DE10217068A1

DE10217068A1 - Verfahren zum optischen Messen der Form reflektierender und streuender Freiformflächen

Info

Publication number: DE10217068A1
Application number: DE2002117068
Authority: DE
Inventors: Michael Gandyra; Rainer Sessner; Carl Werner Dankwort
Original assignee: Michael Gandyra
Current assignee: GANDYRA, MICHAEL, DR.-ING., 83059 KOLBERMOOR, DE
Priority date: 2002-04-17
Filing date: 2002-04-17
Publication date: 2004-05-19
Anticipated expiration: 2022-04-18
Also published as: DE10217068B4

Abstract

Die meisten für den Reserve Engineering-Prozess am Markt verfügbaren Geräte und Systeme zur Vermessung von Oberflächen basieren auf dem Prinzip reiner Koordinatenmessung, d. h. es werden Punktwolken gemessen, die im anschließenden Flächenrückführungsprozess meist stark fehlerbehaftet durch CAD-Flächen approximiert werden, um mit CAx-Techniken weiter bearbeitet werden zu können. Ein großer zeitlicher und damit auch finanzieller Aufwand entsteht zusätzlich durch die selten vermeidbare manuelle Nachbearbeitung der rekonstruierten CAD-Flächen. DOLLAR A Durch zusätzliche Informationen, wie z. B. Flächennormale oder Krümmung, können Oberflächen wesentlich einfacher, mit geringem Aufwand und vor allen Dingen qualitativ hochwertiger rekonstruiert werden als nach der bisher üblichen Vorgehensweise der Rekonstruktion mit Hilfe ungeordneter Punktewolken. DOLLAR A Das hier vorgestellte Verfahren basiert auf der Messung von Oberflächenkoordinaten nach dem Triangulationsprinzip und der gleichzeitigen Beobachtung eines Musters in der zu vermessenden reflektierenden Oberfläche (vgl. Abb. 1). DOLLAR A Damit können auf reflektierenden und streuenden, frei geformten Oberflächen die Oberflächennormalen und dadurch die Oberflächenform hochgenau bestimmt werden, womit sich obengenannte Nachteile reduzieren, bzw. eliminieren lassen.

Description

a) Technisches Gebiet
Die Erfindung betrif8 ein Verfahren, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Beim Prozess des Reverse Engineering wird ein dreidimensionales, physisches Modell vermessen und eine möglichst abbildungsgetreue Rechnerdarstellung dieses Modells aus den Messdaten errechnet. Die größte Bedeutung kommt hier meist der Umwandlung der aus den Messungen generierten Informationen in einzelne Flächenverbände zu. Mit Hilfe der Flächenrückführung entstandene CAD-Modelle können nun mit verschiedenen CAx-Techniken geändert werden. Beispielsweise können die Flächen eines rückgeführten CAD-Modells in einer rechnerunterstützten Strömungssimulation optimiert oder von einem Konstrukteur oder Designer mittels CAE oder CAD beliebig geändert werden. Am Ende steht in jedem Fall die Herstellung eines neuen dreidimensionalen Objektes, das mit verschiedenen Verfahren, beispielsweise durch CNC-Fräsen oder mit Hilfe der Stereolithographie erzeugt werden kann. Der Kreis schließt sich, wenn das gefräste neue Modell nach manueller Bearbeitung erneut vermessen wird.

Ein Maß für die Güte der Flächenrekonstruktion ist unter anderem eine hohe Qualität der rückgeführten Flächen und der erzeugten Flächenverbände. Diese Flächenqualität ist im Allgemeinen abhängig von den Anforderungen, die man an sie stellt:

– die Vermeidung geometrischer Fehler (Lücken, Überlappungen, Knicke),
– eine hohe Anmutungsqualität (bei stilistisch wichtigen Flächen, z.B. Class-A Flächen),
– die einfache Erzeugung und einfache Änderung von CAD-Flächen und
– den Datenaustausch mit anderen Systemen ohne Informationsverlust.

