DE10260915A1

DE10260915A1 - Meßsystem zur Vermessung auch komplexer dreidimensionaler Geometrien mittels einer Vielzahl in Messtiefenrichtung beweglicher Messtaster

Info

Publication number: DE10260915A1
Application number: DE2002160915
Authority: DE
Inventors: Lars Dr.-Ing. Frormann; Peter Dipl.-Ing. Schultheis; Peter Dipl.-Ing. Neßler (FH)
Original assignee: PRUEF und FORSCHUNGSINSTITUT P; Pruef- und Forschungsinstitut Pirmasens Ev
Current assignee: PRUEF und FORSCHUNGSINSTITUT P; Pruef- und Forschungsinstitut Pirmasens Ev
Priority date: 2002-12-20
Filing date: 2002-12-20
Publication date: 2004-07-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektromechanisches Messsystem zur Vermessung auch komplexer dreidimensionaler Geometrien mittels einer Vielzahl, nach dem Nagelbrettprinzip angeordneter und in Messtiefenrichtung beweglicher Messtaster, welche sich an ein dreidimensionales Objekt anpassen und somit die 3-D-Oberfläche nachbilden. DOLLAR A Die Auswertung erfolgt dabei durch elektrische Erfassung der Messtiefe der einzelnen Messtaster in Zeilen und Spalten sowie anschließender Digitalisierung und Darstellung mittels Rechner.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein elektromechanisches Messsystem zur Vermessung auch komplexer dreidimensionaler Geometrien mittels einer Vielzahl, nach dem Nagelbrettprinzip angeordneter und in Messtiefenrichtung beweglicher Messtaster, welche sich an ein dreidimensionales Objekt anpassen und somit die 3D-Oberfläche nachbilden.
Die Auswertung erfolgt dabei durch elektrische Erfassung der Messtiefe der einzelnen Messtaster in Zeilen und Spalten sowie anschließender Digitalisierung und Darstellung mittels Rechner.
Das mechanische Messsystem zur Vermessung auch komplexer dreidimensionaler Geometrien mittels einer Vielzahl, nach dem Nagelbrettprinzip, angeordneter und in Messrichtung beweglicher Messtaster, welche sich an ein dreidimensionales Objekt anpassen und somit die 3D-Oberfläche nachbilden hat die Aufgabe, auf einfache und wenig kostenintensive Art und Weise dreidimensional geformte Körper auch komplexer Geometrie zu Vermessen sowie das Messergebnis elektronisch zu erfassen, zu digitalisieren und einem Rechner zur Verfügung zu stellen.
Durch den zunehmend höheren Anspruch sowohl der Bevölkerung von Industrieländern als auch der Technik an maßgeschneiderten Produkten sowie durch die höheren Anforderungen an die Genauigkeit bei zunehmendem Kostendruck besteht die Notwendigkeit neue Messtechnologien zu entwickeln.
Es ist bekannt, dass derzeit zur Vermessung von dreidimensionalen Körpern bzw. Geometrien Technologien wie laserbasierte Scanner, holographische Methoden, Ultraschalltechniken oder mechanische Taster zum Einsatz gebracht werden. Dabei nehmen Laserscanner den derzeit größten Marktanteil neben preiswerten wenig genauen mechanischen Messsystemen ein. Gerade bei letzteren werden einzelne Punkte nur nacheinander vermessen und im Anschluss interpoliert dargestellt.
Der Grundaufbau ist dabei seit Jahren gleich, d.h. das Objekt wird von außen berührungslos oder taktil vermessen, so dass die Daten in einem 2. Verfahrensschritt digitalisiert. und von einem Rechner verarbeitet werden können.
Bei mechanischen Messsystemen unterscheidet man zwischen einfachen Geräten, welche nur die Außenkontur in Länge und Breite beschreiben und Systemen, die das Objekt an mehreren Stellen abtasten. Hierbei werden die Daten digitalisiert und mittels Rechner sowohl interpoliert als auch in eine dreidimensionale Darstellung umgewandelt.
