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Die vorliegende Erfindung betrifft sowohl ein Gerät zur
Bestimmung der Topographie einer Oberfläche durch die
Vermessung des Normalvektors der Oberfläche Punkt für Punkt
als auch Geräte zur Bestimmung der Oberflächenkrümmung in
denselben Punkten und Geräte zur Bestimmung der
Orientierung, der Position, der Form und Größe von Löchern
in der Oberfläche.
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Die besagten Geräte basieren auf dem Gebrauch von
optoelektronischen Sensoren für die Messung von räumlichen
Positionen von aktiven Lichtquellen, wie es zum Beispiel
von zwei der Erfindern (Pettersen und R tvold) in der
norwegischen Patentanmeldung No. 881579 beschrieben wird.
Ein Zusatzarbeitsgerät, welches es erlaubt, sowohl
Meßpunkte an einer Oberfläche zu markieren als auch die
Position von Punkten, die von dem Sensor versteckt sind, zu
bestimmen, wurde zuvor von einem der Erfinder (Lindqvist)
entwickelt, betreff der schwedischen Patentveröffentlichung
No. 456454. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf
eine weitere Entwicklung dieses Zusatzarbeitsgerätes, da
dieses nun sowohl die Bestimmung des Normalvektors der
Oberfläche Punkt für Punkt, möglicherweise ihre Krümmung an
diesen Punkten, als auch die Bestimmung der Position, Form,
Größe und die Orientierung von Löchern in der Oberfläche
erlaubt.
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In der Industrie herrscht ein großer Bedarf, die
Topographie von Oberflächen zu kartieren. In dieser
Hinsicht ist die Autoindustrie ein Beispiel, in der ein
Bedarf besteht, die Qualität von hergestellten, gekrümmten
Oberflächen zu kontrollieren und die Modelloberflächen
während des Design-Prozesses digital darzustellen.
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Im Hinblick auf den Gebrauch von computerunterstützten
Entwurfsysteme wird der Normalvektor der Oberfläche sehr
oft benutzt, um ihre Form zu beschreiben. Dies ergibt
zusätzlich zu den Koordinaten von Punkten an der Oberfläche
wertvolle Informationen. Alle bekannten Methoden zur
Vermessung von Objekten basieren auf Messungen von den
Koordinaten einzelner Punkte. Es gibt keine bekannte
Methoden für eine direkte, physikalische Messung des
Normalvektors Punkt für Punkt über eine Oberfläche.
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Die gegenwärtigen Meßtechniken basieren zum großen
Teil auf Maschinen, die mechanisch die Koordinaten
vermessen und die es nur ermöglichen, die räumlichen
Koordinaten von Punkten an der Oberfläche zu bestimmen.
Der Normalvektor muß in diesem Falle von den Koordinaten
von benachbarten Punkten abgeleitet werden. Dieselben
Begrenzungen sind für alle bekannten Systeme gültig, die
zum Beispiel durch den Gebrauch von Videokameras,
Laserabtastung oder konventioneller Photogrammetrie, die
darauf beruht, Photos von markierten Punkten an einem
Objekt oder an einer Oberfläche zu machen, auf Messungen
ohne Kontakt basieren.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die
Koordinatenwerte, die Punkt für Punkt vermessen werden,
durch die Information über den Normalvektor der Oberfläche
und eventuell über ihre Krümmung in demselben Punkt zu
ergänzen. Ein Meßpunkt kann frei irgendwo auf der
Oberfläche ausgewählt werden, oder er kann durch den Rand
der Oberfläche definiert werden. Weiterhin ist es eine
Aufgabe, Löcher in der Oberfläche oder in dem Objekt durch
die Bestimmung der Position, des Durchmessers und der
Orientierung der Löcher völlig zu beschreiben.
