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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Parameter einer Vorrichtung zur dimensionellen Messung mittels Computertomografie, insbesondere der Bestimmung des Abbildungsmaßstabs der Computertomografiesensorik.
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Nach dem Stand der Technik erfolgt das Einmessen des Abbildungsmaßstabs bzw. der Vergrößerung einer Computertomografiesensorik, also die Lage von Strahlungsquelle, Detektor und mechanischer Drehachse zueinander, durch die Bestimmung der Lage von Merkmalen eines oder mehrerer Einmessobjekte in einer oder mehreren verschiedenen Positionen in einer Ebene parallel zu der Ebene des Detektors der Computertomografiesensorik, wobei Durchstrahlungsbilder aufgenommen werden und der in den Durchstrahlungsbildern vorliegende Wert für eine beliebige Abmessung, also Länge, wie beispielsweise Durchmesser einer Kugel (im Durchstrahlungsbild als Kreis sichtbar) oder Abstand zwischen zwei Kugeln (im Durchstrahlungsbild als Kreise sichtbar), mit der entsprechenden kalibrierten Länge (Soll-Abmessung) am Einmessobjekt selbst, vorzugsweise in der Ebene parallel zum Detektor, die die Richtung der Achse enthält, um die sich die mechanische Drehachse der Computertomografiesensorik dreht.
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Gegebenenfalls ist auch vorgesehen, diese Messung in den Durchstrahlungsbildern in mehreren Drehstellungen des Einmessobjekts um die mechanische Drehachse vorzunehmen und die dabei ermittelten Werte für den Abbildungsmaßstab zu kombinieren, beispielsweise einen Mittelwert zu bilden. Eine entsprechende Lehre kann beispielsweise der
WO 2005119174A1 auf den Seiten 11, zweiter Absatz, bis Seite 13, zweiter Absatz, entnommen werden, hier auch als Kalibrierung der Röntgensensorik (Synonym für Computertomografiesensorik) bzw. Bestimmung der Position des Drehmittelpunkts bezeichnet. Hierin wird der in der eingestellten Position der mechanischen Drehachse zu Detektor und Strahlungsquelle vorliegende Abbildungsmaßstab bzw. hier als Vergrößerung bezeichnet bestimmt, indem die Abstände von Kugelmittelpunkten eines sogenannten 4-Kugel-Normals bestimmt und gemittelt werden und eine entsprechende Messung nach einer Drehung der mechanischen Drehachse um 180° wiederholt wird (sogenannte Umschlagsmessung). Nachteilig dabei ist, dass bei diesem Verfahren nur ein Teil der Auswertekette einer realen Messung eines Werkstücks erfasst wird, nämlich das Aufnehmen von einem oder sehr wenigen Durchstrahlungsbildern. Bei der Messung realer Bauteile mittels der Computertomografiesensorik werden jedoch einige hundert bis tausend Durchstrahlungsbilder in unterschiedlichen Drehstellungen des Werkstücks zu Strahlungsquelle und Detektor aufgenommen, die mittels Rekonstruktion in ein dreidimensionales Volumenmodell (Voxelvolumen) überführt werden, aus dem mittels Oberflächenextraktionsverfahren Oberflächenpunkte zur dimensionellen Bestimmung an Merkmalen ermittelt werden. Diese Schritte und dabei auftretende Abweichungen sind bei den bekannten Verfahren nicht berücksichtigt.
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Eine erfindungsgemäße Computertomografiesensorik besteht im Allgemeinen aus einem flächig ausgeprägten Detektor, einer Strahlungsquelle, vorzugsweise Röntgenstrahlungsquelle, und einer mechanischen Drehachse zur Drehung des zu messenden Werkstücks im Strahlkegel der von der Strahlungsquelle abgegebenen Strahlung. In kinematischer Umkehr ist es jedoch auch möglich, das Werkstück fest anzuordnen und Detektor und Strahlungsquelle um das Werkstück rotieren zu lassen.
