DE19504126A1 - Vorrichtung und Verfahren zum berührungslosen Vermessen dreidimensionaler Objekte auf der Basis optischer Triangulation - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum berührungslosen Vermessen dreidimensionaler Objekte auf der Basis optischer Triangulation gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 bzw. 9.

Verfahren zum berührungslosen Vermessen der Außenkonturen von dreidimensionalen Objekten mittels elektromagnetischer Strah­ lung auf der Basis optischer Triangulation sind bekannt. Hierbei befindet sich das Objekt auf einem Drehteller und wird mittels einer Abtasteinheit, die relativ zum Drehteller in x- und z-Richtung bewegbar ist und eine Strahlungsquelle sowie Strahlungsdetektoren enthält, abgetastet. Bei derarti­ gen Vorrichtungen wir der von der Abtasteinrichtung ausge­ hende und am Objekt remittierte Meßstrahl hinsichtlich des Auftreffpunktes auf einen in der Abtasteinrichtung angeordne­ ten Sensor untersucht, wobei das Sensorausgangssignal mit einer Auswerteeinheit rechnergestützt weiterverarbeitet wird, um entsprechende Informationen über die Objektoberflächenent­ fernung, x-, y- und z-Lage der Abtasteinheit und der Drehlage des Drehtellers zu erfassen, um daraus wiederum dreidimensionale, digitale Daten zur Verfügung zu stellen.

Derartige Daten werden dann abgespeichert, um in 3D-Bildbear­ beitungssystemen, z. B. zur Steuerung einer numerischen Werkzeugmaschine zur Verfügung zu stehen.

Die Vermessung dreidimensionaler Objekte mittels optoelektro­ nischer Sensorik und auf der Basis der Triangulation ermög­ licht eine genaue Datenerfassung, welche schneller möglich ist, als dies mit mechanischen Abtastvorrichtungen realisiert werden kann.

Bei der aus der DE 39 10 855 C2 vorbekannten Vorrichtung zum Vermessen dreidimensionaler Objekte soll der konstruktive Aufwand, insbesondere zur Bewegung der Abtasteinheit in X- und Z-Richtung vereinfacht werden. Gemäß der dortigen Lösung wird ein handelsüblicher EDV-Plotter als X- und Z-Schlitten für die Abtasteinheit verwendet, welcher auf einem L-förmigen Grundgestell montiert ist. Der waagerechte Schenkel des L-förmigen Grundgestells dient der Befestigung des Drehtellers, wobei der vorerwähnte EDV-Plotter auf dem senkrechten Schen­ kel des Grundgestells angeordnet ist.

Ein Problem ergibt sich dann, wenn mit der dort gezeigten Vorrichtung Objekte vermessen werden sollen, die Hinter­ schneidungen oder verdeckte Stellen aufweisen. In diesem Falle muß nämlich die Meßeinheit zusätzlich in Y-Richtung verfahrbar sein. Eine derartige, in zwei Ebenen senkrecht zu­ einanderstehende Verfahrbarkeit erhöht jedoch zum einen den mechanisch konstruktiven Aufwand und führt zum anderen zu einer Instabilität und mechanischen Schwingungen der gesamten Meßeinheit. Darüberhinaus ist es außerordentlich schwierig, in zwei Ebenen möglichst schnell mit hoher Dynamik Lageverän­ derungen vorzunehmen, wobei zu bedenken ist, daß Ungenauig­ keiten in der Positionierung der Abtasteinheit mit den Senso­ ren bzw. der Strahlungsquelle eine erhebliche Verschlechte­ rung der Meßgenauigkeit nach sich ziehen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum berührungslosen Vermessen dreidimensionaler Ob­ jekte auf der Basis optischer Triangulation anzugeben, welche es gestatten, ein Objekt mit hoher Präzision auch dann zu vermessen, wenn dieses Objekt Hinterschneidungen, verdeckte Stellen, Sacklöcher oder ähnliches aufweist.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem Gegen­ stand nach den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 9, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, einen Abtast­ kopf auszubilden, welcher in vertikaler, d. h. in z-Richtung linear bewegbar ist und der weiterhin eine Antriebseinheit aufweist, welche ein vorgegebenes Verschwenken, Kippen und/oder Drehen des Abtastkopfes an einer jeweils vorgegebe­ nen z-Position, d. h. an einem Fixpunkt ermöglicht.

Gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung erfolgt die Bewe­ gung des Drehtisches, welcher der Aufnahme des zu vermessen­ den Objektes dient, quasi-kontinuierlich, wodurch uner­ wünschte Schwingungen des Objektes oder der gesamten Vorrich­ tung mit dem Nachteil geringer Meßgenauigkeit, wie dies bei schrittweisem Drehantrieb gegeben ist, vermieden werden.

Das dreidimensionale Vermessen erfolgt dann dadurch, daß das auf dem Drehteller bzw. Drehtisch befindliche Objekt auf einer ringähnlichen Umfangslinie, in nicht unbedingt fort­ schreitender Reihenfolge, punktweise abgetastet wird. Nach jeder Umdrehung des Drehtisches wird der Abtastkopf in z-Richtung um einen vorgegebenen Schritt weitertransportiert. Anschließend erfolgt das Abtasten eines nächsten Ringes und die entsprechende Datenübertragung. Die vorstehende Verfah­ rensweise wird so lange wiederholt, bis das gesamte Objekt umfangsmäßig abgetastet ist. Die an eine nachgeordnete Daten­ verarbeitungseinrichtung übertragenen Informationen beschrei­ ben demnach Punkte auf der Oberfläche des Objekts als X-, Y-, Z-Koordinaten.

Die vorstehend beschriebene Abtastung wird mindestens in einer vorgegebenen Winkelstellung des Abtastkopfes durchge­ führt. Es hat sich herausgestellt, daß bei sehr ungleichmäßi­ gen Objekten eine Mehrfachabtastung, quasi zur Bildung einer Abtastpunktwolke, in unterschiedlichen Winkelstellungen zweckmäßig ist. Mit Hilfe dieser Mehrfachabtastung wird ein spezielles Abtastfenster gebildet, wobei die in diesem Fen­ ster erhaltene Vielzahl von Informationen in der Datenverar­ beitungseinheit zu einer eindeutigen Aussage über die Konfi­ guration bzw. Oberflächengestaltung des Objektes eben an die­ ser Stelle zusammengefügt wird.

Durch die Möglichkeit des Schwenkens der Blickrichtung des Abtastkopfes um die Vertikalachse um einen bestimmten vor­ wählbaren Winkel können unterschiedliche Blickrichtungen auf das Objekt eingestellt werden. Hierdurch können in vorteil­ hafter Weise verdeckte Oberflächenteile durch Messungen mit Hintergriff erkannt werden. Damit können ansonsten nicht ein­ sehbare Flächenstücke des Objektes, besonders bei mehrfach zusammenhängenden Oberflächen, also z. B. Oberflächen mit Durchgangslöchern, ausreichend genau abgescannt werden. Durch eine Einstellung der Blickrichtung des Abtastkopfes durch Kippen desselben um im wesentlichen 90° um die Rollachse der Beobachtungsrichtung und Schwenken der Meßkopfblickrichtung in der Neigungsachse um einen vorwählbaren Winkel können schlecht vermeßbare Oberflächenstücke des Objektes, wie z. B. achsennahe oder weitgehend horizontale bzw. waagerechte Ober­ flächenbereiche erfaßt werden.

Durch mehrfach vorhandene Empfängerbaugruppen, d. h. Strah­ lungsdetektoren und entsprechende Optiken, kann eine höhere Signalwahrheit erreicht werden. Dies dient damit der Verbes­ serung der Signalsicherheit bei Remissionsproblemen durch entsprechende logische Prüfalgorithmen. Letztendlich wird hierdurch die horizontale Ortsgenauigkeit durch geometrisches Ausschalten des Symmetriefehlers verbessert sowie der Abso­ lutfehler verringert.

