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Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Optische 3D-Messtechnik wird z. B. im Formenbau zur Erfassung von handgefertigten Formprototypen aus Ton eingesetzt, um diese dreidimensional zu erfassen und die 3D-Daten mit Computern weiterzuverarbeiten. Bekannt ist auch der Einsatz von dreidimensionalen Objektvermessungssystemen in der Dentaltechnik. Dort werden 3D-Scanner zur Vermessung von Zahnabdrücken verwendet. Auf der Basis der gewonnenen dreidimensionalen Daten der Zahnabdrücke ist die rechnergestützte Konstruktion und Fertigung von Zahnersatz möglich.
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Es existieren verschiedenen Messprinzipien für optische 3D-Messtechnik. Verbreitete Prinzipien sind Lasertriangulation und Streifenprojektion, wobei Messgenauigkeiten im Bereich 10 μm bis 100 μm erreichbar sind.
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Bei den Messungen entstehen sog. „Tiefenbilder”, welche aus einer bestimmten Blickrichtung des Sensors auf das Messobjekt erfasst werden. Dabei ist es üblich, die Messungen aus verschiedenen Blickrichtungen durchzuführen und die Tiefenbilder mit einer geeigneten Reverse-Engineering-Software zusammenzufügen. Hierzu wird die Kenntnis der räumlichen Transformation von einer Blickrichtung des Sensors zur anderen benötigt. Die verschiedenen Blickrichtungen werden gewonnen, indem Messobjekt und Sensor relativ zueinander bewegt werden. Dabei kommen üblicherweise Bildregistrierungsverfahren zum Einsatz, durch die die einzelnen Bilder bzw. Messungen bestmöglich in Übereinstimmung gebracht werden, wobei zwischen einer sog. Grobregistrierung und einer über best-fit-Verfahren erfolgenden Feinregistrierung unterschieden werden kann. Möglichkeiten zur Bildregistrierung sind aus dem Stand der Technik bekannt und sind beispielsweise durch Devrim Akca, „Full automatic registration of laser scanner point clouds”, Optical 3D-Measurement Techniques VI, Zürich, Schweiz, 22.–25. September 2003, Vol. I, S. 330–337” beschrieben.
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Zur Durchführung der 3D-Messungen sind Geräte mit 3D-Sensoren an einem Bewegungsarm bekannt. Der „sensorische Bewegungsarm” hat typischerweise sieben Drehachsen, die manuell bewegt werden und mit Positionsgebern ausgerüstet sind, aus welchen mit Hilfe von Computern die Winkelposition ausgelesen werden kann. Die 3D-Sensoren, mit deren Hilfe das Messobjekt erfasst wird, arbeiten punkt- oder linienförmig. Für derartige sensorische Bewegungsarme hat sich auch der Begriff „Faro-Arme” etabliert, da derartige Bewegungsarme u. a. von der Firma Faro Technologies Inc., Lake Mary, Florida, USA hergestellt werden. Ein solcher Arm kann einen bestimmten Raum überstreichen, welcher im folgenden als „getracktes Volumen” bezeichnet werden soll. Am Bewegungsarm ist der 3D-Sensor festgelegt. Wenn der Arm auf einer Grundfläche steht, hat das getrackte Volumen des Arms eine annähernd halbkugelförmige Form. Derartige Systeme werden beispielsweise von der Firma DESCAM 3D Technologies GmbH, Raiffeisenallee 6, D-82041 Oberhaching geliefert.
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Das System wird mit der Hand über das Messobjekt geführt. Zu jedem Zeitpunkt geben die Positionsgeber dem Computer eine Information über deren Winkelstellungen, so dass der Computer die räumliche Lage des 3D-Sensors berechnen kann. Der Sensor hat ein kleines Messvolumen im Vergleich zum getrackten Volumen.
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Bei der Messung mit dem punkt- oder linienförmig arbeitenden 3D-Sensor kommt ein „single shot”-Messprinzip zum Einsatz, wobei die Aufnahme in nur einem Kameratakt erfolgt. Dies ist notwendig, weil der Sensor von Hand bewegt wird und nicht ruht. Üblicherweise wird linienhafte Lasertriangulation als Messprinzip eingesetzt, wobei die Linie zumeist quer zur Bewegungsrichtung steht. Das Triangulationsverfahren wird beispielsweise in der
DE 43 42 830 C1 beschrieben.
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Wenn die Darstellung der gewonnenen Daten unmittelbar erfolgt, kann man die handgeführte Vermessung des Objektes am Bildschirm mitverfolgen. Für diesen gesamten Ablauf wird auch die charakteristische Bezeichnung „elektronisches Anstreichen” verwendet. Vorteilhaft bei dem Verfahren ist, dass die räumliche Transformation zu jedem Zeitpunkt bekannt ist und somit Zeitaufwand bei der Bedienung einer Reverse-Engineering-Software entfällt.
