DE102014116034A1 - Device and method for determining mechanical properties of a pliable object to be measured - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung mechanischer Eigenschaften, beispielsweise der Eigenschwingfrequenz, der Eigenschwingungsform, der modalen Masse und/oder der modale Dämpfung, eines biegeschlaffen Messobjekts (210), umfassend: eine erste Fixiervorrichtung (202), mit der das Messobjekt (210) an einer ersten Seite lösbar fest fixierbar ist, eine zweite Fixiervorrichtung (203), mit der das Messobjekt (210) an seiner der ersten Seite gegenüberliegenden Seite lösbar fest fixierbar ist, wobei das Messobjekt (210) in einem fixierten Zustand in der ersten Fixiervorrichtung (202) und der zweiten Fixiervorrichtung F2 (203) fixiert ist und ansonsten frei hängt, wobei die erste Fixiervorrichtung (202) mit einem ersten Aktuator (204) verbunden ist, und durch den ersten Aktuator (204) über die erste Fixiervorrichtung (202) mechanische Anregungen in das Messobjekt (210) einbringbar sind, eine Steuereinheit (206) zur Steuerung des ersten Aktuators (206), ein optisches Sensorsystem (201) zum Abtasten einer 3D-Oberfläche (209) des Messobjekts (210) im fixierten Zustand und zur Ermittlung einer Anzahl n die Oberfläche (209) repräsentierenden 3D-Messpunkten (xi(t), yi(t), zi(t)) mit i = 1, 2, ... n, und Zeit t, eine erste Auswerteeinheit (207), mit der auf Basis der 3D-Messpunkte (xi(t), yi(t), zi(t)) eine Zeitreihe von Modellen M(t) der 3D-Oberfläche (209) des Messobjekts (210) ermittelt wird, und eine zweite Auswerteeinheit (208), mit der auf Basis der Modelle M(t) die mechanischen Eigenschaften des Messobjekts (210) mittels einer Modalanalyse ermittelt werden.The invention relates to a device for determining mechanical properties, for example the natural oscillation frequency, the inherent oscillation shape, the modal mass and / or the modal damping, of a pliable measurement object (210), comprising: a first fixing device (202), with which the measurement object (210) A second fixing device (203) with which the measurement object (210) is releasably fixable on its side opposite the first side, wherein the measurement object (210) in a fixed state in the first fixing device (210) 202) and the second fixing device F2 (203) and otherwise free-hanging, wherein the first fixing device (202) is connected to a first actuator (204) and mechanical through the first actuator (202) via the first fixing device (202) Suggestions in the measuring object (210) can be introduced, a control unit (206) for controlling the first actuator (206), an optical sensor system (201) for scanning a 3D surface (209) of the measurement object (210) in the fixed state and for determining a number n 3D measurement points (xi (t), yi (t), zi (t) representing the surface (209) )) with i = 1, 2, ... n, and time t, a first evaluation unit (207), with the basis of the 3D measuring points (xi (t), yi (t), zi (t)) a Time series of models M (t) of the 3D surface (209) of the measuring object (210) is determined, and a second evaluation unit (208), based on the models M (t), the mechanical properties of the measuring object (210) by means of a Modal analysis can be determined.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung mechanischer Eigenschaften, beispielsweise der Eigenschwingfrequenz, der Eigenschwingungsform, der modalen Masse, der modalen Dämpfung, und/oder der Durchbiegung eines biegeschlaffen Messobjekts. The invention relates to a device and a method for determining mechanical properties, for example, the natural vibration frequency, the natural vibration mode, the modal mass, the modal damping, and / or the deflection of a pliable object to be measured.
Derartige Eigenschaften von Messobjekten bzw. Bauteilen werden bspw. im Rahmen der Qualitätskontrolle bei der Bauteilefertigung, oder bei der robotergestützten Fertigungsplanung genutzt. Such properties of measurement objects or components are used, for example, in the context of quality control during component production, or in robot-assisted production planning.
Die Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung mechanischer Eigenschaften, beispielsweise der Eigenschwingfrequenz, der Eigenschwingungsform, der modalen Masse, der modalen Dämpfung, und/oder der Durchbiegung eines biegeschlaffen Messobjekts anzugeben, die eine zuverlässige und schnelle Ermittlung der mechanischen Eigenschaften des Messobjekts ermöglicht. The object is to specify an apparatus and a method for determining mechanical properties, for example the natural oscillation frequency, the inherent oscillation form, the modal mass, the modal damping, and / or the deflection of a pliable object to be measured which reliably and quickly determine the mechanical properties of the object DUT allows.
Der Begriff „Messobjekt“ ist weit auszulegen. Er umfasst insbesondere flächige Bauteile und Bauteile aus Faserverbundwerkstoffen (bspw. CFK-Bauteile), wie sie heute zunehmend in der Automobilsindustrie oder der Luftfahrt- oder Raumfahrtindustrie eingesetzt werden. The term "measuring object" is to be interpreted broadly. In particular, it comprises planar components and components made of fiber composite materials (for example CFRP components), which are increasingly being used today in the automotive industry or in the aerospace industry.
Die Erfindung ergibt sich aus den nebengeordneten Ansprüchen. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind. The invention results from the independent claims. Advantageous developments and refinements are the subject of the dependent claims. Other features, applications and advantages of the invention will become apparent from the following description, as well as the explanation of embodiments of the invention, which are illustrated in the figures.
Gemäß eines ersten Aspekts der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Ermittlung mechanischer Eigenschaften, beispielsweise der Eigenschwingfrequenz, der Eigenschwingungsform, der modalen Masse und/oder der modale Dämpfung, eines biegeschlaffen Messobjekts, vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst eine erste Fixiervorrichtung, mit der das Messobjekt an einer ersten Seite lösbar fest fixierbar ist; eine zweite Fixiervorrichtung, mit der das Messobjekt an seiner der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite lösbar fest fixierbar ist, wobei das Messobjekt in einem fixierten Zustand in der ersten Fixiervorrichtung und der zweiten Fixiervorrichtung fixiert ist und ansonsten frei hängt. Die erste Fixiervorrichtung ist mit einem ersten Aktuator verbunden, wobei durch den ersten Aktuator über die erste Fixiervorrichtung mechanische Anregungen in das Messobjekt einbringbar sind. Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Steuereinheit zur Steuerung des ersten Aktuators; ein optisches Sensorsystem zum Abtasten einer 3D-Oberfläche des Messobjekts im fixierten Zustand und zur Ermittlung einer Anzahl n die Oberfläche repräsentierenden 3D-Messpunkten (xi(t), yi(t), zi(t)) mit i = 1, 2, ... n, und Zeit t; eine erste Auswerteeinheit, mit der auf Basis der 3D-Messpunkte (xi(t), yi(t), zi(t)) eine Zeitreihe von Modellen M(t) der 3D-Oberfläche des Messobjekts ermittelt wird; und eine zweite Auswerteeinheit, mit der auf Basis der Modelle M(t) die mechanischen Eigenschaften des Messobjekts mittels einer Modalanalyse ermittelt werden. According to a first aspect of the invention, an apparatus for determining mechanical properties, for example the natural vibration frequency, the natural vibration mode, the modal mass and / or the modal damping, of a pliable measurement object is proposed. The device comprises a first fixing device with which the object to be measured is releasably fixable on a first side; a second fixing device with which the measurement object is releasably fixable on its second side opposite the first side, wherein the measurement object is fixed in a fixed state in the first fixing device and the second fixing device and otherwise hangs freely. The first fixing device is connected to a first actuator, wherein mechanical excitations can be introduced into the measurement object by the first actuator via the first fixing device. The device further comprises a control unit for controlling the first actuator; an optical sensor system for scanning a 3D surface of the measurement object in the fixed state and for determining a number n of the 3D measurement points representing the surface (x i (t), y i (t), z i (t)) with i = 1, 2, ... n, and time t; a first evaluation unit with which a time series of models M (t) of the 3D surface of the measurement object is determined on the basis of the 3D measurement points (x i (t), y i (t), z i (t)); and a second evaluation unit, with which the mechanical properties of the test object are determined by means of a modal analysis on the basis of the models M (t).