Ein weiterer, wesentlicher Grundgedanke der Erfindung besteht darin, eine dynamische Regelung der Lichtleistung der verwen­ deten Strahlungsquelle, z. B. einer Laserdiode, vorzunehmen, wodurch die Deutungswahrscheinlichkeit des remittierten Lichtsignals auf den Strahlungsdetektoren und damit die Meß­ genauigkeit erhöht werden kann. Durch eine einfache, steuer­ bare Verlängerung der Integrationszeit der als Strahlungsde­ tektoren verwendeten CCD-Zeilen oder Erhöhung der Laser­ lichtintensität können auch weit entfernte, winkelmäßig sehr ungünstige und/oder schwach reflektierende Objekte sicher vermessen werden.

Die Gewinnung der Tiefeninformation aus dem erhaltenen Ge­ samtsignal des CCD-Zeilensignals erfolgt einmal durch Messen beider Signalpeakflanken und arithmetischer Mittelung oder andererseits mit einer Entfaltung bzw. Teilentfaltung, z. B. durch entsprechende analoge Signalverarbeitung, bei welcher zunächst hohe Frequenzen ausgefiltert werden, differenziert, geglättet, nochmals differenziert und dann von der geglätte­ ten Ursprungsfunktion die gewichtete zweite Ableitung subtra­ hiert wird. Alternativ kann eine digitale Entfaltung oder De­ fuzzyfizierung erfolgen.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die zugehörige Vorrichtung sollen nunmehr anhand eines Ausführungsbeispieles und von Figuren näher erläutert werden.

Hierbei zeigen:

Fig. 1a, b prinzipielle Darstellungen des optischen Triangula­ tionsverfahrens mit dem Ziel der Verdeutlichung des Wirkungsprinzips des Abtastkopfes und

Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau der Vorrichtung mit den angedeuteten Möglichkeiten des Verschwenkens und Kippens des Abtastkopfes.

Mit den Fig. 1a, b sollen zunächst die Meßgeometrie des Abtastkopfes und die damit realisierte optische Triangulation kurz erläutert werden.

Zwei CCD-Zeilen 1 sind in vorgegebener Winkelposition im we­ sentlichen symmetrisch zum Strahlengang eines als Strahlungs­ quelle dienenden Lasers 2 angeordnet. Jeder CCD-Zeile 1 ist ein entsprechendes Objektiv 3 zugeordnet. a ist ein Meßpunkt des zu vermessenden Objektes und die Zeilenpixelnummer na stellt die Maßverkörperung der Meßentfernung a, die mittels der CCD-Zeilen 1 gewonnen wird, dar.

Das vom Laser 2 ausgesandte gebündelte Licht wird von der Oberfläche des abzutastenden Objektes reflektiert. Der Remis­ sionsanteil wird innerhalb des Meßbereiches durch die Optik 3 erfaßt und als Meßgröße na von den jeweiligen CCD-Zeilen 1 ausgewertet. Diese auf der jeweiligen CCD-Zeile 1 ermittelte Position wird als Maß für die Bestimmung der Entfernung des abgetasteten Punktes auf der Oberfläche des dreidimensionalen Körpers benutzt.

Da das Empfängerobjektivbildfeld noch eine Restwölbung hat, wird der Fokus nur an 2 Punkten auf der ebenen CCD-Zeile ideal scharf abgebildet. In der Triangulationsrechnung werden die Objektivhauptebenenabstände, die Strahlversätze durch die CCD-Zeilenfenster und die Bandfilter sowie die gemessenen CCD-Zeilenmittelwerte und/oder Daten in Form einer scannob­ jektbezogenen Targeteichung berücksichtigt.

Die Objekttastort-Datentripelerrechnung erfolgt unter Berück­ sichtigung des Meßkopf-/Objektdrehachsenabstands, der Objek­ tivdrehwinkellage, der Meßentfernung, des Meßkopfschwenkwin­ kels, des Meßkopfkippwinkels und der Überhöhung des Meß­ strahls über die Drehtellerebene am Meßkopfort.

In einer Ausgestaltung der Erfindung sind die CCD-Zeilen 1 und/oder die Objektive 3 bewegbar. Die Strahlung des Lasers 2 wird mit einer nicht gezeigten, später erläuterten, automati­ schen Fokussierung dynamisch fokussiert, um bei Objekten mit unterschiedlichem Durchmesser die Meßgenauigkeit zu erhöhen.

