DE102019121806A1

DE102019121806A1 - Computerimplementiertes Verfahren zum Ändern einer Modell-Geometrie eines Objekts

Info

Publication number: DE102019121806A1
Application number: DE102019121806.3A
Authority: DE
Inventors: Gerd Schwaderer; Johannes Fieres; Markus Rhein
Original assignee: Volume Graphics GmbH
Current assignee: Volume Graphics GmbH
Priority date: 2019-08-13
Filing date: 2019-08-13
Publication date: 2021-02-18
Also published as: JP2022545629A; US20220277113A1; WO2021028248A1; EP4014199A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein computerimplementiertes Verfahren zum Ändern einer Modell-Geometrie eines Objekts, wobei die Modell-Geometrie zum Herstellen des Objekts verwendbar ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen einer Soll-Geometrie für das Objekt; Bereitstellen einer Modell-Geometrie für das Objekt; Verwenden der Modell-Geometrie zum Bereitstellen einer Ist-Geometrie des Objekts; Ermitteln, ob zwischen der Soll-Geometrie und der Ist-Geometrie mindestens eine Abweichung vorliegt; und Ändern der Modell-Geometrie in eine modifizierte Modell-Geometrie auf Basis der ermittelten mindestens einen Abweichung, wenn mindestens eine Abweichung vorliegt; wobei zumindest der Schritt Ermitteln, wenn mindestens eine Abweichung vorliegt, in einer ersten nicht-rigiden Abbildung resultiert, wobei die erste nicht-rigide Abbildung zwei Geometrien mittels eines Parametersatzes einander zuordnet und die ermittelte mindestens eine Abweichung beschreibt, oder zumindest der Schritt Ändern mittels einer zweiten nicht-rigiden Abbildung durchgeführt wird, wobei die zweite nicht-rigide Abbildung zwei Geometrien mittels eines Parametersatzes einander zuordnet. Mit der Erfindung wird damit ein computerimplementiertes Verfahren bereitgestellt, das bei Abweichungen und Verformungen korrekte Werte bereitstellt und den Aufwand bei dem Auffinden einer Modell-Geometrie zum Herstellen eines Objekts reduziert.

Description

Die Erfindung betrifft ein computerimplementiertes Verfahren zum Ändern einer Modell-Geometrie eines Objekts.
Bei der Fertigung von Bauteilen, insbesondere bei Gieß- oder additiven Fertigungsverfahren, treten unterschiedliche geometrische Abweichungen von der Soll-Geometrie des Bauteils auf, die z. B. aus Ausdehnungs-/Schrumpfungsprozessen und/oder Materialverschiebungen resultieren können. Bevor ein Bauteil gefertigt werden kann, werden daher zunächst Optimierungsverfahren für die Modell-Geometrie durchgeführt, damit die später gefertigten Bauteile innerhalb der Toleranzen mit der Soll-Geometrie übereinstimmen.
Bei einem bekannten Verfahren zum Minimieren dieser Abweichungen wird zunächst ein Prototyp anhand einer Modell-Geometrie gefertigt, der dann hinsichtlich der Abweichungen untersucht bzw. gemessen wird. Danach wird versucht, diese Abweichungen bei der Fertigung in einer geänderten Modell-Geometrie so zu berücksichtigen bzw. zu korrigieren, dass die Abweichungen bei der Fertigung eines weiteren Prototyps nicht mehr auftreten. Diese Schritte werden so lange wiederholt, bis eine Fertigung des Bauteils ermöglicht wurde, bei welcher keine Abweichungen außerhalb einer definierten Toleranz mehr auftreten. Dieses Verfahren weist einen hohen Aufwand auf und ist kostenintensiv.
Aus der EP 2 313 867 B1 ist weiter bekannt, zur Korrektur in erster Näherung die erfassten 3D-Punkte einer 3D-Punktewolke entsprechend ihrer ermittelten Abweichung von einem ihnen jeweils entsprechenden Punkt einer Solloberfläche gemäß dem CAD-Modell, an der durch das Oberflächenmodell oder gegebenenfalls durch das modifizierte Oberflächenmodell festgelegten Oberfläche des Urformwerkzeugs zu spiegeln. Dazu werden Suchstrahlen verwendet, um die Korrekturvektoren und die Zuordnung zwischen den Oberflächenpunkten im CAD-Modell des Bauteils und dem Oberflächenmodell des Urformwerkzeugs herzustellen. Es fehlt jedoch an einer Zuordnung und Korrektur, die bei größeren Abweichungen bzw. Verformungen korrekte Werte bereitstellt.
Als Aufgabe der Erfindung kann daher angesehen werden, ein computerimplementiertes Verfahren bereitzustellen, das bei Abweichungen und Verformungen korrekte Werte bereitstellt und den Aufwand bei dem Auffinden einer Modell-Geometrie zum Herstellen eines Objekts reduziert.
Hauptmerkmale der Erfindung sind im Anspruch 1 und Anspruch 15 angegeben. Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 14.
Ein Aspekt betrifft ein computerimplementiertes Verfahren zum Ändern einer Modell-Geometrie eines Objekts, wobei die Modell-Geometrie zum Herstellen des Objekts verwendbar ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen einer Soll-Geometrie für das Objekt; Bereitstellen einer Modell-Geometrie für das Objekt; Verwenden der Modell-Geometrie zum Bereitstellen einer Ist-Geometrie des Objekts; Ermitteln, ob zwischen der Soll-Geometrie und der Ist-Geometrie mindestens eine Abweichung vorliegt; und Ändern der Modell-Geometrie in eine modifizierte Modell-Geometrie auf Basis der ermittelten mindestens einen Abweichung, wenn mindestens eine Abweichung vorliegt; wobei zumindest der Schritt Ermitteln, wenn mindestens eine Abweichung vorliegt, in einer ersten nicht-rigiden Abbildung resultiert, wobei die erste nicht-rigide Abbildung zwei Geometrien mittels eines Parametersatzes einander zuordnet und die ermittelte mindestens eine Abweichung beschreibt, oder zumindest der Schritt Ändern mittels einer zweiten nicht-rigiden Abbildung durchgeführt wird, wobei die zweite nicht-rigide Abbildung zwei Geometrien mittels eines Parametersatzes einander zuordnet.
Kern der Erfindung ist es, für die Zuordnung der korrespondierenden Bereiche in den Schritten Ermitteln, ob zwischen der Soll-Geometrie und der Ist-Geometrie mindestens eine Abweichung vorliegt, und/oder Ändern der Modell-Geometrie in eine modifizierte Modell-Geometrie auf Basis der ermittelten mindestens einen Abweichung, wenn mindestens eine Abweichung vorliegt, nicht nur lokale Informationen zu nutzen, sondern in mindestens einem der beiden Schritte weiterreichende bzw. globale Informationen zu nutzen. Mittels der ersten und/oder zweiten nicht-rigiden Abbildung werden globale Informationen genutzt, wobei beispielsweise eine Abbildung gesucht werden kann, welche die gesamten Oberflächen der beiden an der jeweiligen nicht-rigiden Abbildung beteiligten Geometrien möglichst gut ineinander transformieren kann, wobei bei dem Ermitteln der ersten nicht-rigiden Abbildung die Soll-Geometrie und die Ist-Geometrie beteiligt sind und bei der zweiten nicht-rigiden Abbildung die Modell-Geometrie und/oder die modifizierte Modell-Geometrie beteiligt ist. Bei der ersten und/oder zweiten nicht-rigiden Abbildung kann es sich um eine nicht-rigide Registrierung handeln. Auch bei größeren Abweichungen ist es auf diese Weise möglich, eine korrekte Zuordnung der Geometriebereiche zu ermitteln. Mittels der ersten und/oder zweiten nicht-rigiden Abbildung in den Schritten Ermitteln bzw. Ändern werden die Abweichungen zwischen der Soll-Geometrie und der Ist-Geometrie bzw. die Korrekturen zwischen der Modell-Geometrie und der modifizierten Modell-Geometrie mittels globaler Informationen über das Objekt angepasst. Die globalen Informationen werden dabei durch einen Parametersatz dargestellt. Die Anzahl der Parameter im Parametersatz kann dabei beispielsweise kleiner als die Anzahl der Punkte einer der an der nicht-rigiden Abbildung beteiligten Geometrien sein. Dabei wird eine Abbildung gesucht, welche die gesamten Oberflächen der beiden Geometrien möglichst gut ineinander transformieren kann. Auch bei größeren Abweichungen kann damit eine korrekte Zuordnung der Geometriebereiche zweier Geometrien ermitteln werden. Weiter wird bei der ersten und zweiten nicht-rigiden Abbildung eine gesamte Abbildung von einer Geometrie auf die andere definiert. Dies vermeidet eine ungenaue Zuordnung für jeden Oberflächenpunkt zwischen den Geometrien.