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Auf der anderen Seite ergeben sich jedoch auch gewisse Nachteile. Ein handgeführter sensorischer Bewegungsarm mit typischerweise sieben Achsen weist mechanische Ungenauigkeiten und dynamische Instabilität im Zusammenhang mit den auftretenden Bewegungen und Beschleunigungen auf. Gleichzeitig ist wegen der Handführung die Masse des Arms begrenzt, so dass selbst bei Einsatz von Kohlefasern auch die Steifigkeit der Konstruktion limitiert ist. Da seitens der Kunden auch die Erfassung großer Objekte erwünscht ist, sind die Arme in der Regel relativ lang, beispielsweise für Bewegungsräume von 100 × 100 × 100 mm bis 2 × 2 × 2 m ausgelegt. Über die Länge der Arme pflanzt sich der Lokalisationsfehler fort.
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Des Weiteren arbeitet der 3D-Sensor als Liniensensor, weshalb keine Feinregistrierung der Höhenkarten der Tiefenbilder möglich ist. Somit ist der Fehler im Einzelpunkt die Summe des Lokalisationsfehlers des Bewegungsarms und des Messfehlers des Sensors. Der Fehler des Arms ist aus den genannten Gründen in der Regel größer als der des 3D-Sensors. Ingesamt ist die Genauigkeit des Systems relativ schlecht.
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Des Weiteren ist der sensorische Bewegungsarm mit typischerweise sieben Achsen aus Kohlefaser aufwändig und teuer.
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Die
DE 10 2005 006 069 A1 beschreibt ein Verfahren zum dreidimensionalen Scannen von an einem ortsfesten optischen Sensor manuell vorbeibewegten Objekten. Der optische Sensor ist ein Lichtschnittsensor. Es wird ein Objektträger verwendet, der als manuell verstellbarer, passiver Hexapod ausgebildet ist. An den Beinen des Hexapod sind Bewegungen derselben erfassende Messaufnehmer angeordnet.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, die genannten Nachteile aus dem Stand der Technik zu beheben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Das Verfahren verwendet eine Vorrichtung zur Erfassung der geometrischen Form von Messobjekten mit einem Computer, einem 3D-Sensor und einem Objektträger zur Festlegung des Messobjekts, wobei der Computer dafür eingerichtet ist, mit Hilfe einer geeigneten Software die durch den 3D-Sensor aufgenommenen Messungen zusammenzuführen, wobei der 3D-Sensor ein flächenhaft arbeitender 3D-Sensor ist und der Objektträger über eine Verstellvorrichtung um mehrere Linearachsen und/oder Drehachsen handgeführt verstellbar ist, wobei die Verstellvorrichtung Positionsgeber aufweist, die bei einer Messung ihre Stellungen an den Computer, weiterleiten, und wobei der Computer dafür eingerichtet ist, mit Hilfe einer geeigneten Software die Position des Messobjektes aus den Stellungen der Positionsgeber und den Positionen der Achsen relativ zum 3D-Sensor zu berechnen.
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Die Verwendung eines flächenhaft arbeitenden 3D-Sensors (Flächensensors) erlaubt, anders als die bei handgeführten Systemen bislang zum Einsatz kommenden Liniensensoren eine Feinregistrierung der Daten. 3D-Daten, die durch Feinregistrieren entstehen, können sehr genau sein, weil es mit sehr hoher Genauigkeit möglich ist, das Messvolumen eines Flächensensors genau zu kalibrieren, z. B. mit Hilfe photogrammetrischer Verfahren. Sind die Felder genau kalibriert, so hat das Ergebnis der Registrierung nur einen sehr kleinen Fehler. Das Rauschen der einzelnen Messpunkte wirkt sich fast nicht aus, weil immer über typischerweise Zehntausende von Einzelpunkten gemittelt werden kann, da ein auf Videotechnik basierender Flächensensor typischerweise 1 Millionen Messpunkte in einem Tiefenbild erzeugt.
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Dadurch, dass nicht der 3D-Sensor, sondern das Messobjekt am handgeführten System befestigt ist, ist es erheblich einfacher, die 3D-Sensor-Einheit steif zu konstruieren, anders als bei einem kompletten Bewegungsarm gemäß dem Stand der Technik. Die Systemgenauigkeit des Systems mit Feinregistrierung ist daher im Wesentlichen durch die Kalibriergenauigkeit des Messvolumens sowie die Steifigkeit des 3D-Sensors gegeben.
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Bei dem Flächensensor kann es sich beispielsweise um einen Streifenprojektionssensor handeln, der aus einem Projektorsystem und einem oder zwei Kamerasystemen besteht.