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Nach dem Bestimmen des Abbildungsmaßstabs wird der entsprechende Wert für die Auswertung der computertomografischen Messung eines beliebigen Werkstücks verwendet. Zur Erzielung einer möglichst hohen Genauigkeit, ist es notwendig, den Abbildungsmaßstab sehr genau zu kennen. Aufgrund von Abbildungsfehlern, beispielsweise bedingt durch eine von der Ebene abweichende Gestalt des Detektors, Verkippungen des Detektors oder sogenannte Kegelstrahlartefakte oder ungleichmäßige Abstrahlung der Strahlung durch die Strahlungsquelle oder aber Fehlern bei der Drehung der Drehachse, insbesondere Rundlauffehlern oder Taumelfehlern, ist es möglich, dass der Abbildungsmaßstab innerhalb des vom Detektor erfassten Bereiches und abhängig von der jeweiligen Drehstellung variiert. Es tritt also abhängig davon, an welcher Stelle des Detektors die Abbildung des Werkstücks bzw. eines Teilbereichs des Werkstücks erfolgt und welche Drehstellung vorliegt, ein unterschiedlicher Abbildungsmaßstab auf, der für die weitere Auswertung zu Grunde gelegt werden müsste. Es liegt also eine Überlagerung der Fehler des Detektors, die unabhängig von der vorliegenden Drehstellung sind, und der Fehler durch die Drehung, die abhängig von der Drehstellung sind, vor. Da abhängig von der Drehstellung ein bestimmter Bereich des Werkstücks an unterschiedlichen Stellen des Detektors abgebildet wird, lassen sich diese beiden Fehler nicht direkt trennen. Im Ergebnis der computertomografischen Messung liegt also die angesprochene Überlagerung vor. Es liegen also unterschiedliche Abbildungsmaßstäbe für unterschiedliche Bereiche innerhalb des Messvolumens des Computertomografiesensors vor. Eine entsprechende ortsabhängige Bestimmung des Abbildungsmaßstabs ist nach dem Stand der Technik nicht vorgesehen, vielmehr wird ein einziger Abbildungsmaßstab für den gesamten vom Detektor erfassten Bereich in der jeweiligen Position der mechanischen Drehachse bezüglich der Strahlungsquelle und des Detektors und für alle Drehstellungen verwendet.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und insbesondere ein Verfahren zur Bestimmung des Abbildungsmaßstabs zu realisieren, das der realen computertomografischen Messung eines Werkstücks nahe kommt, indem wie bei einer realen computertomografischen Messung verfahren wird.
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Diese Aufgabe wird im Wesentlichen durch ein oder mehrere der nachfolgenden Merkmale gelöst, insbesondere dadurch, dass zur Bestimmung des Parameters ein Einmessobjekt tomografiert wird, wobei aus den in mehreren Drehstellungen der mechanischen Drehachse aufgenommenen Durchstrahlungsbildern des Einmessobjekts ein dreidimensionales Voxelvolumen rekonstruiert wird, daraus mittels Oberflächenextraktion Messpunkte an einer oder mehreren Oberflächen des Einmessobjekts bestimmt werden und aus den Messpunkten Abmessungen wie Durchmesser oder Abstände von bzw. zwischen Merkmalen des Einmessobjekts ermittelt werden, und diese Abmessungen mit den Soll-Abmessungen des Einmesskörpers verglichen werden.
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Abweichend vom Stand der Technik ist vorgesehen, den Abbildungsmaßstab aus dem Ergebnis einer Computertomografiemessung zu bestimmen, also nicht allein einzelne Durchstrahlungsbilder zu verwenden, sondern entsprechend der Erfindung mehrere Durchstrahlungsbilder aufzunehmen, diese zu rekonstruieren und Maße bzw. Längen, allgemein Abmessungen, des Einmessobjektes, wie beispielsweise Kugeldurchmesser oder Abstände von Kugelmittelpunkten, zu ermitteln und aus diesem im Vergleich zu den real vorliegenden Soll-Längen bzw. Soll-Abmessungen des Einmessobjekts den Abbildungsmaßstab zu ermitteln. Durch die Bestimmung des Abbildungsmaßstab allein aus den einzelnen Durchstrahlungsbildern werden zudem auch Abweichungen in den weiteren Schritten der Auswertung der Durchstrahlungsbilder, insbesondere während der Rekonstruktion und während der Bestimmung von Oberflächenmesspunkten, berücksichtigt.
