DE102018129609A1

DE102018129609A1 - Messeinrichtung und Verfahren zum dreidimensionalen Vermessen von Objekten

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Publication number: DE102018129609A1
Application number: DE102018129609.6A
Authority: DE
Inventors: Alexander Brzank; Omar Abo-Namous
Original assignee: GOM Gesellschaft fuer Optische Messtechnik mbH
Current assignee: Carl Zeiss GOM Metrology GmbH
Priority date: 2018-11-23
Filing date: 2018-11-23
Publication date: 2020-05-28

Abstract

Es wird eine Messeinrichtung (1) und ein Verfahren zum dreidimensionalen optischen Vermessen von Objekten (2) mit einem topometrischen Sensor (3) beschrieben, der mindestens eine Projektionseinheit (4) zur Projektion mindestens eines Musters auf das zu vermessende Objekt sowie mindestens zwei Bildaufnahmeeinheiten (5, 6) zur Aufnahme von jeweils mindestens einem Messbild des vom Objekt (2) reflektierten Musters hat. Die Projektionseinheit (4) und die mindestens zwei Bildaufnahmeeinheiten (5, 6) sind mechanisch starr miteinander verbunden. Die mindestens eine Projektionseinheit (4) und die mindestens zwei Bildaufnahmeeinheiten (5, 6) des topometrischen Sensors (3) werden durch eine Steuereinheit (8) gesteuert und eine Auswerteeinheit (9) ist zur Berechnung von dreidimensionalen Oberflächendaten des Objektes (2) eingerichtet. Der topometrische Sensor (3) ist zum Erfassen von dreidimensionalen Messdaten des Objekts (2) durch topometrische Messungen eingerichtet, indem in mindestens zwei voneinander unterschiedlichen Messvolumen (13, 14) Messbilder von mindestens einem von einer der mindestens einen Projektionseinheit (4) auf das Objekt projizierten und von dem Objekt (2) reflektierten Muster mit Bildaufnahmeeinheiten (5, 6) aufgenommen werden. Die Auswerteeinheit (9) ist zur Registrierung der dreidimensionalen Messdaten der gebildeten unterschiedlichen Messvolumen (13, 14) in ein gemeinsames Koordinatensystem eingerichtet.

Description

Messeinrichtungen zur dreidimensionalen Vermessen von Objekten kommen in der Industrie vielfach zum Einsatz. Zur flächenhaften 3D-Vermessung eines Objektes werden häufig Messeinrichtungen, die nach dem Streifenprojektionsverfahren arbeiten, eingesetzt. Im Rahmen dieses Verfahrens werden Muster, insbesondere Streifenmuster, auf das zu vermessende Objekt projiziert. Das rückgestreute Muster wird von einer oder mehreren Bildaufnahmeeinheiten aufgenommen und anschließend durch mindestens eine Bildauswerteeinheit ausgewertet.
Häufig ist es nicht möglich, alle Flächen eines Objektes aus einer einzigen Aufnahmeperspektive zu erfassen. So kann das zu vermessende Objekt größer sein als das gewählte Messvolumen der Messeinrichtung. Dabei geht ein größeres Messvolumen der Messeinrichtung häufig mit einer geringeren Ortsauflösung als mit einem kleineren Messvolumen der Messeinrichtung einher, weshalb das Messvolumen in der Regel abhängig von der gewünschten Ortsauflösung gewählt wird.
Zur vollständigen Erfassung wird das zu vermessende Objekt in der Regel aus mehreren Positionen der Messeinrichtung relativ zum Objekt erfasst und die Einzelmessungen, die in einem lokalen Koordinatensystem vorliegen, werden in ein globales Koordinatensystem transformiert. Dieser mathematische Prozess wird auch häufig als Registrierung bezeichnet.
Es existieren vielfältige Methoden zur Registrierung der Messdaten aus den unterschiedlichen Positionen. Typischerweise müssen zueinander gehörende geometrische Elemente wie zum Beispiel homologe Punkte in zwei zueinander zu registrierenden Datensätzen ermittelt werden, so dass auf Grundlage dieser Beziehungen die Transformationsparameter berechnet werden können. Typischerweise hat die Transformation 6 Freiheitsgrade (drei Translationen und drei Rotationen), die berechnet werden müssen.
Die notwendigen homologen geometrischen Elemente können entweder direkt aus den Messdaten des erfassten Objektes oder anhand zusätzlicher Targets ermittelt werden, die im Rahmen der Messung ebenfalls erfasst werden. Die zusätzlichen Targets werden vor der 3D-Messung auf oder in räumlicher Nähe zum Objekt platziert. Sie können vorteilhafterweise eindeutig codiert sein. Sie müssen über den gesamten Messzeitraum ihre Position bezüglich des zu vermessenden Objektes behalten. Eine typische Ausprägung eines Targets für Streifenprojektionssensoren sind optische Zielmarken. Diese weisen häufig eine Kreisform auf.
Für die Berechnung der 6 Transformationsparameter sind theoretisch 6 Koordinatenbeziehungen von drei Punktepaaren (wobei die drei Punkte ein Dreieck aufspannen müssen) ausreichend. Die Genauigkeit und die Zuverlässigkeit der Transformationsparameter wird aber gesteigert, wenn mehr Koordinatenbeziehungen verwendet werden. Die 6 Transformationsparameter werden dann typischerweise im Rahmen eines Optimierungsverfahrens berechnet. In den allermeisten Fällen wird dazu eine vermittelnde Ausgleichung nach der Methode der kleinsten Quadrate angewendet. Dabei wird die Summe aller quadrierten Residuen unter Berücksichtigung der jeweiligen Gewichtung minimiert. In der Koordinatenmesstechnik ist dieses Optimierungsverfahren unter dem Synonym „Best-Fit“ bekannt. Die Anwendung des Best-Fit-Verfahrens ist nicht auf die Registrierung beschränkt, sondern findet darüber hinaus ein breites Anwendungsspektrum (z.B. beim Fit von geometrischen Objekten aus einer Punktewolke).
Der Einsatz von zusätzlichen Targets vereinfacht die Registrierung im Allgemeinen sehr, da auf sehr einfache Weise identische Geometrieobjekte in zueinander zu registrierenden Messdaten detektiert werden können. Nachteilig ist jedoch, dass das Objekt und oder die nähere Umgebung vor der 3D-Messung mit diesen Targets ausgerüstet werden muss. So kostet das Fixieren der Targets (z.B. optische Referenzmarken mit einer Klebschicht oder integrierten Magneten) wertvolle Zeit. Ferner verdecken die Targets, sofern sie auf dem Objekt direkt aufgebracht werden, die eigentlich zu erfassende Objektoberfläche. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Targets mit einer Klebschicht nicht immer rückstandsfrei vom Messobjekt entfernt werden können. Auch der Einsatz von zusätzlichen bezüglich des zu vermessenden Objektes ortsfest angeordneten Kulissen, welche mit den Targets ausgestattet sind, ist mit zusätzlichem Zeit- und Kostenaufwand verbunden. So müssen Kulissen häufig individuell für das jeweilige Messobjekt hergestellt werden. Auch müssen sie vor der Messung mit den Targets zeitaufwändig ausgestattet werden. Ferner können auch diese Kulissen Teile des Objektes im Rahmen der 3D-Messung verdecken. Dies führt dazu, dass häufig zusätzliche Messpositionen notwendig sind, welche den Gesamtmesszeitaufwand erhöhen.
Vorteilhafterweise kann die Registrierung auch ohne zusätzliche Targets erfolgen. Dies beinhaltet aber im Allgemeinen eine deutlich aufwendigere Suche nach homologen Geometrieobjekten in den mindestens zwei zueinander zu registrierenden Messdatensätzen. Abhängig von der geometrischen Ausprägung des Überlappungsbereichs zwischen den beiden Datensätzen ist es auch möglich, dass die Lösung entweder sehr unsicher oder auch mehrdeutig sein kann. Besteht zum Beispiel der Überlappungsbereich nur aus einer Ebene, so gibt es keine eindeutige Lösung, da eine Vielzahl von gleichartig guten Geometriekorrespondenzen gebildet werden kann.
Die Suche nach homologen Geometriekorrespondenzen kann vorteilhafterweise durch zusätzliche externe Informationen unterstützt werden. Wird der Sensor zum Beispiel durch ein automatisiertes Positioniersystem (wie zum Beispiel eine Linearachse und/oder Industrieroboter) positioniert, so können dessen Orts- und Lageinformationen unter Berücksichtigung einer hinreichend guten Näherung der räumlichen Ausrichtung zwischen Positioniersystem und 3D-Messseinrichtung als Startwerte für die Suche der homologen Geometriekorrespondenzen im Rahmen der Registrierung eingesetzt werden. Analog gilt die Aussage auch, wenn das zu vermessende Objekt in seiner Position und Lage (z.B. durch einen Drehtisch) definiert verändert wird.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass die Position und Lage der 3D-Messeinrichtung durch ein Trackingsystem gemessen wird. Durch die Kombination der Position und Lage der 3D- Messeinrichtung anhand des Trackingsystems können die 3D-Messdaten jeder Messung schon zueinander ausgerichtet werden. Anschließend kann vorteilhafterweise zusätzlich eine Registrierung auf Grundlage von homologen Geometriekorrespondenzen aus den 3D-Messdaten durchgeführt werden.
In der Praxis ist der Einsatz von optischen Zielmarken weit verbreitet. Sie ermöglichen eine vergleichsweise einfache Suche nach homologen Geometriekorrespondenzen. Zudem kann ihre räumliche Position vor der dreidimensionalen Erfassung des Objektes mit der 3D- Messeinrichtung durch eine photogrammetrische Vermessung hochgenau bestimmt werden. Soll aber ein Objekt wie zum Beispiel eine Rohkarosse fertigungsnah im laufenden Produktionsablauf (also beispielsweise Inline) dreidimensional vermessen werden, so stößt der Einsatz von zusätzlichen Targets an seine Grenzen. In der Regel ist das Anbringen und Entfernen von optischen Zielmarken auf dem Objekt und auch das Einbringen des Objektes in eine Messvorrichtung, oder das Platzieren des Objektes in eine Kulisse zu zeitintensiv und störend für den Produktionsablauf.
DE 10 2009 032 771 A1 beschreibt eine Messeinrichtung zum dreidimensionalen optischen Vermessen von Objekten, die einen topometrischen Sensor aufweist, der mindestens eine Projektionseinheit zur Projektion mindestens eines Musters auf das zu vermessende Objekt sowie eine Bildaufnahmeeinheit zur Aufnahme von jeweils mindestens einem Messbild des vom Objekt reflektierten Musters in einem ersten Messvolumen hat. Zudem sind zwei Referenzmarken-Bildaufnahmeeinheiten zur Aufnahme von Referenzmarken in einem zweiten Messvolumen vorhanden. Die Projektionseinheit, die Bildaufnahmeeinheit sowie die Referenzmarken-Bildaufnahmeeinheiten sind mechanisch starr miteinander verbunden, wobei die Referenzmarken-Bildaufnahmeeinheiten nicht mit der Projektionseinheit zusammen wirken.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Messeinrichtung und ein verbessertes Verfahren zum dreidimensionalen optischen Vermessen von Objekten zu schaffen, das insbesondere für die dreidimensionale optische Vermessung von Objekten in fertigungsnahen Umgebungen geeignet ist.
Die Aufgabe wird durch die Messeinrichtung gemäß Anspruch 1 und das Verfahren gemäß Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Messeinrichtung zum dreidimensionalen optischen Vermessen von Objekten umfasst einen topometrischen Sensor, der mindestens eine Projektionseinheit zur Projektion mindestens eines flächenhaften Musters auf das zu vermessende Objekt sowie mindestens zwei Bildaufnahmeeinheiten zur Aufnahme von jeweils mindestens einem Messbild des vom Objekt reflektierten Musters hat, wobei die Projektionseinheit und die mindestens zwei Bildaufnahmeeinheiten mechanisch starr miteinander verbunden sind und die mindestens eine Projektionseinheit und die mindestens zwei Bildaufnahmeeinheiten des topometrischen Sensors durch eine Steuereinheit gesteuert werden. Die Messeinrichtung hat eine Auswerteeinheit, die zur Berechnung von dreidimensionalen Oberflächendaten des Objektes eingerichtet ist. Die Messeinrichtung ist erfindungsgemäß dazu eingerichtet, dass der topometrische Sensor zum Erfassen von dreidimensionalen Messdaten des Objekts durch topometrische Messungen eingerichtet ist, indem in mindestens zwei voneinander unterschiedlichen Messvolumen Messbilder von mindestens einem von einer der mindestens einen Projektionseinheit auf das Objekt projizierten und von dem Objekt reflektierten Muster mit Bildaufnahmeeinheiten aufgenommen werden.
Das Aufspannen der unterschiedlichen Messvolumina kann z.B. durch Auswahl oder Einstellung mindestens einer Projektionseinheit und/oder durch Auswahl oder Einstellung mindestens einer Bildaufnahmeeinheit erfolgen, d.h. mit möglichen Kombinationen aus Projektionseinheit bzw. Projektionen und Bildaufnahmeeinheit oder möglichen Kombinationen aus einer Projektionseinheit bzw. Projektion mit mehreren Bildaufnahmeeinheiten. Die Auswerteeinheit ist eingerichtet, eine Registrierung der dreidimensionalen Messdaten von unterschiedlichen Messvolumen in ein gemeinsames Koordinatensystem auszuführen.
Die Projektionseinheit wirkt mit mindestens zwei auf voneinander unterschiedliche Messvolumina eingerichtete Bildaufnahmeeinheiten zusammen. Die mit der Projektionseinheit zusammenwirkenden Bildaufnahmeeinheiten der herkömmlichen Messeinrichtungen sind hingegen auf ein Messvolumen eingerichtet.
Das Verfahren mit der erfindungsgemäßen Messeinrichtung hat folgende Schritte:

a) Erfassen von dreidimensionalen Messdaten des Objekts durch topometrische Messungen, indem in mindestens zwei voneinander unterschiedlichen Messvolumen Messbilder von mindestens einem von einer der mindestens einen Projektionseinheit auf das Objekt projizierten und von dem Objekt reflektierten Muster aufgenommen werden und
b) Registrieren der mittels Projektion mit der mindestens einen Projektionseinheit und unterschiedlichen Bildaufnahmeeinheiten in voneinander unterschiedlichen Messvolumen aufgenommenen Messdaten des Objekts in ein gemeinsames Koordinatensystem.

Für zwei oder mehr Aufnahmen in mindestens zwei Messvolumen sind dabei immer die Schritte enthalten:

a1) Erfassen von dreidimensionalen Messdaten des Objekts durch topometrische Messung mittels Projektion eines Musters auf das Objekt durch die Projektionseinheit und Aufnehmen eines Messbildes des vom Objekt reflektierten Musters mit einer ersten Bildaufnahmeeinheit für ein erstes Messvolumen
a2) Erfassen von dreidimensionalen Messdaten des Objekts durch topometrische Messung mittels Projektion eines Musters auf das Objekt durch die Projektionseinheit und Aufnahme eines Messbildes des vom Objekt reflektierten Musters mit einer zweiten Bildaufnahmeeinheit für ein zweites Messvolumen.

Die Schritte a1) und a2) können wiederholt ausgeführt werden. Dabei können die projizierten Muster für die unterschiedlichen Messvolumen gleich sein. Sie können aber auch an die jeweiligen Messvolumen angepasst und damit für die unterschiedlichen Messvolumen unterschiedlich sein, so dass in den Schritten a1) und a2) unterschiedliche Musterprojektionen erfolgen.
Für die Erfassung mit zwei Messvolumen erfolgt dann eine

b) Registrierung der Messdaten des Objekts beider Messvolumen in ein gemeinsames Koordinatensystem.