Die Fixiervorrichtungen können beispielsweise als Klemmen, Schraubverbindungen oder als Greifer (Endeffektor eines Roboterarms) ausgebildet sein. Sie können zur Punktfixierung oder Fixierung einer Kante oder eines Abschnitts des Messobjekts dienen bzw. ausgebildet sein. The fixing devices can be designed, for example, as clamps, screw connections or as a gripper (end effector of a robot arm). They can serve or be designed for point fixation or fixation of an edge or a section of the measurement object.
Der erste Aktuator ermöglicht vorteilhaft eine 1D-, 2D- oder 3D-Bewegung der ersten Fixiervorrichtung und damit eine entsprechende Bewegung des durch die erste Fixiervorrichtung angelenkten Teils des Messobjekts. Durch diese Bewegung wird das Messobjekt mechanisch zu Schwingungen angeregt. The first actuator advantageously permits a 1D, 2D or 3D movement of the first fixing device and thus a corresponding movement of the part of the measuring object articulated by the first fixing device. By this movement, the measurement object is mechanically excited to vibrate.
In einer einfachen Ausführungsvariante ist die zweite Fixiervorrichtung ortsfest angeordnet, so dass mechanische Anregungen nur über die erste Fixiervorrichtung in das Messobjekt eingeleitet werden, während der durch die zweite Fixiervorrichtung ortsfest fixierte Teil des Messobjekts eingehende mechanische Schwingungen im Wesentlichen reflektiert. Alternativ kann die zweite Fixiervorrichtung bzw. deren mechanische Anlenkung, derart ausgelegt sein, dass sie mechanischen Anregungen des Messobjektes im Wesentlichen als quasi „freies Ende“ nachgibt. Dadurch entstehen im Extremfall keine Reflexion mechanischer Wellen an der zweiten Fixiervorrichtung. In a simple embodiment variant, the second fixing device is arranged stationary so that mechanical excitations are introduced into the measuring object only via the first fixing device, while the part of the measuring object fixed in a stationary manner by the second fixing device essentially reflects incoming mechanical oscillations. Alternatively, the second fixing device or its mechanical linkage can be designed in such a way that it essentially yields mechanical excitations of the measurement object as a quasi "free end". As a result, in the extreme case, no reflection of mechanical waves at the second fixing device.
Die Ansteuerung des ersten Aktuators erfolgt durch die Steuereinheit, entsprechend einer vorgegebenen Aufgabestellung. Vorteilhaft wird der erste Aktuator derart angesteuert, dass die erste Fixiervorrichtung eine Auslenkung gemäß einem Stufensignal, einem Rechtecksignal oder einem Sinussignal ausführt. Natürlich sind die über die erste Fixiervorrichtung in das Messobjekt einbringbaren mechanischen Anregungen (Signalformen, Frequenzen etc.) grundsätzlich nahezu beliebig vorgebbar. The control of the first actuator is carried out by the control unit, according to a predetermined task position. Advantageously, the first actuator is controlled in such a way that the first fixing device performs a deflection in accordance with a step signal, a rectangular signal or a sine signal. Of course, the mechanical stimuli (signal shapes, frequencies, etc.) that can be introduced into the object to be measured via the first fixing device can basically be specified virtually as desired.
Vorteilhaft ist die zweite Fixiervorrichtung mit einem zweiten Aktuator verbunden, wobei durch den zweiten Aktuator über die zweite Fixiervorrichtung mechanische Anregungen in das Messobjekt einbringbar sind, und wobei die Steuereinheit zur Steuerung des zweiten Aktuators ausgebildet und eingerichtet ist. Der zweite Aktuator ermöglicht vorteilhaft eine 1D-, 2D- oder 3D-Bewegung der zweiten Fixiervorrichtung und damit eine entsprechende Bewegung des durch die zweite Fixiervorrichtung angelenkten Teils des Messobjekts. Durch eine entsprechend aufeinander abgestimmte Steuerung des ersten und des zweiten Aktuators können gezielt ein Vielzahl unterschiedlicher mechanischer Anregungszustände erzeugt werden, und durch deren Auswertung, wie im Folgenden beschrieben, unterschiedliche mechanische Eigenschaften des Messobjekts bestimmt werden. Advantageously, the second fixing device is connected to a second actuator, wherein mechanical excitations can be introduced into the measurement object by the second actuator via the second fixing device, and wherein the control unit is designed and set up to control the second actuator. The second actuator advantageously allows a 1D, 2D or 3D movement of the second fixing device and thus a corresponding movement of the by the second fixing device articulated part of the measurement object. By a correspondingly coordinated control of the first and the second actuator, a multiplicity of different mechanical excitation states can be generated in a targeted manner, and their evaluation, as described below, determines different mechanical properties of the measurement object.
Das optische Sensorsystem umfasst einen optischen Sensor, der vorteilhaft ein 3D-Laserscanner, oder eine optische 3D-Kamera, bspw. ein Microsoft® Kinect RGB-D Sensor, zur Abtastung der 3D-Oberfläche (bspw. eine Oberseite oder Unterseite oder ein Teil davon) des Messobjektes ist. Das Sensorsystem ermittelt auf Basis der bei der Abtastung erzeugten Abtastdaten eine Anzahl n die abgetastete Oberfläche repräsentierenden 3D-Messpunkten (xi(t), yi(t), zi(t)) mit i = 1, 2, ... n, und Zeit t. The optical sensor system includes an optical sensor which is advantageously a 3D laser scanner, or an optical 3D camera, for example., A Microsoft ® Kinect RGB-D sensor, for scanning the 3D surface (eg. A top or bottom or a portion thereof ) of the measurement object. On the basis of the sampling data generated during the sampling, the sensor system determines a number n of the sampled surface 3D measuring points (x i (t), y i (t), z i (t)) with i = 1, 2, ... n, and time t.
