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In
berührungslosen
Messsystemen zum Messen der physikalischen Eigenschaften dreidimensionaler
(3D) Objekte wie z. B. in Flugtriebwerken verwendete Turbinenschaufeln
ist die genaue Lokalisierung des Randes des Objekts ein häufig anzutreffendes
Problem.
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Beim
Abnahmetest von Teilen mit einer komplizierten Teilform wie zum
Beispiel einer Verdichterschaufel ist es oft nicht möglich, unter
Verwendung herkömmlicher
Antast-Messverfahren genaue Informationen zu erhalten. Vielmehr
wird eine dreidimensionale (3D) Oberflächenmesstechnik eingesetzt,
die ein strukturiertes Lichtsystem verwendet. Bei solchen Systemen
wird das zu prüfende
Teil von einer Reihe Streifenlaserlinien angeleuchtet, wobei die
Oberflächenmerkmalsinformationen
in ein Koordinatensystem abgebildet oder registriert werden. Die
Ergebnisse werden dann zum Beispiel mit einer CAD-Definition des
Teiles verglichen, um seine Abnahmefähigkeit zu ermitteln.
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Ein
Problem, das bei der Verwendung dieses 3D-Messverfahrens anzutreffen
ist, ist das genaue Lokalisieren des Randes des Teiles. In diesem
Zusammenhang wird anerkannt werden, dass die Ränder nicht notwendigerweise
scharfe Ränder
sind, sondern vielmehr gerundet sind, d. h. sie weisen einen gerundeten
Umriss auf. Herkömmliche
3D-Systeme lokalisieren die Ränder
eines gerundeten Teiles nicht gut. Wenn der Ort eines Randes (oder
von Rändern)
nicht präzise
festgestellt werden kann, dann kann die Lokalisierung anderer Oberflächenmerkmale
des Teiles in dem Koordinatensystem nicht mit der notwendigen Sicherheit
etabliert werden, um sicherzustellen, dass genaue Daten-des Teiles
erhalten werden, aufgrund derer das Teil abgenommen oder abgelehnt
wird.
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Bislang
wurde, wenn 3D-Systeme zu Testzwecken verwendet wurden, die Lokalisierung
eines Randes versucht, indem aus den vom Sichtsystem erhaltenen
Daten ein Best-Fit erzeugt wurde. Während diese Herangehensweise
hilfreich ist, wenn die Ränder
scharf sind, ist sie im Falle von leicht gebogenen Rändern nicht
effektiv. Eine alternative Herangehensweise war und ist, das Teil
zu hinterleuchten und den Rand durch das entstehende Profil zu lokalisieren,
das erzeugt wird, wenn das Teil auf einem Sockel oder einem Auflager
gedreht wird. Dieses Verfahren erfordert nicht nur eine zusätzliche
Verarbeitung der durch das Sichtsystem erhaltenen Bilddaten, sondern
die erhaltenen Ergebnisse sind nicht so genau wie die aus dem 3D-Verfahren.
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EP-A-0 699 890 offenbart
ein Gerät
zum Messen des Umrisses einer Oberfläche, das eine Hochintensitätslichtquelle
und die Optik zur Projizierung eines Lichtstrahls auf die Oberfläche umfasst, um
ein ausgewähltes
Umrissmerkmal der Oberfläche anzuleuchten.
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US 5,570,186 offenbart eine
Krümmung
eines Randes wie z. B. eine Austrittskante einer Turbinenschaufel
mit einer spiegelnden Reflektionsfläche, die durch Anleuchten der
zu messenden Oberfläche mit
einem Laserstrahl und Messen des reflektierten Laserlichts überprüft wird.
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Das
Verfahren und das Gerät
der vorliegenden Erfindung enthalten eine diffuse (weiße) Lichtquelle
in einem strukturierten (Laser) Lichtsystem, um eine sehr genaue
Information zum Ort des Randes zu erhalten, um zuverlässigere
Testergebnisse für
das Teil bereitzustellen.
