Mehrbild-3D-Messsysteme in Rapid Prototypingund Qualitätssicherungs-Prozessketten

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1 Mehrbld-3D-Messsysteme n Rapd Prototypngund Qualtätsscherungs-Prozessketten Gunther Notn, Peter Kühmstedt Fraunhofer-Insttut für Angewandte Optk und Fenmechank IOF Jena Albert-Ensten-Str. 7, Jena e-mal: peter.kuehmstedt@of.fraunhofer.de 1. Enletung De Dgtalserung von Modellen, de durchgängge Fertgungskontrolle und de Inspekton ausgewählter Komponenten snd wchtge Tele der modernen ndustrellen Produktentstehung /1-3/. De Anwendung von 3D-Messsystemen erfordert de Auswahl des geegneten Messsystems und daran anschleßend de angepasste Datenauswertung. Dese muss sch an der Zelstellung der Messung orenteren. In Abb. 1 snd verschedene Nutzungsmöglchketen für de Messdaten gezegt. Dabe können sowohl Flächenrückführung als auch Stchmaßbestmmung als wesentlche Varanten hervorgehoben werden. Generell müssen be solchen Messungen sehr hohe Anforderungen an de vollständge Erfassung der Objekte Mehrbld und de angemessene Auswertestratege gestellt werden. Enfache optsche 3D-Messsysteme lefern nur en Telbld des Messobjekts. Man muss deshalb Messstrategen zur Verfügung stellen, de es gestatten, komplexe Messobjekte aus mehreren Anschten und somt vollständg rundum sogenannte Mehrbldtechnken mt ortsunabhängger Messunscherhet zu erfassen. 3D-Form- und Volumendgtalserung 3D-Punktwolken Konstrukton / Desgn: Qualtäts-Scherung: Flächenrückführung, Volumenrückführung 3D-Datenauswertung Soll-Ist-Verglech Stchmaßbestmmung Desgn- und Modellentwcklung Vorserenprodukton Prototypentwcklung Serenprodukton Entsorgung und Recyclng Abb. 1: Ensatzszenaren der optschen 3D-Messtechnk. 1

2 Her werden neue Möglchketen von Mehrbldtechnken unter Verwendung der Strefenprojektonstechnk nach der Methodk der Phasogrammetre n Verbndung mt korrelatonsbaserter Strefenauswertung und der nachfolgenden Datenauswertung anhand von Messsystemrealserungen und ausgewählten Messbespelen vorgestellt. 2. Grundlagen der Mehrbldtechnken Um de möglchst vollständge und automatserte Vermessung komplexer Objekte zu ermöglchen, muss be der Systementwcklung dem Problem der Rundumvermessung Mehrbldtechnken besondere Aufmerksamket gewdmet werden, wobe her unterschedlche prnzpelle Ansätze verfolgt werden /1,4/: a Durchführung ener Relatvbewegung zwschen Objekt und Sensor /5,6,7/ Des erfordert.a. hoch genaue, robuste Bewegungssysteme für das Objekt bzw. den Sensor und auch Strategen zum Enmessen derartger Systeme. b Zusammensetzen unterschedlcher Telblder mttels mathematscher Methoden der Bldmontage / Bldregstrerung Matchng, Sensordatenfuson /8,9,10/ Des stellt.a. Randbedngungen an de Form des zu vermessenden Objekts bzw. erfordert spezelle Strategen zur Datenaufnahme und st durch enen hohen mathematschen Aufwand gekennzechnet. c Anwendung photogrammetrscher Methoden /11,12,13/ Dese erfordern ene Objektnterakton durch das Anbrngen photogrammetrscher Marken auf dem Objekt bzw. Verwendung von Navgatonskulssen, über welche ene photogrammetrsche Vorabkalbrerung und spätere Bldregstrerung erfolgt. d Nach Methoden der selbstkalbrerenden Strefenprojektonstechnken - der sogenannten Phasogrammetre - n Verbndung mt dem Prnzp der vrtuellen Passmarken sehe unten /14,15,27/. De m Folgenden vorgestellten robusten Mehrbldtechnken baseren auf der Methode d Selbstkalbrerung Methode der Phasogrammetre Grundprnzp der Phasogrammetre Unter Selbstkalbrerung versteht man, dass de Kalbrerung m Messprozess selbst stattfndet, so dass Kalbrerprozeduren vor der Messung entfallen und man zu kenem Zetpunkt der Messung selbst Kenntns von den Systemparametern nnere und äußere Orenterung des Sensors haben muss. Dese Systeme snd somt deal m Sn- 2

3 ne ener bequemen und flexblen Handhabung durch den Nutzer und Scherung der Langzetstabltät enes 3D-Messsystems. Ene Möglchket, de Selbstkalbrerung bzw. In-Prozess-Kalbrerung zu realseren, stellt de am Fraunhofer-Insttut IOF entwckelte Methode der Phasogrammetre dar. De Phasogrammetre st de mathematsch geschlossene Verschmelzung der Methodk der Photogrammetre mt denen der Strefenprojekton /14-17, 22, 25, 29/. Das Grundprnzp besteht darn, dass von mndestens zwe unterschedlchen Postonen jewels zwe Seren von Mustersequenzen z.b. Gray-Code-Sequenzen n Verbndung mt phasenverschobenen Gtterlnen auf das zu vermessende Objekt projzert werden, wobe de zwete Sere um enen Wnkel von 90 zur ersten Sere verdreht st und de bldaufzechnende Kamera ortsfest n Bezug zum Objekt verblebt. Damt wrd jeder Objektpunkt durch mndestens 4 Phasenwerte sgnalsert. De am Objektpunkt M gemessenen Phasenwerte x und y und hre zugehörgen Projektonszentren O p defneren räumlche Strahlenbündel, de n glecher Wese we de Strahlenbündel der Photogrammetre zur Koordnatenberechnung genutzt werden können sehe Abb. 2. Abb. 2: Geometrsches Aufnahmemodell der Phasogrammetre. De phasogrammetrschen Systeme lassen sch mathematsch geschlossen n Form der Kollneartätsglechungen beschreben Kollneartätsglechungen sehe /18/ S. 238 Gl Dabe werden de üblchen Bldkoordnaten x',y' für de Kamera durch de den Projektor beschrebenden Phasenwerte x, y am Objektpunkt P und de Hauptpunktkoordnaten x' 0,y' 0 durch de den Hauptpunkt des Projektors beschrebenden Phasenwerte x0, y0 ersetzt. Zur Überführung n ene Längenenhet werden herbe de Phasenwerte mt /2 multplzert entsprcht der Gtterkonstante m Projektor. De Kollneartätsglechungen der Phasogrammetre ergeben sch damt zu: 3