Wird durch das Sensorsystem mehr als die 3D-Oberflächezw. ein Teil davon erfasst, wird bspw. zusätzlich die Fixiervorrichtungen oder eine Umgebung erfasst, so werden die erfassten Bilddaten vorteilhaft derart segmentiert, dass nur der interessierende Bereich der 3D-Oberfläche zur weiteren Auswertung bereitgestellt wird. Die Messpunkte (xi(t), yi(t), zi(t)) werden vorteilhaft nur im interessierenden Bereich erfasst, bzw. ermittelt. Is the sensor system more than the 3D surface. If a part of it is detected, if, for example, additionally the fixing devices or an environment are detected, then the captured image data is advantageously segmented in such a way that only the region of interest of the 3D surface is provided for further evaluation. The measuring points (x i (t), y i (t), z i (t)) are advantageously detected or determined only in the region of interest.
Die erste Auswerteeinheit, ermittelt auf Basis der erfassten Zeitreihe von 3D-Messpunkte (xi(t), yi(t), zi(t)) eine Zeitreihe von Modellen M(t) bzw. Approximationen der 3D-Oberfläche des Messobjekts. The first evaluation unit, based on the acquired time series of 3D measurement points (x i (t), y i (t), z i (t)), determines a time series of models M (t) or approximations of the 3D surface of the measurement object ,
Zur Ermittlung eines solchen Modells M(t) bzw. der Approximation der 3D-Form der Oberfläche ist die erste Auswerteeinheit in einer vorteilhaften Weiterbildung derart ausgeführt und eingerichtet, dass nachfolgende Schritte ausgeführt werden. In einem ersten Schritt erfolgt ein Ermitteln einer polynombasierten Approximation A1(t) der 3D-Messpunkte (xi’(t), yi(t), zi(t)) mittels eines Least-Squares-Verfahrens. In einem zweiten Schritt erfolgt ein Glätten der 3D-Messpunkte (xi(t), yi(t), zi(t)) zur Erzeugung geglätteter 3D-Messpunkte (xk(t), yk(t), zk(t)), mit k = 1, 2, ... m und m ≤ n. In einem dritten Schritt erfolgt für jeden Punkt der geglätteten 3D-Messpunkte (xk(t), yk(t), zk(t)) ein Ermitteln einer Normalenrichtung nk(t)((xk(t), yk(t), zk(t)) bezogen auf die ermittelte erste Approximation A1(t). In einem vierten Schritt erfolgt für die geglätteten 3D-Messpunkte (xk(t), yk(t), zk(t)) iteratives Ausführen eines RANSAC-Algorithmus zur Ermittlung einer polynombasierten Approximation A2(t) der 3D-Oberfläche, welche durch eine im Rahmen des RANSAC-Algorithmus ermittelte Untermenge (xf(t), yf(t), zf(t)) der 3D-Messpunkte (xk(t), yk(t), zk(t)) bestimmt ist, mit f = 1, 2, ... l und l ≤ m. In einem fünften Schritt erfolgt ein Ermitteln einer polynombasierten Approximation A3(t) für die Untermenge (xf(t), yf(t), zf(t)) mittels eines Least-Squares-Verfahrens. In einem sechsten Schritt erfolgt ein iteratives Reduzieren der Ordnung der polynombasierten Approximation A3(t) zur Ermittlung einer optimierten Approximation A3*(t) und zur Ermittlung einer zugeordneten optimierten Untermenge (xg(t), yg(t), zg(t)), die durch Vergleichen der jeweiligen Approximation A3*(t) mit den 3D-Messpunkten (xk(t), yk(t), zk(t)) ermittelt wird, mit g = 1, 2, ... p und p ≥ l. In einer Verfahrensschleife erfolgt schließlich ein Wiederholen der vorstehenden Schritte beginnend mit dem fünften Schritt, wobei die Approximation A3(t) nun anstelle für die Untermenge (xf(t), yf(t), zf(t)) für die optimierte Untermenge (xg(t), yg(t), zg(t)) ermittelt wird, solange bis die Anzahl p der Punkte der Untermenge (xg(t), yg(t), zg(t)) gegenüber der vorhergehenden Ermittlung der Untermenge (xg(t), yg(t), zg(t)) nicht weiter steigt, wobei das Modell M(t) der 3D-Oberfläche des Messobjektes durch die der derart optimierten Untermenge (xg(t), yg(t), zg(t))’ zugeordneten Approximation A3*’(t) gegeben ist. In order to determine such a model M (t) or the approximation of the 3D shape of the surface, the first evaluation unit is embodied and set up in an advantageous development such that subsequent steps are carried out. In a first step, a polynomial-based approximation A 1 (t) of the 3D measuring points (x i ' (t), y i (t), z i (t)) is determined by means of a least-squares method. In a second step, the 3D measuring points (x i (t), y i (t), z i (t)) are smoothed to produce smoothed 3D measuring points (x k (t), y k (t), z k (t)), where k = 1, 2, ... m and m ≤ n. In a third step is carried out for each point of the smoothed 3D measuring points (x k (t), y k (t), for k (t)) determining a normal direction n k (t) ((x k (t), y k (t), z k (t)) with respect to the determined first approximation A 1 (t) for the smoothed 3D measurement points (x k (t), y k (t), z k (t)) iteratively executing a RANSAC algorithm for determining a polynomial-based approximation A 2 (t) of the 3D surface, which is represented by an im Subset ( xf (t), yf (t), zf (t)) of the 3D measurement points ( xk (t), yk (t), zk (t)) determined by the RANSAC algorithm with f = 1, 2, ... l and l ≤ m. In a fifth step, a polynomial-based approximation A 3 (t) is determined for the subset (x f (t), y f (t), z f (t)) by means of a least squares method. In a sixth step, an iterative reduction of the order of the polynomial-based approximation A 3 (t) to determine an optimized approximation A 3 * (t) and to determine an associated optimized subset (x g (t), y g (t), z g (t)), which is determined by comparing the respective approximation A 3 * (t) with the 3D measuring points (x k (t), y k (t), z k (t)), where g = 1, 2, ... p and p ≥ l. Finally, in a process loop, the preceding steps are repeated starting with the fifth step, wherein the approximation A 3 (t) instead of for the subset (x f (t), y f (t), z f (t)) for the optimized subset (x g (t), y g (t), z g (t)) is determined until the number p of the points of the subset (x g (t), y g (t), z g (t )) does not increase further compared with the previous determination of the subset (x g (t), y g (t), z g (t)), whereby the model M (t) of the 3D surface of the measurement object is characterized by the subset thus optimized (x g (t), y g (t), z g (t)) 'associated approximation A 3 *' (t) is given.
