DE19631205C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung der Geometrie eines dreidimensionalen Objektes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung der Geometrie eines dreidimensionalen Objektes.

Die Erfindung der Erfassung der Geometrien von dreidimensio­ nalen Objekten wird immer wieder benötigt. Sie erfolgt über­ wiegend mittels klassischer Meßmaschinen durch berührendes oder berührungsloses Abtasten einer endlichen Zahl einzelner Punkte auf der Oberfläche eines zu untersuchenden Objektes. Die betreffende Abtasteinheit wird dabei mittels einer Moto­ rik über die Objektoberfläche geführt.

Bei diesen bekannten Erfassungsverfahren wird jeweils eine Anzahl endlicher Punkte gewonnen und aus diesen werden mit erheblichem Rechenaufwand Flächeninformationen zur Weiterver­ arbeitung in Konstruktionsprogrammen (CAD) gewonnen. Infolge des Verarbeitungsaufwandes sind diese Verfahren verhältnismä­ ßig langsam.

Bei den Verfahren mit berührender Abtastung, den Verfahren mit taktiler Abtastung, ergibt sich das Problem, daß die Tastspitze eine räumliche Ausdehnung hat, wodurch nicht die gesuchte Oberflächeninformation, sondern eine als Funktion der Tastspitze geometrisch versetzte Information gewonnen wird. Infolge der kraftschlüssigen Anordnung der Tastspitze ist es nicht möglich, mit dieser weiche Objekte zu erfassen.

Des weiteren ergibt sich eine Einschränkung der Meßgenauig­ keit durch die mechanische Auflösung der eingesetzten Kinema­ tik, mittels der die Tastspitze an das Objekt herangeführt wird. Eine hohe Auflösung bringt einen erheblichen apparati­ ven Aufwand mit sich und die Kosten werden dann beträchtlich.

Bei den Verfahren mit optischer Erfassung hingegen ist es möglich, eine oberflächengetreue Vermessung zu erzielen. Hier besteht jedoch eine Einschränkung in bezug auf die Art der Objektoberfläche, d. h. inwieweit sich diese für eine optische Abtastung eignet. Außerdem ist das Verfahren nur bis zu einer bestimmten maximalen Flächenkrümmung einsetzbar. Tiefe Boh­ rungen und Kanten können nicht erfaßt werden. Es wird eine erhebliche Datenmenge durch die vielen Meßpunkte erhalten (Punktwolke), wodurch sich bei der Gewinnung der Flächenin­ formationen große rechentechnische Probleme ergeben.

Aus der US 5,151,609 ist ein optisches Verfahren zur Ober­ flächenerfassung eines Körpers bekannt, der sich relativ längs der Z-Achse in diskreten Schritten oder kontinuierlich zu einem Bildaufnehmer bewegt. Der Bildaufnehmer über dem Körper erfaßt dessen Konturlinien, die durch die jeweilige Lage der Schärfeebene der Optik des Bildaufnehmers bezüglich des Körpers definiert sind.

Die DE 29 45 456 C2 offenbart eine Anordnung zur Meßwertauf­ nahme der Gestalt eines langgestreckten Meßgegenstandes durch abschnittsweises Messen des Durchmessers und der Lage der Projektion des Durchmessers längs einer oder mehrerer zur Be­ wegungsrichtung des Gegenstandes senkrechten Richtungen.

Des weiteren ist aus der DE 35 16 361 A1 eine Vorrichtung zur Bestimmung des Volumens eines Körpers in der Medizin durch ein Überlaufvolumeter bekannt, bei den der Körper in ein mit Wasser gefülltes Gefäß eingetaucht und die überlaufende Was­ sermenge nach dem Verdrängungsprinzip bestimmt wird.

Schließlich ist es aus der DE 26 04 410 A1 bekannt, bei der optischen Ermittlung der Größe von Einschlüssen bei Edelstei­ nen diese in Immersionsflüssigkeiten einzubetten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung dreidimensio­ naler Objektgeometrien zu schaffen, die einfach und schnell sind.