Somit erfolgen mehrere Messungen mittels Projektion mindestens eines Musters auf das Objekt in voneinander unterschiedlichen Messvolumen, die dann in ein gemeinsames Koordinatensystem registriert werden. Dabei können auch mehr als die in den Schritten a1) und a2) genannten zwei Bildaufnahmeeinheiten und zugehörige Messvolumina genutzt werden, d.h. auch mehr als die beispielhaft genannten zwei Messvolumina.
Vorteilhafterweise unterscheiden sich die jeweils voneinander unterschiedlichen Messvolumen in ihrer Größe. So kann im Allgemeinen mit einem großen Messvolumen in wenigen Aufnahmen ein großer Bereich des zu vermessenden Objektes z.B. einer Rohkarosse dreidimensional vermessen werden. Allerdings ist dann die Ortsauflösung in der Regel gering. Feine Details wie Charakterlinien, Kanten und Bolzen werden so nur unzureichend erfasst. Ein kleines Messvolumen hat eine deutlich höhere Ortsauflösung. Mit diesem Messvolumen können hochfrequente Details sehr präzise gemessen werden.
Die mindestens eine topometrische Messung mit dem ersten Messvolumen und die mindestens eine topometrische Messung mit dem zweiten Messvolumen können in einer identischen Position/Ausrichtung des topometrischen Sensors zum Objekt erfolgen. Genauso ist es aber möglich, dass die Position des topometrischen Sensors für die mindestens eine topometrische Messung mit dem ersten Messvolumen sich von der Position des topometrischen Sensors für die mindestens eine topometrische Messung mit dem zweiten Messvolumen unterscheidet. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird jede einzelne Messung jedes Messvolumens in einer eigenen Position/Ausrichtung des topometrischen Sensors zum Objekt durchgeführt.
In einer praktischen Umsetzung wird die Größe eines ersten Messvolumens des topometrischen Sensors vorteilhaft so gewählt, dass wenige Messaufnahmen ausreichen, um das Objekt vollumfänglich zu erfassen. Die 3D-Messdaten der einzelnen Messungen werden vorteilhafterweise ohne zusätzliche Targets aufgenommen. Anschließend wird das Objekt, oder auch nur gewünschte Teilbereiche oder Detailelemente des Objektes, mit einem zweiten Messvolumen des topometrischen Sensors vermessen. Das zweite Messvolumen wird dabei derart gewählt, dass die hochfrequenten Details mit einer höheren Ortsauflösung als im ersten Messvolumen dreidimensional erfasst werden können.
Die maximale Größe des jeweiligen Messvolumens ergibt sich aus dem Überlappungsbereich des Sichtfeldes der Projektionseinheit und der dem Messvolumen zugeordneten Bildaufnahmeeinheit. Die unterschiedlichen Größen der beiden Messvolumen können durch Variation diverser Parameter wie Länge der Aufnahmebasis, Triangulationswinkel sowie Größe des Bildchips, Brennweite, fokussierter Arbeitsabstand und Blende der zugehörigen Bildaufnahmeeinheit erzielt werden.
Die dreidimensionalen Messdaten des Objektes beider Messvolumen werden in ein gemeinsames Koordinatensystem registriert. Vorteilhafterweise wird die Registrierung aller Teilmessungen in einem gemeinsamen Ausgleichungsverfahren berechnet. Dies führt in der Regel zu einer sehr präzisen Schätzung der Transformationsparameter. Denkbar ist aber auch, dass in einem ersten Schritt die dreidimensionalen Messdaten des Objektes des großen Messvolumens in ein gemeinsames Koordinatensystem registriert werden. Die Ausrichtung dieser Messungen zueinander wird im weiteren Verfahren nicht mehr verändert. Anschließend wird jede Messung des kleinen Messvolumens in die bereits ausgerichteten Messungen des großen Messvolumens registriert.
Damit der topometrische Sensor dreidimensionale Objekte vermessen kann, müssen die sogenannte innere und äußere Orientierung der mindestens einen zum topometrischen Sensor gehörigen Bildaufnahmeeinheit bekannt sein. Sofern die Projektionseinheit (wie im allgemeinen Anwendungsfall üblich) nicht nur zur Musterprojektion eingerichtet ist, sondern im Rahmen der 3D-Punkt-Berechnung verwendet wird, so müssen auch ihre innere und äußere Orientierung bekannt sein. Typischerweise werden diese Parameter im Rahmen einer sogenannten Kalibrierung ermittelt.
Sofern die innere und äußere Orientierung der Bildaufnahmeeinheiten des ersten und zweiten Messvolumens sowie die innere und äußere Orientierung der gemeinsamen Projektionseinheit in einer gemeinsamen Kalibrierung ermittelt werden, sind die Transformationsbeziehungen zwischen dem ersten und zweiten Messvolumen im Sensorkoordinatensystem bekannt. Unter der Annahme, dass der topometrische Sensor und das Objekt sich nicht zwischen der topometrischen Messung mit dem ersten Messvolumen und der topometrischen Messung mit dem zweiten Messvolumen relativ zueinander bewegen, liefern die beiden Messvolumen im Rahmen einer Messung 3D-Koordinaten, die im gleichen Bezugssystem (nämlich dem des topometrischen Sensors) vorliegen.
Misst man also das Objekt in einer Ausrichtung des topometrischen Sensors zuerst mit dem ersten Messvolumen und nachfolgend mit dem zweiten Messvolumen so müssen diese Messdaten nicht zueinander registriert werden, da sie schon über die gemeinsame Kalibrierung in einem gemeinsamen Koordinatensystem vorliegen. In der Praxis ist es aber dennoch nicht unüblich, die Messdaten der beiden verschiedenen Messvolumen in einer gemeinsamen Ausrichtung des topometrischen Sensors zum Objekt nachträglich anhand der überlappenden Messdaten zueinander zu registrieren. Dadurch kann der Einfluss von möglicherweise auftretenden Relativbewegungen zwischen Objekt und topometrischen Sensor rechnerisch minimiert werden.
Die Messeinrichtung kann in einer ersten Ausführungsform eine Projektionseinheit und zwei Bildaufnahmeeinheiten umfassen. Die Kombination aus Projektionseinheit und erster Bildaufnahmeeinheit bildet das erste Messvolumen. Die Kombination aus Projektionseinheit und zweiter Bildaufnahmeeinheit bildet das zweite Messvolumen. Während die Einstellung jeder Bildaufnahmeeinheit (z.B. Triangulationswinkel, Blende, fokussierter Arbeitsabstand) spezifisch auf das gewünschte Messvolumen abgestimmt werden kann, muss die Einstellung der Projektionseinheit so durchgeführt werden, dass für beide Messvolumen eine hinreichend scharfe Abbildung der Projektionsmuster gegeben ist. Typischerweise ist dies für größere Arbeitsabstände (=Gegenstandsweite) in Kombination mit einem großen Öffnungswinkel der Projektionseinheit leichter zu erreichen. Unter diesen Bedingungen steigt der Schärfentiefenbereich der Projektion deutlich an. Die beiden Messvolumen sind vorteilhafterweise so auszugestalten, dass beide möglichst vollständig im Schärfentiefenbereich der Projektionseinheit liegen.
Es kann vorteilhaft sein, die Parameter Arbeitsabstand, Blende und Brennweite der Projektionseinheit sowie der maximal tolerierbare Zerstreuungskreisdurchmesser so zu wählen, dass die sich daraus ergebene hyperfokale Distanz kleiner oder gleich dem Arbeitsabstand ist. Dann ist die Projektion bis ins Unendliche scharf. Damit ergibt sich ein theoretisch unendlich großer Schärfentiefenbereich der projizierten Muster. So können die Messvolumen sehr flexibel festgelegt werden.