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Durch dieses erfindungsgemäße Verfahren ergibt sich die Möglichkeit, je nach Lage der jeweiligen Abmessungen im Messvolumen und der vorliegenden bekannten Drehstellung, der jeweiligen Abmessung einen Bereich des Detektors zuzuordnen, auf dem diese Abmessung abgebildet wird. Hierdurch ist es möglich, die oben genannten von der Drehstellung abhängigen Fehler und von der Drehstellung unabhängigen Fehler zumindest teilweise zu trennen. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es dabei, für einzelne Bereiche innerhalb des Messvolumens des Computertomografiesensors getrennt ein Abbildungsmaßstab zu bestimmen und dann auch zur Auswertung der Messung eines Werkstücks zu verwenden. Insbesondere werden einzelne Abmessungen dabei so im Messvolumen angeordnet, dass sie in einem möglichst begrenzten Bereich des Detektors abgebildet werden. Beispielsweise werden Abmessungen nur im mittleren Bereich des Messvolumens angeordnet, wodurch eine Zuordnung zum mittleren Bereich des Detektors erfolgt. Abmessungen angeordnet im oberen bzw. unteren Bereich des Messvolumens, also in Richtung der Drehachse am Rand des Messvolumens, werden dem oberen bzw. unteren Bereich des Detektors zugeordnet. Diese Bereiche getrennt zu betrachten ist vorteilhaft, da in diesen verstärkt Abbildungsfehler durch Kegelstrahlartefakte auftreten und beispielsweise Verkippungen der Drehachse unterschiedlich wirken. Diese Bereiche können zudem noch in Unterbereiche aufgeteilt werden, nämlich in jeweils einen ersten Bereich nahe der Drehachse und einen zweiten Bereich entfernt von der Drehachse. Diese Unterscheidung ist sinnvoll, da sich bestimmte Fehler der Drehachse, wie beispielsweise Taumelfehler im Außerbereich stärker auswirken, zudem können auch zum Rand hin ansteigende Fehler des Detektors separiert werden. Die Bereiche nahe der Drehachse werden stets im oberen bzw. unteren mittigen Bereich des Detektors abgebildet, die von der Drehachse entfernten jeweils im oberen bzw. unteren, mittigen und auch außermittigen Bereich, abhängig von der Drehstellung. Zumindest für die Bereiche nahe der Drehachse werden also die Fehler des Detektors separiert, die sich zum Rand hin senkrecht zur Drehachse verändern. Eine entsprechende Aufteilung in Drehachsnahe und Drehachsferne Bereiche ist analog zum oberen und unteren, auch im mittigen Bereich vorgesehen. Es ist also erfindungsgemäß vorgesehen zumindest für die folgenden Bereiche unterschiedliche Abbildungmaßstäbe zu ermitteln und zu verwenden: mittlerer (Drehachsnahe), mittlere Drehachsferne, obere Drehachsnahe, obere Drehachsferne, untere Drehachsnahe und untere Drehachsferne, indem die Abmessungen entsprechend in diesen Bereichen angeordnet werden. Die Unterscheidung in Drehachsnah und -fern bzw. mittig, oben und unten erfolgt beispielsweise durch Festlegung eines Prozentsatzes bezüglich der Ausdehnung des Messvolumens in der entsprechenden Richtung. Beispielhaft wird der Drehachsnahe bzw. mittige Bereich mit kleiner 50%, bevorzugt kleiner 20% definiert. Die Drehachsfernen bzw. oberen und unteren Bereiche sind dann die jeweils angrenzenden Bereiche. Auch kann eine Überlappung der Bereiche vorgesehen sein.
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Als Parameter für die Geometrie der Computertomografiesensorik wird vorrangig der Abbildungsmaßstab verstanden. Wie bereits oben erläutert, gehen aber auch die Verkippung des Detektors um alle drei Achsen in das Messergebnis der Computertomografie ein und werden durch das erfindungsgemäße Verfahren also erfasst. Die Verkippungswinkel können rechnerisch aus den Ergebnissen separiert werden, beispielsweise aus den in den unterschiedlichen oben beschriebenen Bereichen des Messvolumens, für die getrennt der Abbildungsmaßstab bestimmt wird, und als eigene Parameter aufgefasst werden. Gleiches gilt für die Verkippungen der mechanischen Drehachse oder räumliche Versätze der Detektormitte oder der Lage der mechanischen Drehachse zur mittleren Strahlrichtung der Strahlungsquelle.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich u.a. auf ein Verfahren zur Bestimmung, insbesondere Korrektur, zumindest eines die Geometrie einer Messanordnung in Form einer Computertomografiesensorik, zumindest bestehend aus Strahlungsquelle, flächig ausgedehntem Detektor und mechanischer Drehachse zur Drehung des Werkstücks oder zur Drehung von Strahlungsquelle und Detektor, beschreibenden Parameters, vorzugsweise der räumlichen Lage von Strahlungsquelle, Detektor und mechanischer Drehachse zueinander, insbesondere des Abbildungsmaßstabs.