Die beiden erstgenannten Punkte sind die wesentlichen Forderungen für eine Beurteilung der Flächenqualität. Im Aesthetic Design, besonders im Zusammenhang mit rekonstruierten spiegelnden Freiformflächen, steht dabei die Forderung nach einer hohen Anmutungsqualität im Vordergrund. Nicht die Maßhaltigkeit sondern die Formtreue nimmt bei der Rekonstruktion von derartigen „Design-Flächen" den größeren Stellenwert ein. Wichtig ist dabei die Fragestellung, ob die Aussageabsicht des Designers getroffen wurde, d.h. ob die charakteristischen Eigenschaften der erzeugten CAD-Fläche mit denen des Modells übereinstimmen.

c) Stand der Technik

Um die Formtreue zu überprüfen und um die Anmutungsqualität der Fläche beurteilen zu können, setzt man verschiedene Techniken ein. Am häufigsten werden optische Verfahren angewandt. Dabei beobachtet man die Reflexionen verschiedener Muster (im Allgemeinen ein Streifenmuster) in der zu beurteilenden Fläche (vgl. [1, 2]). Durch die örtliche Änderung der Fläche wird das reflektierte Streifenmuster mehr oder weniger deformiert. Anhand der Deformationen dieser Reflexionslinien, lässt sich sehr schnell feststellen, wo sich beispielsweise Dellen oder Unstetigkeiten in der Fläche befinden. Um eine Gesamtaussage über die erreichte Flächenqualität machen zu können, müssen bei der Beurteilung außerdem die folgenden Kriterien berücksichtigt werden:

– der Aufwand zur Erstellung der Flächen in Produktionsqualität (Zeit, Kosten, menschliche Ressourcen)
– der Aufwand zur Änderung der Flächen unter Beibehaltung der Qualität
– die Anzahl der erforderlichen physischen Modelle, die zur Verifikation und gegebenenfalls zur Korrektur der Oberflächendaten benötigt werden, wenn die Qualität des CADModells nicht ausreicht.

Oder anders formuliert: Überall dort wo keine hohen qualitativen Anforderung an das Design der Flächen gestellt werden, reicht eine einfache Flächenrekonstruktion aus, d.h. es ist keine oder nur wenig CAD-Nachbearbeitung notwendig, wie beispielsweise bei Bauteilen im Motorraum oder Fahrgastinnenraum eines Fahrzeugs (Aggregate, Mittelkonsole oder Innenraumverkleidung). Aber überall dort wo beispielsweise spiegelnde Flächen verwendet werden, speziell für Class-A Flächen im Bereich Karosseriedesign aber auch in der Konsumgüterindustrie, wo zunehmend „schöne" und futuristisch anmutende Geräte „designed" werden, ist die Anforderung an die Flächen besonders hoch.

Nahezu alle am Markt verfügbaren Geräte und Systeme zur Vermessung von Oberflächen basieren auf dem Prinzip reiner Koordinatenmessung. D.h. es werden Punktwolken gemessen, die dann im anschließenden Flächenrückführungsprozess meist stark fehlerbehaftet durch CAD-Flächen approximiert werden, um mit CAx-Techniken weiter bearbeitet werden zu können. Ein großer zeitlicher und damit auch finanzieller Aufwand entsteht dann zusätzlich durch die selten vermeidbare manuelle Nachbearbeitung der rekonstruierten CAD-Flächen. Wissenschaftliche Untersuchungen im Bereich der Flächenrekonstruktion haben aber gezeigt, daß Oberflächen mit Hilfe zusätzlicher Informationen, wie z.B. der Flächennormalen oder der Krümmung, wesentlich einfacher, mit geringerem Aufwand und vor allen Dingen qualitativ hochwertiger rekonstruiert werden können, als nach der bisher üblichen Vorgehensweise der Rekonstruktion mit Hilfe ungeordneter Punktewolken. Überall dort wo Freiformflächen eingesetzt werden, speziell im Bereich des Aesthetic Design, wo weniger die Genauigkeit, bzw. Maßhaltigkeit, sondern mehr das ästhetische Aussehen der Oberfläche im Vordergrund steht, können derartige Verfahren zu einer wesentlichen Kostenreduktion führen.

Ein Sensor, der in der Lage ist Oberflächennormalen zu messen, wurde von Yamazaki [3], entwickelt. Das Funktionsprinzip beruht darauf, dass der reflektierende Anteil des Lichts eines auf die Oberfläche gerichteten Lichtstrahls, von acht um den Lichtstrahl symmetrisch angeordneten Lichtwellenleitern (Glasfasern) aufgefangen und dessen Intensität gemessen wird. Steht der Lichtstrahl genau senkrecht zur Oberfläche, dann wird, unter der Annahme einer gleichmäßigen ellipsenförmigen Intensitätsverteilung des reflektierten Lichts, von jeder Glasfaser der gleiche Lichtanteil aufgenommen. Bei Neigung der Fläche hingegen wird ungleichmäßig viel Licht von den einzelnen Glasfasern aufgenommen und es lassen sich mit den Messwerten die Normale und auch deren Position bestimmen. Mit diesem Verfahren können sowohl spiegelnde als auch diffuse Oberflächen vermessen werden. Dieser berührungslos messende Sensor muss jedoch von einer Koordinatenmessmaschine geführt werden.