4 y y y x x x d z z r y y r x x r z z r y y r x x r c d z z r y y r x x r z z r y y r x x r c 1 mt d x,y dem Verzechungskorrekturterm und dem Index für de Projektorposton. Den Aufnahme- und Auswerteprozess der Phasogrammetre zegt Abb. 3. Abb. 3: Aufnahme- und Auswerteprozess der Phasogrammetre. Im Ergebns der Berechnung erhält man sämtlche für de Koordnatenberechnung notwendgen Orenterungsparameter des bewegten Projektonssystems. Phasogrammetrsche Messsysteme snd zusammengefasst durch folgende spezfsche Merkmale gekennzechnet: Se snd unempfndlch gegenüber zetlchen Instabltäten m Messsystem, hervorgerufen z.b. durch Temperaturschwankungen, Vbratonen usw. durch Anwendung der Bündelausglechung mt Smultankalbrerung; Es werden kenerle Anforderungen an de Postoner- und Führungsgenaugket der verwendeten Bewegungsenheten Hub- und Kppverstellungen, Drehenheten, x-y-tsche, Robotersysteme, u.a. gestellt, wel mttels der Smultankalbrerung de äußeren Orenterungen m Messablauf selbst bestmmt werden; Strefenprojekton aus mndestens 2 Rchtungen mt jewels 2 um 90 gedrehten Sequenzen Bldaufnahme Phasenwerte x, y Bündelausglechung 3D-Koordnaten des Gesamtobjekts Systemparameter G j

5 Des ermöglcht den Ensatz der hochgenauen Messtechnk unter Produktonsbedngungen unabhängg von spezellen Messräumen. Phasogrammetrsche Messsysteme lassen sch zu enem Netzwerk zur Rundumvermessung erwetern, ndem das Objekt etwa mt enem oder mehreren Projektoren aufenanderfolgend aus verschedenen Rchtungen beleuchtet und von ener oder mehreren Kameras sequentell oder auch parallel aus unterschedlchen Postonen beobachtet wrd /4, 15-17, 22, 25/. Ene Erweterung stellt de m Folgenden beschrebene Methode der vrtuellen Passmarken dar Mehrbldmessung mt der Methode der vrtuellen Passmarken Für praktsche Anwendungen von größtem Interesse st ene möglchst enfache Mehrbldmessung, d.h. ohne zusätzlche Referenzerungshlfen, Passmarken oder ähnlches. Enen Schrtt n dese Rchtung stellt de von den Autoren entwckelte Methodk der vrtuellen Passmarken dar /27/. Abb. 4: Grundanordnung ener mult-vew Messung nach dem Prnzp der vrtuellen Passmarken. Um das Objekt rundum zu erfassen, wrd m Messablauf der Strefenprojektonssensor d.h. der Sensorkopf - bestehend aus enem Projektor und mndestens ener Sensorkopfkamera K P an verschedenen Postonen n Bezug zum Objekt postonert. Weterhn wrd ene hervon unabhängge Kamera - de sogenannte Verknüpfungskamera K V - enmalg so n Bezug zum Messobjekt postonert, dass se ene Überscht über de Messszene aufnehmen kann sehe Abb. 4. 5

6 Den Mess- und Datenberechnungsablauf zegt de Abb. 5. Während des Messablaufs projzert der Projektor de oben genannten zwe um 90 gedrehten Gttersequenzen. De Kameras des Sensors nehmen smultan mt der Verknüpfungskamera de Strefensequenzen auf. Hernach erfolgt das Umpostoneren des Sensorkopfes und de Messwertaufnahme wrd aus deser neuen Rchtung wederholt. De Verknüpfungskamera blebt herbe statonär n Bezug zum Messobjekt. Deser Messablauf erfolgt so lange, bs das Objekt aus allen erforderlchen Blckrchtungen erfasst worden st. De Anzahl der Telblder N wrd nsgesamt bestmmt durch de Zahl n der angesteuerten Postonen, der Zahl der Sensorkopfkameras p und der Anzahl m der Verknüpfungskameras und ergbt sch zu N = n x p + m. Projekton von zwe um 90 gedrehten Gttersequenzen n-fache Varaton der Sensorkopfposton Smultaner Bldenzug der m statonären Verknüpfungskameras K v und der p mtbewegten Sensorkopfkameras K p n x p+m-patches n enem Weltkoordnatensystem durch smultane Berechnung der Systemparameter und 3D-Koordnaten Bündelblockausglech /19/ 3D-Koordnaten des Gesamtobjektes Abb. 5: Ablaufschema der mult-vew Messung nach dem Prnzp der vrtuellen Passmarken. Nach der Messwertaufnahme erfolgt de Koordnatenberechnung bs zum 3D- Gesamtbld und de Systemkalbrerung n enem Prozessschrtt. De Kamerapxel der Verknüpfungskamera blden herbe sozusagen vrtuelle Passmarken zum Regstreren der Enzelanschten zum Gesamtbld. De Orenterung des Sensors m Raum, d.h. de Berechnung der Systemparameter, wrd nach der n beschrebenen Methode der Selbstkalbrerung bestmmt. Im Ergebns können n der Koordnatenberechnung alle enzelnen Blder n enem gemensamen Weltkoordnatensystem berechnet werden. Als Besonderhet des Systemkonzepts ergbt sch somt, das kene Passmarken, hochgenauen mechanschen, optschen Führungssystemen, Referenzrahmen, andere Enmessvorrchtungen Tracker oder Matchngprozeduren verbunden mt An- 6

