Masterarbeit Tom Jäckel

Titel der Arbeit:
Realisierung und Evaluierung eines Messverfahrens zur Erfassung eines taktilen Tasters mittels Streifenlichtprojektor und Kamera

Betreuer:
Dipl.-Ing. Frank Liebold, Dipl.-Inform. Markus Basel (Steinbichler Optotechnik GmbH)

Beschreibung:

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Berechnung der 3D-Koordinate der Tastspitze eines Messtasters (Touchprobe) unter Verwendung des Streifenprojektionssystems COMET L3D (Abbildung 1) der Firma Steinbichler Optotechnik GmbH. Vorteil dieses flächenhaft antastenden Messsystems ist die schnelle dreidimensionale Erfassung von Messobjekten mit einer Vielzahl von Punkten aus einem Messzyklus. Verfahrensbedingt ist eine Messung verdeckter Stellen oder Bohrungen nicht möglich. Mit taktilen Systemen können, je nach Beschaffenheit des Tasters, schwer einsehbare Oberflächen angetastet werden. Aus diesem Grund soll eine taktile Messung mittels Messtaster in Kombination mit dem Streifenprojektionssystem realisiert werden.
 

 

Aufgrund der dynamischen Bewegung eines Messtasters, kann eine übliche Aufnahmesequenz nach dem Prinzip des Graycode- und Phasenschiebeverfahrens nicht angewandt werden. Da das verwendete Streifenlichtprojektionssystem über eine Kamera verfügt, können die bekannten Verfahren der Mehrbildauswertung, welche beispielsweise bei Stereokamerakonfigurationen zum Einsatz kommen, nicht benutzt werden. Stattdessen werden Lösungsansätze zur Bestimmung von 3D-Koordinaten mittels Einbildmesstechnik verwendet.
Der erste erarbeitete Ansatz basiert auf dem sog. inversen räumlichen Rückwärtsschnitt zur relativen Positionsbestimmung eines Punktfeldes (Messtaster) gegenüber einem Referenzpunktfeld. Hierfür müssen sowohl Messtaster, als auch das Referenzpunktfeld bekannte Passpunkte enthalten. Zu diesen werden zwei voneinander unabhängige Rückwärtsschnitte berechnet. Mit den dabei erhaltenen äußeren Orientierungen können die Koordinaten des Tasters in das Koordinatensystem der Referenzpunkte transformiert werden.
Der zweite Ansatz verwendet das Triangulationsprinzip der Kamerakoordinaten mit den Phasenwerten des Projektors, wobei diese mittels Verfahren der direkten Phasenmessung (siehe Abbildung 2) aus einer Einzelaufnahme gewonnen werden. Um die Bildmessung auf den mit Streifen überlagerten Marken durchführen zu können, wurden verschiedene Möglichkeiten erarbeitet. Die Frequenz des projizierten Streifenmusters kann mittels Fouriertransformation aus dem Bild entfernt werden oder die Marken werden direkt mittels Least Squares Template Matching gemessen.
 

 

Mit den berechneten Objektkoordinaten der einzelnen Tastermarken und der bekannten Punktverteilung bzgl. der Tastspitze aus der Messtasterkalibrierung, kann die Koordinate der Messtasterspitze mittels Transformation berechnet werden.
Im Zuge der Arbeit wurden verschiedene Genauigkeitsuntersuchungen durchgeführt. Diese betreffen die Genauigkeit der Bildmessung auf dem Streifenbild, die Genauigkeit der Messtasterkalibrierung, die Einzelkoordinatengenauigkeit und die Genauigkeit der Tastspitze. Zur Validierung wurden die genauen Messwerte der normalen Messsequenz des L3Ds, sowie die eines Stereokameraaufbaus verwendet. Bei der Enduntersuchung zur Koordinatengenauigkeit der Tastspitze an Sollprüfkörpern konnte in Abhängigkeit des gewählten Lösungstyps eine Standardabweichung von 0,04-0,08 mm bestimmt werden.