Bearbeitung ausgewählter Probleme beim Digitalisieren und bei der Digitalisierdatenverarbeitung

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1 Bearbeitung ausgewählter Probleme beim Digitalisieren und bei der Digitalisierdatenverarbeitung Dr.-Ing. Schöne 1. Einleitung Das Digitalisieren von Werkstücken wird angewendet, wenn die Geometrie eines Objektes in nicht numerischer Form vorliegt, die folgenden Schritte zur Fertigung des Werkstückes aber rechnergestützt durchgeführt werden sollen. Das kann der Fall sein, wenn: 1. ein Werkstück, welches rechnergestützt entwickelt und gefertigt wurde, nachfolgend aber die Konstruktion- und Fertigungsunterlagen zum Zwecke der Ersatzteilfertigung oder für ein Nachbauen nicht mehr zugänglich sind, 2. ein Werkstück manuell gefertigt wurde, nachfolgend aber rechnergestützte Festigkeitsoder Strömungsberechnungen durchgeführt werden sollen, die eine mathematische Beschreibung der Oberflächen voraussetzen, 3. ein Werkstück mit komplizierter Geometrie von einem Designer mit der Hand in einen Modellwerkstoff (z.b. Gips oder Plastilin) vorab geformt wurde, 4. ein Werkstück, welches rechnergestützt konstruiert und gefertigt wurde (z.b. durch NC- Fräsen), nachfolgend aber manuell bearbeitet, also modifiziert wurde. Obwohl die Digitalisiertechnik und die kommerziellen Softwarelösungen zur Digitalisierdatenverarbeitung in den vergangenen Jahren eine rasche Entwicklung genommen haben, können einzelne Problemstellungen der Digitalisierung und Digitalisierdatenverarbeitung noch nicht oder nur mit hohem manuellen Aufwand und mit subjektivem Wissen gelöst werden. Nachfolgend wird über die durchgeführten Arbeiten berichtet. 2. Digitalisierung und Datenaufbereitung von Modellen mit analytisch einfach beschreibbaren Oberflächen Für ein physisches Modell einer Straßenbahn bestand die Aufgabenstellung ein CAD-Modell bereitzustellen um weiterführend daraus eine Spritzgußform durch NC-Fräsen herstellen zu können. Die Spritzgußform, mit der das vorliegende Modell hergestellt wurde, war verschlissen. Fertigungsunterlagen lagen nicht vor. Diese Aufgabenstellung ist Fall 1 aus Abschnitt 1 zuzuordnen. Das physische Modell der Straßenbahn wurde mit einem Lasertriangulationssensor der Firma BCT Dortmund /BCT-97/ zeilenweise digitalisiert. Für die vollständige Digitalisierung des Modells waren unter Berücksichtigung von Symmetrieeigenschaften insgesamt 4 einzelne Scanoperationen erforderlich: Dach Seitenfläche Frontpartie Heckpartie. Bereits bei einer visuellen Betrachtung des Straßenbahnmodells wurde deutlich, daß sich nahezu alle Flächenelemente durch analytisch einfach beschreibbare Elemente beschreiben lassen. Diese Elemente, galt es, aus der Punktwolke gezielt zu extrahiern. Bild 1 zeigt bereits die krümmungsabhängig ausgedünnte Punktwolke des digitalisierten Daches des Modells der Straßenbahn.