Diese Aufgabe ist bei einem Verfahren und einer Vorrichtung mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 8 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur berührungslosen Er­ fassung der Geometrie eines dreidimensionalen Objektes wird ein Objekt in ein fluides Medium schrittweise abgesenkt, wo­ bei sich die optischen Eigenschaften des Objektes und des fluiden Mediums derart unterscheiden, daß ein Kontrast am Übergang zwischen Objekt und fluidem Medium entsteht. Die Konturkurven des Objektes gleicher Höhe werden mit dem Fluidpegel während des schrittweisen Absenkens des Objektes in das fluide Medium durch eine senkrecht über dem abzusen­ kenden Objekt angeordnete Erfassungseinrichtung optisch er­ faßt. Die optische Information der zweidimensionalen Kontur­ kurven und die den Absenkschritten des Objektes entsprechen­ den Höhenangaben werden zu einer dreidimensionalen Geometrie weiterverarbeitet.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit nicht die Oberfläche direkt abgetastet, sondern es wird vielmehr die Grenzzone bzw. Übergangsstelle, z. B. anhand des Farbkon­ trasts, zwischen dem zu erfassenden Objekt und dem das Objekt umgebenden Medium, d. h. dem Fluid, und damit die entsprechen­ den Kontrastlinien erfaßt. Das Entstehen eines Farbkontrastes beruht auf den unterschiedlichen optischen Eigenschaften von zu untersuchendem Objekt und Fluid. Durch geeignete Auswahl des fluiden Mediums ergibt sich ein scharfer Kontrast an der Grenzfläche.

Das erfindungsgemäße Erfassungsverfahren ist außerordentlich vielseitig einsetzbar. Insbesondere wirken sich die Objekt­ größe und die Beschaffenheit der Objektoberfläche nicht auf die eigentliche Messung und Verarbeitung der Meßdaten aus.

Die Kontrastlinien stellen die Umrandungskurven (Konturkur­ ven) des Objektes dar, die in gleicher Höhe in bezug auf das Fluid liegen. Aus der Kombination mehrerer aufgenommener Kon­ turkurven kann die gesamte Objektgeometrie, d. h. die räumli­ che Objektstruktur, bestimmt werden.

Im einzelnen ergibt sich bei dem erfindungsgemäßen Kon­ trastabsenkverfahren im Verlauf des Absenkvorgangs eine Lini­ enschar der Kontrastlinien, die genauen Höhenschnitten durch das Objekt entsprechen. Da der Oberflächenpegel der Flüssig­ keit aufgrund der Schwerkraft stets waagerecht, d. h. horizon­ tal, verläuft, sind die Schnittlinien ebenfalls stets in der Horizontalen.

Wird der Absenkvorgang schrittweise durchgeführt, ergibt sich eine Linienzahl entsprechend der Schrittgröße. Je nach ge­ wünschter Genauigkeit oder sonstigen Erfordernissen kann wie­ derum zwischen den Werten der einzelnen Konturkurven eine In­ terpolation durchgeführt werden. Hierdurch kann die Auflösung der optischen Erfassung beliebig erhöht werden.

Eine Vereinfachung des erfindungsgemäßen Erfassungsverfahrens ergibt sich daraus, daß der Abstand zwischen der optischen Erfassungsvorrichtung und dem Fluidpegel zweckmäßig durch ei­ ne Regelung konstant gehalten wird. Dadurch erübrigt sich ei­ ne Nachfokussierung der optischen Erfassungsvorrichtung. Das System ist sozusagen selbstfokussierend. Außerdem werden hierdurch optische Verzerrungen ausgeschlossen.

Eine einfache Verfahrensausgestaltung ergibt sich daraus, daß der Fluidpegel während des Absenkvorgangs konstant gehalten wird. Damit entfällt eine Nachführung der Optik.

Dadurch, daß in einem Meßzyklus stets eine komplette Höhenli­ nie gewonnen wird, ergeben sich zum einen ein reduzierter Er­ fassungsaufwand und begrenzte Datenmengen, die entsprechend rasch verarbeitet werden können. Hinzu kommt, daß die Daten vorsortiert sind, da es sich jeweils um Höhen- bzw. Schnitt­ linien handelt. Am Ende der Abtastung ergibt sich eine geord­ nete Bahnenschar, die direkt zu einer Flächenbestimmung wei­ terverarbeitet werden kann. Das heißt, die so gewonnenen Bahnkoordinaten (Kurven) können in einem CAD-System einfach verarbeitet werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können jegliche Körper, auch solche mit plastisch verformbarer Oberfläche oder Ge­ stalt erfaßt werden. Dies ist insbesondere deshalb möglich, weil lediglich hydrostatische Kräfte auf das abzutastende Ob­ jekt aufgebracht werden.