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Das handgeführte Achssystem weist eine Grobregistrierung der Daten auf, die auf die Kenntnis der Objektbewegung zurückzuführen ist. Die Kenntnisse der Messobjektbewegung werden durch die Positionsgeber an der Verstellvorrichtung sowie die bekannten Positionen der Achsen ermöglicht. Mit Hilfe einer geeigneten Software und des Computers findet zusätzlich eine Feinregistrierung statt, wobei keine Interaktion notwendig ist.
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Da Flächensensoren wie Streifenprojektionssensoren nicht nach dem single-shot-Prinzip arbeiten, galten diese als bisher nicht mit einem handgeführten System kompatibel. Aus diesem Grund weist die Vorrichtung vorteilhafterweise Arretierungsmöglichkeiten von der handgeführten Verstellvorrichtung auf. Die Arretierung kann manuell geschehen, z. B. mit Hilfe von Feststellbolzen, oder ansteuerbar, z. B. mit Hilfe eines einschaltbaren Elektromagneten oder mit Hilfe pneumatischer Systeme. Ebenfalls ausreichend ist die Verwendung schwergängiger Achsen, die aufgrund ihrer Eigenhemmung in der eingestellten Position bleiben. Auch solche Achsen werden im Sinne der Erfindung als arretierbar aufgefasst.
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Die Messung einer Sequenz von Tiefenbildern erfolgt, indem das handgeführte Achssystem, d. h. die Verstellvorrichtung, jeweils per Hand in eine neue Messposition gebracht wird, danach das Achssystem jeweils arretiert wird und dann die Messung ausgelöst wird.
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Der Benutzer kann die Arretierung über einen Fußschalter durchführen. Erfolgt die Arretierung ansteuerbar, so kann das Messsystem in einem geeigneten Messtakt arbeiten und die Arretierung sowie Auslösung der Messung periodisch selbständig durchführen. Ein Elektromagnet und die periodische Durchführung sind dazu geeignet, eine schnellere Objektvermessung durchzuführen.
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Eine manuelle Positionierung des Achssystems ist von Vorteil, weil der Benutzer unmittelbar den Einfluß von Betrachtungswinkel, Licht, Schatten und störenden Reflexionen sieht und mit seinen Augen und Händen direkt korrigieren kann. Vorteilhaft ist eine unmittelbare Darstellung am Bildschirm, so dass der Benutzer direkt erkennen kann, welche Messobjektbereiche noch fehlen. Diese Vorgehensweise ist im Allgemeinen schneller und damit wirtschaftlicher als das Programmieren von motorischen Bewegungsprogrammen und das Überprüfen des Erfolgs dieser Programme nach der Messung.
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Zusätzlich zu einer Arretierung kann auch eine Bewegungskompensation des 3D-Sensors durchgeführt werden. Dabei geht man wie folgt vor: Ein bestimmtes Bild der Messsequenz (in der Regel das erste) gilt als das in Ruheposition aufgezeichnete. Die anderen Bilder müssen lateral und in den Streifenphasen korrigiert werden, weil zwischenzeitlich kleine Bewegungen stattgefunden haben können. Diese Korrektur wird als Bewegungskompensation bezeichnet. Ein mögliches Verfahren entspricht dem Stand der Technik und ist veröffentlicht (T. Weise, B. Leibe, L. Van Gool, „Fast 3D Scanning with Automatic Motion Compensation”, IEEE Conference an Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR '07) Minneapolis, USA, Juli 2007).
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Unter dem Begriff Achsen sollen Linearachsen oder Drehachsen verstanden werden. Eine Linearachse besteht aus mindestens zwei Teilen, welche linear gegeneinander bewegt werden können. Zu diesem Zweck hat sie häufig mechanische Lager und eine mechanische Führung. Man kann sie durch einen räumlichen Vektor charakterisieren, der die verschiedenen Richtungen repräsentiert. Eine Drehachse besteht jedenfalls aus mindestens zwei Teilen, welche gegeneinander gedreht werden können. Sie hat zumeist Lager und eine mechanische Führung. Man kann sie durch einen räumlichen Vektor charakterisieren, welcher die Richtung ihrer Drehachse repräsentiert.
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Unter dem Positionsgeber werden bei Linearachsen lineare Positionsgeber, bei Drehachsen Winkelpositionsgeber verstanden.
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Bei den aus dem Stand der Technik bekannten relativ langen Bewegungsarmen, an denen ein Sensor angebracht ist, wäre eine praktisch handhabbare Arretierung nur schwer möglich, weil der Arm lange Zeit nachschwingt. Das Arretieren von Feststellbolzen an unterschiedlichen Orten wäre sehr mühsam und zeitaufwändig.