Typischerweise wird die mindestens eine topometrische Messung mit dem ersten Messvolumen vollständig und zeitlich getrennt von der mindestens einen topometrischen Messung mit dem zweiten Messvolumen durchgeführt. Dabei werden je topometrischer Messung mindestens ein Projektionsmuster häufig aber auch mehrere verschiedene Projektionsmuster projiziert. Die jeweils zum Messvolumen zugehörige Bildaufnahmeeinheit nimmt im Allgemeinen je projiziertem Projektionsmuster ein zugehöriges Messbild auf.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird jeweils eine topometrische Messung mit dem ersten Messvolumen und jeweils eine topometrische Messung mit dem zweiten Messvolumen so durchgeführt, dass die gemeinsame Projektionseinheit zeitlich exklusiv jeweils genau ein Muster der ersten Mustersequenz auf das Objekt projiziert und die mindestens eine Bildaufnahmeeinheit des ersten Messvolumens das zugehörige Messbild aufnimmt und nachfolgend die Projektionseinheit zeitlich exklusiv genau ein zweites Muster der zweiten Mustersequenz auf das Objekt projiziert und die mindestens eine Bildaufnahmeeinheit des zweiten Messvolumens das zugehörige Messbild aufnimmt und die Gesamtmustersequenz der zwei Messvolumen zueinander alternierend durchgeführt wird. Aufgrund der alternierenden Aufnahme kann die Gesamtmesszeit reduziert werden, da die Zeit in der ein Projektionsmuster des zweiten Messvolumens projiziert und ein Bild durch die zugehörige Bildaufnahmeeinheit des zweiten Messvolumens aufgenommen wird, parallel genutzt werden kann, um das vorher bereits aufgenommene Messbild der zugehörigen Bildaufnahmeeinheit des ersten Messvolumens an die Auswerteeinheit zu übertragen.
Damit die 3D-Messdaten verzerrungsfrei und im korrekten Maßstab durch den topometrischen Sensor gemessen werden können, sollte die innere Orientierung der Projektionseinheit über den gesamten Messzeitraum konstant bleiben (dies gilt auch jeweils für die beiden Bildaufnahmeeinheiten). Dies ist für die Projektionseinheit deutlich schwieriger zu realisieren als für eine Bildaufnahmeeinheit. Das liegt unter anderem daran, dass die Projektionseinheit eine Lichtquelle umfasst, die im Allgemeinen eine große Abwärme erzeugt, so dass die Projektionseinheit im laufenden Betrieb typischerweise relativ heiß wird. Zudem kann die Temperatur der Projektionseinheit abhängig von der Kadenz der ausgeführten Messungen deutlich schwanken. Typischerweise sind die Projektionsobjektive auch deutlich größer und schwerer. Dadurch ist die Projektionseinheit in der Regel anfällig für eine relative Lageänderung zwischen Projektionsobjektiv (beziehungsweise den im Projektionsobjektiv enthaltenen Linsen) und bildgebenden Element bei Änderung der Ausrichtung des topometrischen Sensors zur Schwerkraft.
Weiterhin sollte sich die relative Orientierung von der Projektionseinheit zur jeweiligen Bildaufnahmeeinheit über den gesamten Messzeitraum ebenfalls nicht verändern, um möglichst verzerrungsfreie und maßstabsfehlerfreie 3D-Messdaten zu erhalten. Im Allgemeinen ist die Projektionseinheit aber relativ schwer. Die große Masse verursacht tendenziell leichter eine Veränderung der relativen Orientierung bei einem Verschwenken des topometrischen Sensors zur Schwerkraft.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung hat der topometrische Sensor deshalb eine gerade Anzahl an Bildaufnahmeeinheiten, die mindestens vier beträgt. Jeweils zwei Bildaufnahmeeinheiten spannen ein eigenes Messvolumen auf. Die so realisierten Messvolumen haben den Vorteil, dass die innere und äußere Orientierung viel unempfindlicher bezüglich der räumlichen Lage des topometrischen Sensors sind als bei einem Messvolumen basierend auf einer Projektionseinheit und einer Bildaufnahmeeinheit. Ferner sind Temperaturschwankungen der Bildaufnahmeeinheiten deutlich unwahrscheinlicher als bei der Projektionseinheit.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der topometrische Sensor durch einen automatisierten Manipulator gegenüber dem zu vermessenden Objekt definiert positioniert werden. Der Manipulator kann zum Beispiel als 6-Achs-Industrieroboter ausgestaltet sein. Denkbar sind aber auch andere Manipulatoren wie zum Beispiel eine oder mehrere Lineareinheiten sowie Kombinationen von Lineareinheiten mit einem 6-Achs-Industrieroboter. Die automatisierte Positionierung fördert eine schnelle und vollständige Vermessung des Objekts. Zudem können gleichartige Objekte mit der gleichen Messstrategie vermessen werden. Das erhöht die Vergleichbarkeit der Messergebnisse untereinander. Das Verfahren erweitert sich somit um die definierte Änderung der Position des topometrischen Sensors bezüglich des zu vermessenden Objektes mit Hilfe des automatisierten Manipulators vor oder nach mindestens einer topometrischen Messung mit dem einen und/oder dem anderen Messvolumen des topometrischen Sensors.
Durch den Einsatz des automatisierten Manipulators kann der topometrische Sensor in definierte Positionen bezüglich des zu vermessenden Objektes positioniert werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird mindestens eine Messposition des topometrischen Sensors anhand der Minimierung einer Kostenfunktion unter Berücksichtigung mindestens einer der Parameter Gesamtmessdauer, Anzahl der Messpositionen, räumliche Verteilung der Messpositionen, Erfassung aller relevanten Objektfeatures, erzielbare Genauigkeit sowie Sichtbarkeit des Objektes für mindestens eines der beiden Messvolumen in der jeweiligen Position berechnet. Diese Verfahrensweise ermöglicht eine vollständige, reproduzierbare und qualitativ hochwertige dreidimensionale Vermessung des Objektes mit einem geringen Zeitaufwand.
Die genähert bekannte Position des Sensors auf Grundlage der Vorgabe der Position des automatisierten Manipulators kann im Rahmen der Registrierung verwendet werden. Sie kann zum Beispiel als Startposition für die jeweilige topometrische Messung verwendet werden. Dadurch können die homologen geometrischen Elemente in verschiedenen topometrischen Messungen einfacher gefunden werden. Zudem wird die gesamte Registrierung deutlich robuster und weniger fehleranfällig.
Trotz der vielfältigen Möglichkeiten der Positionierung des topometrischen Sensors mit Hilfe eines automatisierten Manipulators ist es in der Praxis in der Regel nicht möglich, eine komplette Rohkarosse vollständig zu vermessen. Der Positionierbereich des topometrischen Sensors ist trotz Verknüpfung mit einem automatisierten Manipulator in der Regel zu klein, um eine gesamte Rohkarosse dreidimensional zu vermessen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden deshalb in der Messeinrichtung mindestens zwei topometrische Sensoren verwendet, wobei jeder durch einen eigenen automatisierten Manipulator definiert gegenüber dem Objekt positioniert werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden die mehreren topometrischen Sensoren und deren zugehörige automatisierte Manipulatoren über eine gemeinsame Steuereinheit gesteuert. Dies ermöglicht eine räumliche und zeitliche Optimierung aller durchzuführenden topometrischen Messungen beziehungsweise der Messsequenzen der beteiligten topometrischen Sensoren sowie der Bewegungen der topometrischen Sensoren anhand ihrer zugehörigen automatisierten Manipulatoren. Dadurch kann insbesondere