WO1997042464A1 - Vorrichtung zum berührungsfreien vermessen einer dreidimensionalen objektoberfläche - Google Patents

Vorrichtung zum berührungsfreien vermessen einer dreidimensionalen objektoberfläche Download PDF

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WO1997042464A1
WO1997042464A1 PCT/DE1997/000896 DE9700896W WO9742464A1 WO 1997042464 A1 WO1997042464 A1 WO 1997042464A1 DE 9700896 W DE9700896 W DE 9700896W WO 9742464 A1 WO9742464 A1 WO 9742464A1
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rotation
axis
calibration body
points
calibration
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PCT/DE1997/000896
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Inventor
Peter KÜHMSTEDT
Wolfgang Schreiber
Gunther Notni
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Priority to DK97923781T priority patent/DK0897524T3/da
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G01B11/2504—Calibration devices

Definitions

  • the invention relates to a device for the contact-free measurement of a three-dimensional object surface according to the preamble of the main claim.
  • Devices of this type are used in particular in mechanical engineering, automobile construction, ceramic industry, shoe industry, jewelry industry, dental technology and human medicine and other areas.
  • optical measuring methods lie in the non-contact and therefore non-reactive measurement and in the fact that the information about the object is available in a pictorial form and is therefore easy to understand.
  • optical measurement methods include the strip projection technology including the Gray code technology, the Moire method, the holographic and speckle contouring, and photogrammetry.
  • the measurement variables of interest the spatial coordinates of the surfaces of objects, directly from phase measurement values in cut line images of light patterns, for example stripe patterns which are projected onto the object, from phase measurement values from moiré, from coordinates of the penetration points of observation beams be determined by the receiver plane and / or from parameters which characterize the geometry of the measuring arrangement, ie the light sources, optical components and the image recording device. If the geometry parameters of the measuring arrangement are known, the coordinates of the measuring points on the surface of the object can be calculated by triangulation from three linearly independent phase measurement values and / or image or pixel coordinates in a sensor coordinate system.
  • Different projection techniques are used to generate the light patterns, for example programmable LCD projectors, displaceable glass supports with different grating structures in one projector, a combination of an electrically switchable grating and a mechanical displacement device or the projection of individual gratings on the Base of glass supports.
  • the invention has for its object to provide a device for non-contact measurement of a three-dimensional object surface, with which it is possible to measure the coordinates for all partial views of the measurement object in a uniform coordinate system, with failures of measurement points due to Highlights or shadows on the object surface can be avoided.
  • the device according to the invention Because of the device according to the invention with the calibration arrangement provided for this purpose, it is possible to measure the coordinates for all partial views of the measurement object in a uniform coordinate system.
  • the use of two or three axes of rotation ensures that all parts of the surface of the measurement object are measured.
  • one or two special axes for object movement in the coordinate system are measured, and the grating period in the measuring space and the angle a of the first axis of rotation with the optical axis of the projection system are determined.
  • the data obtained in this way are used to transform the various partial views of the measurement objects into a uniform coordinate system.
  • a whole-body measurement with a measurement uncertainty of IO "4 of the measurement volume is made possible.
  • the device according to the invention has the essential advantage that the free choice of the number of positions of the object with respect to the axes of rotation and the free choice of the angles for the individual Positions is based on the fact that failures of measuring points due to highlights on the object surface as well as shadowing of the lighting and / or the observation are avoided by an adequate or suitable choice of the positions.
  • Fig. 3 is a side view and a
  • the device for contact-free measurement of a three-dimensional object surface shown in FIG. 1 has a projector 2 which is fixedly connected to a base plate 1 and which has a light source with a condenser and a projection lens as well as a projection grid with equidistant grid lines arranged parallel to one another and a Phase shift device for phase shifting the lattice structure comprises.
  • a first turntable is also provided on the base plate 1, on which the one to be measured Object 4 is arranged and with which a camera 5, preferably a CCD camera, is firmly and rigidly connected via a holder arm 6.
  • the turntable 3, object 4 and camera 5 can thus be rotated about a first axis of rotation D1 in accordance with a predetermined angle of rotation ⁇ .
  • the axis of rotation D1 includes a fixed angle a with the optical axis of the projector, the direction of illumination of the object being changed by the rotation of the camera 5 and the object 4 about their common axis.
  • An inclined bearing plate 7 with an inclination angle ⁇ " is arranged in the center on the first turntable 3, on which a second turntable 8 is provided on which the object 4 rests.
  • the second turntable 8 can be rotated about the rotation axis D2 in accordance with rotation angles ⁇ j .
  • the rotation axis In the exemplary embodiment according to FIG. 1, D2 is arranged corresponding to ⁇ "by 30 ° to the vertical axis of rotation Dl and the axis of rotation D2 intersects the axis of rotation Dl in the center of the volume of the measurement object
  • the coordinate system is determined so that the first axis of rotation Dl forms the z-axis and that the plane spanned jointly by the first and second axes of rotation Dl and D2 is the yz-plane, the x-axis through the intersection of Dl and D2 runs and is perpendicular to the yz plane. Furthermore, a third axis of rotation D3 (not shown) can be provided, which should be identical to the x-axis.
  • the position of the axes of rotation D1, D2 or D3 and the angle ⁇ , the grating constant ⁇ or the spatial frequency 2 ⁇ / ⁇ in the measurement volume must be known.
  • the cutting plane of the grid lines with the object surface is recorded by the CCD camera 5.
