DE19631205C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung der Geometrie eines dreidimensionalen Objektes - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung der Geometrie eines dreidimensionalen ObjektesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Erfassung der Geometrie eines dreidimensionalen Objektes.
Die Erfindung der Erfassung der Geometrien von dreidimensio
nalen Objekten wird immer wieder benötigt. Sie erfolgt über
wiegend mittels klassischer Meßmaschinen durch berührendes
oder berührungsloses Abtasten einer endlichen Zahl einzelner
Punkte auf der Oberfläche eines zu untersuchenden Objektes.
Die betreffende Abtasteinheit wird dabei mittels einer Moto
rik über die Objektoberfläche geführt.
Bei diesen bekannten Erfassungsverfahren wird jeweils eine
Anzahl endlicher Punkte gewonnen und aus diesen werden mit
erheblichem Rechenaufwand Flächeninformationen zur Weiterver
arbeitung in Konstruktionsprogrammen (CAD) gewonnen. Infolge
des Verarbeitungsaufwandes sind diese Verfahren verhältnismä
ßig langsam.
Bei den Verfahren mit berührender Abtastung, den Verfahren
mit taktiler Abtastung, ergibt sich das Problem, daß die
Tastspitze eine räumliche Ausdehnung hat, wodurch nicht die
gesuchte Oberflächeninformation, sondern eine als Funktion
der Tastspitze geometrisch versetzte Information gewonnen
wird. Infolge der kraftschlüssigen Anordnung der Tastspitze
ist es nicht möglich, mit dieser weiche Objekte zu erfassen.
Des weiteren ergibt sich eine Einschränkung der Meßgenauig
keit durch die mechanische Auflösung der eingesetzten Kinema
tik, mittels der die Tastspitze an das Objekt herangeführt
wird. Eine hohe Auflösung bringt einen erheblichen apparati
ven Aufwand mit sich und die Kosten werden dann beträchtlich.
Bei den Verfahren mit optischer Erfassung hingegen ist es
möglich, eine oberflächengetreue Vermessung zu erzielen. Hier
besteht jedoch eine Einschränkung in bezug auf die Art der
Objektoberfläche, d. h. inwieweit sich diese für eine optische
Abtastung eignet. Außerdem ist das Verfahren nur bis zu einer
bestimmten maximalen Flächenkrümmung einsetzbar. Tiefe Boh
rungen und Kanten können nicht erfaßt werden. Es wird eine
erhebliche Datenmenge durch die vielen Meßpunkte erhalten
(Punktwolke), wodurch sich bei der Gewinnung der Flächenin
formationen große rechentechnische Probleme ergeben.
Aus der US 5,151,609 ist ein optisches Verfahren zur Ober
flächenerfassung eines Körpers bekannt, der sich relativ
längs der Z-Achse in diskreten Schritten oder kontinuierlich
zu einem Bildaufnehmer bewegt. Der Bildaufnehmer über dem
Körper erfaßt dessen Konturlinien, die durch die jeweilige
Lage der Schärfeebene der Optik des Bildaufnehmers bezüglich
des Körpers definiert sind.
Die DE 29 45 456 C2 offenbart eine Anordnung zur Meßwertauf
nahme der Gestalt eines langgestreckten Meßgegenstandes durch
abschnittsweises Messen des Durchmessers und der Lage der
Projektion des Durchmessers längs einer oder mehrerer zur Be
wegungsrichtung des Gegenstandes senkrechten Richtungen.
Des weiteren ist aus der DE 35 16 361 A1 eine Vorrichtung zur
Bestimmung des Volumens eines Körpers in der Medizin durch
ein Überlaufvolumeter bekannt, bei den der Körper in ein mit
Wasser gefülltes Gefäß eingetaucht und die überlaufende Was
sermenge nach dem Verdrängungsprinzip bestimmt wird.
Schließlich ist es aus der DE 26 04 410 A1 bekannt, bei der
optischen Ermittlung der Größe von Einschlüssen bei Edelstei
nen diese in Immersionsflüssigkeiten einzubetten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung dreidimensio
naler Objektgeometrien zu schaffen, die einfach und schnell
sind.
