Scurta prezentare a proiectului In zilele noastre industria moderna necesita din ce in ce mai multe procese si metode care sa asigure dezvoltarea afacerilor pe plan concurential si nu numai. Astfel a aparut o nevoie acuta de dezvoltare a unor tehnologii inovatoare, care prin natura lor pot modifica atat domeniul cat si precizia si randamentul productiei. Acestea si multe altele reprezinta obiectivele principale ale procesului de Reverse Engineering. u9g12gk
Pentru a raspunde tuturor schimbarilor ce au loc in prezent, aceasta cercetare ce sta la baza lucrarii intreprinse, are rolul de a prezenta principiile si pasii care stau la baza acestui proces ce-si gaseste aplicatii in aproape toate domeniile, incepand cu medicina si terminand cu industria constructoare de masini si chiar cea aeronautica.
Prin tema abordata, cercetarea realizata se incadreaza in categoria proiectelor cu caracter explorator. Acesta este si motivul pentru care in primul capitol al lucrarii sunt prezentate concepte de baza, definitii, pasii si chiar unele exemple mai speciale ale procesului de Reverse Engineering.
Al 2-lea capitol este o descriere pe larg a sistemelor de senzori care apar in prima etapa a procesului. De asemenea, sunt prezentate si avantajele si dezavantajele, erorile ce pot aparea, concluzii precum si exemple pentru fiecare tip de senzor sau metoda de masurare.
In capitolul urmator este prezentata pe scurt etapa de pre-procesare a datelor masurate impreuna cu avantajele sau dezavantajele sale, pentru ca imediat mai apoi sa se prezinte datele referitoare la rezultatele operatiei de masurare, rezultate ce poarta numele de nori de puncte. Sunt descrise de asemenea si cateva metode de reducere a datelor obtinute, esentiale pentru precizia modelului digitizat precum si schimburile de date ce pot avea loc intre diferitele softuri cu care se prelucreaza aceste date.
In finalul acestei parti teoretice sunt prezentate unele informatii referitoare la constructia suprafetelor cu ajutorul modeloarelor precum si modul si pasii de lucru clasici in cadrul procesului de RE.
Partea practica contine 2 seturi de masuratori si prelucrari ale datelor rezultate, in cazul a 2 piese aleatoare. Sunt prezentati de asemenea si anumiti algoritmi de masurare ce au fost stabiliti pentru unul din aparatele de masurat din cadrul laboratorului de specialitate din cadrul facultatii noastre. Acest capitol contine bineinteles si informatii concrete referitoare la precizia obtinuta in cazul celor 2 piese masurate.
Cercetarea intreprinsa s-a desfasurat sub indrumarea permanenta a d-lui. Conf. Dr. Ing. Marius Bulgaru, caruia vreau sa-i aduc si pe aceasta cale multumiri pentru intelegerea aratata si mai ales pentru sfaturile sale.
De asemenea, vreau sa le multumesc si domnisoarei S.L. Dr. Ing. Lucia Ioana Bolboaca si d-lui Ing. Tudor Ioanoviciu pentru sfaturile si ajutorul acordat.
Cu speranta ca aceasta lucrare va ajuta pe viitor la intelegerea si deprinderea acestui proces, vreau s¬a le multumesc tuturor celor care m-au sprijinit si sustinut in aceasta munca, deloc usoara, de cercetare.

Scurta prezentare a proiectului 2
Cuprins 3

Cap1. Wichtige Konzepte in den Reverse Engineering Prozess 6

1.1 Reverse Engineering 6
1.2 Flachenrückführung 7
1.3 Ein spezielles Beispiel für die Anwendung des RE- Prozeßes 7
1.4 Reverse Engineering Prozeßschritte 9