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Das Gerät basiert auf dem Gebrauch von bewegbaren
Sensoren. Dies ermöglicht es, große Objekte ohne den
Bedarf, sie in ein Meßlaboratorium zu transportieren, zu
vermessen. Die besagten Zusatzarbeitsgeräte können ebenso
dazu benutzt werden, die Beziehung zwischen den
Koordinatensystemen in Frage, d. h. den inneren
Koordinatensystemen der Sensoren und dem Koordinatensystem
des Objektes, zu bestimmen. Die Bestimmung dieser
Beziehungen basiert auf photogrammetrischen Grundsätzen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dies von einer
Sonde, die einen Körper, ein Minimum von zwei Lichtquellen
und drei Kontaktpunkten oder eine ebene Kontaktoberfläche
umfaßt und in der die Positionen der besagten Lichtquellen
bezüglich der Kontaktpunkte oder der Kontaktoberfläche
bekannt sind, auf eine solche Weise erreicht, daß, wenn die
räumliche Position (Koordinaten) von diesen Lichtquellen
mit Hilfe der besagten Sensoren gemessen wird, dies die
Grundlage für die Berechnung der Koordinaten von den
besagten Kontaktpunkten, als auch den Normalvektor zu der
Ebene ergibt, die durch die Kontaktpunkte oder die
Kontaktoberfläche definiert wird.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Sonden
vorgeschlagen, die zwei oder drei Lichtquellen umfaßen.
Weiterhin werden verschiedene Wege vorgeschlagen, die
Kontaktpunkte oder die Kontaktoberfläche der Sonde zu
gestalten, um daher zusätzlich in der Lage zu sein, die
Krümmung der Oberfläche oder den Normalvektor an der
Oberfläche in den Punkten, die durch den Rand der
Oberfläche definiert sind, zu bestimmen. Weiterhin wird
eine spezielle Gestaltung der Sonde vorgeschlagen, um es zu
erlauben, die Position, Orientierung, Form und Größe von
Löchern in der Oberfläche zu bestimmen.
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Weitere charakteristische Eigenschaften werden in den
nachfolgenden Patentansprüchen sowie auch in der folgenden
Beschreibung der Beispiele, die die Erfindung nicht
limitieren, mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen
gegeben.
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Es zeigen:
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Figur 1 ein Meß-Szenario, in dem zwei Sensoren und
ein Zusatzarbeitsgerät benutzt werden, um
die Normale der Oberfläche zu bestimmen.
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Figur 2 a-b die Grundkonstruktion des
Zusatzarbeitsgerätes, das auf einer ebenen
Kontaktoberfläche basiert.
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Figur 3 a-b ein Zusatzarbeitsgerät, das auf drei
Kontaktstiften basiert.
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Figur 4 a-b ein Zusatzarbeitsgerät, welches
zusätzlich zu der Normalen der Oberfläche
auch ein direktes Maß der Krümmung der
Oberfläche in dem Meßpunkt ergibt.
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Figur 5 ein Arbeitsgerät, welches sowohl die
Normale der Oberfläche in einem Punkt, der
durch ein Loch in der Oberfläche definiert
ist, als auch zusätzlich ein Maß für die
Position und den Durchmesser des Loches
ergibt.
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Figur 6 ein Arbeitsgerät zur Bestimmung der
Richtung, Position und Durchmesser eines
Loches.
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Figur 7 a-c Arbeitsgeräte zur Bestimmung des
Normalvektors an dem Rand einer Oberfläche.
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Der Gebrauch eines Meßgerätes gemäß der vorliegenden
Erfindung umfaßt die Positionierung von zwei Sensoren 1, 2
zur Bestimmung von Positionen von Lichtquellen oder
Lichtpunkten, die sich auf einer Oberfläche 3 befinden.
