DE19925462C1

DE19925462C1 - Meß- und Prüfsystem sowie Meß- und Prüfverfahren für einen dreidimensionalen Körper in Zusammenhang mit dessen Fertigung

Info

Publication number: DE19925462C1
Application number: DE1999125462
Authority: DE
Inventors: Andreas Zilker
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Daimler AG
Priority date: 1999-06-02
Filing date: 1999-06-02
Publication date: 2001-02-15
Anticipated expiration: 2019-06-03

Abstract

Bei der Erprobung und Optimierung des aerodynamischen Verhaltens von Flugzeugmodellen im Windkanal liegen die Anforderungen an die Formtreue des Modells im Bereich von wenigen 1/100 Millimetern. Entsprechend wichtig ist eine effiziente Überprüfung der Ist-Geometrie des Modells mit der Soll-Geometrie der CAD-Konstruktionsdaten. Diese Überprüfung beschränkte sich bisher meist auf die Vermessung einzelner Schnittlinien entlang der Modelloberfläche mittels taktiler Koordinatenmeßmaschinen und einen nachfolgenden (meist manuellen) Soll-Ist-Vergleich. Bei der Erprobung der Modelle ergeben sich bei dieser Vorgehensweise Probleme in den Bereichen zwischen den überprüften Schnittlinien. Deshalb soll die Vermessung und Überprüfung des Modells verbessert werden. DOLLAR A Die Aufgabe wird gelöst durch die Verwendung eines optischen Meß- und Prüfsystems sowie -verfahrens auf Basis der sog. Streifenprojektion, welche die gesamte Oberfläche des Modells schnell und mit hoher Präzision flächenhaft vermessen, danach eine Überprüfung durch Vergleich der gespeicherten Soll-Daten mit den gemessenen Ist-Daten vornehmen und abschließend die ermittelten Abweichungen der Ist-Geometrie von den Soll-Vorgaben darstellen.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Meß- und Prüfsystem sowie Meß- und Prüfverfahren für einen dreidimensionalen Körper in Zusammenhang mit dessen Fertigung. Ein solches optisches Meßsystem bzw. Meßverfahren ist bereits aus [1] bekannt.

Die dreidimensionale Meß- und Prüftechnik findet seit einiger Zeit verstärkte Aufmerk samkeit in der industriellen Anwendung, insbesondere im industriellen Modellbau, beispielsweise bei der Erprobung und Optimierung des aerodynamischen Verhaltens von Flugzeugmodellen im Windkanal. Derartige Modelle werden aus CAD-Konstruktions daten maschinell aus Stahl gefräßt. Die Anforderungen an die Formtreue des Modells liegen im Bereich von wenigen 1/100 Millimetern. Entsprechend wichtig ist eine effi ziente Überprüfung der Ist-Geometrie des Modells mit der Soll-Geometrie der CAD-Kon struktionsdaten. Diese Überprüfung beschränkte sich bisher meist auf die Vermessung einzelner Schnittlinien entlang der Modelloberfläche mittels taktiler Koordinatenmeß maschinen und einen nachfolgenden (meist manuellen) Soll-Ist-Vergleich. Bei der Erpro bung der Modelle ergeben sich bei dieser Vorgehensweise Probleme in den Bereichen zwischen den überprüften Schnittlinien.

Jüngste Fortschritte in der flächenhaften optischen Meßtechnik zeigen Alternativen zur taktilen Vermessung auf. In [1] werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur drei dimensionalen Objektvermessung mittels Photogrammetrie und Streifenprojektion vor geschlagen: Das zu vermessende Objekt wird zunächst mit Meßmarken versehen. Die Meßmarken werden annähernd gleichmäßig verteilt, Ihre Positionierung ist willkürlich. Ein Objekt-Koordinatensystem wird mittels eines vor dem Objekt positionierten, kali brierten Koordinatenkreuzes definiert. Danach werden die Koordinaten der Meßmarken als Referenzpunkte im Objekt-Koordinatensystem und im Sensor-Koordinatensystem mittels eines Photogrammetrie-Sensors bestimmt. Dies ermöglicht die Berechnung einer Transformationsfunktion aus dem Sensor-Koordinatensystem in das Objekt- Koordinatensystem. Danach wird das Objekt mittels einer Streifenprojektions- Vorrichtung flächenhaft vermessen. Die Streifenprojektions-Vorrichtung besteht aus einem Streifenprojektor und einer CCD-Kamera, die gewinkelt zueinander angeordnet sind. Die Streifenprojektions-Vorrichtung hat einen lateralen Meßbereich von circa 40 . 40 cm bei einer Meßgenauigkeit von circa 0,15 mm in z-Richtung des Objektes. Auf Grund des begrenzten Meßvolumens der Streifenprojektions-Vorrichtung besteht die Notwendigkeit, die Meßdaten für ausgedehnte Objekte mosaikartig aus einzelnen Teilmessungen zusammenzusetzen. Um eine genaue Zusammenfügung der Meßdaten der einzelnen Teilmessungen zu erlauben, wird das relativ zum Meßobjekt ortsfeste Netz aus Referenzpunkten benötigt. Anhand des Referenznetzes werden die einzelnen Teilansichten verschiedener Teilmessungen nachträglich zu einem Gesamtdatensatz zu sammengefügt.