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Kurz
gesagt, das Verfahren der vorliegenden Erfindung dient der Lokalisierung
von Rändern
eines Teiles für
den Abnahmetest des Teiles. Eine weiße Lichtquelle leuchtet das
Teil an, das auf einem Auflager gelagert ist, um sich bezogen auf
die Lichtquelle zu bewegen. Das von dem Teil reflektierte Licht
erzeugt einen Umriss des Teiles entlang seinem Rand und das Teil
wird mit einem strukturierten Laserlichtsystem betrachtet, das ein
Bild des Teiles, umfassend seinen Rand, bereitstellt. Ein Prozessor
analysiert das Bild, um den Rand zu lokalisieren. Die Analyse des
Bildes umfasst die Ermittlung der Anzahl von Pixeln, aus denen das
betrachtete Bild am Rand des Teiles besteht, während das Teil bezogen auf
die Lichtquelle gedreht wird. Diese Analyse liefert unter Verwendung
von in der Technik gut bekannten Triangulationsverfahren den Ort
des Randes im Raum in drei Dimensionen. Normalerweise weist das
Teil mehr als einen Rand auf und jeder Rand wird mithilfe dieses
Verfahrens lokalisiert. Sobald der Ort der Ränder ermittelt ist, werden
ihre Orte in einem Koordinatensystem verwendet, um andere Oberflächenmerkmale
des Teiles zu lokalisieren.
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Die
vorstehenden und anderen Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung
sowie deren gegenwärtig
bevorzugte Ausführungsformen
werden beim Lesen der nachstehenden Beschreibung in Verbindung mit
den beiliegenden Figuren deutlicher werden, in denen:
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1 eine
vereinfachte Darstellung des Gerätes
der vorliegenden Erfindung für
die Verwendung in der genauen Lokalisierung des Randes eines Teiles
ist; und
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2 ein
Profil des Teiles ist, wenn es so gedreht oder positioniert ist,
dass es einen Umriss des Teiles darstellt, um einen Rand davon für die Betrachtung
darzustellen.
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Entsprechende
Bezugsziffern kennzeichnen die entsprechenden Teile durch mehrere
Figuren.
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Die
nachstehende ausführliche
Beschreibung stellt die Erfindung als Beispiel und nicht als Begrenzung
dar. Die Beschreibung ermöglicht
es Fachleuten, die Erfindung herzustellen und zu verwenden, beschreibt
mehrere Ausführungsformen,
Adaptionen, Veränderungen,
Alternativen und Anwendungsmöglichkeiten
der Erfindung, umfassend dessen, was gegenwärtig als bester Modus zur Ausführung der
Erfindung angesehen wird.
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Mit
Bezug auf die Figuren ist ein Teil P zum Beispiel eine Verdichterschaufel.
Das Teil weist eine komplexe Form auf, bei der der Umriss des Teils
mit harten Messverfahren nicht leicht messbar ist. Im Besonderen
weist das Teil entsprechende Ränder
E1 und E2 auf, die genau lokalisiert werden müssen. Das dafür verwendete
Gerät der
vorliegenden Erfindung ist in 1 allgemein
mit 10 gekennzeichnet. Das Gerät 10 umfasst zunächst eine
weiße
Lichtquelle 12. Die Quelle ist so positioniert, dass die
gesamte Fläche
des Teiles angeleuchtet wird. Das Teil wiederum ist auf einem Auflager
oder Sockel 14 gelagert und bewegbar, um das Teil bezogen
auf die Lichtquelle zu drehen. Ein bildgebendes Instrument 16 umfasst
eine Kamera oder eine andere bildgebende Einrichtung, um Bilder
des angeleuchteten Teiles zu erhalten. Die von dem Lichtsystem erhaltenen
Bilder werden von einem Prozessor 18 verarbeitet, der auf Triangulation
basierende Verfahren anwendet, um unter Verwendung der von dem Prozessor
analysierten Bilddaten den Rand des Teiles zu definieren.