Bei kommerziellen 3D-Laserscannern kann entsprechend der Funktionsweise und dem Stand der Technik in 2 Gruppen unterschieden werden, wobei es neben Laserscannern nach N. A. Borghese, G. Ferrugno, G. Baroni, S. Ferrari, R. Savare, Autoscan: A Flexible and Portable 3D Scanner, in IEEE Computer Graphics and Applications, Seite 38-41, 1998 noch weitere Möglichkeiten – wie oben bereits erwähnt – gibt, um ein dreidimensionales Abbild eines Objektes zu erstellen (z.B. Ultraschallsysteme, Stereokameras).
Zum einen gibt es punkt- bzw. streifenbasierte und zum anderen lichtlaufzeitmessungs-basierte Laserscanner. Bei ersteren wird ein Laserpunkt oder Laserstreifen auf ein Objekt projiziert, wobei mehrere Sensoren diesen Punkt bzw. Streifen detektieren. Im weiteren wird nach J. Hertzberg, E. Rome, F. Kirchner, U. Licht, H. Streich, Th. Christaller, MAKRO – Bau einer mehrsegmentigen autonomen Kanalroboterplattform, Zeitschrift Wasser und Rohrbau 10, Seite 37-40, 1999 mittels Trianguliation der Abstand zum Objekt bestimmt oder aus der Verformung des Musters auf die Geometrie geschlossen.
Bei Lichtlaufzeitmessung basierten Laserscannern wird ein gepulster Laserstrahl zum Objekt gesendet und dort diffus reflektiert. Aus der Reflexion kann somit die Lichtlaufzeit und Geometrie bestimmt werden.
Weiterhin können derartige Messsysteme hinsichtlich ihrer Größe in mobile und immobile Systeme unterschieden werden. Preisgünstige mobile 3D-Laserscanner für größere Objekte sind zur Zeit auf dem Markt jedoch kommerziell nicht verfügbar.
Als nachteilig bei den derzeit eingesetzten 3D-Vermessungssystemen kann somit der hohe Anschaffungspreis sowie die Immobilität größerer Systeme genannt werden. Weiterhin ist die teilweise komplizierte Bedienung und Handhabung insbesondere bei der Vermessung von Körperteilen (z.B. Hand oder Fuß) zu nennen.
Aufgabe der Erfindung
Ziel der Erfindung ist, durch ein Messsystem zur Vermessung auch komplexer dreidimensionaler Geometrien mittels einer Vielzahl in Messrichtung beweglicher Messtaster (nach dem Nagelbrettprinzip), welche sich an ein dreidimensionales Objekt anpassen und somit dieses nachbilden kann, ein Messsystem zur Verfügung zu stellen, welches bei geringerem Preis einfach zu handhaben ist sowie die Auswertung durch elektrische Erfassung der Messtiefe der einzelnen Messtaster in Zeilen- und Spaltenrichtung mit nachfolgender Digitalisierung und Darstellung mittels PC ermöglicht.
Das vorgestellte Messsystem bzw. Messverfahren stellt durch die beweglichen Messtaster, welches entsprechend einem Nagelbrett aus beliebig vielen Zeilen und Spalten von Einzelsensoren angeordnet ist, somit eine geeignete, einfache sowie wirtschaftliche Modifikation dar, um auch komplexe Geometrien zeitnah und damit wirtschaftlich hochgenau erfassen zu können.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich durch die in den Ansprüchen weiterhin angegebenen Kennzeichen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird im folgenden anhand der in den Prinzipskizzen dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert.
Der in 3 dargestellte Flächensensor, bestehend aus beliebig vielen Zeilensensoren (2) die wiederum aus einer beliebigen Anzahl von Einzelsensoren (1) bestehen, zeichnet sich durch die erfindungsgemäße Kombination einer Vielzahl in Messtiefenrichtung beweglicher Messtaster (1) zur Vermessung auch komplexer Geometrien aus.
