DE102019103519A1

DE102019103519A1 - Vorrichtung zum Bestimmen von dimensionalen und/oder geometrischen Eigenschaften eines Messobjekts

Info

Publication number: DE102019103519A1
Application number: DE102019103519.8A
Authority: DE
Inventors: Christian Hörr
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2019-02-12
Filing date: 2019-02-12
Publication date: 2020-08-13
Anticipated expiration: 2039-02-13
Also published as: US11276198B2; US20200286258A1; DE102019103519B4

Abstract

Eine Vorrichtung zum Bestimmen von dimensionalen und/oder geometrischen Eigenschaften eines Messobjekts (26) besitzt eine erste Messanordnung (52, 54), die erste Messwerte (40) aufnimmt. Die ersten Messwerte (40) repräsentieren jeweilige Positionen von ersten ausgewählten Messpunkten (80, 82, 84) relativ zu dem ersten Koordinatensystem (32). Die Vorrichtung besitzt eine zweite Messanordnung (60, 64), die zweite Messwerte (42) aufnimmt. Die zweiten Messwerte (42) repräsentieren jeweilige Oberflächennormalen (92, 94) an zweiten ausgewählten Messpunkten (88, 90). Die erste und die zweite Messanordnung sind raumfest zueinander an einem Gehäusekörper (22) angeordnet. Die Vorrichtung besitzt ferner eine dritte Messanordnung, die dritte Messwerte aufnimmt. Die dritte Messwerte (44) repräsentieren eine aktuelle Position des Gehäusekörpers (22) relativ zu einem weiteren Koordinatensystem (16). Die Auswerteeinheit (36) ist eingerichtet, die ersten Messwerte (40) und die zweiten Messwerte (42) unter Verwendung der dritten Messwerte (44) lagerichtig zusammenzuführen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen von dimensionalen und/oder geometrischen Eigenschaften eines Messobjekts, mit einer ersten Messanordnung, die ein erstes Koordinatensystem definiert und eingerichtet ist, erste Messwerte aufzunehmen, wobei die ersten Messwerte jeweilige Positionen von ersten ausgewählten Messpunkten an dem Messobjekt relativ zu dem ersten Koordinatensystem repräsentieren, mit einer zweiten Messanordnung, die eingerichtet ist, zweite Messwerte aufzunehmen, wobei die zweiten Messwerte jeweilige Oberflächennormalen an zweiten ausgewählten Messpunkten an dem Messobjekt repräsentieren, und mit einer Auswerteeinheit, die dazu eingerichtet ist, die dimensionalen und/oder geometrischen Eigenschaften des Messobjekts unter Verwendung der ersten und der zweiten Messwerte zu bestimmen.
Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind aus einer Publikation von Diego Nehab et al. mit dem Titel „Efficiently Combining Positions and Normals for Precise 3D Geometry“, ACM Transactions on Graphics (Proc. of ACM SIGGRAPH 2005) oder auch aus einer weiteren Publikation von Steffen Herbort et al. mit dem Titel „3D range scan enhancement using image-based methods“, erschienen in ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing 84 (2013) bekannt.
Das Bestimmen von dimensionalen und/oder geometrischen Eigenschaften von Objekten ist eine typische Aufgabe der industriellen Messtechnik. Beispielsweise werden die geometrischen und/oder dimensionalen Eigenschaften eines individuellen Werkstücks zur Qualitätssicherung in industriellen Produktionsprozessen bestimmt, um zu prüfen, ob das Werkstück vorgegebene Toleranzen einhält. Auch bei der Entwicklung und Konstruktion von neuen Produkten ist es häufig wünschenswert, die individuellen Eigenschaften eines Prototyps oder eines mit dem zu konstruierenden Werkstück kooperierenden Gegenstücks zu messen. Die dimensionalen und/oder geometrischen Eigenschaften können Abstände zwischen einzelnen Merkmalen an dem Werkstück, wie etwa den Abstand zwischen zwei Kanten oder den Durchmesser einer Bohrung beinhalten, aber auch die komplexe geometrische Raumform des Werkstücks. Es ist zunehmend gewünscht, einen sogenannten 3D-Scan eines Werkstücks oder Werkstückteils zu erhalten. Der 3D-Scan liefert eine Vielzahl von Raumkoordinaten (3D-Koordinaten), die die Positionen zahlreicher Messpunkte an dem Werkstück relativ zu einem Bezugskoordinatensystem definieren und die somit die komplexe Raumform des Werkstücks beschreiben. Anhand der gemessenen Raumkoordinaten kann man die dimensionalen und/oder geometrischen Eigenschaften bestimmen.
Es gibt verschiedene Verfahren, um einen 3D-Scan eines Messobjekts zu erhalten. Beispielsweise kann ein Tastelement verwendet werden, um die gewünschten Messpunkte physisch zu berühren, wobei die Raumkoordinaten der Messpunkte aus der jeweiligen Position des kalibrierten Tastelements relativ zu dem Bezugskoordinatensystem bestimmt werden. Daneben gibt es verschiedene berührungslose Verfahren, um die Position von Messpunkten relativ zu einem Bezugskoordinatensystem zu bestimmen. Einige Verfahren basieren auf Triangulation, indem das Messobjekt mit einer oder mehreren Kameras aufgenommen wird und die Auswertung der Kamerabilder auf trigonometrischen Beziehungen beruht. Bei einigen dieser Verfahren wird das Messobjekt mit einem definierten Muster beleuchtet, etwa bei den so genannten Streifenprojektionsverfahren. Jedes Verfahren besitzt spezifische Vor- und Nachteile in Bezug auf den Geräteaufwand und in Bezug auf die Größe des Messvolumens, die erreichbare Messgenauigkeit, Messgeschwindigkeit u.a. Streifenprojektionsverfahren sind beispielsweise empfindlich gegenüber Bildrauschen und sie eignen sich nicht bei stark glänzenden Oberflächen.
Eine Publikation von R. J. Woodham mit dem Titel „Photometrie Method for Determining Surface Orientation from Multiple Images“, veröffentlicht in Optical Engineering, 19(1), 1980, beschreibt ein Verfahren, mit dem die jeweilige lokale Neigung der Messobjektoberfläche an einer Vielzahl von Messpunkten bestimmt werden kann, indem die Oberfläche nacheinander aus verschiedenen Richtungen beleuchtet wird. Mit einer feststehenden Kamera werden Bilder von der jeweils beleuchteten Oberfläche aufgenommen und daraus die so genannten Oberflächennormalen bestimmt. Eine Oberflächennormale ist ein Vektor, der senkrecht auf der Oberfläche steht und somit die Neigung der Oberfläche an dieser Stelle repräsentiert. Das Verfahren von Woodham ist unter der Bezeichnung Photometrie Stereo bekannt und basiert auf der Annahme unendlich weit entfernter, punktförmiger Lichtquellen mit jeweils gleicher Lichtintensität (direktionale Lichtquelle). Diese Annahme ist in der Praxis nicht einzuhalten, was zu Messfehlern bei der Bestimmung der Oberflächennormalen führt.