Cap2. Sensorsysteme zur 3D-Digitalisierung 10

2.1 Passive Aufnahmetechnik 11
2.1.1 Die Photogrammetrie 11
2.1.2 Der Einsatz des digitalen Photogrammetriesystems TRITOP 13
2.2 Aktive Aufnahmetechnik 15
2.2.1 Taktile Sensorsysteme 15
2.2.2 Beispiel für eine Fertigung mit Hilfe der taktilen Systeme 17
2.2.3 Meßfehler bei der Digitalisierung mit Hilfe taktiler Sensorsysteme 18
2.3 Nicht-taktile Sensorsysteme 18
2.3.1 Sensorsysteme basierend auf dem Prinzip der Wellengeschwindigkeit 19
2.3.2 Sensorsysteme basierend auf medizinischen Aufnahmen 19
2.3.3 Verwendung der Computertomographie in den RE- Prozeß 19
2.3.4 Anwendungsbeispiele der Computertomographie in der Industrie 20
2.3.5 Zusammenfassung 21
2.3.6 Nutzung optischer Techniken - ohne Lasereinsatz 21
2.3.7 Die GOM Digitalisierungsmethode 22
2.3.8 Die Sensoren der GOM- Meßsysteme 23
2.3.9 Meßfehler die im Fall der Digitalisierung der Oberflachen mit GOM-
Systeme erscheinen 25
2.3.10 Die 3D Optische Digitalisierung einer Statue 26
2.4 Optische Techniken mit Lasereinsatz 29
2.4.1 Wie die 3D- Digitalisierung mit optischen Lasersysteme die Produkt-Entwicklung beeinflusst 30
2.4.2 Triangulationsverfahren 30
2.4.3 Meßprinzip eines aktiven eindimensionalen Triangulationssensors 31
2.4.4 Meßfelher die im Falle der Oberflachendigitalisierung mit Laser- Meßsysteme auftretten 34
2.4.5 Zusammenfassung der optischen Sensorsysteme ohne und mit
Lasereinsatz 37
2.5 Zerstörende Aufnahmetechnik 38
2.5.1 Die CGI-Systeme 38
2.5.2 Meßfehler, im Falle der Digitalisierung der Oberflachen mit CGI-
Systeme 39
2.5.3 Zusammenfassung 39
2.6 Technische Anforderungen an das Sensorsystem 40

Cap3. Von den Messwerten zur Punktewolke (pre-prozessing) 43

3.1 Merging 43

Cap4. Studien bezüglich der Datenbearbeitungs- Technologien 46

4.1 Der Wiederaufbau der 3D- CAD Modelle 46
4.2 Die Struktur der digitalisierten Informationen 46
4.3 Die Punktewolken als Ergebniss der Digitalisierung 46
4.4 Datenformate der Punktewolken 47
4.4.1 Das STL- Format 47
4.4.2 Das Flachen-Format 50
4.4.3 Das Volumenmodell 53
4.5 Datenreduktion 54
4.6 Datenaustausch 56
4.7 Die Flachenrückführung 57
4.7.1 Halbautomatische Flachenrückführung 57
4.7.2 Konstruktive Flachenrückführung über featurelines 59
4.7.3 Kombinierte Vorgehensweise 60
4.8 Zusammenfassung: Klassische Vorgehensweise beim Reverse-Engineering 61

Cap5. CERCETARI EXPERIMENTALE PRIVIND DIGITIZAREA SI PRELUCRAREA INFORMATIILOR IN SCOPUL OBTINERII MODELULUI VIRTUAL 3D SI ANALIZA PRECIZIEI ACESTUIA 63
5.1 Cercetari experimentale privind masurarea-digitizarea suprafetelor utilizand sisteme de masurat cu senzori multipli si tehnologiile de prelucrare a informatiei achizitionate in vederea obtinerii modelului virtual CAD 3D si analiza preciziei acestuia 63
5.2 Cercetari experimentale privind masurarea-digitizarea suprafetelor utilizand sisteme de masurare-digitizare cu capete de masurare discontinua (tactila) si tehnologiile de prelucrare a informatiei achizitionate in vederea obtinerii modelului virtual CAD 3D si analiza preciziei acestuia 68
5.2.1 Descrierea masinii 68
5.2.2 Parametrii de lucru 69
5.2.3 Calibrarea senzorului de masurare 70
5.2.4 Alegerea sistemului de coordonate 71
5.2.5 Alegerea planului de siguranta 72
5.2.6 Alegerea strategiei de masurare-digitizare si masurarea-digitizarea efectiva a piesei 73
5.2.7 Concluziile acestui capitol 78