die Gesamtmessdauer verringert werden. Zudem kann verhindert werden, dass verschiedene topometrische Sensoren zeitgleich messen, wenn sich das Sichtfeld mindestens einer Bildaufnahmeeinheit eines der beiden Messvolumen mit dem Sichtfeld der Projektionseinheit des anderen Messvolumens überschneidet. Bei einer solchen Überschneidung könnten fälschlicherweise projizierte Muster der Projektionseinheit des anderen Messvolumens durch die mindestens eine Bildaufnahmeeinheit des einen Messvolumens, welche diese projizierten Muster im Sichtfeld detektieren kann, ausgewertet werden und zu falschen Objektpunkten führen. Dagegen können ausdrücklich topometrische Messungen zweier verschiedener topometrischer Sensoren zeitgleich durchgeführt werden, wenn sich das Sichtfeld keiner Bildaufnahmeeinheit eines der beiden Messvolumen mit dem Sichtfeld der Projektionseinheit des anderen Messvolumens überschneidet. So ist es häufig vorteilhaft, wenn bei zwei beteiligten topometrischen Sensoren bei gewünschter gleichzeitiger Messung aufgrund der Optimierung der Gesamtmesszeitdauer der eine topometrische Sensor die mindestens eine topometrische Messung mit seinem kleinen Messvolumen misst und der andere topometrische Sensor die mindestens eine topometrische Messung mit seinem großen Messvolumen misst. Nachfolgend kann dann auch vorteilhafterweise der eine topometrische Sensor die mindestens eine topometrische Messung mit seinem großen Messvolumen messen, während der andere topometrische Sensor die mindestens eine topometrische Messung mit seinem kleinen Messvolumen misst usw. Dieses wechselseitige Messen von zwei räumlich benachbarten topometrischen Sensoren kann dann auf eine Vorrichtung mit n>2 topometrischen Sensoren entsprechend angewendet werden. Dieses Vorgehen funktioniert insbesondere dann sehr gut, wenn das große Messvolumen bezüglich des topometrischen Sensors weiter entfernt ist als das kleine Messvolumen. Daraus resultiert ein großer Arbeitsabstand für das große Messvolumen und ein entsprechend großer beleuchteter Bereich. Im Rahmen einer Messung mit dem kleinen Messvolumen wird ein deutlich geringerer Bereich durch die Projektionseinheit ausgeleuchtet, sofern der Arbeitsabstand für das kleine Messvolumen kleiner ist als der Arbeitsabstand des großen Messvolumens.
Trotz der beschriebenen Optimierung der Messstrategie gibt es Messaufbauten und zugehörige Messobjekte, bei denen eine gleichzeitige Messung mindestens zweier beteiligter topometrischer Sensoren aufgrund der Überschneidung des Sichtfelds mindestens einer Bildaufnahmeeinheit eines der beiden Messvolumen mit dem Sichtfeld der Projektionseinheit des anderen Messvolumens nicht möglich ist. In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist die gemeinsame Steuereinheit so eingerichtet, dass die mindestens zwei topometrischen Sensoren einen überlappenden Bereich messen, wobei die beiden Projektions- und Aufnahmesequenzen so durchgeführt werden, das jeder topometrische Sensor zeitlich exklusiv jeweils genau ein Muster seiner gesamten Mustersequenz auf das Objekt projiziert und mindestens eine Bildaufnahmeeinheit dieses topometrischen Sensors das zugehörige Messbild aufnimmt und die Gesamtmustersequenz der mindestens zwei topometrischen Sensoren zueinander alternierend durchgeführt wird.
Aufgrund dieser Vorgehensweise wird verhindert, dass jeweils ein Muster der mindestens zwei beteiligten topometrischen Sensoren zeitgleich projiziert wird und es zu einer Überlagerung dieser Muster in den beteiligten Bildaufnahmeeinheiten kommt. Die exklusive, alternierende Musterprojektion verringert die Messzeit für die Gesamtheit aller beteiligten topometrischen Sensoren, da der Zeitraum, in dem der eine topometrische Sensor die Musterprojektion und die Bildaufnahme durchführt durch den mindestens einen anderen topometrischen Sensor genutzt werden kann, um das bereits aufgenommene Messbild an die Auswerteeinheit zu übertragen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird das Objekt durch einen eigenen automatisierten Manipulator in den Messbereich der mindestens zwei topometrischen Sensoren transportiert. Dies kann ein Förderband oder vergleichbares Transportsystem sein. Denkbar ist auch der Einsatz eines Industrieroboters, der das Objekt entweder nur im Messbereich platziert oder auch optional nach einer topometrischen Messung definiert an einen anderen Ort platziert.
Eine praktische Ausgestaltung ist der Einsatz eines Förderbandes als Teil der Inline-Produktionsanlage. Die zu vermessende Rohkarosse wird anhand des Förderbands in den Messbereich der mindestens zwei topometrischen Sensoren transportiert. Während jeder einzelnen Teilmessung steht das Förderband still. Zwischen zwei Teilmessungen kann das Förderband gegebenenfalls auch die Rohkarosse definiert an einen anderen Ort verschieben. Nach erfolgter Gesamtvermessung der Rohkarosse wird diese aus dem Messbereich der mindestens zwei topometrischen Sensoren transportiert. Nachfolgend können nach dieser Messstrategie weitere gleichartige Rohkarossen analog vermessen werden.
Häufig wird die Registrierung der Messdaten erst nach der vollständigen Durchführung aller topometrischen Messungen berechnet. Mit steigender Anzahl der topometrischen Messungen sowie wachsendem Überlappungsbereich zwischen zwei topometrischen Messungen steigt auch der Rechenaufwand und die Rechenzeit. Je nach Ausgestaltung der Registrierung kann die Berechnung mehrere Minuten oder gar Stunden benötigen. Deshalb ist es vorteilhaft, wenn die Registrierung bereits parallel zur Messung des Objektes gestartet wird. Sie erfolgt rein auf Grundlage der bereits erfassten Messdaten aus der mindestens einen topometrischen Messung mit dem ersten Messvolumen und der mindestens einen topometrische Messung mit dem zweiten Messvolumen. Da anfänglich nur zwei topometrische Messungen zueinander registriert werden müssen, ist der Rechenaufwand vergleichsweise gering. Sobald weitere topometrische Messungen durchgeführt werden, werden diese der Registrierung hinzugefügt. Auf Grundlage der bestehenden Lösung der bisher zueinander registrierten topometrischen Messungen kann vergleichsweise schnell eine um die aktuelle topometrische Messung erweiterte Registrierung berechnet werden. Dadurch kann die Lösung der Registrierung für alle Messungen deutlich schneller berechnet werden, als bei einer sequenziellen Durchführung von vollständiger topometrischer Messung und anschließender Registrierung.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 - Skizze einer Messeinrichtung zum dreidimensionalen optischen Vermessen von Objekten
2 - Skizze des Schärfentiefenbereichs der ersten Bildaufnahmeeinheit
3 - Skizze des Schärfentiefenbereichs der zweiten Bildaufnahmeeinheit
4 - Skizze des Schärfentiefenbereichs des Projektors
5 - Skizze eines ersten Messvolumens der Messeinrichtung
6 - Skizze eines zweiten Messvolumens der Messeinrichtung
7 - Skizze einer Messeinrichtung mit vier Bildaufnahmeeinheiten zum optischen Vermessen von Objekten
8 - Skizze eines Messvolumens
9 - Skizze eines Messvolumens
10 - Skizze einer Messeinrichtung zur dreidimensionalen Vermessung einer Rohkarosse innerhalb einer Fertigungsstraße