Die eingangs genannte Publikation von Nehab et al. schlägt eine rechnerische Kombination der Messergebnisse aus einem Streifenprojektionsverfahren und aus einem Photometrie Stereo Verfahren vor. Mit den 3D-Koordinaten aus dem Streifenprojektionsverfahren kann man die Oberflächennormalen des Messobjekts berechnen. Umgekehrt kann man, eine stetige Oberfläche vorausgesetzt, anhand der Oberflächennormalen aus Photometrie Stereo die Objektoberfläche und daraus 3D-Koordinaten rekonstruieren. Streifenprojektionsverfahren führen zu vergleichsweise kurzwelligen/hochfrequenten Messfehlern (bezogen auf die Ausdehnung der Oberfläche) in Form eines scheinbar zufälligen, hochfrequenten Rauschens. Im Unterschied dazu sind die Messfehler bei Photometrie Stereo vergleichsweise langwellig. Nehab et al. schlagen vor, die „guten“ Messergebnisse des Streifenprojektionsverfahrens im langwelligen Bereich rechnerisch mit den „guten“ Messergebnissen des photometrischen Stereoverfahrens im kurzwelligen/hochfrequenten Bereich zu kombinieren. Die Objektoberfläche soll damit detailgetreuer und genauer rekonstruiert werden als mit jedem der einzelnen Verfahren.
Auch in der eingangs genannten Publikation von Steffen Herbort et al. wird eine Fusion der Messwerte von einem 3D-Entfernungsmesser und einem Photometric Stereo Verfahren vorgeschlagen.
DE 10 2010 007 396 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum optischen Inspizieren eines Messobjekts mit einer zumindest teilweise reflektierenden Oberfläche, um die lokalen Streueigenschaften der Objektoberfläche zu bestimmen. Bei diesem Verfahren wird die Objektoberfläche ähnlich wie beim photometrischen Stereoverfahren der Reihe nach mit unterschiedlich positionierten Lichtquellen beleuchtet. Eine Kamera nimmt eine Serie von Bildern mit den unterschiedlichen Beleuchtungen auf. Anschließend wird ein individuelles Lichtherkunftsgebiet für zumindest ein Kamerapixel bestimmt. Das Lichtherkunftsgebiet repräsentiert die räumliche Verteilung der individuellen Lichtbeiträge, die die einzelnen Lichtquellen über die Oberfläche des Messobjekts auf dem zumindest einen Pixel erzeugen. Anhand des individuellen Lichtherkunftsgebietes werden dann die Streueigenschaften des von dem Kamerapixel aufgenommenen Oberflächenpunktes bestimmt. Eine 3D-Koordinatenmessung und eine darauf basierende Bestimmung von dimensionalen und/oder geometrischen Eigenschaften des Messobjekts ist bei diesem Verfahren nicht vorgesehen.
DE 10 2015 203 396 A1 offenbart eine Vorrichtung mit einer ersten Bilderfassungseinrichtung mit einem ersten Erfassungsbereich und einer zweiten Bilderfassungseinrichtung mit einem zweiten Erfassungsbereich, wobei der erste Erfassungsbereich und der zweite Erfassungsbereich zumindest teilweise überlappen. Die Vorrichtung besitzt weiterhin zumindest eine Lichtquelle, die dazu eingerichtet ist, Licht aus unterschiedlichen Einfallsrichtungen in zumindest einen Erfassungsbereich zu emittieren. Die Vorrichtung dient zur Bestimmung der Topografie der Oberfläche eines Messobjekts.
EP 3 321 883 A1 offenbart ein Verfahren und ein System zum Bestimmen der räumlichen Pose eines Objekts mit Hilfe eines oder mehrerer Marker, die an dem Objekt angeordnet sind. In einem Ausführungsbeispiel ist das Objekt ein handgeführtes taktiles Messwerkzeug zum Aufnehmen von 3D-Koordinaten an einem Messobjekt. Der Marker an dem Messwerkzeug besitzt einen inneren Bereich mit einer kreisförmigen Kontur mit bekanntem Radius und einem Muster, das mindestens ein charakteristisches Merkmal definiert. Ein Kamerabild des Markers zeigt typischerweise eine elliptische Darstellung der kreisförmigen Kontur und des Musters. Basierend auf dem Kamerabild werden Parameter bestimmt, die die elliptische Darstellung beschreiben, und die Pose des Markers im Raum wird unter Verwendung der Parameter bestimmt.
Schließlich ist aus einer Broschüre der Carl Zeiss Optotechnik GmbH mit dem Titel „ZEISS T-SCAN - 3D-Digitalisierung/Laserscanning, Intuitive Datenerfassung mit handgeführtem Laserscanner“ ein handgeführter Laserlinienscanner bekannt. Die Broschüre ist unter der Adresse https://www.zeiss.de/messtechnik/produkte/systeme/optischemesstechnik/3d-digitalisierung/zeiss-t-scan.html von der Internetseite der Anmelderin ladbar.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die eine hohe Messgeschwindigkeit und/oder eine hohe Messauflösung beim Bestimmen von dimensionalen und/oder geometrischen Eigenschaften eines Messobjekts auf kostengünstige Weise ermöglicht.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, mit einem Gehäusekörper, der relativ zu dem Messobjekt bewegbar ist und an dem die erste und die zweite Messanordnung raumfest zueinander angeordnet sind, und mit einer dritten Messanordnung, die ein weiteres Koordinatensystem definiert und eingerichtet ist, dritte Messwerte aufzunehmen, wobei die dritten Messwerte eine aktuelle Pose des Gehäusekörpers relativ zu dem weiteren Koordinatensystem repräsentieren, und wobei die Auswerteeinheit eingerichtet ist, die ersten Messwerte und die zweiten Messwerte unter Verwendung der dritten Messwerte lagerichtig zusammenzuführen
Die neue Vorrichtung basiert auf der Idee, Informationen von der dritten Messanordnung vorteilhaft zu nutzen, um die ersten Messwerte von der ersten Messanordnung und die zweiten Messwerte von der zweiten Messanordnung lagerichtig zusammenzuführen. Für den Fall, dass ein ausgewählter erster Messpunkt und ein ausgewählter zweiter Messpunkt ein und denselben Objektpunkt an den Messobjekt repräsentieren, bedeutet „lagerichtig“ zusammenführen, dass für den genannten Objektpunkt ein finaler Messwert aus dem entsprechenden ersten Messwert und dem entsprechenden zweiten Messwert bestimmt wird. Der finale Messwert kann beispielsweise als korrigierter erster Messwert bestimmt werden, indem der entsprechende zweite Messwert verwendet wird, um einen systematischen Messfehler der ersten Messanordnung rechnerisch zu minimieren und/oder die Messunsicherheit zu reduzieren. Der finale Messwert kann alternativ auch daraus resultieren, dass abhängig von einem Entscheidungskriterium wahlweise der erste Messwert oder der zweite Messwert als finaler Messwert verwendet wird. Ferner könnte der finale Messwert mit einer Mittelwertbildung oder mit Hilfe eines anderen Ausgleichskriteriums aus dem ersten und dem zweiten Messwert bestimmt werden. Mit anderen Worten werden die „doppelten Messinformationen“ für einen Objektpunkt in diesem Fall vorteilhaft verwendet, um einen optimierten finalen Messwert für den entsprechenden Objektpunkt zu erhalten, der die tatsächliche Position und/oder Neigung des Objektpunktes bestmöglich repräsentiert.
