DE4208455A1

DE4208455A1 - Verfahren und anordnung zur beruehrungslosen dreidimensionalen messung

Info

Publication number: DE4208455A1
Application number: DE4208455A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr Ing Brueckner; Andreas Bartels; Matthias Dipl Ing Triebel; Hans-Joerg Dr Schenk; Paul-Georg Dr M Jost-Brinkmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-03-17
Filing date: 1992-03-17
Publication date: 1993-09-23

Description

Es ist bekannt, daß zur dreidimensionalen berührungslosen Messung ein Lichtband auf das Meßgut projiziert wird und dieses Lichtband unter einem Winkel durch eine CCD- Kamera beobachtet wird. Durch Auswertung des seitlichen Versatzes wird eine Meß information erhalten. Ein solches Lichtschnittverfahren wird z. B. von Pfeifer in Wett bewerbsfaktor Produktionstechnik des Aachener Werkzeugmaschinen-Kolloquiums be schrieben. Nachteilig ist, daß bei diesem Verfahren nur unter einer Ebene das Meßgut erfaßt wird. Dadurch ist die dreidimensionale berührungslose Messung von nur sehr einfachen Objekten möglich.

Ziel der Erfindung ist es, die im Stand der Technik genannten Mängel zu beseitigen, das heißt, ein Verfahren der dreidimensionalen berührungslosen Messung zu schaffen, welches eine vollständige Erfassung komplizierter Objekte, insbesondere mit Hinterschneidungen bzw. mit verdeckten Kanten, ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird der Laser sowie die verwendete CCD-Matrixkamera in bestimmten Grenzen frei positionierbar im Raum angeordnet. Dies wird realisiert durch die Möglichkeit einer translatorischen und rotatorischen Verschiebung des Meßgutes und einer rotatorischen Bewegung des Tastkopfes, d. h. eine Kippung, bestehend aus einer festen Anordnung des Lasers zu der CCD-Kamera und deren Optiken. Bei einer berüh rungslosen dreidimensionalen Aufnahme wird das Meßgut auf der translatorischen und rotatorischen Einheit befestigt. Der Tastkopf befindet sich senkrecht über dem Meßgut. Durch den verwendeten Laser und eine astigmatische Kollimaroptik wird auf dem Meßgut ein Lichtband erzeugt, welches durch die CCD-Kamera erfaßt wird. Die Berechnung der Höheninformation erfolgt nach dem Triangulationsprinzip und wird mit der ebenfalls vorhandenen Ortsinformation (X-Koordinate oder Radius R) verknüpft. Die dritte benötigte Ortsinformation (Y-Koordinate oder Winkel Φ) wird durch Auswertung der Bewegung des Meßgutes (translatorisch oder rotatorisch oder kombiniert) realisiert. Die Abtastdichte kann variiert werden. Die gewonnenen dreidimensionalen Daten werden in einem einheitlichen Datensatz zusammengefaßt, der folgendes Format hat:
1. X-Koordinate, Y-Koordinate, Z-Koordinate
oder
2. Winkel Φ, Radius R, Z-Koordinate.