Cap6. Contributii si concluzii finale 79

6.1 Contributii teoretice 79
6.2 Contributii cu caracter aplicativ 80
6.3 Concluzii finale 81

Bibliografie 82
Anexa 1 (date despre precizia camei) 86
Anexa 2 (date despre precizia piesei ambutisate) 90

1.tes Kapitel: Wichtige Konzepte in den Reverse Engineering Prozess

Reverse Engineering geometrischer Formen ist eine sich schnell entwickelnde Disziplin. Wahrend beim konventionellen Engineering entwickelte Konzepte und Modelle in reale Teile transformiert werden, werden beim Reverse Engineering real existierende Bauteile wieder in digitale Daten zurückgeführt.
Heutzutage finden wir in den meisten technischen Lexikone verschiedene Definitionen für die beiden wichtigen Begriffe:

1.1 Reverse Engineering:
1.) Rückführung eines realen 3D-Bauteils in CAD-Daten als Konstruktionsgrundlage. Beim Reverse-Engineering wird durch eine hochgenaue Vermessung von Oberflachen physischer Modelle eine geometrische Beschreibung erzeugt. Dies erlaubt sowohl eine Beschleunigung der Entwurfsprozesse im CAD-System als auch eine Qualitatskontrolle durch den Vergleich von CAD- und Fertigungsmodellen. Fehler und Ungenauigkeiten in Design und Fertigung können somit bereits zu einem frühen Zeitpunkt im Produktentwicklungsprozeß festgestellt und korrigiert werden.
2.) Reverse Engineering (engl., bedeutet: umgekehrt entwickeln, rekonstruieren, Kürzel: RE) bezeichnet den Vorgang, aus einem bestehenden, fertigen System oder einem meist industriell gefertigten Produkt durch Untersuchung der Strukturen, Zustande und Verhaltensweisen die Konstruktionselemente zu extrahieren. Aus dem fertigen Objekt wird somit wieder ein Plan gemacht. Im Gegensatz zu einer funktionellen Nachempfindung, die ebenso auf Analysen nach dem Black Box Prinzip aufbauen kann, versucht das Reverse Engineering das vorliegende Objekt weitgehend exakt abzubilden. Es wird somit ermöglicht, eine 1:1 Kopie des Objekts zu machen und auf deren Basis Weiterentwicklung zu betreiben.

Reverse Engineering ist eine ganz regulare, von Menschen praktizierte Analysemethode und wird somit auch von Naturwissenschaftlern praktiziert:
- Ein Genetiker versucht die Bauplane der DNA zu entschlüsseln.
- Ein Biologe versucht bestimmte Vorgange in der Natur zu verstehen.
- Ein Physiker untersucht den Aufbau von Teilchen.
Sie alle betreiben also im weiteren Sinne ebenfalls Reverse Engineering.
Viele und darunter auch ich,fragen sich ( bevor sie mehr uber diesen Prozeß erfahren) wie ist Reverse Engineering nützlich?
In vielen Fallen ist es extrem schwierig (wenn nicht unmöglich) körperliche Werkstückgeometrien mit traditionellen Maßtechniken genau zu definieren. Es ist einfach zu sehen, warum das Digitalisieren, ein wesentliches Werkzeug im Reverse Engineering Prozeß geworden ist.
Rücktechnik füllt schnell und genau den Abstand zwischen schlecht oder undokumentierte Werkzeugmodelle und den völlig modifizierbaren 3D CAD Modelle, die für moderne Produktionsmethoden nützlich sind..
Diese Modelle sind das Standardwerkzeug der Industriekommunikation für Herstellung und Design. Indem man körperliche Teile in CAD Format umwandelt, können Leistungsfahigkeiten in den Bereichen wie Produktentwicklung, Herstellungstechnologie, Unternehmenkommunikation, Marktauswertung und Zeit zum Markt verwirklicht werden. Neben der Konstruktion von Bauteilen mit Hilfe von CAD Systeme besteht auch haufig die Forderung, vorhandene physische Objekte in ihrer geometrischen Struktur zu erfassen und in ein rechnerinternes Datenmodell zu überführen. Diesen Prozess, der sowohl das eigentliche Digitalisieren, das heist das Scannen des Objektes und die Erfassung der raumlichen Gestalt in Form von Raumpunkten, als auch die anschließende, auch als Flachenrückführung bezeichnete
Datenaufbereitung umfasst, bezeichnet man als Reverse Engineering. Wesentliches Anwendungsfeld ist die Erfassung von designerisch gestalteten Objekten wie sie z.B. an Autokarosserien zu finden sind. Weiterhin können damit an physischen Modellen und Prototypen manuell vorgenommene Veranderungen erfasst und in den entsprechenden Datensatz übernommen werden.