Für den Fall hingegen, dass ein ausgewählter erster Messpunkt und ein ausgewählter zweiter Messpunkt verschiedene Objektpunkte an dem Messobjekt repräsentieren, werden der entsprechende erste Messwert und der entsprechende zweite Messwert vorteilhaft verwendet, um für jeden der beiden Objektpunkte einen Messwert zu erhalten. Der erste und der zweite Messwert werden in diesem Fall also unter Berücksichtigung der Lage der gemessenen Objektpunkte relativ zueinander zu einem gemeinsamen Messergebnis fusioniert, in dem der erste Messwert den ersten gemessenen Objektpunkt repräsentiert und der zweite Messwert den zweiten gemessenen Objektpunkt. „Lagerichtig“ bedeutet allgemein also, dass die ersten und zweiten Messwerte zu einem finalen Messdatensatz fusioniert werden, der das Messobjekt bestmöglich charakterisiert. In vielen Fällen führt die Zusammenführung der ersten und zweiten Messwerte zu einer insgesamt höheren Messauflösung und/oder zu einer geringeren Messunsicherheit.
Da die erste Messanordnung und die zweite Messanordnung raumfest, d.h. starr zueinander, an dem Gehäusekörper gehalten sind und da die dritten Messwerte eine jeweils aktuelle Pose des bewegbaren Gehäusekörpers im Raum repräsentieren, können die ersten Messwerte und die zweiten Messwerte insbesondere auch dann lagerichtig zusammengeführt werden, wenn die ersten Messwerte und die zweiten Messwerte zu unterschiedlichen Zeitpunkten und/oder aus unterschiedlichen Richtungen an dem Messobjekt aufgenommen wurden. Infolgedessen sind die Anforderungen an eine zeitliche Synchronisation der ersten und zweiten Messanordnung reduziert. Insbesondere können Kamerabilder des Messobjekts mit Beleuchtungen aus unterschiedlichen Richtungen, wie sie für ein Photometric Stereo-Verfahren typischerweise verwendet werden, zeitlich nacheinander aufgenommen werden, ohne dass die erste Messanordnung mit den mehreren Bildaufnahmen zeitlich synchronisiert sein muss.
Aus diesem Grund kann die Relativbewegung des Gehäusekörpers mit der ersten und der zweiten Messanordnung vorteilhaft verwendet werden, um das Messobjekt zur Bestimmung der jeweiligen Oberflächennormalen aus unterschiedlichen Richtungen zu beleuchten. Die zweite Messanordnung kann daher kleinbauend und kompakt realisiert werden, was eine handgeführte Messung durch einen Bediener erleichtert und/oder schnellere Messungen ermöglicht. Ebenso kann die höhere Messauflösung, die durch die Zusammenführung der ersten und zweiten Messwerte erreichbar ist, vorteilhaft dazu verwendet werden, eine höhere Bewegungsgeschwindigkeit bei der Aufnahme der ersten Messwerte zuzulassen.
Insgesamt ermöglicht die neue Vorrichtung, die Strukturauflösung und/oder die Scangeschwindigkeit im Vergleich zu gattungsgemäßen Vorrichtungen aus dem Stand der Technik zu erhöhen. Des Weiteren kann die Zusammenführung der ersten und zweiten Messwerte vorteilhaft verwendet werden, um eine erhöhte Messgenauigkeit zu erhalten. Besonders vorteilhaft ermöglichen die zweiten Messwerte eine subpixelgenaue Koordinatenmessung an Unstetigkeitsstellen des Messobjekts, wie etwa an Löchern oder anderen scharfen Kanten. Die oben genannte Aufgabe ist daher vollständig gelöst.
In einer bevorzugten Ausgestaltung beinhaltet die erste Messanordnung einen Lichtmusterprojektor und eine erste Kamera, die in einer definierten Pose relativ zu dem Lichtmusterprojektor an dem Gehäusekörper angeordnet ist. In bevorzugten Ausführungsbeispielen ist der Lichtmusterprojektor ein Laserlinienprojektor, der eine Laserlinie mit einer definierten Wellenlänge auf das Messobjekt projiziert. Prinzipiell könnte der Lichtmusterprojektor aber auch ein anderes Lichtmuster auf das Messobjekt projizieren, etwa eine Vielzahl von parallelen und/oder gekreuzten Laserlinien, eine Vielzahl von Lichtpunkten und/oder eine Vielzahl von Streifen mit variierender Lichtintensität.
Die Ausgestaltung verwendet eine erste Messanordnung, die nach einem bewährten Scannerprinzip arbeitet und daher eine kostengünstige Realisierung ermöglicht. Die bewährte Messanordnung wird in dieser Ausgestaltung um eine zweite Messanordnung ergänzt, die jeweilige Oberflächennormalen an den zweiten ausgewählten Messpunkten liefert. Die zugrunde liegenden Messprinzipien sind verschieden und ergänzen sich vorteilhaft. Insbesondere kann die zweite Messanordnung nach dem Photometric Stereo-Verfahren arbeiten und die Ausgestaltung kann die eingangs bereits beschriebenen Vorteile, die sich aus der Fusion der beiden Messprinzipien ergeben, auf effiziente Weise nutzen. Die lagerichtige Fusion der Koordinatenmesswerte von der ersten Messanordnung und den Oberflächennormalen von der zweiten Messanordnung ist aufgrund der dritten Messwerte vereinfacht.
In einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet die zweite Messanordnung eine Punktlichtquelle und eine zweite Kamera, die in einer definierten Pose relativ zu der Punktlichtquelle an dem Gehäusekörper angeordnet ist.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen erzeugt die Punktlichtquelle Licht mit einer Wellenlänge, die sich von der Wellenlänge des Lichtmusterprojektors der ersten Messanordnung unterscheidet. Vorteilhaft besitzt die erste Kamera ein auf die Wellenlänge des Lichtmusterprojektors abgestimmtes Bandpassfilter und die zweite Kamera besitzt ein auf die Wellenlänge der Punktlichtquelle abgestimmtes Bandpassfilter, wobei die beiden Bandpassfilter unterschiedliche Durchlasswellenlängen besitzen. In diesen Ausführungsbeispielen sind die ersten Messwerte und die zweiten Messwerte aufgrund der unterschiedlichen Wellenlängen und Bandpassfilter wirksam voneinander entkoppelt, was die Auswertung erleichtert und eine höhere Messgenauigkeit ermöglicht. Unabhängig davon ermöglicht die vorliegende Ausgestaltung eine sehr kompakte und kostengünstige Realisierung der zweiten Messanordnung mit einer geringen Anzahl an Punktlichtquellen. In einigen Ausführungsbeispielen besitzt die zweite Messanordnung genau eine Punktlichtquelle, was eine besonders kostengünstige und kompakte Realisierung ermöglicht. In anderen Ausführungsbeispielen besitzt die zweite Messanordnung zwei, drei, vier oder fünf Punktlichtquellen (vorzugsweise weniger als zehn und besonders bevorzugt weniger als sechs), die vorteilhaft parallel zu einer Laserlinie des oben genannten Lichtmusterprojektors angeordnet sind. In diesem Fall ermöglichen die mehreren Punktlichtquellen eine erhöhte Messauflösung entlang der Laserlinie. Generell profitiert die vorliegende Ausgestaltung davon, dass der Gehäusekörper mit der zweiten Messanordnung relativ zu dem Messobjekt bewegbar ist und somit unterschiedliche Beleuchtungsrichtungen auf das Messobjekt mit einer oder wenigen Punktlichtquellen kostengünstig möglich ist.
In einer weiteren Ausgestaltung verwenden die erste Messanordnung und die zweite Messanordnung eine gemeinsame Kamera.
In dieser Ausgestaltung können die erste Kamera entsprechend der oben genannten Ausgestaltung der ersten Messanordnung und die zweite Kamera entsprechend der oben genannten Ausgestaltung der zweiten Messanordnung mit einer einzigen Kamera realisiert sein, die funktional sowohl zu der ersten Messanordnung als auch zu der zweiten Messanordnung gehört. Die Ausgestaltung ermöglicht eine besonders kompakte und kostengünstige Realisierung und kann insbesondere davon profitieren, dass aufgrund der dritten Messwerte auf eine zeitsynchrone Aufnahme der ersten Messwerte und der zweiten Messwerte verzichtet werden kann.
In einigen Ausführungsbeispielen kann die Vorrichtung dazu eingerichtet sein, erste und zweite Bilder von dem Messobjekt alternierend aufzunehmen, wobei die jeweiligen ersten Bilder ein Lichtmuster beinhalten, das mit Hilfe des oben genannten Lichtmusterprojektors erzeugt ist, während die jeweiligen zweiten Bilder eine Beleuchtung mit der Punktlichtquelle der zweiten Messanordnung beinhalten. Die erste und zweite Messanordnung arbeiten in diesen Ausführungsbeispielen gewissermaßen im Zeitmultiplex. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen besitzt die gemeinsame Kamera eine Tiefenschärfe, die zu einem Messzeitpunkt sowohl erste ausgewählte Messpunkte als auch zweite ausgewählte Messpunkte scharf abbildet. Abweichend hiervon können die erste Messanordnung und die zweite Messanordnung in anderen Ausgestaltungen jeweils eine separate Kamera besitzen, deren Tiefenschärfe unterschiedlich ausgebildet ist. Insbesondere kann die Tiefenschärfe der zweiten Kamera größer sein als die Tiefenschärfe der ersten Kamera, wenn diese zusammen mit einem Laserlinienprojektor die erste Messanordnung bildet.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die gemeinsame Kamera eine Farbkamera.
Diese Ausgestaltung ermöglicht eine separate Aufnahme der ersten und zweiten Messwerte auf kostengünstige Weise, indem der Lichtmusterprojektor und die Punktlichtquelle beispielsweise unterschiedlicher Wellenlängen verwenden, die anhand der Lichtfarbe voneinander unterschieden werden können. Darüber hinaus ist es generell vorteilhaft, wenn die Vorrichtung zumindest eine Farbkamera besitzt, mit deren Hilfe die Farbe und/oder Textur der Oberfläche des Messobjekts bestimmt werden kann. Generell ist es bevorzugt, wenn die zumindest eine Farbkamera eine Flächenkamera ist, die mit jeder Bildaufnahme ein 2D-Bild liefert.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die dritte Messanordnung mit der ersten Messanordnung und mit der zweiten Messanordnung synchronisiert.
In dieser Ausgestaltung werden die ersten Messwerte und die dritten Messwerte zeitsynchron aufgenommen. Ebenso werden die zweiten Messwerte und die dritten Messwerte zeitsynchron aufgenommen. Vorteilhaft kann die zeitsynchrone Aufnahme der ersten und dritten Messwerte bzw. der zweiten und dritten Messwerte mit Hilfe von einem gemeinsamen Triggersignal und/oder mit Hilfe zeitsynchroner Triggersignale realisiert werden. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Auswerteeinheit ein systemweites Triggersignal erzeugen, mit dem die Aufnahme der Messwerte getriggert wird. Alternativ hierzu können die erste Messanordnung und die zweite Messanordnung jeweils ein Triggersignal erzeugen, das die Aufnahme der dritten Messwerte triggert oder umgekehrt. Die Ausgestaltungen erleichtern die lagerichtige Zusammenführung der ersten und zweiten Messwerte unter Verwendung der dritten Messwerte, da paarweise ein jeweils eindeutiger Zeitbezug bereitgestellt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung nehmen die erste Messanordnung und die zweite Messanordnung die jeweiligen ersten und zweiten Messwerte synchron zueinander auf.
In einigen Ausführungsbeispielen dieser Ausgestaltung kann die erste Messanordnung ein Triggersignal für die zweite Messanordnung bereitstellen oder umgekehrt und die erste und die zweite Messanordnung nehmen die ersten bzw. zweiten Messwerte jeweils zeitsynchron zu dem Triggersignal auf. Die Ausgestaltung ermöglicht eine kostengünstige Realisierung mit einem gemeinsamen Triggersignal für die erste und die zweite Messanordnung. Ungeachtet dessen können zweite Messwerte, die zu anderen Triggerzeitpunkten aufgenommen wurden, aufgrund der dritten Messwerte lagerichtig mit den ersten Messwerten zusammengeführt werden. Mit anderen Worten ist die Zusammenführung von ersten und zweiten Messwerten auch in dieser Ausgestaltung nicht auf die zeitsynchron aufgenommenen Messwerte beschränkt. Die Ausgestaltung profitiert von den oben genannten Vorteilen und ermöglicht außerdem, die erste und die zweite Messanordnung in einem kanonischen Modus, d.h. jeweils für sich, zu verwenden.
In einer weiteren Ausgestaltung nehmen die erste Messanordnung und die zweite Messanordnung die jeweiligen ersten und zweiten Messwerte asynchron zueinander auf.
In dieser Ausgestaltung arbeiten die erste Messanordnung und die zweite Messanordnung zeitlich asynchron und somit weitgehend unabhängig voneinander. Die Ausgestaltung macht es möglich, die erste Messanordnung und die zweite Messanordnung mit verschiedenen Belichtungszeiten, Bildaufnahmeraten und dergleichen zu betreiben. Gleichwohl können die ersten und zweiten Messwerte aufgrund der dritten Messwerte lagerichtig zusammengeführt werden. Die Ausgestaltung macht es möglich, die erste und die zweite Messanordnung auf das jeweils zugrundeliegende Messprinzip zu optimieren und sie ermöglicht somit auf effiziente Weise eine hohe Messgenauigkeit.