Mit den nicht-rigiden Abbildungen kann für jeden beliebigen Punkt eine Zuordnung oder Korrektur berechnet werden, da diese Information implizit in der nicht-rigiden Abbildung enthalten ist. Weiter können die erste bzw. zweite nicht-rigide Abbildung lediglich auf Grundlage einzelner korrespondierender Punkte in beiden Geometrien ermittelt werden und mit Hilfe der Abbildung bzw. des Abweichungsfeldes dazwischen interpoliert werden. Auf diese Weise ist eine Zuordnung auch in Bereichen möglich, in denen keine korrespondierenden Geometrien identifiziert werden konnten, wie z. B. bei größeren Abweichungen. Daraus können genauere Analysen der Abweichungen zwischen der Soll- und der Ist-Geometrie bzw. genauere Anpassungen der Modell-Geometrie zu der modifizierten Modell-Geometrie resultieren. Dies verringert die Anzahl der herzustellenden Prototypen bzw. der durchzuführenden Simulationen. Die Erfindung stellt damit ein computerimplementiertes Verfahren bereit, das den Aufwand bei dem Auffinden einer Modell-Geometrie zum Herstellen eines Objekts reduziert.
Mit dem computerimplementierte Verfahren wird dazu zunächst eine Soll-Geometrie für das Objekt bereitgestellt. Die Soll-Geometrie stellt den Zustand des Objektes dar, der nach der Herstellung erreicht werden soll. Weiter stellt das computerimplementierte Verfahren in einem weiteren Schritt eine Modell-Geometrie für das Objekt bereit, wobei die Modell-Geometrie genutzt wird, um das Objekt herzustellen. Die Modell-Geometrie kann beispielsweise von der Soll-Geometrie abweichen und bereits bekannte Veränderungen berücksichtigen, die während des Herstellungsprozesses des Objektes entstehen. Alternativ kann die Modell-Geometrie die Soll-Geometrie umfassen und erst nach dem Verfahren geändert sein. Die Modell-Geometrie wird dann verwendet, um eine Ist-Geometrie des Objektes bereitzustellen. Dabei kann zum einen mittels der Modell-Geometrie ein Objekt hergestellt werden oder ein Objekt mittels eines Simulationsprogramms simuliert werden. In beiden Fällen ist das Resultat eine Ist-Geometrie des Objekts.
Die Ist-Geometrie muss daher nicht zwingend auf einem physischen Objekt basieren, sondern kann ebenfalls einem virtuellen Objekt zu Grunde gelegt sein. Danach werden die Soll-Geometrie und die Ist-Geometrie miteinander verglichen und Abweichungen ermittelt. In diesem Schritt kann eine erste nicht-rigide Abbildung genutzt werden, um die mindestens eine Abweichung zu ermitteln. Im weiteren Schritt wird dann die Modell-Geometrie in eine modifizierte Modell-Geometrie geändert, wobei die modifizierte Modell-Geometrie die mindestens eine ermittelte Abweichung berücksichtigt. In diesem Schritt kann eine zweite nicht-rigide Abbildung genutzt werden, um die mindestens eine Abweichung zu ermitteln. In einem Beispiel kann die festgestellte mindestens eine Abweichung zwischen der Soll-Geometrie und der Ist-Geometrie bei der Modifikation der Modell-Geometrie in die modifizierte Modell-Geometrie unmittelbar auf die andere Seite übertragen werden. D.h., die modifizierte Modell-Geometrie würde am Ort der Abweichung zwischen der Soll-Geometrie und der Ist-Geometrie eine an einer gedachten Oberfläche der Soll-Geometrie gespiegelte Änderung aufweisen. Dies würde somit einer Korrektur mit einem Faktor 1 bzw. einer Übertragung mit dem Faktor -1 entsprechen. Alternativ können betragsmäßig grö-ßere Faktoren, falls die Korrektur erfahrungsgemäß zu klein ausfällt, oder betragsmäßig kleinere Faktoren, falls erfahrungsgemäß Überanpassungen auftreten oder um Instabilitäten beim iterativen Vorgehen zu vermeiden, gewählt werden. Ein solcher Faktor lässt sich bei einer nicht-rigiden Abbildung einfach umsetzen, indem z. B. die entsprechenden Abbildungsvektoren mit dem Faktor multipliziert werden. Liegt noch keine Modell-Geometrie vor, kann direkt auf der Soll-Geometrie korrigiert werden. Andernfalls wird auf der Modell-Geometrie bzw. der modifizierten Modell-Geometrie korrigiert, wodurch eine Zuordnung zur Ist-Geometrie bzw. Soll-Geometrie nötig wird. Falls nötig, wird hierfür vorab eine Registrierung des Koordinatensystems durchgeführt, meist wird die Modell-Geometrie bzw. die modifizierte Modell-Geometrie jedoch im gleichen Koordinatensystem wie die Soll-Geometrie vorliegen. In einem weiteren Beispiel kann die Geometrie noch manuell nachbearbeitet werden, um eine Fertigung zu ermöglichen.
Gemäß der Erfindung wird in mindestens einem der beiden Schritte Ermitteln oder Ändern eine nicht-rigide Abbildung genutzt. Wenn keine erste nicht-rigide Abbildung im Schritt Ermitteln genutzt wird, kann ein konventionelles Verfahren, zum Beispiel mittels Suchstrahlen, genutzt werden. Wenn keine zweite nicht-rigide Abbildung im Schritt Ändern genutzt wird, können ebenfalls hier konventionelle Verfahren genutzt werden.
Die Soll-Geometrie ist die angestrebte Geometrie des zu fertigenden Objekts. Diese kann als ein CAD-Modell oder durch eine technische Zeichnung definiert. Hierbei können auch Fertigungstoleranzen vorgegeben sein, z. B. durch Product and manufacturing information, (PMI). In der additiven Fertigung kann die Geometrie beispielsweise im STL-Format als Mesh vorgegeben sein. Auch andere ggf. mathematische Beschreibungen sind denkbar.
Die Ist-Geometrie ist die gemessene Geometrie des gefertigten Objekts. Die Ist-Geometrie kann in verschiedenen Formaten bzw. Repräsentationen vorliegen, z. B. als Volumendaten aus einem CT-Scan, als Punktewolke, als Oberflächendatei, z. B. STL, als implizit definierte Oberfläche auf Grundlage eines Distanzfeldes, als einzelne, z. B. taktil, gemessene Messpunkte bzw. Messlinien, als eine Darstellung durch Regelgeometrieelemente oder durch mathematisch definierte Flächen wie nicht-uniforme rationale B-Splines, sog. NURBS. Weiter kann die Ist-Geometrie aus einer Simulation des Fertigungsprozesses und somit komplett ohne Messung abgeleitet werden. Auf diese Weise kann eine Korrektur dieser simulierten Fertigung durchgeführt werden.
Die Modell-Geometrie kann die Geometrie sein, die zur Herstellung des Objekts z. B. mittels des Werkzeugs verwendet wird. Die Modell-Geometrie legt damit die Form des Objekts fest, an der sich das Werkzeug bei der Herstellung des Objekts orientiert. Die Herstellung des Objekts kann z. B. mittels einer Gussform, einer Stanzform oder einer additiven Fertigungsvorrichtung durchgeführt werden. Ein Simulationsprogramm kann mit der Modell-Geometrie ein virtuelles Objekt herstellen. Die Modell-Geometrie ist eine Abwandlung auf Grundlage der Soll-Geometrie, welche genutzt wird, um das Objekt zu fertigen. Ziel ist es, Abweichungen, welche im Fertigungsprozess auftreten, so in der Modell-Geometrie zu berücksichtigen, dass das gefertigte Bauteil möglichst der Soll-Geometrie entspricht.
Die modifizierte Modell-Geometrie stammt aus dem Verfahren nach dieser Erfindung nachdem das Verfahren mindestens ein Mal durchgeführt wurde. Wenn das Verfahren mehrmals wiederholt wird, wird für die jeweils folgende Wiederholung die in der vorherigen Wiederholung modifizierte Modell-Geometrie als Modell-Geometrie zur Bereitstellung der Ist-Geometrie verwendet. Jedoch können bereits vor Durchführung des Verfahrens Modifikationen, beispielsweise auf Grundlage von Simulationen des Gießprozesses oder der Erfahrung vom Benutzer, eingebracht werden, um bereits im ersten Iterationsdurchlauf möglichst nahe an die Soll-Geometrie zu kommen. Da diese modifizierte Geometrie genutzt wird, um das Objekt zu fertigen, kann diese bei gewissen Fertigungsmethoden, z. B. beim Urformverfahren oder beim Umformverfahren, auch das Werkzeug beschreiben, welches für die Fertigung des Objekts genutzt wird, z. B. die Gussform beim Spritzguss. Dieses Werkzeug ist dabei meist näherungsweise ein Negativ der Soll-Geometrie.
