes der Technik (1 bis 3). Vermessen werden soll die Oberfläche eines Messobjekts 11, welches spiegelnd oder transparent sein kann. Zwischen Messeinrichtung 12 und Messobjekt 11 befindet sich eine Messfolie 14, welche die einzusetzende Laserstrahlung, hier angedeutet durch einen Laserstrahl 13a, diffus streut. Der Laserstrahl 13a dient nur zur Verdeutlichung der diffus streuenden Eigenschaft der Messfolie 14. In dieser Phase des Verfahrens, nämlich vor dem Auflegen der Messfolie 14 auf das Messobjekt 11 ist eine Einstrahlung der Laserstrahlung noch nicht notwendig. Die Messfolie 14 wird in Richtung der Richtungspfeile 15 auf das Messobjekt 11 gelegt. Alternativ kann das Messobjekt 11 auch gegen die Messfolie 14 gedrückt werden. Die Messfolie 14 weist eine vorbekannte Dicke d auf.
5 zeigt die um den oberen Teil des Messobjekts 11 bereits herum gelegte Messfolie 14. Ein Laserstrahl 13b, der an der Messfolie 14 ebenfalls diffus gestreut wird, macht deutlich, dass der gesamte Oberflächenbereich, der von den Laserstrahlen 13a und 13b erreichbar ist, vermessen werden kann.
Die Vermessung erfolgt selbstverständlich zunächst an der der Oberfläche des Messobjekts 11 abgewandten Oberfläche der Messfolie 14. Aufgrund der bekannten Dicke d der Messfolie 14 kann dann auf die Oberflächenform des Messobjekts 11 geschlossen werden. Eventuelle Dehnungen der Messfolie 14 und damit einhergehende Änderungen der Dicke d können entweder vernachlässigt werden, weil der damit einhergehende Fehler zu gering ist, oder können anhand einer Kalibrierung mittels eines hier nicht dargestellten Masterobjekts ermittelt oder abgeschätzt und in die Rechnung einbezogen werden.
6 zeigt eine Situation, in der die Messfolie 14 weiter um das Messobjekt 11 herumgelegt wurde. Durch eine Relativbewegung zwischen Messeinrichtung 12 und Messobjekt 11, z. B. eine Rotation des Objekts 11 um seine Mittelpunktachse kann der komplette durch die Messfolie 14 abgedeckte Bereich der Objektoberfläche vermessen werden.
In den 4 bis 6 ist jeweils ein Messobjekt 11 gezeigt, das kugelförmig oder zylinderförmig sein kann. Tatsächlich ist die Erfindung insbesondere auch für dreidimensionale Oberflächenformen gedacht, die nahezu beliebige Formen, z. B. mit abwechselnden konvexen und konkaven Bereichen, aufweisen können.
7 zeigt ein alternatives Messobjekt 21 mit zwei konvexen und einem dazwischen liegenden konkaven Oberflächenbereich, der ebenfalls mit einer Messfolie 14 abgedeckt ist. Bei entsprechend dünnen Messfolien können die Strukturen auf der zu vermessenden Objektoberfläche entsprechend fein sein und werden trotzdem mittels dieser Methode hinreichend genau abgebildet.