1.2 Flachenrückführung:( d.h. 3D Modellerstellung für Reverse Engineering )
Mit Hilfe der Flachenrückführung lassen sich reale Modelle oder Prototypen, für die es keine CAD-Beschreibung gibt, in die CAD-/ CAM-Bearbeitung integrieren. Dazu wird das Modell von einem 3D-Digitalisiersystem (Koordinatenmeßmaschine) abgetastet.Die so entstandene Punktewolke wird in CAD-Flachen umgerechnet. Hohe Stetigkeiten und hervorragend angepasste Flachen bei einem Minimum an Kosten lassen diese Daten zu einer optimalen Grundlage für CAM-Lösungen und andere Anwendungen werden.
Einsatzgebiete:
-Erzeugung von CAD-Modellen aus Design- oder Urmodellen
-Rekonstruktion von manuell vorgenommenen Anderungen am Objekt
-Erstellen von CAD-Daten für Werkzeuge
-Opimierung von STL-Modellen

Anwendungen des Reverse Engineering - Prozeßes
Es gibt viele Anwendungsfalle für Reverse Engineering. Oftmals ist es notwendig,eine Kopie eines Bauteils herzustellen, wenn keine Originalzeichnungen oder Dokumentationen vorhanden sind. In einem anderen Fall kann die Anwendung darin bestehen, ein existierendes Bauteil zu reverse-engineeren, um ein neues verbessertes Produkt zu entwickeln.
Digitale Modelle basierend auf 1:1 Holz- oder Tonmodellen werden dort benötigt, wo das asthetische Design von entscheidender Bedeutung ist, wie bspw. in der Automobilindustrie.
Ein weiteres Anwendungsfeld liegt in der Vermessung des menschlichen Körpers,um beispielsweise, Helme oder passgenaue Prothesen anzufertigen.

1.3 Ein spezielles Beispiel für die Anwendung des RE- Prozeßes

Ein Beispiel dafür stellt uns die Firma Schubert aus Braunschweig,die sich unteranderem mit der Entwicklung von High -Tech Helme beschaftigt,zu Verfugung.
Diese Helme werden von den meisten Formel 1 Fahrern benutzt und naturlich sehr gelobt.
Das Gerat das im diesem Falle benutzt wird tragt den Namen ATOS II 3D und ist ein Digitalisierer der die Kopfform des Rennfahrers prazise,schnell und lückenlos erfasst.

Wahrend eines Formel 1 Rennen treten Krafte bis zur vierfachen Erdbeschleunigung auf. Um bestmöglichen Schutz, guten Tragkomfort und Beweglichkeit zu ermöglichen, ist ein leichter, stabiler und kompakter Helm mit individuell angepasster Form und Polsterung nötig. Hierfür wird ein spezieller Schichtaufbau unter Verwendung einer Hochleistungskohlefaser eingesetzt, aus dem auch die Monocoque-Chassis der Formel 1 hergestellt werden.

Abb. 1: ATOS-Digitalisierung R. Barrichello

Für die Formoptimierung des Helmes zur Reduzierung von Gewicht und zur Verbesserung der Aerodynamik ist eine genaue und vollstandige Erfassung der individuellen Kopfform Voraussetzung. Für die Messungen werden die Fahrerhaare durch eine Gummihaut angedrückt, um den Anpressdruck des Helmes zu simulieren. Es folgen ATOS-Messungen aus unterschiedlichen Richtungen, um den kompletten Kopf lückenlos zu digitalisieren.