2 Bild 1: Punktwolke des Daches der Straßenbahn Auf der Basis der Punktwolke konnten interaktiv Kurvenzüge von charakteristischen Kanten generiert werden (Bild 2). Bild 2: Generierte Kurvenzüge auf der Basis der Punktwolke Die Seitenfläche der Straßenbahn war durch die Fensterfront sehr stark strukturiert. Bild 3 zeigt die bereits geglätteten Digitalisierdaten (Gauss-Filter) der Seitenwand des Straßenbahnmodells. Aus diesen Punkten ließen sich keine charakteristischen Linien und Flächenelemente extrahieren. Die Ursachen der starken Schwingungen der Seitenwand konnten nicht ermittelt werden. Bild 3: Geglättete Digitalisierdaten der Seitenpartie der Straßenbahn

3 Da sich die Geometrie durch analytisch einfach beschreibbare Elemente bestimmen läßt, wurde deshalb auf eine rechnergestützte Konstruktion auf der Basis manuell ermittelter Maße (mittels Meßschieber orientiert). 3. Digitalisierung von Innenkonturen eines Klarinettenmundstücks mittels Computertomografie Ein Mundstück einer Klarinette zeichnete sich durch eine überdurchschnittliche Qualität bei der Tonbildung gegenüber augenscheinlich geometrisch gleichen Mundstücken aus. Dieser Tatbestand wurde von mehreren Klarinettisten unabhängig voneinander festgestellt. Die Aufgabe bestand nun darin, die geometrischen Eigenschaften dieses Werkstückes zu erfassen, zu beschreiben und anschließend auszuwerten. Diese Aufgabenstellung entsprach Fall 2 aus Abschnitt 1. Die geometrische Erfassung des Mundstücks erwies sich dabei recht schwierig, da neben der äußeren Gestalt gerade der Innenraum des Mundstücks von Interesse war. Der Innenraum des Mundstück war zudem noch leicht hinterschnittbehaftet und verhältnismäßig klein (ca. 20 mm). Die am Lehrstuhl verfügbare Digitalisiertechnik /BCT-97/ war deshalb für dieses Werkstück ungeeignet. Folgende Lösungsansätze wurden angedacht: Abformung des Innenraumes in 2 Teilstücken (wegen Hinterschnitt). Danach Digitalisierung des Innenraumes als Negativform. Anschliedende Rückrechnung auf Positivform, Nutzung eines medizinischen Endoskops, das Abolutkoordinaten erfassen kann, zur Innenraumerfassung, Nutzung von Computertomographie zur Geometrieerfassung Aufgrund der Verfügbarkeit eines Computertomographen (CT) in örtlicher Nähe, wurde zunächst der 3. Lösungsansatz verfolgt. Bei der Computertomographie wurde mit einem Scanbahnabstand von 1mm gearbeitet. Die CT-Daten wurden mit der am Lehrstuhl verfügbaren Software zur Aufbereitung für STL- Anlagen bearbeitet.im Ergebnis der Aufbereitung stand eine schichtweise geordnete Punktwolke zur Verfügung, die die Modelloberfläche diskret beschrieb (Bild 4). Bild 4: Schichtenweise geordnete Punkte im Ergebnis der Computertomographie und Datenaufbereitung Bild 5: Ergebnis der Flächenrückführung des Klarinettenmundstücks