In [2] wird ein weiteres Verfahren zur Objektvermessung mittels Photogrammetrie und Streifenprojektion vorgeschlagen. In [3] werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Form- und Lageabweichungen von Fertigungsteilen mittels eines Aufnahmesystems, eines ortsfesten Meßtastersystems und mit einem lichtoptischen Konturmeßverfahren vorgeschlagen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein möglichst einfach auf gebautes Meß- und Prüfsystem sowie -verfahren für einen dreidimensionalen Körper anzugeben, welche es erlauben, die gesamte Oberfläche des dreidimensionalen Körpers schnell und mit hoher Präzision zu vermessen und hinsichtlich Abweichungen von Soll-Vorgaben zu überprüfen und diese Abweichungen darzustellen.

Die Erfindung ist in Bezug auf das zu schaffende Meß- und Prüfsystem durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 wiedergegeben. Weitere Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Meß- und Prüfsystems (Patentansprüche 2 bis 4). Die Erfindung ist in Bezug auf das zu schaffende Meß- und Prüfverfahren durch die Merkmale des Patentanspruchs 5 wiedergegeben. Die weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens (Patentansprüche 6 bis 8)

Die Aufgabe wird bezüglich des zu schaffenden Meß- und Prüfsystems zur Vermessung und Überprüfung eines dreidimensionalen Körpers (1) in Zusammenhang mit dessen Fertigung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß es ein Meßsystem enthält mit

a) Meßmarken
zur Anbringung auf dem dreidimensionalen Körper,
b) einem optischen 3D-Sensor auf der Basis von Streifenprojektion
zur photogrammetrischen Erfassung der angebrachten Meßmarken und
zur flächenhaften Vermessung des dreidimensionalen Körpers, sowie
c) Datenverarbeitungseinheiten,
- - in denen ein 3D-Soll-Datensatz der Oberfläche des dreidimensionalen Körpers gespeichert ist,
- - in denen ein Programm gespeichert ist
  zur Erstellung eines Soll-Ist-Vergleichs zwischen den gespeicherten Soll-Daten und den gemessenen Ist-Daten nach Transformation der mit Bezug auf ein Sensor-Koordinatensystem erfassten Koordinaten der Oberfläche in das Koordinatensystem des 3D-Soll-Datensatzes,
d) Mitteln zur Übertragung von im 3D-Soll-Datensatz definierten Oberflächen- Referenzpunkten auf den dreidimensionalen Körper entsprechend zur Umsetzung der 3D-Soll-Daten bei dessen Fertigung,
wobei die übertragenen Referenzpunkte dann Positionsvorgaben für die Anbringung der Meßmarken darstellen,
e) einer Anzeigeeinheit
zur Darstellung des Soll-Ist-Vergleichs.

Ein wesentlicher Vorteil eines solchen Meß- und Prüfsystems gegenüber den bekannten taktilen Meßsystemen besteht darin, daß es die flächenhafte Vermessung und Über prüfung eines dreidimensionalen Objektes ermöglicht. Die Überprüfung erfolgt auto matisch und direkt im Anschluß an die Vermessung für die gesamte Oberfläche des Objektes und nicht nur für eine Schnittlinie. Darüber hinaus ermöglicht die Anzeige einheit die sofortige Darstellung des Überprüfungsergebnisses.

Ein wesentlicher Vorteil eines solchen Meß- und Prüfsystems gegenüber dem aus [1] bekannten optischen Meßsystem besteht darin, daß das Prüfsystem mit in das Gesamt system integriert ist. Dieses System erlaubt deshalb nicht nur die Vermessung eines dreidimensionalen Modells, sondern ermöglicht so zusätzlich eine schnelle Überprüfung der Soll-Daten des dreidimensionalen Modells. Darüber hinaus ist das erfindungs gemäße Meßsystem einfacher aufgebaut als das aus [1] bekannte Meßsystem, da nur ein optischer Sensor benötigt wird, der sowohl für die photogrammetrische als auch für die flächenhafte Vermessung auf Basis der Streifenprojektion verwendet wird. Ferner sind die Meßmarken im Gegensatz zu den in [1] genannten Meßmarken auf dem drei dimensionalen Körper auf Positionen mit genau bekannten Soll-Daten angebracht. Dies ermöglicht erst die präzise und trotzdem einfache Koordinateneinbindung der Meß ansichten in das Objekt-Koordinatensystem der Soll-Daten und damit den Vergleich von geforderten Soll-Daten und gemessenen Ist-Daten mit ausreichender Präzision.

