DE19741730A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der Oberflächenkontur von Meßobjekten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Ermittlung der Oberflächenkontur von Meßobjekten.

Es ist bekannt, mit einem in einer Abtastebene abtastenden Lasermeß­ system Konturen von unter dem Lasermeßsystem hindurch bewegten Ge­ genständen zu ermitteln. Dabei werden jedoch nur die Teile der Objekto­ berfläche abgetastet, die dem Lasermeßsystem zugewandt sind. Die vom Lasermeßsystem abgewandten Oberflächenbereiche der Objekte können nicht erfaßt werden, da sie im Schatten der im Sichtbereich des Laser­ meßsystems befindlichen Objektoberfläche liegen.

Bei kompliziert geformten Gegenständen müssen selbst zur Abtastung le­ diglich eines Teils der Objektoberfläche mehrere Lasermeßsysteme einge­ setzt werden, was eine aufwendige Gesamtanordnung erforderlich macht.

Eine derartige, im folgenden als Schatten-Abtastung bezeichnete Vorge­ hensweise kann für manche Anwendungen ausreichen, wenn beispiels­ weise bestimmte Oberflächenbereiche des jeweiligen Objekts bekannt oder nicht von Interesse sind. Insbesondere in Fällen, in denen keine oder nur wenig Informationen über die abzutastenden Objekte vorliegen oder in de­ nen eine vollständige Ermitilung der Oberflächenkontur, im folgenden als Voll-Abtastung bezeichnete Vorgehensweise gewünscht ist, lassen sich mit einer Schatten-Abtastung keine zufriedenstellenden Ergebnisse erzielen.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, Verfahren und Vorrichtungen zu schaffen, mit denen auf möglichst einfache Weise die Oberflächenkontur beliebig geformter Meßobjekte ermittelt werden kann und die insbeson­ dere eine im wesentlichen vollständige Abtastung der Meßobjekte gestat­ ten.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden erfindungsgemaß mehrere Verfahren und nach diesen Verfahren betriebene Vorrichtungen geschaffen, denen die gemeinsame erfinderische Idee zugrunde liegt, daß wenigstens ein La­ sermeßsystem, das eine Abtastung entweder in einer oder in mehreren Abtastebenen durchführt, vorgesehen wird und in Abhängigkeit von der Anzahl der Lasermeßsysteme, deren Abtastcharakteristik und der äußeren Form der Meßobjekte während der Abtastung eine Relativbewegung zwi­ schen dem jeweiligen Meßobjekt und dem Lasermeßsystem bzw. den La­ sermeßsystemen erfolgt.

Die Aufgabe wird des weiteren dadurch gelöst, daß mehrere eine spezielle Abtastcharakteristik aufweisende Lasermeßsysteme vorgesehen werden, die eine Relativbewegung entbehrlich machen.

Konkrete Lösungsvorschläge sind jeweils in den unabhängigen Ansprü­ chen 1, 3, 5 und 9 angegeben.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der einzelnen Verfahren bzw. Vorrichtungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Verfahren bzw. Vorrich­ tungen werden im folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die sche­ matische Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:

Fig. 1 die Abtastung eines sich drehenden und geradlinig bewegten Meßobjekts durch ein in einer Abtastebene abtastendes La­ sermeßsystem,

Fig. 2 die Abtastung eines sich drehenden Meßobjekts durch ein in einer Abtastebene abtastendes Lasermeßsystem,

Fig. 3 die Abtastung eines sich drehenden Meßobjekts durch zwei jeweils in einer Abtastebene abtastende Lasermeßsysteme,

Fig. 4 die Abtastung eines geradlinig bewegten Meßobjekts durch zwei jeweils in einer Abtastebene abtastende Lasermeß­ systeme,

Fig. 5 die Abtastung eines sich drehenden Meßobjekts durch ein in mehr als einer Abtastebene abtastendes Lasermeßsystem, und

Fig. 6 die Abtastung eines unbewegten Meßobjekts durch drei je­ weils in mehr als einer Abtastebene abtastende Lasermeß­ systeme,
wobei die Fig. 1a-6a jeweils eine Seitenansicht und die Fig. 1b-6b jeweils die entsprechende Draufsicht darstellen.

Gemäß der Seitenansicht von Fig. 1a ist als Abstands- oder Positionssen­ sor ein bezüglich der Umgebung ortsfestes Lasermeßsystem 1 vorgesehen, mit welchem ein Meßobjekt 3, das in einem nicht dargestellten Meßraum angeordnet ist, in einer einzigen Abtastebene 10 abgetastet wird. Ein der­ artiges Lasermeßsystem wird im folgenden mit LMS bezeichnet.

Das abzutastende Meßobjekt 3 wird in Pfeilrichtung im wesentlichen ge­ radlinig am LMS 1 vorbeibewegt. Zusätzlich wird es außerdem um eine durch das Meßobjekt 3 verlaufende Drehachse 4 gedreht. Dabei können Drehung und Linearbewegung gleichzeitig und jeweils kontinuierlich erfol­ gen.