Der entstandene Datensatz beschreibt aus Speicherplatzgründen nur ein dreidimensionales Oberflächenmodell. Bei einem relativ einfachen, kleinen Meßobjekt ohne Hinterschneidun gen und einer räumlichen Ausdehnung kleiner der Länge des produzierten Lichtbandes, kann unter Verwendung von nur einer Meßebene (eindimensionale Bewegung des Objek tes) das gesamte Meßgut vollständig erfaßt werden. Wenn das projizierte Lichtband das Meßobjekt nicht vollständig überstreicht, wird das Objekt durch zwei oder mehr Meß ebenen aufgenommen. Dies wird durch eine oder mehrere Verschiebungen des Meßgutes realisiert. Es entstehen, je nach Anzahl der Meßebenen, mehrere Datensätze im oben beschriebenen Format, die im Anschluß zu einem, das gesamte Meßobjekt beschreibenden, Datensatz zusammengefaßt werden. Eventuell mehrfach erfaßte gleiche Oberflächenpunkte des Meßobjektes werden dabei eliminiert. Durch eine Kippung des Tastkopfes ist eine weitere Möglichkeit gegeben, komplizierte Strukturen des Meßgutes, d. h. mit Hinter schneidungen bzw. mit verdeckten Kanten, die aus einer senkrechten Position des Tastkop fes nicht beobachtet werden können, zu erfassen. Das System reagiert selbstständig auf eine Unterbrechung des produzierten Lichtbandes. Durch eine Kippung des Tastkopfes und eine Verschiebung des Meßgutes wird der Beobachtungswinkel verbessert und eine Erfassung von Hinterschneidungen wird ermöglicht. In Abhängigkeit der damit entstehen den Meßebenen werden einzelne Datensätze, die wie bereits beschrieben, zu einem Gesamtdatensatz zusammengefaßt und reduziert werden, der das zu vermessende Objekt umfassend beschreibt. Das beschriebene Verfahren und die vorgestellte Anordnung ist besonders zur Vermessung von Gebißmodellen geeignet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. In der zugehörigen Zeichnung zeigt Fig. 1 eine schematische perspektivische und block schaltbildartige Darstellung des Grundprinzips einer erfindungsgemäßen berührungslosen dreidimensionalen Meßeinrichtung.

In Fig. 1 ist erfindungsgemäß eine rotatorische Verstelleinheit 1 auf einer translatori schen Verstelleinheit 2 angeordnet, auf der das zu vermessende Objekt 3 in geeigneter Weise befestigt ist. An einem Meßträger 6 sind ein Laser 4 mit einer astigmatischen Kollimatoroptik 5, eine CCD-Matrixkamera 7 und ein Objektiv 8, das entsprechend dem Scheimpflugwinkel im Abbildungsstrahlengang angeordnet ist, befestigt. Dieser Meß träger 6 ist an einer senkrecht angeordneten rotatorischen Verstelleinheit 9 so angebracht, daß sich der Laser 4 senkrecht über dem Meßobjekt 3 befindet. Alle Antriebe der drei Verstelleinheiten werden über eine Steuerung 10 bedient. Die Auswertung der Kamerasi gnale sowie die Regelung der Antriebssteuerung erfolgt durch ein Rechnersystem 11 zur Bildverarbeitung und Objektdarstellung. In Abhängigkeit der äußeren Beschaffenheit der Meßobjekte erfolgt die berührungslose dreidimensionale Vermessung. Der sich senkrecht oder in einem definierte Kippwinkel über dem Meßobjekt befindende Meßträger mit Laser und CCD-Matrixkamera, erzeugt durch seine astigmatische Kollimatoroptik einen schmalen Lichtstreifen, welcher auf das Meßgut projiziert wird. Durch die CCD-Matrixka mera wird das projizierte Lichtband detektiert und die Höheninformation als Auslenkung erfaßt. Die Berechnung der exakten Höhenwerte erfolgt auf Grundlage des Triangulations prinzips. Die ermittelten Oberflächenkoordinaten (Z-Koordinate, Radius R oder Y-Koor dinate) sowie die dritte Ortsinformation der Verstelleinheiten (Winkel Φ der X-Koor dinate) werden in einem Datensatz abgelegt, der die Oberflächenkontur des Meßobjektes beschreibt. Im Anschluß erfolgt eine Verschiebung oder Drehung des Meßobjektes und die Auswertung des nächsten Lichtschnittes, wie beschrieben. Die Messung erfolgt, bis das gesamte Meßobjekt erfaßt wurde oder vorgegebene Grenzwerte erreicht sind. Die Ab tastdichte kann ebenfalls festgelegt werden. Wenn das Meßobjekt die Länge des produzier ten Lichtbandes überschreitet, muß es in zwei oder mehreren Meßvorgängen abgearbeitet werden. Je Meßvorgang wird ein eigenständiger Oberflächendatensatz generiert, der den betreffenden Abschnitt des Meßobjektes beschreibt. Nach erfolgter vollständiger Erfassung werden die Teildatensätze zu einem einheitlichen Datensatz, wobei eventuell auftretende Überschneidungen eliminiert werden. Weist ein Meßobjekt verdeckte Kanten bzw. Hinter schneidungen auf, ist eine Veränderung der Lage der Meßebene nicht nur durch eine Verschiebung des Meßgutes sondern auch durch eine Kippung des Meßträgers erforderlich. Diese durch Kippung erzeugte weitere Meßebene wird ebenso wie die oben beschriebenen, linear verschobenen Meßebenen, in den Gesamtdatensatz mit einbezogen, wobei der Winkel der Verkippung gemessen und bei der Berechnung der tatsächichen Oberflächen Koordinaten einbezogen wird. Die Verkippung kann anhand von Vorinformationen über das Meßobjekt festgelegt werden. Das System kann aber auch selbständig, z. B. auf eine Unterbrechung des produzierten Lichtbandes reagieren. Als weiteres Kriterium kann auch die Auswertung der Neigung des abgebildeten Lichtstreifens herangezogen werdnen Die Auswertung erfolgt analog in der oben beschriebenen Weise. Das beschriebene Verfahren und die vorgestellte Anordnung ist besonders zur Vermessung von Gebißmodellen ge eignet.