Quellen:

[1]: Deutsches Patent DE 197 57 106 A1
[2]: BEYERER, J., PÉRARD, D.: Automatische Inspektion spiegelnder Freiformflächen anhand von Rasterreflexionen, tm – Technisches Messen 64, S. 395–400, R. Oldenbourg Verlag, 1997
[3]: YAMAZAKI, K., LEE, K.S., AOYAMA, H., SAWABE, M.: Noncontact Probe for Continous Measurement of Surface Inclination and Position Using Irradiation of Light Beam, Annals of the CIRP 42 (1993), Nr. 1, pp. 585–588

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein neues Messverfahren zu schaffen, das in der Lage ist, die genannten Nachteile der derzeitig eingesetzten Verfahren zu reduzieren bzw. zu eliminieren und eine einfach anwendbare, möglichst genaue und schnelle Vermessung einer beliebig gekrümmten Oberfläche durchzuführen. Die anschließende Flächenrückführung sollte dadurch möglichst automatisch, bzw. mit möglichst wenigen Eingriffen des Benutzers ablaufen können und qualitativ hochwertige Flächen erzeugen. Das rückgeführte CAD-Datenmodell soll im weiteren Verlauf möglichst ohne CAD-Nachbearbeitung unter Verwendung verschiedener CAx-Techniken geändert werden können, um anschließend als weiteres physisches Modell gefräst zu werden.

Ziel des Messverfahrens ist die Messung von Oberflächennormalen in diskreten Abständen auf der Oberfläche von glatten, glänzenden freigeformten Objekten. Die Rekonstruktion mit den gemessenen Oberflächennormalen verspricht

– eine sehr hohe Flächenqualität, wie etwa im Bereich des Aesthtic Design, z.B. bei Class-A Flächen, gefordert wird,
– den Reverse Engineering Prozess wesentlich zu beschleunigen und dadurch
– Kosten einzusparen.