Es ist jedoch auch möglich, die Drehung und die Linearbewegung ab­ schnittsweise nacheinander beispielsweise derart durchzuführen, daß das Meßobjekt 3 zunächst geradlinig am LMS 1 vorbeibewegt und dabei vom LMS abgetastet wird. Anschließend wird das Meßobjekt 3 um 180° gedreht und dann - wiederum bei gleichzeitiger Abtastung - geradlinig in die ent­ gegengesetzte Richtung bewegt. Somit erfolgt eine Voll-Abtastung durch Kombination einer einzigen Drehbewegung mit einer einzigen Hin- und Herbewegung.

Falls gewünscht, können auch mehrere Drehintervalle vorgesehen werden, wobei jeweils im Anschluß an eine vollständige Hin- bzw. Herbewegung des Meßobjekts 3 dieses um z. B. 90° gedreht wird. In diesem Beispiel umfaßt die erfindungsgemäße Relativbewegung folglich vier Drehbewe­ gungen und zwei vollständige Hin- und Herbewegungen des Meßobjekts 3. Auf diese Weise wird eine größere Meßgenauigkeit erreicht, da einige Be­ reiche der Meßobjektoberfläche mehrmals abgetastet werden.

Der gestrichelte dargestellte Pfeil in Fig. 1a deutet eine weitere Alternative an, wonach das Meßobjekt 3 lediglich gedreht und die Linearbewegung durch geradliniges Verfahren des z. B. entlang einer Schiene bewegbaren LMS 1 in Richtung des gestrichelt gezeichneten Pfeils vorgenommen wird.

Grundsätzlich ist in Abhängigkeit von den jeweiligen Gegebenheiten jede Zusammenstellung einer im wesentlichen linearen und einer Drehbewe­ gung zu der erfindungsgemäßen Relativbewegung zwischen Meßobjekt und LMS möglich.

Während der Abtastung erfolgt somit in jedem Fall eine Relativbewegung zwischen Meßobjekt 3 und LMS 1, die sich aus einer linearen Bewegung und einer Drehbewegung zusammensetzt. Die konkrete Ausführung dieser Relativbewegung wird auch durch die gewünschte Ortsauflösung - die Ge­ nauigkeit, mit der die Oberflächenkontur ermittelt wird - sowie durch die für die Auswertung der Positionsdaten zur Verfügung stehende Rechenka­ pazität bestimmt.

Durch die Drehung des Meßobjekts 3 wird erreicht, daß jeder Bereich der Objektoberfläche während der Abtastung wenigsten zu einem Zeitpunkt in den Sichtbereich des LMS 1 gelangt. Im Schatten liegende und daher nicht abtastbare Oberflächenbereiche werden auf diese Weise vermieden.

In der Draufsicht gemäß Fig. 1b ist ein von einer Laserquelle des LMS 1 ausgesandter und nacheinander innerhalb der Abtastebene 10 in unter­ schiedliche Winkelrichtungen ausgesandter Lichtstrahl 5 dargestellt. Die gestrichelten Linien deuten den bevorzugt gepulsten Lichtstrahl 5 zu ver­ schiedenen Zeiten während der Abtastung an.

Vom Meßobjekt 3 reflektiertes Licht wird von einer Empfangseinheit des LMS 1 nachgewiesen. Aus der gemessenen Lichtlaufzeit kann anschlie­ ßend der Abstand des jeweiligen Reflexionspunkts vom LMS 1 ermittelt werden. Die Ablenkung des Lichtstrahls 5 innerhalb der Abtastebene 10 - angedeutet durch den Doppelpfeil - erfolgt bevorzugt durch eine rotie­ rende Ablenkeinheit des LMS 1, die vorzugsweise eine Ablenkung über ei­ nen etwa 180° umfassenden Winkelbereich ermöglicht.

Zumindest zu jedem Reflexionspunkt auf der Meßobjektoberfläche wird die Winkelrichtung des diesen Punkt ertastenden Lichtstrahls 5 insbeson­ dere aus der Winkelstellung der Ablenkeinheit ermittelt. Aus der Winkel-, d. h. Richtungsinformation und dem gemessenen Abstandswert kann die Position des betreffenden Reflexionspunkts im Raum, d. h. dessen Lage in einem zuvor festgelegten Koordinatensystem abgeleitet werden.