8 zeigt prinzipiell und beispielhaft auf, auf welche Weise die Messfolie 14 auf das Messobjekt 11 aufgebracht werden kann. Das Messobjekt 11, die Messfolie 14, die Messeinrichtung 12, die Laserstrahlen 13a und 13b entsprechen der Darstellung in 6. In 6 war die Art und Weise der Auflegung der Messfolie 14 offengelassen.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 8 ist die Messfolie 14 Teil einer Unterdruckkammer 16, welche an eine hier nicht dargestellte Vakuumpumpe angeschlossen ist. Das Messobjekt 11 befindet sich innerhalb der Unterdruckkammer 16. Das Messobjekt 11 ist so platziert, dass es mit der zu vermessenden Oberfläche gegen die Messfolie 14 anliegt. Durch den in der Unterdruckkammer 16 erzeugten Unterdruck relativ zur umgebenden Atmosphäre wird die Messfolie 14 auf die zu vermessende Oberfläche des Messobjekts 11 eng anliegend gepresst. Auch bei einem Messobjekt mit dreidimensionaler Freiformoberfläche kann durch die Druckdifferenz zuverlässig ein Anlegen der Messfolie 14 auf der zu vermessenden Oberfläche ohne Lufteinschlüsse oder Falten erreicht werden. Die Verwendung der Unterdruckkammer 16 zum Anlegen der Messfolie 14 auf das Messobjekt 11 ist nicht auf konvexe Oberflächenformen beschränkt.
9 zeigt eine weitere Variante zum Anlegen einer Messfolie 34 auf ein Messobjekt 31, welches eine konkave Form der zu vermessenden Oberfläche aufweist. Die Messfolie 34 ist Teil der Wandung einer Überdruckkammer 36, die an eine hier nicht dargestellte Pumpe angeschlossen ist. Innerhalb der Überdruckkammer 36 ist eine optische Messeinrichtung 32 vorgesehen, welche mit Laserstrahlung, symbolisiert durch die Laserstrahlen 33a und 33b, zur Oberflächenvermessung eingesetzt wird. In 9 ist das Messobjekt 31 mit Abstand zur durch den Überdruck ausbeulenden Messfolie 34 dargestellt. Für die Zwecke der Vermessung wird das Messobjekt 31 gegen die Messfolie 34 gepresst. Aufgrund des Überdruckes in der Überdruckkammer 36 in Bezug auf die umgebende Atmosphäre wird die Messfolie 34 gegen die zu vermessende Oberfläche des Messobjekts 31 gepresst, wobei zuverlässig Lufteinschlüsse oder Falten vermieden werden können.
Unabhängig davon, ob die Messfolie gemäß der Methode nach 8 oder nach der Methode gemäß 9 auf die Messoberfläche gepresst wird, können beliebige Messmethoden angewandt werden, wie sie beispielhaft in der Beschreibungseinleitung dargestellt sind, soweit die Messfolie an die Messmethode angepasst ist und z.B. eine diffus streuende Messfolienstruktur und/oder ein Messmuster aufweist.
10 zeigt in einer schematischen Prinzipskizze ein erfindungsgemäßes Vorrichtungssystem unter Ausnutzung der Photogrammetrie. Dabei wird eine spiegelnde Oberfläche eines Messobjekts 41 mit einer Messfolie 44 abgedeckt, welche ein gitterlinienförmiges Messmuster 47 aufweist. Das Messmuster 47 ist kontrastreich gegenüber den übrigen Bereichen der Messfolie 44 abgesetzt. In 10 ist die Messfolie 44 in ausgestreckter Form dargestellt. Sobald die Messfolie 44 auf der zu vermessenden Oberfläche des Messobjekts 41 aufliegend angeordnet ist, z. B. nach einer der in den 8 oder 9 dargestellten Methoden, kann mit Hilfe der Kameras 42a und 42b die bekannte Photogrammetrie durchgeführt werden.
Das Messmuster 47 ist auf der dem Messobjekt 41 zugewandten Unterseite der Messfolie 44 aufgebracht, z. B. durch Kleben oder Drucken. In diesem Fall liegt das Messmuster unmittelbar auf der Messoberfläche des Messobjekts 41 auf, so dass eine mögliche Dicke der Messfolie 44 für das Messergebnis der Photogrammetrie keine Rolle spielt.