Diese Aufgabe ist bei einem Verfahren und einer Vorrichtung
mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 8 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur berührungslosen Er
fassung der Geometrie eines dreidimensionalen Objektes wird
ein Objekt in ein fluides Medium schrittweise abgesenkt, wo
bei sich die optischen Eigenschaften des Objektes und des
fluiden Mediums derart unterscheiden, daß ein Kontrast am
Übergang zwischen Objekt und fluidem Medium entsteht. Die
Konturkurven des Objektes gleicher Höhe werden mit dem
Fluidpegel während des schrittweisen Absenkens des Objektes
in das fluide Medium durch eine senkrecht über dem abzusen
kenden Objekt angeordnete Erfassungseinrichtung optisch er
faßt. Die optische Information der zweidimensionalen Kontur
kurven und die den Absenkschritten des Objektes entsprechen
den Höhenangaben werden zu einer dreidimensionalen Geometrie
weiterverarbeitet.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit nicht die
Oberfläche direkt abgetastet, sondern es wird vielmehr die
Grenzzone bzw. Übergangsstelle, z. B. anhand des Farbkon
trasts, zwischen dem zu erfassenden Objekt und dem das Objekt
umgebenden Medium, d. h. dem Fluid, und damit die entsprechen
den Kontrastlinien erfaßt. Das Entstehen eines Farbkontrastes
beruht auf den unterschiedlichen optischen Eigenschaften von
zu untersuchendem Objekt und Fluid. Durch geeignete Auswahl
des fluiden Mediums ergibt sich ein scharfer Kontrast an der
Grenzfläche.
Das erfindungsgemäße Erfassungsverfahren ist außerordentlich
vielseitig einsetzbar. Insbesondere wirken sich die Objekt
größe und die Beschaffenheit der Objektoberfläche nicht auf
die eigentliche Messung und Verarbeitung der Meßdaten aus.
Die Kontrastlinien stellen die Umrandungskurven (Konturkur
ven) des Objektes dar, die in gleicher Höhe in bezug auf das
Fluid liegen. Aus der Kombination mehrerer aufgenommener Kon
turkurven kann die gesamte Objektgeometrie, d. h. die räumli
che Objektstruktur, bestimmt werden.
Im einzelnen ergibt sich bei dem erfindungsgemäßen Kon
trastabsenkverfahren im Verlauf des Absenkvorgangs eine Lini
enschar der Kontrastlinien, die genauen Höhenschnitten durch
das Objekt entsprechen. Da der Oberflächenpegel der Flüssig
keit aufgrund der Schwerkraft stets waagerecht, d. h. horizon
tal, verläuft, sind die Schnittlinien ebenfalls stets in der
Horizontalen.
Wird der Absenkvorgang schrittweise durchgeführt, ergibt sich
eine Linienzahl entsprechend der Schrittgröße. Je nach ge
wünschter Genauigkeit oder sonstigen Erfordernissen kann wie
derum zwischen den Werten der einzelnen Konturkurven eine In
terpolation durchgeführt werden. Hierdurch kann die Auflösung
der optischen Erfassung beliebig erhöht werden.
Eine Vereinfachung des erfindungsgemäßen Erfassungsverfahrens
ergibt sich daraus, daß der Abstand zwischen der optischen
Erfassungsvorrichtung und dem Fluidpegel zweckmäßig durch ei
ne Regelung konstant gehalten wird. Dadurch erübrigt sich ei
ne Nachfokussierung der optischen Erfassungsvorrichtung. Das
System ist sozusagen selbstfokussierend. Außerdem werden
hierdurch optische Verzerrungen ausgeschlossen.
Eine einfache Verfahrensausgestaltung ergibt sich daraus, daß
der Fluidpegel während des Absenkvorgangs konstant gehalten
wird. Damit entfällt eine Nachführung der Optik.
Dadurch, daß in einem Meßzyklus stets eine komplette Höhenli
nie gewonnen wird, ergeben sich zum einen ein reduzierter Er
fassungsaufwand und begrenzte Datenmengen, die entsprechend
rasch verarbeitet werden können. Hinzu kommt, daß die Daten
vorsortiert sind, da es sich jeweils um Höhen- bzw. Schnitt
linien handelt. Am Ende der Abtastung ergibt sich eine geord
nete Bahnenschar, die direkt zu einer Flächenbestimmung wei
terverarbeitet werden kann. Das heißt, die so gewonnenen
Bahnkoordinaten (Kurven) können in einem CAD-System einfach
verarbeitet werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können jegliche Körper,
auch solche mit plastisch verformbarer Oberfläche oder Ge
stalt erfaßt werden. Dies ist insbesondere deshalb möglich,
weil lediglich hydrostatische Kräfte auf das abzutastende Ob
jekt aufgebracht werden.