7 forderungen an de Objektform für das Zusammensetzen Regstrerung, Bldorenterung des 3D-Gesamtbldes aus den enzelnen Telanschten verwendet werden müssen. Des führt zu ener hohen Flexbltät und Nutzerfreundlchket, da de Selbstkalbrerung und Bldorenterung über de Verknüpfungskamera gegeben st. Damt wrd en flexbles passmarkenfrees Vermessen belebger Objekte möglch. Enzgste notwendg für de praktsche Anwendung st de Vorabkalbrerung der Inneren Parameter des Sensorkopfes, d.h. de Bestmmung des Bezuges zwschen den Sensorkopfkameras und dem Projektor. Durch de n beschrebene Methode der Selbstkalbrerung erhält man de Lage des Projektors an jeder Messposton m Raum und damt de Poston des gesamten Sensorkopfes. Heraus wrd erschtlch, dass prnzpell ene Velzahl unterschedlcher Systemlösungen realsert und dese an de spezfschen Applkatonsforderungen angepasst werden können. In den folgenden Kapteln werden enge derselben näher erläutert. De Parameter der Systeme snd n der Tabelle m Abschntt 6 aufgeführt. 3. Systemrealserungen phasogrammetrscher 3D-Messsysteme Grundkomponente aller folgenden Systeme st der sogenannte Sensorkopf n Stereoanordnung. Deser besteht aus ener Projektonsenhet und p Sensorkopfkameras K p her p=2 sehe Abb. 6 /28/. Deser wrd je nach Messerforderns n unterschedlche Systemkonfguratonen ntegrert. Projektor Kamera K P Kamera K P Objekt Abb. 6: Grundanordnung und Foto des Strefenprojektonssensorkopfes n Stereoanordnung. 7

8 3.1. Flexble, moble Systemkonfguraton Oft wrd ene hohe Flexbltät bezüglch der Art von zu vermessenden Objekten und darüber hnaus noch ene Messung an verschedenen Standorten m Unternehmen oder gar m Feld gewünscht. Herzu snd voll flexbel ensetzbare und moble Systeme erforderlch Statvmesssystem kolbr MOVE De enfachste moble Anordnung besteht aus enem fre beweglchem Sensorkopf und ener sogenannten Verknüpfungskamera K V bede snd jewels auf enem Statv gelagert, sehe Abb. 7 und 8. Sensorkopf Pos. 1 Objekt Verknüpfungskamera K v Sensorkopf Pos. 2 Abb. 7: Grundanordnung enes moblen Statvmesssystems. Abb. 8: Foto der Messanordnung kolbr MOVE. 8

9 Im Messablauf wrd der Sensorkopf mttels des beweglchen Statvs an verschedene Postonen n Bezug zum Objekt postonert. Dese Postonerung st vollständg fre und somt wrd höchste Flexbltät n der Messwertaufnahme ermöglcht. De statonäre Verknüpfungskamera K V erfasst we oben beschreben de Messszene n Überscht. Den Messablauf zegt de Abb. 9. Projekton von zwe um 90 gedrehten Gttersequenzen n-fache Varaton der Sensorkopfposton durch Umsetzen des Statves Smultaner Bldenzug der m statonären Verknüpfungskamera K v und den 2 mtbewegten Sensorkopfkameras K p n x p+m-patches n enem Weltkoordnatensystem durch smultane Berechnung des Systemparameter und 3D-Koordnaten Bündelausglech /19/ 3D-Koordnaten des Gesamtobjektes Abb. 9: Ablaufschema der Messwertaufnahme des Messsystems kolbr move. De Koordnatenberechnung bs zum 3D-Gesamtbld und de Systemkalbrerung erfolgen nach der Messwertaufnahme n enem Prozessschrtt. Damt wrd en flexbles passmarkenfrees Vermessen großflächger Objekte z.b. PKW-Tele, Clay-Modelle, Skulpturen etc. möglch. Erwähnt werden sollte, dass ene belebge Anzahl m an Verknüpfungskameras engesetzt werden kann, was de Anpassung an großflächge komplexe Objektgeometren erlechtert. Abb. 8 zegt ene Systemrealserung und Abb. 10 en Werkzeug m System. Abb. 10: Messobjekt mt Strefenmuster be der Messung m System kolbr MOVE. 9

10 Handgeführter 3D-Sensor kolbr CORDLESS Für das Vermessen an schwer zugänglchen Berechen we m Intereur-Berech von PKW s, n Werkzeugmaschnen oder gar m Feld betet sch der Ensatz handgeführter 3D-Sensoren an. Unter Verwendung LED-baserter Dgtalprojektoren und schneller Kameras gelngt es, de oben genanten Mustersequenzen n ener Zet von <200ms zu projzeren, so dass Verwacklungen bem Führen des Sensorkopfes mt der Hand und damt Messartefakte wetgehend vermeden werden können. Enen derartgen Sensor zegt Abb. 11. Das System besteht aus 3 Kernbestandtelen dem Sensorkopf, der moblen Steuerenhet mt Laptop und Akku und enem Pod touch. Der Pod dent her der Systemkommunkaton und schnellen Vsualserung Lve Vew. Sensorkopf Pod touch Steuerenhet Abb. 11: Handgeführter 3D-Sensor kolbr CORDLESS. Deser Sensor zechnet sch auch durch folgende wetere Merkmale aus: Batterebetreb Datenübertragung per W-LAN an Bassstaton und damt vollständg kabellosen Ensatz. Ensatzszenaren ergeben sch so auch n der Krmnalstk zur Tatortscherung dgtale Spurenscherung, n der Archäologe Vermessung n Ausgrabungen, n der Medzn Vermessung von Körperparten und zur Kunstgüterarchverung. Herbe st von besonderem Vortel, dass kene Kontamnaton / Änderung des Messgegenstandes vorgenommen werden muss, ene Vermessung auch n schwer zugänglchem Gelände möglch st an stelem Gelände, n Höhlen und Gruben und dass das System nach ener Anschaltzet von 2mn sofort ensatzberet st. Den prnzpellen Messablauf und Datenfluss zegt Abb. 12, und Abb. 13 das Ergebns der Dgtalserung ener Statue aus 45 Anschten. 10

11 Auslösung mttels Startknopf 3D-Sensorkopf synchronserte Schnelle Projekton Bldaufnahme und synchronserte Bldaufnahme Moble Laptop Steuerenhet Steuerung 3D-Koordnatenberechnung Vsualserung 3D-Datennachbearbetung Pod touch am Arm Bedenung Vsualserung, Lve Vew Bassstaton - Hauptrechner 3D-Datennachbearbetung Archverung Abb. 12: Messablauf und Datenfluss für handgeführten 3D-Sensor. Abb. 13: Vermessung ener Statue Systemlösungen der 3D-Messautomaton Aus obgem Grundprnzp können unterschedlche Systeme der Messautomaton abgeletet werden. Dese unterscheden sch nach der Wahl des automatserten Handlngsystems zur Sensorkopf- und/oder Messobjektpostonerung, der Messobjektgröße und art und der Messaufgabe. Vortelhaft st, dass Messabläufe bs zur Datenauswertung voll automatsert werden können. Im Folgenden snd enge typsche Realserungen gezegt. 11