Alternativ oder zusätzlich kann die Modell-Geometrie identisch zur Soll-Geometrie sein. Dies ist jedoch nicht zwingend. Das Objekt kann ein Prototyp sein, der mittels der Modell-Geometrie hergestellt wurde. Weiter kann das Objekt ein Bauteil sein, welches von einem in Gebrauch befindlichen Werkzeug mittels der Modell-Geometrie gefertigt wurde und aus diesem Grund Fertigungsabweichungen aufweisen kann. Ein Objekt kann somit auch aus einer laufenden Fertigung entnommen werden.
Die Geometrie wird in allen Fällen maßgeblich durch eine Oberfläche des Objekts definiert.
Eine nicht-rigide Abbildung ist eine mathematische Transformation, welche Koordinaten aus einem Raum entsprechende Koordinaten aus einem anderen Raum zuordnet. Im Gegensatz zu einer rigiden Abbildung, die lediglich Translationen und Rotationen und somit sechs Freiheitsgrade umfasst, können hierbei auch Verformungen, sowohl auf globalen als auch auf lokalen Größenordnungen, berücksichtigt werden. Die Anzahl der Freiheitsgrade ist dabei deutlich größer als bei rigiden Abbildungen und in der Praxis durch die Auflösung der Abbildung begrenzt.
Um eine nicht-rigide Abbildung zu ermitteln, sind zwei Schritte nötig: Zunächst wird ein mathematisches Modell bereitgestellt, welches die Abbildung beschreibt. Dieses Modell weist einen gewissen Parametersatz auf, welcher bestimmt werden muss. Zudem wird eine für den betrachteten Fall passende Abbildung ermittelt und somit derjenige Parametersatz des mathematischen Modells gefunden, welcher eine möglichst gute Zuordnung der betrachteten Geometrien ermöglicht.
Bei den nicht-rigiden Abbildungen gemäß der Erfindung sind Bildraum und der Werteraum nicht nur auf eine Mannigfaltigkeit, z. B. die Oberfläche, beschränkt. Stattdessen ist die Abbildung mindestens auch für einen Bereich um die Oberfläche oder sogar das gesamte Volumen definiert bzw. berechenbar.
Weiter ist eine nicht-rigide Abbildung meist zumindest stückweise stetig, d. h. die Abbildung von zwei direkt benachbarten Punkten macht keine größeren Sprünge.
Nicht-rigide Abbildungen bilden logisch zueinander korrespondierende Merkmale eines Objektes in den verschiedenen Geometrien aufeinander ab. D. h., dass die Topologie bzw. die Nachbarschaften bei der Bestimmung der Abbildung berücksichtigt werden. Daher kann die nicht-rigide Abbildung auch als Registrierung genutzt werden.
Weiter kann die bereitgestellte Modell-Geometrie zum Beispiel eine geänderte Soll-Geometrie sein.
Die geänderte Soll-Geometrie kann insbesondere die Geometrie eines Werkzeugs oder eine modifizierte Modell-Geometrie sein, die auf einer korrigierten Soll-Geometrie basiert. Dabei können in einem Zwischenschritt zu erwartende Abweichungen kompensiert werden, um bereits im ersten Fertigungsvorgang zu einem Ergebnis möglichst nahe an der Nominalgeometrie zu gelangen. Zudem ist es bei einigen Fertigungsverfahren nötig, anhand der Nominalgeometrie die Geometrie eines Werkzeuges zu bestimmen, welche hier ebenfalls als geänderte Soll-Geometrie interpretiert werden kann.
Das Verfahren kann beispielsweise weiter den folgenden Schritt aufweisen: Wiederholen der Schritte Verwenden, Ermitteln und Ändern solange die ermittelte mindestens Abweichung außerhalb eines vordefinierten Toleranzbereiches für die ermittelte mindestens eine Abweichung ist.
Die Wiederholung erfolgt solange, bis keine signifikanten Abweichungen mehr zwischen der Ist-Geometrie des Mittels der modifizierten Modell-Geometrie hergestellten Objekts und der Soll-Geometrie bestehen. Die Signifikanz der Abweichungen kann durch vordefinierte Toleranzbereiche definiert sein, wobei die Toleranzbereiche lokal definiert sein können.
Die mindestens eine Abweichung kann einer Region der Modell-Geometrie zugeordnet sein, wobei der Schritt Ändern nur dann für die Region durchgeführt wird, wenn die mindestens eine Abweichung außerhalb eines vordefinierten Toleranzbereiches für die ermittelte mindestens eine Abweichung ist.
Dabei kann im Übergangsbereich von zu korrigierenden Bereichen zu nicht zu korrigierenden Bereichen die Korrektur nach und nach schwächer angewendet werden, um ggf. Unstetigkeiten zu vermeiden. Dazu können die Stärke bzw. der Faktor, mit welcher die Korrektur durchgeführt wird, über die zu korrigierenden Bereiche hinaus langsam auf 0 sinken.
Der Schritt Ändern kann zum Beispiel weiter den folgenden Unterschritt umfassen: Übertragen der ermittelten mindestens einen Abweichung an die Modell-Geometrie mittels der zweiten nicht-rigiden Abbildung, wobei die zweite nicht-rigide Abbildung eine Zuordnung zwischen der Soll-Geometrie und der Modell-Geometrie und/oder zwischen der Ist-Geometrie und der Modell-Geometrie aufweist.
Die Abweichung kann dabei während der Abbildung von der Soll-Geometrie auf die Modell-Geometrie oder während der Abbildung zwischen der Ist-Geometrie und der Modell-Geometrie auf die Modell-Geometrie übertragen werden, um eine modifizierte Modell-Geometrie zu erlangen. Alternativ kann die Abweichung auch jeweils davor oder danach übertragen werden.
Weiter kann die zweite nicht-rigide Abbildung die Modell-Geometrie auf die Soll-Geometrie und/oder die Modell-Geometrie auf die Ist-Geometrie abbilden.
Bei der Abbildung der Modell-Geometrie auf die Soll-Geometrie kann die Abweichung zunächst in der Soll-Geometrie korrigiert werden und dann zum Beispiel mittels einer Umkehrabbildung zur zweiten nicht-rigiden Abbildung auf die Modell-Geometrie übertragen werden, um die modifizierte Modell-Geometrie zu erlangen. Bei der Abbildung der Modell-Geometrie auf die Ist-Geometrie kann die Abweichung zum Beispiel in der Ist-Geometrie korrigiert werden, um dann mittels einer Umkehrabbildung die modifizierte Modell-Geometrie zu erlangen.
Der Schritt Ändern kann in einem weiteren Beispiel den folgenden Unterschritt aufweisen: Ändern der Modell-Geometrie zur modifizierten Modell-Geometrie mittels der ersten nicht-rigiden Abbildung.
In diesem Beispiel kann durch die Kombination der zweiten nicht-rigiden Abbildung, die eine Abbildung zwischen der Modell-Geometrie und der Ist-Geometrie bzw. der Soll-Geometrie darstellt, und der ersten nicht-rigiden Abbildung, die die mindestens eine Abweichung zwischen der Soll-Geometrie und der Ist-Geometrie beschreibt, erfolgen, um zu der modifizierten Modell-Geometrie zu gelangen. Dabei kann zum Beispiel eine Umkehrabbildung zur ersten nicht-rigiden Abbildung genutzt werden, um eine Kompensation der Abweichung in der Modell-Geometrie zu bewirken.
Das Verfahren kann vor dem Schritt Ermitteln, ob zwischen der Soll-Geometrie und der Ist-Geometrie mindestens eine Abweichung vorliegt, weiter die folgenden Schritte aufweisen: Ermitteln einer rigiden Abbildung zwischen der Ist-Geometrie und der Soll-Geometrie zum Registrieren der Ist-Geometrie und der Soll-Geometrie, wobei die rigide Abbildung vorgegebene lokale Toleranzbereiche für verschiedene Regionen der Soll-Geometrie berücksichtigt und Abweichungen zwischen der Ist-Geometrie und der Soll-Geometrie außerhalb der lokalen Toleranzbereiche minimiert.
Die rigide Abbildung zur Registrierung der Ist-Geometrie und der Soll-Geometrie kann durchgeführt werden, um eine erste, grobe Zuordnung zwischen der Ist-Geometrie und der Soll-Geometrie zu erreichen. Von diesem Ausgangspunkt kann die, ggf. erste nicht-rigide, Abbildung schneller bzw. genauer bestimmt werden. In Bereichen mit großer Toleranz können dabei zum Beispiel größere Abweichungen erlaubt sein, da hier trotzdem keine Korrektur durchgeführt werden muss. Stattdessen kann die Ausrichtung hinsichtlich der wichtigen Bereiche kleiner Toleranz optimiert werden. Hierdurch können die zu korrigierenden Bereiche minimiert werden.