Erfindungsgemäß erfolgt somit eine rasterförmige Abtastung der Oberflä­ che des Meßobjekts 3. In Abhängigkeit von der Winkelgeschwindigkeit des Lichtstrahls 5, die durch die Drehgeschwindigkeit der Ablenkeinheit be­ stimmt ist, und der Entfernung zwischen Meßobjekt 3 und LMS 1 werden insbesondere bei einer kontinuierlichen Relativbewegung die Linear- und die Drehgeschwindigkeit des Meßobjekts 3 derart gewählt, daß eine aus­ reichend große Zahl von Punkten auf der Meßobjektoberfläche abgetastet wird, um eine dem jeweiligen Zweck der Abtastung genügende Ortsauflö­ sung zu erreichen.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 verläuft die Drehachse 4 der Meßobjekt-Drehung etwa parallel zur Linearbewegung des Meßobjekts 3 und somit etwa senkrecht zur Abtastebene 10 des LMS 1. In Abhängigkeit von der äußeren Form des Meßobjekts 3 sind jedoch grundsätzlich belie­ bige Relativorientierungen von Drehachse 4, Richtung der Objektbewe­ gung und Abtastebene 10 möglich.

In Fällen, in denen die äußere Gestalt des Meßobjekts 3 teilweise bekannt ist, kann die Abtastung mit einer geeigneten Anordnung derart durchge­ führt werden, daß die Oberflächenbereiche des Meßobjekts 3, die von be­ sonderem Interesse sind, optimal bzw. mit höherer Auflösung abgetastet werden können. Zu diesem Zweck können auch die vorstehend erwähnten Drehintervalle verkleinert werden, wodurch sich die Anzahl der einzelnen, nacheinander erfolgenden Relativbewegungsabschnitte erhöht. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Winkelgeschwindigkeit des Abtastlicht­ strahls 5 während der Abtastung derart variiert werden, daß die interes­ santen Oberflächenbereiche mit hoher Ortsauflösung und die übrigen Be­ reiche des Meßobjekts 3 oder Bereiche, in denen kein abzutastendes Ob­ jekt vorhanden ist, lediglich grob oder überhaupt nicht abgetastet werden.

Die Abtastzeit pro Objekt kann damit ohne Einbußen bei den gewünsch­ ten Informationen über die Oberflächenkontur minimiert werden. Von Vorteil ist eine gezielt vorgenommene Gesamtanordnung insbesondere bei kompliziert geformten Meßobjekten, deren Oberflächen zahlreiche Vertie­ fungen und/oder Erhebungen aufweisen, die bei "ungeschickter" Anord­ nung einen größeren Aufwand bei der Abtastung erfordern würden.

Die erfindungsgemäß vorgesehene relative Drehbewegung kann alternativ zum einen auch dadurch realisiert werden, daß das Meßobjekt um eine nicht durch das Meßobjekt verlaufende Drehachse gedreht wird, indem es beispielsweise auf einer drehbaren Unterlage entfernt von dessen Dreh­ achse angeordnet wird. Zum anderen ist es auch möglich, das LMS um ein bezüglich der Umgebung keine Drehbewegung vollführendes Meßob­ jekt herumzubewegen. Die Linear- und/oder die Drehbewegung können, falls gewünscht oder durch die jeweiligen Umstände bedingt, jeweils auch dadurch realisiert werden, daß sowohl das Meßobjekt als auch das LMS jeweils geradlinig bewegt bzw. gedreht werden.

Zur Auswertung der bevorzugt mittels des erwähnten Lichtlaufzeit­ verfahrens ermittelten Abstands- sowie der Richtungsdaten ist vorzugs­ weise eine mit dem LMS 1 eine Einheit bildende oder separate Auswerte­ einheit vorgesehen, die für jeden abgetasteten Punkt des Meßobjekts 3 dessen Position im Meßraum errechnet. Die Gesamtheit dieser Positions­ daten repräsentiert die gewünschte Oberflächenkontur des abgetasteten Meßobjekts 3, die für weitere Operationen zur Verfügung steht, wie bei­ spielsweise den Vergleich mit Soll- oder Referenzkonturen und/oder eine Volumenberechnung.

Folglich wird die Möglichkeit geschaffen, beliebige Gegenstande wie Werk­ stücke, Karosserieteile oder Gepäckstücke aufgrund der vollständigen Abtastung mit hoher Genauigkeit zu vermessen, zu klassifizieren, zu sor­ tieren und/oder zu positionieren.

Eine weitere Anwendung des erläuterten Verfahrens besteht darin, den menschlichen Körper zu vermessen, um Kleidungsstücke, z. B. Anzüge oder Schuhe, nach Maß anfertigen oder Modelle von Körperteilen z. B. zu orthopädischen Zwecken herstellen zu können.

Zur Anfertigung von Maßanzügen beispielsweise wird der das Meßobjekt im vorstehend erläuterten Sinne darstellende Kunde in einer Art Umklei­ de- oder Meßkabine vermessen. Dazu wird entweder der Kunde um seine Körperlängsachse gedreht, indem er beispielsweise auf einer motorbetrie­ benen Drehscheibe steht, oder ein entlang der Kabinenwand verfahrbares LMS wird während der Abtastung um den Kunden herum bewegt. In bei­ den Fällen wird außerdem das LMS vertikal, d. h. im wesentlichen parallel zur Körperlängsachse des Kunden bewegt.