4 Über die IGES-Schnittstelle konnten diese Punkte in den SURFACER /SUR-94/ eingelesen und weiterverarbeitet werden. Das Ergebnis der Flächenrückführung ist in Bild 5 zu sehen. Die Oberflächendaten können genutzt werden für Strömungsuntersuchungen, Strömungsuntersuchungen setzen eine isoparametrische Ordnung der Punkte auf Flächenstücken voraus. Isoparametrische Punkte liegen aber im Ergebnis der Digitalisierung nicht vor. Diese können nur auf Flächen generiert werden. für die Modellvervielfältigung z.b. mittels Rapid Prototyping oder Fräsen. Beide Verfahren setzen beim gegenwärtigen Stand der Technik für hinterschnittene Werkstücke einen mathematische Beschreibung der Werkstückoberfläche voraus In der Prozeßkette Digitalisieren mittels Computertomographie, Punktegenerierung, Flächenrückführung, Rapid Prototyping oder Fräsen, entstanden Fehler am initialen Datenmodell, die verfahrensbedingt (durch das Aufnahmeverfahren bedingt) und auf subjektive Fehler bei der Flächenrückführung zurückzuführen waren. Um zu Aussagen über die Qualität der durch CT erfaßten Oberflächenpunkte zu gelangen, sollen in einem weiterführenden Schritt zwei augenscheinlich identische Klarinettenmundstücke mit den gleichen Parametern mittels Computertomografie digitalisiert werden. Nach einem Vergleich beider Punktewolken wird sich herausstellen, ob das Verfahren genau genug ist, um geometrische Eigenschaften des Werkstückes erfassen zu können. 4. Möglichkeiten und Grenzen bei der Digitalisierung und Digitalisierdatenverarbeitung von Werkstücken unter Verwendung einer rotatorischen Maschinenachse In den vergangenen 2 Jahren sind Kommerzielle Lösungen zum Einsatz einer zusätzlichen rotatorischen Digitalisierachse zu den 3 translatorischen Achsen bekannt geworden /CYL-94, FID-95a, FID-95b, HUR-94, MAS-96, INV-96/. Die Punktwolken, die unter Verwendung von rotatorischen Maschinenachsen erfaßt wurden, müssen aus einzelnen Punktwolken interaktiv zusammengesetzt werden /PAS-95/. Diese so entstandenen Punktwolken sind behaftet mit Überlappunksbereichen, Löchern und mit Hinterschnitten. Die Weiterverarbeitung dieser Punktewolken konnte aufgezeigt werden. Einige Scanner /INV-96, CYL-94/ arbeiten mit einer kontinuierlichen rotatorischen Achse. Die zweite rotatorische Achse dient der Laserpostionierung. Eine weitere translatorische Achse dient der Zustellung des Scanners in Z-Richtung, entlang der kontinuierlichen Drehbewegung des Werkstückes. Im Ergebnis des Scannens liegen hierbei schichtweise geordnete Punktwolken vor. Die Möglichkeiten zur Digitalisierung und Weiterverarbeitung sollten an einem Beispiel untersucht werden. Als Werkstück stand ein Gipsmodell der Dresdner Frauenkirche zur Verfügung. Dieses wurde mit einem Scanner der Firma INVENIO /INV-96/ digitalisiert (Bild 6). Diese Aufgabenstellung entsprach Fall 3 aus Abschnitt 1.

5 Bild 6: Digitalisiertes Modell der Frauenkirche Die Punktwolke konnte über die IGES-Schnittstelle direkt der Software zur Flächenrückführung /SUR-94/ übergeben werden. Da der Datenumfang verhältnismäßig hoch war ( Punkte) und mit PC-Technik bei der Flächenrückführung gearbeitet wurde, sollte auf eine partielle Flächenrückführung orientiert werden, d.h. rückgeführte Gebäudeteile wurden in separaten Datenfiles abgelegt (Bild 7). Bild 7: Rückgeführtes Gebäudeteil (Spitze) der Frauenkirche Bei der Bearbeitung der Punktwolke für die Flächenrückführung konnte festgestellt werden, daß sich bei einigen Details Lücken in den Punktwolken befanden, die durch Abschattungen des Digitalisierverfahrens bedingt, entstanden oder aber real bedingt sein konnten (Bild 8). Diese Fragestellung konnte nur am realen Modell der Fraunkirche beantwortet werden.