  • a phase measurement value ⁇ is obtained for each pixel from the phase-shifted intensity images from one direction. The i different directions then give i linearly independent phase values for each pixel.
  • the object 4 to be measured is moved over the axes of rotation D1, D2 and D3 so that all parts of the surface are viewed by the CCD camera for the whole body measurement.
  • the partial views measured are transformed into a uniform coordinate system with knowledge of the spatial position of D2 and D3.
  • the measurement is carried out as follows: 1) An intensity image is recorded for a fixed position of all axes of rotation. Then the grating is shifted and the intensity is recorded again.
  • phase values for each pixel are calculated for the fixed position of all axes of rotation.
  • the coordinates x, y, z can be calculated for each pixel from the phase measurement values from step 1).
  • Steps 1) to 3) are repeated for this new position of the axis of rotation D2.
  • step 4) with respect to the device coordinate system is represented by a Rotation of the coordinates x, y, z of each pixel about the axis of rotation D2 with the angles of rotation 7; compensated.
  • the coordinates are obtained in a uniform sensor coordinate system for all partial views of the object surface.
  • the grating period ⁇ in the measuring space ie at the location where the measurement object is at the time of the measurement, and the angle ⁇ are determined.
  • This calibration body 9 has flat surfaces arranged in a prism-like manner, the distances a, b, c, d of the points PI, P2, P3, P4 having been measured or calculated beforehand. These distances are independent of the orientation of the Calibration body 9 in the measuring room. Furthermore, the angles between the normal vectors of the side surfaces F2, F3, F4, F5 to the normal vector of the central surface F1 are known as predefined parameters.
  • the stripe structure is also projected onto the calibration body 9 and the phase values are calculated.
  • the distances a 0 , b 0 , c 0 , d ( , are calculated using start values ⁇ Q and ⁇ 0. These start values should not deviate significantly from the correct values (for the angle a a few degrees and for the lattice period ⁇ less than 50%.)
  • An iterative correction of these starting values is then carried out with the aid of the known nominal parameters of the first calibration body 9 until the convergence test is met.
  • the calibration body is characterized by the length of the sides of the upper surface and the angles between the upper surface and the four side surfaces, and the coordinates of the body are not essential, since there are no demands on the exact positioning in the measurement volume and therefore none Coordinates are available as reference values, the most important being the flat surfaces and the characteristics already mentioned s, as they are independent of position.
  • FIG. 3 shows the second calibration body 10 in side view and top view, with which the
  • Position of the axes of rotation D2 and D3 in space is determined.
  • the calibration body 10 has three planes 11, 12, 13 which are arranged in a stepped manner relative to one another and which are positioned within the measurement volume 14 indicated by the circle. As can be seen from Fig. 3, the axis of rotation is
  • the axis of rotation D2 roughly connects the center points of the planes 11, 12, 13 and the axis of rotation D3 runs parallel to the middle plane 12, ie the axes of rotation D2 and D3 run approximately through the middle of the plane 12 this condition only has to be approximately fulfilled and does not require exact positioning of the second calibration body 10.
  • the calculation of the sought points on the axis of rotation D2 is carried out by measuring the individual planes for different positions of the axis of rotation. Then the intersection points on the axis are calculated for each plane. The accuracy of the intersection calculation is greater if the point lies within the measured areas of the plane and an interpolation takes place during the intersection calculation. If the point is far out of the middle of plane 12, then extrapolation with poorer accuracy takes place. This applies accordingly to other levels.
  • the plane 12 When measuring the axes of rotation D2 and D3, the plane 12 is rotated about the axis of rotation D2 or D3, the normal vector of the plane 12 forming an angle unequal to 0 ° or unequal 90 ° with the axis of rotation D2 or D3. Angles of 45 ° or 135 ° are favorable.
  • the plane 12 is measured at different positions of the axes of rotation D2 or D3 in the same coordinate system, positions of 0 °, -45 °, + 45 ° for the axis of rotation D2 and of 0 °, 45 °, 90 ° for the axis of rotation D3 are suitable.
  • a point is determined that lies both on the plane 12 and on the axis of rotation D2 or the axis of rotation D3. If a plane with the above-mentioned conditions circles around the axis of rotation D2 or the axis of rotation D3, the normal vector of the plane 12 forming an angle of not equal to 0 or not equal to 90 ° with D2 or D3, then it circumscribes a double cone and that The tip of the two cone halves represents a point on the axis of rotation D2 or D3.
  • a second such plane for example the plane 13
  • the axis of rotation D2 or the axis of rotation D3 is at a suitable distance from the first plane 12 intersects
  • a second point on D2 or D3 can be determined and thus the axis of rotation D2 or the axis of rotation D3 can be clearly determined in space.
  • the use of more than two planes 12, 13 and 11 is possible and improves the accuracy with which the position of the axes of rotation D2 and D3 can be measured.
  • the essential requirements for the calibration body 10 used with the levels 11 to 13 are the following: the levels must be flat.
  • the phase values must be measurable for a considerable proportion of the points of the individual planes 11 to 13 for the majority of the positions of the axis of rotation D1 used, ie that for each position of the axis of rotation D1 it is not necessarily possible to measure a part or the whole plane must, however, that in the totality of all positions of the axis of rotation D1 each plane must be sufficiently good to measure. This means that for a sufficient number of points on each level, sufficient phase values must be available for the various positions of the rotary axis D1, so that the coordinates of the individual points can be calculated. nen.
  • the individual planes 11 to 13 must be measurable for the majority of the positions of the axes of rotation D2 or D3 used in the sense of the above condition for the individual positions of the axis of rotation D1.