Durch diese Ausgestaltung und Einrichtung der ersten Auswerteeinheit wird zudem das Problem gelöst, aus einer dreidimensionalen Punktwolke, wie sie durch die vom optischen Sensorsystem ermittelten 3D-Messpunkte (xi’(t), yi(t), zi(t)) vorliegt und die stark verrauschte Messwerte aufweisen kann, die größte verbundene, glatte Oberfläche aufzufinden. Gleichzeitig wird ein Polynommodell A3*’(t) ermittelt, dessen Parameter die gefundene 3D-Oberfläche des Messobjekts mathematisch beschreiben. This embodiment and device of the first evaluation unit also solves the problem of a three-dimensional point cloud, as determined by the 3D measurement points (x i ' (t), y i (t), z i (t) determined by the optical sensor system). and the highly noisy measurements may be to find the largest connected, smooth surface. At the same time, a polynomial model A 3 * '(t) is determined whose parameters mathematically describe the found 3D surface of the measurement object.
Die in der ersten Auswerteeinheit vorteilhaft implementierten vorstehenden Verarbeitungsschritte können grundsätzlich für alle Bereiche angewendet werden, in denen aus dreidimensionalen Punktwolken 3D-Oberflächen extrahiert werden sollen und/oder ein (mathematisches) Modell gefunden werden soll, das diese 3D-Oberfläche beschreibt. Das Verfahren kann insbesondere zur Modellierung und Segmentierung einer Carbon-Faser-Kunststoff (CFK) Struktur aus einer mit einem optischen 3D-Sensor (bspw. durch einen Kinect-Sensor) gewonnene Punktwolke verwendet werden. Diese dabei gewonnene Modellierung wird vorliegend insbesondere dazu verwendet, um Materialeigenschaften eines Messobjektes, bspw. einer CFK Struktur, aus den Messdaten zu erhalten. The above processing steps advantageously implemented in the first evaluation unit can basically be used for all areas in which 3D surfaces are to be extracted from three-dimensional point clouds and / or a (mathematical) model is to be found which describes this 3D surface. The method can be used in particular for modeling and segmenting a carbon-fiber-plastic (CFRP) structure from a point cloud obtained with a 3D optical sensor (for example, by a Kinect sensor). In the present case, this modeling is used in particular to obtain material properties of a measurement object, for example a CFRP structure, from the measurement data.
Durch die erste Auswerteeinheit werden hierzu typischerweise eine Reihe von zeitdiskreten Modellen M(t0 + Δt·q), mit q = 0, 1, 2, 3, ..., und Δt Zeitinkrement, ermittelt und zur Weiterverarbeitung bereitgestellt. Die Wahl des Zeitinkrements Δt bestimmt natürlich das auswertbare Frequenzspektrum mechanischer Schwingungen des Messobjekts. Insofern sind das Frequenzspektrum der mechanischen Anregung des Messobjekts und die Wahl des Zeitinkrements Δt vorteilhaft aufeinander abzustimmen. For this purpose, a series of time-discrete models M (t 0 + Δt · q), with q = 0, 1, 2, 3,..., And Δt time increment, are typically determined by the first evaluation unit and made available for further processing. Of course, the choice of the time increment .DELTA.t determines the evaluable frequency spectrum of mechanical vibrations of the measurement object. In this respect, the frequency spectrum of the mechanical excitation of the measurement object and the choice of the time increment .DELTA.t are to be matched advantageously.
Die Modelle M(t0 + Δt·q) geben somit eine Zeitreihe approximierter 3D-Formen der Oberfläche des Messobjekts an. Somit ist auch für jeden Bildpunkt des optischen Sensors bzw. jedes Pixel der approximierten 3D-Formen jeweils eine Zeitreihe von Auslenkungen bekannt. Je nach Größe eines Pixels können dies bspw. mehrere Zehn- oder Hunderttausend etc. Punkte sein. Die Zahl der mit dem optischen Sensorsystem erfassten n 3D-Messpunkte (xi(t), yi(t), zi(t)) bzw. die dadurch erfasste Zeitreihe von Auslenkungen dieser 3D-Messpunkte, ist hingegen typischerweise einige Größenordnungen kleiner, so gilt für n typischerweise: n ≥ 36. The models M (t 0 + Δt · q) thus indicate a time series of approximated 3D shapes of the surface of the measurement object. Thus, a time series of deflections is also known for each pixel of the optical sensor or each pixel of the approximated 3D shapes. Depending on the size of a pixel, this can be, for example, several tens or hundreds of thousands etc. points. By contrast, the number of n 3D measurement points (x i (t), y i (t), z i (t)) detected by the optical sensor system or the time series of deflections of these 3D measurement points detected thereby is typically a few orders of magnitude smaller , then for n typically: n ≥ 36.
Die zweite Auswerteeinheit ermittelt nun mittels Modalanalyse auf Basis der Modelle M(t) = M(t0 + Δt·q) die mechanischen Eigenschaften des Messobjekts. Der Begriff „Modalanalyse“ ist bekannt und umfasst die experimentelle oder numerische Charakterisierung des dynamischen Verhaltens schwingungsfähiger Systeme mit Hilfe ihrer Eigenschwingungsgrößen (modalen Parameter) Eigenfrequenz, Eigenschwingungsform, modale Masse und modale Dämpfung. Für weitere Erläuterung hierzu wird auf den Stand der Technik verwiesen. The second evaluation unit now determines the mechanical properties of the DUT by means of modal analysis on the basis of the models M (t) = M (t 0 + Δt · q). The term "modal analysis" is well-known and includes the experimental or numerical characterization of the dynamic behavior of vibratory systems with the help of their natural vibration quantities (modal parameters) natural frequency, natural mode, modal mass and modal damping. For further explanation, reference is made to the prior art.
Die vorgeschlagene Vorrichtung kann insbesondere zur Qualitätskontrolle von Oberflächen eingesetzt werden. Denkbar ist auch der Einsatz der vorgeschlagenen Vorrichtung zur Erkennung, Identifizierung und Lokalisierung von Werkstücken. The proposed device can be used in particular for the quality control of surfaces. It is also conceivable to use the proposed device for the detection, identification and localization of workpieces.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die erste Auswerteeinheit derart ausgeführt und eingerichtet ist, dass das Least-Squares-Verfahren im ersten Schritt und/oder in fünften Schritt ein Moving-Least-Square Verfahren oder ein Weighted-Least-Squares Verfahren ist/sind. An advantageous development of the device is characterized in that the first evaluation unit is designed and set up such that the least-squares method in the first step and / or in the fifth step is a moving-least-square method or a weighted-least squares Procedure is / are.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die erste Auswerteeinheit derart ausgeführt und eingerichtet ist, dass das Glätten durch Projektion jedes 3D-Messpunktes (xi(t), yi(t), zi(t)) auf eine lokale Fläche der Approximation A1(t) erfolgt, die eine lokale Umgebung des jeweiligen 3D-Messpunktes (xi(t), yi(t), zi(t)) darstellt. An advantageous development of the device is characterized in that the first evaluation unit is designed and set up such that the smoothing by projection of each 3D measuring point (x i (t), y i (t), z i (t)) to a local area of the approximation A 1 (t) takes place, which represents a local environment of the respective 3D measuring point (x i (t), y i (t), z i (t)).