12 D-Messzelle kolbr II Ene erste Geräteverson st de selbstkalbrerende optsche 3D-Messszelle kolbr II, sehe Abb. 14. Wesentlcher Bestandtel snd der auf ener Kresbahn fre postonerbare Sensorkopf sowe de statonären Verknüpfungskameras K V - m Bespel snd 3 Stück gezechnet. Sensorkopf Messobjekt Verknüpfungskameras Abb. 14: 3D-Messsystem kolbr II mt drehbarer Sensorkopfenhet. Im Messablauf legt das Objekt auf ener ortsfesten Unterlage. De Verknüpfungskameras snd so angeordnet Poston vor der Messung fre wählbar, dass se wesentlche Tele des Messfeldes erfassen. Um unterschedlche Beleuchtungs- und Beobachtungsrchtungen zu realseren, st der Sensorkopf an ener Drehenhet befestgt. In ener ersten Poston der Projektonsrchtung werden de für de Selbstkalbrerung notwendgen zwe um 90 zuenander verdrehten Gttersequenzen projzert. Sowohl de Sensorkopf- als auch Verknüpfungskameras nehmen herbe smultan de Blder auf. Nach der Bldaufnahme wrd de Projektonsrchtung durch Anfahren ener neuen Wnkelposton der Drehenhet geändert. Aus deser neuen Rchtung erfolgt wederum de Projekton der Gttersequenzen be erneut smultaner Bldaufnahme aller Kameras. Dese Schrtte der Änderung der Projektonsrchtung und smultanen Bldaufnahme werden so lange wederholt, bs das Messobjekt möglchst vollständg ausgeleuchtet und beobachtet wurde. De herfür notwendgen Wnkelpostonen des Sensorkopfes können n enem Messplan vor der Messung vom Anwender selbst fre engestellt werden. De Anzahl der Postonen kann fre gewählt werden. Das Ablaufschema der Messwertaufnahme st zusammengefasst n Abb. 15 dargestellt. 12

13 Projekton von zwe um 90 gedrehten Gttersequenzen n-fache Varaton der Sensorkopfposton durch Bewegung auf ener Kresbahn Smultaner Bldenzug von m statonären Verknüfungskameras K V und p mtbewegten Sensorkopfkameras K P n x p+m-patches n enem Weltkoordnatensystem durch smultane Berechnung der Systemparameter und 3D-Koordnaten Bündelblockausglech /19/ 3D-Koordnaten des Gesamtobjektes Abb. 15: Ablaufschema der Messwertaufnahme des Messsystems kolbr II Vermessung großflächger Objekte Im Folgenden werden dre Ausführungen von großflächg messenden Messsystemen vorgestellt D-Messzelle kolbr 1500 Ene Erweterung des Systems für de Vermessung von Objekten, de größer snd als das enfach ausgeleuchtete Messfeld m System kolbr II, kann durch de Integraton enes x-y-tsches zur lateralen Objektpostonerung vorgenommen werden, sehe Abb. 16. Herbe snd an den n x-y-rchtung verschebbaren Objekttsch ene oder mehrere Verknüpfungskameras K V montert. Dese beobachtet de gesamte Messszene m Überblck. Den Messablauf zegt Abb. 17. Während der Musterprojekton nehmen sowohl de Sensorkopfkameras als auch alle Verknüpfungskameras smultan de Strefenblder auf. Nachdem der n beschrebene Messzyklus der Messzelle kolbr II für enen Objektberech durchgeführt wurde, kann der Messobjektberech durch Anfahren ener neuen Poston des x-y-tsches geändert werden. In deser neuen Poston wrd der Messablauf wederholt. Dese Schrttfolge wrd so lange durchgeführt, 13

14 bs das Messobjekt möglchst vollständg erfasst wurde. De herfür notwendgen x-y- Postonen des Messobjektes können auch her n enem Messplan vor der Messung vom Anwender selbst fre engestellt werden. De Anzahl der Postonen k kann fre gewählt werden. drehbare Sensorkopfenhet zetwese objektfeste mt Gestell verbundene Verknüpfungskamera K V objektfeste mt Tsch verbundene Verknüpfungskamera K V x - y - Tsch Abb. 16: 3D-Messsystem kolbr 1500 mt drehbarer Sensorenhet und x-y-tsch. Projekton von zwe um 90 gedrehten Gttersequenzen k-fache Varaton der Poston des x-y-tsches n-fache Varaton der Sensorkopfposton durch Bewegung auf Kresbahn Smultaner Bldenzug von m statonären Verknüfungskameras K V und p Sensorkopfkameras K P k x n x p+m -Patches n enem Weltkoordnatensystem durch smultane Berechnung der Systemparameter und 3D-Koordnaten 3D-Koordnaten des Gesamtobjektes Abb. 17: Ablaufschema der Messwertaufnahme des Messsystems kolbr

15 Betont werden sollte, dass sch de Poston der mt dem Objekttsch verbundenen Verknüpfungskamera n Bezug zum Messobjekt ncht ändert, da dese mmer mtbewegt wrd. Dadurch können n der Koordnatenberechnung alle enzelnen Blder n enem gemensamen Weltkoordnatensystem berechnet werden. Als Besonderhet des Systemkonzepts ergbt sch, dass kenerle Anforderungen an de Postoner- und Führungsgenaugket des x-y-tsches gestellt snd, da de Selbstkalbrerung und Bldorenterung über de Verknüpfungskamera gegeben st. Messbespele aus dem ndustrellen Ensatz zegen de Abb. 37 und 38. Anzumerken se, dass derartge Systeme de Möglchket der drekten Integraton n Fertgungslnen beten und vollautomatsert arbeten können Messsystem kolbr PORTAL Großflächge und auch sehr komplexe Objektgeometren erfordern de völlg free Postonerung des Sensorkopfes während der Messwertaufnahme. Des kann durch de Anbndung des Sensorkopfes an en belebges Handlngsystem realsert werden. Durch Anwendung der her vorgestellten Methodk der Selbstkalbrerung muss deses kenerle Anforderungen an de Führungs- und Postonergenaugket genügen, und es snd somt enfache Portale oder Roboter ensetzbar. Der Mess- und Auswerteprozess erfolgt nsgesamt nach dem für das System kolbr MOVE allgemen erläuterten Ablaufschema sehe Abb. 9. Ene derartge Anordnung n Portalbauwese zegt Abb. 18. Deses Portal dent zur Vermessung großflächger Objekte bs zu mehreren Quadratmetern. Herbe st der Sensorkopf mttels des Portals fre über dem Messobjekt postonerbar. En Bespel der Vermessung enes PKW-Karosseretels zegt Abb. 19. Verknüpfungskameras K V Objekt Sensorkopf Abb. 18: Grundanordnung des Mehrbldmesssystems kolbr PORTAL. 15