Durch die mehrfach vorhandenen Empfängerbaugruppen bzw. CCD-Zeile 1 mit den zugehörenden Objektiven 3 wird die Fehler­ wahrscheinlichkeit durch das Ausschalten meßprinzipbedingter Fehler verringert und Probleme bei unterschiedlich remittie­ renden Oberflächen oder Oberflächenteilen des Objektes ausge­ schaltet.

Mittels spezieller Schritte werden die anfallenden Daten auf Relevanz geprüft.

Im Idealfall wird der Meßwert aus beiden Kanälen gemittelt.

Fällt ein Meßkanal wegen fehlendem Signal aus, wird nur der andere Kanal zur Meßwertgewinnung herangezogen. Das gilt u. a. auch für zu geringe Meßsignalamplituden, für Meßsignale au­ ßerhalb des Meßbereiches und für Doppelsignale.

Die erkannten Fehlerursachen werden ebenfalls dem Aus­ werterechner gemeldet.

Je nach Objektoberflächeneigenschaften kann die Zeilen­ empfindlichkeit vorgewählt werden.

Zur Erhöhung des Auflösungsvermögens wird die physikalische Photoelementezahl (Pixelanzahl) der CCD-Zeilen auf elektri­ schem Wege faktisch verdoppelt.

Pro Objektumdrehung anfallende Datensätze werden zwischenge­ speichert. Durch Wechsel der Speicher nach jeder vollen Ob­ jektdrehung und wechselweises Weitersenden ist eine naht­ freie, also 36° umfassende Aufnahme der Objektoberfläche auch bei der höchsten Abtastrate möglich.

Die CCD-Zeilenpixelnummerndaten werden in Objektoberflächen­ pixeldaten umgerechnet und können durch ihren geordneten An­ fall in einem speziellen extrem speicherplatzsparenden Daten­ format abgelegt werden.

Es liegt im Sinne der Erfindung, die Meßgenauigkeit durch Meßwertakkumulation und Mittelwertbildung zu erhöhen und die Auswirkungen von Rauschen zu minimieren.

Die Kinematiken von Scanngerät und Justiervorrichtungen sind so gewählt, daß 180°- Schwenks und/oder Ortsaustausch letzte­ rer eine justiergünstige Subtraktion der Fehler bei Meßent­ fernung, Drehachsenquer- und Längsabweichung sowie Strahlnei­ gung und Rechtwinklichkeitsfehler ermöglichen.

Verbleibende aber vermessene Restfehler der Scannkinematik und der Führungsbahngeradheiten und -ebenheiten bzw. Führungs­ bahnschieflagen können als Addition bzw. Subtraktion von ke­ gelstumpfförmigen Korrekturkörpern bei der Objekttastort- Da­ tentripelerrechnung berücksichtigt werden.

Für quasidynamische bzw. zeitaufgelöste Messungen durch fort­ laufende Wiederholungsmessungen mit außerordentlich schnellem Meßwert- bzw. Datenfluß können auch einzelne Punkte, Ringe, Spiralbahnen oder vertikale Linien als Quasiortsraum-Meßwert­ fenster für die Analyse des Zeitverhaltens, z. B. für das Ei­ genschwingverhalten, vorgewählt werden. Die CCD-Zeilen 1 sind in jeweils drei Translations- und Rotationsrichtungen ju­ stierbar (nicht gezeigt). Die Zeilen können dabei so justiert sein, daß auch mehrere Zeilen annähernd die gleichen CCD-Ein­ zelphotoelementnummern anzeigen, und daß die Signaldynamiken innerhalb einer Zeile bei gleichen äußeren Bedingungen weit­ gehend gleich sind.

Die Meßgenauigkeit kann weiterhin dadurch erhöht werden, daß eine speziell geformte, kombinierte Loch- und Ringblende bzw. ein entsprechender Blendensatz so vorhanden und ausgestaltet ist, daß sich als Superposition der Beugungserscheinungen die weitgehend glatteste Hüllkurve der Lichtfleckstruktur auf dem Objekt ergibt.

