Integration eines optischen 3D-Sensors in ein Koordinatenmessgerät für die Digitalisierung komplexer Oberflächen

Zacher, Michael; Pfeifer, Tilo

doi:25390

Integration eines optischen 3D-Sensors in ein Koordinatenmessgerät für die Digitalisierung komplexer Oberflächen

Zacher, Michael (Author)

2004

VerantwortlichkeitsangabeMichael Zacher

ImpressumAachen : Shaker 2004

UmfangV, 133 S. : Ill., graph. Darst.

ReiheBerichte aus der Produktionstechnik ; 2004,3

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2003

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Pfeifer, Tilo (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2003-12-01

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-7475
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/61491/files/Zacher_Michael.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Maschinenwesen (400000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei) ; optische 3D-Messtechnik (frei) ; Streifenprojektion (frei) ; Koordinatenmesstechnik (frei) ; Oberflächendigitalisierung (frei) ; Reverse Engineering (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
In der Dissertation wurde der Ansatz verfolgt und umgesetzt, ein Streifenprojektionssystem in ein Koordinatenmessgerät zu integrieren, um großflächige und komplex geformte Werkstückoberflächen schnell, flexibel und genau digitalisieren zu können. Bei der Digitalisierung von komplexen oder großflächigen Werkstücken mit dem Streifenprojektionssystem kann die Messdatenaufnahme nicht in einer Ansicht erfolgen, so dass die Registrierung von Teilmessbereichen bzw. den zugehörigen Punktwolken nötig ist. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird von großflächigen bzw. komplexen Werkstückoberflächen gesprochen, wenn das zu digitalisierende Werkstück größer ist als der zur Verfügung stehende Messbereich des Streifenprojektionssystems oder aber wenn Werkstücke oder Werkstückbereiche digitalisiert werden, welche in Folge von Reflexionen oder Abschattungen nicht in einer Ansicht erfasst werden können. Die Registrierung der Teilmessbereiche erfolgt über die definierte Positionierung von Sensor zu Messobjekt innerhalb des Koordinatenmessgerätes. Diese Vorgehensweise erfordert die genaue Kenntnis der Lage von Sensorkoordinatensystem und Koordinatensystem des KMG zueinander, welche durch eine spezielle, im Rahmen der Dissertation entwickelten Einmessstrategie des Streifenprojektionssystems in das Koordinatenmessgerät gewährleistet wird. Die Digitalisierung komplex geformter Werkstückoberflächen erfordert eine möglichst hohe Flexibilität in der Positionierung von Sensor zu Messobjekt, um alle Oberflächenbereiche mit dem Sensor optimal antasten zu können. Daher wurde der Einmessvorgang in fünf Freiheitsgraden realisiert: drei translatorische Freiheitsgrade für die Linearbewegung des Streifenprojektionssystems in drei orthogonale Raumrichtungen innerhalb des Messvolumens des KMG sowie zwei rotatorische Freiheitsgrade. Die Rotationsfreiheitsgrade beinhalten zum einen die Möglichkeit der Drehung des aufgespannten Messobjektes und zum anderen die Drehung des Streifenprojektionssystems um das zu messende Objekt. Der Einmessvorgang ist prinzipbedingt mit einer gewissen Unsicherheit behaftet, was sich auf die Genauigkeit des Registrierungsprozesses auswirkt. Der resultierende Restfehler in den Gesamtpunktwolken äußert sich in leichten Höhenversätzen zwischen den Teilmessbereichen bzw. Teilpunktwolken. Aufgrund dieser Restfehlerbehaftung der registrierten Punktwolken wurde im Rahmen der Arbeit der Begriff der grobregistrierten Punktwolken eingeführt. Die Minimierung des vorhandenen Restfehlers in den grobregistrierten Punktwolken wird mit einer nachträglichen Feinregistrierung auf Basis eines Iterative Closest Point Algorithmus erreicht. Insbesondere wurden verschiedene Minimierungsverfahren basierend auf Simulated Annealing, Simplex-Verfahren oder Conjugate Gradient Verfahren hinsichtlich erreichbarer Genauigkeit untersucht. Die Feinregistrierung wurde sowohl für Regelgeometrien wie Kugeln oder Ebenen als auch für Freiformflächen erfolgreich umgesetzt und in die Softwarestruktur zur Registrierung der Teilmessbereiche implementiert. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag hinsichtlich der multisensoriellen Anwendung von Koordinatenmessgeräten. Den Integrationsarbeiten des optischen 3D-Sensors diente ein Multisensorkoordinatenmessgerät der Firma Werth Messtechnik als Basis, welches werksseitig mit einem taktilen Taster, einer Bildverarbeitungseinheit und einem Video-Autofokussensor ausgestattet ist. Durch die Integration des Streifenprojektionssystems konnte das Multisensorkoordinatenmessgerät um die Funktionalität der flächigen dreidimensionalen Antastung mit der Zielsetzung der genauen 3D-Formerfassung erweitert werden.

The aim of this dissertation was the integration of a fringe projection system in a coordinate measuring machine. As a result large and complex workpieces can be digitalized fast, flexible and accurate. By digitalization of complex or large workpieces with the fringe projection system it is not possible to get the measuring data of the complete surface in one view. So it is necessary to merge sub-measuring fields respectively the point-clouds. In this dissertation workpiece surfaces are considered large or complex, if the workpiece that has to be digitalized is larger than the measuring field of the fringe projection system. If workpieces cannot be digitalized in one view because of reflection or shadowing effects, they are also considered large or complex. The registration (merging) of the sub-measuring fields results from the defined sensor position to the measuring object in the coordinate measuring machine. For this procedure it is necessary to know the relative position of the sensor coordinate system and the coordinate system of the CMM to each other. This is warranted by a special, that was developed in this dissertation, calibration procedure of the fringe projection system referring to the coordinate measuring machine. The digitalization of complex shaped workpieces demands a high flexibility in the positioning of the sensor to the measuring object. In this way all surface areas can be touched with the sensor in an optimal way. Therefore, the calibration procedure is realized in five degrees of freedom: three translatory degrees of freedom to implement the linear movement of the fringe projection system in three orthogonal directions inside the measuring volume of the CMM as well as two rotational degrees of freedom. On the one hand the rotational degrees of freedom allow the possibility of rotation of a clamped measuring object. On the other hand the rotation of the fringe projection system around the measuring object can be realized. The calibration procedure is afflicted with an uncertainty, which has an effect on the precision of the registration process. The resulting residual error in the total point-clouds results in height offsets between the partial point-clouds. Based on the residual error of the registered point-clouds, the concept of roughly-registered point-clouds was introduced in the framework of this dissertation. The minimization of the existing residual error in the roughly-registered point clouds was reached with an additional fine registration on basis of an iterative-closest-point algorithm. In particular different minimization methods based on simulated annealing, simplex procedure or conjugate-gradient method were examined regarding attainable precision. The fine registration was realised sucessfully both for norm-geometries like spheres or planes and for free form surfaces and was successfully implemented in the registration software. The present work makes a contribution to the multi-sensor application of coordinate measuring machines. For integration of the optical 3D-sensor a multi-sensor-coordinate measuring machine of the company "Werth Messtechnik" was used. Factory-made it consists of a tactile sensing device, an image processing unit and a video autofocus sensor. By the integration of the fringe projection system it could be expanded the functionality of the multi-sensor coordinate measuring machine with the objective of the flexible and exact three-dimensional surface digitalization.

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