Die dabei ermittelten kundenspezifischen Daten können anschließend durch entsprechende Aufbereitung in individuelle Schnittmuster umge­ setzt werden.

Die Fig. 2a und 2b veranschaulichen ein erfindungsgemäßes Verfahren, bei dem wiederum lediglich ein einziges in einer Ebene 10 abtastendes LMS 1 verwendet wird. Das LMS 1 ist jedoch derart angeordnet, daß seine Abtastebene 10 bezüglich jener in dem Beispiel gemäß Fig. 1, d. h. bezüg­ lich einer im wesentlichen senkrecht zur Drehachse 4 verlaufenden Ebe­ ne, um 90° verkippt ist, und zwar um eine Achse, die senkrecht auf der Drehachse 4 steht und durch das LMS 1 verläuft. Eine lineare Relativbe­ wegung zwischen Meßobjekt 3 und LMS 1 ist für eine Voll-Abtastung da­ durch nicht erforderlich, da allein durch die Drehung des Meßobjekts 3 um die Drehachse 4 die interessierenden Oberflächenbereiche des Meß­ objekts 3 in den Sichtbereich des LMS 1 gelangen.

Auf die geradlinige Relativbewegung könnte in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 auch dann verzichtet werden, wenn die Abtastebene 10 um weniger als 90° in der vorstehend erwähnten Weise verkippt wird. Erfor­ derlich ist lediglich, daß die Abtastbewegung des Lichtstrahls 5 innerhalb der Abtastebene 10 eine Komponente in Richtung der Drehachse 4 des Meßobjekts besitzt, und daß das gesamte Bewegungsausmaß des Licht­ strahls 5 in dieser Richtung mindestens so groß wie die Längserstreckung des Meßobjekt 3 in dieser Richtung ist.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3a und 3b sind zwei LMS 1a, b vorgesehen, deren Abtastebenen 10 wie in dem zuvor erläuterten Beispiel gemäß Fig. 2 jeweils nicht senkrecht zur Drehachse 4 verlaufen. Wie aus Fig. 3b hervorgeht, sind die LMS 1a, b auf verschiedenen Seiten des Meß­ objekts 3 derart angeordnet, daß ihre Verbindungslinie durch das Meß­ objekt 3 und die Drehachse 4 verläuft.

Eine geradlinige Relativbewegung zwischen Meßobjekt 3 und den LMS 1a, b ist auch bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens nicht erforderlich. Darüber hinaus braucht aufgrund des Vorse­ hens von zwei LMS 1a, b für eine Voll-Abtastung keine 360°-Drehung mehr vorgenommen zu werden. Bei der Anordnung gemäß Fig. 3b würde bereits ein Drehwinkel von etwa 180° ausreichen.

Es ist auch möglich, mehr als zwei LMS vorzusehen und diese um die Drehachse 4 verteilt anzuordnen. Auf diese Weise ließe sich eine Voll- Abtastung bereits mit noch kleineren Drehwinkeln erzielen.

Fig. 4 veranschaulicht ein Verfahren gemäß der Erfindung, bei dem meh­ rere jeweils in einer Abtastebene abtastende LMS 1a, b eingesetzt werden. Nach Fig. 4a sind zwei LMS 1a, b derart angeordnet, daß das Meßobjekt 3 im wesentlichen geradlinig zwischen den beiden LMS 1a, b hindurchbe­ wegt wird. Eine Drehbewegung findet nicht statt. Die Relativbewegung gemäß dieser Ausführungsform besteht im wesentlichen nur aus der Li­ nearbewegung. Alternativ zum Meßobjekt 3 können auch die beiden LMS 1a, b linear bewegt werden.

Der Draufsicht gemäß Fig. 4b ist zu entnehmen, daß durch die Anord­ nung der LMS 1a, b auf verschiedenen Seiten der durch die lineare Bewe­ gung des Meßobjekts 3 definierten Linie gewährleistet ist, daß diejenigen Oberflächenbereiche des Meßobjekts 3, die zur Konturbestimmung eines einfach geformten, z. B. einen quadratischen oder kreisförmigen Quer­ schnitt aufweisenden Meßobjekts abgetastet werden sollen, im Sichtbe­ reich wenigstens eines LMS 1a, b liegt. Durch den Einsatz von mehr als einem LMS kann somit ohne einen Drehbewegungsanteil an der Relativ­ bewegung eine Voll-Abtastung erreicht werden.