Abb. 2: Messaufnahmen

Im Bereich des Gesicht und der Ohren wird zusatzlich mit aufgesetztem Helm digitalisiert, um die Punktewolke des Kopfes spater in das Helmkoordinatensystem einzuschwenken.
Das Ergebnis: Ein Polygonnetz, das die Kopfform detailliert und vollstandig beschreibt. Im CAD wird dann der Helm um den Kopf herum konstruiert. Bei Optimierungsvorschlagen -; z.B. aus dem Windkanal -; kann sofort geprüft werden, ob alle Mindestabstande zwischen Helm und Kopf eingehalten werden.

Abb. 3: Mess- und Helmdaten

Rubens Barrichellos Helm wiegt aufgrund der Schuberth Technologie und der GOM Messtechnik lediglich 1050 Gramm und ist damit etwa 500g leichter als sein alter Helm. Die Nackenmuskulatur wird dadurch wahrend eines Rennens ganz entscheidend entlastet. Die schlanke Form des Helms führt zu einem geringeren Luftwiderstand und zu einer besseren Anströmung der Airbox: 10 PS Mehrleistung stehen dadurch zur Verfügung.

1.4 Reverse Engineering Prozeßschritte

Reverse Engineering beginnt in der Regel mit der Vermessung eines existierenden Objektes, so dass daraus digitale Darstellungen der Oberflache oder des Volumens abgeleitet werden können. Auf diese Daten können anschließend die Funktionalitaten von CAD/CAM-Technologien angewendet werden, einschließlich der Modifizierung existierender Designs, der Analyse, der Qualitatssicherung, der NC-Fertigung etc.

Die Schritte die einen typischen Reverse Engineering Prozess charakterisieren werden mit Hilfe der nachsten Abbildung perfekt dargestellt.

Abb.4 ; - Reverse Engineering Prozessschritte -;

Auf Grund dieser schematischer Darstellung haben wir uns weiter vorgrnommen, in den nachsten Kapilteln dieser Untersuchung, diese Prozessschritte so gut wie möglich zu erklaren und durch Beispiele verstandlich zu machen.

2.tes Kapitel; Sensorsysteme zur 3D-Digitalisierung

Die 3D-Digitalisierung ist die Ausgangsbasis eines Reverse Engineering Prozesses. Aus diesem Grund wird im Rahmen dieses Kapitels ein Überblick über die Technik der 3D-Digitalisierung gegeben, d. h. über die verschiedenen Technologien, die am Markt verfügbar sind, um ein real existierendes Produkt in eine digitale Darstellungsform zu überführen.

Digitalisierung wird hauptsachlich eingesetzt, um :
- die Form eines Objektes (physikalischer Prototyp) digital zu erfassen, um daraus ein CAD-Modell erstellen zu können,
- im Rahmen einer Qualitatskontrolle die digitalisierten Messwerte, die das Sensorsystem liefert, mit einem CAD-Referenzmodell zu vergleichen,
- Informationen für Fertigungsverfahren zu generieren, die es ermöglichen, ein Objekt zu kopieren (CNC-Datensatz zum Frasen oder ein STL-Datensatz für verschiedene Rapid-Prototyping-Verfahren).

Die numerischen Daten, die aus einer Digitalisierung resultieren, sind in der Regel Punktewolken. Eine Punktewolke ist dabei eine Ansammlung von unabhangigen Messpunkten, die durch ihre kartesischen Koordinaten (x-, y- und z-Wert) im dreidimensionalen Raum bestimmt sind.