Die Sensoren können entweder von der Art, die in der
norwegischen Patentanmeldung 881579 beschrieben ist, oder
sie können andere lichtsensitive Detektoren sein. Ein
Zusatzarbeitsgerät 4 wird an der benötigten Position an der
Oberfläche lokalisiert. Die Grundkonstruktion des Gerätes
wird in Figuren 2 a-b und 3 a-b gezeigt. Es besteht aus
einem Körper 5 mit den Lichtquellen 6-8 und einer ebenen
Kontaktoberfläche 9 (Figur 2) oder drei Kontaktstiften 10-
12 (Figur 3). Eine Sonde, die drei Lichtquellen besitzt,
kann zum Beispiel einen T-förmigen Körper (Figuren 2-a, 3
a-b) besitzen, der eine Lichtquelle in jedem Ende des
lateralen Balkens und eine an dem Fuße der senkrechten
Stange montiert hat. Der Gebrauch von drei Lichtquellen
ist von Vorteil, da dies eine eindeutige Definition des
Normalvektors ergibt
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Das Messungsprinzip ist, daß die beiden (oder
mehreren) Sensoren die Position der individuellen
Lichtquellen registrieren. Basierend auf der Information
über die Position der Lichtquellen an dem Arbeitsgerät
werden die Position und die Orientierung des Arbeitsgerätes
als ein Ganzes berechnet. Zum Beispiel können
photogrammetrische Berechnungsmethoden für diese
Berechnungsprinzipien benutzt werden.
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Die minimale Anzahl an Lichtquellen ist zwei, wie es
in Figur 2-b gezeigt wird. Dies erfordert, daß die beiden
Lichtquellen 7-8 auf einer Linie montiert werden, die
parallel zu dem Normalvektor ist oder die mit ihm
zusammenfällt. Wenn die Positionen der Lichtquellen
relativ zu dem Punkt bekannt sind, in dem die Linie durch
die beiden Lichtquellen die Ebene, die durch die
Kontaktoberfläche oder die drei Kontaktpunkte definiert
ist, schneidet, ergibt dies die Grundlage für eine
Berechnung der räumlichen Koordinaten von diesem Punkt
zusätzlich zu dem Normalvektor.
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Wenn drei oder mehr Lichtquellen 6-8 benutzt werden,
können diese willkürlich in Beziehung zu den Kontaktpunkten
10-12 montiert werden, vorausgesetzt, daß die Lichtquellen
nicht in einer geraden Linie lokalisiert sind. Die
Positionen der Lichtquellen müssen mit Bezug auf ein
örtliches, Arbeitsgerät-fixiertes Koordinatensystem bekannt
sein. Dieses örtliche Koordinatensystem wird durch die
Position und Orientierung der Kontaktstifte 10-12 oder
durch die Kontaktoberfläche 9 definiert werden. Wenn die
Positionen der individuellen Lichtquellen bezüglich eines
globalen Koordinatensystems oder eines Koordinatensystems,
das bezüglich des Objektes festgesetzt ist, bemessen
werden, dann wird die Position und Orientierung des Gerätes
durch eine einfache Koordinatentransformation berechnet.
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Der Körper 5 des Zusatzarbeitsgerätes muß nicht
senkrecht zu der Kontaktoberfläche 9 oder zu der
Oberfläche, die durch die drei Kontaktstifte 10-12
definiert wird, montiert werden. Im Gegenteil, für viele
Anwendungen ist es von Vorteil, den Körper in einem Winkel
zu montieren, um es dadurch leichter zu machen, Zugang zu
teilweise versteckten Oberflächen zu bekommen.
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Durch den Gebrauch des Zusatzarbeitsgerätes wird der
Normalvektor der Ebene, die durch die Kontaktoberfläche 9
oder durch die Kontaktstifte 10-12 definiert wird,
bestimmt. Es ist wichtig, daß die Größe und Form der
Kontaktoberfläche oder der Abstand zwischen den
Kontaktpunkten an die Krümmung der Oberflächen, die
vermessen werden sollen, angepaßt ist. Wenn die Oberfläche
innerhalb von Dimensionen, die in der gleichen
Größenordnung wie der Abstand zwischen den Kontaktstiften
liegen, stark gekrümmt ist, dann wird die Normale der
Oberfläche nicht definiert sein oder bestens wird eine
durchschnittliche Normale der Oberfläche vermessen.
