DE19613978A1 - Verfahren zum Zusammenfügen der Meßdaten unterschiedlicher Ansichten und Objektbereiche bei der optischen 3D-Koordinatenmeßtechnik mittels flächenhaft und auf der Basis von Musterprojektion arbeitenden Triangulationssensoren - Google Patents

Description

Bei der optischen 3D-Koordinatenmeßtechnik mittels flächenhaft und auf der Basis von Musterprojektion arbeitenden Triangulationssensoren werden mit einer Projektionseinheit Muster auf das Projekt projiziert und mittels einer oder mehrerer Kameras unter einem Triangulationswinkel zur Projektionseinheit aufgenommen. Um aus den aufgezeichneten Muster auf die 3D-Koordinaten schließen zu können, werden unterschiedliche Ansätze verwendet. Weit verbreitet ist eine Kombination aus dem Codierten Lichtansatz und einem Phasenshiftverfahren, wie es in der Dissertation von mit dem Titel "Ein genaues aktives Bildtriangulationsverfahren zur Oberflächenvermessung" von Torsten Strutz, Fakultät für Maschinenbau, TU Magdeburg, beschrieben ist. Die resultierenden 3D-Koordinaten liegen zunächst im Sensorkoordinatensystem vor.

In der industriellen Praxis ist es für eine komplette Vermessung fast immer notwendig, die Meßergebnisse von unterschiedliche Ansichten und Objektbereichen zusammenzufassen. Da dazu die Lage von Objekt zu Sensor verändert wird, sind die Sensorkoordinatensysteme unterschiedlich und die Meßergebnisse liegen somit in verschiedenen Koordinatensystemen vor. Um die Meßergebnisse in einem einheitlichen Koordinatensystem zusammenzufassen, müssen die jeweiligen Sensorkoordinatensysteme in das einheitliche Koordinatensystem transformiert werden. Dazu wird eine Vielzahl von Verfahren angewendet:

• 1. Messung in Kombination mit exakt positionierenden oder messenden Systemen (z. B. Bearbeitungszentren oder Koordinatenmeßmaschinen),
• 2. Verwendung von Paßmerkmalen, die am oder um das Objekt positioniert sind und mit aufgenommen werden,
• 3. Messung in Verbindung mit repositionierenden Systemen nach vorhergehendem Einmessen des Sensors (z. B. Drehtische),
• 4. Bestimmung der Sensororientierung durch Anmessen bestimmter Punkte des Sensorgehäuses mit anderen Systemen (Theodolith),
• 5. Matching der jeweiligen Punktewolken,
• 6. Kombinationen aus den genannten Verfahren.

Alle genannten Verfahren besitzen Nachteile, die im folgenden kurz erwähnt sind:
zu 1. Hoher Geräteaufwand und schlechte Handhabung,
zu 2. Veränderung der Objektoberfläche (Paßmerkmale am Objekt) bzw. unnötig großer Meßraum, der zu geringeren Meßgenauigkeiten führt (Paßmerkmale um das Objekt),
zu 3. Fehlende Flexibilität, da die notwendigen Ansichten des Objekts schon von vornherein bekannt sein müssen,
zu 4. Hoher Geräteaufwand und schlechte Handhabung,
zu 5. Einschränkung der vermeßbaren Objektklassen (Objekt muß mehrere markante Merkmale besitzen) und hoher Rechenaufwand.

Diese Probleme werden erfindungsgemäß durch das im folgenden beschriebene Verfahren gelöst.

Ein Orientierobjekt besitzt eine Anzahl von Paßmerkmalen (wie z. B. Marken, Muster, Kugeln), deren Koordinaten vorher bestimmt wurden. Durch eine entsprechende Positioniervorrichtung ist es möglich, das Orientierobjekt und das Meßobjekt definiert und nacheinander im Meßraum des Sensors zu positionieren.

Jede Einzelmessung besteht nun aus drei Phasen:

• 1. Vermessung der Objektansicht und Berechnung der 3D-Koordinaten im Sensorkoordinatensystem,
• 2. Vertauschen des Meßobjekts mit dem Orientierobjekt mit Hilfe der Positioniervorrichtung (der Sensor wird nicht bewegt),
• 3. Bestimmung der Merkmalskoordinaten im Sensorkoordinatensystem und anschließende Berechnung der Parameter für eine Transformation von dem Sensorkoordinatensystem in das durch das Orientierobjekt festgelegte Objektkoordinatensystem (bzw. beliebige Transformationen desselben).

Die Phasen 1 und 2 können dabei auch zeitlich vertauscht sein.

Auf diese Weise werden die 3D-Koordinaten der Einzelmessungen in ein einheitliches Koordinatensystem transformiert.

Mit der Erfindung ist demgemäß ein Verfahren geschaffen, das es ermöglicht, mit einfachsten Geräteaufwand optische 3D-Vermessungen zu realisieren. Allein ein stabile Halterung für den Sensor, eine Positioniereinrichtung zur Vertauschung von Meß- und Orientierobjekt sowie das Orientierobjekt selbst sind zusätzlich zum Sensor erforderlich.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der beiliegenden Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Das Orientierobjekt und das Objekt selbst sind auf einer Platte gegenüberliegend befestigt. Die Platte ist um die Mitte drehbar und läßt sich mit Hilfe von Paßstiften auf zwei bestimmte Positionen fixieren, die jeweils eine Drehung der Platte um etwa 180 Grad darstellen. Der Sensor betrachtet dabei immer nur eine Seite der Platte.

Die Platte wird in der ersten Phase so positioniert, daß das Objekt im Meßraum des Sensors liegt. Anschließend wird das Objekt vermessen.

In der zweiten Phase wird die Platte in die andere Position gedreht und dem Sensor das Orientierobjekt präsentiert. Es besteht in diesem Beispiel aus einer Menge von weißen Punkten auf schwarzem Grund. Anhand von speziellen Markierungen ist es möglich, die einzelnen Punkte eindeutig zu identifizieren. Für alle Punkte sind die 3D-Koordinaten im Koordinatensystem des Orientierobjekts bekannt.

Der Sensor mißt in der dritten Phase die 3D-Koordinaten im Sensorkoordinatensystem und es kann eine Transformation in das Orientierobjektkoordinatensystem berechnet werden. Die in der ersten Phase berechneten 3D-Koordinaten des Objekts werden in das Orientierobjektkoordinatensystem transformiert.

Claims (2)

1. Verfahren zum Zusammenfügen der Meßdaten unterschiedlicher Ansichten und Objektbereiche bei der optischen 3D-Koordinatenmeßtechnik mittels flächenhaft und auf der Basis von Musterprojektion arbeitenden Triangulationssensoren, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmen für die Sensororientierung und die Messung zeitlich wie folgt getrennt werden:
Das Meßobjekt und ein Orientierobjekt werden nacheinander im Meßraum des Gesamtsystems definiert positioniert und die Messungen aus den unterschiedlichen Richtungen und der unterschiedlichen Objektbereiche durch eine entsprechende Sensororientierung jeweils auf das Koordinatensystem des Orientierobjekts, bzw. beliebige Transformationen desselben, bezogen.

2. Verfahren, die aus einer Vertauschung der Funktionen und Freiheitsgrade der Elemente Sensor, Meßobjekt und Orientierobjekt resultieren.