In einem weiteren Beispiel kann vorteilhafterweise der Schritt Verwenden der Modell-Geometrie zum Bereitstellen einer Ist-Geometrie des Objekts weiter den folgenden Unterschritt umfassen: Bereitstellen der Ist-Geometrie aus Messdaten einer computertomographischen Messung des Objekts.
In diesem Fall ist die gesamte Geometrie des Objekts bekannt. Somit wird das Ermitteln einer nicht-rigiden Abbildung erleichtert.
Der Schritt Ändern kann zum Beispiel weiter die folgenden Unterschritte aufweisen: Bereitstellen mindestens eines Teilbereichs der Modell-Geometrie, wobei der mindestens eine Teilbereich der ermittelten mindestens einen Abweichung zugeordnet ist; und Ändern des mindestens einen Teilbereichs mit der ermittelten mindestens einen Abweichung in mindestens einen modifizierten Teilbereich; Bereitstellen des mindestens einen Teilbereichs zum Ändern der Modell-Geometrie.
Es werden daher lediglich die Bereiche der Modell-Geometrie geändert, die mindestens eine Abweichung aufweisen. Diese Teilbereiche werden in einem modifizierten Teilbereich geändert, in dem die Abweichung korrigiert werden soll. Mit dem computerimplementierten Verfahren wird damit die benötigte Rechenleistung verringert, da nicht die gesamte Modell-Geometrie verändert wird, sondern lediglich punktuell die Teilbereiche mit den Abweichungen. Um die Komplexität der automatisierten Bearbeitung bzw. Korrektur eines gesamten CAD-Modells zu verringern, können zum Beispiel lediglich einzelne Patches, d.h. Bereiche des CAD-Modells, bearbeitet werden. Auf dieser Grundlage kann die gesamte Modell-Geometrie bearbeitet werden.
Der Teilbereich kann ein Regelgeometrieelement z. B. eine Ebene oder ein Zylinder sein. D.h., dass die Abweichung innerhalb des Regelgeometrieelements, zum Beispiel der Ebene bzw. des Zylinders, angeordnet ist.
In einem weiteren Beispiel kann der Schritt Ändern weiter den folgenden Unterschritt aufweisen: Ändern der Modell-Geometrie in eine modifizierte Modell-Geometrie auf Basis der ermittelten mindestens einen Abweichung unter Berücksichtigung von lokalen Modifikationen, die aus der ermittelten mindestens einen Abweichung resultieren, mittels der zweiten nicht-rigiden Abbildung.
Dabei kann in einem Beispiel die erste nicht-rigide Abbildung zum Ändern angewendet werden. Das Ändern kann mittels einer Drehung, einer Skalierung und/oder einer Scherung durchgeführt werden. Mittels der ersten nicht-rigiden Abbildung kann eine lokale Änderung mittels einer Drehung, einer Skalierung und/oder einer Scherung durchgeführt werden.
Weiter können die erste nicht-rigide Abbildung und/oder die zweite nicht-rigide Abbildung mittels Kontrollpunkten definiert sein.
Die Kontrollpunkte können dabei gleichmäßig über den Raum, der das Objekt aufweist, verteilt sein. Alternativ, können die Kontrollpunkte lediglich am Objekt definiert sein. Weiter können die Kontrollpunkte eine Dichte aufweisen, die in mindestens einer vordefinierten Region des Objekts größer ist als außerhalb der mindestens einen vordefinierten Region, wobei die vordefinierte Region eine Umgebung einer Oberfläche des Objekts und/oder eine Umgebung um die ermittelte mindestens eine Abweichung, wenn die ermittelte mindestens eine Abweichung einen vordefinierten Schwellenwert überschreitet und/oder eine Umgebung um die ermittelte mindestens eine Abweichung, wenn die ermittelte mindestens eine Abweichung einen Gradienten oberhalb eines vordefinierten Gradienten-Schwellenwerts, aufweist.
Weiter kann die erste nicht-rigide Abbildung eine Topologie der Modell-Geometrie lediglich innerhalb eines vordefinierten Modifikationsbereiches ändern.
Die erste nicht-rigide Abbildung ändert damit die Topologie der Modell-Geometrie lediglich innerhalb vordefinierter Grenzen. Große Änderungen werden damit vermieden, sodass starke Schwankungen der Modell-Geometrie während eines Iterationsprozesses reduziert werden. Dies erleichtert das Konvergieren auf eine modifizierte Modell-Geometrie, die der Soll-Geometrie entspricht. Der Begriff Topologie umfasst in diesem Kontext auch die Repräsentation der Oberfläche. Beispiele hierfür sind die Vernetzung einer im STL-Format gespeicherten Oberfläche und die Vernetzung der Kontrollpunkte einer durch NURBS definierten Freiformfläche.
Ein weiterer Aspekt betrifft ein Computerprogrammprodukt mit auf einem Computer ausführbaren Instruktionen, welche auf einem Computer ausgeführt den Computer dazu veranlassen, das Verfahren nach der vorhergehenden Beschreibung durchzuführen.
Vorteile und Wirkungen sowie Weiterbildungen des Computerprogrammprodukts ergeben sich aus den Vorteilen und Wirkungen sowie Weiterbildungen des oben beschriebenen Verfahrens. Es wird daher in dieser Hinsicht auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen.
Unter einem Computerprogrammprodukt kann z. B. ein Datenträger verstanden werden, auf dem ein Computerprogrammelement gespeichert ist, das für einen Computer ausführbare Instruktionen aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann unter einem Computerprogramm beispielsweise auch ein dauerhafter oder flüchtiger Datenspeicher, wie Flash-Speicher oder Arbeitsspeicher, verstanden werden, der das Computerprogrammelement aufweist. Weitere Arten von Datenspeichern, die das Computerprogrammelement aufweisen, seien damit jedoch nicht ausgeschlossen.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Es zeigen:

1 ein Flussdiagramm des computerimplementierten Verfahrens zum Ändern einer Modell-Geometrie des Objekts;
2 ein Diagramm einer Ausführungsform eines Schritts des Verfahrens;
3 ein Diagramm einer Ausführungsform eines Schritts des Verfahrens;
4 eine schematische Darstellung einer Abweichung an einer Ist-Geometrie;
5a, b eine schematische Darstellung der verschiedenen Geometrien und deren Beziehung zueinander;
6a b eine schematische Darstellung von unterschiedlichen Definitionen einer Abbildung zwischen den Geometrien;
7 eine schematische Darstellung von zwei beispielhafte Vorgehensweisen zum Erhalt einer modifizierten Modell-Geometrie;
8 eine schematische Darstellung weitere Ausführungsformen des Verfahrens; und
9 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform mit einer nicht-rigiden Abbildung in Form eines Feldes.

Im Folgenden wird das computerimplementierte Verfahren 100 zum Ändern einer Modell-Geometrie des Objekts anhand der 1 näher erläutert.
In einem ersten Schritt 102 wird eine Soll-Geometrie für das Objekt bereitgestellt. Dies kann eine sog. Nominalgeometrie sein, mit der die gewünschte Geometrie des Objekts festgelegt wird. Die Soll-Geometrie kann dabei zum Beispiel als CAD-Modell bereitgestellt werden.
In einem weiteren Schritt 104 wird eine Modell-Geometrie für das Objekt bereitgestellt. Die Modell-Geometrie ist dabei zum Herstellen des Objekts verwendbar. Die bereitgestellte Modell-Geometrie kann eine geänderte Soll-Geometrie sein, bei der bereits bekannte Verformungen während der Herstellung des Objektes, die zu einer Abweichung zwischen der Ist-Geometrie und der Soll-Geometrie führen können, berücksichtigt werden.
In einem weiteren Schritt 106 kann die Modell-Geometrie als die Geometrie einer Urform für ein Guss-Verfahren oder ein Spritzguss-Verfahren verwendet werden, um ein Objekt herzustellen und auf diese Weise eine Ist-Geometrie zu erlangen. Alternativ oder zusätzlich kann die Modell-Geometrie für ein additives Fertigungsverfahren verwendet werden. Weiter kann die Modell-Geometrie alternativ oder zusätzlich von einem Simulationsprogramm verwendet werden, um eine Ist-Geometrie eines Objektes zu berechnen.