Falls die örtlichen Gegebenheiten eine derartige optimale Anordnung nicht zulassen, ist entsprechend des anhand von Fig. 1 erläuterten Ausfüh­ rungsbeispiels während der Abtastung zusätzlich eine Drehung des Meß­ objekts vorzunehmen. Dabei kann es ausreichen, wenn das Meßobjekt nur um einen kleinen Winkelbereich verdreht wird, so daß eine vollständi­ ge Drehung um 360° nicht erforderlich ist, um eine Voll-Abtastung zu ge­ währleisten.

Im Fall eines kompliziert geformten Meßobjekts 3 können mehr als zwei LMS erforderlich sein, um jeden Punkt auf der Objektoberfläche zu erta­ sten, wenn eine Verdrehung des Meßobjekts 3 entweder ganz unterbleiben soll oder nur kleine Verdrehungswinkel erwünscht oder möglich sind. Aus Fig. 4b geht hervor, daß eine gestrichelt dargestellte Vertiefung 6, die sich auf einer keinem LMS 1a, b zugewandten Seite des Meßobjekts 3 befindet, nicht einsehbar und somit ein weiteres LMS erforderlich wäre, um in diese Vertiefung "hineinsehen" zu können. Dagegen wäre durch eine zusätzliche Drehung des Meßobjekts 3 gemäß dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1- beispielsweise um etwa 90° - die Vertiefung 6 auch ohne ein zusätzliches LMS möglich.

Gemäß Fig. 4a sind die beiden LMS 1a, b außerdem derart angeordnet, daß deren Abtastebenen 10 nicht parallel zueinander verlaufen, sondern gegeneinander verkippt sind. Eine derartige Anordnung ist beispielsweise dann von Vorteil, wenn eine bestimmte "Blickrichtung" eines LMS deshalb bevorzugt wird, da bestimmte zu ermittelnde Informationen über das je­ weilige Meßobjekt dadurch mit geringerem Aufwand oder größerer Zuver­ lässigkeit erhalten werden können.

So läßt sich z. B. die Anzahl von in einer Getränkekiste vorhandenen Fla­ schen einfacher, d. h. bei geringerer Ortsauflösung, ermitteln, wenn mit Hilfe eines LMS etwa schräg von oben in die Getränkekiste "hineinge­ sehen" wird. Während beispielsweise eines der LMS zur Identifizierung der Getränkekiste deren Größe ermittelt, wird mit Hilfe des weiteren, schräg von oben in die Getränkekiste "hineinsehenden" LMS deren Füllstand festgestellt.

Durch Ausnutzen der Kenntnis bestimmter geometrischer Eigenschaften der Meßobjekte und entsprechende "geschickte" Anordnung der LMS ge­ stattet die Erfindung somit eine für den jeweiligen Zweck ausreichende Voll-Abtastung bei geringstem Material- und Meßaufwand.

Die vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiele machen deutlich, daß für eine Voll-Abtastung mittels lediglich eines LMS eine Drehbewegung erforderlich ist, welche dann entbehrlich ist, wenn wenigstens zwei LMS eingesetzt werden und die örtlichen Gegebenheiten sowie die konkrete Form der Meßobjekte eine optimale Anordnung der LMS gestatten. Dabei kann einerseits die Verwendung einer größeren Anzahl von LMS den er­ forderlichen Drehwinkel verkleinern, während andererseits eine zusätzli­ che Drehung des Meßobjekts die Verringerung der Anzahl der LMS ge­ statten kann.

In Fig. 5 ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der ein Lasermeßsystem 2 verwendet wird, mit dem eine Abtastung in mehreren Abtastebenen 20 möglich ist und das im folgenden mit 3D-LMS 2 bezeich­ net wird.

Erreicht wird die Abtastung in mehreren Abtastebenen 20 beispielsweise dadurch, daß zumindest ein Teil der vorstehend bezüglich des LMS 1 er­ wähnten Ablenkeinheit um eine zusätzliche Achse verdreht wird, die be­ vorzugt senkrecht zu jener Drehachse verläuft, um die die Ablenkung des Lichtstrahls 5 jeweils innerhalb einer Abtastebene erfolgt. Mittels eines derartigen 3D-LMS 2 kann das Meßobjekt 3 folglich zeilenförmig abgeta­ stet werden, wie dies in Fig. 5a durch den Doppelpfeil angedeutet ist.

Das Meßobjekt 3 wird während der Konturermittlung entsprechend dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 um eine Drehachse 4 gedreht, wobei aller­ dings aufgrund der Verwendung des 3D-LMS 2 eine Linearbewegung des Meßobjekts 3 nicht erforderlich ist, da die zusätzliche Ablenkung des Lichtstrahls 5 ein Überstreichen des gesamten in Fig. 5a und 5b links vom 3D-LMS 2 gelegenen Halbraums gestattet.

Fig. 6 veranschaulicht eine Ausführungsform der Erfindung, die unter be­ stimmten Bedingungen ohne Relativbewegung zwischen Meßobjekt 3 und 3D-LMS eine Voll-Abtastung des Meßobjekts 3 ermöglicht.

