DE4208455A1 - Verfahren und anordnung zur beruehrungslosen dreidimensionalen messung - Google Patents
Verfahren und anordnung zur beruehrungslosen dreidimensionalen messungInfo
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Description
Es ist bekannt, daß zur dreidimensionalen berührungslosen Messung ein Lichtband auf
das Meßgut projiziert wird und dieses Lichtband unter einem Winkel durch eine CCD-
Kamera beobachtet wird. Durch Auswertung des seitlichen Versatzes wird eine Meß
information erhalten. Ein solches Lichtschnittverfahren wird z. B. von Pfeifer in Wett
bewerbsfaktor Produktionstechnik des Aachener Werkzeugmaschinen-Kolloquiums be
schrieben. Nachteilig ist, daß bei diesem Verfahren nur unter einer Ebene das Meßgut
erfaßt wird. Dadurch ist die dreidimensionale berührungslose Messung von nur sehr
einfachen Objekten möglich.
Ziel der Erfindung ist es, die im Stand der Technik genannten Mängel zu beseitigen, das
heißt, ein Verfahren der dreidimensionalen berührungslosen Messung zu schaffen, welches
eine vollständige Erfassung komplizierter Objekte, insbesondere mit Hinterschneidungen
bzw. mit verdeckten Kanten, ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird der Laser sowie die verwendete CCD-Matrixkamera
in bestimmten Grenzen frei positionierbar im Raum angeordnet. Dies wird realisiert durch
die Möglichkeit einer translatorischen und rotatorischen Verschiebung des Meßgutes und
einer rotatorischen Bewegung des Tastkopfes, d. h. eine Kippung, bestehend aus einer
festen Anordnung des Lasers zu der CCD-Kamera und deren Optiken. Bei einer berüh
rungslosen dreidimensionalen Aufnahme wird das Meßgut auf der translatorischen und
rotatorischen Einheit befestigt. Der Tastkopf befindet sich senkrecht über dem Meßgut.
Durch den verwendeten Laser und eine astigmatische Kollimaroptik wird auf dem Meßgut
ein Lichtband erzeugt, welches durch die CCD-Kamera erfaßt wird. Die Berechnung der
Höheninformation erfolgt nach dem Triangulationsprinzip und wird mit der ebenfalls
vorhandenen Ortsinformation (X-Koordinate oder Radius R) verknüpft. Die dritte benötigte
Ortsinformation (Y-Koordinate oder Winkel Φ) wird durch Auswertung der Bewegung des
Meßgutes (translatorisch oder rotatorisch oder kombiniert) realisiert. Die Abtastdichte kann
variiert werden. Die gewonnenen dreidimensionalen Daten werden in einem einheitlichen
Datensatz zusammengefaßt, der folgendes Format hat:
1. X-Koordinate, Y-Koordinate, Z-Koordinate
oder
2. Winkel Φ, Radius R, Z-Koordinate.
1. X-Koordinate, Y-Koordinate, Z-Koordinate
oder
2. Winkel Φ, Radius R, Z-Koordinate.
Der entstandene Datensatz beschreibt aus Speicherplatzgründen nur ein dreidimensionales
Oberflächenmodell. Bei einem relativ einfachen, kleinen Meßobjekt ohne Hinterschneidun
gen und einer räumlichen Ausdehnung kleiner der Länge des produzierten Lichtbandes,
kann unter Verwendung von nur einer Meßebene (eindimensionale Bewegung des Objek
tes) das gesamte Meßgut vollständig erfaßt werden. Wenn das projizierte Lichtband das
Meßobjekt nicht vollständig überstreicht, wird das Objekt durch zwei oder mehr Meß
ebenen aufgenommen. Dies wird durch eine oder mehrere Verschiebungen des Meßgutes
realisiert. Es entstehen, je nach Anzahl der Meßebenen, mehrere Datensätze im oben
beschriebenen Format, die im Anschluß zu einem, das gesamte Meßobjekt beschreibenden,
Datensatz zusammengefaßt werden. Eventuell mehrfach erfaßte gleiche Oberflächenpunkte
des Meßobjektes werden dabei eliminiert. Durch eine Kippung des Tastkopfes ist eine
weitere Möglichkeit gegeben, komplizierte Strukturen des Meßgutes, d. h. mit Hinter
schneidungen bzw. mit verdeckten Kanten, die aus einer senkrechten Position des Tastkop
fes nicht beobachtet werden können, zu erfassen. Das System reagiert selbstständig auf
eine Unterbrechung des produzierten Lichtbandes. Durch eine Kippung des Tastkopfes und
eine Verschiebung des Meßgutes wird der Beobachtungswinkel verbessert und eine
Erfassung von Hinterschneidungen wird ermöglicht. In Abhängigkeit der damit entstehen
den Meßebenen werden einzelne Datensätze, die wie bereits beschrieben, zu einem
Gesamtdatensatz zusammengefaßt und reduziert werden, der das zu vermessende Objekt
umfassend beschreibt. Das beschriebene Verfahren und die vorgestellte Anordnung ist
besonders zur Vermessung von Gebißmodellen geeignet.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
In der zugehörigen Zeichnung zeigt Fig. 1 eine schematische perspektivische und block
schaltbildartige Darstellung des Grundprinzips einer erfindungsgemäßen berührungslosen
dreidimensionalen Meßeinrichtung.