6 Bild 8: Lücken in der Punktwolke einer Schicht für Z=konstant, durch Abschattung Im in Bild 8 dargestellten Fall handelte es sich um verfahrensbedingte Abschattungen. Zur Behebung wurden nun interaktiv Punkte (durch Eingabe von X- und Y-Koordinaten) zum Modell hinzugefügt. Aufgrund der starken Strukturierung der Frauenkirche (hohe Kantenzahl) waren die Datenfiles mit den rückgeführten Oberflächen verhältnismäßig groß (20-80 Mbyte) In Analogie zur partiellen Flächenrückführung wurde zur Kontrolle der Modellrekonstruktion auch auf eine partielle Fertigung mittels Rapid Prototyping orientiert. Bei einer Forderung nach schneller Modellduplizierung lag der Gedanke nahe, direkt aus der Punktwolke heraus ein CLI-File zu generieren. Dieser Weg wird von kommerziellen Softwarelösungen bisher nicht unterstützt. Als Aufgabenstellung kann die Realisierung eines CLI- Editors auf der Basis schichtweise geordneter Punktwolken formuliert werden. Die Aufgaben, die bei einer Flächenrückführung bewältigt werden mußten, wie: Bereinigung der Punktwolke (Ausreißer beseitigen, Schwingungen glätten), Lücken erkennen und schließen, Logische Zuordnung der Punkte zu Kurvenzügen vornehmen, werden aber auch bei der Generierung eines CLI-Files, direkt aus der Punktwolke heraus, bestehen bleiben. Algorithmen zur Unterstützung des Vorgehens sind zu entwickeln. 5. Erprobung von spezifischen Triangulationsparametern Kommerzielle Softwarelösungen zur Flächenrückführung beinhalten vielfach die Triangulation von hinterschnittsfreien Punktwolken. Für hinterschnittbehaftete Punktwolken wurden im Rahmen einer Diplomarbeit Algorithmen und Softwarelösungen zur Triangulation erarbeitet /MAU-96/. Kennzeichen bei der Nutzung von Triangulationsalgorithmen ist es, daß interaktiv Triangulationsparameter vorgegeben werden müssen. Die Wahl der Triangulationsparameter ist abhängig von: Geometrie des Werkstückes (mit oder ohne Hinterschnitten), Sanverfahren (geordnete oder ungeordnete Punkte), Abstand der Digitalisierpunkte. Bei der Vernetzung von Punktwolken mit Triangulationsalgorithmen konnte festgestellt werden, daß die Wahl der Parameter wesentlich die Triangulationszeiten und die Qualität des

7 Triangulationsergebnisses beeinflussen. Deshalb wurden die folgenden Triangulationsparameter im Rahmen eines Großen Beleges /WAL-97/ näher untersucht (Bild 9). Untersuchter Triangulationsparameter Maximum Similar Neighborhood Wirkung des Parameters entspricht in seiner Funktion einem Filter zur Datenreduktion, er entfernt in einer Punktwolke alle Punkte mit einem räumlichen Abstand kleiner als einer bestimmten vorgegebenen Toleranz zu seinen Nachbarn maximale Kantenlänge einer zu generierenden Dreiecksfacette, damit kann das Ausfüllen von Löchern, die durch ein Aufnahmeverfahren bedingt sind, gesteuert werden. Bild 9: Zu untersuchende Triangulationsparameter Für die Untersuchungen der Parameter wurden idealgeometrische Oberflächen (Kugelsegmente unterschiedlicher Durchmesser und realgeometrische Werkstücke herangezogen. Die Ergebnisse für die Wahl der Triangulationsparameter sind in Bild 10 zusammengefaßt dargestellt. Untersuchter Triangulationspara meter Maximum Similar Neighborhood Empfehlung für die Wahl Bei geordneten Punktwolken sollte der Parameter =0 betragen. Bei geordneten Punkten kann davon ausgegangen werden, daß keine redundanten Punkte vorhanden sind. Bei ungeordneten Punktwolken ist die Wahl abhängig von der gewünschten Genauigkeit. Bei Max. Similar < 0.1 ergaben sich bei allen untersuchten Beispielen keine Genauigkeitsverbesserungen