Claims

1. Verfahren zur berührungslosen dreidimensionalen Messung, bei dem zwei Dimensionen optoelektronisch aufgenommen werden und die dritte durch rotatorische oder durch trans latorische Relativbewegung des Meßgutes erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung aller Formdetails, insbesondere von Hinterschneidungen, das Meßgut durch mehrere Meßebenen erfaßt wird,
daß diese Meßebenen gegeneinander linear verschoben und geneigt sind,
daß zunächst anhand von Informationen über das Meßgut die Anzahl und die Lage der Meßebenen bestimmt werden,
daß diese Meßebenen einzeln aufgenom men und
daß die Ergebnisse dieser Messungen unter Berücksichtigung der tatsächlichen Lage der einzelnen Meßebenen zu einem einheitlichen Datensatz zusammengefaßt werden.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl und die Lage der notwendigen Meßebenen automatisch während der Messung durch Auswertung geeigneter Kriterien korrigiert werden,
daß diese Meßebenen einzeln aufgenommen und
daß die Ergebnisse dieser Messungen unter Berücksichtigung der tatsächlichen Lage der einzelnen Meßebenen zu einem einheitlichen Datensatz zusammengefaßt werden.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl und die Lage der notwendigen Meßebenen automatisch während der Messung durch Auswertung geeigneter Kriterien festgelegt werden,
daß diese Meßebenen einzelnen aufgenommen und
daß die Ergebnisse dieser Messungen unter Berücksichtigung der tatsächlichen Lage der einzelnen Meßebenen zu einem einheitlichen Datensatz zusammengefaßt werden.

4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Meßebenen nacheinander aufgenommen werden.

5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Meßebenen gleichzeitig aufgenommen werden.

6. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgut (3) in geeigneter Weise auf einem rotatorischen Tisch (1) befestigt ist,
daß dieser Tisch auf einem translatorischen Tisch (2) angeordnet ist,
daß ein Laser (4) mit einer astigmatischen Kollimatoroptik (5) an einem Meßträger (6) an geordnet ist,
daß eine CCD-Matrixkamera (7) mit einem im Abbildungstrahlengang befindlichen Objektiv (8) ebenfalls an diesem Meßträger (6) befestigt ist,
daß sich dieser Meßträger an einem vertikal angeordneten rotatorischen Tisch (9) befindet,
daß die An triebe der drei Tische an eine Steuerung (10) angeschlossen sind und
daß die Steuerung (10) über eine Schnittstelle mit einem Rechnersystem (11) zur Bildverarbeitung und Objektdarstellung verbunden ist.