In Fig. 1 ist erfindungsgemäß eine rotatorische Verstelleinheit 1 auf einer translatori
schen Verstelleinheit 2 angeordnet, auf der das zu vermessende Objekt 3 in geeigneter
Weise befestigt ist. An einem Meßträger 6 sind ein Laser 4 mit einer astigmatischen
Kollimatoroptik 5, eine CCD-Matrixkamera 7 und ein Objektiv 8, das entsprechend dem
Scheimpflugwinkel im Abbildungsstrahlengang angeordnet ist, befestigt. Dieser Meß
träger 6 ist an einer senkrecht angeordneten rotatorischen Verstelleinheit 9 so angebracht,
daß sich der Laser 4 senkrecht über dem Meßobjekt 3 befindet. Alle Antriebe der drei
Verstelleinheiten werden über eine Steuerung 10 bedient. Die Auswertung der Kamerasi
gnale sowie die Regelung der Antriebssteuerung erfolgt durch ein Rechnersystem 11 zur
Bildverarbeitung und Objektdarstellung. In Abhängigkeit der äußeren Beschaffenheit der
Meßobjekte erfolgt die berührungslose dreidimensionale Vermessung. Der sich senkrecht
oder in einem definierte Kippwinkel über dem Meßobjekt befindende Meßträger mit
Laser und CCD-Matrixkamera, erzeugt durch seine astigmatische Kollimatoroptik einen
schmalen Lichtstreifen, welcher auf das Meßgut projiziert wird. Durch die CCD-Matrixka
mera wird das projizierte Lichtband detektiert und die Höheninformation als Auslenkung
erfaßt. Die Berechnung der exakten Höhenwerte erfolgt auf Grundlage des Triangulations
prinzips. Die ermittelten Oberflächenkoordinaten (Z-Koordinate, Radius R oder Y-Koor
dinate) sowie die dritte Ortsinformation der Verstelleinheiten (Winkel Φ der X-Koor
dinate) werden in einem Datensatz abgelegt, der die Oberflächenkontur des Meßobjektes
beschreibt. Im Anschluß erfolgt eine Verschiebung oder Drehung des Meßobjektes und die
Auswertung des nächsten Lichtschnittes, wie beschrieben. Die Messung erfolgt, bis das
gesamte Meßobjekt erfaßt wurde oder vorgegebene Grenzwerte erreicht sind. Die Ab
tastdichte kann ebenfalls festgelegt werden. Wenn das Meßobjekt die Länge des produzier
ten Lichtbandes überschreitet, muß es in zwei oder mehreren Meßvorgängen abgearbeitet
werden. Je Meßvorgang wird ein eigenständiger Oberflächendatensatz generiert, der den
betreffenden Abschnitt des Meßobjektes beschreibt. Nach erfolgter vollständiger Erfassung
werden die Teildatensätze zu einem einheitlichen Datensatz, wobei eventuell auftretende
Überschneidungen eliminiert werden. Weist ein Meßobjekt verdeckte Kanten bzw. Hinter
schneidungen auf, ist eine Veränderung der Lage der Meßebene nicht nur durch eine
Verschiebung des Meßgutes sondern auch durch eine Kippung des Meßträgers erforderlich.
Diese durch Kippung erzeugte weitere Meßebene wird ebenso wie die oben beschriebenen,
linear verschobenen Meßebenen, in den Gesamtdatensatz mit einbezogen, wobei der
Winkel der Verkippung gemessen und bei der Berechnung der tatsächichen Oberflächen
Koordinaten einbezogen wird. Die Verkippung kann anhand von Vorinformationen über
das Meßobjekt festgelegt werden. Das System kann aber auch selbständig, z. B. auf eine
Unterbrechung des produzierten Lichtbandes reagieren. Als weiteres Kriterium kann auch
die Auswertung der Neigung des abgebildeten Lichtstreifens herangezogen werdnen Die
Auswertung erfolgt analog in der oben beschriebenen Weise. Das beschriebene Verfahren
und die vorgestellte Anordnung ist besonders zur Vermessung von Gebißmodellen ge
eignet.