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Aus dem Stand der Technik sind auch motorisch bewegte Achssysteme bekannt, die mit Flächensensoren und Feinregistierung arbeiten, derartige Systeme sind jedoch recht aufwändig. Das motorisch betriebene System folgt einer programmierten Sequenz, nach welcher eine bestimmte Sequenz von 3D-Messungen aus verschiedenen Blickrichtungen erfolgt. Nachteilig ist dabei, dass eine geeignete Sequenz zunächst nicht bekannt ist und durch Probemessungen ermittelt werden muss. Dabei analysiert der Benutzer nach Durchführung der Messung, wohin Licht und Schatten gefallen sind und unter welchen Stellungen des motorisch bewegten Achssystems möglichst alle Objektedetails erfasst werden können. Dieses Verfahren ist zeitaufwändig, wann immer ein neuartiges Messobjekt zu erfassen ist, für das die Sequenz noch nicht ermittelt wurde. Hier. ist die erfindungsgemäße Handführung des Achssystems, bei der der Benutzer das Messobjekt mehrfach von Hand positioniert und dabei den Einfluss von Schatten u. ä. kontrolliert, die Position anpasst und anschließend in jeder Position computergesteuert eine 3D-Messung durchführt, deutlich einfacher.
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Die erfindungsgemäße Maßnahme, nicht den 3D-Sensor, sondern das Messobjekt am handgeführten System zu befestigen, hat mehrere Gründe. Zum einen ist es einfacher und wirtschaftlicher, für Objekte, die kleiner als der 3D-Sensor sind, die Objekte anstelle des Sensors an einem handgeführten Achssystem zu bewegen. Zum anderen besteht keine wirkliche Symmetrie zwischen 3D-Sensor und Messobjekt. Wird der Sensor um ein kleines Messobjekt bewegt, muss das getrackte Volumen mindestens die Gestalt einer Halbkugel besitzen, deren Radius der Arbeitsabstand des 3D-Sensors ist. Wird hingegen das kleine Objekt bei ruhendem Sensor bewegt, kann das getrackte Volumen klein sein, unabhängig vom Arbeitsabstand des 3D-Sensors. Auf diese Weise können handgeführte Achssysteme mit kleinem getrackten Volumen erzeugt werden, die nicht den 3D-Sensor, sondern das Messobjekt halten. Als klein wird ein getracktes Volumen bezeichnet, wenn sein Rauminhalt kleiner ist als der Rauminhalt einer Halbkugel, deren Radius der Arbeitsabstand des 3D-Sensors ist.
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Ein solches kleines Achssystem für ein kleines getracktes Volumen kann so steif konstruiert werden, dass es für die Verwendung eines Flächensensors, bei dem es sich nicht um einen single-shot-Sensor handelt, nicht lange nachschwingt, sondern bevorzugt in weniger als 0,5 Sekunden Wartezeit so weit zur Ruhe kommt, dass eine ungestörte Messung möglich wird. Weiterhin ist es kostengünstiger zu bauen.
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Bei einem Achssystem, welches das Objekt hält, kann die Anzahl der aufeinander folgenden Achsen auf maximal sechs reduziert werden. Auf diese Weise werden Kosten eingespart und das Nachschwingverhalten verbessert. Eine Reduzierung auf sechs Freiheitsgrade ist unproblematisch, da jede räumliche Drehung und Verschiebung durch sechs Freiheitsgrade beschrieben werden kann.
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Für Objekte, die kleiner sind als das Messvolumen, kann des Weiteren auf die Verschiebungsfreiheitsgrade verzichtet werden. In diesem Fall weist das System bevorzugt drei Drehachsen auf. Wenn sich diese drei Achsen in einem Punkt schneiden und der Objektträger, welcher das Messobjekt hält, gemeinsam mit dem Achssystem so konstruiert ist, dass der Schnittpunkt der Achsen in der Mitte des Messvolumens liegt, wandert das Messobjekt beim Bewegen der Achsen nicht aus der Mitte des Messvolumens heraus, wodurch das getrackte Volumen vorteilhaft klein gehalten werden kann.
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Eine weitere Reduzierung der Anzahl der Achsen ist gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung möglich: Ein Drehungsfreiheitsgrad kann entfallen, da die Drehung des Flächensensors um die Verbindungsachse 3D-Sensor-Messobjekt nur geringe Vorteile bringt. Gemäß dieser Ausführungsform wird das System mit zwei Drehachsen verwendet, wobei sich die beiden Achsen bevorzugt in einem Punkt schneiden, der in der Mitte des Messvolumens liegt.
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Zur nochmaligen Erläuterung der Vorteile dieser Geometrie mit zwei Achsen werden Kugelkoordinaten eingeführt, deren Ursprung sich im Schnittpunkt der beiden Achsen befindet. Die beiden Achsen gewährleisten bereits, dass das Messsystem auf das Messobjekt in den beiden aus der Himmelsmechanik bekannten Freiheitsgraden (Zenitdistanz und Azimut) beliebig auf das Messobjekt blicken kann. Somit sind die wichtigsten Winkelfreiheitsgrade durch dieses handgeführte Achssystem bereits einstellbar.