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Zur Lösung von einem oder mehreren Aspekten der Erfindung ist auch vorgesehen, dass erste Messpunkte des Einmessobjekts mit einem ersten Schätzwert für den Parameter, insbesondere den Abbildungsmaßstab, ermittelt werden, wobei der Schätzwert vorzugsweise aus den vorab ermittelten Abständen der Komponenten Strahlungsquelle, mechanische Drehachse und Detektor zueinander oder aus dem Vergleich einer oder mehrerer Abmessungen des Einmessobjekts oder eines anderen Einmessobjekts, ermittelt in einem oder mehreren Durchstrahlungsbildern mit der jeweiligen Soll-Abmessung ermittelt wird. Der erste Schätzwert wird also beispielsweise anhand der mittels Messachsen eingestellten Position der mechanischen Drehachse zwischen Strahlungsquelle und Detektor grob bestimmt. Der Abbildungsmaßstab ergibt sich dabei definitionsgemäß als Verhältnis aus den beiden Abständen „Detektor-Strahlungsquelle“ und „mechanische Drehachse-Strahlungsquelle“. Alternativ kann das nach dem Stand der Technik bekannte Verfahren eingesetzt werden, indem die Abmessungen am Einmessobjekt im Durchstrahlungsbild ermittelt werden.
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Dabei sieht in bevorzugter Weiterbildung die Erfindung vor, dass aus dem Verhältnis zwischen den mittels der Computertomografiesensorik bestimmten Abmessungen und den Soll-Abmessungen eine Korrektur, insbesondere ein Korrekturfaktor, für den Parameter ermittelt wird und ein korrigierter Parameter bestimmt wird. Das Verhältnis zwischen den mittels der Computertomografiesensorik bestimmten Abmessungen, zu deren Ermittlung der erste Schätzwert für den Abbildungsmaßstab verwendet wurde, und den Soll-Abmessungen, ergibt genau die Abweichung, insbesondere den Abweichungsfaktor, des ersten Schätzwertes für den Abbildungsmaßstab. Sind die mittels der Computertomografiesensorik bestimmten Abmessungen also größer als die Soll-Abmessungen, ist der erste Schätzwert für den Abbildungsmaßstab zu groß und muss durch das Verhältnis aus „mittels der Computertomografiesensorik bestimmten Abmessungen“ zu „Soll-Abmessungen“ dividiert werden, um einen korrigierten Abbildungsmaßstab zu ermitteln, und anders herum.
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Besonders hervorzuheben ist die Idee, dass der korrigierte Parameter als Schätzwert des Parameters für eine weitere Korrektur des Parameters verwendet wird, dass Verfahren also iterativ mehrfach nacheinander ausgeführt wird, wobei vorzugsweise die einmalig aufgenommenen Durchstrahlungsbilder erneut verwendet werden, eine weitere Tomografie des Einmesskörpers also nicht stattfindet. Durch dieses iterative Vorgehen wird der Parameter, insbesondere der Abbildungsmaßstab stückweise immer genauer ermittelt.
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Insbesondere sieht die Erfindung vor, dass die für die Bestimmung des Parameters verwendeten Soll-Abmessungen des Einmesskörpers kalibriert sind, vorzugsweise durch eine taktile, optische oder taktil-optische Sensorik. Die zur Kalibrierung eingesetzte Sensorik ist beispielsweise in einem Koordinatenmessgerät integriert, wobei dieses Koordinatenmessgerät auch die Computertomografiesensorik beinhalten kann. Hierdurch wird eine effektive Kalibrierung des Einmesskörpers und dessen Verwendung zur Bestimmung des Abbildungsmaßstabs der Computertomografiesensorik in einem Gerät realisiert.
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Kennzeichnend ist auch, dass als Merkmale eine, bevorzugt mehrere, insbesondere mehr als vier Kugeln oder Kugelabschnitte oder Zylinder oder Zylinderabschnitte verwendet werden. Sphärische Merkmale eigenen sich besonders gut, da unabhängig von Störungen an ihrem Rand, die Lage des Mittelpunktes durch Ausgleichsrechnung aus allen an der Oberfläche (Rand) ermittelten Messpunkten, sehr genau bestimmt werden kann. Hierdurch lassen sich auch die als die Abmessungen verwendeten Abstände zwischen Kugelmittelpunkten bzw. Zylinderzentren sehr genau ermitteln. Zudem werden für kurze Abmessungen aber auch Kugeldurchmesser bzw. Zylinderdurchmesser verwendet. Auch diese werden als Ausgleichelement sehr genau aus allen Messpunkten an der Oberfläche ermittelt.