  • the distance between the intersection points of the axis of rotation D2 or D3, through the two or the three planes 11 to 13 must be adapted to the total volume 14 of the system to be measured and should not be less than 25% of the extent of the one to be measured Be the total volume, here the length, width or height of the measurement volume is understood to be the largest of these three values if they are different. If more than two levels are used, then the penetration points, as in the present exemplary embodiment, should be divided equally between D2 and D3 within the measurement volume 14.
  • the measuring method is described in more detail below with regard to the individual steps for determining the position of the axes of rotation D2 and D3.
  • the calibration body is within the total volume 14 to be measured, ie within the measuring space 1 and at least three phase-shifted gratings are projected onto the calibration body 10 with the projector 2 according to FIG. 1, the axes of rotation D1, D2 and D3 each having a fixed position.
  • the camera 5 measures the intensity distribution, ie at least three phase-shifted images of the projected grids.
  • the phase values for the respective measuring points on the calibration body 10 are then calculated using the equation given above, the lattice constant ⁇ and the projection angle ⁇ being known.
  • the measurement or determination of the phase values described above is repeated for at least two further different positions of the calibration body 10 with respect to the axis of rotation D1 (realized by rotating the turntable 3 by D1), preferably from 3 to 16 positions, the positions remain unchanged with respect to the axes of rotation D2 and D3.
  • the coordinates of the measuring points are now calculated using the respective previously determined phase values and using all positions with respect to the axis of rotation D1.
  • the parameters of all planes 11 to 13 of the second calibration body 10 are determined from these coordinates.
  • the planes can be completely represented as scalar values by specifying a normal vector with length 1 and the distance to the coordinate origin.
  • the above measurements and calculations are then repeated for different positions of the calibration body 10 with respect to the axes of rotation D2 (realized by rotating the second calibration body by D2 with the second rotary table 8) or D3, this either only with respect to the axis of rotation D2 or only with respect to the axis of rotation D3, namely for a total of at least three different positions.
  • the at least two points on the axis of rotation D2 and D3 are calculated from the measured values using the previously determined parameters of the different planes 11 to 13.
  • the spatial position of the axis of rotation D2 or the axis of rotation D3 is then determined from these points.

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum berührungsfreien Vermessen einer dreidimensionalen Objektoberfläche in einem Meßraum mit einer Projektionsvorrichtung, die eine Streifenstruktur auf die Oberfläche eines Objektes projiziert, einer Beobachtungseinrichtung zum Erfassen der Streifenstruktur an Meßpunkten auf der Oberfläche des Objektes, einer Vorrichtung zum Bewegen des Objektes zusammen mit der Beobachtungseinrichtung um eine erste Drehachse und einer Auswerteeinheit zur Bestimmung der Koordinaten der Meßpunkte unter Verwendung der Phasenwerte der Streifenstruktur in einem vorbestimmten Koordinatensystem vorgeschlagen. Es sind eine Vorrichtung (8) zum Bewegen des Objektes um mindestens eine von der ersten Drehachse (D1) unabhängige zweite Drehachse (D2) und eine Kalibrierungsanordnung vorgesehen, wobei mit der Kalibrieranordnung (10) die Lage der zweiten Drehachse (D2) im vorgegebenen Koordinatensystem bestimmbar ist.

Description

Vorrichtung zum berührungsfreien Vermessen einer dreidimensionalen Obiektoberfläche
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum berüh¬ rungsfreien Vermessen einer dreidimensionalen Objekt¬ oberfläche nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Derartige Vorrichtungen werden insbesondere im Ma- schinenbau, Automobilbau, Keramikindustrie, Schuhin¬ dustrie, Schmuckindustrie, Dentaltechnik und Humanme¬ dizin und weiteren Bereichen verwendet.
Die steigenden Forderungen nach einer weitgehend vollständigen Qualitätskontrolle im laufenden Produk¬ tionsprozeß sowie nach der Digitalisierung der Raum¬ form von Prototypen machen die Aufnahme von Oberflä- chentopographien zu einer immer häufiger gestellten Meßaufgabe. Dabei stellt sich die Aufgabe, die Koor- dinaten einzelner Punkte der Oberfläche der zu ver¬ messenden Gegenstände in kurzer Zeit zu bestimmen. Es gibt verschiedene Ansätze, sowohl das Zeit- als auch das Abtastproblem durch den Einsatz optischer Meßver¬ fahren zu lösen. Der Vorteil optischer Meßverfahren liegt in der berührungslosen und damit rückwirkungs- freien Messung sowie darin, daß die Informationen über das Objekt in bildhafter Form und damit leicht verständlich vorliegen. Zu diesen optischen Meßver¬ fahren gehört die Streifenprojektionstechnik ein¬ schließlich der Gray-Code-Technik, das Moire-Verfah- ren, das holografische und Speckle-Contouring sowie die Photogrammetrie. Charakteristisch für diese Ver¬ fahren ist, daß die interessierenden