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Es sind jedoch auch andere handgeführte Achssysteme realisierbar. Die handgeführten Achssysteme können grundsätzlich aus Linearachsen oder Drehachsen zusammengesetzt sein, sollen wie erwähnt bevorzugt aus maximal sechs Achsen bestehen und bevorzugt ein kleines getracktes Volumen besitzen.
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Vorteilhafterweise weist die Vorrichtung auch einen Monitor auf, auf dem die aufgenommenen Messungen darstellbar sind. Wenn das Messergebnis unmittelbar am Bildschirm dargestellt wird, kann der Benutzer direkt erkennen, welche Objektbereiche möglicherweise noch fehlen.
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Das Auslösen der Positionsgeber muss während der Messung oder mit vernachlässigbarem Zeitunterschied geschehen. Der Zeitunterschied ist dann vernachlässigbar, wenn der Weg, den das Messobjekt auf dem Achssystem bei einer Geschwindigkeit der manuellen Bewegung in der Zeitdauer des Zeitunterschieds zurücklegt, kleiner ist als der Messfehler des 3D-Sensors. Im Falle des Flächensensors mit Bewegungskompensation (ohne Arretierung) muss das Auslesen der Positionsgeber während der Aufnahme des jeweiligen Kamerabildes geschehen, welches als das in Ruheposition aufgezeichnete gilt.
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Zweckmäßigerweise sind Art und Anzahl der Linear- und Drehachsen der Verstellvorrichtung so wie ihre gegenseitige räumliche Anordnung variierbar. Hierzu kann das handgeführte Achssystem modular gestaltet, konfigurierbar und zerlegbar sein. Dies hat den Vorteil, dass das handgeführte Achssystem individuell passend zum Messobjekt zusammengestellt werden kann, beispielsweise wenn das Messobjekt für das getrackte Volumen zu groß ist oder nicht beliebig verdreht oder gekippt werden kann. Beispiele hierfür sind die Aufnahme eines menschlichen Knies, eines Tellers mit darauf angerichtetem Essen, ein Lederstiefel, der nicht in jeder Position seine Form behält, usw.
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Der Benutzer kann dasjenige handgeführte Achssystem konfigurieren, mit dem die Erfassung möglich und mit dem geringsten Arbeitsaufwand durchführbar ist.
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Sinnvollerweise verfügt auch der 3D-Sensor über eine Verstellmöglichkeit. Diese kann beispielsweise über eine Schwalbenschwanzführung kombiniert mit einer Kugelkopfhalterung herbeigeführt werden.
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Damit ein konfigurierbares handgeführtes Achssystem überhaupt sinnvoll eingesetzt werden kann, muss ein Verfahren zur Einmessung des handgeführten Achssystems implementiert werden. Ziel dieses Verfahrens ist es, die räumliche Lage der Achsen im Koordinatensystem des 3D-Sensors zu charakterisieren. Ein solches Verfahren entspricht dem Stand der Technik. Beispielsweise kann das folgende Verfahren eingesetzt werden:
- 1. Aufspannen eines beliebigen Messobjektes
- 2. Arretieren aller Freiheitsgrade
- 3. Referenzmessung
- 4. Lösen einer Achse bei bleibender Arretierung der übrigen Achsen, Verstellen dieser Achse von Hand
- 5. Vergleichsmessung
- 6. Berechnen der Transformation zwischen Referenzmessung und Vergleichsmessung
- 7. Mitteilung an die Software, ob es sich um eine Linear- oder Drehachse handelt
- 8. Berechnung der genauen Lage der Achse aus dieser Transformation
- 9. Wiederholung der Schritte 2–8 für die übrigen Achsen.
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Das handgeführte Achssystem kann ggf. auch während eines Digitalisierungsvorgangs eines Messobjekts umkonfiguriert werden. Zur Umkonfiguration kann auch gehören, dass sich das handgeführte Achssystem vollständig entfernen lässt.
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Für den Fall, dass selbst nach vollständiger Entfernung des handgeführten Achssystems, d. h. der Verstellvorrichtung, das Messvolumen zu klein ist, kann der 3D-Sensor lösbar von der Vorrichtung befestigt sein. Beispielsweise kann der 3D-Sensor vom Arm eines Messtisches abgenommen und an einem Stativ befestigt werden. Anschließend wird der Sensor um das Objekt herum bewegt. Hiermit verbunden ist zwar ein Verlust der erfindungsgemäßen Vorteile, d. h. die 3D-Vermessung ist nur mit höherem Interaktionsaufwand unter Verwendung aufwändiger Registrierungsverfahren möglich, ein solchermaßen gestaltetes Gerät ermöglich es jedoch dem Benutzer neben der routinemäßigen Erfassung kleiner Objekte, auch größere Objekte zu erfassen, was jedoch erfahrungsgemäß deutlich seltener notwendig ist.