In Fig. 6a sind drei 3D-LMS 2a-c gezeigt, die um das Meßobjekt 3 verteilt angeordnet sind. Dabei ist der Einfachheit halber bei dem in dieser An­ sicht vor dem Meßobjekt 3 angeordneten 3D-LMS 2b für die einzelnen Abtastebenen 20 jeweils nur ein repräsentativer Lichtstrahl dargestellt.

In Abhängigkeit von der Form des jeweiligen Meßobjekts 3 können auch lediglich zwei oder auch mehr als drei 3D-LMS für eine Voll-Abtastung ge­ nügen bzw. erforderlich sein. Während bei einer einfachen Geometrie oder bei Kenntnis bestimmter geometrischer Eigenschaften der Meßobjekte 3 wenige, insbesondere zwei 3D-LMS möglicherweise ausreichen, kann eine auch nur teilweise stark gekrümmte Objektoberfläche mit Vertiefungen und/oder Erhebungen eine größere Anzahl von 3D-LMS erfordern.

Beispielhaft ist in der Draufsicht gemäß Fig. 6b gezeigt, daß eine gestri­ chelt angedeutete Vertiefung 7 des Meßobjekts 3 nicht vollständig einseh­ bar und daher ein geeignet angeordnetes viertes 3D-LMS erforderlich wä­ re, um eine vollständige Abtastung zu gewährleisten.

Entsprechend den Ausführungen zu Fig. 4 gilt, daß dann, wenn möglichst wenige 3D-LMS eingesetzt werden sollen und/oder deren optimale Anord­ nung nicht möglich ist, für eine Voll-Abtastung eine Verdrehung des Meß­ objekts 3 vorgenommen werden und dabei eine Verdrehung um kleine Winkelbereiche ausreichen kann.

Die Ausführungsbeispiele der Erfindung gemäß Fig. 5 und 6, die einen möglichen Einsatz der erläuterten 3D-LMS betreffen, machen deutlich, daß bei Verwendung eines einzigen 3D-LMS für eine Voll-Abtastung ledig­ lich eine Drehbewegung als Relativbewegung genügt. Eine Relativbewe­ gung kann sogar ganz entfallen, wenn wenigstens zwei derartige 3D-LMS eingesetzt werden und die örtlichen Gegebenheiten sowie die konkrete Form der Meßobjekte 3 eine optimale Anordnung der 3D-LMS gestatten.

Die Erfindung kann auch zum Bestimmen der Bahn von im Raum be­ wegten Objekten insbesondere in Echtzeit verwendet werden, wobei dies insbesondere für sogenannte Virtual-Reality-Anwendungen denkbar ist, in denen mittels wenigstens eines 3D-LMS Bewegungen von Personen oder von Körperteilen, z. B. der Hand, von Personen verfolgt werden.

Darüber hinaus kann die Erfindung auch zum Vermessen von Innenräu­ men verwendet werden. Dazu wird wenigstens ein Abstands- bzw. Positi­ onssensor innerhalb des zu vermessenden Raumes angeordnet. Falls zwei 3D-LMS eingesetzt werden, können diese gewissermaßen "Rücken an Rücken" angeordnet werden, wodurch über den gesamten Raumwinkelbe­ reich, d. h. die gesamte Innenwand des Raumes abgetastet werden kann. Eine Relativbewegung ist in diesem Fall nicht notwendig, kann aber dann erfolgen, wenn lediglich ein 3D-LMS oder jeweils nur in einer Abtastebene abtastende LMS verwendet werden. Als abzutastende Innenräume kom­ men insbesondere auch Zimmer, Küchen, Gewerberäume und dgl. in Be­ tracht.

Ein Sonderfall der Abtastung von Innenräumen ist die Vermessung von Tunneln, die ebenfalls durch die Erfindung ermöglicht wird. Dazu kann beispielsweise an jeder Seite eines den zu vermessenden Tunnel durchfah­ renden Fahrzeugs ein LMS angebracht werden. Jedes LMS tastet dabei über einen Winkelbereich ab, der von der ihm zugewandten Schnittlinie zwischen Tunnelwand und Fahrbahn bis wenigstens zu dem vom jeweils anderen LMS abgedeckten Bereich der Tunnelwand reicht.

Die Verwendung eines einzigen LMS ist dann ausreichend, wenn dieses über einen Winkelbereich von mehr als 180° abtasten kann und derart genügend weit über der Fahrbahn auf dem Fahrzeug montiert ist, daß die Schnittlinien von Fahrbahn und Tunnelwand nicht im Schatten des Fahr­ zeugs liegen.

Zur Tunnelvermessung können ebenso ein oder mehrere 3D-LMS einge­ setzt werden.