Claims (6)
1. Verfahren zur berührungslosen dreidimensionalen Messung, bei dem zwei Dimensionen
optoelektronisch aufgenommen werden und die dritte durch rotatorische oder durch trans
latorische Relativbewegung des Meßgutes erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Erfassung aller Formdetails, insbesondere von Hinterschneidungen, das Meßgut durch
mehrere Meßebenen erfaßt wird,
daß diese Meßebenen gegeneinander linear verschoben und geneigt sind,
daß zunächst anhand von Informationen über das Meßgut die Anzahl und die Lage der Meßebenen bestimmt werden,
daß diese Meßebenen einzeln aufgenom men und
daß die Ergebnisse dieser Messungen unter Berücksichtigung der tatsächlichen Lage der einzelnen Meßebenen zu einem einheitlichen Datensatz zusammengefaßt werden.
daß diese Meßebenen gegeneinander linear verschoben und geneigt sind,
daß zunächst anhand von Informationen über das Meßgut die Anzahl und die Lage der Meßebenen bestimmt werden,
daß diese Meßebenen einzeln aufgenom men und
daß die Ergebnisse dieser Messungen unter Berücksichtigung der tatsächlichen Lage der einzelnen Meßebenen zu einem einheitlichen Datensatz zusammengefaßt werden.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl und die Lage
der notwendigen Meßebenen automatisch während der Messung durch Auswertung
geeigneter Kriterien korrigiert werden,
daß diese Meßebenen einzeln aufgenommen und
daß die Ergebnisse dieser Messungen unter Berücksichtigung der tatsächlichen Lage der einzelnen Meßebenen zu einem einheitlichen Datensatz zusammengefaßt werden.
daß diese Meßebenen einzeln aufgenommen und
daß die Ergebnisse dieser Messungen unter Berücksichtigung der tatsächlichen Lage der einzelnen Meßebenen zu einem einheitlichen Datensatz zusammengefaßt werden.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl und die Lage
der notwendigen Meßebenen automatisch während der Messung durch Auswertung
geeigneter Kriterien festgelegt werden,
daß diese Meßebenen einzelnen aufgenommen und
daß die Ergebnisse dieser Messungen unter Berücksichtigung der tatsächlichen Lage der einzelnen Meßebenen zu einem einheitlichen Datensatz zusammengefaßt werden.
daß diese Meßebenen einzelnen aufgenommen und
daß die Ergebnisse dieser Messungen unter Berücksichtigung der tatsächlichen Lage der einzelnen Meßebenen zu einem einheitlichen Datensatz zusammengefaßt werden.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen
Meßebenen nacheinander aufgenommen werden.
5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen
Meßebenen gleichzeitig aufgenommen werden.
6. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch
gekennzeichnet, daß das Meßgut (3) in geeigneter Weise auf einem rotatorischen Tisch
(1) befestigt ist,
daß dieser Tisch auf einem translatorischen Tisch (2) angeordnet ist,
daß ein Laser (4) mit einer astigmatischen Kollimatoroptik (5) an einem Meßträger (6) an geordnet ist,
daß eine CCD-Matrixkamera (7) mit einem im Abbildungstrahlengang befindlichen Objektiv (8) ebenfalls an diesem Meßträger (6) befestigt ist,
daß sich dieser Meßträger an einem vertikal angeordneten rotatorischen Tisch (9) befindet,
daß die An triebe der drei Tische an eine Steuerung (10) angeschlossen sind und
daß die Steuerung (10) über eine Schnittstelle mit einem Rechnersystem (11) zur Bildverarbeitung und Objektdarstellung verbunden ist.
daß dieser Tisch auf einem translatorischen Tisch (2) angeordnet ist,
daß ein Laser (4) mit einer astigmatischen Kollimatoroptik (5) an einem Meßträger (6) an geordnet ist,
daß eine CCD-Matrixkamera (7) mit einem im Abbildungstrahlengang befindlichen Objektiv (8) ebenfalls an diesem Meßträger (6) befestigt ist,
daß sich dieser Meßträger an einem vertikal angeordneten rotatorischen Tisch (9) befindet,
daß die An triebe der drei Tische an eine Steuerung (10) angeschlossen sind und
daß die Steuerung (10) über eine Schnittstelle mit einem Rechnersystem (11) zur Bildverarbeitung und Objektdarstellung verbunden ist.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4208455A DE4208455A1 (de) | 1992-03-17 | 1992-03-17 | Verfahren und anordnung zur beruehrungslosen dreidimensionalen messung |
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Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4208455A DE4208455A1 (de) | 1992-03-17 | 1992-03-17 | Verfahren und anordnung zur beruehrungslosen dreidimensionalen messung |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4208455A1 true DE4208455A1 (de) | 1993-09-23 |
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ID=6454239
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE4208455A Withdrawn DE4208455A1 (de) | 1992-03-17 | 1992-03-17 | Verfahren und anordnung zur beruehrungslosen dreidimensionalen messung |
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