Danach kann in einem Schritt 118 eine rigide Abbildung zwischen der Ist-Geometrie und der Soll-Geometrie ermittelt werden. Die rigide Abbildung kann zum Registrieren der Ist-Geometrie und der Soll-Geometrie dienen. Dabei berücksichtigt die rigide Abbildung vorgegebene lokale Toleranzbereiche für verschiedene Regionen der Soll-Geometrie. Die lokalen Toleranzbereiche sind dabei Toleranzbereiche, die lokal auf der Geometrie des Objektes definiert sind. So kann zum Beispiel eine Region am Objekt, die nicht mit weiteren Elementen oder Bauteilen zusammenwirkt, einen großen Toleranzbereich aufweisen. Regionen des Objektes, die mit weiteren Elementen oder Bauteilen zusammenwirken, weisen stattdessen kleine Toleranzbereiche auf, da diese genauer gefertigt werden müssen. Weiter kann die rigide Abbildung Abweichungen zwischen der Ist-Geometrie und der Soll-Geometrie außerhalb der lokalen Toleranzbereiche minimieren.
Darauf wird in einem weiteren Schritt 108 ermittelt, ob zwischen der Soll-Geometrie und der Ist-Geometrie mindestens eine Abweichung vorliegt. Dabei wird die Soll-Geometrie mit der Ist-Geometrie verglichen. Dies kann mit einer ersten nicht-rigiden Abbildung bewirkt werden. Dabei kann die erste nicht-rigide Abbildung einen Parametersatz aufweisen, der die nicht-rigide Abbildung befähigt, die Soll-Geometrie und die Ist-Geometrie über das gesamte jeweilige Koordinatensystem einander zuzuordnen. Die erste nicht-rigide Abbildung beschreibt damit ebenfalls die mindestens eine Abweichung zwischen der Ist-Geometrie und der Soll-Geometrie.
Für den Schritt 108 kann in einem ersten Ausführungsbeispiel eine erste nicht-rigide Abbildung zwischen der Ist-Geometrie und der Soll-Geometrie ermittelt werden. In einem weiteren Ausführungsbeispiel werden in Schritt 108 Verfahren zur Ermittlung der lokalen Abweichung verwendet, welche keine nicht-rigide Abbildung beinhalten.
Im Schritt 110 wird die Modell-Geometrie mittels der mindestens einen Abweichung, die in Schritt 108 ermittelt wurde, geändert. Sofern keine Abweichung vorliegen sollte, wird im Schritt 110 das Verfahren beendet. Wenn eine Abweichung vorliegt, kann im Schritt 110 eine zweite nicht-rigide Abbildung verwendet werden, um eine modifizierte Modell-Geometrie aus der Modell-Geometrie bereitzustellen. Die zweite nicht-rigide Abbildung weist dazu einen Parametersatz auf, der die zweite nicht-rigide Abbildung befähigt, die Modell-Geometrie und die modifizierte Modell-Geometrie einander zuzuordnen. Die zweite nicht-rigide Abbildung beschreibt eine Änderung zwischen der Modell-Geometrie und der modifizierten Modell-Geometrie, wobei die Änderung die mindestens eine Abweichung zwischen der Ist-Geometrie und der Soll-Geometrie korrigiert. Ziel ist es, dass eine Ist-Geometrie eines mittels der modifizierten Modell-Geometrie hergestellten Objekts weniger Abweichungen zu der Soll-Geometrie aufweist als die Ist-Geometrie des mittels der Modell-Geometrie hergestellten Objekts.
Damit kann in einem ersten Ausführungsbeispiel von Schritt 110 eine zweite nicht-rigide Abbildung zwischen der Soll-Geometrie und der Modell-Geometrie ermittelt werden. In einem zweiten Ausführungsbeispiel von Schritt 110 wird eine zweite nicht-rigide Abbildung zwischen der Ist-Geometrie und der Modell-Geometrie ermittelt. In einem weiteren Ausführungsbeispiel des Schritts 110 kann die Übertragung der Abweichung durchgeführt werden, indem direkt auf Grundlage von Schritt 108 ein ggf. lokaler Wert für die Korrektur für die bisherige Modell-Geometrie ermittelt wird. In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel werden Verfahren zur Ermittlung der Zuordnung zwischen der Soll-Geometrie oder der Ist-Geometrie und der modifizierten Modell-Geometrie verwendet, welche keine nicht-rigide Abbildung umfassen.
Dabei ist die Kombination, dass beide Schritte 108 und 110 keine nicht-rigide Abbildung verwenden, nicht Gegenstand der Erfindung. D. h. gemäß der Erfindung wird zumindest die erste nicht-rigide Abbildung im Schritt 108 oder zumindest die zweite nicht-rigide Abbildung im Schritt 110 verwendet. Weiter können auch die erste nicht-rigide Abbildung und die zweite nicht-rigide Abbildung gleichzeitig verwendet werden.
In einem Schritt 112 können zumindest die Schritte 106, 108 und 110 wiederholt werden. Die Wiederholung wird so lange durchgeführt, bis die ermittelte mindestens eine Abweichung während einer Wiederholung innerhalb eines vordefinierten Toleranzbereiches für die ermittelte mindestens eine Abweichung liegt. D.h., dass die Abweichungen der Ist-Geometrie des Objekts, das auf Basis der modifizierten Modell-Geometrie hergestellt wurde, von der Soll-Geometrie innerhalb der Toleranzen mit der Soll-Geometrie übereinstimmen.
Die mindestens eine Abweichung kann einer Region der Modell-Geometrie zugeordnet sein, wobei die Modell-Geometrie in verschiedene Regionen aufgeteilt sein kann. Während des Schritts 110 wird nur diejenige Region der Modell-Geometrie geändert, die die mindestens eine Abweichung aufweist, um die modifizierte Modell-Geometrie zu erhalten. Die Regionen, die keine Abweichung aufweisen, werden nicht geändert, um zur modifizierten Modell-Geometrie zu gelangen. Weiter werden durch die Toleranzbereiche für die verschiedenen Regionen hauptsächlich Regionen korrigiert, in denen die Toleranzbereiche klein sind. Regionen, die große Toleranzbereiche aufweisen, werden lediglich dann korrigiert, wenn die Abweichungen groß sind. Kleine Abweichungen, die innerhalb der Toleranzbereiche liegen, können in diesen Regionen toleriert werden.
Der Schritt 110 kann weitere Unterschritte aufweisen. Diese sind gesammelt in 2 dargestellt und sind jeder für sich optional und können miteinander kombiniert werden. Dabei kann der Schritt Ändern den Unterschritt 114 aufweisen, bei dem die ermittelte mindestens eine Abweichung mittels der zweiten nicht-rigiden Abbildung an die Modell-Geometrie übertragen wird. Die zweite nicht-rigide Abbildung umfasst dabei in einer ersten Alternative eine Zuordnung zwischen der Soll-Geometrie und der Modell-Geometrie. D.h., dass die zweite nicht-rigide Abbildung die Soll-Geometrie auf die Modell-Geometrie bzw. umgekehrt abbilden kann. In einer weiteren Alternative weist die zweite nicht-rigide Abbildung eine Zuordnung zwischen der Ist-Geometrie und der Modell-Geometrie auf. D.h., dass die zweite nicht-rigide Abbildung die Ist-Geometrie auf die Soll-Geometrie bzw. umgekehrt abbilden kann. In beiden Fällen verwendet die zweite nicht-rigide Abbildung die Modell-Geometrie.
Weiter kann der Schritt 110 den Unterschritt 118 aufweisen, bei dem eine rigide Abbildung zwischen der Ist-Geometrie und der Soll-Geometrie ermittelt wird. Diese rigide Abbildung kann dazu genutzt werden, die Ist-Geometrie und die Soll-Geometrie zu registrieren. Bei der Registrierung werden vorgegebene lokale Toleranzbereiche für verschiedene Regionen der Soll-Geometrie durch die rigide Abbildung berücksichtigt. Weiter werden Abweichungen zwischen der Ist-Geometrie und der Soll-Geometrie außerhalb der lokalen Toleranzbereiche minimiert.
In einem weiteren Unterschritt kann der Schritt 110 die Schritte 122, 124 und 126 aufweisen. Im Unterschritt 122 wird mindestens ein Teilbereich der Modell-Geometrie bereitgestellt, der der ermittelten mindestens einen Abweichung zugeordnet ist. D.h. nur nach dem Ermitteln der mindestens einen Abweichung wird um die Abweichung ein Teilbereich der Modell-Geometrie ermittelt und bereitgestellt. Dieser mindestens eine Teilbereich wird im Schritt 124 mit der ermittelten mindestens einen Abweichung geändert. Damit wird die ermittelte Abweichung in dem Teilbereich korrigiert. Der Teilbereich wird im Schritt 126 bereitgestellt, damit eine Modell-Geometrie geändert werden kann, woraus eine modifizierte Modell-Geometrie resultiert.