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die erste Auswerteeinheit derart ausgeführt und eingerichtet ist, dass in dem RANSAC-Algorithmus für jeden 3D-Messpunkt (xk(t), yk(t), zk(t)) eine euklidische Distanz Dk(t)(xk(t), yk(t), zk(t)) zwischen dem Messpunkt (xk(t), yk(t), zk(t)) und einem dazu korrespondierenden Punkt (xk(t), yk(t), zk(t))A2 der Approximation A2(t), und eine Winkeldifferenz Wk(t)(xk(t), yk(t), zk(t)) zwischen der ermittelten Normalenrichtung nk(t)(xk(t), yk(t), zk(t)) und einer Normalenrichtung nk,A2(t)(xk(t), yk(t), zk(t)) des korrespondierenden Punktes (xk(t), yk(t), zk(t))A2 der Approximation A2(t) ermittelt wird. An advantageous development of the device is characterized in that the first evaluation unit is designed and set up such that in the RANSAC algorithm for each 3D measuring point (x k (t), y k (t), z k (t)) an Euclidean distance Dk (t) ( xk (t), yk (t), zk (t)) between the measuring point ( xk (t), yk (t), zk (t)) and a corresponding point (x k (t), y k (t), z k (t)) A2 of the approximation A 2 (t), and an angular difference W k (t) (x k (t), y k ( t), z k (t)) between the determined normal direction n k (t) (x k (t), y k (t), z k (t)) and a normal direction n k, A2 (t) (x k (t), y k (t), z k (t)) of the corresponding point (x k (t), y k (t), z k (t)) A2 of the approximation A 2 (t) is determined.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die erste Auswerteeinheit derart ausgeführt und eingerichtet ist, dass die Untermenge (xf(t), yf(t), zf(t)) nur diejenigen 3D-Messpunkte (xk(t), yk(t), zk(t)) umfasst, für die gilt:
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die erste Auswerteeinheit derart ausgeführt und eingerichtet ist, dass ein Segmentieren der optimierten Untermenge (xg(t), yg(t), zg(t))’ aus den 3D-Messpunkten (xk(t), yk(t), zk(t)) erfolgt. An advantageous development of the device is characterized in that the first evaluation unit is designed and set up such that a segmentation of the optimized subset (x g (t), y g (t), z g (t)) 'from the 3D Measuring points (x k (t), y k (t), z k (t)) takes place.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung mechanischer Eigenschaften, beispielsweise der Eigenschwingfrequenz, der Eigenschwingungsform, der modalen Masse und/oder der modale Dämpfung, eines biegeschlaffen Messobjekts. Das vorgeschlagene Verfahren umfasst folgende Schritte. In einem ersten Schritt erfolgt ein Fixieren des Messobjektes mit einer ersten Seite an einer ersten Fixiervorrichtung und mit seiner der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite an einer zweiten Fixiervorrichtung, wobei das Messobjekt ansonsten frei hängt. In einem zweiten Schritt erfolgt über die erste Fixiervorrichtung ein Einbringen einer mechanischen Anregung in as Messobjekt. In einem dritten Schritt erfolgt ein Abtasten einer 3D-Oberfläche des Messobjekts im fixierten Zustand mit einem optischen Sensorsystem zur Ermittlung einer Anzahl n die Oberfläche repräsentierenden 3D-Messpunkten (xi(t), yi(t), zi(t)) mit i = 1, 2, ... n, und Zeit t. In einem vierten Schritt erfolgt auf Basis der ermittelten 3D-Messpunkte (xi(t), yi(t), zi(t)) ein Ermitteln eine Zeitreihe von Modellen M(t) der 3D-Oberfläche des Messobjekts. In einem fünften Schritt erfolgt auf Basis der Modelle M(t) ein Ermitteln der mechanischen Eigenschaften des Messobjekts mittels einer Modalanalyse. A second aspect of the invention relates to a method for determining mechanical properties, for example the natural oscillation frequency, the inherent oscillation form, the modal mass and / or the modal damping, of a limp test object. The proposed method comprises the following steps. In a first step, the measuring object is fixed with a first side to a first fixing device and with its second side opposite the first side to a second fixing device, wherein the measuring object otherwise hangs freely. In a second step, an introduction of a mechanical excitation into the measured object takes place via the first fixing device. In a third step, a 3D surface of the measurement object is scanned in the fixed state with an optical sensor system for determining a number n of the 3D measurement points representing the surface (x i (t), y i (t), z i (t)) with i = 1, 2, ... n, and time t. In a fourth step, a time series of models M (t) of the 3D surface of the measurement object is determined on the basis of the determined 3D measurement points (x i (t), y i (t), z i (t)). In a fifth step, on the basis of the models M (t), the mechanical properties of the test object are determined by means of a modal analysis.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des vorstehenden Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass das Ermitteln der Zeitreihe von Modellen M(t) der 3D-Oberfläche des Messobjekts folgende Schritte umfasst: Ermitteln einer polynombasierten Approximation A1(t) der 3D-Messpunkte (xi’(t), yi(t), zi(t)) mittels eines Least-Squares-Verfahrens; Glätten der 3D-Messpunkte (xi(t), yi(t), zi(t)) zur Erzeugung geglätteter 3D-Messpunkte (xk(t), yk(t), zk(t)), mit k = 1, 2, ... m und m ≤ n; für jeden Punkt der geglätteten 3D-Messpunkte (xk(t), yk(t), zk(t)) Ermitteln einer Normalenrichtung nk(t)((xk(t), yk(t), zk(t)) bezogen auf die ermittelte erste Approximation A1(t); für die geglätteten 3D-Messpunkte (xk(t), yk(t), zk(t)) iteratives Ausführen eines RANSAC-Algorithmus zur Ermittlung einer polynombasierten Approximation A2(t) der 3D-Oberfläche, welche durch eine im Rahmen des RANSAC-Algorithmus ermittelte Untermenge (xf(t), yf(t), zf(t)) der 3D-Messpunkte (xk(t), yk(t), zk(t)) bestimmt ist, mit f = 1, 2, ... l und l ≤ m; Ermitteln einer polynombasierten Approximation A3(t) für die Untermenge (xf(t), yf(t), zf(t)) mittels eines Least-Squares-Verfahrens; iteratives Reduzieren der Ordnung der polynombasierten Approximation A3(t) zur Ermittlung einer optimierten Approximation A3*(t) und zur Ermittlung einer zugeordneten optimierten Untermenge (xg(t), yg(t), zg(t)), die durch Vergleichen der jeweiligen Approximation A3*(t) mit den 3D-Messpunkten (xk(t), yk(t), zk(t)) ermittelt wird, mit g = 1, 2, ... p und p ≥ l; und Wiederholen der Schritte beginnend mit dem Ermitteln der polynombasierten Approximation A3(t), wobei die Approximation A3(t) nun anstelle für die Untermenge (xf(t), yf(t), zf(t)) für die optimierte Untermenge (xg(t), yg(t), zg(t)) ermittelt wird, solange bis die Anzahl p der Punkte der Untermenge (xg(t), yg(t), zg(t)) gegenüber der vorhergehenden Ermittlung der Untermenge (xg(t), yg(t), zg(t)) nicht weiter steigt, wobei das Modell M(t) der 3D-Oberfläche des Messobjektes durch die der derart optimierten Untermenge (xg(t), yg(t), zg(t))’ zugeordneten Approximation A3*’(t) gegeben ist. An advantageous development of the