Meßgrößen, die Raumkoordinaten der Oberflächen von Gegenständen in¬ direkt aus Phasenmeßwerten in Schnittlinienbildern von Lichtmustern, beispielsweise Streifenmustern, die auf das Objekt projiziert werden, aus Phasenmeßwerten von Moire, aus Koordinaten der Durchstoßungspunkte von Beobachtungstrahlen durch die Empfängerebene und/oder aus Parametern bestimmt werden, die die Geo- metrie der Meßanordnung, d. h. die Lichtquellen, op¬ tischen Bauelemente sowie die Bildaufzeichnungsvor¬ richtung charakterisieren. Sind die Geometrieparame¬ ter der Meßanordnung bekannt, können aus drei linear voneinander unabhängigen Phasenmeßwerten und/oder Bild- bzw. Pixelkoordinaten die Koordinaten der Me߬ punkte auf der Oberfläche des Gegenstandes in einem Sensorkoordinatensystem durch Triangulation berechnet werden. Zur Erzeugung der Lichtmuster werden unter¬ schiedliche Projektionstechniken eingesetzt, bei- εpielsweise programmierbare LCD-Projektoren, ver- schiebliche Glasträger mit unterschiedlichen Gitter¬ strukturen in einem Projektor, eine Kombination eines elektrisch schaltbaren Gitters und einer mechanischen Verschiebeeinrichtung oder auch die Projektion von Einzelgittern auf der Basis von Glasträgern. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vor¬ richtung zum berührungsfreien Vermessen einer dreidi¬ mensionalen Objektoberfläche zu schaffen, mit der es möglich ist, die Koordinaten für alle Teilansichten des Meßobjektes in einem einheitlichen Koordinatensy¬ stem zu messen, wobei Ausfälle von Meßpunkten infolge von Glanzlichtem oder Abschattungen auf der Objekt¬ oberfläche vermieden werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn¬ zeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit der dazu vorgesehenen Kalibrieranordnung ist es möglich, die Koordinaten für alle Teilansichten des Meßobjekts in einem einheitlichen Koordinatensystem zu messen. Dabei wird durch die Verwendung von zwei bzw. drei Drehachsen erreicht, daß alle Teile der Oberfläche des Meßobjekts vermessen werden. Mit einem einmalig durchzuführenden Einmessen mit Hilfe von zwei geeig¬ neten Kalibrierkörpern werden eine bzw. zwei speziel¬ le Achsen für die Objektbewegung im Koordinatensystem vermessen sowie die Gitterperiode im Meßraum und der Winkel a der ersten Drehachse mit der optischen Achse des Projektionssystems bestimmt. Mit den dabei gewon¬ nenen Daten werden die verschiedenen Teilansichten der Meßobjekte in ein einheitliches Koordinatensystem transformiert. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird eine Ganzkörpervermessung mit einer Meßunsicher- heit von IO"4 des Meßvolumens ermöglicht.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt den wesent¬ lichen Vorteil, der auf der freien Wahl der Anzahl der Stellungen des Objekts in bezug auf die Drehach- sen und der freien Wahl der Winkel für die einzelnen Stellungen beruht, daß sowohl Ausfälle von Meßpunkten infolge von Glanzlichtern auf der Objektoberfläche als auch Abschattungen der Beleuchtung und/oder der Beobachtung durch eine ausreichende oder geeignete Wahl der Stellungen vermieden werden.
Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnah¬ men sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesse¬ rungen möglich.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht und eine Draufsicht auf den ersten Kalibrierkörper, und
Fig. 3 eine Seitenansicht und eine
Draufsicht auf den zweiten Kali¬ brierkörper.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zum berüh¬ rungsfreien Messen einer dreidimensionalen Objekt¬ oberfläche weist einen fest mit einer Grundplatte 1 verbundenen Projektor 2 auf, der eine Lichtquelle mit Kondensor und Projektionsobjektiv sowie ein Projek¬ tionsgitter mit äquidistanten, parallel zueinander angeordneten Gitterlinien und eine Phasenschiebevor- richtung zur Phasenverschiebung der Gitterstruktur umfaßt. Auf der Grundplatte 1 ist weiterhin ein er- ster Drehtisch vorgesehen, auf dem das zu vermessende Objekt 4 angeordnet ist und mit dem eine Kamera 5, vorzugsweise eine CCD-Kamera, über einen Halterarm 6 fest und starr verbunden ist. Drehtisch 3, Objekt 4 und Kamera 5 sind somit um eine erste Drehachse Dl entsprechend vorgegebener Drehwinkel θ, drehbar. Die Drehachse Dl schließt mit der optischen Achse des Projektors einen festen Winkel a ein, wobei durch die Drehung der Kamera 5 und des Objekts 4 um ihre ge¬ meinsame Achse die Beleuchtungsrichtung auf das Ob- jekt verändert wird.
Auf dem ersten Drehtisch 3 ist mittig eine schräge Lagerplatte 7 mit einem Neigungswinkel ό" angeordnet, auf der ein zweiter Drehtisch 8 vorgesehen ist, auf dem das Objekt 4 ruht. Der zweite Drehtisch 8 ist um Drehachse D2 entsprechend Drehwinkeln γj drehbar. Die Drehachse D2 ist in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 entsprechend ό" um 30° zu der senkrechten Drehachse Dl angeordnet und die Drehachse D2 schneidet die Drehachse Dl im Zentrum des Volumens des Meßobjekts
4. Das Koordinatensystem ist so festgelegt, daß die erste Drehachse Dl die z-Achse bildet und daß die gemeinsam durch die erste und zweite Drehachse Dl und D2 aufgespannte Ebene die y-z-Ebene ist, wobei die x- Achse durch den Schnittpunkt von Dl und D2 verläuft und senkrecht auf der y-z-Ebene steht. Weiterhin kann eine nicht dargestellte dritte Drehachse D3 vorgese¬ hen sein, die mit der x-Achse identisch sein soll.