In einer vorteilhaften Ausführungsform dieses Meß- und Prüfsystems beinhaltet das Meßsystem einen Streifenprojektor und zwei Aufnahmeeinheiten, vorzugsweise Video kameras, die alle auf den zu vermessenden dreidimensionalen Körper ausgerichtet sind, wobei die beiden Aufnahmeeinheiten gegeneinander gewinkelt angeordnet sind, vorzugsweise mit einem Triangulationswinkel von 90 Grad. Der Vorteil eines derartigen Systems besteht, darin, daß mit ihm dreidimensionale Körper sowohl photogramme trisch punktuell als auch mittels der Streifenprojektion flächenhaft in einem Meßschritt vermessen werden können. Mit ansteigendem Triangulationswinkel erhöht sich die Meßgenauigkeit in Normalenrichtung zur Oberfläche des Körpers, allerdings tritt auch eher Abschattung auf. Daher ist der Triangulationswinkel von 90 Grad besonders ge eignet für die Vermessung von flachen Körpern wie beispielsweise Flugzeugflügeln oder -leitwerken.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform dieses Meß- und Prüfsystems bein haltet das Meßsystem zusätzlich zwei Beleuchtungseinheiten, vorzugsweise Halogen lampen, die möglichst dicht neben den Aufnahmeeinheiten angeordnet und auf den gleichen Punkt auf dem dreidimensionalen Körper ausgerichtet sind. Der Vorteil dieser zusätzlichen beiden Beleuchtungseinheiten mit ihrer quasi koaxialen Ausrichtung zu den beiden Aufnahmeeinheiten besteht darin, daß so einerseits iterativ eine optimale Aus leuchtung des Bildfeldes der beiden Aufnahmeeinheiten in Bezug auf Helligkeit und Kontrast erzielt werden kann und andererseits die Leistungsanforderungen an den 3D- Projektor und an die Aufnahmeeinheiten geringer sind als ohne die zwei zusätzlichen Beleuchtungseinheiten, woraus Kostenvorteile resultieren.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform dieses Meß- und Prüfsystems ist das Meßsystem in einer Positioniereinheit eingebaut, vorzugsweise in einer Fünf-Achs-Ver fahreinheit, und in einem Gitterrahmen. Die Positioniereinheit ermöglicht die einfache, schnelle und genaue Positionierung des Meßsystems relativ zu dem zu vermessenden Körper. Der Gitterrahmen dient zum mechanischen Schutz des Meßsystems.

Die Aufgabe wird bezüglich des zu schaffenden Meß- und Prüfverfahrens zur Vermessung und Überprüfung eines dreidimensionalen Körpers in Zusammenhang mit dessen Fertigung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

a) in einer Datenverarbeitungseinheit ein 3D-Soll-Datensatz der Oberfläche des dreidimensionalen Körpers im Objekt-Koordinatensystem erfaßt und gespeichert wird,
b) in dem 3D-Soll-Datensatz Oberflächen-Referenzpunkte definiert werden,
c) die definierten Referenzpunkte entsprechend zur Umsetzung der 3D-Soll-Daten bei der Fertigung des dreidimensionalen Körpers auf diesen übertragen und dort Meßmarken angebracht werden,
d) mittels eines optischen 3D-Sensors
die Positionen der Meßmarken photogrammetrisch
und die Oberfläche des dreidimensionalen Körpers flächenhaft erfaßt werden,
e) die mit Bezug auf ein Sensor-Koordinatensystem erfassten Koordinaten der Oberfläche in das Koordinatensystem des 3D-Soll-Datensatzes transformiert werden,
wobei die Transformation die photogrammetrisch erfassten Sensor- Koordinaten der Meßmarken in die Koordinaten der Referenzpunkte im Koordinatensystem des 3D-Soll-Datensatzes überführt,
f) ein Soll-Ist-Vergleich erstellt wird zwischen den gespeicherten 3D-Soll-Daten und den gemessenen Ist-Daten,
g) der Soll-Ist-Vergleich auf einer Anzeigeeinheit dargestellt wird.

Ein wesentlicher Vorteil eines solchen optischen Meß- und Prüfverfahrens gegenüber den bekannten taktilen Meßverfahren besteht darin, daß die Vermessung eines drei dimensionalen Objektes flächenhaft erfolgt. Die Überprüfung erfolgt automatisch und direkt im Anschluß an die Vermessung für die gesamte Oberfläche des Objektes und nicht nur für eine Schnittlinie. Darüber hinaus wird das Überprüfungsergebnis sofort auf der Anzeigeeinheit dargestellt.

Ein wesentlicher Vorteil eines solchen Meß- und Prüfverfahrens gegenüber dem aus [1] bekannten optischen Meßverfahren besteht darin, daß das Prüfverfahren mit in das Gesamtverfahren integriert ist. Dadurch wird einerseits zusätzlich zu der Vermessung eines dreidimensionalen Modells auch noch die Überprüfung von dessen Soll-Daten ermöglicht und andererseits erfolgt diese Überprüfung durch die Integration beider Komponenten in ein Gesamtverfahren besonders schnell. Darüber hinaus wird die Über prüfung für einen Anwender des Meß- und Prüfverfahrens erleichtert durch die Dar stellung der ermittelten Abweichung der Ist-Daten von den Soll-Daten auf der Anzeige einheit. Ferner werden die Meßmarken im Gegensatz zu den in [1] genannten Meß marken auf dem dreidimensionalen Körper auf Positionen mit bekannten Soll-Daten angebracht. Dies ermöglicht erst den Vergleich von geforderten Soll-Daten und gemessenen Ist-Daten mit ausreichender Präzision.

In einer vorteilhaften Ausführungsform dieses Meß- und Prüfverfahrens wird der Soll-Ist- Vergleich dargestellt als Falschfarbendarstellung der Oberflächenabweichungen, vorzugsweise derart,

- daß der Soll-Ist-Vergleich berechnet wird als geometrische Differenz in Normalenrichtung zwischen der gespeicherten Soll-Oberfläche und der gemessenen Ist-Oberfläche des dreidimensionalen Körpers und
- daß das Maximum und das Minimum des berechneten Soll-Ist-Vergleich bestimmt wird,
- daß eine Falschfarbentabelle auf die Differenz zwischen Maximum und Minimum normiert wird und alle dazwischenliegenden Soll-Ist-Abweichungen auf dieser Falschfarbentabelle skaliert werden,
- daß der berechnete Soll-Ist-Vergleich mittels der Falschfarbentabelle als Falschfarbendarstellung des dreidimensionalen Körpers angezeigt wird.