Bezugszeichenliste

1: Messobjekt
2: Messeinrichtung
3a, 3b: Laserstrahl
4: Detektorbereich
5: Messobjekt
11: Messobjekt
12: Messeinrichtung
13a, 13b: Laserstrahl
14: Messfolie
15: Richtungspfeile
16: Unterdruckkammer
21: Messobjekt
31: Messobjekt
32: Messeinrichtung
33a, 33b: Laserstrahlen
34: Messfolie
36: Überdruckkammer
41: Messobjekt
42a, 42b: Kamera
44: Messfolie
47: Messmuster

Claims

Verfahren zur Bestimmung einer Oberflächenform eines Messobjekts (11, 21, 31, 41) mit einer berührungslosen Messmethode zur dreidimensionalen Formermittlung, bei dem die zu bestimmende Messobjektoberfläche zumindest bereichsweise mit mindestens einer Messfolie (14, 34, 44) abgedeckt wird, welche eine zur Durchführung der Messmethode geeignete Messfolienstruktur aufweist, und die Messmethode auf die mit der mindestens einen Messfolie (14, 34, 44) abgedeckte Messobjektoberfläche angewandt wird, wobei als Messmethode Photogrammetrie eingesetzt wird, wobei die mindestens eine Messfolie (14, 34, 44) mindestens ein Messmuster (47) oder einen Teil eines Messmusters (47) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Messfolie derart aufgelegt wird, dass die Messfolienstruktur zur Erzeugung des mindestens einen Messmusters (47) oder eines Teils eines Messmusters (47) auf der dem Messobjekt (11, 21, 31, 41) zugewandten Seite der mindestens einen Messfolie (14, 34, 44) angeordnet ist.
Verfahren zur Bestimmung einer Oberflächenform eines Messobjekts (11, 21, 31, 41) mit einer berührungslosen Messmethode zur dreidimensionalen Formermittlung, bei dem die zu bestimmende Messobjektoberfläche zumindest bereichsweise mit mindestens einer Messfolie (14, 34, 44) abgedeckt wird, welche eine zur Durchführung der Messmethode geeignete Messfolienstruktur aufweist, und die Messmethode auf die mit der mindestens einen Messfolie (14, 34, 44) abgedeckte Messobjektoberfläche angewandt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Messfolie zur Berechnung der Oberflächenform verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Messmethode eine elektromagnetische Strahlung (13a, 13b) auf die mindestens eine Messfolie (14) einstrahlende Methode eingesetzt wird, wobei die mindestens eine Messfolie (14, 34, 44) die elektromagnetische Strahlung (13a, 13b, 33a, 33b) zumindest bereichsweise diffus streut.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für den Abdeckvorgang die mindestens eine Messfolie (14, 34, 44) mittels einer Druckdifferenz zwischen zwei an der mindestens einen Messfolie (14, 34, 44) angrenzenden Räumen auf zumindest einen Teilbereich der Messobjektoberfläche gepresst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Messfolie (14, 34, 44) für den Abdeckvorgang erwärmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der auf das Messobjekt (11, 21, 31, 41) aufgebrachten Messfolie (14, 34, 44) mittels einer Kalibriermessung an einem in seiner Oberflächenform bekannten Masterobjekt ermittelt wird.
Anordnung, bestehend aus einem Messobjekt und einem Vorrichtungsmesssystem zur Bestimmung einer Oberflächenform des Messobjekts (11, 21, 31, 41), wobei das Vorrichtungsmesssystem eine eine Auswerteeinheit umfassende Messeinrichtung zur dreidimensionalen Formermittlung unter Einsatz einer berührungslosen Messmethode und mit mindestens eine eine zur Durchführung der Messmethode geeignete Messfolienstruktur aufweisende Messfolie (14, 34, 44) umfasst, wobei die Messeinrichtung zur Anwendung einer photogrammetrischen Messmethode eingerichtet ist und die mindestens eine Messfolie (14, 34, 44) mindestens ein Messmuster (47) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Messfolienstruktur zur Erzeugung des mindestens einen Messmusters (47) oder eines Teils eines Messmusters (47) auf einer Seite der mindestens einen Messfolie (14, 34, 44) angeordnet ist, wobei diese Seite dem Messobjekt (11, 21, 31, 41) zugewandt ist.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung zur Anwendung einer elektromagnetische Strahlung (13a, 13b, 33a, 33b) einsetzenden Messmethode eingerichtet ist und die Messfolie (14, 34, 44) die elektromagnetische Strahlung (13a, 13b, 33a, 33b) diffus streut.
Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Messfolie (14, 34, 44) dehnbar ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, gekennzeichnet durch Mittel zur Erzeugung einer Druckdifferenz zwischen zwei an der mindestens einen Messfolie (14, 34, 44) angrenzenden Räumen.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung der Druckdifferenz eine an eine Vakuumpumpe angeschlossene Unterdruckkammer (16) umfassen, wobei die mindestens eine Messfolie (14, 34, 44) Teil der die Unterdruckkammer (16) gegen den Umgebungsdruck begrenzenden Unterdruckkammerwandung ist.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung der Druckdifferenz eine an eine Druckpumpe angeschlossene Überdruckkammer (36) umfassen, wobei die mindestens eine Messfolie (14, 34, 44) Teil der die Überdruckkammer (36) gegen den Umgebungsdruck begrenzenden Überdruckkammerwandung ist.
Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zur Messeinrichtung (12, 32) gehörendes Sensorelement in der Überdruckkammer (36) angeordnet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, gekennzeichnet durch Mittel zur Erwärmung der mindestens einen Messfolie (14, 34, 44).
Vorrichtungssystem zur Bestimmung einer Oberflächenform eines Messobjekts (11, 21, 31, 41), mit einer eine Auswerteeinheit umfassenden Messeinrichtung zur dreidimensionalen Formermittlung unter Einsatz einer berührungslosen Messmethode, und mit mindestens einer Messfolie (14, 34, 44), welche eine zur Durchführung der Messmethode geeignete Messfolienstruktur aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit eingerichtet ist, die Form einer Oberfläche eines Messobjekts (11, 21, 31, 41) aus der gemessenen Oberflächenform der mindestens einen die Messobjektoberfläche abdeckenden Messfolie (14, 34, 44) unter Berücksichtigung der Dicke der Messfolie (14, 34, 44) zu ermitteln.
Vorrichtungssystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung zur Anwendung einer elektromagnetische Strahlung (13a, 13b, 33a, 33b) einsetzenden Messmethode eingerichtet ist und die Messfolie (14, 34, 44) die elektromagnetische Strahlung (13a, 13b, 33a, 33b) diffus streut.
Vorrichtungssystem nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Messfolie (14, 34, 44) dehnbar ist.
Vorrichtungssystem nach einem Ansprüche 15 bis 17, gekennzeichnet durch Mittel zur Erzeugung einer Druckdifferenz zwischen zwei an der mindestens einen Messfolie (14, 34, 44) angrenzenden Räumen.
Vorrichtungssystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung der Druckdifferenz eine an eine Vakuumpumpe angeschlossene Unterdruckkammer (16) umfassen, wobei die mindestens eine Messfolie (14, 34, 44) Teil der die Unterdruckkammer (16) gegen den Umgebungsdruck begrenzenden Unterdruckkammerwandung ist.
Vorrichtungssystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung der Druckdifferenz eine an eine Druckpumpe angeschlossene Überdruckkammer (36) umfassen, wobei die mindestens eine Messfolie (14, 34, 44) Teil der die Überdruckkammer (36) gegen den Umgebungsdruck begrenzenden Überdruckkammerwandung ist.
Vorrichtungssystem nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zur Messeinrichtung (12, 32) gehörendes Sensorelement in der Überdruckkammer (36) angeordnet ist.
Vorrichtungssystem nach einem der Ansprüche 15 bis 21, gekennzeichnet durch Mittel zur Erwärmung der mindestens einen Messfolie (14, 34, 44).