16 Abb. 19: Karosseretel und 3D-CAD-Verglech Robotergeführter 3D-Sensor kolbr ROBOT De oben beschrebenen Systeme snd gekennzechnet durch de Projekton schräg von oben bzw. ene beschränkte Anzahl an Bewegungsachsen. In engen Anwendungsfällen st es jedoch notwendg, das Objekt aus unterschedlchsten Rchtungen ausgenommen natürlch enem Berech zur Halterung zu vermessen. Herzu dent das Messsystem kolbr robot, be dem der Sensorkopf durch enen Roboter fre n Bezug zum Messobjekt postonert werden kann, sehe Abb. 20. Damt hat man de Möglchket, de Messrchtungen sehr flexbel enzustellen und an de Objektgeometre anzupassen. Es sollte noch enmal betont werden, dass für de Erzelung enes hochwertgen 3D-Gesamtbldes kenerle Passmarken auf dem Objekt benötgt und an de Postonergenaugket des Robotersystems kenerle Anforderungen gestellt werden. Somt werden externe Referenzvorrchtungen bzw. Enmessenrchtungen ncht benötgt. Auch her erfolgt der Messablauf entsprechend dem Ablaufschema von Abb. 9, und en Messbespel zegt Abb. 21. Abb. 20: Robotergeführtes 3D-Messsystem kolbr ROBOT. 16

17 Abb. 21: Vermessung enes PKW-Stzes Messsystem kolbr FLEX Zur moblen, schnellen und automatserten 3D-Vermessung mttelgroßer Objekte wurde das System kolbr FLEX entwckelt sehe Abb. 22. Herbe befndet sch das Objekt auf enem moblen Drehtsch, wobe de Verknüpfungskamera mt desem fest verbunden st Poston an enem Arm drekt über dem Objekt. Der Sensorkopf befndet sch auf ener weteren moblen Enhet. Im Messablauf legt das Objekt auf dem Drehtsch. De projzerten Struktursequenzen werden schräg von oben aus fre wählbaren Rchtungen auf de zu vermessende Objektfläche gelenkt. Um de unterschedlchen Beleuchtungs- und Beobachtungsrchtungen zu realseren, st der Sensorkopf durch ene Höhenverstellung und Kppung n sener Blckposton n Bezug zum Objekt veränderbar und das Objekt mttels des Drehtsches drehbar. Sensorkopf objektfeste Verknüpfungskamera K v Drehtsch Abb. 22: Mobles Mehrkamera-Messsystem kolbr FLEX Foto IVB GmbH. 17

18 De Schrtte der Änderung der Projektonsrchtung und smultanen Bldaufnahme werden so lange wederholt, bs das Messobjekt möglchst vollständg ausgeleuchtet und beobachtet wurde. De herfür notwendgen Wnkelpostonen des Drehtsches und der Höhen- / Kpppostonen des Sensorkopfes können n enem Messplan vor der Messung vom Anwender selbst fre engestellt werden. Den Messablauf nsgesamt zegt Abb. 23. Messbespele zegen de Abbn , 36. Projekton von zwe um 90 gedrehten Gttersequenzen k-fache Varaton der Poston des Sensorkopfes durch Hub- / Kppverstellung n-fache Varaton der Sensorkopfposton durch Bewegung des Objektes mt der Drehenhet Smultaner Bldenzug der statonären Verknüpfungskamera K v und der p Sensorkopfkameras K p k x n x p + m Patches n enem Weltkoordnatensystem durch smultane Berechnung der Systemparameter und 3D-Koordnaten 3D-Koordnaten des Gesamtobjektes Abb. 23: Ablaufschema der Messwertaufnahme des Messsystems kolbr FLEX. 18

19 Tschdgtalsersystem kolbr FLEX-mn Ene spezelle Ausführungsform ener Messanordnung für de Vermessung klenerer Objekte, welche aus dem n gezegten Messsystem kolbr FLEX abgeletet wurde, st das n Abb. 24 gezegte System kolbr FLEX-mn. Deses st durch folgende wesentlche Unterschedungsmerkmale gekennzechnet: Das System st als Tschsystem realsert und kann lecht an verschedene Aufstellorte versetzt werden. Das System st für de Vermessung von kleneren Objekten ausgelegt Messfelder von 10 bs 180 mm Durchmesser. Der Sensorkopf st n sener Blckrchtung Negungswnkel umschaltbar. De Umschaltung wrd mt enem Kppspegelsystem realsert. Damt können sowohl de Obersete und hre Strukturen als auch de Setenbereche mt ener sehr guten Vollständgket erfasst werden. Somt können Unterschntte bs zu 110 vermessen werden. Für de Beleuchtung wrd en spezell entwckelter LCOS-Projektor mt ener Beleuchtung auf LED-Bass engesetzt. Damt st sowohl en sehr schnelles Schalten der projzerten Blder als auch ene sehr gernge Wärmeentwcklung n der Projektorenhet verbunden. Sensorkopf Verknüpfungskamera Abb. 24: Tsch-Messsystem kolbr FLEX-mn, Prnzpskzze der Optk und Foto des Messsystems Foto Hnt-Els GmbH. De Vollständgket der Messung st anhand des folgenden Messbespels der Vermessung enes Eroderwerkzeuges zu erkennen sehe Abb