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Der 3D-Sensor sollte sich bevorzugt mechanisch reproduzierbar wieder am Gerät befestigen lassen, damit die voreingestellte Achsenkalibrierung ihre Gültigkeit behält und keine erneute Kalibrierung durchgeführt werden muss. Hierzu kann eine trennbare Halterung zwischen der Verstellvorrichtung und dem Sensor selbst dienen.
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Nach jeder neuen Aufspannung muss normalerweise ein aufwändiges Registrierungsverfahren durchgeführt werden, wobei die Transformationsparameter in sechs Freiheitsgraden bestimmt werden, nämlich in drei Freiheitsgraden der Drehung und drei Freiheitsgraden der Verschiebung. Dies kann interaktiv oder durch automatische Suchalgorithmen geschehen, wobei jedoch Probleme hinsichtlich der Zuverlässigkeit des Verfahrens auftreten, so dass häufig eine Korrektur des gefundenen Ergebnisses durch den Benutzer notwendig ist.
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Diese Schwierigkeiten können erfindungsgemäß umgangen werden, indem die zu suchenden sechs Freiheitsgrade der neu zu findenden unbekannten Transformation, die eine neue Aufspannung mit sich bringt, eingeschränkt werden. Ein Beispiel ist die Bewegung des Messobjekts auf den Objektträger, die nur mit drei Freiheitsgraden erfolgt (laterale x,y-Verschiebung und Drehung). Auf diese Weise muss die entsprechende Software mit den automatischen Suchalgorithmen nur drei Dimensionen absuchen, was die Treffsicherheit deutlich erhöht.
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Erfindungsgemäß teilt der Benutzer es der Software mit, wenn er eine neue Aufspannung mit Nebenbedingungen durchgeführt hat. Anschließend sucht die Software mit automatischen Suchalgorithmen einen entsprechend niederdimensionalen Raum ab oder führt eine Bewertung der bei 6-dimensionaler Suche gefundenen Ergebnisse durch. Beispiele für eine Aufspannung mit Nebenbedingungen sind das Verschieben und Verdrehen des Messobjektes frei auf dem Objektträger (Messtisch), d. h. Verschiebung in x,y-Richtung und Verdrehung (drei Freiheitsgrade) oder die Verschiebung des Messobjekts längs eines Anschlagslineals (ein Freiheitsgrad).
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung soll es möglich sein, nicht eine neue Aufspannung des Messobjekts mit Nebenbedingungen durchzuführen, sondern die Neupositionierung der Verstellvorrichtung einschließlich des daraus befindlichen Messobjekts auf einer Grundfläche. Beispiele hierfür sind:
- a) Verschieben und Verdrehen des handgeführten Achssystems frei, auf der Grundfläche, d. h. Verschiebung in x- und y-Richtung und Verdrehung,
- b) Verschieben des handgeführten Achssystems längs eines oder mehrerer Anschlagslineale oder
- c) Verschieben in x-y-Richtung in definierten Positionen auf einem Streckbrett mit einem rechteckigen Raster von n × m Fixierungen, beispielsweise über Passstifte.
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Vorzugsweise soll die dem System ursprünglich bekannte, durch Kalibrierung des Achssystem entstandene Positionierung des Achssystem mechanisch reproduzierbar sein. Hierzu kann ein Endanschlag an einem Lineal, ein Winkelanschlag oder eine bestimmte vereinbarte Position im x-y-Raster dienen.
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Im Falle einer Neupositionierung weg von der ursprünglichen Positionierung wird dies und die Art der Neupositionierung dem Benutzer mitgeteilt. Die Software führt dann folgende Schritte aus:
- 1. Referenzmessung in der ursprünglichen Lage des Achssystems,
- 2. Neupositionierung des Achssystems durch den Benutzer,
- 3. Vergleichsmessung des Objektes und Feststellung der Transformation zwischen Referenzmessung und Vergleichsmessung,
- 4. Anwendung der gefundenen Transformation des Messobjekts invers auf sämtliche Achsen und Bestimmung der Lage des neu positionierten Achssystems.
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Darüber hinaus muss die Transformation invers auf alle bislang erfassten Tiefenbilder angewendet werden, da auch das Objekt, gemeinsam mit dem Achssystem verschoben wurde.
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Die Neupositionierung des Achssystem kann während einer Objektvermessung erfolgen. Die später neu gemessenen Daten werden bei Korrekturtransformation zu den nach der Neupositionierung gewonnenen Daten passen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Verstellvorrichtung um zumindest einige Linear- und/oder Drehachsen auch mit Hilfe eines Motors verstellbar, wobei jedoch die Möglichkeit der Verstellung per Hand erhalten bleiben muss. Dies gilt insbesondere für die Drehachsen. Die Verstellung per Hand erfolgt in diesem Fall gegen die Haltekraft des ruhenden Motors.