Der Vorteil einer derartigen Ausführungsform besteht darin, daß der Anwender mittels einer Falschfarbendarstellung besonders einfach und schnell erkennen kann wo eine Abweichung der Ist-Oberfläche von der Soll-Oberfläche vorliegt und wie stark diese Abweichung ausgeprägt ist. Anzumerken ist noch, daß das Maximum und das Minimum der Soll-Ist-Abweichung jeweils sowohl positive als auch negative Werte annehmen kann. Die Skalierung erfolgt vorzugsweise linear. Denkbar ist aber auch, einen definier ten Toleranzbereich der Abweichungen mit einer einzigen Farbe zu kennzeichnen und nur die darüber hinaus gehenden Abweichungen entsprechend ihrer Größe auf der Falschfarbentabelle zu skalieren. Dadurch würden nur die nachzubearbeitenden Ober flächenteile hervorgehoben.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform dieses Meß- und Prüfverfahrens werden

- die Referenzpunkte gleichmäßig über die Soll-Oberfläche des dreidimensionalen Körpers verteilt, vorzugsweise derart, daß mindestens fünf in einer Meßfläche des optischen 3D-Sensors sichtbar sind,
- sie werden auf dem dreidimensionalen Körper als Einsenkungen realisiert,
- die Koordinaten der Einsenkungen werden taktil vermessen,
- die taktil gemessenen Koordinaten dienen zur Kontrolle der Soll-Referenzpunkte,
- in die Einsenkungen werden pilzförmige dreidimensionale Meßmarken eingesteckt,
- die Meßmarken werden photogrammetrisch vermessen,
- und die optisch gemessenen Koordinaten definieren die Ist-Referenzpunkte.

Die gleichmäßige Verteilung der Meßmarken gewährleistet eine gleichmäßige Qualität bzw. Präzision der Vermessung und Überprüfung über die gesamte Oberfläche. Die Realisierung der Soll-Referenzpunkte durch das Anbringen von Einsenkungen auf dem realen Körper und das Einstecken der pilzförmigen Meßmarken ermöglicht eine exaktere Positionierung der Meßmarken als beispielsweise durch Aufkleben. Die taktile Vermessung der Einsenkungen dient zur Kontrolle der Soll-Referenzpunkte im Objekt- Koordinatensystem der Soll-Oberfläche. Die optische Vermessung der Meßmarken liefert die präzisen Koordinaten der Ist-Referenzpunkte. Beide Koordinatensätze ermög lichen die Berechnung einer hinsichtlich der Präzision der Überprüfung optimalen Transformationsfunktion aus dem Sensor-Koordinatensystem in das Objekt-Koordina tensystem und damit eines sehr genauen Soll-Ist-Vergleichs.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform dieses Meß- und Prüfverfahrens werden dreidimensionale Körper, die größer sind als die Meßfläche des optischen 3D-Sensors derart vermessen,

- daß mehrere Einzelansichten des dreidimensionalen Körpers vermessen werden zwischen denen geändert wird entweder die Position des optischen 3D-Sensors oder die Position des dreidimensionalen Körpers,

und

- daß die Einzelansichten anhand der Referenzpunkte in ein gemeinsames Koordinatensystem transformiert werden.

Auf diese Art und Weise können auch Körper vermessen und überprüft werden, deren Abmessungen in einem einzelnen Meßschritt nicht erfaßt werden können. Die Referenz punkte ermöglichen die korrekte Zusammenführung der Meßdaten aus verschiedenen Einzelmessungen in ein gemeinsames Koordinatensystem und eine gemeinsame Über prüfung hinsichtlich der Soll-Ist-Abweichungen.

Im Folgenden werden anhand beispielhafter Ausführungen sowie der Fig. 1 und 2 das erfindungsgemäße Meß- und Prüfsystem und das erfindungsgemäße Meß- und Prüf verfahren näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Meß- und Prüfsystems.

Fig. 2 Eine bevorzugte Ausführungsform (dreidimensionaler) Meßmarken.

Die Fig. 1 stellt schematisch und nicht maßstabsgerecht einen zu vermessenden und zu überprüfenden dreidimensionalen Körper - hier beispielhaft ein Flügelmodell - sowie eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Meß- und Prüfsystems dar. Auf dem dreidimensionalen Körper 1 sind gleichmäßig verteilt mehrere Meßmarken 2 angebracht. Das Meßsystem enthält außer den Meßmarken 2 noch einen optischen 3D- Sensor 3 und eine Datenverarbeitungseinheit 4. Das Prüfsystem enthält eine Daten verarbeitungseinheit 5 und eine Anzeigeeinheit 6. In der Datenverarbeitungseinheit 5 ist ein 3D-Soll-Datensatz der Oberfläche des dreidimensionalen Körpers gespeichert und ein Programm zur Erstellung eines Soll-Ist-Vergleichs zwischen den gespeicherten Soll- Daten und den gemessenen Ist-Daten. Die Anzeigeeinheit 6 dient zur Darstellung des berechneten Soll-Ist-Vergleichs. In diesem Ausführungsbeispiel wird anstatt zweier Datenverarbeitungseinheiten 4 und 5 nur eine einzige Datenverarbeitungseinheit verwendet, die sowohl Bestandteil des Meß- als auch des Prüfsystems ist.