Mit der Meßvorrichtung nach Fig. 1 ist es möglich, die Koordinaten für alle Teilansichten des Objektes 4 in einem einheitlichen Koordinatensystem zu messen. Dabei wird durch die Verwendung der zwei bzw. drei Drehachsen Dl, D2 und D3 erreicht, daß alle Teile der Oberfläche des Meßobjektes in einer Ganzkörpervermes¬ sung vermessen werden.
Für diese Ganzkörpervermessung muß die Lage der Dreh- achsen Dl, D2 bzw. D3 sowie der Winkel α, die Gitter¬ konstante Λ bzw. die Ortsfrequenz 2 π/Λ im Meßvolumen bekannt sein.
Das zu messende Objekt 4 wird aufeinanderfolgend mit einer periodischen Gitterstruktur aus unterschiedli¬ chen Richtungen beleuchtet, wobei jeweils das Gitter periodisch senkrecht zu den Gitterlinien und inner¬ halb der Ebene der Gitterlinien (senkrecht zur Pro¬ jektionsachse) verschoben wird (z.B. Δφ, = 0°, Δφ2 = 90°, Δφ3 = 180°). Die Intensitätsverteilung an der
Schnittebene der Gitterlinien mit der Objektoberflä¬ che wird durch die CCD-Kamera 5 aufgezeichnet. Die Intensität kann mit folgender Formel beschrieben wer¬ den; Ik = I0 [1+m cosfφ+ΔJ], wobei m: Modulation zwi- sehen 0 und 1, Δφk: Phasenschritt, k:Nummer des Pha¬ senschrittes. Aus den phasenverschobenen Intensitäts¬ bildern aus einer Richtung wird jeweils ein Phasen¬ meßwert φ, für jeden Pixel erhalten. Die i verschie¬ denen Richtungen ergeben dann i linear unabhängige Phasenwerte für jeden Pixel.
Im vorliegenden Fall wird für die Ganzkörpervermes¬ sung das zu vermessende Objekt 4 über die Drehachsen Dl, D2 bzw. D3 so bewegt, daß alle Teile der Oberflä- ehe durch die CCD-Kamera betrachtet werden. Die dabei gemessenen Teilansichten werden mit Kenntnis der räumlichen Lage von D2 und D3 in ein einheitliches Koordinatensystem transformiert.
Im einzelnen wird die Messung wie folgt durchgeführt: 1) Für eine feste Stellung aller Drehachsen wird ein Intensitätsbild aufgenommen. Dann erfolgt eine Ver¬ schiebung des Gitters und eine erneute Intensitäts¬ aufnahme.
Mit mindestens drei solcher phasenverschobener Inten¬ sitätsstrukturen werden die Phasenwerte für jeden Pixel für die feste Stellung aller Drehachsen berech¬ net.
2) Durch Einstellen einer neuen Position der Drehach¬ se Dl wird eine neue Gitterstruktur auf das Objekt projiziert. Die Schritte aus 1) werden wiederholt.
3) Mit mindestens drei verschiedenen Positionen der Drehachse Dl können für jeden Pixel aus den Phasen¬ meßwerten aus Schritt 1) die Koordinaten x, y, z be¬ rechnet werden.
Damit ist für eine Teilansicht des Objektes, welche durch die Position der Drehachse D2 gegeben ist, die von der CCD-Kamera gesehen werden kann, die Koordina¬ tenberechnung bezüglich eines Sensorkoordinatensyste- mes beendet.
4) Es erfolgt eine Drehung des Objektes mit Hilfe der Drehachse D2 um den Drehwinkel γ,. Damit wird ein anderer Teil des Objektes in das Blickfeld der CCD- Kamera gebracht.
5) Für diese neue Position der Drehachse D2 werden die Schritte 1) bis 3) wiederholt.
6) Die im Schritt 4) durchgeführte Objektbewegung in bezug auf das Gerätekoordinatensystem wird durch eine Drehung der Koordinaten x, y, z jedes Pixels um die Drehachse D2 mit den Drehwinkeln 7; kompensiert. Im Ergebnis werden für alle Teilansichten der Objekt¬ oberfläche die Koordinaten in einem einheitlichen Sensorkoordinatensystem erhalten.
Es wird folgender Meßplan verwendet: Fünf Winkelstel¬ lungen von Dl (θ; = 0°, 60°, 120°, -60°, -120°) und vier Winkelstellungen von D2 (γj = 0°, 90°, 180°, 270°) werden insgesamt zu vier Teilansichtsmessungen kombiniert, die mit zwei Winkelstellungen von D3 (0°, 90°) kombiniert werden. Damit ergeben sich ins¬ gesamt acht Teilansichtsmessungen, die für viele Me߬ objekte die gesamte Meßobjektoberfläche abdecken. Bei komplizierten Meßobjekten kann die Anzahl der Winkel¬ stellungen für jede der drei Drehachsen beliebig er¬ höht werden.
Da die Gitterperiode im Meßraum und der Winkel a der ersten Drehachse Dl mit der optischen Achse des Pro¬ jektors 2 nicht mit ausreichender Genauigkeit sowie die Lage der Drehachsen D2 und D3 nicht im vorhinein bekannt sind, muß ein einmalig durchzuführendes Ein¬ messen in zwei bzw. drei Meßvorgängen mit Hilfe von zwei geeigneten Kalibrierkörpern vorgenommen werden.