Die Aufgabe der Erfindung (gemäß Abschnitt d) wird durch ein Verfahren, gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 und der Unteransprüche gelöst.
Mit dem Reflexionsgesetz läßt sich, bei bekannter Oberflächennormale, die Richtung eines reflektierten Strahls aus der Richtung des ursprünglichen Strahls ermitteln. Dieses Prinzip lässt sich zur Bestimmung der Normalen umkehren, wenn die Richtungen beider Strahlen bekannt sind (vgl. 1). Eine einfache Möglichkeit zur Erzeugung eines Lichtstrahls bietet ein auf die Oberfläche gerichteter Laser. Setzt man die Richtung des einfallenden Strahls als bekannt vorraus, dann gelangt man zu einer Lösung, wenn man die Richtung des an der spiegelnden Oberfläche reflektierten Laserstrahls in geeigneter Weise bestimmen kann. Gemäß dem physikalischen Reflexionsgesetz „Einfallwinkel = Ausfallwinkel" ergibt sich die Flächennormale dann als Winkelhalbierende im Schnittpunkt S zwischen den beiden Richtungen von einfallendem und reflektiertem Laserstrahl. Da die Bestimmung des reflektierten Laserstrahls im Allgemeinen sehr schwer durchführbar ist, muss man das Verfahren in geeigneter Weise erweitern. Man erkennt aber bereits den Charakter des Lösungsansatzes, der für alle möglichen Lösungen dieser Fragestellung immer auf das Reflexionsprinzip α = β zurückzuführen ist und damit zum Schnitt zweier Geraden g1 und g2 führt um sowohl den Objektpunkt S auf der spiegelnden Oberfläche als auch die Normale zu bestimmen. Daraus ergibt sich eine weitere Frage: „Wie erhält man die Richtung der zweiten Geraden, wenn eine Gerade als bekannt vorausgesetzt werden kann?"
Projiziert man mit einem Laser von P2 aus unter einem Anstellwinkel 0° < β < 90° einen Lichtpunkt auf eine reflektierende, aber auch streuende Oberfläche (z.B. eine lackierte Metalloberfläche) und betrachtet von P1 aus die Fläche so, dass man darin sowohl den reflektierten Laserstrahl als auch den gestreuten Lichtpunkt beobachten kann, so nimmt man zwei Lichtpunkte wahr, zum einen den gestreuten Lichtpunkt in S auf der Spiegeloberfläche und zum anderen den beobachteten Lichtpunkt der Laserlichtquelle im Raum bei P2. Wenn man den Laser nun derart bewegt, dass in Sichtrichtung beide Punkte zur Überdeckung kommen, dann beobachtet man den reflektierten Laserstrahl in seiner direkten Richtung. Dabei ist die erste Schnittgerade g1 durch den Ort der Beobachtung (Kamera bzw. Auge, Pi) und dem projizierten Lichtpunkt auf der Oberfläche (S) bestimmt. Die zweite Gerade g2 wird bestimmt durch den projizierten Lichtpunkt (S) und den Ort des Laserpointers (P2). Genau unter dieser Bedingung sind die Winkel der beiden sich schneidenden Geraden g1 und g2 gegenüber der Flächennormalen aufgrund der optischen Reflexionsgesetze gleich und damit die obengenannte Forderung der Winkelgleichheit α = β erfüllt. Dieses Verfahren lässt sich erweitern, indem man in der spiegelnden Oberfläche statt des Lasers mehrere beliebige Punkte im Raum betrachtet (beispielsweise Leuchtdioden oder Glühbirnen). Wenn man in der Lage ist, diese Punkte so zu bewegen, dass sie in Beobachtungsrichtung mit dem gestreuten Licht von zugehörigen Laserstrahlen zur Überdeckung kommen, dann erhält man die gesuchte zweite Richtung der Geraden g2 als Verbindung der beiden Punkte. Dieser Ansatz läßt sich in der Praxis schwer bewerkstelligen.
Geht man nun erfindungsgemäß einen Schritt weiter und ersetzt die Leuchtdioden durch ein LC-Display, dann erhält man eine einfache Möglichkeit zur Ermittlung eines, bzw. mehrerer beobachtbarer Punkte im Raum. Benutzt man weiterhin ein Laserdiodenmodul, das einen Lichtpunkt auf die zu vermessende Oberfläche projiziert, dann sind alle Bedingungen erfüllt, um die Flächennormale in diesem Lichtpunkt auf der Oberfläche zu bestimmen.
Erweitert man das Laserdiodenmodul durch eine Strukturoptik, so lässt sich das Verfahren für ein Feld von mehreren Punkten anwenden.
In einem weiteren Schritt lassen sich nun bekannte Verfahren (z.B. Phasenshiftalgorithmen) einsetzten, um jeden Punkt auf dem LC Display eindeutig zu codieren. Nun kann parallel jeder Punkt pixelweise ausgewertet werden und für jeden gestreuten Laserpunkt auf dem Objekt die Oberflächennormale bstimmt werden.
Ersetzt man noch in einer letzten Erweiterung das Laserdiodenmodul mit Strukturoptik und projiziert stattdessen mit bekannten Verfahren, analysierbare Muster auf das Objekt, so lässt sich das Verfahren für beliebig viele Oberflächenpunkte parallelisieren.
In 2 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt.
f) Vorteile der Erfindung
Durch Kombination moderner optischer Triangulations- und Deflektometrieverfahren gelingt es schnell und eindeutig die Oberfläche und deren Normalen auf freigeformten Oberflächen zu bestimmen und so eine sehr hohe Flächenqualität zu erreichen, wie sie etwa im Bereich des Aesthtic Design, z.B. bei Class-A Flächen, gefordert wird, den Reverse Engineering-Prozess wesentlich zu beschleunigen und dadurch Kosten einzusparen.

Claims

Verfahren zum optischen Messen der Form reflektierender und streuender Freiformflächen, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig oder zeitlich sequentiell, auf die Fläche projizierte, gestreute Muster und auf der Fläche reflektierte Muster gemeinsam zur Bestimmung der Flächenform verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zur Analyse der gestreuten und reflektierten Muster eine Kamera mit Rechnereinheit verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den projizierten Mustern um einzelne Punkte handelt.
Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den projizierten Mustern um beliebige Punktmuster handelt.
Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den projizierten Mustern um diskrete Punktmuster handelt.
Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den projizierten Mustern um kontinuierliche Muster handelt, die eine parallele Analyse der gesamten Fläche erlauben.
Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet, dass das auf der Fläche reflektierte Muster auf einem LC-Display erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet, dass das auf der Fläche reflektierte Muster durch Projektion auf eine Mattscheibe erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem reflektierten Muster um individuell berechnete Punktmuster handelt.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem reflektierten Muster um kontinuierliche Muster handelt.