In einer weiteren Ausgestaltung erzeugt die erste Messanordnung die ersten Messwerte mit einer definierten räumlichen Auflösung und die Auswerteeinheit ist eingerichtet, voneinander beabstandete ersten Messwerte unter Verwendung der zweiten Messwerte zu interpolieren.
In dieser Ausgestaltung tragen die zweite und die dritte Messanordnung vorteilhaft dazu bei, die Messauflösung der ersten Messanordnung zu erhöhen, indem die „Lücken“ zwischen benachbarten ersten Messpunkten mit zweiten Messpunkten und entsprechenden zweiten Messwerten „aufgefüllt“ werden. Die Ausgestaltung ermöglicht bei gleicher Messauflösung eine höhere Messgeschwindigkeit, indem der Gehäusekörper mit einer höheren Geschwindigkeit relativ zu dem Messobjekt bewegt wird. Bei gleicher Messgeschwindigkeit ist die Messauflösung der Vorrichtung in dieser Ausgestaltung erhöht. In einigen vorteilhaften Ausführungsbeispielen ermöglicht die Vorrichtung eine erhöhte Messgeschwindigkeit und eine erhöhte Messauflösung im Vergleich zu gattungsgemäßen Vorrichtungen. Die dimensionalen und/oder geometrischen Eigenschaften des Messobjekts werden in dieser Ausgestaltung vorteilhaft unter Verwendung der interpolierten ersten Messergebnisse bestimmt.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Auswerteeinheit eingerichtet, ausgewählte erste Messwerte unter Verwendung der zweiten Messwerte zu korrigieren.
In dieser Ausgestaltung werden die dimensionalen und/oder geometrischen Eigenschaften des Messobjekts unter Verwendung der korrigierten ersten Messwerte bestimmt. Die Ausgestaltung profitiert davon, dass die erste Messanordnung und die zweite Messanordnung aufgrund ihrer unterschiedlichen Messprinzipien voneinander verschiedene Fehlersystematiken haben. Wie bereits eingangs erwähnt, führen Streifenprojektionsverfahren regelmäßig zu eher kurzweiligen/hochfrequenten Messfehlern in Form eines scheinbar zufälligen, hochfrequenten Rauschens. Im Unterschied dazu sind Messfehler bei Photometric Stereo vergleichsweise langwellig. Eine Fusion der „guten“ ersten Messwerte mit den „guten“ zweiten Messwerten ermöglicht daher eine insgesamt höhere Messgenauigkeit, insbesondere bei Messobjekten mit glänzenden Teilflächen.
In einer weiteren Ausgestaltung besitzt das Messobjekt eine Objektoberfläche mit einer Oberflächentextur, wobei die Auswerteeinheit eingerichtet ist, die Oberflächentextur des Messobjekts unter Verwendung der zweiten Messwerte zu bestimmen.
In dieser Ausgestaltung wird die zweite Messanordnung vorteilhaft verwendet, um optische und/oder haptische Eigenschaften der Objektoberfläche in Ergänzung zu den Positionen der ersten ausgewählten Messpunkte und den Oberflächennormalen an den zweiten ausgewählten Messpunkten zu bestimmen. In einigen vorteilhaften Ausführungsbeispielen werden die so gewonnenen Informationen verwendet, um Betriebsparameter der ersten Messanordnung in Abhängigkeit von den zweiten Messwerten zu bestimmen, wie etwa die Größe/Ausdehnung eines projizierten Lichtmusters, die Beleuchtungsintensität eines Lichtmusterprojektors und/oder die Relativgeschwindigkeit des Gehäusekörpers relativ zu den Messobjekt. Die Ausgestaltung ermöglicht es, die erste Messanordnung in Abhängigkeit von den Oberflächeneigenschaften des Messobjekts in einem optimalen Betriebsmodus zu betreiben und trägt daher dazu bei, die Messgenauigkeit und/oder Messgeschwindigkeit der Vorrichtung zu erhöhen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine vereinfachte Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Bestimmen von dimensionalen und/oder geometrischen Eigenschaften eines Messobjekts,
2 eine vereinfachte Darstellung eines Ausführungsbeispiels für einen relativ zu einem Messobjekt beweglichen Gehäusekörper, in dem eine erste Messanordnung und eine zweite Messanordnung integriert sind, und
3 eine vereinfachte Darstellung der Objektoberfläche eines Messobjekts mit einer Vielzahl von Messpunkten zur Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der neuen Vorrichtung.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet.
Die Vorrichtung 10 beinhaltet ein 3D-Zielverfolgungssystem 12, das in diesem Ausführungsbeispiel mehrere Kameras 14a, 14b besitzt. Das 3D-Zielverfolgungssystem 12 ist dazu eingerichtet, eine jeweils aktuelle Pose (Position und/oder Orientierung) eines Zielobjekts im Raum relativ zu einem Bezugskoordinatensystem 16 zu bestimmen. Das 3D-Zielverfolgungssystem 12 ist daher ein Beispiel für eine dritte Messanordnung im Sinne der Erfindung. Die dritte Messanordnung kann abweichend von der Darstellung in 1 in weiteren Ausführungsbeispielen eine Kamera oder mehr als zwei Kameras und/oder andere Zielverfolgungssensoren beinhalten, wie etwa LI DAR (Light Detecting and Ranging)-Sensoren und/oder Sensoren, die der Bewegung eines Zielobjekts mit Hilfe von eigenen Bewegungen folgen. Ferner kann die dritte Messanordnung in weiteren Ausführungsbeispielen ganz oder teilweise in dem Zielobjekt integriert sein und eine jeweils aktuelle Pose des Zielobjekts im Raum beispielsweise anhand von photogrammetrisch eingemessenen Marken und/oder anhand eines anderen externen Referenzsystems bestimmen, wie etwa einer bekannten 3D-Struktur im Raum. In den bevorzugten Ausführungsbeispielen liefert das 3D-Zielverfolgungssystem 12 Messwerte, die eine jeweils aktuelle Pose des Zielobjekts im Raum eindeutig definieren.
Die Kameras 14a, 14b sind hier an einem Gestell 18 montiert und auf ein Messvolumen 20 gerichtet, in dem ein Gehäusekörper 22 als zu verfolgendes Ziel beweglich angeordnet ist. Der Gehäusekörper 22 beinhaltet eine erste Messanordnung und eine zweite Messanordnung, die nachfolgend anhand der 2 und 3 in einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben werden. Wie erwähnt, könnte der Gehäusekörper 22 in weiteren Ausführungsbeispiele eine dritte Messanordnung, die eine jeweils aktuelle Pose des Gehäusekörpers im Raum eindeutig definiert, ganz oder teilweise beinhalten.