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Bei den Motoren kann es sich z. B. um handelsübliche Schrittmotoren mittlerer Größe (ca. 4 cm) handeln, die ohne Getriebe die Achse drehen. Wenn der Motor gerade keine Schritte macht, ist er in der Regel dennoch unter Strom und setzt dem Drehmoment, welches durch die Hand ausgeübt wird, einen mechanischen Widerstand entgegen. Bei einem Motor der beschriebenen Größe kann der Widerstand aber überwunden werden.
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Da die Positionsgeber weiter funktionieren, verhält sich das System nicht anders als die zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Zusätzlich aber kann das System nach Aufforderung durch den Benutzer z. B. auf Knopfdruck mit dem Motor eine bestimmte standardisierte Teil-Messstrategie fahren. Die Positionsgeber liefern in jeder Position der Messstrategie die benötigte Stellinformation an die Software. Werden solche Messabläufe motorisch unterstützt, kann bei diesem Teil der Vermessung Zeit eingespart werden.
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Darüber hinaus ist es möglich, mehrere 3D-Sensoren zu verwenden, die entweder gleichzeitig an der Vorrichtung angebracht sind oder aber austauschbar vorgehalten werden. Verschiedenen 3D-Sensoren können unterschiedliche Auflösungen und Messvolumina aufweisen. Entsprechend kann der Anwender je nach Messobjekt den am besten geeigneten 3D-Sensor auswählen. Die Parameter der Kalibrierung der jeweiligen Sensoren müssen ermittelt worden sein und von der Software verwaltet werden.
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Wenn die Sensoren gleichzeitig am Gerät montiert sind, ist jeweils nur einer der Sensoren aktiv.
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Alternativ kann auch ein 3D-Sensor verwendet werden, dessen optisches System in einer Weise in mehreren Stellungen konfiguriert werden kann, so dass der Sensor in jeder Stellung als Sensor funktioniert, aber jeweils ein anderes Messvolumen hat. Dies kann z. B. mit steuerbaren motorisierten Zoom-Objektiven an den Kameras und dem Projektor des 3D-Sensors realisiert werden. Für jede Stellung des optischen Systems müssen für den 3D-Sensor die Parameter der Sensorkalibrierung ermittelt worden sein, die dann angewendet werden können. Alle Sensorkalibrierungen sollten sich vorzugsweise mit Hilfe einer Koordinatentransformation der Kalibrierung auf das gleiche Koordinatensystem beziehen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Lichtquelle des 3D-Sensors direkt z. B. mit einem Potentiometer in ihrer Helligkeit auf die Helligkeit des Messobjektes oder des im Messvolumen befindlichen Messobjektdetails hin angepasst werden. Der Benutzer erhält eine unmittelbare Rückmeldung über eine Live-Videodarstellung des Signals einer Kamera und des 3D-Sensors. In dieser Videodarstellung können übersteuerte oder untersteuerte Objektbereiche kenntlich gemacht werden, z. B. durch eine Falschfarbendarstellung. Anstelle der Verstellung der Helligkeit der Lichtquelle kommt auch die Verstellung der Integrationszeit oder Verstärkung der Kameras des 3D-Sensors mit geeigneten elektronischen Hilfsmitteln oder eine geeignete Programmierung in Betracht.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Vorrichtung zur Erfassung der geometrischen Form von Messobjekten gemäß dem Stand der Technik;
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2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung der geometrischen Form von Messobjekten;
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3 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit insgesamt vier Drehachsen und
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4 Möglichkeiten zur Neupositionierung der Verstellvorrichtung auf einer Grundfläche.
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In 1 ist eine Vorrichtung zur Erfassung der geometrischen Form von Objekten aus dem Stand der Technik dargestellt, die einen sensorischen Bewegungsarm 1 umfasst, an dem ein punkt- oder linienförmig arbeitender 3D-Sensor 2 angebracht ist. Mit Hilfe des 3D-Sensors wird das Messobjekt 16 erfasst. Der sensorische Bewegungsarm hat sieben Drehachsen, die manuell bewegt werden und mit Positionsgebern ausgerüstet sind. Der Arbeitsabstand zwischen 3D-Sensor 2 und Messobjekt 16 ist mit dem Bezugszeichen 12 gekennzeichnet.
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Der Bewegungsarm 1 kann einen bestimmten Raum überstreichen, der als „getracktes Volumen” 18 bezeichnet wird. Der auf einer Grundfläche befestigte Bewegungsarm 1 überstreicht hier ein getracktes Volumen 18 mit annähernd halbkugelförmiger Form.
