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Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zum dimensionalen Messen eines Objekts, mit einem optischen 3-D Sensor mit flächenhafter Antastung zur Erfassung von ersten dreidimensionalen Daten des Objekts, mit einem Koordinatenmessgerät mit einem optischen und/oder taktilen Sensor zum dreidimensionalen Abtasten des Objekts, mit einer Speichereinheit zum Abspeichern einer anhand einer Sollkontur des Objekts bestimmten Sollmessbahn, entlang der der optische und/oder taktile Sensor des Koordinatenmessgeräts zum Abtasten des Objekts verfahren werden soll und mit einer Auswerte- und Steuereinheit, welche dazu eingerichtet ist, anhand der durch den optischen 3-D Sensor mit flächenhafter Antastung erfassten ersten dreidimensionalen Daten und der in der Speichereinheit abgespeicherten Sollmessbahn eine korrigierte Messbahn zu bestimmen und den optischen und/oder taktilen Sensor des Koordinatenmessgeräts zur Erfassung von zweiten dreidimensionalen Daten des Objekts entlang der korrigierten Messbahn zu verfahren.
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Ein gattungsgemäßes System zum dimensionalen Messen ist bereits aus
JP2004-93190A bekannt.
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Zur Erfassung der Gestalt von Werkstücken bzw. Objekten allgemeiner Art kommen in der industriellen Messtechnik heute neben Koordinatenmessgeräten mit optischen und/oder taktilen Sensoren häufig auch Streifenprojektionssysteme zum Einsatz. Die Art der Messung erfolgt bei Koordinatenmessgeräten im Vergleich zu Streifenprojektionssystemen auf technisch unterschiedlicher Art und Weise. Beide Systeme unterscheiden sich daher meist auch in ihren Einsatzzwecken. Mehr und mehr werden Koordinatenmessgeräte und optische 3-D Sensoren mit flächenhafter Antastung, wie beispielsweise Streifenprojektionssensoren, jedoch auch nebeneinander für ein und denselben Einsatzzweck verwendet.
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Koordinatenmessgeräte sind im Stand der Technik allgemein bekannt. Sie dienen dazu, beispielsweise im Rahmen der Qualitätsprüfung, Werkstücke zu prüfen oder die Geometrie eines Werkstücks vollständig im Rahmen eines sogenannten „Reverse Engineering“ zu ermitteln. Darüber hinaus sind vielfältige weitere Anwendungsmöglichkeiten denkbar.
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In Koordinatenmessgeräten können verschiedene Arten von Sensoren zur Anwendung kommen, um die Koordinaten des zu vermessenden Objekts zu erfassen. Beispielsweise sind hierzu taktil messende Sensoren bekannt, wie sie von der Anmelderin unter der Produktbezeichnung „VAST XT“ oder „VAST XXT“ vertrieben werden. Hierbei wird die Oberfläche des zu vermessenden Objekts mit einem Taststift abgetastet, dessen Koordinaten im Messraum ständig bekannt sind. Ein derartiger Taststift kann auch entlang der Oberfläche eines Objekts bewegt werden, so dass in einem solchen Messvorgang im Rahmen eines sogenannten „Scanning-Verfahrens“ eine Vielzahl von Messpunkten in festgelegten zeitlichen Abständen erfasst werden kann.
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Darüber hinaus ist bekannt, optische Sensoren einzusetzen, die ein berührungsloses Erfassen der Koordinaten eines Objekts ermöglichen. Ein Beispiel für einen derartigen optischen Sensor ist der unter der Produktbezeichnung „LineScan“ von der Anmelderin vertriebene optische Sensor. Bei den optischen Sensoren handelt es sich wie auch bei den taktilen Sensoren vorwiegend um Punkt- oder Liniensensoren, die im Stillstand einen Punkt bzw. eine Linie erfassen. Kamerasensoren wie der von der Anmelderin vertriebene optische Sensor „ViScan“ erfassen im Stillstand ein Bild. Für eine umfassende Bestimmung der Objektgeometrie werden diese Sensoren mit Hilfe des Koordinatenmessgeräts entlang einer Messbahn über die Objektoberfläche bewegt.
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Des Weiteren gibt es eine Vielzahl von Koordinatenmessgeräten, welche sowohl taktile als auch optische Sensoren einsetzen. Diese Art von Koordinatenmessgerät wird auch als Multi-Sensor-Koordinatenmessgerät bezeichnet.
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Im Unterschied zu den üblicherweise in Koordinatenmessgeräten eingesetzten optischen und/oder taktilen Punkt- und Liniensensoren können optische 3-D Sensoren mit flächenhafter Antastung eine dreidimensionale Punktewolke der Oberfläche des zu vermessenden Objekts im Stillstand erfassen. Ein Streifenprojektionssensor als Beispiel für einen optischen 3-D Sensor mit flächenhafter Antastung weist üblicherweise mindestens einen Musterprojektor sowie mindestens eine digitale oder analoge Videokamera auf. Der Projektor beleuchtet das Messobjekt zeitlich sequenziell mit Mustern von üblicherweise parallelen hellen und dunklen Streifen unterschiedlicher Breite. Die Kamera(s) registrieren das projizierte Streifenmuster unter einem bekannten Blickwinkel zur Projektion. Für jedes Projektionsmuster wird mit jeder Kamera ein Bild aufgenommen. Für jeden Bildpunkt aller Kameras entsteht so eine zeitliche Folge von unterschiedlichen Helligkeitswerten. Durch bekannte Algorithmen lassen sich daraus letztendlich dreidimensionale Daten des zu vermessenden Objekts errechnen. Diese dreidimensionalen Daten liegen im Ergebnis meist in Form einer Punktewolke vor. Beispiele für derartige Sensoren sind aus der
DE 10 2006 048 234 A1 sowie aus der
DE 10 2011 052 464 A1 bekannt.