Der Gehäusekörper 22 ist hier an einem Gelenkarm 24 angeordnet und kann mit Hilfe des Gelenkarms 24 relativ zu einem Messobjekt 26 automatisiert bewegt werden. In einigen Ausführungsbeispielen kann der Gelenkarm 24 ein mehrachsiger Roboter sein, der dazu eingerichtet ist, den Gehäusekörper 22 an einer Vielzahl von Raumpositionen innerhalb des Messvolumens 20 und/oder in eine Vielzahl von Orientierungen relativ zu dem Messobjekt 26 zu positionieren. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Messobjekt 26 auf einem Werkstücktisch 28 angeordnet. Der Gelenkarm 24 kann relativ zu dem Werkstücktisch 28 entlang einer oder mehrerer Linearachsen verfahrbar sein, was hier mit einem Doppelpfeil 30 vereinfacht dargestellt ist. In weiteren Ausführungsbeispielen kann das Messobjekt 26 auf einer Fördereinrichtung, wie etwa einem Förderband (hier nicht dargestellt) angeordnet sein, das sich relativ zu dem Gestell 16 und/oder dem Gelenkarm 24 bewegt. Das Messobjekt 26 kann eine bekannte 3D-Struktur besitzen, die es der dritten Messanordnung möglich macht, eine aktuelle Pose des Gehäusekörpers relativ zu dem Messobjekt 26 zu bestimmen. Die bekannte Struktur kann der dritten Messanordnung in Form von CAD-Daten bereitgestellt sein.
Abweichend von der Darstellung in 1 kann der Gehäusekörper 22 in weiteren Ausführungsbeispielen handgeführt sein, insbesondere ein von einem Bediener in einer Hand gehaltener Scankopf sein, wie nachfolgend anhand der 2 und 3 beschrieben ist.
Die erste Messanordnung in dem Gehäusekörper 22 definiert ein Sensorkoordinatensystem 32 und nimmt (erste) Messwerte auf, die die jeweilige Position von ersten Messpunkten an dem Messobjekt relativ zu dem Sensorkoordinatensystem 32 repräsentieren. Das Sensorkoordinatensystem 32 kann ein 2D-Koordinatensystem oder ein 3D-Koordinatensystem sein. Zusammen mit den (dritten) Messwerten des 3D-Zielverfolgungssystems 12 liefert die Vorrichtung 10 6D-Informationen zu den ausgewählten/gescannten Messpunkten relativ zu dem Bezugskoordinatensystem 16 oder einem weiteren, hier nicht dargestellten Koordinatensystem, wie etwa einem Messobjektkoordinatensystem. Den einschlägigen Fachleuten ist bekannt, dass die genannten Koordinatensysteme mit Hilfe geeigneter Koordinatentransformationen ineinander überführt werden können. Die geeigneten Koordinatentransformationen werden üblicherweise im Rahmen einer Kalibrierung der Vorrichtung 10 bestimmt.
In einigen Ausführungsbeispielen sind an dem Gehäusekörper 22 definierte Zielmarken 34 so angeordnet, dass die Zielmarken 34 innerhalb des Messvolumens 20 mit Hilfe des 3D-Zielverfolgungssystems 12 erfasst werden können. Es können eine oder mehrere Zielmarken 34 an mehreren Gehäuseseiten des Gehäusekörper 22 angeordnet sein, wie dies in 1 beispielhaft dargestellt ist. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen sind die Zielmarken gemäß der eingangs genannten EP 3 321 883 A1 ausgebildet und das 3D-Zielverfolgungssystem 12 arbeitet nach einem Verfahren, wie es in EP 3 321 883 A1 (hier durch Bezugnahme aufgenommen) beschrieben ist. In anderen Ausführungsbeispielen können die Zielmarken Retroreflektoren beinhalten, die einen von der dritten Messanordnung ausgesendeten Lichtstrahl zu seinem Sender zurück reflektieren. In weiteren Ausführungsbeispielen können die Zielmarken Lichtquellen beinhalten, insbesondere in Form einer oder mehrere LEDs, wobei diese Lichtquellen ein Lichtsignal bereitstellen, mit dessen Hilfe die Pose des Gehäusekörpers in dem Messvolumen 20 anhand von Kamerabildern bestimmt werden kann.
Die Vorrichtung 10 beinhaltet ferner eine Auswerteeinheit 36, die in einigen Ausführungsbeispielen dazu eingerichtet sein kann, zusätzlich zu der Verarbeitung der ersten, zweiten und dritten Messergebnisse auch die Bewegung des Gehäusekörpers 22 relativ zu dem Messobjekt 26 mit Hilfe des Gelenkarms 24 automatisiert zu steuern. In anderen Ausführungsbeispielen kann sich die Funktion der Auswerteeinheit 36 auf die Verarbeitung der ersten, zweiten und dritten Messergebnisse beschränken, insbesondere wenn die erste und die zweite Messanordnung mit dem Gehäusekörper 22 handgeführt sind. Vorteilhaft steuert und koordiniert die Auswerteeinheit 36 die Aufnahme der ersten, zweiten und dritten Messwerte mit der ersten, zweiten und dritten Messanordnung. Dementsprechend kann die Auswerteeinheit 36 in einigen Ausführungsbeispielen ein oder mehrere Triggersignale (hier nicht dargestellt) erzeugen, die der ersten, zweiten und/oder dritten Messanordnung zugeführt sind und mit denen die Aufnahme der jeweiligen Messwerte getriggert wird.
Die Auswerte- und Steuereinheit 36 kann in einigen Ausführungsbeispielen einen handelsüblichen Personal Computer beinhalten, der mit einem handelsüblichen Betriebssystem arbeitet, wie etwa Microsoft Windows, OSX oder Linux. Alternativ oder ergänzend kann die Auswerteeinheit 36 eine CNC-Robotersteuerung und/oder eine speicherprogrammierbare Maschinensteuerung beinhalten. Die Auswerte- und Steuereinheit 36 kann mehrere Auswerte- und/oder Steuereinheiten beinhalten, die über ein geeignetes Kommunikationsnetzwerk, wie etwa Ethernet, EtherCAT, Profinet, Devicenet o.ä miteinander gekoppelt sind.
Die Auswerte- und Steuereinheit 36 besitzt eine Speichereinheit und/oder ist mit einer Speichereinheit gekoppelt, in der ein Auswerte- und/oder Steuerprogramm 38 gespeichert ist. Des Weiteren kann die Speichereinheit die ersten Messwerte 40 von der ersten Messanordnung, die zweiten Messwerte 42 von der zweiten Messanordnung und die dritten Messwerte 44 von dem 3D-Zielverfolgungssystem 12 temporär und/oder permanent speichern.
In 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines handgeführten Scankopfes mit einer ersten Messanordnung und einer integrierten zweiten Messanordnung in einer vereinfachten Darstellung gezeigt. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dieselben Elemente wie zuvor.