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In 2 ist eine Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt. Auf einem Messtisch, der eine Grundfläche 10 bildet, befindet sich eine Verstellvorrichtung 3 in Form eines handgeführten Achssystems, die mit einem Objektträger 17 versehen ist, auf dem sich das Messobjekt 16 befindet. Der flächenhaft arbeitende 3D-Sensor 7 wird von einem Haltearm 9 gehalten und führt die Messungen im Messvolumen 8 durch. Der Arbeitsabstand zwischen Messobjekt 16 und 3D-Sensor 7 ist wiederum mit dem Bezugszeichen 12 versehen. Der 3D-Sensor 7 ist in seiner Lage zum Messtisch verstellbar, weshalb der Haltarm 9 eine Verstellmöglichkeit 11 aufweist, beispielsweise eine Schwalbenschwanzführung kombiniert mit einer Kugelkopfhalterung. Des Weiteren ist die Halterung 13 zwischen dem Haltearm 9 und dem 3D-Sensor 7 trennbar ausgebildet, wobei sich der 3D-Sensor 7 mechanisch reproduzierbar wieder am System befestigen lässt, damit die voreingestellte Achskalibrierung ihre Gültigkeit behält. Eine neue Achskalibrierung nach Anbringung des 3D-Sensor 7 ist daher nicht erforderlich.
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Im Falle des Vorsehens von austauschbaren 3D-Sensoren 7 ist zu erwarten, dass die verschiedenen 3D-Sensoren 7 einen unterschiedlichen Arbeitsabstand 12 zur Mitte des Messvolumens 8 aufweisen. Da es jedoch wünschenswert ist, dass im Falle eines Sensoraustausches die Verstellmöglichkeit 11 für den 3D-Sensor 7 nicht verstellt werden muss, soll vorzugsweise der sensorseitige Teil der, trennbaren Halterung 13 am 3D-Sensor 7 an einem bestimmten, von 3D-Sensor 7 zu 3D-Sensor 7 jedoch verschiedenen Ort so angebracht sein, dass sich die Mitte des Messvolumens 8 jeweils im gleichen Abstand von der Halterung 13 befindet.
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Durch eine geeignete Koordinatentransformation zum gleichen Koordinatensystem in einer dieser Kalibrierungen soll vorzugsweise erreicht werden, dass diese das Messvolumen im gleichen Koordinatensystem erfassen. Dies führt dazu, dass vom Computer nur eine Lage des handgeführten Achsensystems verwaltet werden muss und dass nach dem Umspannen oder Umschalten von einem 3D-Sensor 7 Objektdatenpunkte und Achslage sofort am gleichen Ort liegen wie in der früheren Konfiguration, so dass keine neue Achseinmessung durchgeführt zu werden braucht. Im Falle der Verwendung eines 3D-Sensors 7, dessen optisches System in mehreren Stellungen konfiguriert werden kann, so dass der 3D-Sensor 7 zwar in jeder Stellung als Sensor funktioniert, aber jeweils ein anderes Messvolumen 8 aufweist, ist ebenfalls zu erwarten, dass sich für jede Stellung des optischen Systems auch der Arbeitsabstand 12 des 3D-Sensors 7 ändert. Deshalb sollte vorzugsweise für jede Stellung des optischen Systems ein zugehöriger Ort der Befestigung des sensorseitigen Teils der trennbaren Halterung 13 vorgesehen werden, beispielsweise durch Anbringen von Gewinden, so dass sich die Mitte des Messvolumens 8 jeweils im gleichen Abstand von dieser Halterung 13 befindet, wenn man den zugehörigen Ort der Befestigung wählt.
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In 3 ist eine Verstellvorrichtung 3 mit vier Drehachsen 5 schematisch dargestellt. Das Achssystem der Verstellvorrichtung 3 hält ein Messobjekt 16 mit einem Objektträger 17. Sämtliche Achsen 5 sind mit Arretierungsmöglichkeiten 6 und Positionsgebern 4 versehen.
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In 4 ist eine Grundfläche in der Draufsicht dargestellt, die eine Umpositionierung der gesamten Verstellvorrichtung 3 einschließlich des darauf befindlichen Messobjekts 16 erlaubt. Bei der Grundfläche 10 handelt es sich üblicherweise um die Oberfläche des Messtisches. Die Verstellvorrichtung 3 kann entlang eines Winkelanschlags 15 erfolgen, wobei in diesem Fall ein Schenkel des Winkelanschlags 15 als Anschlagslineal, der andere Schenkel als Endanschlag dient. Auch bei einer freien Verschiebung und Verdrehung der Verstellvorrichtung 3 kann der Winkelanschlag 15 als Endanschlag dienen.
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Darüber hinaus verfügt die Grundfläche 10 über ein Steckbrett 14 mit definierten Positionen innerhalb eines Rasters mit 4 × 4 Fixierungsmöglichkeiten. Die Fixierung kann beispielsweise über entsprechende Passstifte herbeigeführt werden.