Die für den Laser 3 verwendete Optik gestattet die Ausbildung einer Beleuchtungsfläche am Objekt mit einem Durchmesser kleiner gleich 0,2 mm. Die Auflage für die Objektive 3 ist bezogen auf die Anordnung der CCD-Zeilen 1 separat und für entsprechende Winkel gegenüber der Lichtwellenachse in einem Bereich von 5 bis 20°schwenkbar. Anstelle des verwendeten La­ sers kann alternativ auch eine Xenon-Hochdrucklampe mit einem entsprechenden Kollimator zur Einstellung der Strahltaille und zur Bildung einer Quasipunktlichtquelle eingesetzt wer­ den.

Der Laser 2, der Kollimator und der Kollimatorantrieb sind als einheitliche optische Fokussiereinheit ausgebildet. Die zur Fokussierung erforderlichen, beweglichen Kollimatorenele­ mente sind vollständig im Kollimatorantrieb aufgehangen.

Der eigentliche Kollimatorantrieb setzt sich aus der An­ triebseinheit und der Kollimatoraufhängung zusammen, welche im wesentlichen aus einer eine Gegenkraft erzeugenden Feder­ einheit besteht. Die beweglichen Teile des Kollimatorantrie­ bes und der Kollimatoraufhängung sind in Leichtbauweise, vor­ zugsweise unter Verwendung von Kunststofflaminaten, ausge­ führt. Mittels des speziellen Kollimatorantriebes kann die Einstellung des Fokuspunktes auf dem Objekt durch den Kolli­ mator und mit einer Dynamik bis hinein in den Kilohertzbe­ reich erfolgen.

Die Antriebseinheit des Kollimators ist ein Linearantrieb mit hohem Beschleunigungsvermögen durch geringe Masse bei hohen Einstellgeschwindigkeiten. Der Antrieb selbst sitzt direkt auf der optischen Achse, wodurch eine direkte Kraftübertra­ gung und Minimierung sekundärer Bahnfehler erreicht wird. Der Antrieb ist weiterhin als ein magnetisches Tauchspulen­ system ausgebildet, wobei die Tauchspule eine angenähert li­ neare Kennlinie aufweist. Der vorstehend erwähnte Antrieb wird unter Vorlast betrieben. Dies erlaubt nach erfolgter me­ chanischer Grundeinstellung der Fokussiereinheit, diese elek­ trisch fein zu justieren und gegebenenfalls optimale Bereiche des Zusammenwirkens der Vorspannfederkennlinie und der Kenn­ linie des eigentlichen Antriebes auszuwählen.

Der Kollimatorantrieb wird elektrisch derart angesteuert, daß sich der Ablenkstrom PID-artig aus einem Beschleunigungs­ strompuls, dem eigentlichen Auslenkstrom und einem kurzen Ab­ bremsstrompuls, überlagert von einem ständig anliegenden Justiergrundstrom zusammensetzt. Hierdurch kann äußerst schnell und einfach justiert und fokussiert werden.

Die Bestimmung der Strommenge zur Magnetantriebssteuerung er­ folgt durch Auswertung des Meßsignals eines optischen Entfer­ nungsmessers und über Look-up-Tabellen und anschließende Be­ rechnung mittels eines Einchip-Mikrorechners. Unter Beachtung des Fokussierpunktverlaufes kann die Stromsignalbereitstel­ lung für den Antrieb adaptiv oder auf Erfahrungswerten auf­ bauend quasi fuzzylogisch bereitgestellt werden. Hierdurch ist eine besonders schnelle, hoch dynamische Fokussierung möglich.

Die Fig. 2 dient der Erläuterung der Vorrichtung zum Vermes­ sen dreidimensionaler Objekte und zeigt ein im wesentlichen U-förmiges Grundgestell 4. Den einen Schenkel bildet ein Drehteller 5. Im waagerechten, fußförmigen Teil 4 befindet sich auch der Antrieb für den Drehteller 5. Die Gestaltung der Antriebe als Mikro-Schrittantriebe mit speziellen Hoch­ lauf- und Abbremskurven gewährleistet einen sicheren schwin­ gungsarmen Betrieb.

Der Abstand zwischen Meßkopf- und Objektdrehteller-Drehachse kann dabei motorisch oder durch Umsetzen von Hand je nach ge­ wollter Lage des Entfernungsmeßbereiches zur Objektlage schrittweise oder quasikontinuierlich frei vorgewählt werden.