Ferner können mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens Körper
mit optisch kritischen Oberflächen, des weiteren steile Kan
ten oder tiefe Bohrungen erfaßt werden. Zur Unterstützung der
optischen Erfassung können beispielsweise im Bereich von Hin
terschnitten im Objekt Bohrungen angebracht werden, wodurch
sich derartige Bereiche besser mit dem fluiden Medium füllen
und die entsprechenden Grenzflächen besser erfaßt werden kön
nen.
Zur Erzielung eines besseren Kontrasts an der Grenzfläche
zwischen Objekt und Fluid kann das Objekt mit Schwingungen im
Bereich von 1 bis 40 kHz angeregt werden. Hierdurch können
kleinste Fehler an den Berührungspunkten zwischen Objekt und
Flüssigkeit eliminiert werden.
Entsprechend dem durch die Erfindung erhaltenen vorteilhaften
Verfahren ergibt sich auch eine sehr einfache und effiziente
Vorrichtung zur Erfassung der Geometrien dreidimensionaler
Objekte. Diese umfaßt eine Wanne, die mit einem Fluid gefüllt
ist, und ferner eine Verschiebeeinrichtung, die ein Objekt,
dessen Kontur gemessen werden soll, in das Fluid absenkt. Ei
ne optische Erfassungseinrichtung ist oberhalb des Objektes
vorgesehen und erfaßt die Konturkurven des Objektes gleicher
Höhe mit dem Fluidpegel.
Unter der Wanne soll hier jeglicher Behälter mit einer Form
und einem Füllvolumen verstanden werden, in den ein zu erfas
sender Körper eingebracht werden kann. Die Wanne selbst oder
ihr Boden kann höhenverstellbar sein. Dies ermöglicht es,
durch eine geeignete Steuerung den Abstand zwischen der opti
schen Erfassungseinrichtung und dem Fluidpegel konstant zu
halten und auf diese Weise die Höhenveränderung auszuglei
chen, die sich durch die Fluidverdrängung beim Absenkvorgang
ergibt.
Die Wanne ist mit einer Flüssigkeit oder einem Festkörperpul
ver als fluidem Medium gefüllt. Das fluide Medium umfließt
das Objekt entweder unter Einwirkung der Schwerkraft oder
durch äußere Einwirkung, beispielsweise durch Fluidisierung
(Wirbelschicht). Um eine glatte Grenzzone zwischen dem Objekt
und dem Fluid zu erzielen, kann das Objekt, wie oben erwähnt,
in Schwingung versetzt werden. Dies führt z. B. bei Flüssig
keiten dazu, daß die Oberflächenspannung der Flüssigkeit auf
gebrochen wird.
Die Verschiebeeinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist zweckmäßig stufenweise absenkbar. Auf diese Weise ergibt
sich eine diskrete Schar an Konturlinien und Meßschritten.
Als optische Erfassungseinrichtung kann eine Kamera oder ein
Scanner vorgesehen sind. Vorteilhaft sind mehrere optische
Erfassungseinrichtungen in Kaskade angeordnet.
An die erfindungsgemäße Vorrichtung kann eine Auswerteein
richtung angeschlossen sein, die aus den gewonnenen zweidi
mensionalen Daten Volumendaten und damit die Objektgestalt
ermittelt.
Um eine Differenzmessung zur Erhöhung der Genauigkeit durch
führen zu können, ist bevorzugt die Flüssigkeit lichtleitend.
Die Erfindung wird im folgenden weiter anhand eines Ausfüh
rungsbeispieles und der Zeichnung beschrieben, wobei diese
Darstellung lediglich zu Beispielszwecken dient und die Er
findung nicht einschränken soll. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 ein schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung.
Eine Wanne 2 ist mit einem Fluid 10, hier einer Flüssigkeit,
gefüllt. In der Wanne 2 befindet sich ein dreidimensionales
Objekt 4 auf einem Boden, der hier nicht im einzelnen gezeigt
ist. Der Boden ist mittels einer Verstelleinrichtung 6 in
seiner Höhe verstellbar. Eine mit dem Bezugszeichen 8 ledig
lich angedeutete Verschiebeeinrichtung dient zum stufenweisen
Ablassen des Objektes 4 in die Flüssigkeit 10. Durch die Än
derung des Eintauchvolumens ergibt sich eine Änderung des
Flüssigkeitspegels, der auf einen konstanten Pegel nachgere
gelt wird.
Das Objekt 4 und die Flüssigkeit 10 unterscheiden sich in ih
ren optischen Eigenschaften, z. B. haben sie unterschiedliche
Farbe.