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In
der praktischen Anwendung des Verfahrens der Erfindung wird die
weiße
Lichtquelle 12 an der Seite der Verdichterschaufel positioniert.
Das Positionieren der Lichtquelle oder die Bewegung des Teiles auf
seinem Auflager 14 erfolgt, um einen Umriss des Teiles
zu erzeugen, wie in 2 dargestellt. Wenngleich das
Lichtsystem 16 ein strukturiertes Lichtsystem ist, das
typischerweise mit Laserlichtquellen verwendet wird, die Lichtstreifen
erzeugen, liegt ein Vorteil der Verwendung von Quelle 12 darin, dass
das Licht nicht gerichtet ist. Da der Rand E1, E2 des Teiles eine
schmale, gut definierte Fläche
ist, wird das weiße
Licht, das auf die Randfläche
trifft, die gesamte Fläche
beleuchten. Wenn das Teil bezogen auf die Lichtquelle 12 richtig
positioniert ist, wird das auf den Rand treffende Licht eine erkennbare
spiegelnde Reflektion von dem Rand erzeugen, ohne dabei ähnliche
Reflektionen von anderen Flächen
des Teiles zu erzeugen. Wenn keine solche Reflektion zu sehen ist,
dann wird das Teil und/oder die Lichtquelle abseits einer Mittelachse
des Teiles gedreht, bis die Reflektion beobachtet wird.
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Wenn
der Rand des Teiles bezogen auf die Lichtquelle entsprechend lokalisiert
ist, sollte eine saubere Linie an dem Ort des Randes erscheinen, wohingegen
die Oberfläche
des Teiles nicht angeleuchtet und somit dunkel erscheinen wird.
Beim Analysieren der Bilder durch den Prozessor 18, ermittelt
der Prozessor die Pixelanzahl, umfassend die Breite der Linie an
dem Rand. Indem das Teil so gedreht wird, dass auf diese Weise der
Rand von mehreren Positionen aus betrachtet werden kann, oder durch
die Verwendung mehrerer Kameras zum Betrachten des Randes, wird
der Ort des Randes im dreidimensionalen Raum ermittelt. Diese Art
der Verarbeitung ist in der Technik bekannt und wird nicht beschrieben.
Fachleute werden verstehen, dass andere Verfahren, die in strukturierten
Lichtsystemen verwendet werden, um eine Linie in drei Dimensionen
zu lokalisieren, auch in dieser Anwendung verwendet werden können, ohne
vom Anwendungsbereich der Erfindung abzuweichen. Wichtigerweise wird,
sobald der Rand des Teiles festgestellt ist, die Position des Randes
in ein Koordinatensystem referenziert, durch das anschließend während eines Lichtmessverfahrens
Oberflächenmerkmale
des Teiles lokalisiert werden. Da das Teil P zwei Ränder E1 und
E2 aufweist, wird jeder Rand auf die vorstehend beschriebene Art
lokalisiert und die Randinformationen für beide Ränder werden in das Koordinatensystem
referenziert.
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Die
bedeutenden Merkmale des Verfahrens und des Gerätes der Erfindung sind erstens,
dass die Ränder
eines Teiles unter Verwendung einer 3D-Analyse eines strukturierten
Lichtsystems genau lokalisiert werden. Die Verwendung einer einfachen, diffusen
weißen
Lichtquelle 12 verleiht dem strukturierten (Laser) 3D-Lichtsystem,
das verwendet wird, um die Oberflächenmerkmale des Teiles zu
messen, Leistungsfähigkeit.
Zweitens werden die Randorte in dasselbe Koordinatensystem referenziert,
wie der Ort der anderen Oberflächenmerkmale
des Teiles. Die Randorte bilden Grenzen, durch welche die Oberflächenmerkmalsinformationen
mit CAD-Daten oder anderen Daten verglichen werden können, durch
welche die Abnahmefähigkeit
des Teiles ermittelt wird.