Ein vertikaler, in z-Richtung gebildeter Schenkel 8 des Ge­ stells nimmt die Mittel zum Vertikalantrieb des Abtastkopfes 6, der die Strahlungsquelle (Laser) 2 und die Empfänger (CCD-Zeilen) 1 umfaßt, auf.

Der Abtastkopf 6 verfügt über einen im einzelnen nicht ge­ zeigten Schwenkantrieb.

Die gesamte mechanische Grundkonstruktion ist mit schwin­ gungsdämpfenden Mitteln versehen, die im aufgestellten Zu­ stand noch Stöße kleiner gleich 3g vom Geräteinneren abhalten können.

Der Vertikal- und Schwenkantrieb ist als Spindelantrieb aus­ gelegt, wodurch eine Positionsgenauigkeit im Bereich von kleiner gleich 15 µm erreicht werden kann. Der Antrieb des Drehtellers 5 besteht aus einem Flachriemenvorgelege und Schrittmotor. Das Auflösungsvermögen am Drehtellerumfang wird durch das gesamte Auflösungsvermögen des axialgekoppelten Drehgebers bestimmt und kann z. B. 8196 Impulse pro Umdrehung oder ganzzahlige Teiler davon betragen. Die unterschiedlichen Möglichkeiten des Verschwenkens sind in der Fig. 2 angedeu­ tet. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, daß der Abtastkopf 6 quasi in der Achse der Strahlungsquelle 2 verdreht wird.

Die Kopfschwenkbarkeit in der x-y-Ebene beträgt bei einem Ausführungsbeispiel mindestens ± 200, die Kippbarkeit in der x-z-Ebene ebenfalls mindestens ± 200.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können Objekte mit einem Durchmesser über 300 mm abgetastet werden, wobei das Abtastraster im Bereich von 0,05 bis 6,4 mm liegt. Die Auflö­ sung in Meßrichtung liegt im wesentlichen bei 50 µm. Die Wel­ lenlänge der verwendeten Strahlung beträgt 670 nm und die Meßfrequenz 5 kHz.

Das Scannobjekt 7 wird mit nicht gezeigten Spannmitteln auf dem Drehteller 5 befestigt. Mit Hilfe des Drehtellers 5 bzw. des Drehtellerantriebes dreht sich das dreidimensionale Ob­ jekt 7 am Abtastkopf 6 in waagerechter Richtung vorbei. Es sei angemerkt, daß vorteilhafterweise zur Funktionsüberwa­ chung der Antriebe berührungslos arbeitende Positionssensoren vorgesehen sind. Der Abtastkopf 6 wird, wie bereits erwähnt, von einem Vertikalantrieb in senkrechter Richtung am Abtast­ objekt 7 vorbeigeführt. Mit dem erwähnten Schwenkkipp- bzw. Drehantrieb sind unterschiedliche Winkel lagen des Abtast­ kopfes 6 hin zum Abtastobjekt 7 einstellbar.

Hierdurch gelingt es, auch zur x-y-Ebene parallele Ebenen er­ folgreich abzutasten, bzw. die Auswirkungen von Hinterschnei­ dungen oder Sacklochbohrungen oder ähnliches beim Scannen des Objektes zu vermeiden.

Die Abtastung erfolgt mindestens in einer Winkelstellung des Abtastkopfes 6. Bei sehr ungleichmäßigen Objekten wird zweck­ mäßigerweise eine Mehrfachabtastung bei konstantem z-Fixpunkt in unterschiedlichen Winkelstellungen des Abtastkopfes 6 durchgeführt.

Dabei sind schnelle grob gerasterte Probescanns zum Anmustern und Optimieren der Objektausrichtung möglich.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem zugehörenden Verfahren zum berührungslosen Vermessen dreidimensionaler Ob­ jekte auf der Basis optischer Triangulation kann unter Anwen­ dung spezieller Kinematiken auch die Konfiguration mehrfach zusammenhängender Oberflächen bestimmt werden. Die kinemati­ schen Parameter sind frei wählbar und können quasi kontinu­ ierlich durchfahren werden. So ist die Drehung des Drehtel­ lers, auf welchem das Objekt befindlich ist, beispielsweise in Schritten von 0 bis 4 Umdrehungen je Sekunde einstellbar. Zusätzlich kann eine Verschiebung des Drehtisches in Meßkopf­ richtung vorgenommen werden. Ein Verschwenken und Kippen bzw. Verdrehen des Abtastkopfes ermöglicht die Erfassung verdeck­ ter Flächengebiete. Der Rasterabstand in Vertikal- und in Ob­ jektumfangsrichtung liegt bei im wesentlichen 0,1 mm.