Nach der Art der Datenaufnahme beim Digitalisieren wird prinzipiell zwischen taktilen (tastenden) und non-taktilen (meist optischen) Verfahren unterschieden. Vielfach werden Mehrachsfrasmaschinen (3D- oder Fünfachsfrasmaschinen) mit Digitalisiertechnik aufgerüstet. Somit ist verfügbare Maschinentechnik sowohl für die Frasbearbeitung als auch für die Datenaufnahme von Werkstücken einsetzbar. Die Anwendung separater Digitalisiereinrichtungen findet aber ebenso Anwendung.
Im Unterschied zum 3-Koordinatenmessvorgang werden beim Digitalisieren nicht nur diskrete Punkte in einem bestimmten Raster, sondern kontinuierlich Daten aufgenommen. Beim taktilen Digitalisieren verfügen die Taster zudem zusatzlich über 2 Freiheitsgrade gegenüber 3D-Messtastern. Die Größe und Richtung der Tasterauslenkung wird dabei zur Steuerung des Tasters verwendet. Beim taktilen Digitalisieren wird mittels eines Digitalisiertasters, der an der Tasterspitze in der Regel eine Kugel tragt, zeilenweise oder in einem anderen geeigneten Regime, das dem Frasen angelehnt ist, das Werkstück abgetastet. Die so gewonnenen Tastermittelpunktsdaten gilt es je nach Anwendungsfall zu modifizieren. Steht die Aufgabe, die Oberflachendaten z.B. für ein CAD-System bereitzustellen, muss aus den Tastermittelpunktsdaten auf die Oberflache "zurückgerechnet" werden. Haufig wird zudem nach digitalisierten Daten gefrast. Dabei ist es erforderlich, dass auf der Basis der Tastermittelpunktsdaten auf den aktuellen Fraserdurchmesser umgerechnet wird.
Ein zentrales Problem beim Digitalisieren stellt die Beherrschung der Datenmenge dar. Die erfassten Digitalisierdaten gilt es für den jeweiligen Anwendungsfall geeignet zu verdünnen.
Das Frasen nach digitalisierten Punkten gehört zum Stand der Technik bei allen taktilen Digitalisiersystemen. Die Aufbereitung von Digitalisierdaten zu Kurven und Flachen im VDA- und IGES-Format ist insbesondere für die Modellmodifizierung innerhalb eines CAD-Systems von Bedeutung. Für diese Arbeiten ist ein hohes Maß an Erfahrungen erforderlich. Die auf der Basis von Digitalisierdaten generierten Flachen können wiederum Ausgangspunkt für die Frasbahngenerierung mittels NC-Maschinen und für Methoden des Rapid Prototyping darstellen.
Sensorsysteme für die 3D-Digitalisierung können entsprechend der Aufnahmemetho-de in 3 Gruppen unterteilt werden (s. Abb. 5).

Abb. 5 : Verfahren der 3D-Digitalisierung

2.1 Passive Aufnahmetechnik

Eine Aufnahmetechnik wird als passiv bezeichnet, wenn der Sensor keinerlei Einfluss auf das zu digitalisierende Objekt oder seine Umgebung ausübt. Derartige Sensorsysteme bestehen in der Regel aus einer oder mehreren Kameras, mit denen Bilder aufgenommen werden. Die Tiefeninformation muss anschließend aus der Analyse der Informationen aus jedem Bild extrahiert werden.
Zu den wohl bekanntesten passiven Aufnahmetechniken gehört die Photogrammetrie oder auch Stereovision genannt. Auf Basis mehrerer Fotografien eines Objektes ist es möglich, die Lage eines Objektes im Raum zu vermessen, wenn die Betrachtungspunkte und -;winkel der Fotografien jeweils zueinander bekannt sind.
Kommerziell werden derartige Sensorsysteme oft aus 2 Kameras aufgebaut, deren Position und Winkel zueinander genau bekannt sind. Zu vergleichen ist dieser Aufbau im Zweidimensionalen dann mit einem Dreieck, wo die Lange der Hypothenuse und beide Winkel zwischen Hypothenuse und den Katheten bekannt sind. Aus diesen drei Informationen kann die Höhe eines Dreiecks ( = Abstand eines Punktes) berechnet werden.

2.1.1 Die Photogrammetrie wird hauptsachlich für die Vermessung großer Objekte oder großer Distanzen eingesetzt. Eine typische Anwendung stellt die Herstellung topographischer Landkarten dar, die aus Luftaufnahmen berechnet werden.