Die 1 zeigt eine erfindungsgemäße Messeinrichtung 1 zum dreidimensionalen optischen Vermessen eines Objektes 2. Das zu vermessende Objekt 2 hat eine charakteristische Kante 30. Das gesamte Objekt 2 soll dreidimensional vermessen werden, wobei die Kante 30 mit hoher Ortsauflösung gemessen werden soll.
Die Messeinrichtung 1 umfasst einen topometrischen Sensor 3, eine Steuereinheit 8 zur Ansteuerung des topometrischen Sensors 3 und eine Auswerteeinheit 9 zur mathematischen Auswertung der von dem topometrischen Sensor 3 aufgenommenen Bilder des Objektes 2. Der topometrische Sensor 3 besteht aus einer Projektionseinheit 4, zwei Bildaufnahmeeinheiten 5 und 6 sowie einem Verbindungselement 7. Die Projektionseinheit 4 ist dazu eingerichtet, mindestens ein Muster auf das Objekt 2 zu projizieren. Jede Bildaufnahmeeinheit 5, 6 empfängt das mindestens eine vom Objekt rückgestreute Muster und liefert je Musterprojektion ein 2D-Bild. Die Projektionseinheit 4 und die beiden Bildaufnahmeeinheiten 5 und 6 sind über ein Verbindungselement 7 starr miteinander verbunden. Das Verbindungselement 7 ist hier in Form eines Verbindungsbalkens dargestellt. Durch das Verbindungselement 7 soll sichergestellt werden, dass sich die Relativpositionen von Projektionseinheit 4 und Bildaufnahmeeinheiten 5,6 während einer Messung nicht ändert. Weitere Ausführungsformen eines Verbindungselementes 7, wie zum Beispiel die Integration der Projektionseinheit 4 und der Bildaufnahmeeinheiten 5, 6 in ein gemeinsames Gehäuse, oder auch andere Bauformen sind möglich.
Der topometrische Sensor 3 wird durch eine Steuereinheit 8 gesteuert. Die Steuereinheit 8 hat insbesondere die Aufgaben, die Projektion des mindestens einen Musters durch die Projektionseinheit 4 sowie die Aufnahme des zugehörigen rückgestreuten Musters durch mindestens eine der beiden Bildaufnahmeeinheiten 5, 6 zu steuern. Üblicherweise ist die Steuereinheit 8 mit dem topometrischen Sensor 3 durch eine Kabel- oder Lichtwellenleiterverbindung verknüpft. Denkbar ist aber auch eine drahtlose Steuerung zum Beispiel per WiFi.
Das mindestens eine projizierte Muster sowie das jeweilig zugehörige 2D-Bild der jeweiligen Bildaufnahmeeinheit 5, 6 werden durch die Steuereinheit 8 an die Auswerteeinheit 9 zum Beispiel per Kabelverbindung oder drahtlos zum Beispiel per WiFi übertragen. Die Auswerteeinheit 9 ist dazu eingerichtet, dass mindestens eine projizierte Muster sowie das jeweils zugehörige 2D-Bild auszuwerten und dreidimensionale Oberflächendaten des Objektes 2 zu berechnen.
Die 2 zeigt den topometrischen Sensor 3 aus 1. Sie skizziert den Schärfentiefenbereich 10 der Bildaufnahmeeinheit 5. Der Schärfentiefenbereich 10 ist Teil des Sichtfeldes der Bildaufnahmeeinheit 5. In diesem Bereich ist die Abbildung eines Objektes 2 des Objektraums im Bildraum der Bildaufnahmeeinheit 5 hinreichend scharf. Der Schärfentiefenbereich 10 ist vergleichsweise groß. Das Objekt 2 ist in diesem Fallbeispiel vollständig im Schärfentiefenbereich 10 enthalten. Genauso ist aber möglich, dass in einer anderen Ausführung der Schärfentiefenbereich 10 das Objekt 2 nicht umschließt. Aufgrund der Verdeckung von Teilen des Objekt 2 ist das Objekt 2 nicht vollständig in dieser Ausrichtung durch die Bildaufnahmeeinheit 5 messbar.
Die 3 zeigt ebenfalls den topometrischen Sensor 3 aus 1. Sie skizziert den Schärfentiefenbereich 11 der Bildaufnahmeeinheit 6. Der Schärfentiefenbereich 11 der Bildaufnahmeeinheit 6 ist deutlich kleiner als der Schärfentiefenbereich 10 der Bildaufnahmeeinheit 5. Das Objekt 2 ist nicht vollständig im Schärfentiefenbereich 11 enthalten.
Die 4 zeigt wiederum den topometrischen Sensor 3 aus 1. Sie skizziert den Schärfentiefenbereich 12 der Projektionseinheit 4. Der Schärfentiefenbereich 12 der Projektionseinheit 4 umschließt das Objekt 2 in diesem Fallbeispiel vollständig. Genauso ist aber möglich, dass in einer anderen Ausführung der Schärfentiefenbereich 12 das Objekt 2 nicht umschließt.
Die 5 zeigt auch den topometrischen Sensor 3 aus 1. Sie skizziert das erste Messvolumen 13 des topometrischen Sensors 3 gebildet durch die Projektionseinheit 4 und die Bildaufnahmeeinheit 5. In diesem Fallbeispiel wird das erste Messvolumen 13 gebildet durch den Überschneidungsbereich des Schärfentiefenbereiches 10 der Bildaufnahmeeinheit 5 und den Schärfentiefenbereich 12 der Projektionseinheit 4. Das Messvolumen 13 kann aber in einer anderen Ausgestaltung auch ein Teilbereich des Überschneidungsbereichs sein. Möchte man beispielsweise eine sehr hohe Genauigkeit im Messvolumen 13 realisieren, so kann es zum Beispiel vorteilhaft sein, den hinteren Bereich des Überschneidungsbereichs nicht zu verwenden, da aufgrund des in der Regel kleineren Schnittwinkels zwischen homologen Bildstrahlen in diesen Bereichen größeren Messunsicherheiten der berechneten 3D-Punkte zu erwarten sind.
Die 6 zeigt ebenfalls den topometrischen Sensor 3 aus 1. Sie skizziert das zweite Messvolumen 14 des topometrischen Sensors 3 gebildet durch die Projektionseinheit 4 und die Bildaufnahmeeinheit 5. Das zweite Messvolumen 14 wird analog gebildet durch den Überschneidungsbereich des Schärfentiefenbereiches 11 der Bildaufnahmeeinheit 6 und den Schärfentiefenbereich 12 der Projektionseinheit 4. Im Vergleich zum ersten Messvolumen 13 ist das zweite Messvolumen 14 deutlich kleiner. Es erfasst nur einen Teilbereich des zu vermessenden Objektes 2. Es hat aber eine hohe Ortsauflösung, so dass feine Oberflächenstrukturen gemessen werden können.
Um das Objekt 2 vollständig zu erfassen, wird das Objekt 2 aus mehreren Positionen mit dem ersten Messvolumen 13 topometrisch vermessen. Anschließend wird ein Teilbereich des Objekts 2 aus mindestens einer weiteren Position mit dem zweiten Messvolumen 14 topometrisch vermessen. Entsprechend der Messaufgabe enthält der Teilbereich des Objektes 2 die charakteristische Kante 30. Es werden so viele topmetrische Messungen mit dem zweiten Messvolumen 14 durchgeführt, dass die Kante 30 vollständig gemessen ist. Alle Messdaten werden in einer gemeinsamen Registrierung zueinander ausgerichtet. Die Registrierung kann vorteilhafterweise rein auf homologen Geometriekorrespondenzen im Überlappungsbereich der topometrischen Teilmessungen beruhen. Das können zum Beispiel homologe 3D-Punkte in den topometrischen Teilmessungen sein. Dazu ist es notwendig, dass sich die topometrischen Teilmessungen überlappen.
Da das erste Messvolumen 13 sehr groß ist, kann das Objekt 2 in wenigen Positionen vollständig dreidimensional vermessen werden. Allerdings ist die Ortsauflösung aufgrund des großen Messvolumens 13 begrenzt. Hochfrequente Teilgeometrien wie Kanten, Bolzen etc. können so nicht hinreichend erfasst werden. Durch die mindestens eine topometrische Messung des Objekt 2 mit dem zweiten Messvolumen 14, welches eine höhere Ortsauflösung besitzt, können aber genau solche hochfrequenten Teilgeometrien deutlich detailreicher erfasst werden. Vorteilhafterweise werden deshalb so viele topometrische Messungen mit dem zweiten Messvolumen 14 durchgeführt, dass alle relevante Teilgeometrien erfasst werden.
Das Ergebnis der Registrierung der topometrischen Messungen mit dem ersten Messvolumen 13 und der topometrischen Messungen mit dem zweiten Messvolumen 14 ist eine dreidimensionale Punktwolke des Objekts 2. Es beschreibt die geometrische Form des Objekts 2 inklusive der hochfrequenten Teilgeometrien. Vorteilhafterweise kann die Punktewolke anschließend trianguliert und gegebenenfalls ausgedünnt werden.
Die 7 visualisiert den topometrischen Sensor 3 in einer weiteren vorteilhaften Ausführung. Der topometrische Sensor 3 hat vier Bildaufnahmeeinheiten 5, 6, 15, 16. Die Projektionseinheit 4 sowie die vier Bildaufnahmeeinheiten 5, 6, 15, 16 sind über einen Balken 7 starr miteinander verbunden. Die Bildaufnahmeeinheiten 5 und 6 sowie 15 und 16 bilden jeweils ein eigenes Messvolumen 18, 17.
Die 8 zeigt ein erstes Messvolumen 17 des topometrischen Sensors 3 aus 7. Es wird gebildet aus dem Schnittvolumen des Schärfentiefenbereichs der Bildaufnahmeeinheiten 15, 16 sowie dem Schärfentiefenbereich der Projektionseinheit 4. Wie bereits erläutert kann es auch hier vorteilhaft sein, dass Messvolumen weiter einzuschränken zum Beispiel aufgrund einer hohen Genauigkeitsanforderung.
Die 9 zeigt ein zweites Messvolumen 18 des topometrischen Sensors 3 aus 7. Es wird gebildet aus dem Schnittvolumen des Schärfentiefenbereichs der Bildaufnahmeeinheiten 5, 6 sowie dem Schärfentiefenbereich der Projektionseinheit 4. Das zweite Messvolumen 18 ist deutlich kleiner als das erste Messvolumen 17. Es weist aber eine deutlich höhere Ortsauflösung auf. Anhand des ersten Messvolumens 17 kann im Allgemeinen ein Objekt 2 mit wenigen topometrischen Messungen vollflächig erfasst werden. Die Bereiche mit interessierenden hochfrequenten Teilgeometrien werden durch mindestens eine topometrische Messung mit dem kleinen Messvolumen 18 erfasst. Die dreidimensionalen Messdaten können dann in einer gemeinsamen Registrierung aufeinander ausgerichtet werden. Die Ausbildung der beiden Messvolumen 17 und 18 aus einer Kombination der Bildaufnahmeeinheiten 5 und 6 bzw. 15 und 16 ist beispielhaft. Auch andere Kombinationen von Bildaufnahmeeinheitenpaarungen sind denkbar, ebenso wie die Bildung eines Messvolumens aus einer Kombination von Projektionseinheit 4 und einer der Bildaufnahmeeinheiten 5, 6, 15, 16.