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Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass die mehreren Merkmale im Messvolumen derart verteilt sind, dass sich eine oder mehrere Abmessungen in mindestens drei sich um mindestens 22°, bevorzugt mindestens 45°, besonders bevorzugt 90° unterscheidenden Raumrichtungen ergeben und/oder dass sich eine oder mehrere Abmessungen ergeben, die sich einzeln oder aneinander gesetzt in der jeweiligen Raumrichtung über mindestens 50%, bevorzugt mindestens 66%, besonders bevorzugt mindestens 90% des Messvolumens erstrecken. Hierdurch soll sichergestellt sein, dass die mehreren Abmessungen einen möglichst großen Teil des Messvolumens des Computertomografiesensors abdecken. Die einzelnen Abmessungen können dabei zwischen nahe beieinander liegenden oder weit voneinander entfernt liegenden Merkmalen definiert werden. Es können aber auch zwischen mehreren in etwa einer Raumrichtung nacheinander angeordneten Merkmalen kurze Abmessungen definiert werden, die auch aneinander gesetzt werden können, um wiederum größere Abmessungen zu definieren. Hierdurch ergibt sich insbesondere auch die Möglichkeit, für einzelne Bereiche des Messvolumens getrennt den Parameter zu bestimmen oder auch aus den mehreren Parametern einen Mittelwert als resultierenden Parameter zu verwenden, wie dies weiter unten noch erläutert wird.
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In Ausgestaltung sieht die Erfindung vor, dass in den mindestens drei Raumrichtungen jeweils die mehreren Abmessungen verwendet werden und vorzugsweise aus den mehreren Abmessungen mehrere Werte für den Parameter bestimmt werden und aus den mehreren Parametern durch Mittelwertbildung ein resultierender Parameter ermittelt wird.
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Des Weiteren zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass die mehreren Abmessungen in unterschiedlichen Bereichen im Messvolumen verlaufen und jeweils diesem Bereich zugeordnet werden und für diese Bereiche der Parameter jeweils getrennt ermittelt wird, wobei vorzugsweise die unterschiedlichen Bereiche im Messvolumen unterschiedlichen Bereichen des Detektors zugeordnet werden.
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Insbesondere sieht die Erfindung vor, dass die unterschiedlichen Bereiche im Messvolumen definiert sind durch Unterteilung in zumindest drehachsnahe und drehachsferne Bereiche und/oder in Richtung der Drehachse bezüglich der Detektormitte mittige, oberhalb und unterhalb der Detektormitte liegende Bereiche, wobei vorzugsweise der Drehachsnahe bzw. mittige Bereich kleiner 50%, bevorzugt kleiner 20%, des Messvolumens in der jeweiligen Richtung umfasst und die Drehachsfernen bzw. oberen und unteren Bereiche jeweils daran angrenzen, vorzugsweise überlappend angrenzen.
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Ein weiteres hervorzuhebendes Merkmal zeichnet sich dadurch aus, dass der korrigierte Parameter bei der Bestimmung von Messpunkten an einem Werkstück verwendet wird. Hiermit ist die zumeist zeitlich nachfolgende Messung realer Werkstücke mit dem Computertomografiesensor gemeint, bei der insbesondere der Wert für den Abbildungsmaßstab verwendet wird, der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt wurde. Alternativ ist es aber auch möglich, die gespeicherten Messdaten, insbesondere Durchstrahlungsbilder, der Messung des realen Werkstücks nach einer nachfolgenden Bestimmung des Abbildungsmaßstabes erneut unter Verwendung des bestimmten Abbildungsmaßstabs zu bestimmen.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass der Parameter für mehrere Abbildungsmaßstäbe ermittelt wird und vorzugsweise für dazwischen liegende Abbildungsmaßstäbe der Parameter mittels Interpolation bestimmt wird. Hierdurch wird es möglich, durch die Bestimmung des Abbildungsmaßstabes an wenigen diskreten Positionen der mechanischen Drehachse bezüglich des Detektors und der Strahlungsquelle, auch einen Wert für den Abbildungsmaßstab für zwischen den wenigen diskreten Positionen liegende Positionen der mechanischen Drehachse, also dazwischen liegende Abbildungsmaßstäbe, ohne weitere Messungen zur Verfügung zu stellen. Dabei ist zu beachten, dass der Zusammenhang zwischen Abbildungsmaßstab und Position der mechanischen Drehachse nicht linear ist, die Interpolation dies also berücksichtigt und insbesondere keine lineare Interpolation verwendet wird. Die entsprechend zu verwendende Definition für den Abbildungsmaßstab wurde zuvor erläutert.