20 Gesamtobjekt STL-Darstellung Foto der Elektrode Abb. 25: Vermessung ener Grapht-Eroderelektrode. Detal n STL-Darstellung Mult-Sensor 3D-Messzelle kolbr MULTI In verschedenen Anwendungen st es notwendg, en Objekt mt unterschedlchen Auflösungen bzw. lokal angepassten Messunscherheten zu vermessen. Herfür st es notwendg, das Objekt n der der Messaufgabe entsprechenden Sensorauflösung zu erfassen. Des wrd errecht durch de Vermessung des Objektes mt unterschedlchen Messfeldgrößen. Zur Erzelung der jewels optmalen Messunscherhet und ohne das en Umbau des Systems z.b. Tausch der Abbldungsoptken und damt verbundener Neukalbrerung des Systems durchgeführt werden muss, wurde de Mult- Sensormesszelle kolbr MULTI entwckelt, n der smultan bs zu 4 unterschedlche Strefenprojektonsmessköpfe engesetzt werden können /29/. Her snd de Felder 20mm, 40mm, 90mm, 180mm verfügbar. De Grundanordnung zegt Abb. 26 Sensorkopf 1 = 40mm, Sensorkopf 2 = 180mm. Ene Rundumvermessung wrd durch Bewegung der Sensoren auf ener Kresbahn mttels der zentralen Drehenhet realsert. Herbe snd belebge Drehwnkelpostonen enstellbar. Glechzetg kann n Analoge zum n beschrebenen Tschmesssystem de Blckrchtung des Sensorkopfes Negungswnkel mttels enes Kppspegelsystems realsert werden. Damt können sowohl de Obersete und hre Strukturen als auch de Setenbereche mt ener sehr guten Vollständgket erfasst werden. De Messabläufe snd wederum voll automatserbar. 20

21 Sensorkopf 2 Sensorkopf 1 Abb. 26: Grundanordnung des Mult-Sensorsystems kolbr MULTI. Abb. 27: Rapd-Prototypng Tel Turm : Foto und Messergebns STL-Darstellung. Abb. 28: Reflektor: Foto und Messergebns farbkoderte Höhendarstellung. 21

22 Das System kann z.b. zur Erfassung von Rapd Prototypng -Telen sehe Abb. 27 engesetzt werden. Ebenso kann das System z.b. zur hochgenauen Vermessung optscher Komponenten / Freformen we z.b. enes Reflektors sehe Abb. 28 oder Werkzeug- und Formtelevermessung genutzt werden sehe Abb. 29. Vortelhaft st, dass über de zentrale Verknüpfungskamera de Messungen mt unterschedlchen Sensoren n enem enhetlchen Koordnatensystem durchgeführt werden, und somt de 3D-Punktwolken automatsch zuenander engepasst snd. Abb. 30. zegt des am Bespel der Vermessung enes Ausgrabungsgegenstandes Kachel. Damt können n ener Messung hochaufgelöste Detalmessungen mt Überblcksmessungen des gesamten Objektes verbunden werden. Abb. 29: Vermessung optscher Komponente Heßprätetel. Abb. 30: Vermessung ener Kachel mt zwe Auflösungsstufen. 22

23 4. Anwendungsbespele Im Folgenden snd enge Anwendungsbespele aus dem Umfeld des Ensatzes der 3D-Messtechnk für Aufgaben der Qualtätsscherung 3D-CAD-Verglech, Stchmaßbestmmung, sehe Abb. 31, 32, und des Reverse Engneerng STL- Datengenererung, sehe Abb. 21, 25, 27, 33-34, 37 aufgezegt /23, 26/. Für de Lösung deser Aufgabenstellungen kann der Anwender aus ener Velzahl kommerzell verfügbarer Programmpakete wählen. Dese sollten n Abhänggket von der Komplextät und Art der zu lösenden Aufgabenstellung und dem geforderten Automatserungsgrad ausgewählt werden. Typscherwese wrd de 3D-Punktewolke m ASCII- Format vom 3D-Scanner an de Softwaretools übergeben. Möglche Programmpakete snd z.b. ohne Anspruch auf Vollständgket: o GEOMAGIC IVB GmbH o POLYWORKS DUWE 3D o METRIS metrs o POINTMASTER Knotenpunkt GmbH o POMOS Ilmcad CAD-Ingeneurbüro GmbH o CONTUR CONTROL ASCONA o GUGS FhI-IPA. Dese Programmpakete denen dazu, de von unterschedlchen Dgtalserern stammenden 3D-Punktewolken zu manpuleren und dann z.b. 2D-/ 3D-Kurvenschntte zu extraheren, ene geometrsche Analyse von Enzelgeometremaßen des Messobjekts oder enen 3D-CAD-Verglech durchzuführen, Geometremodelle zu genereren Dreecksvermaschung / Trangulaton oder Flächen zu genereren NURBS. Typsche Ausgabeformate z.b. für de Genererung von Bahndaten von Bearbetungsmaschnen snd STL, VRML, IGES und VDAFS. Dese Schnttstellen snd für unterschedlchste Branchen we Formenbauer, de Automoblndustre, den Desgnberech, de Medzntechnk, Mult-Meda und angrenzende Branchen geegnet. Neben den genannten Auswertefunktonen snd m Allg. umfangreche Punktoperatonen zur Aufberetung der Daten, z.b. krümmungsabhängge Homogenserung, Glätten, Schntte, Projektonen, Justeren u.a. mplementert Bestmmung von Geometremerkmalen aus den Punktewolken Bespel 1: Im Bespel 1 wurde der Durchmesser und de Lage von zwe Innenzylndern mt dem Programmpaket SURFACER bestmmt. De Genaugket der Zylnderanpassung betrug herbe 8µm. 23

24 Abb. 31: Bestmmung der Durchmesser und der Zylnderlage an enem Automobltel. Objektgröße: 120x80x120 mm 3. Bespel 2: Im Bespel 2 wurden Stchmaße an enem mt dem System kolbr FLEX vermessenen Blechbegetel mt den Programmpaketen metrs CADcompare automatsert bestmmt. Stchmaße snd herbe z.b. Begewnkel, Abstände von Bohrungen und Objektkanten und Bohrungsdurchmesser. Abb. 32: Bestmmung von Stchmaßen enes Blechbegetels Objektgröße: 120 x 90 x 80 mm Flächenrückführung De Messdaten n Form der Punktewolke müssen für de wetere Auswertung n der Regel n ene Fläche umgewandelt werden. Dabe erfolgt zuerst ene Trangulaton, be der de enzelnen Punkte mt Nachbarschaftsbezehungen versehen und dann als zusammenhängende Menge von Dreecksflächen gespechert werden. Des erfolgt m STL-Format. Dese Fläche kann als Grundlage für verschedene Nutzungen we z.b. de Berechnung von Fräsbahnen, de Erzeugung von Nurbsflächen, de Berechnung von Schnttlnen n der Körperoberfläche u.a. denen. Bespele solcher Flächen snd n den folgenden Abbldungen 33 und 34 gezegt. Abb. 33 zegt de STL-Fläche enes Frästeles, welche aus Dreecksflächen besteht. 24

