DE202010014550U1

DE202010014550U1 - Vorrichtung zur kombinierten Messung mit niedriger und hoher Auflösung mit flächenhaft antastenden optischer Koordinatenmessgeräten

Info

Publication number: DE202010014550U1
Application number: DE202010014550U
Authority: DE
Original assignee: GFMesstechnik GmbH
Current assignee: GFMesstechnik GmbH
Priority date: 2010-10-22
Filing date: 2010-10-22
Publication date: 2011-02-10
Anticipated expiration: 2020-10-23

Abstract

Optischer Messkopf für die flächenhaft Antastung in der 3D-Koordinatenmesstechnik basierend auf der strukturierten Beleuchtung dadurch gekennzeichnet, dass der Messkopf aus mindestens zwei miteinander verbundenen und auf ein gemeinsames Messfeld ausgerichteten optischen 3D-Sensoren besteht.

Description

In der optischen Koordinatenmesstechnik besteht oftmals der Anspruch, ein zu prüfendes Objekt sowohl in der Übersicht mit geringerer, als auch in Detailansichten mit höherer Auflösung zu erfassen.
Flächenhaft antastende optische Sensoren bzw. Messkameras, in folgenden Messköpfe genannt, liefern bei entsprechender Kalibrierung präzise dreidimensionale Koordinaten von Objektpunkten in Form einer Punktwolke in einem Messvolumen, das unter anderem bestimmt wird durch den Blickwinkel der Messkamera und den mit der jeweiligen Messmethode erfassbaren Abstandsbereich.
Da die im Messvolumen erfassbaren Oberflächenbereiche des Messobjektes in der Regel bei weitem nicht dessen gesamte Form erfassen können, muss das Messobjekt aus unterschiedlichen Blickwinkeln von allen Seiten erfasst werden. Die gewonnenen Koordinatenwerte müssen dann zu einem Gesamtbild bzw. zu einer Punktwolke, welche die Oberfläche des Messobjektes hinreichend dicht nachbildet, zusammengesetzt werden.
Verfahren zur aktiven, dreidimensionalen optischen Vermessung von Festkörpern sind beispielsweise dadurch gekennzeichnet, dass eine Projektion von spezifischen Mustern auf mindestens einen Festkörper erfolgt und gleichzeitig die von dem mindestens einen Körper reflektierten Strahlung durch mindestens eine Kamera flächenhaft aufgenommen wird (flächenhaft antastende Koordinatenmessverfahren) [1].
Bei vielen Verfahren wie auch den genannten Musterprojektionsverfahren, skaliert die erreichbare Punkauflösung bzw. Genauigkeit mit dem durch die Auslegung von Projektor und Kamera vorgegeben Messfeld, dem Volumen also, in dem mit einem einzigen Aufnahmevorgang ohne Positionsänderung von Aufnahmegerät oder Messobjekt Messpunkte gewonnen werden können.
Mithin werden solche Messgeräte üblicherweise in verschiedenen Ausführungen für unterschiedliche Messfelder und damit unterschiedliche Punktauflösungen gebaut. Nur in sehr begrenztem Umfang gelingt es, das Messfeld beispielsweise durch Einsatz von Kameras mit Varioobjektiven, veränderbar zu gestalten.
Zur Erzielung bester Ergebnisse ist es demnach von Vorteil, zwei oder mehrere Messköpfe mit unterschiedlichem Messfeld zur Verfügung zu haben.
In der optischen Koordinatenmesstechnik ist jedoch neben der Datenqualität vor allem die Zusammensetzbarkeit der vollständigen Objektform aus Einzelaufnahmen von Bedeutung. Messobjekte werden zur Gewinnung der Aufnahmeserien in verschiedenen Achsen gedreht, oder das Aufnahmegerät wird um das Messobjekt bewegt.
Werden zwei solche Aufnahmeserien mit unterschiedlichen Messköpfen erstellt um sowohl eine großräumige Übersicht als auch an bestimmten Stellen des Messobjekts hoch aufgelöste Detaildaten zu gewinnen, sind diese jedoch nach bisheriger Lehre nicht präzise zusammensetzbar, da die mit größerem Messfeld gewonnenen Daten eine geringere Auflösung haben und die Daten aus dem kleineren Messfeld somit nur mit dieser geringeren Auflösung eingefügt werden können. Zudem erfordert das Zusammensetzen der Einzelaufnahmen das Vorhandensein gemeinsamer leicht lokalisierbarer Punkte, anhand derer die Aufnahmen präzise zusammen ausrichtbar sind.
Damit müsste wiederum das gesamte Objekt mit dem kleineren Messfeld erfasst werden, was die Erstellung von Übersichtsaufnahme mit größerem Messfeld überflüssig machen und deren Vorteil der größeren Geschwindigkeit zunichte machen würde.
Die Kombination der Messfelder macht somit nur dann Sinn, wenn wie hier erfindungsgemäß vorgeschlagen, die beiden Aufnahmegeräte fest miteinander verbunden und auf ein gemeinsames Messfeld ausgerichtet verwendet werden, wobei das kleinere Messfeld innerhalb des größeren positioniert wird.
Damit wird es möglich, beide Aufnahmegeräte im selben Koordinatensystem gemeinsam zu kalibrieren und somit einen stets gültigen und präzisen Bezug zwischen den Punktkoordinaten der hoch- und der niedrig auflösenden Aufnahme herzustellen, wobei die Genauigkeit der Zuordnung der der hoch auflösenden Aufnahme aus dem kleinen Messfeld entspricht.