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Häufig ist die mit Hilfe eines Streifenprojektionssensors aus einer Ansicht erzeugte Punktewolke für eine umfassende Bestimmung der Objektgeometrie nicht ausreichend, so dass der Streifenprojektionssensor für eine vollständige Erfassung des zu vermessenden Objekts mehrere Ansichten aufnehmen muss.
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Dem Vorteil der schnellen flächigen Erfassung der Objektgeometrie durch optische 3-D Sensoren mit flächenhafter Antastung (z.B. Streifenprojektionssensoren) steht deren im Vergleich zu Koordinatenmessgeräten mit Punkt- oder Liniensensoren begrenzte Genauigkeit und Zugänglichkeit bei komplexen Messobjekten gegenüber. Es gibt daher bereits Bestrebungen Streifenlichtsensoren und Koordinatenmessgeräte in ein und demselben Messsystem miteinander zu kombinieren. In bereits bekannten Systemen dieser Art werden mobile Streifenprojektionssensoren mit Koordinatenmessgeräten mit taktilen Sensoren kombiniert und die erfassten Messdaten fusioniert. Dabei wird das zu vermessende Objekt zunächst mithilfe des Streifenprojektionssensors gesamthaft erfasst und in einem nachfolgenden Schritt mithilfe des Koordinatenmessgeräts die Stellen des zu vermessenden Objekts nochmals nachgemessen, welche mithilfe des Streifenprojektionssensors nicht ausreichend genau erfasst werden konnten (siehe hierzu: Li F. et al.: "Integrated Tactile-Optical Coodinate System for the Reverse Engineering of Complex Geometry, in 37th International Matador Conference, 25th-27th July 2012, Manchester, England (Internet, 23.09.2016: http://eprints.hud.ac.uk/14509/) und Sladeck, J. et al.: The Hybrid Coordinate Measurement System as a Response to Industrial Requirements, Metrol. Meas. Syst., Vol. XVII (2010) No. 1, pp. 109-118). Derartige Datenfusionen unterschiedlicher Messdatensätze sind ferner aus der
WO 2015/110163 A1 bekannt.
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Des Weiteren ist aus der
WO 2004/020935 A1 ein Verfahren bekannt, bei dem anhand eines Soll-/Ist-Vergleichs auf Basis einer Einpassung der Messablauf auf ein Objekt angepasst wird, dessen Geometrie beispielsweise aufgrund aufgetretener mechanischer Verformungsprozesse von der Soll-Geometrie abweicht.
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In Zacher, M.: Integration eines optischen 3D-Sensors in ein Koordinatenmessgerät für die Digitalisierung komplexer Oberflächen, Dissertation, RWTH Aachen, 2004, wird die Integration eines Streifenprojektionssensors an einer Drehachse in einem Multi-Sensor-Koordinatenmessgerät dargestellt.
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Bei Huddart, Y.R.: Non-Contact Free-Form Shape Measurement for Coordinate Measuring Machines, Dr. Thesis, Herriot-Watt University, Depart of Mechanical Engineering, UK 2010, wird ein Streifenprojektionssensor an einem stufenlosen Dreh-Schwenkgelenk eines Koordinatenmessgeräts befestigt.
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Bei den beiden zuletzt genannten Systemen (Zacher, M. und Huddart, Y.R.) wird ein Streifenprojektionssensor innerhalb eines Koordinatenmessgeräts somit sozusagen anstelle der sonst üblicherweise verwendeten optischen und/oder taktilen Sensoren des Koordinatenmessgeräts verwendet. Dies dient vorwiegend zur schnellen Digitalisierung von Freiformflächen.
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Eine weitere kommerzielle Implementierung eines Streifenprojektionssensors an einer Drehachse auf Multi-Sensor-Koordinatenmessgeräten wird von der Wenzel GmbH vertrieben (WENZEL Phoenix-Neue Streifenlichtprojektions- und Bildverarbeitungssensor, Farb- und Oberflächen-unempfindlicher Sensor für die Erfassung von Geometrieelementen und Punktewolken, Wenzel Group, Wenzel Metrology World, Ausgabe: 05/2013).