Der Scankopf besitzt einen Gehäusekörper 22, der hier mit einem Handgriff 50 verbunden ist. Das Design des Gehäusekörpers 22 und des Handgriffs 50 kann von der Darstellung in 2 abweichen und insbesondere in Bezug auf die Ergonomie für eine Bedienerführung optimiert sein. Anstelle des Handgriffs 50 könnte der Scankopf in anderen Ausführungsbeispielen eine mechanische Schnittstelle aufweisen (hier nicht dargestellt), über die der Scankopf an dem Gelenkarm 24 lösbar befestigt werden kann. In einigen Ausführungsbeispielen kann der Scankopf sowohl einen Handgriff 50 als auch eine Schnittstelle zur Befestigung an einem Gelenkarm 24 besitzen, so dass der Scankopf wahlweise handgeführt oder automatisiert bewegt werden kann.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel besitzt der Scankopf eine erste Kamera 52 und einen Projektor 54, die zusammen eine erste Messanordnung bilden. Der Projektor 54 ist hier eingerichtet, eine Laserlinie 56 auf eine Messobjektoberfläche (hier nicht dargestellt) zu projizieren. Die Kamera 52 ist eingerichtet, ein Bild von der Messobjektoberfläche mit der Laserlinie 56 aufzunehmen. In 2 ist der Bilderfassungsbereich der Kamera 52 mit der Bezugsziffer 58 bezeichnet. In einigen Ausführungsbeispielen kann der Bilderfassungsbereich 58 recht eng auf die Laserlinie 56 beschränkt sein. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Bilderfassungsbereich 58 einen umgebenden Bereich um die Laserlinie 56 herum aufnehmen, wie dies in 2 dargestellt ist. In weiteren Ausführungsbeispielen kann der Projektor 54 mehrere Laserlinien erzeugen (hier nicht dargestellt), die parallel zueinander und/oder gekreuzt zueinander verlaufen. In diesen Ausführungsbeispielen ist es bevorzugt, wenn der Bilderfassungsbereich 58 alle projizierten Laserlinien in einem Bild aufnehmen kann.
Die zweite Messanordnung beinhaltet hier eine zweite Kamera 60 mit einem Bilderfassungsbereich 62 und eine Punktlichtquelle 64. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt der Sensorkopf drei Punktlichtquellen 64, 64a, 64b, die parallel zu der Laserlinie 56 nebeneinander angeordnet sind. Mit Hilfe der Punktlichtquellen 64, 64a, 64b kann der Sensorkopf die Messobjektoberfläche in einer Pose aus unterschiedlichen Richtungen beleuchten. Zusätzlich kann der Sensorkopf die Messobjektoberfläche aus unterschiedlichen Richtungen beleuchten, sobald er relativ zu dem Messobjekt bewegt wird. Mit Hilfe der zweiten Kamera 60 werden Bilder von der Messobjektoberfläche mit den verschiedenen Beleuchtungen aufgenommen und die Auswerteeinheit 36 kann mit Hilfe des Verfahrens Photometric Stereo Oberflächennormalen aus den verschiedenen Beleuchtungsbildern bestimmen, wie dies in den eingangs genannten Publikationen erläutert ist. Die Anordnung mehrerer Punktlichtquellen 64, 64a, 64b parallel zu der Laserlinie 56 macht es insbesondere möglich, die Messauflösung der ersten Messanordnung auf der Laserlinie 56 mit Hilfe der (zweiten) Messwerte der zweiten Messanordnung zu erhöhen.
In einigen Ausführungsbeispielen ist der Bilderfassungsbereich 62 der zweiten Messanordnung größer als der Bilderfassungsbereich 58 der ersten Messanordnung. In anderen Ausführungsbeispielen (hier nicht dargestellt) können die Bilderfassungsbereiche der ersten und zweiten Kamera gleich sein. Prinzipiell ist es möglich, dass die erste Messanordnung und die zweite Messanordnung eine gemeinsame Kamera verwenden, etwa die Kamera 60.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Kamera 60 als Flächenkamera ausgebildet. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Kamera 52 als Zeilenkamera ausgebildet sein, wenngleich auch die Kamera 52 in bevorzugten Ausführungsbeispielen als Flächenkamera ausgebildet ist.
In einigen Ausführungsbeispielen projiziert der Projektor 54 die Laserlinie 56 mit einer Lichtwellenlänge 66, die sich von der Lichtwellenlänge 68 der Punktlichtquelle 64, 64a unterscheidet. In diesen Ausführungsbeispielen besitzen die Kameras 52, 60 bevorzugt jeweils ein Bandpassfilter, das auf die entsprechende Lichtwellenlänge 66 bzw. 68 abgestimmt ist. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in 2 nur ein Bandpassfilter 70 symbolisch vor der Kamera 52 angedeutet. Wie den einschlägigen Fachleuten bekannt ist, können entsprechende Bandpassfilter beispielsweise durch eine Beschichtung der jeweiligen Kameraoptiken und/oder durch geeignete optische Filterelemente im jeweiligen Strahlengang der Kameras 52, 60 realisiert sein.
In allen bevorzugten Ausführungsbeispielen sind die erste Messanordnung, hier also die Kamera 52 und der Projektor 54, und die zweite Messanordnung, hier also die Kamera 60 und die Punktlichtquellen 64, 64a, 64b relativ zueinander raumfest an dem Gehäusekörper 22 gehalten. In den bevorzugten Ausführungsbeispielen wird die Position der ersten Messanordnung relativ zu der zweiten Messanordnung mit Hilfe einer Kalibrierung individuell bestimmt und es werden entsprechende Kalibrierwerte (hier nicht dargestellt) in der Speichereinheit der Auswerteeinheit 36 und/oder in einer Speichereinheit des Scankopfes gespeichert. Dementsprechend können die ersten Messwerte der ersten Messanordnung und die zweiten Messwerte der zweiten Messanordnung in einer Pose des Scankopfes lagerichtig in Bezug auf die jeweils erfassten Objektpunkte an dem Messobjekt zusammengeführt werden. Mit Hilfe der dritten Messwerte von dem 3D-Zielverfolgungssystem 12 können zudem erste Messwerte und zweite Messwerte, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten und aus unterschiedlichen Posen aufgenommen wurden, lagerichtig in Bezug auf die tatsächlichen Messpunkte an dem Messobjekt zusammengeführt werden.
In 3 ist ein Ausschnitt aus der Oberfläche eines Messobjekts mit der Bezugsziffer 74 bezeichnet. Die Messobjektoberfläche 74 kann eine Textur 76 aufweisen, beispielsweise in Form einer Rauigkeit und/oder als Farbe, die das Reflexionsverhalten der Messobjektoberfläche 74 beeinflusst.
Auf der Messobjektoberfläche 74 sind hier drei Laserlinien 56a, 56b, 56c dargestellt, die in Richtung eines Pfeils 78 parallel zueinander versetzt sind. Der Pfeil 78 symbolisiert eine Bewegungsrichtung, in der der Scankopf aus 2 relativ zu der Messobjektoberfläche 74 bewegt wurde. Die Laserlinien 56a, 56b, 56c symbolisieren die jeweilige Position der Laserlinie 56 zu verschiedenen Bildaufnahmezeitpunkten mit der Kamera 52.