Mit dem in Fig. 2 in perspektivischer Ansicht und in Draufsicht gezeigten ersten Kalibrierkörper werden die Gitterperiode Λ im Meßraum, d.h. an dem Ort, an dem sich zur Zeit des Messungen das Meßobjekt befin¬ det, und der Winkel α bestimmt. Dieser Kalibrierkör¬ per 9 weist prismaähnlich angeordnete ebene Flächen auf, wobei die Abstände a, b, c, d der Punkte PI, P2 , P3, P4 vorher gemessen bzw. berechnet wurden. Diese Abstände sind unabhängig von der Orientierung des Kalibrierkörpers 9 in dem Meßraum. Weiterhin sind die Winkel zwischen den Normalenvektoren der Seitenflä¬ chen F2, F3, F4, F5 zum Normalenvektor der mittleren Fläche Fl als vorgegebene Parameter bekannt.
Wie vorher beschrieben, wird auch hier die Streifen¬ struktur auf den Kalibrierkörper 9 projiziert und die Phasenwerte berechnet. Es werden die Abstände a0, b0, c0, d(, unter Verwendung von Startwerten ΛQ und α0 be- rechnet. Diese Startwerte sollen nicht wesentlich von den korrekten Werten abweichen (für den Winkel a ei¬ nige Grad und für die Gitterperiode Λ weniger 50 %) . Nachfolgend wird eine iterative Korrektur dieser Startwerte mit Hilfe der bekannten Sollkenngrößen des ersten Kalibrierkörpers 9 durchgeführt, bis der Kon¬ vergenztest erfüllt wird. Auf diese Weise kann die Gitterperiode Λ und der Winkel α durch Einmessung gefunden werden. Der Kalibrierkörper ist durch die Länge der Seiten der oberen Fläche und die Winkel zwischen der oberen Fläche und den vier Seitenflächen als Kenngrößen charakterisiert. Die Koordinaten des Körpers sind nicht wesentlich, da an die genaue Posi¬ tionierung im Meßvolumen keine Forderungen gestellt sind und damit keine Koordinaten als Referenzwerte zur Verfügung stehen. Wesentlich sind die ebenen Flä¬ chen und die bereits genannten Kenngrößen, da diese lageunabhängig sind.
In Fig. 3 ist der zweite Kalibrierkörper 10 in Sei- tenansicht und Draufsicht dargestellt, mit dem die
Lage der Drehachsen D2 und D3 im Raum bestimmt wird.
Dazu werden jeweils die Koordinaten von zwei oder mehr einzelnen Punkten auf der Drehachse D2 und der
Drehachse D3 gemessen. Der Kalibrierkörper 10 weist im Ausführungsbeispiel drei Ebenen 11, 12, 13 auf, die abgestuft zueinander angeordnet sind und die innerhalb des durch den Kreis angedeuteten Meßvolumens 14 positioniert sind. Wie aus der Fig. 3 zu erkennen ist, steht die Drehachse
Dl senkrecht zur mittleren Ebene 12, die Drehachse D2 verbindet in etwa die Mittelpunkte der Ebenen 11, 12, 13 und die Drehachse D3 geht parallel zur mittleren Ebene 12, d.h., die Drehachsen D2 bzw. D3 verlaufen näherungsweise durch die Mitte der Ebene 12, wobei diese Bedingung nur ungefähr erfüllt sein muß und keine genaue Positionierung des zweiten Kalibrierkör¬ pers 10 erfordert.
Die Berechnung der gesuchten Punkte auf der Drehachse D2 erfolgt, indem für verschiedene Stellungen der Drehachse jeweils die einzelnen Ebenen gemessen wer¬ den. Dann werden für jede Ebene die Schnittpunkte auf der Achse berechnet. Dabei ist die Genauigkeit der Schnittpunktberechnung größer, wenn der Punkt inner¬ halb der gemessenen Bereiche der Ebene liegt und bei der Schnittpunktberechnung eine Interpolation er¬ folgt. Wenn der Punkt weit außerhalb der Mitte der Ebene 12 liegt, dann erfolgt eine Extrapolation mit schlechterer Genauigkeit. Dies gilt für andere Ebenen entsprechend.
Bei der Einmessung der Drehachsen D2 und D3 wird die Ebene 12 um die Drehachse D2 bzw. D3 gedreht, wobei der Normalenvektor der Ebene 12 mit der Drehachse D2 bzw. D3 einen Winkel ungleich 0° bzw. ungleich 90° bildet. Günstig sind Winkel von 45° bzw. 135°. Die Ebene 12 wird bei verschiedenen Stellungen der Dreh¬ achsen D2 bzw. D3 im gleichen Koordinatensystem ge¬ messen, wobei Stellungen von 0°, -45°, +45° für die Drehachse D2 und von 0°, 45°, 90° für die Drehachse D3 geeignet sind. Aus diesen Messungen wird ein Punkt bestimmt, der sowohl auf der Ebene 12 als auch auf der Drehachse D2 bzw. der Drehachse D3 liegt. Wenn eine Ebene mit den obengenannten Bedingungen um die Drehachse D2 bzw. die Drehachse D3 kreist, wobei der Normalenvektor der Ebene 12 mit D2 bzw. D3 einen Win¬ kel von ungleich 0 bzw. ungleich 90° bildet, dann umschreibt sie einen Doppelkegel und die Spitze der beiden Kegelhälften stellt einen Punkt auf der Dreh- achse D2 bzw. D3 dar. Durch Verwendung einer zweiten solchen Ebene, zum Beispiel der Ebene 13, die die Drehachse D2 bzw. die Drehachse D3 in einem geeigne¬ ten Abstand von der ersten Ebene 12 schneidet, kann ein zweiter Punkt auf D2 bzw. D3 bestimmt werden und damit sind die Drehachse D2 bzw. die Drehachse D3 eindeutig im Raum bestimmbar. Die Verwendung von mehr als zwei Ebenen 12, 13 bzw. 11 ist möglich und ver¬ bessert die Genauigkeit, mit der die Lage der Drehachsen D2 bzw. D3 gemessen werden kann.