Ein weiterer Unterschritt 128 des Schritts 110 betrifft das Ändern der Modell-Geometrie in eine modifizierte Modell-Geometrie. Der Schritt 128 wird dabei auf Basis der ermittelten mindestens einen Abweichung und unter Berücksichtigung von lokalen Modifikationen durchgeführt. Die lokalen Modifikationen resultieren aus der ermittelten mindestens einen Abweichung, in dem zum Beispiel die Abweichung aus lokalen Verformungen des Objekts resultiert. Die Berücksichtigung der lokalen Modifikation wird mittels der zweiten nicht-rigiden Abbildung durchgeführt. Dabei korrigiert die zweite nicht-rigide Abbildung die lokalen Modifikationen und die Abweichung selbst in der modifizierten Modell-Geometrie. Die Korrektur der lokalen Modifikationen kann mittels einer Drehung, einer Skalierung und/oder einer Scherung durchgeführt werden.
Gemäß 3 kann der Schritt 106, bei dem die Modell-Geometrie zum Bereitstellen einer Ist-Geometrie des Objekts verwendet wird, den Unterschritt 120 aufweisen. Im Schritt 120 wird die Ist-Geometrie aus Messdaten einer computertomographischen Messung des Objekts bereitgestellt. Dazu wird das mittels der Modell-Geometrie hergestellte Objekt mittels einem Computertomographen vermessen. Aus den Messdaten wird die Ist-Geometrie des Objekts ermittelt. In einem weiteren alternativen oder zusätzlichen Fall kann die Modell-Geometrie in einem subtraktiven Fertigungsverfahren, z. B. CNC-Fräsen, zur Herstellung eines Objekts genutzt werden. Dabei wird die Geometrie, auf Basis deren die CNC-Fräse programmiert wird, korrigiert.
Alternativ oder zusätzlich können optische Sensoren können ebenfalls hochauflösende Informationen zur äußeren Oberfläche bereitstellen. Weiter können taktile Sensoren einzelne Messpunkte der Oberfläche aufnehmen.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer Abweichung an einer Ist-Geometrie 12 eines Objektes. Die Abweichung ist in 4 und den folgenden Figuren überhöht dargestellt, um das Vorgehen besser visualisieren zu können. In der Praxis sind die Distanz 46 und der Abstand zwischen Soll-Geometrie 10 und Modell-Geometrie 14 meist deutlich kleiner als die Ausdehnung 44. Es werden somit eher großflächige Abweichungen mit vergleichsweise geringen Flankenwinkeln korrigiert.
5a und 5b zeigen in schematischer Darstellung, wie die Ist-Geometrie 12, die Soll-Geometrie 10, die Modell-Geometrie 14 und die modifizierte Modell-Geometrie 16 prinzipiell miteinander zusammenhängen können. In allen nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist es prinzipiell denkbar, dass die Korrektur in der ursprünglichen Orientierung bzw. Richtung gemäß 5a am neuen Ort angewendet wird, oder dass die Orientierung bzw. Richtung der Korrektur entsprechend der 5b geändert bzw. mitgedreht wird.
Dabei kann die mindestens eine Abweichung 18 zwischen der Ist-Geometrie 12 und der Soll-Geometrie 10 mittels der ersten nicht-rigiden Abbildung beschrieben werden. Weiter zeigt 5a den Übergang 20 zwischen der Soll-Geometrie 10 und der Modell-Geometrie 14, mit der das Objekt hergestellt wurde, auf dem die Ist-Geometrie 12 basiert. In diesem Beispiel ist die Korrektur bzw. Änderung 22 der Modell-Geometrie 14 in die modifizierte Modell-Geometrie 16 in die gleiche Richtung orientiert, wie die Abweichung 18.
Gemäß 5b wird die mindestens eine Abweichung 18 zwischen der Ist-Geometrie 12 und der Soll-Geometrie 10 in eine Korrektur bzw. Änderung 24 zwischen der Modell-Geometrie 14 und der modifizierten Modell-Geometrie 16 umgewandelt, die eine Richtungsänderung berücksichtigt, die von dem Übergang 20 zwischen der Soll-Geometrie 10 und der Modell-Geometrie 14 umfasst wird. Im Gegensatz zu der Änderung 22 aus 5a weist die Änderung 24 aus 5b die gleiche relative Orientierung zwischen der Modell-Geometrie 14 und der modifizierten Modell-Geometrie 16 auf, wie die mindestens eine Abweichung relativ zwischen der Ist-Geometrie 12 und der Soll-Geometrie 10. Bei nicht-rigiden Abbildungen ist nicht nur eine Zuordnung Punkt-zu-Punkt möglich, sondern es kann auch implizit oder explizit eine lokale Modifikation wie eine lokale Richtungsänderung ermittelt werden.
Die 6a und 6b verdeutlichen am Beispiel der Abbildung zwischen der Ist-Geometrie und der Soll-Geometrie, dass diese Abbildung unterschiedlich definiert sein kann. Es kann eine von der Ist-Geometrie 12 auf die Soll-Geometrie 10, wie in 6a dargestellt, definiert werden, oder umgekehrt eine von der Soll-Geometrie 10 auf die Ist-Geometrie 12. Es muss bei einer späteren Korrektur beachtet werden, dass die jeweilige , korrekt verwendet wird, so dass die Änderung 22, 24 zwischen der Modell-Geometrie 14 und der modifizierten Modell-Geometrie 16 die Abweichung 18 korrigiert und nicht verstärkt. Im Bedarfsfall kann es also nötig sein, das Inverse der , zu verwenden, um zu einer korrekten Änderung 22, 24 zu gelangen. So muss die aus 6b zunächst invertiert werden, um zu einer korrekten zur Änderung zwischen der Modell-Geometrie 14 und der modifizierten Modell-Geometrie 16 zu gelangen. Die aus 6a kann ohne Invertierung als zur Änderung zwischen der Modell-Geometrie 14 und der modifizierten Modell-Geometrie 16 verwendet werden.
Analoges gilt für die zwischen der Soll-Geometrie 10 und der Modell-Geometrie 14 und aller weiteren Abbildungen.
In einem weiteren Beispiel kann ausgehend von der Ist-Geometrie 12 mittels doppelter Anwendung von bzw. der invertierten und einfacher Anwendung von die modifizierte Modell-Geometrie 16 erlangt werden. Die zweite Anwendung von bzw. der invertierten entspricht der Anwendung der .
In einem bevorzugten Beispiel kann ausgehend von der Modell-Geometrie die einfache Anwendung von bzw. der invertierten als ausreichen, wobei durch die die Identifikation der zugehörigen bzw. der invertierten für jeden einzelnen Punkt ermöglicht wird.
Gemäß einem weiteren Beispiel kann ausgehend von der Soll-Geometrie 10 kann durch einfache Anwendung von bzw. der invertierten als das gleiche Ziel mit einfacher Anwendung von erreicht werden, wie in 7 dargestellt ist.
7 zeigt zwei beispielhafte Vorgehensweisen. Dabei kann weiter gemäß 7 zunächst mit der die Ist-Geometrie 12 auf eine abweichende Modell-Geometrie 34 transformiert werden. Hierbei wird jede Abweichung, welche die Ist-Geometrie 12 zu der Soll-Geometrie 10 hat, nach der Abbildung bezüglich der Modell-Geometrie 14 bestehen. Die abweichende Modell-Geometrie 34 kann daraufhin unmittelbar mittels der korrigiert werden, die aus der bzw. der invertierten resultiert.
Neben der Drehung können ebenfalls noch lokale Skalierungen und Scherungen durch die nicht-rigiden Abbildungen bzw. genauer gesagt durch die jeweiligen Ableitungen der nicht-rigiden Abbildungen definiert werden. Diese sind hier nicht dargestellt, können bei der Anwendung der Korrektur aber ebenfalls berücksichtigt werden.
8 zeigt den Fall, dass prinzipiell die Zuordnung von Ist-Geometrie 12 auf die Modell-Geometrie 14 mittels einer verwendet wird. Wie gemäß 4 sind auch hier mehrere Ausführungsbeispiele möglich.
Wenn in einem Beispiel von der Ist-Geometrie 12 ausgegangen wird, kann diese mittels einfacher Anwendung von und einfacher Anwendung von , die aus der bzw. der invertierten resultiert, zu der modifizierten Modell-Geometrie transformiert werden.
In einem weiteren Beispiel kann ausgehend von der Modell-Geometrie 14 die einfache Anwendung von ausreichen, wobei durch die die Identifikation der zugehörigen bzw. der invertierten für jeden einzelnen Punkt ermöglicht wird.
9 zeigt ein Feld mit Pfeilen, die für jeden Punkt einen hieraus errechneten Korrekturvektor darstellen. In dieser Ausführung einer nicht-rigiden Abbildung kann für beliebige Koordinaten ein Wert für die Abbildung bestimmt bzw. inter-/extrapoliert werden.