Sind die beiden Aufnahmegeräte sowie das Messobjekt in ihren Aufnahmepositionen durch die Achsen einer präzisen Koordinatenmessmaschine bestimmt, so ist eine Kalibrierung erreichbar, die im gesamten Messvolumen gültig bleibt und die das Zusammensetzen der Aufnahmen – ohne Notwendigkeit eines Ausrichtens anhand gemeinsamer Punkte – ermöglicht (siehe Gebrauchsmuster Nr. 20 2010 004 377.8 des Anmelders) [2].
Somit können beliebige Objektpunkte unabhängig voneinander exakt gemessen werden und es ist nicht in jedem Falle erforderlich, das gesamte Objekt aufzunehmen. Insbesondere ist es möglich, nur bestimmte Teile des Objekts in hoher Auflösung aufzunehmen.
Ein entscheidender Vorteil der hier vorgeschlagenen Anordnung der Messköpfe besteht somit darin, dass bei geeigneter Kalibrierung die absolute Positionsgenauigkeit aller Aufnahmen durch die Auflösung des hoch auflösenden Messkopfes bestimmt ist.
Ein weiterer Vorteil ist dadurch gegeben, dass jede Aufnahmeposition nur einmal mechanisch angefahren werden muss und dann die Messköpfe sehr schnell nacheinander die Aufnahmen von dieser Position aus in verschiedenen Auflösungen machen können. Es ist also nicht erforderlich, zwei oder mehrere Messköpfe nacheinander in die entsprechenden Aufnahmeposition zu bewegen. Dies ergibt nicht nur eine erhebliche Zeitersparnis bei der Messung, es ermöglicht auch vorangehend erst eine wirklich präzise Kalibrierung der Messköpfe zueinander.
Der wesentliche der hier beschriebenen Erfindung zugrunde liegende Gedankengang ist also, zwei oder mehrere optische Koordinatenmessköpfe unterschiedlicher Messauflösung so anzuordnen, dass ihre Messfelder ineinander liegen und somit eine präzise Kalibrierung auf ein gemeinsames Koordinatensystem ermöglicht wird, mit anschließender Möglichkeit der Gewinnung von präzise in diesem Koordinatensystem bestimmten Messdaten, mit einer vom höchst auflösenden Messkopf bestimmten Positionsgenauigkeit.
Das Prinzip kann für zwei Messköpfe Anwendung finden wie in den folgenden Zeichnungen dargestellt, es ist jedoch auch für die Kombination von mehreren Messköpfen und Messfeldern anwendbar.
Die optischen Strahlengänge der Messköpfe umfassen im Falle der Musterprojektionstechnik Projektor- und kameraseitige Strahlengänge, die sich im Messfeld unter einem Winkel treffen. Zur Vereinfachung sind diese Strahlengänge in den Prinzipdarstellungen der Zeichnungen 1 und 2 jeweils als gemeinsam vom Messkopf ausgehende Strahlengänge dargestellt.
Zeichnung 1 illustriert eine Messkopfanordnung nach den vorangehenden Ausführungen. In dieser bevorzugten Ausführung sind die Messköpfe 3 und 4 nebeneinander auf einem Träger 20 in einem Winkel 19 angeordnet und ihre Blickwinkel 15 und 16 bedingen ineinander liegende Messfelder 5 und 6. In der vergrößerten Darstellung 13 sind die Messfelder inklusive ihrer jeweiligen Messtiefe dreidimensional abgebildet (1 und 2). Die Messfelder stehen hier entsprechend der Messkopfanordnung in einem Winkel zueinander, was jedoch hinsichtlich der Kalibrierung keine Nachteile birgt außer der Notwendigkeit, ihre Messfeldbezogenen Koordinaten durch eine einfache Transformation in ein gemeinsames Koordinatensystem umzurechnen. Verfahren für solche Transformationen sind bekannt.
Zeichnung 2 zeigt eine mögliche Variante der Messkopfanordnung, bei der die Messköpfe 9 und 10 parallel zueinander stehen, jedoch deren Blickwinkel 17 und 18 durch Verschieben von Projektordisplays und/oder Kamerasensoren gegenüber den Objektiven schräg gestellt sind. Dieses Prinzip ist aus der Fotografie als Shift-Optik bekannt. Hierbei werden ebenfalls die Messfelder 11 und 12 ineinander geschoben. In der Vergrößerten Darstellung 14 erkennt man, dass hier die dreidimensionalen Messvolumina 7 und 8 eben bleiben, aber parallelogrammartig verzerrt sind. Auch in diesem Fall können jedoch die Messfeldordinaten der Messköpfen durch bekannte mathematische Transformationen in ein gemeinsames Koordinatensystem umgerechnet werden.
Eine weitere Variante ergibt sich, wenn in einer Anordnung nach Zeichnung 1 eine Scheimpflugentzerrung verwendet wird, also durch Schrägstellen der Projektionsdisplays und/oder Kamerasensoren die Ebenen größter Abbildungsschärfe in einer gemeinsamen Ebene für alle Messköpfe vereint werden. Dies kann bei sehr kleinen Messfeldern, wo eine kleine Schärfentiefe zu erwarten ist und die Messvolumina somit in ihrer Höhe eingeschränkt sind, von Vorteil sein.
Während die Messköpfe in den beiliegenden Zeichnungen lediglich in einer Achse zueinander gekippt beziehungsweise deren optische Strahlengänge in einer Achse zueinander verschoben sind, kann dies in einer weiteren Variante der vorliegenden Erfindung ebenso auch in zwei Achsen bzw. frei im Raum erfolgen. Somit ist eine Vereinigung mehrerer Messfelder auch bei Anordnungen mit mehreren Messköpfen mit geringen Verkippungen zueinander möglich.