25 Abb. 34 zegt n zwe verschedenen Anschten de STL-Fläche ener Montageschelle. De Anzahl der Dreecksflächen beträgt Bld 33: STL-Fläche enes Frästeles, schatterte Darstellung Messsystem kolbr FLEX. Abb. 34: STL-Fläche ener Montageschelle, schatterte Darstellung schräg von oben und Setenanscht Messsystem kolbr FLEX D-CAD-Verglech De folgenden Bespele zegen exemplarsch de Möglchketen enes Verglechs der gemessenen 3D-Punktewolke mt dem CAD-Modell. Dadurch betet sch nsbesondere de Möglchket, sowohl globale als auch lokale Formabwechungen zu detekteren. In den Bespelen wurde de Punktewolke trangulert und anschleßend de Regstrerung der Punktewolke zum CAD-Modell und der egentlche 3D-Verglech nach enem Best-Ft-Ansatz durchgeführt. De Abwechungen zwschen Soll- und Ist- Form werden farbkodert. 25

26 Abb. 35: 3D-CAD-Verglech für en Schmedetel. Messsystem: kolbr II, Objektgröße: 250x250x200 mm 3 De Darstellung der Auswertung des oben gezegten Frästels Abb. 33 be Enstellung unterschedlcher Toleranzfelder zegt Abb. 36. a Toleranzberech 100µm b Toleranzberech 10µm Abb. 36: Toleranzbezogene Auswertung enes Frästels Objektgröße 250x150x50mm 3, Messsystem kolbr FLEX. De Auswertung der Vermessung ener PKW-Bodenbaugruppe mt dem Messsystem kolbr 1500 zegt Abb. 37. Herbe kamen fünf Verknüpfungskameras und ene bewegte Sensorkopfkamera be 6 Postonen des x-y-tsches und jewels 6 Drehpostonen des Sensorkopfes zum Ensatz. Insgesamt setzt sch das Messergebns aus 37 Telanschten zusammen. Der Mess- und Auswerteablauf st herbe vollautomatsch. 26

27 Abb. 37: STL-Fläche 1,5 Mo. Dreecke und 3D-CAD-Verglech ener dgtalserten PKW-Bodenbaugruppe. Objektgröße 915 x 545 x 185 mm 3, Messsystem kolbr De Anwendung des Systems kolbr 1500 zur Qualtätsscherung n Geßereprozessen n der Automoblndustre Standort BMW, Landshut zegt Abb. 38 /26/. Herzu zählen u.a. de Vermessung der Werkzeuge und Gussformen Sandformen, Lostfoammodelle und des gegossenen Endprodukts. Durch den Ensatz des Kolbr- Messsystems können de Abhänggketen der jewelgen Werkzeuge und der daraus resulterenden Produkte anschaulch dargestellt werden. Herbe werden de Enflüsse der Werkzeuge n Bezug auf Maßhaltgket, Formtreue auf das spätere Produkt schtbar gemacht, und wetere Maßnahmen können abgeletet werden. Auch snd Unwägbarketen we z.b. Verzug bem Entformen durch deses Hlfsmttel lechter zu erkennen und der genaue Umfang deser Problemstellen anhand des maßlch bestmmten Farbprnts gut zu verdeutlchen. In den her aufgeführten Bespelen kamen m Messsystem fünf Verknüpfungskameras m=5 und zwe mtbewegte Sensorkopfkameras p=2 be 3 Postonen des x-y- Tsches k=3 und jewels 6 Drehpostonen des Sensorkopfes n=6 zum Ensatz. Insgesamt setzt sch das Messergebns somt aus 41 Telanschten zusammen. De Zet für de vollautomatsche Datenaufnahme betrug 10 mn bs zur homogenserten 3D- Punktewolke. a Sandkern enes Luftenlasskanals b Motorblock Abb. 38: 3D-CAD-Vergleche von Gussformen und endprodukten. 27

28 5. Zusammenfassung Heutge optsche 3D-Messsysteme auf der Bass von Strefenprojektonstechnken haben enen Stand errecht, be dem n Verbndung mt geegneten Softwaretools zur Datenauswertung unterschedlchste Aufgabenstellungen m produktven Umfeld realsert werden können. Insbesondere de jüngsten Entwcklungen der her vorgestellten Methoden und Systeme von selbstkalbrerenden Messsystemen zur automatserten Vermessung komplexer Objekte Mehrkamera-Messsysteme helfen herbe, neue Anwendungsgebete zu erschleßen. De her vorgestellten Systeme nach dem Prnzp der Phasogrammetre unter Verwendung der Methodk der vrtuellen Passmarken zechnen sch durch folgende Merkmale aus: o Selbstkalbrerung d.h. vorab kene Kalbrerprozeduren notwendg, wodurch de Systeme unempfndlch gegen Umgebungsenflüsse werden. Des betet das Potenzal, dese Messtechnk drekt n den Fertgungsprozess, unabhängg von Messräumen, zu ntegreren; o Vermessung komplexer Objekte durch automatserte Mehrblderfassung realsert d.h. kene Verwendung von Passmarken, Matchngprozeduren, hochgenauen mechanschen, optschen Führungssystemen, Orenterungshlfen, Navgatonskulssen o.ä. für de Sensororenterung zur Bldzusammensetzung. Des wrd möglch durch de Nutzung des Prnzps der vrtuellen Passmarken. o Durch de Verwendung der Methode der Phasenkorrelatonstechnk snd de Systeme unempfndlch gegenüber durch das Objekt und sene Oberflächenstruktur hervorgerufenen Phasenstörungen. 6. Lteratur /1/ Chen F., Brown G.M., Song M.: Overvew of three-dmensonal shape measurement usng optcal methods, Opt.Eng , S /2/ Letfaden zu Grundlagen und Anwendungen der optschen 3D-Messtechnk Hrsg. Fraunhofer Allanz Vson, ISBN /3/ Luhmann Th.: Nahberechsphotogrammetre n der Praxs Bespele und Problemlösungen Wchmannverlag 2002 /4/ Notn G.: 360-deg shape measurement wth frnge projecton- calbraton and applcaton Proc. Frnge 01 Eds. W.Osten, W.Jüptner Elsever-Verlag 2001 S /5/ Kühmstedt P., Notn G., Hntersehr J., Gerber J.: CAD-CAM-System for Dental Purpose-an Industral Applcaton, Proc. Frnge Proc. Frnge 01 Eds. W.Osten, W.Jüptner Elsever-Verlag 2001 S /6/ Haloua M., Krshnamurty R.S., Lu H.C., Chang F.P.: Automated 360 proflometry of 3D dffuse objects 28