Oberhalb der Wanne 2 ist ein Bildaufnahmesystem 12 angeord
net, das den Kontrast zwischen den beiden Medien, hier den
Farbkontrast zwischen dem Objekt 2 und der Flüssigkeit 10,
gut unterscheiden kann. Es nimmt die Kontrastlinie an den
Übergangsstellen zwischen dem Objekt 2 und der Flüssigkeit 10
auf.
Die Bildinformation wird von einem Auswertesystem in eine
zweidimensionale Bahnkurve umgewandelt, die der Schnittlinie
durch das Objekt 2 in Höhe des Flüssigkeitspegels entspricht.
Durch Aneinanderreihung endlich vieler Bahnkurven kann mit
geringer Datenmenge in einem Konstruktionsprogramm ein Volu
menmodell errechnet werden, das zur konstruktiven Weiterver
arbeitung bereitsteht.
Claims (18)
1. Verfahren zur berührungslosen Erfassung der Geometrie
eines dreidimensionalen Objektes, bei dem
- 1. - ein Objekt in ein fluides Medium schrittweise abge senkt wird, wobei
- 2. - sich die optischen Eigenschaften des Objektes und des fluiden Mediums derart unterscheiden, daß ein Kontrast am Übergang zwischen Objekt und fluidem Medium entsteht,
- 3. - die Konturkurven des Objektes gleicher Höhe mit dem Fluidpegel während des schrittweisen Absenkens des Objektes in das fluide Medium durch eine senkrecht über dem abzusenkenden Objekt angeordnete Erfas sungseinrichtung optisch erfaßt werden und
- 4. - die optische Information der zweidimensionalen Kon turkurven und die den Absenkschritten des Objektes entsprechenden Höhenangaben zu einer dreidimensio nalen Geometrie weiterverarbeitet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
mehrere Konturkurven des Objektes aufgenommen werden und
aus diesen die räumliche Objektkontur bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß der Abstand zwischen der optischen Erfassungs
vorrichtung und dem Fluidpegel konstant gehalten wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Fluidpegel während des Eintauch
vorganges konstant gehalten wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß zwischen den Werten der Konturkurven
eine Interpolation durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Objekt mit Schwingungen im Bereich
von 1 bis 40 kHz angeregt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge
kennzeichnet, daß im Bereich von Hinterschnitten im Ob
jekt Bohrungen angebracht werden.
8. Vorrichtung zur Erfassung der Geometrie eines dreidimen
sionalen Objektes, umfassend
- 1. - eine Wanne (2), die mit einem Fluid (10) gefüllt ist,
- 2. - eine Verschiebeeinrichtung (8), die ein Objekt (4), dessen Kontur gemessen werden soll, in das Fluid (10) absenkt, und
- 3. - eine optische Erfassungseinrichtung (12) oberhalb des Objektes (4), die die Konturkurven des Objektes gleicher Höhe mit dem Fluidpegel erfaßt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
das Fluid (10) eine Flüssigkeit ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
das Fluid ein Festkörperpulver ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die Wanne (2) höhenverstellbar ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß der Boden der Wanne (2) höhenver
stellbar ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß die Verschiebeeinrichtung (8) stu
fenweise absenkbar ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß die optische Erfassungseinrichtung
eine Kamera ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, daß die optische Erfassungseinrichtung
ein Scanner ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch
gekennzeichnet, daß mehrere optische Erfassungseinrich
tungen in Kaskade angeordnet sind.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Auswerteeinrichtung vorgesehen
ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 17, dadurch
gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit lichtleitend ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE1996131205 DE19631205C2 (de) | 1996-08-02 | 1996-08-02 | Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung der Geometrie eines dreidimensionalen Objektes |
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DE1996131205 DE19631205C2 (de) | 1996-08-02 | 1996-08-02 | Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung der Geometrie eines dreidimensionalen Objektes |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE19631205A1 DE19631205A1 (de) | 1998-02-05 |
DE19631205C2 true DE19631205C2 (de) | 1998-07-30 |
Family
ID=7801577
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE1996131205 Expired - Fee Related DE19631205C2 (de) | 1996-08-02 | 1996-08-02 | Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung der Geometrie eines dreidimensionalen Objektes |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19631205C2 (de) |
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CN104236477A (zh) * | 2014-09-05 | 2014-12-24 | 西安交通大学 | 一种基于液面基准的线扫描轮廓测量方法及装置 |
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DE19631205A1 (de) | 1998-02-05 |
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