Allgemein ist es im Fall des Einsatzes mehrerer LMS, 3D-LMS oder auch einer Misch-Verwendung beider Sensor-Arten gemeinsam in einer Anwen­ dung möglich, lediglich einen der Sensoren als Master und den oder die anderen Sensoren als Slave derart zu betreiben, daß der Master-Sensor mit einem Steuerorgan versehen oder verbunden ist, mit dem er die Steue­ rung der Slave-Sensoren übernimmt. Bevorzugt ist außerdem lediglich der Master-Sensor mit der Auswerteeinheit versehen oder verbunden, mit der die von allen Sensoren ermittelten Daten in die Oberflächenkontur des Meßobjekts umgesetzt werden.

Die Slave-Sensoren, die somit lediglich mit den zur Bestimmung der Posi­ tionsdaten unbedingt erforderlichen Bauteilen versehen sein müssen, können gewissermaßen als "Augen" des das (ebenfalls mit einem "Auge" versehene) "Gehirn" der Gesamtanordnung darstellenden Master-Sensors angesehen werden.

Mit Hilfe der Auswerteeinheit und/oder einer die Abtastbewegung des oder der Sensoren steuerenden Steuereinheit läßt sich ein definierter Überwa­ chungsbereich oder ein zumindest in diesem Fall abstrakt zu verstehender Meßraum derart vorgeben, daß nur solche Punkte auf der Oberfläche des Meßobjekts in die Konturbestimmung Eingang finden, die sich innerhalb dieses Überwachungsbereichs bzw. Meßraums befinden, der z. B. im we­ sentlichen kugel-, würfel-, quader-, kegel-, pyramiden- oder torusförmig sein kann.

Die Beschränkung der Positionsbestimmung oder Auswertung von Positi­ onswerten auf einen derartigen Überwachungsbereich bzw. Meßraum hat den Vorteil, daß die notwendige Meß- und Auswertezeit minimiert wird, da unnötige Messungen und Rechnungen, die sich auf für die jeweilige An­ wendung uninteressante Oberflächenbereiche des Meßobjekts beziehen, vermieden werden.

Alle im Rahmen der Erläuterung einzelner Ausführungsformen der Erfin­ dung, insbesondere gemäß Fig. 1, genannten Weiterbildungen, Modifizie­ rungen, Alternativen, konkreten Ausgestaltungen und/oder Verwendun­ gen, sind grundsätzlich in Verbindung mit allen Ausführungsbeispielen entsprechend möglich, soweit sie nicht auf ausschließlich für die je­ weilige Ausführungsform Sinnvolles beziehen.

Bezugszeichenliste

1

;

1

a,

1

bLasermeßsystem (LMS) mit Abtastung in einer Abtastebene

2

;

2

a-cLasermeßsystem (3D-LMS) mit Abtastung in mehr als einer Abtastebene

3

Meßobjekt

4

Drehachse des Meßobjekts

5

Lichtstrahl

6

,

7

Vertiefungen

10

Abtastebene eines LMS

20

Abtastebenen eines 3D-LMS

Claims (23)

1. Verfahren zur Ermittlung der Oberflächenkontur von in einem Meß­ raum angeordneten Meßobjekten (3), bei dem mit wenigstens einem in einer Abtastebene (10) abtastenden Lasermeßsystem (1) die Oberfläche des jeweiligen Meßobjekts (3) zumindest bereichsweise abgetastet und für jeden ertasteten Punkt auf der Meßobjektoberflä­ che dessen Position im Meßraum ermittelt wird, wobei während der Abtastung das jeweilige Meßobjekt (3) und das Lasermeßsystem (1) relativ zueinander bewegt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativbewegung im wesentlichen aus einer linearen Bewe­ gung und einer Drehbewegung zusammengesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lasermeßsystem (1) im wesentlichen linear am Meßobjekt (3) vorbeibewegt und zuvor, gleichzeitig und/oder anschließend das Meßobjekt (3) um eine bevorzugt um eine durch das Meßobjekt (3) verlaufende Drehachse (4) gedreht wird.

3. Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei jeweils in einer Abtastebene (10) abtastende Lasermeßsysteme (1a, 1b) verwendet werden und die Relativbewe­ gung zwischen dem jeweiligen Meßobjekt (3) und den Lasermeß­ systemen (1a, 1b) im wesentlichen eine lineare Bewegung ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lasermeßsysteme (1a, 1b) in Abhängigkeit vom jeweiligen Meßobjekt (3) derart angeordnet werden, daß wenigstens zwei der Abtastebenen (10) gegeneinander verkippt sind.