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Der
Vollständigkeit
halber werden in den nachfolgenden nummerierten Absätzen verschiedene
Aspekte der Erfindung dargestellt. Der genaue Anwendungsbereich
der Erfindung wird jedoch nicht von diesen Absätzen definiert. Der Anwendungsbe reich
der Erfindung wird von den angefügten
Ansprüchen
definiert.
- 1. Verfahren zur Lokalisierung eines
Randes (E1 oder E2) eines Teiles (P), um unter Verwendung eines
strukturierten Lichtsystems einen Abnahmetest des Teiles durchzuführen, wobei
das Verfahren umfasst:
eine diffuse Lichtquelle (12)
in der Nähe
des Teiles zu platzieren und das Teil mit von der Lichtquelle ausgehendem
Licht anzuleuchten;
das Teil bezogen auf die Lichtquelle zu
drehen, so dass deren von dem Teil reflektiertes Licht einen Umriss
des Teils entlang seines Randes erzeugt;
das Teil mit einem
bildgebenden Instrument (16) zu betrachten, um ein Bild
von dem Rand des Teiles zu erhalten; und
das Bild zu verarbeiten,
um den Rand des Teiles im dreidimensionalen Raum aus Daten, die
bei der Bildanalyse erzeugt wurden, zu lokalisieren.
- 2. Verfahren nach Absatz 1, wobei die Lichtquelle (12)
eine weiße
Lichtquelle ist.
- 3. Verfahren nach Absatz 2, wobei die Lichtquelle (16)
eine Kamer umfasst.
- 4. Verfahren nach Absatz 1, wobei die Analyse des Bildes zum
Ermitteln des Randes des Teiles umfasst, die Pixelanzahl des reflektierten
Bildes zu ermitteln, das mit dem bildgeben den Instrument betrachtet
wird, während
das Teil bezogen auf die Lichtquelle gedreht wird.
- 5. Verfahren nach Absatz 4, wobei die Analyse des Bildes umfasst,
die Pixelanzahl an den Punkten entlang des Randes des Teiles zu
ermitteln.
- 6. Verfahren nach Absatz 4, in dem das Teil mehr als einen Rand
aufweist, und das Verfahren verwendet wird, um jeden Rand des Teiles
zu lokalisieren.
- 7. Verfahren nach Absatz 4, wobei die Orte der Ränder des
Teiles in einem Koordinatensystem verwendet werden, um andere Oberflächenmerkmale
des Teiles zu lokalisieren.
- 8. Verfahren zur Lokalisierung eines Randes (E1 oder E2) eines
Teiles (P), um einen Abnahmetest des Teiles durchzuführen, wobei
das Verfahren umfasst:
eine diffuse, weiße Lichtquelle (12)
in der Nähe des
Teiles zu platzieren und das Teil mit von der Lichtquelle ausgehendem
Licht anzuleuchten;
das Teil bezogen auf die Lichtquelle zu
drehen, so dass deren von dem Teil reflektiertes Licht einen Umriss
des Teils entlang seines Randes erzeugt;
das Teil mit einem
bildgebenden Instrument (16) zu betrachten, um ein Bild
von dem Rand des Teiles zu erhalten; und
das Bild zu verarbeiten,
um den Rand des Teiles im dreidimensionalen Raum aus Daten zu lokalisieren,
die bei der Bildanalyse erzeugt wurden.
- 9. Verfahren nach Absatz 8, bei dem ein strukturiertes Laserlichtsystem
(10) verwendet wird.
- 10. Verfahren nach Absatz 8, wobei die Analyse des Bildes zur
Ermittlung des Randes des Teiles umfasst, die Pixelanzahl des reflektierten
Bildes, das mit dem bildgebenden Instrument betrachtet wird, an
dem Rand davon zu ermitteln, während das
Teil bezogen auf die Lichtquelle gedreht wird.
- 11. Verfahren nach Absatz 10, bei dem das Teil mehr als einen
Rand aufweist, und das Verfahren verwendet wird, um jeden Rand des
Teiles zu lokalisieren.