above method is characterized in that determining the time series of models M (t) of the 3D surface of the measurement object comprises the following steps: determining a polynomial-based approximation A 1 (t) of the 3D measurement points (x i ' ( t), y i (t), z i (t)) by means of a least squares method; Smoothing the 3D measuring points (x i (t), y i (t), z i (t)) to produce smoothed 3D measuring points (x k (t), y k (t), z k (t)), with k = 1, 2, ... m and m ≤ n; for each point of the smoothed 3D measurement points ( xk (t), yk (t), zk (t)) determining a Normal direction n k (t) ((x k (t), y k (t), z k (t)) with respect to the determined first approximation A 1 (t); for the smoothed 3D measuring points (x k (t) , y k (t), z k (t)) iteratively executing a RANSAC algorithm for determining a polynomial-based approximation A 2 (t) of the 3D surface, which is determined by a subset (x f (t) determined as part of the RANSAC algorithm ), y f (t), z f (t)) of the 3D measuring points (x k (t), y k (t), z k (t)) is determined, with f = 1, 2, ... l and l ≤ m; determining a polynomial-based approximation A 3 (t) for the subset (x f (t), y f (t), z f (t)) by a least-squares method; iteratively reducing the order of polynomial-based approximation A 3 (t) for determining an optimized approximation A 3 * (t) and for determining an associated optimized subset (x g (t), y g (t), z g (t)) obtained by comparing the respective ones Approximation A 3 * (t) with the 3D measuring points (x k (t), y k (t), z k (t)) is determined, with g = 1, 2, ... p and p ≥ l; and repeating the steps beginning with the determination of the polynomial-based approximation A 3 (t), wherein the approximation A 3 (t) instead of for the subset (x f (t), y f (t), z f (t)) for the optimized subset (x g (t), y g (t), z g (t)) is determined as long as the number p of the points of the subset (x g (t), y g (t), z g ( t)) with respect to the previous determination of the subset (x g (t), y g (t), z g (t)) does not increase further, wherein the model M (t) of the 3D surface of the measurement object by the thus optimized Subset (x g (t), y g (t), z g (t)) 'associated approximation A 3 *' (t) is given.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Modells einer 3D-Oberfläche eines Messobjektes, das folgende Schritte umfasst. In einem ersten Schritt erfolgt ein Abtasten der 3D-Oberfläche des Messobjekts mit einem optischen Sensorsystem zur Ermittlung einer Anzahl n die Oberfläche repräsentierenden 3D-Messpunkten (xi, yi, zi) mit i = 1, 2, ... n. In einem zweiten Schritt erfolgt ein Ermitteln einer polynombasierten Approximation A1 der 3D-Messpunkte (xi, yi, zi) mittels eines Least-Squares-Verfahrens. In einem dritten Schritt erfolgt ein Glätten der 3D-Messpunkte (xi, yi, zi) zur Erzeugung geglätteter 3D-Messpunkte (xk, yk, zk), mit k = 1, 2, ... m und m ≤ n. In einem vierten Schritt erfolgt für jeden Punkt der geglätteten 3D-Messpunkte (xk, yk, zk) ein Ermitteln einer Normalenrichtung nk(xk, yk, zk) bezogen auf die ermittelte erste Approximation A1. In einem fünften Schritt erfolgt für die geglätteten 3D-Messpunkte (xk, yk, zk) ein iteratives Ausführen eines RANSAC-Algorithmus zur Ermittlung einer polynombasierten Approximation A2 der 3D-Oberfläche, welche durch eine im Rahmen des RANSAC-Algorithmus ermittelte Untermenge (xf, yf, zf) der 3D-Messpunkte (xk, yk, zk) bestimmt ist, mit f = 1, 2, ... l und l ≤ m. In einem sechsten Schritt erfolgt ein Ermitteln einer polynombasierten Approximation A3 für die Untermenge (xf, yf, zf) mittels eines Least-Squares-Verfahrens. In einem siebten Schritt erfolgt ein iteratives Reduzieren der Ordnung der polynombasierten Approximation A3 zur Ermittlung einer optimierten Approximation A3* und zur Ermittlung einer zugeordneten optimierten Untermenge (xg, yg, zg), die durch Vergleichen der jeweiligen Approximation A3* mit den 3D-Messpunkten (xk, yk, zk) ermittelt wird, mit g = 1, 2, ... p und p ≥ l. Weiterhin erfolgt in einem achten Schritt ein Wiederholen der Schritte beginnend mit dem sechsten Schritt, wobei die Approximation A3 nun anstelle für die Untermenge (xf, yf, zf) für die optimierte Untermenge (xg, yg, zg) ermittelt wird, solange bis die Anzahl p der Punkte der Untermenge (xg, yg, zg) gegenüber der vorhergehenden Ermittlung der Untermenge (xg, yg, zg) nicht weiter steigt, wobei das Modell der 3D-Oberfläche des Messobjektes durch die der derart optimierten Untermenge (xg, yg, zg)’ zugeordneten Approximation A3*’ gegeben ist. A third aspect of the invention relates to a method for determining a model of a 3D surface of a measurement object, comprising the following steps. In a first step, the 3D surface of the measurement object is scanned with an optical sensor system for determining a number n of the 3D measurement points (x i , y i , z i ) representing the surface with i = 1, 2,... In a second step, a polynomial-based approximation A 1 of the 3D measuring points (x i , y i , z i ) is determined by means of a least-squares method. In a third step, the 3D measuring points (x i , y i , z i ) are smoothed to produce smoothed 3D measuring points (x k , y k , z k ), where k = 1, 2, m ≤ n. In a fourth step, for each point of the smoothed 3D measurement points (x k , y k , z k ), a normal direction n k (x k , y k , z k ) is determined based on the determined first approximation A 1 . In a fifth step is performed for the smoothed 3D measuring points (x k, y k, z k), an iterative performing a RANSAC algorithm for determining a polynombasierten approximation A 2 of the 3D surface that determined by a part of the RANSAC algorithm Subset (x f , y f , z f ) of the 3D measuring points (x k , y k , z k ) is determined, with f = 1, 2, ... l and l ≤ m. In a sixth step, a polynomial-based approximation A 3 for the subset (x f , y f , z f ) is determined by means of a least-squares method. In a seventh step, the order of the polynomial-based approximation A 3 is iteratively reduced in order to determine an optimized approximation A 3 * and to determine an associated optimized subset (x g , y g , z g ) which is determined by comparing the respective approximation A 3 * with the 3D measuring points (x k , y k , z k ) is determined, with g = 1, 2, ... p and p ≥ l. Furthermore, in an eighth step, the steps are repeated starting with the sixth step, with the approximation A 3 now replacing the subset (x f , y f , z f ) for the optimized subset (x g , y g , z g ). is determined until the number p of the points of the subset (x g , y g , z g ) over the previous determination of the subset (x g , y g , z g ) does not increase further, the model of the 3D surface of the Measuring object through which the thus optimized subset (x g , y g , z g ) 'associated approximation A 3 *' is given.