Hierbei ist es vorteilhaft, wenn Größe der Distanz 46 bzw. nötigen Korrektur deutlich kleiner ist als die laterale Ausdehnung 44 der zu korrigierenden Distanz 46. Weiter vorteilhaft kann die Verwendung eines Feldes sein, wenn der Abstand von der Modell-Geometrie zur Soll-Geometrie vergleichsweise klein ist, so dass sich das Feld der über diesen Abstand kaum ändert. Zur Ermittlung des der nicht-rigiden Abbildungen zugrundeliegenden Modelle können Kontrollpunkte bzw. Stützstellen definiert werden und die Verformung bzw. Abbildung zwischen diesen interpoliert bzw. extrapoliert werden.
In diesem Beispiel wird die zweite nicht-rigide Abbildung nicht benötigt, weil die erste nicht-rigide Abbildung an der Position der Modell-Geometrie angewendet wird. Unter der Annahme, dass der Abstand der Modell-Geometrie zur Soll- bzw. Ist-Geometrie klein im Vergleich zu der Änderung der ersten nicht-rigiden Abbildung über den Raum ist, erhält man in guter Näherung das gewünschte Ergebnis als modifizierte Modell-Geometrie.
Die Kontrollpunkte können dabei in einem regelmäßigen oder in einem unregelmäßigen Raster liegen. Das unregelmäßige Raster kann beispielsweise in wichtigen Bereichen, z. B. in der Umgebung der Oberfläche, in Bereichen mit großer Deformation oder in Bereichen, in denen die Abbildung keine gute Annäherung an die Soll-Geometrie erreicht, eine größere Auflösung haben. Dies verringert die Gesamtzahl von Kontrollpunkten und verringert somit die nötige Rechenzeit. Auch bei einer Variation der Auflösung der Kontrollpunkte kann ein regelmäßiges Raster prinzipiell beibehalten werden.
Weiter kann abschnittsweise eine normale rigide Anpassung bestimmt und ggf. zwischen diesen interpoliert werden.
In einem weiteren Beispiel kann die ggf. ortsabhängige Abbildung global und somit für den gesamten betrachteten, dreidimensionalen Raum analytisch beschreiben werden, z. B. mit Hilfe einer Fourier-Reihe.
Es kann weiter eine Regularisierung der Abbildung durchgeführt werden, um starke Ausreißer in den Daten, Geometrien bzw. Deformationen entgegenzuwirken.
Zur Ermittlung der nicht-rigiden Abbildung kann ein Fehlermaß und ein Optimierer verwendet werden.
Das Fehlermaß beschreibt, wie gut die aufeinander abzubildenden Geometrien nach Anwendung der Abbildung übereinstimmen. Hierfür können korrespondierende Features in beiden Geometrien verwendet werden, beispielsweise die Oberflächen, Kanten, Ecken, gut erkennbare Geometrien, sog. Landmarks, durch den Auswerteplan definierte Geometrien bzw. Geometriebereiche oder manuell definierte Geometrien oder Landmarks. Die korrespondierenden Merkmale in den Geometrien können dabei auch durch eine künstliche Intelligenz identifiziert werden. Eine Möglichkeit das Fehlermaß zu berechnen, bietet die Hausdorff-Metrik.
Wenn das Ziel ist, mit Hilfe der Abbildungen des Verfahrens 100 eine möglichst gute Zuordnung der Oberflächenbereiche auf den betrachteten Geometrien zu erreichen, wird bevorzugt die Oberfläche der betrachteten Geometrien betrachtet. Mittels des Optimierers wird das mathematische Modell so parametrisiert, dass die beste Übereinstimmung gefunden wird, was meistens bedeutet, dass das Fehlermaß minimiert wird. Gleichzeitig kann es allerdings Rahmenbedingungen geben, um eine Überanpassung zu verhindern, was als Regularisierung bezeichnet werden kann.
Eine globale Skalierung des Bauteils kann zwar eine gute Übereinstimmung zwischen den Geometrien ermöglichen, ist in einigen Fällen aber nicht realistisch. Daher kann eine globale Skalierung beschränkt oder zu sanktioniert werden.
Der Optimierer kann dabei von einer groben Auflösung zu einer feinen Auflösung arbeiten. Es wird beispielsweise mit wenigen Stützstellen begonnen, um einer grobe Zuordnung der einander korrespondierenden Geometrien zu ermöglichen. Nach und nach wird die Anzahl der Stützstellen erhöht, um auch kleinere Geometrien des Objekts in der Abbildung berücksichtigen zu können. Dies stellt sicher, dass die Abbildung zu der besten Lösung konvergiert. Bei einer analytischen Beschreibung kann ähnlich vorgegangen werden, indem beispielsweise die Anzahl der berücksichtigten Terme in der Fourier-Reihe sukzessive vergrößert wird.
Auf eine ähnliche Weise kann auch beeinflusst werden, bis zu welcher minimalen Größenordnung bzw. maximalen Ortsfrequenz mittels der Abbildung versucht wird, Abweichungen in der Abbildung zu korrigieren. Diese minimale Größenordnung kann dabei z. B. als minimale laterale Ausdehnung einer Abweichung interpretiert werden, welche noch korrigiert wird. Dies kann beispielsweise sinnvoll sein, wenn gewisse Frequenzbereiche als Abweichung der Geometrie erhalten werden sollen und demensprechend nicht korrigiert werden sollen oder können.
Hierfür wird üblicherweise eine Grenz-Frequenz definiert. Auf diese Weise kann auch verhindert werden, dass Richtungsvektoren aufgrund lokaler Überanpassungen falsch abgebildet werden. Umgesetzt werden kann dies wiederum dadurch, dass im Modell lediglich Kontrollpunkte oder die Fourier-Reihe bis zu einer entsprechenden Auflösung berücksichtigt werden.
Unabhängig von dem gewählten Ansatz kann es sinnvoll sein, vor der Ermittlung der Abbildung eine rigide Registrierung der Ist-Geometrie und der Soll-Geometrie durchzuführen, um eine erste, grobe Zuordnung erreichen. Es ist dann zu erwarten, dass von diesem Ausgangspunkt die erste bzw. zweite nicht-rigide Abbildung schneller bzw. genauer bestimmt werden kann.
Mit dem oben beschriebenen Verfahren kann wie oben erläutert eine Korrektur einer Modell-Geometrie eines Objekts, wobei die Modell-Geometrie zum Herstellen des Objekts verwendbar ist, durchgeführt werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine Abbildung von der Soll-Geometrie, die z. B. als CAD-Modell vorliegen kann, auf die Ist-Geometrie gesucht werden. Die als CAD-Modell vorliegende Soll-Geometrie wird dann auf die Ist-Geometrie verformt. Das Ergebnis wäre ein CAD-Modell, welches die Ist-Geometrie aufweist, aber trotzdem noch die Darstellung bzw. geometrische Grundstruktur, z. B. Geometrieelemente oder Kanten des CAD-Modells aufweist.
Weiter kann die Korrektur so angewendet werden, dass die Topologie, z. B. der Oberfläche, der modifizierten Geometrie, z. B. definiert durch den Aufbau eines CAD-Modells oder die Verknüpfung der Oberflächenelemente eines Meshes, beibehalten wird.
Wenn die Korrektur iterativ durchgeführt wird, kann die Zuordnung zwischen Soll-Geometrie und modifizierten Modell-Geometrie gespeichert werden. So kann für die nächste Iteration einfach die bestimmt werden. Dabei kann die gespeicherte modifizierte Modell-Geometrie als Grundlage für die Korrekturen verwendet.
Weiter kann insbesondere bei flexiblen Objekten mit großskaligen globale Deformationen und kleinskaligen lokale Abweichungen, welche korrigiert werden müssen, der Schritt 108 mit zwei Unterschritten durchgeführt werden. In einem ersten Unterschritt wird eine Abbildung mit niedriger Auflösung ermittelt, welche die globalen Deformationen ausgleicht. Daraufhin wird eine weitere Abbildung mit hoher Auflösung ermittelt, welche lokalen Abweichungen abdeckt. Diese kann auch abschnittsweise definiert sein. Es kann damit lediglich in vorgegebenen Bereichen, in welchen eine Korrektur durchgeführt werden soll oder in denen signifikante Abweichungen festgestellt wurden, auch eine hochaufgelöste Abbildung ermittelt werden. Die Abweichungen können dann mit hoher Auflösung abgebildet und somit korrigiert werden, wobei dennoch die Anzahl der Freiheitsgrade überschaubar bleibt, da nur in den relevanten Bereichen mit hoher Auflösung gerechnet wird.