Wesentliche Anforderungen an den verwendeten Kali¬ brierkörper 10 mit den Ebenen 11 bis 13 sind die fol¬ genden: die Ebenen müssen eben sein. Die Phasenwerte müssen für einen erheblichen Anteil der Punkte der einzelnen Ebenen 11 bis 13 für die Mehrzahl der ver¬ wendeten Stellungen der Drehachse Dl meßbar sein, d.h., daß für jede Stellung der Drehachse Dl zwar ein Teil oder auch die ganze Ebene nicht notwendigerweise meßbar sein müssen, daß jedoch in der Gesamtheit al- 1er Stellungen der Drehachse Dl jede Ebene ausrei¬ chend gut zu messen sein muß. Das bedeutet, daß für ausreichend viele Punkte jeder Ebene ausreichend Pha¬ senwerte für die verschiedenen Stellungen der Dreh¬ achse Dl zur Verfügung stehen müssen, so daß die Ko- ordinaten der einzelnen Punkte berechnet werden kön- nen. Weiterhin muß ein erheblicher Anteil der einzel¬ nen Ebenen 11 bis 13 für die Mehrzahl der verwendeten Stellungen der Drehachsen D2 bzw. D3 im Sinne der obigen Bedingung für die einzelnen Stellungen der Drehachse Dl meßbar sein. Der Abstand der Durchsto- ßungspunkte der Drehachse D2 bzw. D3, durch die bei¬ den bzw. die drei Ebenen 11 bis 13 muß dem zu vermes¬ senden Gesamtvolumen 14 des Systems angepaßt sein und sollte nicht kleiner als 25 % der Ausdehnung des zu vermessenden Gesamtvolumens sein, wobei hier unter Ausdehnung die Länge, Breite oder Höhe des Meßvolu¬ mens verstanden wird, und zwar der größte von diesen drei Werten, wenn sie unterschiedlich sind. Wenn mehr als zwei Ebenen verwendet werden, dann sollten die Durchstoßungspunkte, wie im vorliegenden Ausführungs- beispiel, gleichmäßig auf D2 bzw. D3 innerhalb des Meßvolumens 14 aufgeteilt werden.
Die Verwendung anderer Flächen ist möglich, solange eine Überlagerung der einzelnen Teilmessungen (ent¬ sprechend den verschiedenen Stellungen der Drehachse D2) für jede Fläche einen eindeutigen Schnittpunkt auf D2 ergibt. Beispiel für solche Flächen sind Teile einer Kugel, Zylinderabschnitte o.a. Die Berechnung der Teilflächen ist jedoch stets aufwendiger und un¬ genauer als im Falle der Verwendung von Ebenen als Flächen. Damit ist auch die Genauigkeit der berech¬ neten Punkte auf D2 geringer.
Im folgenden wird das Meßverfahren hinsichtlich der einzelnen Schritte zur Bestimmung der Lage der Dreh¬ achsen D2 bzw. D3 genauer beschrieben.
Der Kalibrierkörper wird innerhalb des zu vermessen- den Gesamtvolumens 14, d.h. innerhalb des Meßraums angeordnet und es werden mit dem Projektor 2 nach Fig. 1 mindestens drei phasenverschobene Gitter auf den Kalibrierkörper 10 projiziert, wobei die Drehach¬ sen Dl, D2 und D3 jeweils eine feste Stellung aufwei- sen. Die Kamera 5 mißt die Intensitätsverteilung, d.h. mindestens drei phasenverschobene Bilder der projizierten Gitter. Anschließend werden die Phasen¬ werte für die jeweiligen Meßpunkte auf dem Kalibrier¬ körper 10 mittels der oben angegebenen Gleichung be- rechnet, wobei die Gitterkonstante Λ und der Projek¬ tionswinkel α bekannt sind.
Die zuvor beschriebene Messung bzw. Bestimmung der Phasenwerte wird für mindestens zwei weitere ver- schiedene Stellungen des Kalibrierkörpers 10 in bezug auf die Drehachse Dl (realisiert durch die Drehung des Drehtisches 3 um Dl) , vorzugsweise von 3 bis 16 Stellungen wiederholt, wobei die Stellungen in bezug auf die Drehachsen D2 und D3 unverändert bleiben. Es werden nun die Koordinaten der Meßpunkte unter Ver¬ wendung der jeweiligen zuvor bestimmten Phasenwerte und unter Verwendung aller Stellungen in bezug auf die Drehachse Dl berechnet. Aus diesen Koordinaten werden die Parameter aller Ebenen 11 bis 13 des zwei- ten Kalibrierkörpers 10 bestimmt. Die Ebenen können vollständig durch jeweils die Angabe eines Normalen¬ vektors mit der Länge 1 und des Abstandes zum Koor¬ dinatenursprung als skalare Größe dargestellt werden.