Der einzelne Messtaster (1) ist beweglich und wird durch die beiden Führungs- (4) und Kontaktelemente (5) geführt, wobei der Messtaster (1) seine Position innerhalb des Führungselementes (4) auf eine durch mechanische Berührung der Messspitze (3) mit dem zu vermessenden Objekt (13) vorgegebene Lage verändert.
Nachfolgend kann über die relative Längenänderung (14) zwischen den beiden Führungs- (4) und Kontaktelementen (5) infolge der Bewegung des Messtasters (1) eine Veränderung des elektrischen Widerstandes zwischen diesen Elementen (4, 5) gemessen werden. Dabei repräsentiert der zwischen den beiden elektrischen Anschlüssen (11, 12) messbare elektrische Widerstand das Maß s, welches die Wegveränderung (14) der Messspitze (3) relativ zum Führungselement (4) darstellt.
Die elektrischen Anschlüsse sind dabei derart angeordnet, dass jeweils ein Kontakt (11) bei einer zeilenweisen Anordnung mehrerer Einzelsensoren (1) in Zeilenrichtung (15) sowie der andere Kontakt (12) bei einer spaltenweisen Anordnung in Spaltenrichtung (16) kontaktiert. In der jeweils anderen Anordnungsrichtung sind die entsprechenden Kontakte der Einzelsensoren (1) gegeneinander isoliert.
Die Andruckkraft des Messstabes (1) an das zu vermessende Objekt (13) bei einer derartigen Messung, wird durch eine Feder (8) oder durch über ein Ventil (9) eingeleitete Druckluft erzeugt.
Über eine Messkette bestehend aus Messverstärker (17), Analog/Digital-Umsetzer (18) und Auswerterechner (19) wird der elektrische Widerstand zwischen den Klemmen 11 und 12 erfasst und mit im Rechner (19) hinterlegten Kalibrierinformationen in die entsprechende Längeninformation umgewandelt. Hierbei sind die Klemmen (20, 21) der Messkette mit den Klemmen (11, 12) des Einzelsensors verbunden. Die Kalibrierinformation wird vorzugsweise regelmäßig während eines speziellen Kalibriermessvorgangs neu ermittelt.
Dabei besteht ein Zeilensensor (2) aus n Einzelsensoren. Diese sind mechanisch derart aneinandergekoppelt, dass die Anschlüsse (12) aller Einzelsensoren elektrisch miteinander verbunden sind bzw. durch einen gemeinsamen Anschluss (31) ersetzt werden und für die Messung des Widerstandes einen gemeinsamen Anschluss der n Einzelsensoren bilden. Die Anschlüsse (11) der Einzelsensoren sind hingegen gegeneinander isoliert.
Die Auswertung eines Zeilensensors erfolgt in einer Ausführung über n Messketten. Diese erfassen unabhängig voneinander die n Widerstände, welche die Messgröße repräsentieren.
Hierbei können in einer weiteren Ausführung, durch Multiplexen der Messsignale, auch weniger Messketten zum Einsatz gebracht werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Messkette verwendet, der ein n zu 1 Analog-Multiplexer (32) vorgeschaltet ist. Die Anschlüsse (33) des n zu 1 Multiplexers (32) sind dabei mit den Kontakten (11) und der Anschluss (34) mit dem Kontakt (31) des Zeilensensors verbunden. Die Ansteuerung des Multiplexers erfolgt über den Steuerrechner der Messkette.
Im weiteren besteht ein Flächensensor aus m Zeilensensoren (40). Diese sind derart mechanisch miteinander verbunden, dass die Anschlüsse (11) aller Einzelsensoren einer Zeile mit allen Einzelsensoren der gleichen Spalte aller Zeilen elektrisch verbunden sind.
In einer besonderen Ausführungsform können auch die Anschlüsse (11) der Einzelsensoren einer Spalte durch einen gemeinsamen Anschluss (41) ersetzt werden.
Es entsteht so eine Matrix aus n × m Einzelsensoren. Bei dieser Matrix besitzt jede Zeile (42) genau einen elektrischen Anschluss (31) und jede Spalte (43) genau einen elektrischen Anschluss (41). Zwischen der Zeile i und der Spalte j lässt sich der Widerstand des Einzelsensors Ei,j messen.