In diesem Ausführungsbeispiel besteht der optische 3D-Sensor 3 aus einem Streifen projektor 31 und zwei Aufnahmeeinheiten 32 - hier in Form von zwei CCIR-Video kameras - sowie zwei Halogenlampen. Die genannten Komponenten des 3D-Sensors 3 sind auf einem 2,6 Meter langen Aluminiumprofil montiert. Der Streifenprojektor 31 ist zentral angeordnet, auf jeder Seite befinden sich je eine Videokamera und eine daneben angeordnete Halogenlampe zur besseren Ausleuchtung des dreidimensionalen Körpers 1 und der darauf befindlichen Meßmarken 2. Alle Komponenten sind auf den dreidimensionalen Körper 1 ausgerichtet, die Videokameras weisen einen Triangu lationswinkel von 90 Grad auf, es ergibt sich eine Meßfläche 33 von 400 . 250 mm².

Die Fig. 2 stellt schematisch und nicht maßstabsgerecht eine bevorzugte Aus führungsform (dreidimensionaler) Meßmarken 2 dar. Eine solche Meßmarke 2 ist pilzförmig aufgebaut. Der Pilzkopf hat einen Durchmesser von K_∅ = 40 mm, der Pilz schaft hat einen Durchmesser von S_∅ = 5 mm und eine Länge je nach Ausführung von S_L = 5 mm, 7,5 mm oder 10 mm; durch die Längsachse des Pilzschaftes verläuft eine Fixierbohrung mit einem Durchmesser von B_∅ = 2,1 mm zur Aufnahme einer M2- Schraube. Am unteren Ende des Pilzschaftes, d. h. auf der dem dreidimensionalen Körper zugewandten Seite, befindet sich im Zentrum der Fixierbohrung der Fußpunkt X_Fuß. Bei der Vermessung definiert der Fußpunkt X_Fuß einer auf dem dreidimensionalen Körper 1 angebrachten Meßmarke 2 einen Referenzpunkt. Auf der schwarz gefärbten Oberseite des Pilzkopfes sind fünf exakt kreisförmige Markierungs-Plättchen 22 radial und äquidistant aufgeklebt. Die Markierungs-Plättchen 22 bestehen aus Retroreflex folie, ihr Durchmesser beträgt 7 mm, ihre Positionen relativ zum Fußpunkt X_Fuß auf der Unterseite des Pilzschaftes sind auf 10 µm genau bestimmt. Die je nach Ausführung unterschiedliche Länge S_L des Pilzschaftes ermöglicht die ebene Positionierung der Meßmarken 2 auf unterschiedlich gekrümmten Bereichen der Oberfläche des drei dimensionalen Körpers 1.

Der erste Schritt des erfindungsgemäßen Meß- und Prüfverfahrens besteht in der Bereitstellung der Soll-Daten der Körperoberfläche. In diesem Ausführungsbeispiel wird ein Flügelmodell mit einem gängigen CAD-System konstruiert. Das mathematische CAD-Flächenmodell wird in Einzelpunkte diskretisiert mit einem vorgegebenen Sehnen- Tangenten-Fehler der Modelloberfläche von maximal 10 µm. Die Speicherung der Soll- Daten auf der Datenverarbeitungseinheit 5 des Prüfsystems erfolgt im VDA-FS Datenformat, welches Kompatibilität zu den meisten CAD-Programmen gewährleistet.

Auf der (virtuellen) Soll-Oberfläche des CAD-Flächenmodells werden Referenzpunkte definiert. Die Referenzpunkte werden gleichmäßig so über die virtuelle Soll-Oberfläche verteilt, daß auf der reellen Modelloberfläche bei der späteren Vermessung jeweils mindestens 5 Referenzpunkte bzw. die auf ihnen angebrachten Meßmarken 2 innerhalb einer Meßfläche 33 des optischen 3D-Sensors 3 sichtbar sind.

Der zweite Schritt des erfindungsgemäßen Meß- und Prüfverfahrens besteht in der Anfertigung des Flügelmodells. Das Modell wird anhand der CAD-Konstruktionsdaten aus Stahl maschinell gefräst. Das Modell wird mit 0,1 mm Aufmaß gefertigt, da der maschinelle Fräßprozeß nicht die geforderte Formtreue mit Maximalabweichungen von 10 µm erreicht und das Modell nach der maschinellen Bearbeitung Fräßriefen aufweist. In das Modell werden an den vordefinierten Referenzpunkten Einsenkungen mit 5 mm Durchmesser zur Aufnahme der pilzförmigen Meßmarken 2 angebracht. Die hoch präzise Herstellung dieser Einsenkungen ist entscheidend für die letztendliche Genauig keit der Koordinateneinpassung bzw. -transformation und des Soll-Ist-Vergleichs. Nach dem Einbringen der Einsenkungen werden die Koordinaten der Referenzpunkte im Rah men einer ersten Kontrollvermessung mittels einer taktilen Meßmaschine vermessen.

Im nächsten Schritt wird das Modell für die photogrammetrische Vermessung vor bereitet. Dazu werden fünf Meßmarken 2 für eine Meßansicht in die Einsenkungen auf der Modelloberfläche eingesteckt und gegebenenfalls mit einer M2-Schraube zentrisch fixiert. Vor dem Einstecken werden die Einsenkungen mittels Druckluft von eventuellen Metallspänen oder Staub gereinigt, da derartige Verunreinigungen zu signifikanten Posi tionierfehlern der Meßmarken 2 und damit zu Meßfehlern führen würden.