Die 10 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung. Die Rohkarosse 19 (Objekt) soll dreidimensional innerhalb der Fertigungsstraße (Inline) vermessen werden. Die Messeinrichtung umfasst vier topometrische Sensoren 3a-d. Jeder topometrische Sensor 3a-d hat vier Bildaufnahmeeinheiten 5, 6, 15, 16 sowie eine Projektionseinheit 4, welche über einen Balken 7 starr miteinander verbunden sind (vgl. 7). Jeweils zwei Bildaufnahmeeinheiten 15, 16 bilden ein erstes großes Messvolumen 17 (vgl. 8). Die jeweils beiden anderen Bildaufnahmeeinheiten 5, 6 bilden ein zweites kleines Messvolumen 18 (vgl. 9) mit einer hohen Ortsauflösung. Jeder topometrische Sensor 3a-d wird durch einen Industrieroboter 21 a-d geführt. Dadurch kann jeder topometrische Sensor 3a-d automatisiert positioniert und ausgerichtet werden.
Die Rohkarosse 19 wird innerhalb der Fertigungsstraße über ein Förderband 20 transportiert. Die vier topometrischen Sensoren 3a-d mit ihrem zugehörigen Industrierobotern 21a-d sind so angeordnet, dass jeweils zwei topometrische Sensoren 21a-b die linke Fahrzeugseite und zwei topometrische Sensoren 21c-d die rechte Fahrzeugseite vermessen können. Die beiden linken Industrieroboter 21a-b sowie die beiden rechten Industrieroboter 21c-d sind jeweils parallel zum Förderband 20 aufgestellt. Ihre Position ist so gewählt, dass die Rohkarosse in einer Position auf dem Förderband 20 vollumfänglich vermessen werden kann.
Die vier topometrischen Sensoren 3a-d sowie ihre zugehörigen Industrieroboter 21a-d werden über eine gemeinsame Steuereinheit 8 gesteuert. Die Steuereinheit 8 ist dafür verantwortlich, dass die Bewegungen der topometrischen Sensoren 3a-d durch die Industrieroboter 21a-d sowie die durchgeführten Messsequenzen alle topometrischen Sensoren 3a-d räumlich und zeitlich aufeinander abgestimmt sind. Vorteilhafterweise werden die Messpositionen der topometrischen Sensoren 3a-d vor der topometrischen Messung anhand der Minimierung einer Kostenfunktion unter Berücksichtigung mindestens einer der Parameter Gesamtmessdauer, Anzahl der Messpositionen, räumliche Verteilung der Messpositionen, Vollständigkeit der Objektabtastung, erzielbare Genauigkeit sowie Sichtbarkeit des Objektes berechnet. Dabei kann es vorteilhaft sein, dass mehrere topometrische Sensoren 3a-d gleichzeitig eine topometrische Messung durchführen. Dabei muss gewährleistet sein, dass für jedes beteiligte Messvolumen gilt, dass sich keines der Sichtfelder der beteiligten Bildaufnahmeeinheiten des Messvolumen nicht mit dem Sichtfeld der Projektionseinheit aller anderen beteiligten Messvolumen überschneidet.
Es kann aber auch vorteilhaft sein, dass mindestens zwei topometrische Sensoren 3a-d einen überlappenden Bereich auf der Rohkarosse 19 messen, wobei die beiden Projektions- und Aufnahmesequenzen so durchgeführt werden, das jeder topometrische Sensor 3a-d zeitlich exklusiv jeweils genau ein Muster seiner gesamten Mustersequenz auf das Objekt projiziert und mindestens eine Bildaufnahmeeinheit dieses topometrischen Sensors 3a-d das zugehörige Messbild aufnimmt und die Gesamtmustersequenz der mindestens zwei topometrischen Sensoren 3a-d zueinander alternierend durchgeführt wird. Dadurch wird sichergestellt, dass jedes rückgestreute Muster unbeeinflusst durch andere Musterprojektionen durch die mindestens eine Bildaufnahmeeinheit aufgenommen werden kann. Anschließend kann das aufgenommene 2D-Bild über die gemeinsame Steuereinheit 8 an die Auswerteeinheit 9 übertragen werden, während der nachfolgende topometrische Sensor 3a-d seinerseits ein Muster auf das Rohkarosse projiziert und die mindestens eine Bildaufnahmeeinheit dieses topometrischen Sensors 3a-d das rückgestreute Muster aufnimmt. Dadurch kann die Gesamtmessdauer reduziert werden, was insbesondere für den Einsatz innerhalb einer Fertigungsmesslinie mit hohem Rohkarossendurchsatz sehr entscheidend ist.
Unter der Annahme, dass in einer Position ein topometrischer Sensor 3a-d eine topometrische Messung mit dem ersten Messvolumen 17 und eine topometrische Messung mit dem zweiten Messvolumen 18 durchführen soll, kann die Gesamtmessdauer zusätzlich reduziert werden. Dazu werden die topometrischen Messungen der beiden Messvolumen zueinander alternierend durchgeführt. Die gemeinsame Projektionseinheit 4 projiziert zeitlich exklusiv jeweils genau ein Muster der ersten Mustersequenz auf die Rohkarosse 19 und die beiden Bildaufnahmeeinheiten 15, 16 des ersten Messvolumens 17 nehmen das jeweils zugehörige Messbild auf. Nachfolgend projiziert die Projektionseinheit 4 zeitlich exklusiv genau ein Muster der zweiten Mustersequenz auf die Rohkarosse 19 und die beiden Bildaufnahmeeinheiten 5, 6 des zweiten Messvolumens 18 nehmen das jeweils zugehörige Messbild auf. In der Zeit, in der ein Muster der zweiten Mustersequenz projiziert wird, wird parallel das jeweilige Messbild der Bildaufnahmeeinheiten 15, 16 des ersten Messvolumens 17 an die Auswerteeinheit 9 übertragen. Nachfolgend werden alternierend die jeweiligen weiteren Muster der beiden Messvolumen projiziert und die zum jeweiligen Messvolumen zugehörigen Bildaufnahmeeinheiten aufgenommen. Die Bildaufnahmeeinheiten des Messvolumens für das gerade kein Muster projiziert wird nutzen die Zeit für die Übertragung des aufgenommenen Messbildes zur Auswerteeinheit 9.
Sofern immer eine gleichartige Rohkarosse 19 innerhalb einer Fertigungsstraße vermessen werden soll, ist es ausreichend, einmal die Anzahl und Verteilung der Messpositionen festzulegen. Das kann entweder durch einen menschlichen Operateur oder wie beschrieben algorithmisch anhand der Minimierung einer Kostenfunktion unter Vorgabe der Minimierungsparameter erfolgen. Anschließend kann die Vermessung immer gleichartig wie folgt durchgeführt werden.
Vor Beginn der dreidimensionalen Vermessung der Rohkarosse 19 wird sie über das Förderband 20 in den Messbereich der vier topometrischen Sensoren 3a-d transportiert. Anschließend führt jeder topometrische Sensor 3a-d mindestens eine topometrische Messung mit seinem ersten Messvolumen 17 und mindestens eine topometrische Messung mit seinem zweiten Messvolumen 18 entsprechend des vorher festgelegten Messablauf durch. Die topometrischen Sensoren 3a-d werden durch die Industrieroboter 21 a-d in die jeweilige Messposition verfahren. Sofern im Messplan vorgesehen, kann auch das Förderband 20 zwischen zwei topometrischen Messungen die Rohkarosse 19 definiert weiter verfahren. Dadurch kann der Arbeitsbereich eines topometrischen Sensors 3a-d montiert auf einem Industrieroboter 21a-d in Bezug auf die Rohkarosse 19 vergrößert werden. Nach Durchführung aller topometrischen Messungen werden die Messdaten durch die Auswerteeinheit 9 in ein gemeinsames Koordinatensystem registriert. Dazu werden die genähert bekannten Positionen und Orientierungen des jeweiligen topometrischen Sensors 3a-d für die jeweilige topometrische Messung verwendet, welche sich aus der genähert bekannten Position und Orientierung des zugehörigen Industrieroboters 21a-d und der Hand-Eye-Kalibrierung zwischen dem jeweiligen topometrischen Sensor 3a-d und Industrieroboter 21a-d ergibt. Vorteilhafterweise kann die Berechnung der Registrierung der bereits erfassten Messdaten auch schon während der topometrischen Vermessung der Rohkarosse erfolgen. Dazu berechnet die Auswerteeinheit die Registrierung der schon durchgeführten topometrischen Messungen und fügt sukzessive jede weitere durchgeführte topometrische Messung der Registrierung zu. Im Allgemeinen liegt so das Ergebnis der Registrierung aller topometrischen Messungen zeitlich früher vor, als wenn die Registrierung erst nach Abschluss sämtlicher topometrischer Messungen startet.
Die Messeinrichtung in 10 kann dahingehend vereinfacht werden, dass auf jeder Seite nur ein topometrischer Sensor 3a, 3c mit einem zugehörigen Industrieroboter 21a, 21c vorhanden ist. In diesem Fall kann die Rohkarosse auch vollständig dreidimensional vermessen werden, indem das Förderband 20 nach einer oder mehreren topmetrischen Messungen der beiden topometrischen Sensoren 21a, 21 c die Rohkarosse ein Stück weiter transportiert. Im Gegensatz zur Messanordnung mit vier topometrischen Sensoren 3a-d gemäß 10 ist aber mit einem höheren Zeitaufwand zu rechnen. In Bezug auf die jeweilige Anwendung muss genau geprüft werden, wieviel Zeit für die dreidimensionale Vermessung der Rohkarosse 19 innerhalb einer Fertigungsstraße zur Verfügung steht und wie die Messeinrichtung ausgestaltet sein muss, damit die Vorgaben insbesondere hinsichtlich Gesamtmesszeit und zu erzielende Messgenauigkeit erfüllt sind. Es ist deshalb auch möglich, dass sich eine andere Konfiguration mit einer höheren Anzahl als zwei beziehungsweise vier topometrischen Sensoren entsprechend der vorliegenden Erfindung vorteilhaft ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009032771 A1 [0012]