Weiterhin kann lediglich die hochaufgelöste Abbildung zur Korrektur zu verwendet werden. Auf diese Weise würden die lokalen Abweichungen korrigiert werden, während für globale Deformationen, welche in manchen Fällen nicht problematisch sind, kein Aufwand zur Korrektur betrieben werden müsste.
Zur Ermittlung der Abbildung können Kanten und Ecken der Geometrien als Landmarks verwendet werden. Weiter können Defekte im Inneren der Realgeometrie bzw. Messdaten bei der Ermittlung ignoriert werden, da diese in der Nominalgeometrie nicht vorkommen.
Weiter kann, z. B. durch einen Auswerteplan, das CAD-Modell oder durch eine Nutzereingabe, definiert sein, in welchen Bereichen eine Korrektur überhaupt durchgeführt werden soll. In den restlichen Bereichen wird dann keine Korrektur durchgeführt. Dabei kann die Korrektur lediglich in Bereichen durchgeführt werden, in welchen die Abweichung oberhalb einer definierten Toleranz ermittelt wird und in den entsprechenden Bereichen eine große Toleranz gewählt wird.
Um Unstetigkeiten ab der Grenze zwischen den Bereichen, in welchen eine Korrektur und keine Korrektur durchgeführt wird, zu vermeiden, kann die Stärke bzw. der Faktor, mit welcher die Korrektur durchgeführt wird, über die zu korrigierenden Bereiche hinaus langsam auf 0 sinken.
Weiter kann die Ausrichtung der Ist-Geometrie an die Soll-Geometrie so durchgeführt werden, dass die Abweichungen insbesondere in den relevanten Bereichen, dies können z. B. die Bereiche mit geringer Toleranz sein, minimiert werden. Auf diese Weise werden die durchzuführenden Korrekturen minimiert.
Weiter kann die Auflösung der , bzw. , und . B. bestimmt durch die Dichte der Kontrollpunkte, anhand der lokalen Abweichung zwischen Ist-Geometrie und Soll-Geometrie variiert werden. In den Bereichen mit größerer Abweichung ist die Auflösung dabei höher, da hier eine bessere Modellierung der Korrektur nötig sein könnte. Obwohl die Auflösung nur durch die Abweichung zwischen den bzw. bestimmt wird, wird die Auflösung auch auf übertragen.
Weiter kann das Verfahren einem Benutzer die Möglichkeit geben, die nicht-rigide-Abbildung manuell zu bearbeiten, z. B. durch Verschieben von Kontrollpunkten der Abbildung oder der Korrektur.
Die Erfindung ist nicht auf eine der vorbeschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern in vielfältiger Weise abwandelbar.
Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritten, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
Bezugszeichenliste

10: Soll-Geometrie
12: Ist-Geometrie
14: Modell-Geometrie
16: modifizierte Modell-Geometrie
18: Abweichung
20: Übergang
22: Änderung
24: Änderung
26: Abbildung
28: Abbildung
30: Abbildung
32: Abbildung
34: abweichende Modell-Geometrie
36: Abbildung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2313867 B1 [0004]

Claims

Computerimplementiertes Verfahren zum Ändern einer Modell-Geometrie eines Objekts, wobei die Modell-Geometrie zum Herstellen des Objekts verwendbar ist, wobei das Verfahren (100) die folgenden Schritte aufweist: - Bereitstellen (102) einer Soll-Geometrie für das Objekt; - Bereitstellen (104) einer Modell-Geometrie für das Objekt; - Verwenden (106) der Modell-Geometrie zum Bereitstellen einer Ist-Geometrie des Objekts; - Ermitteln (108), ob zwischen der Soll-Geometrie und der Ist-Geometrie mindestens eine Abweichung vorliegt; und - Ändern (110) der Modell-Geometrie in eine modifizierte Modell-Geometrie auf Basis der ermittelten mindestens einen Abweichung, wenn mindestens eine Abweichung vorliegt; wobei zumindest der Schritt Ermitteln (108), wenn mindestens eine Abweichung vorliegt, in einer ersten nicht-rigiden Abbildung resultiert, wobei die erste nicht-rigide Abbildung zwei Geometrien mittels eines Parametersatzes einander zuordnet und die ermittelte mindestens eine Abweichung beschreibt, oder zumindest der Schritt Ändern (110) mittels einer zweiten nicht-rigiden Abbildung durchgeführt wird, wobei die zweite nicht-rigide Abbildung zwei Geometrien mittels eines Parametersatzes einander zuordnet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bereitgestellte Modell-Geometrie eine geänderte Soll-Geometrie ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiter den folgenden Schritt aufweist: - Wiederholen (112) zumindest der Schritte Verwenden (106), Ermitteln (108) und Ändern (110) solange die ermittelte mindestens Abweichung außerhalb eines vordefinierten Toleranzbereiches für die ermittelte mindestens eine Abweichung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Abweichung einer Region der Modell-Geometrie zugeordnet ist, wobei der Schritt Ändern nur dann für die Region durchgeführt wird, wenn die mindestens eine Abweichung außerhalb eines vordefinierten Toleranzbereiches für die ermittelte mindestens eine Abweichung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt Ändern (110) weiter den folgenden Unterschritt umfasst: - Übertragen (114) der ermittelten mindestens einen Abweichung an die Modell-Geometrie mittels der zweiten nicht-rigiden Abbildung, wobei die zweite nicht-rigide Abbildung eine Zuordnung zwischen der Soll-Geometrie und der Modell-Geometrie und/oder zwischen der Ist-Geometrie und der Modell-Geometrie aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite nicht-rigide Abbildung die Modell-Geometrie auf die Soll-Geometrie und/oder die Modell-Geometrie auf die Ist-Geometrie abbildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt Ändern (110) weiter den folgenden Unterschritt aufweist: - Ändern (116) der Modell-Geometrie zur modifizierten Modell-Geometrie mittels der ersten nicht-rigiden Abbildung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren vor dem Schritt Ermitteln (108), ob zwischen der Soll-Geometrie und der Ist-Geometrie mindestens eine Abweichung vorliegt, weiter den folgenden Schritt aufweist: - Ermitteln (118) einer rigiden Abbildung zwischen der Ist-Geometrie und der Soll-Geometrie zum Registrieren der Ist-Geometrie und der Soll-Geometrie, wobei die rigide Abbildung vorgegebene lokale Toleranzbereiche für verschiedene Regionen der Soll-Geometrie berücksichtigt und Abweichungen zwischen der Ist-Geometrie und der Soll-Geometrie außerhalb der lokalen Toleranzbereiche minimiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt Verwenden (106) der Modell-Geometrie zum Bereitstellen einer Ist-Geometrie des Objekts weiter den folgenden Unterschritt umfasst: - Bereitstellen (120) der Ist-Geometrie aus Messdaten einer computertomographischen Messung des Objekts.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt Ändern (110) weiter die folgenden Unterschritte aufweist: - Bereitstellen (122) mindestens eines Teilbereichs der Modell-Geometrie, wobei der mindestens eine Teilbereich der ermittelten mindestens einen Abweichung zugeordnet ist; und - Ändern (124) des mindestens einen Teilbereich mit der ermittelten mindestens einen Abweichung in mindestens einen modifizierten Teilbereich; - Bereitstellen (126) des mindestens einen Teilbereichs zum Ändern der Modell-Geometrie.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt Ändern (110) weiter den folgenden Unterschritt aufweist: - Ändern (128) der Modell-Geometrie in eine modifizierte Modell-Geometrie auf Basis der ermittelten mindestens einen Abweichung unter Berücksichtigung von lokalen Modifikationen, die aus der ermittelten mindestens einen Abweichung resultieren, mittels der zweiten nicht-rigiden Abbildung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste nicht-rigide Abbildung und/oder die zweite nicht-rigide Abbildung mittels Kontrollpunkten definiert ist.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrollpunkte eine Dichte aufweisen, die in mindestens einer vordefinierten Region des Objekts größer ist als außerhalb der mindestens einen vordefinierten Region, wobei die vordefinierte Region eine Umgebung einer Oberfläche des Objekts und/oder eine Umgebung um die ermittelte mindestens eine Abweichung, wenn die ermittelte mindestens eine Abweichung einen vordefinierten Schwellenwert überschreitet und/oder eine Umgebung um die ermittelte mindestens eine Abweichung, wenn die ermittelte mindestens eine Abweichung einen Gradienten oberhalb eines vordefinierten Gradienten-Schwellenwerts, aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass erste nicht-rigide Abbildung eine Topologie der Modell-Geometrie lediglich innerhalb eines vordefinierten Modifikationsbereiches ändert.
Computerprogrammprodukt mit auf einem Computer ausführbaren Instruktionen, welche auf einem Computer ausgeführt den Computer dazu veranlassen, das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.