Eine Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass das Glätten durch Projektion jedes 3D-Messpunktes (xi, yi, zi) auf eine lokale Fläche der Approximation A1 erfolgt, die eine lokale Umgebung des jeweiligen 3D-Messpunktes (xi, yi, zi) darstellt. A development of the method is characterized in that the smoothing by projection of each 3D measuring point (x i , y i , z i ) takes place on a local surface of the approximation A 1 , which is a local environment of the respective 3D measuring point (x i , y i , z i ).
Eine Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass in dem RANSAC-Algorithmus für jeden 3D-Messpunkt (xk, yk, zk) eine euklidische Distanz Dk(xk, yk, zk) zwischen dem Messpunkt (xk, yk, zk) und einem dazu korrespondierenden Punkt (xk, yk, zk)A2 der Approximation A2, und eine Winkeldifferenz Wk(xk, yk, zk) zwischen der ermittelten Normalenrichtung nk(xk, yk, zk) und einer Normalenrichtung nk,A2(xk, yk, zk) des korrespondierenden Punktes (xk, yk, zk)A2 der Approximation A2 ermittelt wird. A development of the method is characterized in that in the RANSAC algorithm for each 3D measuring point (x k , y k , z k ) a Euclidean distance D k (x k , y k , z k ) between the measuring point (x k , y k , z k ) and a corresponding point (x k , y k , z k ) A2 of the approximation A 2 , and an angular difference W k (x k , y k , z k ) between the determined normal direction n k (x k , y k , z k ) and a normal direction n k, A2 (x k , y k , z k ) of the corresponding point (x k , y k , z k ) A2 of the approximation A 2 is determined.
Eine Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Untermenge (xf, yf, zf) nur diejenigen 3D-Messpunkte (xk, yk, zk) umfasst, für die gilt: Dk(xk, yk, zk) < G1, und Wk(xk, yk, zk) < G2, wobei G1 und G2 vorgegebene Grenzwerte sind. A further development of the method is characterized in that the subset (x f, y f, z f) only those 3D measuring points (x k, y k, z k) comprises, in which: D k (x k, y k , z k ) <G 1 , and W k (x k , y k , z k ) <G 2 , where G 1 and G 2 are predetermined limits.
Eine Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass nach Schritt acht ein Segmentieren der optimierten Untermenge (xg, yg, zg)’ aus den 3D-Messpunkten (xk, yk, zk) erfolgt. A development of the method is characterized in that, after step eight, the optimized subset (x g , y g , z g ) is segmented from the 3D measuring points (x k , y k , z k ).
Eine Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Approximation A3*’ für eine weitere Verarbeitung bereitgestellt wird. A development of the method is characterized in that the approximation A 3 * 'is provided for further processing.
Eine Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die 3D-Oberfläche des Messobjekts zeitlich veränderbar ist, der optische Sensor eine Zeitreihe von die Oberfläche repräsentierenden 3D-Messpunkten (xi(t), yi(t), zi(t)) erfasst, wobei für jeden Zeitpunk t der Zeitreihe eine Approximation A3*’(t) ermittelt wird, und auf Basis der Approximation A3*’(t) Materialeigenschaften des Messobjekts ermittelt werden. A refinement of the method is characterized in that the 3D surface of the measurement object is time-changeable, the optical sensor is a time series of 3D measurement points representing the surface (x i (t), y i (t), z i (t) ), wherein for each time point t of the time series an approximation A 3 * '(t) is determined, and on the basis of the approximation A 3 *' (t) material properties of the measurement object are determined.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren ist es möglich, eine Segmentierung und gleichzeitige Modellierung einer Oberfläche durchzuführen. Die beste Übereinstimmung von verrauschten Messdaten mit einem parametrischen Modell wird auch im Fall von Verdeckungen und störenden Objekten im Vorder- und Hintergrund gefunden. With the proposed method, it is possible to perform a segmentation and simultaneous modeling of a surface. The best match of noisy measurement data with a parametric model is also found in the case of obscurations and disturbing objects in the foreground and background.
Aufgrund des Fittens von Polynomen mit einem RANSAC Verfahren kann jede beliebige (nicht geschlossene) Oberfläche angenähert werden, daher sind keine Vorkenntnisse über die Form des Objekts notwendig. Ein Optimierungsschritt des Polynomgrades ermöglicht eine effizientere und präzisere Modellierung. Dieses RANSAC Segmentierung und Modellierungsverfahren wird als Startwert einer Maximization-Expectation Schleife benutzt, wodurch das globale Optimum gefunden wird, also das Modell, das am besten das Objekt beschreibt. Dadurch werden Ungenauigkeiten in der Initialschätzung reduziert. Due to fitting polynomials with a RANSAC method, any (non-closed) surface can be approximated, so no prior knowledge of the shape of the object is necessary. An optimization step of the polynomial degree allows a more efficient and more precise modeling. This RANSAC segmentation and modeling technique is used as the seed of a maximization-expectation loop, which finds the global optimum, the model that best describes the object. This reduces inaccuracies in the initial estimate.
Durch das Inititialisieren mit einem RANSAC Verfahren ist zum einen sichergestellt, dass ein global optimales Modell der Struktur gefunden wird, auch wenn im ersten RANSAC Schritt noch nicht die komplette Struktur segmentiert wurde. Zum anderen bietet dies einen zeitlichen Vorteil, da ein rein auf RANSAC basierender Algorithmus ein iterativer Algorithmus ist, der sehr oft durchlaufen werden muss, damit sichergestellt werden muss, dass das optimale Modell gefunden wurde. Initializing with a RANSAC procedure ensures, on the one hand, that a globally optimal model of the structure is found, even if the entire structure was not segmented in the first RANSAC step. On the other hand, this offers a time advantage, as a purely RANSAC-based algorithm is an iterative algorithm that needs to be run very often to ensure that the optimal model is found.
Aufgrund der Expectation-Maximization Schleife stellt das vorgeschlagene Verfahren eine geschlossene Optimierungsschleife dar, mit dem sichergestellt werden kann, dass trotz sehr verrauschten Daten ein globales Optimum gefunden werden kann. Due to the expectation-maximization loop, the proposed method represents a closed optimization loop with which it can be ensured that a global optimum can be found despite very noisy data.