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Die Kombinationen von Streifenprojektionssystemen und Koordinatenmessgeräten und die damit verbundene Messdatennutzung auf Basis der fusionierten Daten der verschiedenen Systeme decken die Anforderungen an die Messung komplexer Geometrien mit Teilbereichen, die dadurch gekennzeichnet sind, dass sie kleine Formtoleranzen und große Positionstoleranzen aufweisen, nur unzureichend ab. Bei solchen Geometrien bzw. Objekten handelt es sich beispielsweise um Turbinenschaufeln (Blade) und Blisk (Blade Integrated Disk). Bei derartigen Objekten lässt sich die Geometrie des Objekts mit einem Streifenprojektionssystems erfassen. Dessen Genauigkeit reicht jedoch nicht für die Kantenbereiche mit kleinen Formtoleranzen aus, so dass diese mit einem Punkt- oder Liniensensor bestimmt werden müssen. Diese Kantenbereiche weisen üblicherweise große Positionstoleranzen auf, was die Kantenverfolgung der Kanten mit dem Punkt- oder Liniensensor erschwert, so dass die Genauigkeit der Messergebnisse negativ beeinflusst wird.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zum dimensionalen Messen eines Objekts bereitzustellen, welches die oben genannten Probleme überwindet. Das Messsystem sollte dabei insbesondere zur Messung von Objekten wie Turbinenschaufeln und Blisk geeignet sein, deren Kantenbereiche große Positionstoleranzen, aber nur sehr kleine Formtoleranzen aufweisen.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein System der eingangs genannten Art gemäß Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die Auswerte- und Steuereinheit dazu eingerichtet ist, dritte dreidimensionale Daten des Objekts zu bestimmen, welche sowohl einen Teil der ersten als auch einen Teil der zweiten dreidimensionalen Daten des Objekts aufweisen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die oben genannte Aufgabe gemäß Anspruch 8 durch ein Messverfahren zum dimensionalen Messen eines Objekts gelöst, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte aufweist:
- - Bereitstellen eines optischen 3-D Sensors mit flächenhafter Antastung und eines Koordinatenmessgeräts mit einem optischen und/oder taktilen Sensor;
- - Ermitteln einer Sollmessbahn, entlang der der optische und/oder taktile Sensor des Koordinatenmessgeräts zum Abtasten des Objekts verfahren werden soll, anhand einer Sollkontur des Objekts;
- - Erfassen von ersten dreidimensionalen Daten des Objekts mit Hilfe des optischen 3-D Sensors mit flächenhafter Antastung;
- - Bestimmen einer korrigierten Messbahn anhand der Sollmessbahn und der durch den optischen 3-D Sensor mit flächenhafter Antastung erfassten ersten dreidimensionalen Daten;
- - Verfahren des optischen und/oder taktilen Sensors des Koordinatenmessgeräts entlang der korrigierten Messbahn zur Erfassung von zweiten dreidimensionalen Daten des Objekts; und
- - Bestimmen dritter dreidimensionale Daten des Objekts (26), welche sowohl einen Teil der ersten als auch einen Teil der zweiten dreidimensionale Daten des Objekts (26) aufweisen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die oben genannte Aufgabe gemäß Anspruch 13 durch ein Computerprogramm gelöst, das einen Programmcode aufweist, der dazu eingerichtet ist, bei Ausführung auf einem Computer das folgende Verfahren auszuführen:
- - Bestimmen einer korrigierten Messbahn anhand einer anhand einer Sollkontur des Objekts ermittelten Sollmessbahn, entlang der ein optischer und/oder taktiler Sensor eines Koordinatenmessgeräts zum Abtasten des Objekts verfahren werden soll, sowie anhand von ersten dreidimensionalen Daten, welche durch einen optischen 3-D Sensor mit flächenhafter Antastung erfasst wurden; und
- - Steuern des Koordinatenmessgeräts, um den optischen und/oder taktilen Sensors des Koordinatenmessgeräts entlang der korrigierten Messbahn zur Erfassung von zweiten dreidimensionalen Daten des Objekts zu verfahren und dritte dreidimensionale Daten des Objekts zu bestimmen, welche sowohl einen Teil der ersten als auch einen Teil der zweiten dreidimensionalen Daten des Objekts aufweisen.
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Der Erfindung liegt also die Idee zugrunde, die anhand der Sollkontur des Objekts ermittelte Sollmessbahn auf Basis der mithilfe des Optischen 3-D Sensor mit flächenhafter Antastungs erfassten Daten zu korrigieren bzw. neu zu berechnen.
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Die Sollmessbahn wird üblicherweise in einem ersten Schritt anhand eines CAD-Modells des Objekts ermittelt. Mithilfe des optischen 3-D Sensors mit flächenhafter Antastung kann dann festgestellt werden, ob die Kontur bzw. Geometrie des Objekts tatsächlich mit deren Sollkontur bzw. Sollgeometrie, welche aus dem CAD-Modell folgt, übereinstimmt. Ist dies nicht der Fall, wird die Sollmessbahn anhand der dreidimensionalen Daten des Objekts, welche mithilfe des optischen 3-D Sensors mit flächenhafter Antastung erfasst wurden, entsprechend korrigiert.
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Üblicherweise handelt es sich bei den dreidimensionalen Daten, welche von dem optischen 3-D Sensor mit flächenhafter Antastung erzeugt werden, um eine Punktewolke mit einer Vielzahl von Punkten, die auf der Oberfläche des zu vermessenden Objekts liegen. Mithilfe dieser Daten ist es möglich, die Genauigkeit der Messung zu vergrößern und die Messdauer insgesamt zu verringern. Die Messbahn kann nämlich auf diese Weise besser auf die tatsächliche Kontur bzw. Geometrie des Objekts abgestimmt werden.