29 Appl.Opt , S /7/ Kowarschk R., Kühmstedt P., Gerber J. Schreber W. and Notn G.: Adaptve optcal three-dmensonal measurement wth structured lght Opt. Eng , S /8/ Karbacher St.; Häusler G.; Schönfeld H.: Reverse Engneerng usng optcal range sensors Handbook of computer vson and applcaton vol.3 ed.b.jähne, Academc press, 1999, S /9/ Neugebauer P.J.: Reconstructon of real-world objects va smultaneous regstraton and robust combnaton of multple range mages Int.J. of Shape Modellng 31997, S /10/ Laboureux X., Häusler G.: Localzaton and regstraton of three-dmensonal objects n space where are the lmts Appl.Optcs S /11/ Rech C., Rtter R., Thesng J.: 3D-shape measurement of complex objects by combnng photogrammetry and frnge projecton Opt.Eng , S /12/ Zlker A., Wnter D.: WnGS Optcal measurement and nspecton system for arcraft wndtunnel models Proc.SPIE , S /13/ sehe Informatonsmateral der Stenbchler Optotechnk GmbH, /14/ Krschner V., Schreber W., Kowarschk R., Notn G.: Self-calbratng shape-measurng system based on frnge projecton Proc.SPIE , S /15/ Schreber W., Notn G.: Theory and arrangements of self-calbratng whole-body three-dmensonal measurement systems usng frnge projecton technque Opt.Eng , S /16/ Notn G., Kühmstedt P., Henze M., Hmmelrech M.: Phasogramemtrsche 3D-Messsysteme und deren Anwendung zur Rundumvermessung Photogrammetre, Laserscannng, Optsche 3D-Messtechnk, Hrsg. Th.Luhmann, Wchmannverlag 2003 S /17/ Notn G., Kühmstedt P., Henze M.: Systemkonfguratonen phasogramemtrscher 3D-Messsysteme - Anwendungsbespele Photogrammetre, Laserscannng, Optsche 3D-Messtechnk, Hrsg. Th.Luhmann, Wchmannverlag 2004 S /18/ Luhmann Th.: Nahberechsphotogrammetre, Wchmann-Verlag 2003 S. 238 /19/ Kruck E.: Programmpaket BINGO, GIP GmbH Aalen,

30 /20/ Notn G., Kühmstedt P.: Der dgtale Mensch Laser-Photonk S /21/ Schreber W., Notn G., Kühmstedt P., Gerber J., Kowarschk R.: Optcal 3D-coordnate measurng system usng structured lght Proc. SPIE vol , S /22/ Kühmstedt P., Henze M., Notn G.: Phasogrammetrc optcal 3D-Sensor for the measurement of large objects Proc. SPIE S /23/ Gerber J., Notn G., Kühmstedt P.: Von der Punktwolke zum Stchmaß VDI Berchte S /24/ Retemeer B., Notn G., Henze M., Schöne Ch., Schmdt A., Fchtner D. Optcal modelng of extraoral defects Journal of Prosthetc Dentstry, S /25/ Kühmstedt P., Henze M., Hmmelrech M., Bräuer-Buchardt Ch., Brakhage P., Notn G.: Optcal 3D sensor for large objects n ndustral applcatons Proc. SPIE S /26/ Notn G. Ensatz von 3D-Messsystemen n der Produktonsumgebung Fachmagazn Gessere Erfahrungsaustausch S /27/ Notn G., Kühmstedt P., Henze M., MunkeltC.: The concept of vrtual landmarks n 3D-mult-vew frnge projecton Proc. SPIE 6762, 2007, /28/ Kühmstedt P., Munkelt C., Henze M., Braeuer-Burchardt C., NotnG.: 3D shape measurement wth phase correlaton based frnge projecton Proc. SPIE 6616, pp B B /29/ Kühmstedt P., Henze M., Schmdt I., Bretbarth M., Notn G.: Mult resoluton optcal 3D sensor Proc. SPIE 6616, pp K K-8,

31 7. Systemparameter Messsystem kolbr move Messzelle kolbr 1500 Messsystem kolbr ROBOT Mult-Sensor- System kolbr MULTI Messsystem kolbr FLEXmn Messsystem kolbr cordless Maxmale Messobjekthöhe H bs 1500 mm bs 400 mm bs 500mm mm bs 50 mm bs 1500 mm Enzelmessfeld M L bs 800 mm bs 500 mm bs 500mm Bs zu 4 Messfelder bs 180 mm bs 300 mm smultan 20, 40, 90, 180 mm Maxmal erfassbares Messfeld M bs 2500 mm Länge bs 1000mm Brete bs 1500 mm Länge bs 1000mm Brete bs 1500 mm Länge bs 1500mm Brete 180 mm bs 180 mm bs 1000 mm Länge bs 500mm Brete Maxmale Anzahl der erfassbaren Telanschten N max Pxelanzahl der Kamera 1,3 5 Mo. Pxel 1,3 Mo. Pxel 1,3 5 Mo. Pxel 1,3 5 Mo. Pxel 1,3 5 Mo. Pxel 1 Mo. Pxel Messunscherhet µm 50 µm µm 2 10 µm 5 µm µm Merkmalsgenaugket M L / µm M L / µm M L / µm M L / µm M L / µm M L / µm Längenmessabwechung 100µm 80µm 80µm 3 20 µm 5 20µm 150µm VDI/VDE 2634 Gesamtmesszet Messzet mn 5 20 mn Typ. 5-8 mn 1,5 8 mn 30s 2,5 mn 2 s Datenberechnungszet Besonderheten Vollraum mobl Halbraum statonär Vollraum statonär Halbraum Statonär Halbraum Tschsystem handgeführt mobl Tabelle 1: Parameter der Gerätefamle kolbr ; wetere Produktnformatonen sehe unter 31