Ferner können mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens Körper mit optisch kritischen Oberflächen, des weiteren steile Kan­ ten oder tiefe Bohrungen erfaßt werden. Zur Unterstützung der optischen Erfassung können beispielsweise im Bereich von Hin­ terschnitten im Objekt Bohrungen angebracht werden, wodurch sich derartige Bereiche besser mit dem fluiden Medium füllen und die entsprechenden Grenzflächen besser erfaßt werden kön­ nen.

Zur Erzielung eines besseren Kontrasts an der Grenzfläche zwischen Objekt und Fluid kann das Objekt mit Schwingungen im Bereich von 1 bis 40 kHz angeregt werden. Hierdurch können kleinste Fehler an den Berührungspunkten zwischen Objekt und Flüssigkeit eliminiert werden.

Entsprechend dem durch die Erfindung erhaltenen vorteilhaften Verfahren ergibt sich auch eine sehr einfache und effiziente Vorrichtung zur Erfassung der Geometrien dreidimensionaler Objekte. Diese umfaßt eine Wanne, die mit einem Fluid gefüllt ist, und ferner eine Verschiebeeinrichtung, die ein Objekt, dessen Kontur gemessen werden soll, in das Fluid absenkt. Ei­ ne optische Erfassungseinrichtung ist oberhalb des Objektes vorgesehen und erfaßt die Konturkurven des Objektes gleicher Höhe mit dem Fluidpegel.

Unter der Wanne soll hier jeglicher Behälter mit einer Form und einem Füllvolumen verstanden werden, in den ein zu erfas­ sender Körper eingebracht werden kann. Die Wanne selbst oder ihr Boden kann höhenverstellbar sein. Dies ermöglicht es, durch eine geeignete Steuerung den Abstand zwischen der opti­ schen Erfassungseinrichtung und dem Fluidpegel konstant zu halten und auf diese Weise die Höhenveränderung auszuglei­ chen, die sich durch die Fluidverdrängung beim Absenkvorgang ergibt.

Die Wanne ist mit einer Flüssigkeit oder einem Festkörperpul­ ver als fluidem Medium gefüllt. Das fluide Medium umfließt das Objekt entweder unter Einwirkung der Schwerkraft oder durch äußere Einwirkung, beispielsweise durch Fluidisierung (Wirbelschicht). Um eine glatte Grenzzone zwischen dem Objekt und dem Fluid zu erzielen, kann das Objekt, wie oben erwähnt, in Schwingung versetzt werden. Dies führt z. B. bei Flüssig­ keiten dazu, daß die Oberflächenspannung der Flüssigkeit auf­ gebrochen wird.

Die Verschiebeeinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zweckmäßig stufenweise absenkbar. Auf diese Weise ergibt sich eine diskrete Schar an Konturlinien und Meßschritten.

Als optische Erfassungseinrichtung kann eine Kamera oder ein Scanner vorgesehen sind. Vorteilhaft sind mehrere optische Erfassungseinrichtungen in Kaskade angeordnet.

An die erfindungsgemäße Vorrichtung kann eine Auswerteein­ richtung angeschlossen sein, die aus den gewonnenen zweidi­ mensionalen Daten Volumendaten und damit die Objektgestalt ermittelt.

Um eine Differenzmessung zur Erhöhung der Genauigkeit durch­ führen zu können, ist bevorzugt die Flüssigkeit lichtleitend.