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Ohne die vorherige Vermessung des Objekts mithilfe des optischen 3-D Sensors mit flächenhafter Antastung, wie dies gemäß der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen wird, könnte es insbesondere bei Objekten, die bereichsweise hohe Positionstoleranzen aufweisen, ansonsten zu dem Fall kommen, dass die anhand des CAD-Modells definierte Sollmessbahn für die Messung mithilfe des optischen und/oder taktilen Sensors des Koordinatenmessgeräts nicht geeignet ist. Es könnte z.B. zu unerwünschten Kollisionen kommen oder aber zu Situationen, in denen der taktile Sensor während eines Scanning-Vorgangs den Kontakt zur Oberfläche des Objekts verliert.
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Derartige, unerwünschte Situationen können mithilfe der vorliegenden Erfindung nahezu ausgeschlossen werden. Die vorherige Messung mithilfe des optischen 3-D Sensors mit flächenhafter Antastung nimmt im Vergleich zur darauffolgenden Messung mithilfe des Koordinatenmessergeräts nur sehr wenig Zeit in Anspruch. Die Genauigkeit, welche mithilfe der Messung des optischen 3-D Sensors mit flächenhafter Antastung erreicht werden kann, genügt jedoch vollkommen für die erfindungsgemäße Korrektur der Sollmessbahn. Mithilfe dieser Korrektur lassen sich im Übrigen auch Störkonturen ausgleichen und bei der Bahnplanung für die Koordinatenmessgeräte-Sensorik berücksichtigen. Beispielsweise kann anhand der Aufnahmen des optischen 3-D Sensors mit flächenhafter Antastung festgestellt werden, ob irgendwelche Aufspannmittel zur Fixierung des Objekts auf dem Messtisch mit der Sollmessbahn kollidieren, so dass die Messbahn entsprechend korrigiert werden muss.
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Zum Verständnis der vorliegenden Terminologie sei Folgendes angemerkt:
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Bei dem optischen 3-D Sensor mit flächenhafter Antastung handelt es sich vorzugsweise um einen Messsensor bzw. ein Messsystem gemäß VDI 2634 Blatt 2. Hierunter fallen insbesondere optische 3-D Messsysteme mit flächenhafter Antastung, die nach dem Triangulationsprinzip arbeiten. Diese können anwendungsspezifisch konfiguriert werden. Die Sensoren bestehen aus mehreren Komponenten, z.B. einem oder mehreren bildgebenden Messköpfen (Kameras) und einem oder mehreren Projektionssystemen, welche Strukturen auf die zu messende Objektoberfläche abbilden, bzw. einem System zur Beleuchtung einer vorhandenen Oberflächentextur. Beispiele für derartige Sensoren sind Messsysteme auf der Basis von Streifenprojektions- oder Moiretechniken sowie flächenhaft messende Fotogrammetrie oder Scannermesssysteme.
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Die vom optischen 3-D Sensor mit flächenhafter Antastung erfassten dreidimensionalen Daten (Punktewolke) werden vorliegend als „erste“ dreidimensionale Daten bezeichnet. Dies dient lediglich zur Unterscheidung der dreidimensionalen Daten, welche mithilfe des Koordinatenmessgeräts erfasst werden. Diese werden vorliegend als „zweite“ dreidimensionale Daten des Objekts bezeichnet. Die Begriffe „erste“, „zweite“ bzw. „dritte“ implizieren ansonsten jedoch keinerlei weitere Bedeutung bezüglich Anzahl oder Reihenfolge. Des Weiteren wird zur Klarheit vorliegend zwischen „Sollmessbahn“ und „korrigierter Messbahn“ unterschieden. Bei der Sollmessbahn handelt es sich um die Messbahn, welche anhand der Sollkontur bzw. der Sollgeometrie des Objekts ursprünglich bestimmt wurde. Bei der korrigierten Messbahn handelt es sich um die Messbahn, welche anhand der ersten dreidimensionalen Daten korrigiert wurde, also die Messbahn, entlang der die letztendliche Messung mithilfe des optischen und/oder taktilen Sensors des Koordinatenmessgeräts erfolgen soll.
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Erfindungsgemäß werden die mithilfe des optischen 3-D Sensors mit flächenhafter Antastung erfassten Daten nicht nur zur Korrektur der Messbahn verwendet, sondern auch zur letztendlichen Rekonstruierung der Geometrie bzw. Kontur des zu vermessenden Objekts. Es erfolgt also am Ende eine Fusion der Messdaten von Koordinatenmessgerätesensorik und optischen 3-D Sensor mit flächenhafter Antastung. Beispielsweise werden nicht alle Bereiche des Objekts mithilfe der Koordinatenmessgerätesensorik gescannt, sondern nur die Teilbereiche, in denen es auf eine hohe Fertigungsgenauigkeit ankommt. Die übrigen Bereiche des Objekts lassen sich dann lediglich mithilfe der von dem optischen 3-D Sensor mit flächenhafter Antastung gewonnenen Daten überprüfen. Für eine Fusion der beiden Messdaten, also der ersten und der zweiten dreidimensionalen Daten des Objekts, werden beide Datensätze üblicherweise in einem sogenannten Registrierungs-Schritt in einen gemeinsamen Koordinatenraum gebracht und in Bezug zueinander referenziert. Anschließend lässt sich ein Gesamtmodell des Objekts aus dem so gewonnenen, fusionierten Datensatz erzeugen.