Die elektrische Auswertung einer Zeile wird dabei derart modifiziert, dass der gemeinsame Zeilenanschluss während der Messung nicht direkt an den Messverstärker gelegt wird, sondern über einen m zu 1 Analog Multiplexer (45) mit den ersten Eingängen der Messkette (n) verbunden wird. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die n Zeilenanschlüsse (31) des Flächensensors mit den Anschlüssen (33) eines n zu 1 Multiplexers (44) verbunden und die m Spaltenanschlüsse (41) des Flächensensors mit den Anschlüssen (43) eines m zu 1 Multiplexers (45) verbunden. Die Multiplexer werden über den Steuerrechner der Messkette angesteuert.

Claims

Elektromechanisches Messsystem zur Vermessung auch komplexer dreidimensionaler Geometrien mittels einer Vielzahl, nach dem Nagelbrettprinzip angeordneter und in Messtiefenrichtung beweglicher Messtaster/Einzelsensoren (l), welche sich an ein dreidimensionales Objekt anpassen und somit die 3D-Oberfläche nachbilden dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung durch elektrische Erfassung der Messtiefe der einzelnen Messtaster/Einzelsensoren in Zeilen und Spalten vor der nachfolgenden Digitalisierung und Darstellung mittels Rechner erfolgt.
Elektromechanisches Messsystem nach dem Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein Flächensensor aus m Zeilensensoren (40) und diese je aus n Einzelsensoren (30) besteht, wobei diese mechanisch derart miteinander verbunden sind, dass die Anschlüsse (11) aller Einzelsensoren einer Zeile mit allen Einzelsensoren dergleichen Spalte aller Zeilen elektrisch verbunden sind.
Elektromechanisches Messsystem nach den Ansprüchen 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix aus n × m Einzelsensoren, bei welcher jede Zeile (42) genau einen elektrischen Anschluss (31) besitzt sowie jede Spalte (43) genau einen elektrischen Anschluss (41) aufweist und sich somit der Widerstand des Einzelsensors Ei,j zwischen der Zeile i und Spalte j messen lässt, besteht.
Elektromechanisches Messsystem nach einem oder mehrerer Ansprüche 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Auswertung einer Zeile derart modifiziert wird, das der gemeinsame Zeilenanschluss während der Messung nicht direkt an den Messverstärker gelegt wird, sondern über einen n zu 1 Analog-Multiplexer mit den ersten Eingängen der Messkette (n) verbunden wird.
Elektromechanisches Messsystem nach einem oder mehrerer Ansprüche 1, 2, 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, dass die n Zeilenanschlüsse (31) des Flächensensors mit den Anschlüssen (33) eines n zu 1 Multiplexers (44) und die Spaltenanschlüsse (41) des Flächensensors mit den Anschlüssen (43) eines m zu 1 Multiplexers (45) verbunden sind.
Elektromechanisches Messsystem nach einem oder mehrerer Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Multiplexer über einen Steuerrechner der Messkette angesteuert werden.
Elektromechanische Messsysteme nach einem oder mehrerer Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Messtaster/Einzelsensor beweglich ist und durch die beiden Führungs- und Kontaktelemente (4, 5) geführt wird.
Elektromechanisches Messsystem nach einem oder mehrerer Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7 dadurch gekennzeichnet, dass der Messtaster/Einzelsensor seine Position innerhalb des ersten Führungs- und Kontaktelementes (4) während des Messvorgangs auf eine Endposition, die durch eine mechanische Berührung des Messspitze (3) mit dem Messobjekt (13) definiert ist, ändert.
Elektromechanisches Messsystem nach einem oder mehrerer Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, dass durch die relative Längenänderung (14) zwischen den beiden Führungs- und Kontaktelementen (4, 5) infolge der Bewegung des Messtasters sich der elektrische Widerstand ändert und somit die Auslenkung (14) der Messspitze diesen repräsentiert.