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Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur dimensionellen Messung mit Computertomografie, bei dem Werkstücke gemessen werden, die senkrecht zur Drehachse aus dem Bildfeld des Detektors und damit aus dem Messbereich in der vorliegenden Vergrößerung bzw. beim vorliegenden Abbildungsmaßstab hinausragen. Diese Werkstücke werden stückweise in senkrecht zur Drehachse versetzten Positionen mehrfach tomografiert. Je Tomografie wird dabei jeweils nur ein Teil des Werkstücks erfasst, wobei in Abhängigkeit von der Drehstellung jeweils andere Bereiche des Werkstücks auf dem Detektor abgebildet werden. Eine Rekonstruktion eines Teilvolumens ist damit nicht möglich. Daher werden je Drehstellung die Durchstrahlungsbilder aus den verschiedenen Positionen erst zu resultierenden Durchstrahlungsbildern zusammengesetzt und diese dann erst rekonstruiert. Die verschiedenen Positionen können eingestellt werden durch entsprechende Verschiebung der mechanischen Drehachse mit dem Werkstück oder durch Verschiebung des Detektors oder durch Verschiebung von Detektor und Strahlungsquelle.
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Beim Verschieben des Werkstücks in die verschiedenen Positionen muss gewährleitet werden, dass der Versatz genau so eingestellt wird, dass die Durchstrahlungsbilder aneinandergesetzt werden können. Es muss also jeweils genau um die Breite des Detektors, genauer den Pixelmittenabstand aufsummiert für alle Pixel senkrecht zur Drehachse, verschoben werden. Dazu muss die exakte Größe des Pixelabstands des Detektors senkrecht zur Drehachse bekannt sein. Dies ist in der Regel nicht der Fall, da herstellerseitig lediglich Soll-Abstände zur Verfügung gestellt werden. Auch beim erfindungsgemäßen Bestimmen des Abbildungsmaßstabs werden die entsprechenden Ist-Abstände nicht ermittelt, da sich dabei die Informationen zu Pixelmittenabstand und geometrischer Anordnung von Strahlungsquelle, mechanischer Drehachse und Detektor überlagern.
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Der mittlere Pixelmittenabstand ist definitionsgemäß damit auch ein Parameter, der die Geometrie der Messanordnung beschreibt, insbesondere wenn die Messanordnung im zuvor beschriebenen Modus betrieben wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher auch, den mittleren Pixelmittenabstand der Pixel des Detektors in der Richtung senkrecht zur Drehachse möglichst genau bestimmen zu können, um die sich die mechanische Drehachse dreht.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, dass ein Einmessobjekt in zwei oder mehreren senkrecht zur Drehachse verschobenen Positionen bei gleichem Abbildungsmaßstab stückweise tomografiert wird, wobei für jede Drehstellung die Durchstrahlungsbilder aus allen Positionen jeweils zu einem resultierenden Durchstrahlungsbild zusammengesetzt werden und die zusammengesetzten Durchstrahlungsbilder zur Rekonstruktion verwendet werden, und dass aus dem Vergleich der daraus ermittelten Abmessungen mit den Soll-Abmessungen der Ist-Abstand der Pixel des Detektor senkrecht zur Drehachse ermittelt wird
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Die Anzahl der Positionen ist bevorzugt zwei, um den Aufwand zu minimieren.
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Als Vorbedingung sollte der Abbildungsmaßstab aus einem zuvor getätigten Einmessvorgang jedoch genau bekannt sein. Dieser Einmessvorgang kann nach dem zuvor erläuterten erfindungsgemäßen Verfahren oder nach dem Stand der Technik erfolgen, d. h. insbesondere Einmessen anhand von einzelnen Durchstrahlungsbildern, wie dies eingangs erläutert worden ist.
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Bevorzugt sieht die Erfindung vor, dass die Verschiebung der mehreren Positionen zueinander anhand des Soll-Abstands der Pixel des Detektor senkrecht zur Drehachse eingestellt wird.
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Hierdurch wird eine erste Startlösung für den Pixelmittenabstand verwendet, um die reale Detektorbreite anzunähern. Die Verschiebung beträgt dabei der angenäherten Detektorbreite. Eine geringere Verschiebung ist alternativ möglich.
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In Ausgestaltung ist vorgesehen, dass bei der Bestimmung des Ist-Abstands der Pixel des Detektor senkrecht zur Drehachse der vorab ermittelte Abbildungsmaßstab berücksichtigt wird.