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Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Auswerte- und Steuereinheit dazu eingerichtet, Soll-Ist-Abweichungen zwischen den ersten dreidimensionalen Daten des Objekts und der Sollkontur des Objekts zu ermitteln und die korrigierte Messbahn anhand der Sollmessbahn sowie der Soll-Ist-Abweichungen zu bestimmen. Dabei ist es insbesondere bevorzugt, dass die Auswerte- und Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die Sollmessbahn zur Bestimmung der korrigierten Messbahn abschnittsweise zu verändern, sofern diese Soll-Ist-Abweichungen abschnittsweise einen vordefinierten Schwellwert überschreiten.
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Sofern sich durch die Messung mithilfe des optischen 3-D Sensors mit flächenhafter Antastung allerdings herausstellt, dass die Soll-Ist-Abweichungen klein, also unterhalb des vordefinierten Schwellwerts sind, muss die Sollmessbahn, zumindest in den jeweiligen Bereichen, nicht korrigiert werden. In anderen Bereichen des Objekts, in denen jedoch größere Soll-Ist-Abweichungen auftreten, kann die Messbahn entsprechend korrigiert bzw. angepasst werden. Auf diese Weise wird die Messbahn somit in allen Bereichen des Objekts optimal auf die tatsächliche Ist-Geometrie des zu vermessenden Objekts angepasst. Da der optische 3-D Sensor mit flächenhafter Antastung die Geometrie des Objekts üblicherweise gesamthaft in einem oder zumindest in wenigen Schritten erfasst, führt die erfindungsgemäß durchgeführte Vorab-Messung mithilfe des optischen 3-D Sensors mit flächenhafter Antastung kaum zu einer Verlängerung der gesamten Messdauer.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist das System ferner einen Messtisch zur Aufnahme des Objekts auf, wobei der Messtisch um mindestens eine Achse rotierbar ist, und wobei die Auswerte- und Steuereinheit dazu eingerichtet ist, den Messtisch während der Erfassung der ersten dreidimensionalen Daten um die mindestens eine Achse zu rotieren.
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Mit „Rotieren während der Erfassung der ersten dreidimensionalen Daten“ ist nicht zwangsläufig gemeint, dass der Scanning-Vorgang mithilfe des optischen 3-D Sensors mit flächenhafter Antastung während der Rotation erfolgt. Vielmehr ist gemeint, dass die Auswerte- und Steuereinheit dazu eingerichtet ist, den Messtisch schrittweise zu rotieren, um die Geometrie des Objekts in verschiedenen Stellungen mithilfe des optischen 3-D Sensors mit flächenhafter Antastung zu erfassen. Auf diese Weise ist es möglich, die Gesamtgeometrie des Objekts mithilfe nur eines optischen 3-D Sensor mit flächenhafter Antastung relativ schnell zu erfassen. Der optische 3-D Sensor mit flächenhafter Antastung muss dazu nicht bewegt werden, was sich positiv auf die Messgenauigkeit auswirkt. Die einzelnen, in den jeweiligen Stellungen des Objekts aufgenommenen Daten lassen sich nachträglich zu Gesamtdaten, also einer gesamthaften Punktewolke zusammensetzen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist das Koordinatenmessgerät eine Basis auf, gegenüber der der optische und/oder taktile Sensor verfahrbar ist und mit der der Messtisch mechanisch verbunden ist, wobei der optische 3-D Sensor mit flächenhafter Antastung ebenfalls mit der Basis mechanisch verbunden ist.
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Anders ausgedrückt, haben sowohl das Koordinatenmessgerät als auch der optische 3-D Sensor mit flächenhafter Antastung vorzugsweise die gleiche Basis, an der diese angeordnet sind. Üblicherweise handelt es sich dabei um ein Gestell bzw. Fundament des Koordinatenmessgeräts aus Granit. Der Vorteil dieser gemeinsamen Anbringung beider Geräte an ein und derselben, stabilen Basis ist, dass hierdurch wiederum die Messgenauigkeit erhöht werden kann und die Synchronisierung beider Geräte vereinfacht wird.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Speichereinheit und/oder die Auswerte- und Steuereinheit Teil des Koordinatenmessgeräts. Alternativ dazu handelt es sich bei der Speichereinheit und der Auswerte- und Steuereinheit um separate Komponenten. Üblicherweise ist ein Koordinatenmessgerät jedoch mit diesen Komponenten ausgestaltet, weshalb es Sinn macht, diese für das vorliegende System zu verwenden. In diesem Fall muss lediglich der optische 3-D Sensor mit flächenhafter Antastung dem Koordinatenmessgerät hinzugefügt werden und in die Programmierung in der oben genannten Art und Weise eingebunden werden.