Alles in allem können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geometrisch komplizierte und mathematisch schwer beschreib­ bare Objekte, die über Hinterschneidungen, Sacklöcher und dergleichen verfügen, mit geringem Aufwand räumlich erfaßt werden, wobei die bereitgestellten 3D-Punktdaten von einem nachgeordneten PC oder einer Workstation weiter verarbeitet werden können. Dadurch, daß höchstens ein einziger linearer, nämlich ein Vertikalantrieb verwendet werden braucht und ei­ gentlich zusätzlich in konstruktiv einfacher Weise nur Schwenk-Kipp- bzw. Drehbewegungen eines Abtastkopfes an einem jeweiligen vertikalen Fixpunkt ausgeführt werden, kann eine höhere Genauigkeit bei der Positionierung des Abtastkopfes, bezogen auf einen vorgegebenen Punkt der Oberfläche des zu vermessenden Objektes, erfolgen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das zugehörige Verfahren werden besonders vorteilhaft zur Schuhleistenvermessung, im Formenbau im weitesten Sinne, bei Kunststoffspritz- und Druckerzeugnissen, beispielsweise für Spielzeuge und De­ signererzeugnisse, auch keramischen Formen sowie bei allen nicht kubistische bzw. Freiformflächen enthaltene, körperli­ chen Vorlagen, wie für orthopädische, dentaltechnische und archäologische Zwecke, die eine Fülle die Form charakterisie­ rende Meßortdaten enthalten, angewendet.

Auch werden damit an nicht körperlichen Objekten beliebiger nichträumlicher Koordinatenstrukturen, z. B. Farbkörper oder Raum-Zeit-Temperaturkörper anhand der Digitalisierung ihrer körperlichen Nachgestaltungen Simulationen von Prozessen in Koordinatensystemen mit beliebigen Meßgrößen als Koordinaten­ achsen möglich.

Claims (15)

1. Vorrichtung zum berührungslosen Vermessen dreidimensio­ naler Objekte auf der Basis optischer Triangulation, wobei die von einer Strahlungsquelle ausgesendete, gebündelte Strahlung die Oberfläche des Objektes abtastet und von dieser reflektiert wird und die Remission mittels Strahlungsdetekto­ ren erfaßt wird, die Strahlungsquelle sowie die Strahlungsde­ tektoren in einem in z-Richtung linear bewegbaren sowie ver­ schwenkbaren Abtastkopf angeordnet sind, mit folgenden Schritten:

• - Bestimmung des Ortes der reflektierten Strahlung auf mindestens eine als Strahlungsdetektor verwendete CCD-Zeile zur Ermittlung des Maßes der Entfernung des abge­ tasteten Punktes auf der Oberfläche des Objektes;
• - Drehung des Objektes im Objektabstand zum umfangsmäßi­ gen, ringweisen, waagerechten, in x-Richtung erfolgenden Abtasten des Objektes, wobei nach jeder Umdrehung ein schrittweises, fortlaufendes Abtasten in z-Richtung des Objektes erfolgt und die derart ring- oder scheibenweise gewonnenen Daten abgespeichert und zur dreidimensionalen Rekonstruktion des Objektes mittels einer Datenverarbei­ tungseinheit verwendet werden;
• - Wiederholung des ringweisen Abtastens bei einem vorgege­ benen z-Abtastschritt unter unterschiedlichen Winkel­ stellungen des Abtastkopfes dann, wenn Auswirkungen von Hinterschneidungen, verdeckter Stellen bzw. x-parallelen Ebenen oder Flächen des Objektes erkannt wurden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Drehtisch (5) und dem Abtastkopf (6) Mittel zum Erzeugen einer Relativbewegung in x-Richtung vorgesehen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtastkopf (6) um eine vorgegebene Winkellage an einem wählbaren Fixpunkt in der x-z-Ebene kippbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtastkopf (6) um eine vorgegebene Winkellage an einem wählbaren Fixpunkt in der x-y-Ebene schwenkbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtastkopf (6) mehrere Stahlungsdetektoren (1) und Abbildungsoptiken (3) zum doppelten oder mehrfachen Strah­ lungsempfang und zur Mehrfachtriangulation aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fixpunkte durch vertikale Bewegung des Abtastkopfes (6) kontinuierlich einstell- bzw. wählbar sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Strahlungsquelle (2) eine Laserdiode, LED oder Xenon-Hochdrucklampe, ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsdetektoren (1) CCD-Zeilen oder andere orts­ sensitive Detektoren sind.