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Durch die genaue Kenntnis des Abbildungsmaßstabs zusammen mit den kalibrierten Sollmaßen der Abmessungen am Einmesskörper ist bekannt, wie groß die aus den mehreren Tomografien ermittelten Ist-Abmessungen wären, wenn die verschobenen Positionen unter Berücksichtigung des exakten Pixelmittenabstands genau eingestellt wären. Abweichungen der verschobenen Positionen aufgrund falsch angenommener Pixelmittenabstände führen also zu Abweichungen zwischen den erwarteten Abmessungen und den gemessenen Ist-Abmessungen. Diese Abweichungen werden zur Korrektur des mittleren Pixelmittenabstandes verwendet. Ergibt sich beispielhaft bei einem Detektor von 1000 Pixeln Breite eine Abweichung von einem Mikrometer, so beträgt die Abweichung des angenommenen zum realen Pixelmittenstand ein Nanometer.
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Für nachfolgende Tomografien von Werkstücken in verschobenen Positionen wird die Verschiebung entsprechend des korrigierten Pixelmittenabstandes eingestellt. Hierbei können auch mehr als zwei Positionen eingestellt werden.
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Bevorzugterweise sieht die Erfindung vor, dass die Computertomografiesensorik in ein Koordinatenmessgerät integriert betrieben wird, vorzugsweise in einem Multisensorkoordinatenmessgerät, welches eine oder die taktile, optische und/oder taktil-optische Sensorik enthält.
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Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmale – für sich und/oder in Kombination – sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung der Figuren.
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Es zeigt:
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1 eine Prinzipdarstellung einer Computertomografiesensorik und eines Einmessobjekts zum Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt die Computertomografiesensorik bestehend aus einer Strahlungsquelle 1, einem flächigen Detektor 2 und einer mechanischen Drehachse 3, deren drehbarer Teil 4 bezüglich des nicht drehbaren Teils 5 um die in der Zeichenebene senkrecht verlaufende Drehachse, also in Richtung des Pfeiles 6 drehbar ist. Auf dem drehbaren Teil 4 befindet sich ein Einmessobjekt 7, bestehend aus einer Basis 8, Verbindungselementen 9 und mehreren Elementen oder Merkmalen 10, in diesem Fall mehreren Kugeln, von denen in der Figur nur eine Auswahl dargestellt ist. Ebenso können die Merkmale 10 beispielsweise auch Innenzylinder in einer flachen beispielsweise rechteckigen Platte oder Kugelkalotten in einem Quader usw. sein. Die beispielhaft für eine Drehstellung des drehbaren Teils 4 vorliegende Abbildung auf dem Detektor 2, das Durchstrahlungsbild, zeigt die Abbildungen 10‘ der Kugeln. Bevorzugt werden die mechanische Drehachse 3 und die Basis 8 so angeordnet, dass sie nicht durch den vom Detektor 2 erfassten kegelförmigen Anteil 11 der Strahlung der Strahlungsquelle 1 erfasst und damit nicht auf den Detektor 2 abgebildet werden. Die Verbindungselemente 9 werden aus einem Material ausgeführt, dass die Strahlung der Strahlungsquelle 1 deutlich weniger schwächt als die Merkmale 10. Die Abbildung der Verbindungselemente 9 ist auf dem Detektor 2 nicht dargestellt.
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Die Merkmale, also im Ausführungsbeispiel die Kugeln 10 sind im Messvolumen der Computertomografiesensorik so verteilt, dass in sämtlichen Drehstellungen der mechanischen Drehachse 3, in denen Durchstrahlungsbilder zur Rekonstruktion aufgenommen werden, ein möglichst großer Bereich des Detektors durch die Abbildung 10‘ der Kugeln 10 abgedeckt wird. Insbesondere sollen sich die Abbildungen 10‘ der Kugeln 10 in mehreren Richtungen, gekennzeichnet durch die Pfeile 12 und 13 erstrecken. Um dies sicherzustellen, sind die mehreren Kugeln 10 selbst in mehreren Richtungen entlang der Pfeile 12, 13 und 14 versetzt zueinander innerhalb des Einmessobjekts angeordnet. Entsprechende sogenannte Mehrkugeldistanznormale sind bereits kommerziell in mehreren Größen verfügbar, beispielsweise bei der Anmelderin der vorliegenden Erfindung. Sie wurden bisher aber nur zur Überprüfung der Längenmessabweichung, beispielsweise in der Richtlinie VDI/VDE 2617 Blatt 13 definiert, nicht jedoch zur Bestimmung des Abbildungsmaßstabes eingesetzt.