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Es sei des Weiteren darauf hingewiesen, dass die zuvor genannten und die in den Ansprüchen definierten Merkmale nicht nur für das beanspruchte System gelten sollen, sondern sich in entsprechender Art und Weise auch auf das beanspruchte Messverfahren bzw. das beanspruchte Computerprogramm beziehen. Aufgrund der oben genannten Eigenschaften eignet sich das erfindungsgemäße Messverfahren insbesondere für Objekte mit großen Positionstoleranzen, jedoch kleinen Formtoleranzen. Bei den mithilfe des erfindungsgemäßen Messverfahrens zu vermessenden Objekten handelt es sich vorzugsweise um Teile von Turbinen mit einer oder mehreren Turbinenschaufeln oder um eine Blisk.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den nachfolgenden Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine vereinfachte, schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Systems zum dimensionalen Messen eines Objekts; und
- 2 ein vereinfachtes Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung der Verfahrensschritte eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Messverfahrens.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Messsystems. Das Messsystem ist darin gesamthaft mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet.
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Das Messsystem 10 weist ein Koordinatenmessgerät 12, einen optischen 3-D Sensor mit flächenhafter Antastung 14, eine Auswerte- und Steuereinheit 16 sowie eine Speichereinheit 18 auf. Bei dem optischen 3-D Sensor mit flächenhafter Antastung handelt es sich vorzugsweise um einen Streifenprojektionssensor 14. Im Folgenden wird daher im Bezug auf das gezeigte Ausführungsbeispiel jeweils der Begriff Streifenprojektionssensor verwendet, ohne dass dies als für den Schutzbereich einschränkend angesehen werden soll.
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Das Koordinatenmessgerät 12 und der Streifenprojektionssensor 14 sind vorzugsweise an ein und derselben Basis 20 angeordnet. Bei dieser Basis 20 handelt es sich vorzugsweise um eine stabile Hartgestein- oder Stahlplatte oder ein Fundament, welche als Trägerstruktur für das Koordinatenmessgerät 12 dient. Der Streifenprojektionssensor 14 ist vorzugsweise mithilfe einer geeigneten Haltevorrichtung mit dieser Basis 20 mechanisch verbunden.
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Bei der Auswerte- und Steuereinheit 16 kann es sich, wie in 1 schematisch dargestellt, um einen Computer bzw. eine entsprechende Recheneinheit handeln, welche über ein Kabel mit dem Koordinatensystem 12 und dem Streifenprojektionssensor 14 verbunden ist. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, die Auswerte- und Steuereinheit 16 in das Gehäuse des Koordinatenmessgeräts 12 und/oder das Gehäuse des Streifenprojektionssensors 14 zu integrieren. Gleiches gilt für die Speichereinheit 18, bei der es sich vorzugsweise um eine Festplatte handelt, welche in ein und demselben Gehäuse mit der Auswerte- und Steuereinheit 16 angeordnet sein kann, aber nicht muss.
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Das Messsystem 10 weist des Weiteren eine Objektaufnahme 22 auf, welche vorzugsweise auf der Basis 20 angeordnet ist. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dieser Objektaufnahme 22 um einen Messtisch, welcher um eine Mittelachse 24 rotierbar ist. Das zu vermessende Objekt 26 kann beispielsweise auf diesem Messtisch 22 mithilfe einer geeigneten Fixier- bzw. Einspannvorrichtung während des Messvorgangs gehalten werden.
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In dem in 1 gezeigten Beispiel ist das Koordinatenmessgerät 12 in Portalbauweise ausgeführt. An der Basis 20 ist ein Portal 28 angeordnet. Das Portal 28 dient als bewegliche Trägerstruktur für einen Messkopf 30. Das Portal 28 weist je nach Ausführungsform ein oder zwei Säulen 32 und einen quer dazu angeordneten Querbalken 34 auf, an dem ein Schlitten 36 beweglich gelagert ist. Der Schlitten 36 trägt eine Pinole 38, an deren unteren Ende der Messkopf 30 befestigt ist.
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In dem gezeigten Beispiel besitzt der Messkopf 30 ein taktiles Messwerkzeug 40, das vorzugsweise trennbar mit der Messkopfbasis verbunden ist. Die Messkopfbasis kann je nach Ausführungsvariante ein Dreh-Schwenkgelenk aufweisen, mit dessen Hilfe das Messwerkzeug 40 um eine, zwei oder mehr Achsen gedreht und geschwenkt werden kann. Das Messwerkzeug 40 weist in der in 1 gezeigten Variante mehrere taktile Taststifte auf, die in unterschiedliche Raumrichtungen ausgerichtet sind. Alternativ dazu oder in Kombination kann hier auch ein optisches Messwerkzeug angeordnet sein, welches eine hochauflösende Kamera oder einen Triangulationssensor beinhaltet.
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Das Koordinatenmessgerät 12 besitzt ferner eine Positioniereinrichtung zur Positionierung des Messkopfes 30 und des Messobjekts 26 relativ zueinander. Zu dieser Positioniereinrichtung gehören mehrere Antriebe, welche vorzugsweise von der Auswerte- und Steuereinheit 16 angesteuert werden. In dem vorliegenden Beispiel, in dem das Koordinatenmessgerät 12 in Portalbauweise realisiert ist, bewegen die genannten Antriebe den Messkopf 30 gegenüber dem Objekt 26 entlang dreier, senkrecht zueinander ausgerichteter Achsen x, y, z. Das Objekt 26 kann mithilfe des Messtisches 22 um eine weitere Achse 24 rotiert werden, welche in dem vorliegenden Beispiel parallel zu der z-Achse ausgerichtet ist. Einer der genannten Antriebe ist beispielhaft mit der Bezugsziffer 42 versehen. Dieser Antrieb 42 ist dazu ausgebildet, das Portal 28 entlang der y-Achse zu verfahren. Der Schlitten 36 kann mithilfe eines weiteren Antriebs (hier nicht gesondert bezeichnet) an dem Querbalken 34 entlang der x-Achse verfahren werden. Die Pinole 38 kann relativ zu dem Schlitten 36 entlang der z-Achse verfahren werden.