9. Verfahren zum berührungslosen Vermessen dreidimensiona­ ler Objekte auf der Basis optischer Triangulation, wobei die von einer Strahlungsquelle ausgesendete, gebündelte Strahlung die Oberfläche des Objektes abtastet und von dieser remit­ tiert wird und die Remission mittels Strahlungsdetektoren er­ faßt wird und die Strahlungsquelle sowie die Strahlungsdetek­ toren in einem bewegbaren Abtastkopf angeordnet sind, gekennzeichnet durch

• - eine Bestimmung des Ortes der reflektierten Strahlung auf mindestens eine als Strahlungsdetektor verwendete CCD-Zeile oder andere ortssentitive Detektoren zur Er­ mittlung des Maßes der Entfernung des abgetasteten Punk­ tes auf der Oberfläche des Objektes;
• - eine Drehung des Objektes im Objektabstand zum umfangs­ mäßigen, ringweisen, waagerechten, längs y-Richtung er­ folgenden Abtasten des Objektes, wobei nach jeder Umdre­ hung ein schrittweises, fortlaufendes Abtasten in z-Richtung erfolgt und die derart ringweise gewonnenen Daten abgespeichert und zur dreidimensionalen Rekon­ struktion des Objektes mittels einer Datenverarbeitungs­ einheit verwendet werden,
• - eine Wiederholung des ringweisen Abtastens bei einem vorgegebenen z-Abtastschritt unter Unterschiedlichen Winkelstellungen des Abtastkopfes zur Vermeidung der Auswirkungen von Hinterschneidungen, verdeckten Stellen bzw. x-y-Ebene, parallele Ebenen bzw. Flächen des Objek­ tes.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungseinheit dreidimensionale Dateien des Objektes derart bereitstellt, daß diese Dateien bzw. Daten über ein Interface von einer Standard-CAD-Workstation weiterverarbeitet werden können.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle mittels Gesamtlichtstrommessung so nachgeregelt wird, daß die Lichtsignaldynamik am Strahlungs­ detektor nahezu gleich ist, wodurch das Signal-Rausch-Ver­ hältnis des Strahlungsdetektor-Ausgangssignals konstant ge­ halten und die Meßgenauigkeit erhöht wird.

12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal der mindestens einen CCD-Zeile analog oder digital entfaltet und eine Schwerpunktbestimmung zur Meßsignalbewertung durchgeführt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer steuerbaren Fokussiereinrichtung die Strahltaille bzw. der Fokus der gebündelten Strahlung je nach Meßentfernung unter Nutzung der erhaltenen Meßergebnisse von Umgebungspunkten in Echtzeitbetrieb auf oder in hinreichende Nähe des jeweiligen, momentanen Meßpunktes gelegt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet. daß die Fokussiereinrichtung aus einem Kollimator und einem zu diesem koaxial sitzenden Linearantrieb mit geringer Masse, hohem Beschleunigungsvermögen und definiertem Dämpfungsver­ halten besteht, wobei die schnelle Fokussiereinrichtung so angesteuert wird, daß bei Regelzeiten im ms-Bereich hinrei­ chend gut und achsenparallelversatzfehlerarm fokusiert und justiert werden kann.

15. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung zur Schuhleistenvermessung, im Formenbau sowie für orthopädische, dentaltechnische und archäologische Zwecke.