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Figur 4 a-b zeigt Arbeitsgeräte, die zusätzlich zu der
Normalen der Oberfläche auch Informationen über die
Krümmung der Oberfläche liefern. In Figur 4-a ist ein
vierter Kontaktstift 13, der sich frei parallel zu der
Normalen der Oberfläche, die durch die Stifte 10-12
definiert wird, bewegen kann, in einem Loch 15 montiert.
Eine Lichtquelle 14 ist an dem bewegbaren Stift 13
angebracht. Die Position dieser Lichtquelle 14 in
Beziehung zu den anderen Lichtquellen 6-8 ergibt die
Grundlage für die Berechnung der Krümmung der Oberfläche.
Die berechnete Krümmung wird ein Durchschnitt für die
Fläche sein, die durch die drei Kontaktstifte begrenzt
wird.
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Dieselbe Funktion würde dadurch erreicht werden, daß
der Stift 13 fest an dem Körper 5 des Arbeitsgerätes
montiert wird, daß die drei Kontaktstifte 10-12 so montiert
werden, daß sie parallel als eine Einheit zu der Normalen
der Oberfläche bewegt werden können und daß die Lichtquelle
14 daran bewegt wird.
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In Figur 4-b sind zwei Arme 25-26 an dem Körper des
Arbeitsgerätes 5 unter Benutzung von rotierenden Adaptoren
31-32 befestigt. Lichtquellen 27-28 sind an jedem der Arme
angebracht. Die Oberfläche wird von den Stiften 29-30
berührt. Die feder-gelagerten Verbindungen 31-32 stellen
sicher, daß die Kontaktstifte nach unten gegen die
Oberfläche gezwungen werden. Die Position der Lichtquellen
27-28 bezüglich der anderen Lichtquellen 6-8 ergibt ein Maß
für die Krümmung der Oberfläche.
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Figur 5 zeigt eine Variation des Arbeitsgerätes von
Figur 4-a, die entwickelt wurde, um die Normale der
Oberfläche in Punkten zu bestimmen, die durch ein Loch 17
in der Oberfläche 3 gegeben sind. Ein konisch geformter
Stift 16 ist innerhalb eines Loches 15 in der vertikalen
Richtung bewegbar. Eine Lichtquelle 14 ist an dem Stift
befestigt. Die Position dieser Lichtquelle bezüglich zu
den anderen Lichtquellen 6-8 zeigt, wie tief der Stift 16
in das Loch 17 dringt. Wenn die Form des Stiftes bekannt
ist, ist das eine Grundlage, um den Durchmesser des Loches
zusätzlich zu dem Zentrum des Loches zu berechnen. Wie es
oben erklärt wurde, würde derselbe Effekt durch den
Gebrauch eines festen Stiftes 16 erreicht werden, wenn drei
Stifte 10-12 zusammen entlang der senkrechten Achse
montiert werden würden.
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Das Arbeitsgerät zur Bestimmung des Durchmessers eines
Loches, wie oben beschrieben wird, ist auf kreisformige
Löcher in dünnen Oberflächen beschränkt. Figur 6 zeigt ein
Arbeitsgerät, welches benutzt werden kann, um die
Orientierung, die Position, den Durchmesser und die Form
von dem Loch 17 zu bestimmen. Der Stift ist in diesem
Falle wie ein Zylinder 18 ausgebildet. Dieser Zylinder
wird angrenzend an den Rand des Loches in einem Minimum von
drei unterschiedlichen Positionen gehalten. Ein Rand 19
ist so an der Spitze des Zylinders 18 befestigt, daß die
Tiefe innerhalb des Loches 17 gut definiert wird.