Daraufhin werden die obigen Messungen und Berechnun¬ gen für verschiedene Stellungen des Kalibrierkörpers 10 in bezug auf die Drehachsen D2 (realisiert durch die Drehung des zweiten Kalibrierkörpers um D2 mit dem zweiten Drehtisch 8) oder D3 wiederholt, wobei dies entweder nur in bezug auf die Drehachse D2 oder nur in bezug auf die Drehachse D3, und zwar für ins¬ gesamt mindestens drei verschiedene Stellungen gilt. Aus den Meßwerten wird unter Verwendung der zuvor bestimmten Parameter der verschiedenen Ebenen 11 bis 13 die mindestens zwei Punkte auf der Drehachse D2 bzw. D3 berechnet. Aus diesen Punkten wird anschlie¬ ßend die räumliche Lage der Drehachse D2 bzw. der Drehachse D3 bestimmt.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum berührungsfreien Vermessen einer dreidimensionalen Objektoberfläche in einem Meß- 5 räum mit einer Projektionsvorrichtung, die eine
Streifenstruktur auf die Oberfläche eines Objek¬ tes projiziert, einer Beobachtungseinrichtung zum Erfassen der Streifenstruktur an Meßpunkten auf der Oberfläche des Objektes, einer Vorrich-
10 tung zum Bewegen des Objektes zusammen mit der
Beobachtungseinrichtung um eine erste Drehachse und einer Auswerteeinheit zur Bestimmung der Koordinaten der Meßpunkte unter Verwendung der Phasenwerte der Streifenstruktur in einem vor-
15 bestimmten Koordinatensystem, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Vorrichtung (8) zum Bewegen des Objek¬ tes um mindestens eine von der ersten Drehachse (Dl) unabhängige zweite Drehachse (D2) und eine
20 Kalibrieranordnung vorgesehen sind, wobei mit der Kalibrieranordnung (10) die Lage der zweiten Drehachse (D2) im vorgegebenen Koordinatensystem bestimmbar ist.
25 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß eine Vorrichtung zum Bewegen des Objektes (4) um eine dritte, von den anderen Drehachsen (D1,D2) unabhängige Drehachse (D3) vorgesehen ist, wobei über die Kalibrieranord-
30 nung (9,10) die Lage der dritten Drehachse im vorgegebenen Koordinatensystem bestimmbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrieranord- '35 nung einen ersten Kalibrierkörper (9) zur Be- Stimmung der Gitterperiode (Λ) im Meßraum und des Winkels (α) zwischen der optischen Achse der Projektionsvorrichtung (2) und der ersten Dreh¬ achse (Dl) und einen zweiten Kalibrierkörper (10) zur Bestimmung von mindestens zwei Punkten auf der zweiten und/oder dritten Drehachse (D2,D3) aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn- zeichnet, daß der erste Kalibrierkörper als prismatischer Körper (9) mit mehreren aneinan¬ derstoßenden Ebenen (F,-F5) ausgebildet ist, de¬ ren Parameter vorgegeben sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der zweite Kalibrierkörper (10) mindestens zwei abgestufte Ebenen (11-13) auf¬ weist, deren Normalvektoren mit der zweiten und/oder dritten Drehachse einen Winkel ungleich 0° und ungleich 90° bilden.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der Abstand der Durchstoßungspunk- te der zweiten und/oder dritten Drehachse (D2,D3) durch die beiden Ebenen (11-13) dem zu vermessenden Gesamtvolumen angepaßt ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der Abstand der Durchstoßungspunk- te nicht kleiner als 25 % der Ausdehnung des zu vermessenden Gesamtvolumens ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß abhängig von mit dem ersten Kalibrierkörper (9) gemessenen Phasenwer- \ 7 ten und den bekannten Parametern des ersten Ka¬ librierkörpers (9) die Auswerteeinheit mit Hilfe von willkürlich gewählten Startwerten der Git¬ terperiode (Λ) und des Winkels (α) zwischen der optischen Achse der Projektionsvorrichtung (2) und der ersten Drehachse (Dl) Koordinaten auf dem Kalibrierkörper (9) berechnet und durch eine darauffolgende iterative Korrektur die wirkli¬ chen Werte der Gitterperiode (Λ) und des Winkels (α) bestimmt.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Meßvorgang bei fester Stellung des zwei- ten Kalibrierkörpers (10) in bezug auf die er¬ ste, die zweite und gegebenenfalls die dritte Drehachse (D1,D2,D3) die Intensitätsverteilung von mindestens drei aufgrund von phasenverscho¬ benen Gitterstrukturen erhaltenen Bildern an Meßpunkten bestimmt und die Phasenwerte an den
Meßpunkten berechnet werden, daß als zweiter Meßvorgang der erste Meßvorgang für mindestens zwei weitere verschiedene Stellungen des zweiten Kalibrierkörpers (10) in bezug auf die erste Drehachse (Dl) wiederholt wird und unter Verwen¬ dung der Phasenwerte die Parameter der Ebenen (11-13) des zweiten Kalibrierkörpers (10) be¬ rechnet werden und daß als dritter Meßvorgang der erste und zweite Meßvorgang für unterschied- liehe Stellungen des Kalibrierkörpers (10) in bezug auf die zweite Drehachse (D2) oder die dritte Drehachse (D3) wiederholt werden und min¬ destens zwei Punkte auf der zweiten Drehachse (D2) bzw. auf der dritten Drehachse (D3) unter Verwendung der Parameter der verschiedenen Ebe- nen des zweiten Kalibrierkörpers (10) berechnet werden und die räumliche Lage der zweiten Dreh¬ achse (D2) und die räumliche Lage der Drehachse (D3) unter Verwendung der Punkte berechnet wer- den.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Parameter der Ebenen (11-13) jeweils der Normalenvektor und der Abstand zum Nullpunkt des Koordinatensystems sind.
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