der vernetzten Oberflächen mehr. Das resultierte aus der Qualität der Punktwolke, d.h. die Punkte hatten in allen Fällen einen Abstand > 0.1 mm voneinander. Je kleiner max. Similar gewählt wurde, desto größer waren auch die Triangulationszeiten. Bei Oberflächen, auf denen vorhandene Löcher geschlossen werden sollen, sollte Neighborhood > Lochdurchmesser sein. Um zu verhindern, daß gewollte Löcher geschlossen werden, ist dieser Parameter deshalb nach der längsten Kante einer möglichen zu generierenden Dreiecksfacette auszulegen. Durch die Wahl des Parameters wird auch der Bereich der in die Berechnung einzubeziehenden Punkte festgelegt. Die Triangulationszeit ist proportional zur Wahl von Neighborhood. Bild 10: Ergebnisse für die Wahl der Triangulationsparameter 6. Zusammenfassung Anhand von aktuellen Aufgabenstellungen zur Digitalisierung und Digitalisierdatenverarbeitung wurden die gegenwärtigen Möglichkeiten und Grenzen der Digitalisiertechnik und der Softwarelösungen aufgezeigt. Es wurde deutlich, daß hinterschnittbehaftete Werkstücke auch unter Einsatz von rotatorischen Maschinenachsen

8 nicht vollständig geometrisch erfaßt werden können. Hierbei ist ein großer Erfahrungsschatz erforderlich. Bei der Bearbeitung von Digitalisierdaten fließt viel subjektives Wissen ein. Künftig ist das Augenmerk auf die Entwicklung weiterer Softwarelösungen zur Unterstützung des Vorgehens zu lenken. 7. Literatur /BCT-97/ Scancad scan und Scancad laser, Taktiles und optisches Digitalisiersystem der Firma BCT Dortmund, Dortmund, 1997 /CYL-94/ Produktbeschreibung, CYLAN 3D, 3-dimensional Scannen- Räumlich erfassen, 1994 /FID-95a/ Produktbeschreibung zu FIDIA K5/5 Kopierfühler /FID-95b/ /FSH-97/ /INV-96/ Produktbeschreibung FIDIA M30, die numerische Steuerung der neuen Generation Fichtner, D., Schöne, C., Hoffmann, J.: Digitizing for follow up processes of rapid prototyping - elements of rapid product developement process chain, Proceedings of the European Conference on Integration in Manufacturing, Dresden, Germany, INVENIO Engineering Services, DIGIBOT II, Die vollautomatische berührungslose Digitalisiereinrichtung, Firmenschrift, 1996 /MAS-96/ Massen, R.: Flächenrückführung für Kamera-Digitalisierer im Rapid Prototyping, 4. Anwendertagung Intelligente Produktionssysteme, Solid Freeform Manufacturing, 25. u , Dresden /MAU-96/ /PAS-95/ /SCH-97/ /SHO-96a/ Maukisch, M.: Erarbeitung von Triangulationsalgorithmen auf der Basis von Triangulationsalgorithmen, Diplomarbeit, 1996,Fakultät Maschinenwesen, TU Dresden Grundlagen zur Weiterentwicklung des Digitalisierens von Freiformflächen als Teil der Produktmodellierung, Zwischenbericht zum DFG-Forschungsvorhaben, TU Dresden, Professur für Produktionsautomatisierung/Steuerungstechnik Schöne, C.; Hoffmann, J.: Reverse Engineering based on multi axis digitized data. In: Proceedings of International Conference on Manufacturing Automation (ICMA 97), , University of HongKong Schöne, C., Hoffmann, J. Reverse Engineering auf der Basis von ungeordneten Digitalisierdaten, Vortrag zum 3. Workshop Optische 3D-Formerfassung, Technische Akademie Esslingen /SHO-96b/ Schöne, C., Hoffmann, J. Reverse Engineering auf der Basis von Mehrachsdigitalisierdaten, Vortrag zum 41. Internationalen Wissenschaftlichen Kolloquium, TU Ilmenau, September 1996 /SUR-94/ Software zur Flächenrückführung, SURFACER von 3D Imageware, USA, 1994 /WAL-97/ Walda, T.: Vernetzung von Punktwolken für die Fräsbearbeitung, Großer Beleg, TU Dresden, Lehrstuhl Produktionsautomatisierung/Steuerungstechnik, 1997