Vorteile :
- berührungslose Messung;
- sehr geringer Zeitbedarf für die Aufnahme (Messung) vor Ort
- flachenhafte optische Erfassung des Objekts
- hohe Flexibilitat bezüglich Aufnahme, Genauigkeit, Qualitat und Ergebnissen

Nachteile :
- Objekt muss abbildbar ("sichtbar", "farblich variierend") sein
- indirekte Beleuchtung erforderlich
- für dreidimensionale Erfassung sind mind. zwei Aufnahmen von unterschiedlichen Standorten mit korrespondierndem Bildinhalt notwendig

Ein Beispiel fur den Einsatz der Photogrammetrie stellt uns die Firma GOM aus Braunschweig zu Verfugung . Undzwar handelt es sich im diesem Fall um die Vermessung eines Dusenflugzeugs -;Typ Falcon 20 - um die aktuelle Form für die Rechnersimulationen und die Strömungsanalyse zu erfassen. Gleichzeitig musste die Stellung und die Wirkung der beweglichen Steuerflachen und die Flugzeug-Symmetrie überprüft werden.
Um die Datenerfassung so schnell wie moglich zu schaffen, setzte Capture 3D das ATOS XL System von GOM ein; zwei sich erganzende, berührungslose Datenerfassungs-Systeme, das ATOS II System mit strukturiertem Weißlicht und das digitale TRITOP Photogrammetriesystem zur Erfassung der Referenzmarken in einem globalen Koordinatensystem.

Die Falcon 20 unterstützt die kanadische Weltraumbehörde, indem sie für einen begrenzten Zeitraum "Schwerelosigkeit" simuliert und bereitstellt, also Bedingungen, wie sie im Weltraum herrschen.
Sie führen Experimente an Bord durch, Testreihen an maßstabsgetreuen Modellen im Windkanal und computerphysikalische Simulationen. Um ihren Computersimulationen gültige Bedingungen unterlegen zu können, müssen die Randbedingungen der Simulation den wahren physikalischen Gegebenheiten des experimentalen Versuchsaufbaus entsprechen. Eine Schlüsselstellung als Verbindungsglied zwischen dem physikalischen Objekt und dem digitalen Datensatz nehmen deshalb die exakten Daten des eingesetzten Versuchsflugzeuges ein. Diese Daten erhalt man durch die Datenerfassung am Originalflugzeug und durch die Integration dieser Daten in die Simulationsrechnungen (Reverse Engineering). Ziel der NRC war es, verbesserte Resultate dank erhöhter Datenmengen zu erhalten und gleichzeitig den Zeitaufwand bei der Nachbereitung der Daten zu reduzieren.
Wegen der Größe des zu scannenden Objekts führte Capture 3D die Datenerfassung in zwei Schritten durch und verwendete dazu das optische Digitalisiersystem ATOS II und das digitale Photogrammetriesystem TRITOP.Auf diese Weise kann das Projekt beschleunigt werden bei gleichzeitig höchster Genauigkeit der Daten.

2.1.2 Der Einsatz des digitalen Photogrammetriesystems TRITOP

Zuerst wurde die Falcon 20 auf gebockt. Danach plazierte das Capture 3D-Team Markierungspunkte auf der ganzen Flugzeugoberflache. Diese Marken werden für beide Prozesse (TRITOP und ATOS II) benutzt. Der TRITOP Prozess verwendet zudem einige codierte Markierungspunkte, welche eine automatische Identifizierung durch die TRITOP Software ermöglicht. Für die TRITOP Datenerfassung kommt eine professionelle, hochauflösende Digitalkamera zum Einsatz. Der Benutzer nimmt damit eine Vielzahl von Bildern auf, aus unterschiedlichen Positionen rings um das Flugzeug. Diese Bilder werden dann automatisch mit photogrammetrischen Methoden ausgewertet zur genauen Bestimmung der Messmarkenpositionen. Diese Messmarken bilden nun zusammen einen hochgenauen Referenz-Datensatz, der vom ATOS II Scanner zur genauen und automatischen Plazierung der Einzelmessungen in das "Markengerüst" benutzt wird. Dargestellt sind in (Abb. 6) rechts, die Markerpositionen in grün und die Kamerastandorte in gelb.