Der vierte Schritt des erfindungsgemäßen Meß- und Prüfverfahrens besteht im Einmessen des optischen 3D-Sensors 3 relativ zum CAD-Soll-Koordinatensystem (= Objekt-Koordinatensystem). Dies erfolgt mittels eines eigens entwickelten Prog ramms, das auf der Datenverarbeitungseinheit 4 des Meßsystems gespeichert ist und die automatische Einmeßprozedur steuert:

Zunächst werden die Halogenlampen neben den Videokameras 32 aktiviert. Sie beleuchten das Modell und die Meßmarken 2 nahezu koaxial zur Blickrichtung der Kameras 32. Die Helligkeit der Halogenlampen wird iterativ so geregelt, daß der Kontrast der Meßmarken 2 optimal im Bild ausgesteuert ist.

Die Lage der fünf kreisförmigen Markierungs-Plättchen 22 auf der schwarz gefärbten Oberseite jeder Meßmarke 2 wird automatisch photogrammetrisch detektiert. Aus der bekannten Geometrie der Meßmarken 2, d. h. aus den bekannten Abmessungen von Pilzkopf und Pilzschaft, werden die Koordinaten des Fußpunktes X_Fuß auf der Unterseite des Pilzschaftes der jeweiligen Meßmarke 2 im Sensor-Koordinatensystem berechnet.

Aus den gemessenen Koordinaten der Fußpunkte im Sensor-Koordinatensystem und aus den vorgegebenen Referenzkoordinaten im Objekt-Koordinatensystem des CAD- Soll-Modells wird eine Transformationsfunktion berechnet. Ein Restfehler der Trans formation wird berechnet und dient als Maß für die Güte der optisch-mechanischen Einmessung.

Im nächsten Schritt wird das Modell für die flächenhafte Vermessung vorbereitet. Dazu wird die Modelloberfläche mit Kreidespray dünn eingeweißt, um eine gleichmäßig dif fuse Lichtstreuung zu erreichen. Dies gewährleistet auch bei vergleichsweise geringer Lichtleistung des Projektors 3 die Erzielung eines ausreichenden Streifenkontrastes für die Zwei-Kamera-Konfiguration des 3D-Sensors. Die Kreidestaubschicht ist erfahrungs gemäß circa 10 µm dick und begrenzt damit die sinnvolle Meßgenauigkeit des Systems nach unten. Dies ist für den Anwender akzeptabel, da während der Bearbeitung des Modells sowieso Abrieb und Schleifstaub entstehen.

Der sechste Schritt des erfindungsgemäßen Meß- und Prüfverfahrens besteht in der flächenhaften Vermessung des Modells. Die Vermessung erfolgt mit einem üblichen Verfahren - Streifenprojektion mit kodiertem Licht (Graycode kombiniert mit Phase shift):

Über jeweils acht Grauwertbilder im Videotakt der Kameras (25 Hertz) wird eine Echt zeitmittelung durchgeführt. Dadurch wird das statistische Rauschsignal stark verringert, welches von den CCD-Kameras und der Digitalisierung im Bildverarbeitungssystem pro duziert wird bei der Umwandlung von der Lichtintensität auf der Modelloberfläche in die digitalen Signaldaten der Graubilder.

Jedes Phasenbild wird mittels eines 3 × 3 - Tiefpaßfilters geglättet.

Für jede Meßfläche 33 wird mittels eines Standard-Verfahrens (Graycode/Phaseshift) ein dreidimensionales Abbild der Modelloberfläche (im Sensor-Koordinatensystem) berechnet. Danach werden die Koordinaten dieser gemessenen Ist-Oberfläche aus dem Sensor-Koordinatensystem mittels der zuvor bestimmten Transformationsfunktion in das Objekt-Koordinatensystem transformiert.

Der siebente Schritt des erfindungsgemäßen Meß- und Prüfverfahrens besteht in der Erstellung des Soll-Ist-Vergleichs zwischen der Oberfläche des CAD-Flächenmodells und der gemessenen Modelloberfläche:

Zunächst werden die diskreten Einzelpunkte des CAD-Flächenmodells (Soll-Daten) in der Datenverarbeitungseinheit 5 des Prüfsystems zu einem polyedrischen Netz aus Dreiecksflächen "vernäht". Dieses polyedrische Netz repräsentiert die Soll-Oberfläche.

Die Punktdaten der gemessenen Ist-Oberfläche werden auf das jeweils lateral nächste Dreieck der polyedrischen Soll-Oberfläche projiziert. Aus der Projektion wird der Nor malenabstand zwischen jedem Meßpunkt und der Soll-Oberfläche berechnet und an einen Visualisierungsprozeß übergeben.

Der Visualisierungsprozeß bestimmt zunächst Maximum und Minimum der Soll-Ist- Abweichung und skaliert alle dazwischen liegenden Werte auf eine vordefinierte 8-Bit- Falschfarbentabelle. Die Daten werden zur Bereinigung von Restrauschen mit einem Medianfilter (5 × 5 Kernel) geglättet.

Auf der Anzeigeeinheit 6 wird die Falschfarbendarstellung als transparentes Bild über der Videoaufnahme der Meßfläche eingeblendet. Der Anwender sieht dadurch gleich zeitig die Meßfläche und die Abweichung von der Soll-Oberfläche. Neben diesem Bild bereich wird eine Farbskala eingeblendet, welche jeder Farbe eine Abweichung in Millimetern zuordnet und so den abgebildeten Soll-Ist-Vergleich quantifiziert.

Der Soll-Ist-Vergleich kann zur Dokumentation abgespeichert oder auch als Farbaus druck auf einem zusätzlichen Drucker ausgegeben werden.