5. Verfahren zur Ermittlung der Oberflächenkontur von in einem Meß­ raum angeordneten Meßobjekten (3), bei dem mit wenigstens einem in einer oder in mehr als einer Abtastebene (10; 20) abtastenden La­ sermeßsystem (1; 1a-b; 2; 2a-c) die Oberfläche des jeweiligen Meß­ objekts (3) zumindest bereichsweise abgetastet und für jeden erta­ steten Punkt auf der Meßobjektoberfläche dessen Position im Meß­ raum ermittelt wird, wobei während der Abtastung das jeweilige Meßobjekt (3) und das Lasermeßsystem (1; 1a-b; 2; 2a-c) relativ zu­ einander bewegt werden und die Relativbewegung im wesentlichen eine Drehbewegung ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßobjekt (3) um eine bevorzugt durch das Meßobjekt (3) verlaufende Drehachse (4) gedreht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei in mehr als einer Abtastebene (20) abtastende Lasermeßsysteme (2a-c) verwendet und um das Meßobjekt (3) ver­ teilt angeordnet werden.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativbewegung zwischen dem Meßobjekt (3) und dem La­ sermeßsystem oder den Lasermeßsystemen diskontinuierlich erfolgt und die Abtastung der Meßobjektoberfläche zwischen den einzelnen Abschnitten der Relativbewegung durchgeführt wird.

9. Verfahren zur Ermitilung der Oberflächenkontur von in einem Meß­ raum angeordneten Meßobjekten (3), bei dem mit wenigstens zwei in mehr als einer Abtastebene (20) abtastenden, relativ zum Meßobjekt (3) zumindest während der Abtastung im wesentlichen unbewegten Lasermeßsystemen (2a-c) die Oberfläche des jeweiligen Meßobjekts (3) zumindest bereichsweise abgetastet und für jeden ertasteten Punkt auf der Meßobjektoberfläche dessen Position im Meßraum ermittelt wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßobjekt (3) rasterförmig abgetastet wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nur von den Punkten auf der Meßobjektoberfläche die Position ermittelt wird, die innerhalb eines vorgebbaren, vorzugsweise im we­ sentlichen kugel-, würfel-, quader-, kegel-, pyramiden- oder torus­ förmigen Meßraums liegen.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mittels wenigstens eines Master-Lasermeßsystems weitere Slave-Lasermeßsysteme gesteuert und vorzugsweise von allen La­ sermeßsystemen ermittelte Daten verarbeitet werden.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise jedes Lasermeßsystem während der Abtastung ei­ nen Lichtstrahl (5) aussendet, welcher nacheinander in unter­ schiedliche Richtungen abgelenkt wird, wobei insbesondere vom je­ weiligen Meßobjekt (3) reflektiertes Licht vom Lasermeßsystem nachgewiesen und aus der Lichtlaufzeit der Abstand des jeweiligen Reflexionspunkts vom Lasermeßsystem ermittelt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl (5) von einer beweglichen, insbesondere rotie­ renden Ablenkeinheit innerhalb einer Abtastebene (10; 20) in vor­ gebbare Winkelrichtungen abgelenkt wird, wobei vorzugsweise die Ablenkung über einen etwa 180° umfassenden Winkelbereich er­ folgt.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest für jeden Reflexionspunkt der Meßobjektoberfläche die Winkelrichtung des jeweiligen Lichtstrahls (5) insbesondere aus der Winkelstellung der Ablenkeinheit ermittelt wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl (5) nacheinander innerhalb unterschiedlicher Abtastebenen (20) abgelenkt wird, indem insbesondere zumindest ein Teil der Ablenkeinheit um eine zusätzliche Achse verdreht wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit vom jeweiligen Meßobjekt (3) während der Ab­ tastung die Winkelgeschwindigkeit des Lichtstrahls (5) verändert wird, indem insbesondere die Drehgeschwindigkeit der Ablenkein­ heit variiert wird.

18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aus den ermittelten Positionen die dreidimensionale Oberflä­ chenkontur des jeweiligen Meßobjekts (3) berechnet wird.

19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es zum Vermessen von zumindest Teilen des menschlichen Körpers, insbesondere zum Zweck der Maßanfertigung von Klei­ dungsstücken und/oder Schuhen oder der Herstellung von Model­ len von Körperteilen eingesetzt wird.

20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es zum Vermessen, Klassifizieren, Sortieren und/oder Positio­ nieren von Stückgütern, insbesondere Karosserieteilen, Gepäck­ stücken, bereits bearbeiteten und/oder noch zu bearbeitenden Werkstücken eingesetzt wird.

21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es zum Vermessen von Innenräumen, insbesondere Tunneln, Zimmern und dgl. eingesetzt wird.

22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es zum Bestimmen der Bahn von im Raum bewegten Objekten insbesondere in Echtzeit verwendet wird, vorzugsweise in Virtual- Reality-Anwendungen zur Verfolgung der Bewegungen von Personen und/oder Körperteilen von Personen.

23. Vorrichtung zur Ermittlung der Oberflächenkontur von Meßobjekten mit wenigstens einem Lasermeßsystem, welche nach einem der in den vorhergehenden Ansprüchen angegebenen Verfahren betrieben wird.