Die Erfindung wird im folgenden weiter anhand eines Ausfüh­ rungsbeispieles und der Zeichnung beschrieben, wobei diese Darstellung lediglich zu Beispielszwecken dient und die Er­ findung nicht einschränken soll. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Eine Wanne 2 ist mit einem Fluid 10, hier einer Flüssigkeit, gefüllt. In der Wanne 2 befindet sich ein dreidimensionales Objekt 4 auf einem Boden, der hier nicht im einzelnen gezeigt ist. Der Boden ist mittels einer Verstelleinrichtung 6 in seiner Höhe verstellbar. Eine mit dem Bezugszeichen 8 ledig­ lich angedeutete Verschiebeeinrichtung dient zum stufenweisen Ablassen des Objektes 4 in die Flüssigkeit 10. Durch die Än­ derung des Eintauchvolumens ergibt sich eine Änderung des Flüssigkeitspegels, der auf einen konstanten Pegel nachgere­ gelt wird.

Das Objekt 4 und die Flüssigkeit 10 unterscheiden sich in ih­ ren optischen Eigenschaften, z. B. haben sie unterschiedliche Farbe.

Oberhalb der Wanne 2 ist ein Bildaufnahmesystem 12 angeord­ net, das den Kontrast zwischen den beiden Medien, hier den Farbkontrast zwischen dem Objekt 2 und der Flüssigkeit 10, gut unterscheiden kann. Es nimmt die Kontrastlinie an den Übergangsstellen zwischen dem Objekt 2 und der Flüssigkeit 10 auf.

Die Bildinformation wird von einem Auswertesystem in eine zweidimensionale Bahnkurve umgewandelt, die der Schnittlinie durch das Objekt 2 in Höhe des Flüssigkeitspegels entspricht. Durch Aneinanderreihung endlich vieler Bahnkurven kann mit geringer Datenmenge in einem Konstruktionsprogramm ein Volu­ menmodell errechnet werden, das zur konstruktiven Weiterver­ arbeitung bereitsteht.

Claims (18)

1. Verfahren zur berührungslosen Erfassung der Geometrie eines dreidimensionalen Objektes, bei dem

• 1. - ein Objekt in ein fluides Medium schrittweise abge­ senkt wird, wobei
• 2. - sich die optischen Eigenschaften des Objektes und des fluiden Mediums derart unterscheiden, daß ein Kontrast am Übergang zwischen Objekt und fluidem Medium entsteht,
• 3. - die Konturkurven des Objektes gleicher Höhe mit dem Fluidpegel während des schrittweisen Absenkens des Objektes in das fluide Medium durch eine senkrecht über dem abzusenkenden Objekt angeordnete Erfas­ sungseinrichtung optisch erfaßt werden und
• 4. - die optische Information der zweidimensionalen Kon­ turkurven und die den Absenkschritten des Objektes entsprechenden Höhenangaben zu einer dreidimensio­ nalen Geometrie weiterverarbeitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Konturkurven des Objektes aufgenommen werden und aus diesen die räumliche Objektkontur bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Abstand zwischen der optischen Erfassungs­ vorrichtung und dem Fluidpegel konstant gehalten wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Fluidpegel während des Eintauch­ vorganges konstant gehalten wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen den Werten der Konturkurven eine Interpolation durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Objekt mit Schwingungen im Bereich von 1 bis 40 kHz angeregt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß im Bereich von Hinterschnitten im Ob­ jekt Bohrungen angebracht werden.

8. Vorrichtung zur Erfassung der Geometrie eines dreidimen­ sionalen Objektes, umfassend

• 1. - eine Wanne (2), die mit einem Fluid (10) gefüllt ist,
• 2. - eine Verschiebeeinrichtung (8), die ein Objekt (4), dessen Kontur gemessen werden soll, in das Fluid (10) absenkt, und
• 3. - eine optische Erfassungseinrichtung (12) oberhalb des Objektes (4), die die Konturkurven des Objektes gleicher Höhe mit dem Fluidpegel erfaßt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid (10) eine Flüssigkeit ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid ein Festkörperpulver ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanne (2) höhenverstellbar ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden der Wanne (2) höhenver­ stellbar ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebeeinrichtung (8) stu­ fenweise absenkbar ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Erfassungseinrichtung eine Kamera ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Erfassungseinrichtung ein Scanner ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere optische Erfassungseinrich­ tungen in Kaskade angeordnet sind.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswerteeinrichtung vorgesehen ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit lichtleitend ist.