Die beschriebene Ausführungsform des Meß- und Prüfsystems erreicht eine Meß- und Prüfgenauigkeit von 0,08 mm.

In der realen "rauhen" Umgebung einer Modellbauwerkstatt wird das Meß- und Prüfsystem folgendermaßen realisiert:

Die Datenverarbeitungseinheit 4/5 (beispielsweise ein PC: P I, 166 MHz, 64 MB RAM, Framegrabber ITI-ICP, Harddisk), die Anzeigeeinheit 6 (17" Monitor), Stromversorgung und Steuerung werden in einem Schaltschrank integriert. Der Schaltschrank ist auf Rollen montiert und ermöglicht die gemeinsame Verschiebung aller Komponenten je nach Bedarf entsprechend der Position des zu vermessenden Modells auf dem Arbeits tisch.

Der optische 3D-Sensor 3 ist in einem Gitterrahmen eingebaut, der dem mechanischen Schutz dient. Der Gitterrahmen ist auf einer Fünf-Achs-Verfahreinheit montiert. Die Verfahreinheit erlaubt die freie Positionierung des 3D-Sensors 3 über die ganze Fläche des Arbeitstisches. Die Sensorelektronik ist mit einem Kabelschlepp von 20 m Länge angeschlossen.

Die Anfertigung eines Flügelmodells zur Erprobung und Optimierung des aerodyna mischen Verhaltens eines Flugzeugmodells im Windkanal läuft nun derart ab, daß der Modellbauer das Rohmodell wie oben beschrieben vermißt und prüft und dann ent sprechend der angezeigten Abweichungen von den Soll-Daten nachbearbeitet. Danach wiederholt er die Meß-, Prüf und ggf. Nachbearbeitungsschritte bis die erforderliche Übereinstimmung zwischen Soll- und Ist-Form des Flügelmodells erreicht ist.

Ein Flügelmodell ist häufig größer als die zur Verfügung stehende Meßfläche des Meß- und Prüfsystems. Dies bereitet jedoch keine Probleme, da verschiedene Meßansichten mittels der Referenzpunkte leicht und präzise miteinander kombiniert werden können.

Das erfindungsgemäße Meß- und Prüfsystem sowie das Meß- und Prüfverfahren erweisen sich in der Ausführungsform des vorstehend beschriebenen Beispiels als besonders geeignet für die optische, dreidimensionale Vermessung und Überprüfung im Modellbau, insbesondere im Flugzeugmodellbau. Sie erhöhen die Präzision bei der Herstellung der Modelle und senken die dazu benötigte Zeit, woraus erhebliche Kosten- und Qualitätsvorteile resultieren.

Die Erfindung ist nicht nur auf das zuvor geschilderte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern vielmehr auf weitere übertragbar.

So ist zum Beispiel denkbar, anstatt das Modell für die flächenhafte Vermessung einzuweißen, höher auflösende Kameras und/oder einen leistungsstärkeren Projektor zu verwenden. Gleichzeitig ließe sich damit die Meßgenauigkeit erhöhen.

Außerdem wäre ein Austausch des Arbeitstisches durch eine präzise, um die Flügel längsachse schwenkbare Halterung (Sinus-Tisch) vorstellbar. Diese würde die Ver messung und Überprüfung des Nasenbereiches des Flügels erleichtern, der aufgrund seiner starken Krümmung in der Horizontallage des Flügels optisch nur mit geringerer Präzision vermessen werden kann.

Ferner könnte das Ergebnis des Soll-Ist-Vergleichs auch direkt zur Ansteuerung einer CNC-Poliermaschine genutzt werden. Dadurch würde der manuelle Nachbearbeitungs schritt bei der Optimierung des Modells entfallen.

Auch die Abmessungen der Komponenten sind nicht an die in diesem Ausführungs beispiel genannten Werte gebunden. Vorstellbar sind sowohl Komponenten mit an deren, festen Abmessungen, als auch Komponenten, die Einstellmöglichkeiten für ihre Abmessungen aufweisen. Diese könnten beispielsweise aus gegeneinander verschieb baren und arretierbaren Schienen aufgebaut sein.

Literatur

[1] Michaelis; "3D-Objekterfassung mit Photogrammetrie und Streifenprojektion", in "Publikationen der Deutschen Gesellschaft für Photogrammetrie und Fernerkundung", Band

5

,

1997

, S. 167-173, Hrsg. Franz K. List
[2] DE 195 02 459 A1
[3] DE 42 23 483 C2

Claims

1. Meß- und Prüfsystem zur Vermessung und Überprüfung eines dreidimensionalen Körpers (1) in Zusammenhang mit dessen Fertigung, mit einem Meßsystem enthaltend

a) Meßmarken (2)
zur Anbringung auf dem dreidimensionalen Körper (1),
b) einen optischen 3D-Sensor (3) auf der Basis von Streifenprojektion
zur photogrammetrischen Erfassung der angebrachten Meßmarken (2), und
zur flächenhaften Vermessung des dreidimensionalen Körpers (1),

gekennzeichnet durch,

a) Datenverarbeitungseinheiten (4, 5),

- in denen ein 3D-Soll-Datensatz der Oberfläche des dreidimensionalen Körpers gespeichert ist,
- in denen ein Programm gespeichert ist zur Erstellung eines Soll-Ist-Vergleichs zwischen den gespeicherten Soll-Daten und den gemessenen Ist-Daten nach Transformation der mit Bezug auf ein Sensor-Koordinatensystem erfassten Koordinaten der Oberfläche in das Koordinatensystem des 3D-Soll-Datensatzes,
- a) Mittel zur Übertragung von im 3D-Soll-Datensatz definierten Oberflächen-Referenz punkten auf den dreidimensionalen Körper (1) entsprechend zur Umsetzung der 3D- Soll-Daten bei dessen Fertigung,
  wobei die übertragenen Referenzpunkte dann Positionsvorgaben für die Anbringung der Meßmarken (2) darstellen,
- b) eine Anzeigeeinheit (6)
  zur Darstellung des Soll-Ist-Vergleichs.