Mit den Bezugsziffern 80, 82, 84 sind drei erste Messpunkte auf der Messobjektoberfläche 74 bezeichnet. Die Messpunkte 80, 82, 84 liegen auf der Laserlinie 56a und die Vorrichtung 10 ist in der Lage, zu jedem der Messpunkte 80, 82, 84 erste Messwerte unter Verwendung der bekannten räumlichen Anordnung von der ersten Kamera 52 und dem Musterprojektor 54 sowie unter Verwendung von trigonometrischen Beziehungen entsprechend 2 zu bestimmen. Das genaue Verfahren ist den einschlägigen Fachleuten von bekannten Laserscannern, die mit einer Laserlinie arbeiten, bekannt. Den Fachleuten ist ferner bekannt, dass die Auflösung der Kamera 52 entlang der Laserlinie 56 die „Dichte“ der Messpunkte 80, 82, 84 entlang der Laserlinie 56 bestimmt.
Entlang der zeitlich später aufgenommenen Laserlinien 56b, 56c sind weitere erste Messpunkte entsprechend den Messpunkten 80, 82, 84 dargestellt. In Bewegungsrichtung 78 hängt die Auflösung der ersten Messanordnung von der sog. Bildwiederholrate ab, d.h. von der Geschwindigkeit, mit der die erste Kamera 52 während der Bewegung des Scankopfes aufeinanderfolgende Bilder von der Laserlinie 56 aufnehmen kann.
Bei den Bezugsziffern 88, 90 sind zwei zweite Messpunkte angedeutet, an denen zweite Messwerte mit Hilfe der zweiten Messanordnung aufgenommen wurden. Mit den Bezugsziffern 92, 94 sind zwei Pfeile bezeichnet, die jeweils eine Oberflächennormale an dem entsprechenden Messpunkt 88, 90 symbolisieren. Jede Oberflächennormale ist ein Vektor, der an den entsprechenden Messpunkt senkrecht auf der Objektoberfläche 74 steht und daher eine lokale Neigung der Objektoberfläche in den entsprechenden Messpunkt repräsentiert. Die Oberflächennormalen 90, 92 sind in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel nach dem Verfahren Photometric Stereo aus mehreren Bildern der Objektoberfläche mit verschiedenen Beleuchtungen bestimmt.
Wie in 3 dargestellt ist, können mit Hilfe der zweiten Messanordnung zweite Messpunkte 88, 90 auf der Objektoberfläche 74 gemessen werden, die zwischen den ersten Messpunkten 80, 82, 84 liegen, und zwar sowohl entlang der Laserlinie 56 als auch zwischenzeitlich aufeinanderfolgenden Laserlinienbildern. Dementsprechend kann mit Hilfe der zweiten Messanordnung die Messauflösung der Vorrichtung 10 im Vergleich zu einer Vorrichtung, die allein mit einem Laserlinienscanner arbeitet, erhöht werden. Alternativ oder ergänzend kann die Messgeschwindigkeit, mit der der Scankopf relativ zu der Messobjektoberfläche 74 bewegt wird, bei gleicher Bildwiederholrate der ersten Kamera 52 erhöht werden. Des Weiteren kann mit Hilfe der Oberflächennormalen die Textur 76 der Objektoberfläche bestimmt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010007396 A1 [0008]
DE 102015203396 A1 [0009]
EP 3321883 A1 [0010, 0048]

Claims

Vorrichtung zum Bestimmen von dimensionalen und/oder geometrischen Eigenschaften eines Messobjekts (26), mit einer ersten Messanordnung (52, 54), die ein erstes Koordinatensystem (32) definiert und eingerichtet ist, erste Messwerte (40) aufzunehmen, wobei die ersten Messwerte (40) jeweilige Positionen von ersten ausgewählten Messpunkten (80, 82, 84) an dem Messobjekt (26) relativ zu dem ersten Koordinatensystem (32) repräsentieren, mit einer zweiten Messanordnung (60, 64), die eingerichtet ist, zweite Messwerte (42) aufzunehmen, wobei die zweiten Messwerte (42) jeweilige Oberflächennormalen (92, 94) an zweiten ausgewählten Messpunkten (88, 90) an dem Messobjekt (26) repräsentieren, und mit einer Auswerteeinheit (36), die dazu eingerichtet ist, die dimensionalen und/oder geometrischen Eigenschaften des Messobjekts (26) unter Verwendung der ersten und der zweiten Messwerte (40, 42) zu bestimmen, gekennzeichnet durch einen Gehäusekörper (22), der relativ zu dem Messobjekt (26) bewegbar ist und an dem die erste und die zweite Messanordnung raumfest zueinander angeordnet sind, und gekennzeichnet durch eine dritte Messanordnung (12), die ein weiteres Koordinatensystem (16) definiert und eingerichtet ist, dritte Messwerte (44) aufzunehmen, wobei die dritten Messwerte (44) eine aktuelle Pose des Gehäusekörpers (22) relativ zu dem weiteren Koordinatensystem (16) repräsentieren, wobei die Auswerteeinheit (36) eingerichtet ist, die ersten Messwerte (40) und die zweiten Messwerte (42) unter Verwendung der dritten Messwerte (44) lagerichtig zusammenzuführen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Messanordnung einen Lichtmusterprojektor (53) und eine erste Kamera (52) beinhaltet, die in einer definierten Pose relativ zu dem Lichtmusterprojektor an dem Gehäusekörper (22) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Messanordnung eine Punktlichtquelle (64) und eine zweite Kamera (60) beinhaltet, die in einer definierten Pose relativ zu der Punktlichtquelle (64) an dem Gehäusekörper (22) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Messanordnung und die zweite Messanordnung eine gemeinsame Kamera verwenden.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Kamera eine Farbkamera ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Messanordnung (12) mit der ersten Messanordnung und mit der zweiten Messanordnung synchronisiert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Messanordnung und die zweite Messanordnung die jeweiligen ersten und zweiten Messwerte (40, 42) zeitsynchron zueinander aufnehmen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Messanordnung und die zweite Messanordnung die jeweiligen ersten und zweiten Messwerte (40, 42) asynchron zueinander aufnehmen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Messanordnung die ersten Messwerte (40) mit einer definierten räumlichen Auflösung erzeugt, wobei die Auswerteeinheit (36) eingerichtet ist, voneinander beabstandete ersten Messwerte unter Verwendung der zweiten Messwerte zu interpolieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (36) eingerichtet ist, ausgewählte erste Messwerte unter Verwendung der zweiten Messwerte zu korrigieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Messobjekt (26) eine Objektoberfläche (74) mit einer Oberflächentextur (76) besitzt, wobei die Auswerteeinheit (36) eingerichtet ist, die Oberflächentextur (76) des Messobjekts (26) unter Verwendung der zweiten Messwerte zu bestimmen.