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Die längliche Achse des Zylinders 18 kreuzt die Ebene,
die durch den Rand 19 definiert wird, in einem gut
definierten Punkt. Die Positionen der Lichtquellen 6-8
sind bezüglich dieses Punktes bekannt. In dem Falle von
kreisförmigen Löchern 17, die senkrecht in die Oberfläche
gebohrt sind, sind drei Meßpositionen ausreichend, um die
Position (Zentrum), Orientierung und den Durchmesser des
Loches zu bestimmen. Die Messungen ergeben die räumlichen
Koordinaten von drei Punkten auf einem Kreis, der sein
Zentrum in dem Zentrum des Loches hat und der einen
Durchmesser besitzt, der gleich dem Durchmesser des Loches
minus dem Durchmesser des Zylinders ist. Dies ist selbst
dann gültig, wenn die Orientierung des Loches nicht
senkrecht zu der Oberfläche ist, wie zum Beispiel, wenn die
Durchschneidung zwischen dem Loch und der Oberfläche eine
Ellipse ist. Wenn andererseits das Loch die Form einer
Ellipse besitzt, wird ein Minimum von vier Meßpunkten
benötigt.
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Das vorgeschlagene Zusatzarbeitsgerät von einer
zylindrischen Form zur Bestimmung von Löchern kann durch
ein Arbeitsgerät ersetzt werden, welches eine andere Form
besitzt, zum Beispiel durch eines, das eine gut definierte
Kante besitzt, die die Seite des Loches berührt. Die
wesentlichen Eigenschaften sind, daß das Arbeitsgerät eine
gut definierte Kontaktoberfläche oder Linie besitzt, sodaß
das Arbeitsgerät natürlicherweise parallel zu der Achse des
Zentrums des Loches positioniert wird, und daß die
Kontaktoberfläche oder Linie bekannt ist und bezüglich der
Positionen der Lichtquellen gut definiert ist.
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Es besteht oft ein besonderer Bedarf, die Normale der
Oberfläche an dem Rande von einer Oberfläche 3 oder entlang
von Eigenschaftslinien oder Einschnitten in der Oberfläche
zu bestimmen. In Figur 7-a wird gezeigt, wie die drei
Kontaktstifte 20-22 ausgebildet werden können, um die
Normale der Oberfläche in einem gut definierten Abstand von
dem Rand der Oberfläche zu bestimmen. In Figuren 7 b-c
werden die drei Kontaktstifte durch eine Kontaktoberfläche
23 ersetzt. Diese Oberfläche wird an dem Körper 5 des
Zusatzarbeitsgerätes unter Benutzung eines rotierenden
Kupplungsstückes 24 montiert. Dies erlaubt die Benutzung
des gleichen Arbeitsgerätes um den äußeren Rand der
kompletten Oberfläche herum, da der Körper und die
Lichtquellen des Arbeitsgerätes immer in Richtung auf die
Sensoren des Meßsystems zu gerichtet werden können.
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Ein Beispiel für den Bedarf einer Bestimmung der
Normalen der Oberfläche an dem Rande einer Oberfläche sind
die Anforderungen in der Automobilindustrie bezüglich der
bündigen Abschließung zwischen den Körperteilen des Autos.
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Die bedeutet, daß zum Beispiel die Ränder der montierten
Motorhaube und des Kotflügels bündig abschließend sein
sollten. Dasselbe gilt für das Beispiel des Übergangs
zwischen dem Kotflügel und der Tür. Durch die Benutzung
eines Arbeitsgerätes, wie es in Figur 7 gezeigt wird,
werden Maße sowohl von Normalen der beiden Oberflächen als
auch von ihrem relativen Niveau dadurch erreicht, daß die
Koordinaten der jeweiligen Kontaktpunkte bekannt sind.
Herkömmliche Koordinatenmessungsmaschinen sind
nachgewiesenerweise für diese Anwendung nutzlos, da der
Gebrauch solcher Instrumente sowohl eine große Anzahl an
Meßpunkten erfordern würde als auch das Einsetzen von
mathematischen Oberflächen durch diese.
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In dem Obigen werden eine Anzahl von Arbeitsgeräten
vorgeschlagen. Alle werden von demselben Körper 5 und den
Lichtquellen 6-8 aufgebaut. Ein praktisches, universelles
Arbeitsgerät wird so ausgebildet, daß dieses Teil zusammen
mit einer Anzahl von unterschiedlich geformten, ersetzbaren
Kontaktoberflächen und Stiften angewendet werden kann.