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Erfindungsgemäß werden durch Drehen des drehbaren Teils 4 Durchstrahlungsbilder des Einmessobjekts 7, insbesondere der Kugeln 10, in mehreren hundert bis tausend Drehstellungen mit dem Detektor 2 aufgenommen. Diese werden anschließend zu einem Voxelvolumen rekonstruiert und mittels Oberflächenextraktionsmethoden Messpunkte an den Merkmalen 10, also den Kugeloberflächen ermittelt. Hierbei wird ein vorab bestimmter erster Schätzwert für den Parameter Abbildungsmaßstab verwendet. Anschließend werden die Mittelpunktskoordinaten oder die Durchmesser der Kugeln 10 zu Abmessungen, also Abständen verknüpft, deren Soll-Abmessungen durch Kalibrierung bekannt sind. Das Verhältnis der Soll-Abmessungen zu den computertomografisch ermittelten Abmessungen wird als Korrekturfaktor für den zuvor verwendeten Abbildungsmaßstab eingesetzt, um einen korrigierten, also genaueren Abbildungsmaßstab zu bestimmen, der dann für die Messung realer Werkstücke eingesetzt wird. Im einfachsten Fall werden mehrere Korrekturfaktoren aus dem Vergleich der jeweiligen Abmessungen ermittelt, die zur Ermittlung eines resultierenden Korrekturfaktors gemittelt werden.
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Es ist jedoch auch vorgesehen, für unterschiedliche Bereiche des Messvolumens, die abhängig von der Drehstellung des drehbaren Teils 4 auf unterschiedliche Bereiche 2-1 bis 2-9 des Detektors 2 abgebildet werden, einen getrennten Abbildungsmaßstab aus den dem jeweiligen Bereich zugeordneten Abmessungen zu bestimmen und bei der Messung realer Werkstücke anzuwenden. Innerhalb der Bereiche ist erneut eine Mittelung der aus mehreren Abmessungen bestimmten Abbildungsmaßstäben vorgesehen. Im Übergangsbereich zwischen den Bereichen wird der Abbildungsmaßstab geglättet, damit keine Sprünge für den Abbildungsmaßstab entstehen. Beispielhaft sind die Bereiche 2-1 bis 2-9 bezüglich des Detektors 2 gestrichelt angedeutet. Insbesondere für die Bereiche des Messvolumens, die auf den mittleren (drehachsnahen) Bereich 2-5 abgebildet werden, ist beispielsweise ein abweichender Abbildungsmaßstab zu den restlichen Bereichen verwendbar. Auch können getrennt von den mittleren Bereichen des Messvolumens, abgebildet auf die Detektorbereiche 2-4 bis 2-6, Abbildungsmaßstäbe für die sogenannten oberen Bereiche des Messvolumens, abgebildet auf die Detektorbereiche 2-1 bis 2-3, und unteren Bereiche des Messvolumens, abgebildet auf 2-7 bis 2-9, bestimmt werden. Ebenso bzw. zusätzlich ist eine Unterscheidung in drehachsnahe Bereiche, abgebildet auf die Detektorbereiche 2-2, 2-5 und 2-8 und drehachsferne Bereiche, abgebildet auf 2-1, 2-3, 2-4, 2-6, 2-7 und 2-9, vorgesehen.
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Durch Verschiebung der mechanischen Drehachse 3 zusammen mit dem Einmessobjekt 7 entlang des Pfeiles 14 lassen sich unterschiedliche Abbildungsmaßstäbe einstellen, die in den jeweils eingestellten Positionen entlang des Pfeiles 14 durch das erfindungsgemäße Verfahren genau bestimmt werden. Grundlegend ist der Abbildungsmaßstab definiert als das Verhältnis des Abstands 15 (Abstand Mittelpunkt des Detektors 2 zu Strahlung abgebender Brennfleck der Strahlungsquelle 1) zu dem Abstand 16 (Drehachse, um die sich der drehbare Teil 4 der mechanischen Drehachse 3 dreht zu Strahlung abgebender Brennfleck der Strahlungsquelle 1). Durch Interpolation kann der Abbildungsmaßstab auch für Positionen der mechanischen Drehachse 3 entlang des Pfeils 14 bestimmt werden, an denen die computertomografische Messung des Einmessobjekts 7 nicht durchgeführt wurde. Hierzu werden die bereits ermittelten Abbildungsmaßstäbe aus den in Richtung des Pfeils 14 benachbarten Positionen verwendet. Die Interpolation berücksichtigt dabei die Nichtlinearität zwischen dem Abbildungsmaßstab und der Position entlang des Pfeils 14.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Richtlinie VDI/VDE 2617 Blatt 13 [0040]