Literatur: [1] Wilhelm Wilke, Segmentierung und Approximation großer Punktwolken, Dissertation, TU Darmstadt 2002
Literatur: [2] Gebrauchsmuster Nr. 20 2010 004 377.8 , „Vorrichtung zur Kalibrierung flächenhaft antastender optischer Koordinatenmessgeräte”.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 202010004377 U [0013, 0023]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Wilhelm Wilke, Segmentierung und Approximation großer Punktwolken, Dissertation, TU Darmstadt 2002 [0023]

Claims

Optischer Messkopf für die flächenhaft Antastung in der 3D-Koordinatenmesstechnik basierend auf der strukturierten Beleuchtung dadurch gekennzeichnet, dass der Messkopf aus mindestens zwei miteinander verbundenen und auf ein gemeinsames Messfeld ausgerichteten optischen 3D-Sensoren besteht.
Optischer Messkopf nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der 3D-Sensoren das Übersichtsmessfeld mit geringerer Auflösung und mindestens ein weiterer 3D-Sensor ein Teilmessfeld mit einer höheren Auflösung erfasst.
Optischer Messkopf nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet dass die beiden 3D-Sensoren in einer Ebene so nebeneinander und in unterschiedlichen Winkeln zueinander angeordnet sind, dass sich die beiden Sensormessfelder überdecken bzw. in einem gemeinsamen Sensor-Koordinatensystem liegen und einen gemeinsamen Nullpunkt bzw. Koordinatenursprung haben.
Optischer Messkopf nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass das der geringer auflösende 3D-Sensor das Referenzkoordinatensystem bildet, das mittels einer geeigneten Kalibrierstrategie im Welt- bzw. Maschinenkoordinatensystem liegt.
Optischer Messkopf nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet dass die beiden verbundenen 3D-Sensoren in Auslegern von Messmaschinen befestigt werden können und so definiert im Raum bewegt werden können, dass von einem interessierenden Messobjekt aus unterschiedlichen Blickrichtungen 3D-Messpunkte aufgenommen werden können.
Optischer Messkopf nach den Ansprüchen 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass als optisches 3D-Messverfahren punkt-, linien- und flächenhaft antastende optische Messverfahren zum Einsatz kommen können.
Optischer Messkopf nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor am Portal einer Koordinatenmessmaschine befestigt und so das gemeinsame Messfeld des höher- und niedriger auflösenden Sensors definiert Raum bzw. im Weltkoordinatensystem der Messmaschine und/oder des interessierenden Messobjektes bewegt werden kann.