2. Meß- und Prüfsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß das Meßsystem beinhaltet,
- einen Streifenprojektor (31) und
- zwei Aufnahmeeinheiten (32), vorzugsweise CCIR-Videokameras,
- die alle auf den zu vermessenden dreidimensionalen Körper (1) ausgerichtet sind, wobei die beiden Aufnahmeeinheiten (32) gegeneinander gewinkelt angeordnet sind, vorzugsweise mit einem Triangulationswinkel von 90 Grad.

3. Meß- und Prüfsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß das Meßsystem beinhaltet, zwei Beleuchtungseinheiten, vorzugsweise Halogenlampen, die möglichst dicht neben den Aufnahmeeinheiten (32) angeordnet sind und auf den gleichen Punkt auf dem dreidimensionalen Körper (1) ausgerichtet sind.

4. Meß- und Prüfsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

- daß das Meßsystem in einer Positioniereinheit eingebaut ist, vorzugsweise in einer Fünf-Achs-Verfahreinheit und in einem Gitterrahmen.

5. Meß- und Prüfverfahren zur Vermessung und Überprüfung eines dreidimensionalen Körpers (1) in Zusammenhang mit dessen Fertigung, bei dem

a) in einer Datenverarbeitungseinheit (5) ein 3D-Soll-Datensatz der Oberfläche des dreidimensionalen Körpers (1) im Objekt-Koordinatensystem erfaßt und gespeichert wird,
b) in dem 3D-Soll-Datensatz Oberflächen-Referenzpunkte definiert werden,
c) die definierten Referenzpunkte entsprechend zur Umsetzung der 3D-Soll-Daten bei der Fertigung des dreidimensionalen Körpers (1) auf diesen übertragen und dort Meßmarken (2) angebracht werden,
d) mittels eines optischen 3D-Sensors (3)
die Positionen der Meßmarken (2) photogrammetrisch
und die Oberfläche des dreidimensionalen Körpers (1) flächenhaft erfaßt werden,
e) die mit Bezug auf ein Sensor-Koordinatensystem erfassten Koordinaten der Oberfläche in das Koordinatensystem des 3D-Soll-Datensatzes transformiert werden,
wobei die Transformation die photogrammetrisch erfassten Sensor-Koordinaten der Meßmarken (2) in die Koordinaten der Referenzpunkte im Koordinatensystem des 3D-Soll-Datensatzes überführt,
f) ein Soll-Ist-Vergleich erstellt wird zwischen den gespeicherten 3D-Soll-Daten und den gemessenen Ist-Daten,
g) der Soll-Ist-Vergleich auf einer Anzeigeeinheit (6) dargestellt wird.

6. Meß- und Prüfverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Soll-Ist-Vergleich dargestellt wird als Falschfarbendarstellung der Oberflächenabweichungen, vorzugsweise derart,

- daß der Soll-Ist-Vergleich berechnet wird als geometrische Differenz in Normalenrichtung zwischen der gespeicherten Soll-Oberfläche und der gemessenen Ist-Oberfläche des dreidimensionalen Körpers (1) und
- daß das Maximum und das Minimum des berechneten Soll-Ist-Vergleichs bestimmt wird,
- daß eine Falschfarbentabelle auf die Differenz zwischen Maximum und Minimum normiert wird und alle dazwischenliegenden Soll-Ist-Abweichungen auf dieser Falschfarbentabelle skaliert werden,
- daß der berechnete Soll-Ist-Vergleich mittels der Falschfarbentabelle als Falschfarbendarstellung des dreidimensionalen Körpers (1) angezeigt wird.

7. Meß- und Prüfverfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Referenzpunkte gleichmäßig über die Soll-Oberfläche des dreidimensionalen Körpers (1) verteilt werden, vorzugsweise derart,
daß mindestens fünf in einer Meßfläche (33) des optischen 3D-Sensors (3) sichtbar sind,
- daß sie auf dem dreidimensionalen Körper (1) als Einsenkungen realisiert werden,
- daß die Koordinaten der Einsenkungen taktil vermessen werden,
- daß die taktil gemessenen Koordinaten zur Kontrolle der Soll-Referenzpunkte dienen,
- daß in die Einsenkungen pilzförmige dreidimensionale Meßmarken (2) eingesteckt werden,
- daß die Meßmarken (2) photogrammetrisch vermessen werden,
- daß die optisch gemessenen Koordinaten die Ist-Referenzpunkte definieren.

8. Meß- und Prüfverfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß dreidimensionale Körper (1), die größer sind als die Meßfläche (33) des optischen 3D-Sensors (3) derart vermessen werden,

- daß mehrere Einzelansichten des dreidimensionalen Körpers vermessen werden zwischen denen geändert wird
entweder die Position des optischen 3D-Sensors (3)
oder die Position des dreidimensionalen Körpers (1),

und