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Mit der Bezugsziffer 44 sind mehrere Messskalen bezeichnet, welche ebenfalls zu der Positioniereinrichtung des Koordinatenmessgeräts 12 gehören. Diese Messskalen 44 sind in Verbindung mit entsprechenden Leseköpfen (hier nicht dargestellt) dazu ausgebildet, die jeweils aktuelle Position des Portals 28 relativ zu dem Messtisch 22 zu bestimmen. Sofern der Messkopf 30 an einem Dreh-Schwenk-Gelenk angeordnet ist, sind darin vorzugsweise ebenfalls Encoder angeordnet, mit deren Hilfe in ähnlicher Weise eine jeweils aktuelle Dreh- und Schwenkposition des Messwerkzeugs 40 relativ zu der Pinole 38 bestimmbar ist. Auf diese Weise lassen sich die aktuellen Raumkoordinaten jedes Messpunkts an dem zu vermessenden Objekt 26 mithilfe der Skalen und Encoderwerte exakt bestimmen.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung lediglich beispielhaft anhand eines Koordinatenmessgeräts 12 in Portalbauweise erläutert wird. Grundsätzlich kann das erfindungsgemäße Messsystem 10 aber auch ein Koordinatenmessgerät in Ausleger-, Brücken- oder Ständerbauweise beinhalten. Auch andere Bauarten oder Grundarten von Koordinatenmessgeräten und Robotern eignen sich für das erfindungsgemäße Messsystem 10.
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Die Auswerte- und Steuereinheit 16 dient im Allgemeinen nicht nur zur Steuerung der Positioniereinrichtung und damit zur Steuerung der einzelnen Antriebe des Koordinatenmessgeräts 12, sondern auch zur Auswertung der von dem Messwerkzeug 40 des Koordinatenmessgeräts 12 erfassten Messdaten sowie zur Auswertung der von dem Streifenprojektionssensor 14 erfassten Messdaten.
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Der Streifenprojektionssensor 14 weist vorzugsweise einen Projektor 46 und eine Kamera 48 auf. Der Projektor 46 ist dazu eingerichtet, das Objekt 26 zeitlich sequenziell mit Mustern von parallelen hellen und dunklen Streifen vorzugsweise unterschiedlicher Breite zu beleuchten. Die Kamera 48 ist dazu eingerichtet, das projizierte Streifenmuster unter einem bekannten Blickwinkel zum Projektor 46 aufzunehmen. Für jedes von dem Projektor 46 erzeugte Projektionsmuster wird mit der Kamera 48 ein Bild aufgenommen. So entsteht für jeden Bildpunkt eine zeitliche Folge von unterschiedlichen Helligkeitswerten. Mithilfe bekannter Streifenlichtoptometrie-Algorithmen lassen sich aus den von der Kamera 48 erzeugten Bildern innerhalb der Auswerte- und Steuereinheit 16 letztendlich dreidimensionale Daten des Objekts 26 rekonstruieren, welche meist in Form einer Punktewolke vorliegen.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die Auswertung der von der Kamera 48 des Streifenprojektionssensors 14 erzeugten Bilder nicht zwangsläufig in der Auswerte- und Steuereinheit 16 erfolgen muss, in der auch die Messdaten des Koordinatenmessgeräts 12 erzeugt bzw. ausgewertet werden. Grundsätzlich lassen sich die Messdaten des Koordinatenmessgeräts 12 und die Messdaten des Streifenprojektionssensors 14 auch in unterschiedlichen Recheneinheiten auswerten. In einem solchen Fall werden die einzeln ausgewerteten Messdaten dann jedoch einer gemeinsamen Recheneinheit zugeführt, um das nachfolgend im Detail erläuterte, erfindungsgemäße Messverfahren ausführen zu können.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm zur schematischen Darstellung des erfindungsgemäßen Messverfahrens. Es sei darauf hingewiesen, dass das Messverfahren in der Praxis nicht zwangsläufig in der sequenziellen Art und Weise ablaufen muss, wie es in 2 vereinfacht dargestellt ist. Einige der in 2 dargestellten Verfahrensschritte können auch parallel zueinander ablaufen. Ebenfalls sei darauf hingewiesen, dass einige der nachfolgend erläuterten Verfahrensschritte keine obligatorischen, sondern lediglich optionale Verfahrensschritte darstellen.