Flexibilität des Verfahrens Flexibility of the procedure
Das Verfahren ermöglicht eine Modellierung einer Struktur, ohne jegliche Vorkenntnisse über die Form der Struktur zu haben. Dies ermöglicht im Gegensatz zu bekannten RANSAC Verfahren, bei denen die Form der zu modellierenden Struktur bekannt sein muss eine sehr breite Anwendungsmöglichkeit auf alle Strukturen, die sich als bivariates Polynom modellieren lassen, deren Oberfläche also eine nicht geschlossene, glatte Oberfläche darstellen. Dies schließt viele Oberflächenprimitive wie zum Beispiel Ebenen ein. The method allows modeling a structure without having any prior knowledge of the shape of the structure. In contrast to known RANSAC methods, in which the form of the structure to be modeled must be known, this makes possible a very broad application possibility to all structures that can be modeled as a bivariate polynomial, whose surface thus represents a non-closed, smooth surface. This includes many surface primitives such as planes.
Zum anderen können Vorkenntnisse über die Form der Struktur in den Algorithmus einfließen, so kann zum Beispiel der maximale Grad des Modellpolynoms in jeder Richtung unabhängig begrenzt werden. Dies ist der Fall, wenn bekannt ist, dass ein Material nur eine Durchbiegung in eine Richtung aufweist. Dies ermöglicht eine schnellere und präzisere Berechnung des Modells. On the other hand, prior knowledge about the form of the structure can be incorporated into the algorithm, for example, the maximum degree of the model polynomial in each direction can be limited independently. This is the case when it is known that a material has only one deflection in one direction. This allows a faster and more accurate calculation of the model.
Clustering clustering
Durch dieses Merkmal wird sichergestellt, dass die größte zusammenhängende Fläche extrahiert wird. This feature ensures that the largest contiguous area is extracted.
Polynom-Grad-Optimierung Polynomial degree Optimization
Durch den Schritt der Grad Optimierung wird der maximale Grad des Modellpolynoms schrittweise reduziert und das Modell danach erneut optimiert. Dies führt dazu, dass das Modell, das mit dem kleinsten Grad das Modell beschreibt, bevorzugt wird. Dadurch wird verhindert, dass höhere Polynomterme als nötig verwendet werden, was einen Geschwindigkeitsvorteil bei der Berechnung darstellt. The degree optimization step gradually reduces the maximum degree of the model polynomial and then re-optimizes the model. As a result, the model that describes the model with the smallest degree is preferred. This prevents higher polynomial terms from being used as necessary, which is a speed advantage in the calculation.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Computersystem, mit einer Datenverarbeitungsvorrichtung, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung derart ausgestaltet ist, dass ein Verfahren, wie vorstehend beschrieben, auf der Datenverarbeitungsvorrichtung ausgeführt wird. Another aspect of the invention relates to a computer system having a data processing device, wherein the data processing device is configured such that a method as described above is performed on the data processing device.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein digitales Speichermedium mit elektronisch aus lesbaren Steuersignalen, wobei die Steuersignale so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, dass ein Verfahren, wie vorstehend beschrieben, ausgeführt wird. Another aspect of the invention relates to a digital storage medium having electronically readable control signals, wherein the control signals may interact with a programmable computer system such that a method as described above is performed.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Computer-Programm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung eines Verfahrens, wie vorstehend beschrieben, wenn der Programmcode auf einer Datenverarbeitungsvorrichtung ausgeführt wird. Another aspect of the invention relates to a computer program product having program code stored on a machine-readable medium for carrying out a method as described above when the program code is executed on a data processing device.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Computer-Programm mit Programmcodes zur Durchführung eines Verfahrens, wie vorstehend beschrieben, wenn das Programm auf einer Datenverarbeitungsvorrichtung abläuft. Dazu kann die Datenverarbeitungsvorrichtung als ein beliebiges aus dem Stand der Technik bekanntes Computersystem ausgestaltet sein. Another aspect of the invention relates to a computer program having program codes for carrying out a method as described above when the program runs on a data processing device. For this, the data processing device can be configured as any known from the prior art computer system.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der – gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung – zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen: Further advantages, features and details will become apparent from the following description in which - where appropriate, with reference to the drawings - at least one embodiment is described in detail. The same, similar and / or functionally identical parts are provided with the same reference numerals. Show it:
Die Vorrichtung umfasst eine erste Fixiervorrichtung
Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Steuereinheit
Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine erste Auswerteeinheit
Zur Ermittlung der Modellen M(t) der 3D-Oberfläche
Die Vorrichtung ermöglicht die Bestimmung von Materialcharakteristika des biegeschlaffen Messobjekts
Das zu untersuchende Messobjekt
Dies wird vorteilhaft durch das Durchführen einer sogenannten „Hand-Auge-Kalibrierung“ sichergestellt. Erläuterungen hierzu sind aus dem Stand der Technik bekannt. Außerdem wird vorausgesetzt, dass die Positionen der ersten
Durch die durchgeführte Hand-Auge-Kalibrierung ist die Transformation zwischen Roboterkoordinatensystem und Koordinatensystem des optischen Sensors des Sensorsystems
Die Durchhängung des Messobjekts
Hinweis: Die so ermittelte Durchhängung geht von einer frei gelagerten Fixierung des Messobjekts
Die ermittelte Durchhängung ermöglicht bspw. eine Bahnplanung eines Fertigungsroboters, bei der sichergestellt wird, dass es aufgrund der Durchhängung zu keiner Kollision des Bauteils (Messobjekt) mit einer Umgebung kommt. The determined sag allows, for example, a path planning of a production robot, which ensures that there is no collision of the component (object under test) with an environment due to the sag.
Zur Bestimmung der Materialcharakteristika Eigenschwingungsfrequenz, Eigenschwingungsform, modale Masse und modale Dämpfung wird das bekannte Verfahren der Modalanalyse angewendet. Hierzu wird das Messobjekt
Klassisch werden diese Materialcharakteristika durch Anbringen von Beschleunigungsaufnehmern und Messen der Beschleunigungen über Zeit bestimmt. Durch die vorgeschlagene Vorrichtung und das optische Sensorsystem
Hinweis: Sehr hochfrequente Schwingungen können mit einem optischen Sensorsystem nicht gemessen werden, da die Maximalfrequenz von der Bildwiederholrate des Sensors limitiert wird. Bei einem biegeschlaffen Bauteil stellt dies in der Regel jedoch kein Problem dar, da hier nur relativ niederfrequente Hauptschwingungen auftreten. Note: Very high-frequency vibrations can not be measured with an optical sensor system, since the maximum frequency is limited by the refresh rate of the sensor. In the case of a limp component, however, this usually poses no problem, since only relatively low-frequency main vibrations occur here.
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehenden Erläuterung in der Beschreibung, definiert wird. Although the invention has been further illustrated and explained in detail by way of preferred embodiments, the invention is not limited by the disclosed examples, and other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention. It is therefore clear that a multitude of possible variations exists. It is also to be understood that exemplified embodiments are really only examples that are not to be construed in any way as limiting the scope, applicability, or configuration of the invention. Rather, the foregoing description and description of the figures enable one skilled in the art to practice the exemplary embodiments, and those skilled in the art, having the benefit of the disclosed inventive concept, can make various changes, for example, to the function or arrangement of individual elements recited in an exemplary embodiment, without Protected area, which is defined by the claims and their legal equivalents, such as further explanation in the description.
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