- 12. Verfahren nach Absatz 11, wobei die Orte der Ränder des
Teiles in einem Koordinatensystem verwendet werden, um andere Oberflächenmerkmale
des Teiles zu lokalisieren.
- 13. Gerät
(10) zur Lokalisierung eines Randes (E1 oder E2) eines
Teiles (P), um einen Abnahmetest des Teiles durchzuführen, wobei
das Verfahren umfasst:
eine diffuse Lichtquelle (12),
die in der Nähe
des Teiles platziert ist und das Teil mit von der Lichtquelle ausgehendem
Licht anleuchtet;
ein Auflager (14), auf dem das Teil
gelagert ist, wobei das Auflager drehbar ist, um das Teil bezogen
auf die Lichtquelle zu bewegen, so dass von dem Teil reflektiertes
Licht der Lichtquelle einen Umriss des Teils entlang seines Randes
erzeugt;
ein bildgebendes Instrument (16) zum Betrachten des
Teiles, um ein Bild von dem Rand des Teiles zu erhalten; und
einen
Prozessor (18), der das Bild verarbeitet, um den Rand des
Teiles im dreidimensionalen Raum aus den Daten zu lokalisieren,
die bei der Bildanalyse erzeugt wurden.
- 14. Gerät
nach Absatz 13, wobei die Lichtquelle (12) eine Quelle
weißen
Lichtes ist.
- 15. Gerät
nach Absatz 13, wobei der Prozessor (P) das Bild des Teiles analysiert,
um den Rand des Teiles zu ermitteln, durch Ermitteln der Pixelanzahl,
die das reflektierte Bild am Rand davon umfasst, wenn das Teil bezogen
auf die Lichtquelle gedreht wird.
- 16. Gerät
nach Absatz 15, wobei das Teil mehr als einen Rand aufweist, und
das Gerät
jeden Rand des Teiles lokalisiert, wenn es bezogen auf die Lichtquelle
gedreht wird.
- 17. Gerät
nach Absatz 16, wobei die Orte der Ränder des Teiles in einem Koordinatensystem verwendet
werden, um andere Oberflächenmerkmale
des Teiles zu lokalisieren.
- 18. In einem strukturierten Laserlichtsystem zum Messen von
Oberflächenmerkmalen
eines Teiles (P) umfasst die Verbesserung:
eine diffuse Lichtquelle
(12), die in der Nähe
des Teiles platziert ist und das Teil mit einem weißen von
der Quelle ausgehenden Licht anleuchtet;
ein Auflager (14),
auf dem das Teil gelagert ist, wobei das Auflager drehbar ist, um
das Teil bezogen auf die Lichtquelle zu bewegen, so dass von dem
Teil reflektiertes Licht von der Lichtquelle einen Umriss des Teils
entlang seines Randes (E1, E2) erzeugt;
eine Kamera (16)
zum Betrachten des Teiles, um ein Bild vom Rand des Teiles zu erhalten;
und einen Prozessor (18) zum Verarbeiten des Bildes, um
den Rand des Teiles im dreidimensionalen Raum aus den Daten zu lokalisieren,
die bei der Analyse des Bildes erzeugt wurden, umfassend die Ermittlung
der Anzahl von Pixeln, aus denen das reflektierte Bild am Rand des
Teiles besteht, während
das Teil bezogen auf die Lichtquelle gedreht wird, und den Prozessor,
der den Ort des Randes des Teiles in einem Koordinatensystem verwendet,
um andere Oberflächenmerkmale
des Teiles zu lokalisieren, um einen Abnahmetest des Teiles durchzuführen.
- 19. Verbesserung nach Absatz 18, wobei das Teil mehr als einen
Rand aufweist, und das System jeden Rand des Teiles lokalisiert,
wenn es bezogen auf die Lichtquelle gedreht wird.
- 20. Verbesserung nach Absatz 19, wobei die Lichtquelle (12)
eine Quelle weißen
Lichtes ist.