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Zunächst wird das Objekt 26 im Verfahrensschritt S 100 auf dem Messtisch 22 positioniert. Im nächsten Schritt S112 werden Messtisch 22, Streifenprojektionssensor 14 und Koordinatenmessgerätesensorik 12 relativ zueinander ausgerichtet. Dann erfolgt die Messung des Objekts 26 mithilfe des Streifenprojektionssensors 14. Hierbei werden die dreidimensionalen Daten des Objekts 26 in der zuletzt erwähnten Art und Weise erfasst und ausgewertet. Die meist in Form einer Punktewolke vorliegenden dreidimensionalen Daten werden vorliegend zur Unterscheidung von anderen dreidimensionalen Daten als erste dreidimensionale Daten des Objekts 26 bezeichnet.
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Während der Messung mithilfe des Streifenprojektionssensors 14 wird das Objekt 26 vorzugsweise schrittweise mithilfe des Messtisches 22 um die Mittelachse 24 rotiert, um mehrere Ansichten des Objekts 26 zu erzeugen und letztendlich eine Punktewolke generieren zu können, die die Gesamtgeometrie des Objekts 26 abdeckt. Im Vorfeld zu dieser Messung mithilfe des Streifenprojektionssensors 14 oder parallel dazu wurde bzw. wird im Schritt S110 anhand der idealen Sollgeometrie des Objekts 26 eine Sollmessbahn ermittelt, entlang der das Messwerkzeug 40 des Koordinatenmessgeräts 12 zum Abtasten des Objekts 26 verfahren werden soll. Diese Planung der Sollmessbahn erfolgt üblicherweise anhand eines CAD-Modells.
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Diese aus dem CAD-Modell resultierende Sollgeometrie bzw. die anhand dessen ermittelte Sollmessbahn wird üblicherweise in einem sogenannten Prüfplan innerhalb der Speichereinheit 18 abgespeichert.
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Im Verfahrensschritt S116 wird dann innerhalb der Auswerte- und Steuereinheit 16 die Soll-Ist-Abweichungen, also die Abweichungen zwischen den vom Streifenprojektionssensor 14 erzeugten ersten dreidimensionalen Daten des Objekts 26 und der Sollgeometrie des Objekts 26 bestimmt. Dabei wird festgestellt, ob die von dem Streifenprojektionssensor 14 erzeugte Punktewolke mit der von dem CAD-Modell abgeleiteten Sollgeometrie des Objekts 26 zusammenfällt.
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Da es im Allgemeinen zu Soll-Ist-Abweichungen dieser Art kommen wird, da das Objekt 26 nahezu nie 100 Prozent exakt gefertigt wurde, wird die Messbahn für das Messwerkzeug 40 des Koordinatenmessgeräts 12 im nächsten Verfahrensschritt S118 angepasst bzw. korrigiert. Diese Korrektur der Messbahn erfolgt also auf Basis der von dem Streifenprojektionssensor 14 gelieferten Messdaten. Die Anpassung bzw. Korrektur der Sollmessbahn erfolgt vorzugsweise abschnittsweise. Sofern die Soll-Ist-Abweichung in einem Bereich einen vordefinierten Schwellwert überschreitet, wird die Messbahn in diesem Bereich entsprechend angepasst. Ansonsten erfolgt in dem genannten Bereich keine Anpassung der Messbahn, da davon ausgegangen werden kann, dass die Abweichung des Objekts zur Sollgeometrie in diesem Bereich so klein ist, dass eine Korrektur keine Vorteile liefert.
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Besonders bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Vermessung von Turbinenschaufeln oder Blisk eingesetzt. Zur Überprüfung der Soll-Ist-Abweichungen werden die vom Streifenprojektionssensor 14 gelieferten Daten vorzugsweise in einzelnen, parallel zueinander verlaufenden Schnitten mit den entsprechenden Schnitten der Sollgeometrie des Objektes 26 verglichen.
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Im Verfahrensschritt S120 erfolgt dann die Messung mithilfe des Koordinatenmessgeräts 12. Hierzu wird das Messwerkzeug 40 entlang der zuvor korrigierten Messbahn (siehe Schritt S118) verfahren, um sogenannte zweite dreidimensionale Daten des Objekts 26 zu erfassen. Diese mithilfe des Koordinatenmessgeräts 12 gewonnenen zweiten dreidimensionalen Daten können im Verfahrensschritt S122 mit den vom Streifenprojektionssensor 14 gewonnenen ersten dreidimensionalen Daten fusioniert werden. Im Falle einer oder mehrerer Turbinenschaufeln oder eines Blisk lassen sich beispielsweise für die Kantenposition die vom Koordinatenmessgerät 12 gelieferten Daten verwenden und für die übrigen Bereiche des Objekts, welche in Bezug auf die Formtoleranzen weniger kritisch sind, die Daten des Streifenprojektionssensors 14 verwenden. In einem solchen Fall würden die Daten des Streifenprojektionssensors 14 somit nicht nur für die Anpassung bzw. Korrektur der Messbahn der Koordinatenmessgerätesensorik vewendet, sondern auch zur letztendlichen Erfassung der dreidimensionalen Gestalt des Objekts 26.
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Es sei darauf hingewiesen, dass insbesondere der Verfahrensschritt S122 optional ist. Die Grundidee der vorliegenden Erfindung besteht darin, die von dem Streifenprojektionssensor 14 erfassten 3D-Daten für die Planung der Messbahn zu verwenden, entlang der das Messwerkzeug 40 des Koordinatenmessgeräts 12 bewegt werden soll.