Elektromechanisches Messsystem nach einem oder mehrerer Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdruckkraft des Messtasters an das Messobjekt sowohl durch eine Feder (8) als auch durch über ein Ventil (9) eingeleitete Druckluft eingebracht werden kann.
Elektromechanisches Messsystem nach einem oder mehrerer Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 dadurch gekennzeichnet, dass über eine Messkette bestehend aus Messverstärker (17), Analog/Digital-Umsetzer (18) und Auswerterechner (19) der elektrische Widerstand zwischen den Klemmen 11 und 12 erfasst und mit im Rechner hinterlegten Kalibrierinformationen in die entsprechende Längeninformation umgewandelt wird.
Elektromechanisches Messsystem nach einem oder mehrerer Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 oder 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierinformation vorzugsweise regelmäßig während des Kalibriermessvorgangs neu ermittelt wird.
Elektromechanisches Messsystem nach einem oder mehrerer Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 oder 12 dadurch gekennzeichnet , dass der Einzelsensor aus dem Messtaster (1) aus elektrisch leitfähigem Material, vorzugsweise gefüllter oder ungefüllter Kunststoff mit einem spezifischen längenbezogenen Widerstand > 10 Ohm/mm, ein auf dem Messtaster (1) befestigten leitfähigen Gleitführungs- und Kontaktelement (2), welches vorzugsweise als Ring auf dem Messtaster (1) fixiert ist, einer Messspitze (3), welche während des Messvorgangs den zu vermessenden Körper berührt und vorzugsweise auswechselbar ist, einem ersten elektrisch leitfähigen Führungs- und Kontaktelement (4), wobei der Kontakt möglichst linienartig, vorzugsweise ringförmig erfolgen sollte, einem zweiten elektrisch leitfähigen Kontaktelement (5), wobei der Kontakt auf das Kontaktelement (2) des Messtasters auch hier möglichst linienartig, vorzugsweise ringförmig erfolgen sollte, vorzugsweise ausgeführt als elektrisch leitfähige Feder, einem Gehäuse (20) vorzugsweise ausgeführt als Kunststoffspritzgussteil, einem Bewegungsraum (6) in dem der Messtaster beweglich und über das Gleitführungs- und Kontaktelement (2) mit dem zweiten leitfähigen Führungs- und Kontaktelement (5) verbunden untergebracht ist, einer Kammer (7) über dem Bewegungsraum der zur Aufnahme einer Kraftquelle dient, einer Kraftquelle (8), welche aus einer elektrisch leitenden Feder (8) besteht und in einer besonderen Ausführungsform aus einem Druckluftpuffer, welches durch Einlassventil (9) in die Kammer geleitet wird, einem elektrisch nicht leitenden Element (10), welches die beiden Führungs- und Kontaktelemente mechanisch miteinander verbindet und die Gesamtgeometrie des Einzelsensors bestimmt, vorzugsweise ausgeführt als Kunststoffspritzgussteil, einem elektrischen Anschluss (11) an dem ersten Führungs- und Kontaktelement, einem elektrischen Anschluss (12) an dem zweiten Führungs- und Kontaktelement, einem Messverstärker (17) zum Messen und Verstärken eines elektrischen Widerstandswertes, vorzugsweise als Brückenverstärker ausgeführt, einem Analog/Digital-Umsetzer (18), welcher das analoge Messsignal digitalisiert und dem Rechner zur Verfügung stellt, einen Rechner (19), vorzugsweise ein Microcontroller, welcher die Messsignale erfasst, entsprechend der gespeicherten Kalibrierinformation umrechnet und einer Weiterverarbeitung beispielsweise zur Anzeige oder Abspeicherung zuführt besteht.
Elektromechanisches Messsystem nach einem oder mehrerer Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 oder 13 dadurch gekennzeichnet, dass nur eine Zeile ausgeführt wird.
Elektromechanisches Messsystem nach einem oder mehrerer Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 oder 13 dadurch gekennzeichnet, dass ein Einzelsensor einer Zeile ausgeführt wird.