Claims

Messeinrichtung (1) zum dreidimensionalen optischen Vermessen von Objekten (2) mit einem topometrischen Sensor (3) der mindestens eine Projektionseinheit (4) zur Projektion mindestens eines Musters auf das zu vermessende Objekt sowie mindestens zwei Bildaufnahmeeinheiten (5, 6) zur Aufnahme von jeweils mindestens einem Messbild des vom Objekt (2) reflektierten Musters hat, wobei die Projektionseinheit (4) und die mindestens zwei Bildaufnahmeeinheiten (5, 6) mechanisch starr miteinander verbunden sind und die mindestens eine Projektionseinheit (4) und die mindestens zwei Bildaufnahmeeinheiten (5, 6) des topometrischen Sensors (3) durch eine Steuereinheit (8) gesteuert werden und eine Auswerteeinheit (9) zur Berechnung von dreidimensionalen Oberflächendaten des Objektes (2) eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der topometrische Sensor (3) zum Erfassen von dreidimensionalen Messdaten des Objekts (2) durch topometrische Messungen eingerichtet ist, indem in mindestens zwei voneinander unterschiedlichen Messvolumen (13, 14) Messbilder von mindestens einem von einer der mindestens einen Projektionseinheit (4) auf das Objekt projizierten und von dem Objekt (2) reflektierten Muster mit Bildaufnahmeeinheiten (5, 6) aufgenommen werden, und dass die Auswerteeinheit (9) zur Registrierung der dreidimensionalen Messdaten der gebildeten unterschiedlichen Messvolumen (13, 14) in ein gemeinsames Koordinatensystem eingerichtet ist.
Messeinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgespannten voneinander unterschiedlichen Messvolumen (13, 14) sich in ihrer Ortsauflösung und/oder Messfeldgröße unterscheiden.
Messeinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der topometrische Sensor (3) eine gerade Anzahl an Bildaufnahmeeinheiten (5, 6, 15, 16) umfasst, die mindestens vier beträgt, wobei jeweils ein Paar von Bildaufnahmeeinheiten (5, 6, 15, 16) ein eigenes Messvolumen (17, 18) aufspannt.
Messeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der topometrische Sensor (3) durch einen automatisierten Manipulator (21) bezüglich des Objektes (2) definiert positionierbar ist.
Messeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (1) mindestens zwei topometrische Sensoren (3) hat.
Messeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder topometrische Sensor (3) durch einen eigenen automatisierten Manipulator (21) bezüglich des Objektes (2) definiert positionierbar ist.
Messeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle topometrischen Sensoren (3) und zugehörige automatisierte Manipulatoren (21) über eine gemeinsame Steuereinheit (8) gesteuert werden.
Messeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Steuereinheit (8) so eingerichtet ist, dass die Bewegungen aller topometrischen Sensoren (3) über die automatisierten Manipulatoren (21) und die Messsequenz aller topometrischen Sensoren (3) räumlich und zeitlich aufeinander abgestimmt sind.
Messeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (8) so eingerichtet ist, dass mindestens zwei topometrische Sensoren (3) einen überlappenden Bereich auf dem Objekt (2) messen, wobei die beiden Projektions- und Aufnahmesequenzen so durchgeführt werden, das jeder topometrische Sensor (3) zeitlich exklusiv jeweils genau ein Muster seiner gesamten Mustersequenz auf das Objekt (2) projiziert und mindestens eine Bildaufnahmeeinheit dieses topometrischen Sensors (3) das zugehörige Messbild aufnimmt und die Gesamtmustersequenz der mindestens zwei topometrischen Sensoren (3) zueinander alternierend durchgeführt wird.
Messeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt (2) durch einen eigenen automatisierten Manipulator (20) in den Messbereich der mindestens zwei topometrischen Sensoren (3) transportierbar ist.
Verfahren zur dreidimensionalen optischen Vermessung eines Objektes (2) mit einem topometrischen Sensor (3) der mindestens eine Projektionseinheit (4) zur Projektion mindestens eines Musters auf das zu vermessende Objekt (2) sowie mindestens zwei Bildaufnahmeeinheiten (5, 6) zur Aufnahme von jeweils mindestens einem Messbild des vom Objekt (2) reflektierten Musters hat, wobei die mindestens eine Projektionseinheit (4) und die mindestens zwei Bildaufnahmeeinheiten (5, 6) mechanisch starr miteinander verbunden sind und die mindestens eine Projektionseinheit (4) und die mindestens zwei Bildaufnahmeeinheiten (5, 6) des topometrischen Sensors (3) durch eine Steuereinheit (8) gesteuert werden und eine Auswerteeinheit (9) zur Berechnung von dreidimensionalen Oberflächendaten des Objektes (2) eingerichtet ist, gekennzeichnet durch a) Erfassen von dreidimensionalen Messdaten des Objekts (2) durch topometrische Messungen, indem in mindestens zwei voneinander unterschiedlichen Messvolumen (13, 14) Messbilder von mindestens einem von einer der mindestens einen Projektionseinheit (4) auf das Objekt projizierten und von dem Objekt (2) reflektierten Muster mit Bildaufnahmeeinheiten (5, 6) aufgenommen werden; und b) Registrieren der mittels Projektion mit der mindestens einen Projektionseinheit (4) und mit unterschiedlichen Bildaufnahmeeinheiten (5, 6) in voneinander unterschiedlichen Messvolumen (13, 14) erfassten Messdaten des Objekts (2) in ein gemeinsames Koordinatensystem.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich das erste und das zweite Messvolumen (13, 14) in ihrer Ortsauflösung und/oder Messfeldgröße unterscheiden.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine topometrische Messung mit einem ersten Messvolumen (13) und jeweils eine topometrische Messung mit einem zweiten Messvolumen (14) so durchgeführt werden, dass die gemeinsame Projektionseinheit (4) zeitlich exklusiv jeweils genau ein Muster der ersten Mustersequenz auf das Objekt (2) projiziert und die mindestens eine Bildaufnahmeeinheit (5) des ersten Messvolumens (13) das zugehörige Messbild aufnimmt und nachfolgend die Projektionseinheit (4) zeitlich exklusiv genau ein zweites Muster der zweiten Mustersequenz auf das Objekt (2) projiziert und die mindestens eine Bildaufnahmeeinheit (6) des zweiten Messvolumens (14) das zugehörige Messbild aufnimmt und die Gesamtmustersequenz der zwei Messvolumen (13, 14) zueinander alternierend durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der topometrische Sensor (3) nach mindestens einer topometrischen Messung mit einem ersten und/oder zweiten Messvolumen (13, 14) in seiner Position definiert verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, die Positionsänderung des topometrischen Sensors durch einen automatisierten Manipulator (21) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionen des topometrischen Sensors (3) vor der topometrischen Vermessung berechnet werden anhand der Minimierung einer Kostenfunktion unter Berücksichtigung mindestens einer der Parameter Gesamtmessdauer, Anzahl der Messpositionen, räumliche Verteilung der Messpositionen, Vollständigkeit der Objektabtastung, erzielbare Genauigkeit sowie Sichtbarkeit des Objektes für mindestens eines der beiden Messvolumen (13, 14) in der jeweiligen Position.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die genähert bekannte Position des topometrischen Sensors (3) auf Grundlage der Vorgabe der Position des automatisierten Manipulators (21) im Rahmen der Registrierung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei topometrische Sensoren (3) das Objekt vermessen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Registrierung der bereits erfassten Messdaten aus der mindestens einen topometrischen Messung mit dem ersten Messvolumen (13) und der mindestens einen topometrischen Messung mit dem zweiten Messvolumen (14) vor Beendigung der gesamten Vermessung des Objektes (2) erfolgt.