Abb. 6: Anbringen der Markierungspunkte für das TRITOP System. Im rechten Bild werden die automatisch definierten Punkte im TRITOP System sichtbar gemacht. Diese Punkte bilden das "Markengitter" für die einzelnen ATOS Messungen, die es braucht, um die gesamte Oberflache abzudecken.

Für die Erfassung der Oberflache der Falcon 20 wurde das ATOS II System, mit zwei 1.3M Pixel Kameras eingesetzt. Der ATOS Scanner verwendet dann die von TRITOP generierten Markerpunkte zur Einpassung der Einzelmessungen ins globale Koordinatensystem.
Dank TRITOP können Scanning Daten des ATOS Systems von verschiedenen Enden des Flugzeuges sicher und automatisch in das von TRITOP generierte globale Referenzsystem integriert werden, wie in (Abb. 7), rechts, gezeigt.

Abb. 7: Digitalisierung des Objekts mit ATOS. Das Messsystem ist dabei entweder auf einem Stativ oder auf einer Hebebühne positioniert.

Auf dem rechten Bild sind verschiedene mit ATOS gescannte Details sichtbar, welche automatisch ins vorher generierte "Markengitter" eingesetzt werden. Dieser Vorgang ist die Schlüsselfunktion für genaues und effizientes Digitalisieren.
Die NRC verlangte, dass auch Bereiche der anderen Seite der Falcon 20 gescannt werden, um so die Symmetrie des Flugzeugs zu überprüfen. Ebenso wurden die Flachen der beweglichen Steuerelemente in verschiedenen Positionen gescannt und überprüft. Dazu wurde TRITOP eingesetzt, um so die gesamte Spannweite der Flügel sowie die Heckflossen erfassen zu können.
Um alle Bereiche der Bewegungsstudie abzudecken, wurden die beweglichen Flugzeugteile in jeder möglichen Stellung erfasst und in Beziehung gebracht zum ursprünglichen globalen Referenzsystem.
Die beiden Bilder unten zeigen sowohl die erfassten Daten für den Symmetrietest als auch die verschiedenen Positionen der beweglichen Steuerflachen des Flugzeugs.

Abb. 8:. Das Bild zeigt die Daten, der Steuerflachen in verschiedenen Positionen.(wichtig fur die Symmetrie-kontrolle)

Hier haben wir auch noch 3 Bilder vom Scannen des Falcon Testflugzeuges

Abb. 9: Gezeigt werden verschiedene Ansichten der gesammelten Daten. Auf dem Bild rechts ist zum Größenvergleich ein in Originalgröße gescannter Personenwagen beigefügt.

2.2 Aktive Aufnahmetechnik

Entgegen der passiven Aufnahmetechnik interagieren Sensorsysteme, die mit aktiver Aufnahmetechnik arbeiten, mit dem zu digitalisierenden Objekt entweder durch :
- physikalischen Kontakt (taktil),
- Emission von -; i. d. R. strukturiertem -; Licht (nicht-taktil),
- oder Gebrauch elekromagnetischer Wellen (nicht-taktil).

2.2.1 Taktile Sensorsysteme
Die taktilen Sensoren sind die bekanntesten und verbreitetesten Systeme. Zu ihnen gehören die in der Industrie haufig eingesetzten Koordinatenmessmaschinen (CMM). Haufig können auch 3-Achsen-Frasmaschinen mit einem taktilen Sensor bestückt werden, so dass neben der bearbeitenden Funktion auch Messaufgaben übernommen werden können. Der Sensor besteht haufig aus einem Stab mit einer Kugel als Kontaktkörper (s. Abb. 10, rechts).
Es wird jeweils ein Signal ausgelöst, wenn die Kraft, die auf die Kugel bei Kontakt mit dem Objekt ausgeübt wird, einen bestimmten Wert überschreitet. Die Korrektur um den Radius der Tasterkugel wird oftmals bereits durch die Steuerungssoftware durchgeführt, so dass reale Koordinatenmesswerte ermittelt werden.
Bei den taktilen Sensorsystemen wird zwischen „Punkt-zu-Punkt“-Systemen ,hier wird jeder Messpunkt separat angefahren -; und „analogen“ Systemen -; hier kann der Sensor automatisch einer Kontur folgen -; unterschieden .
Koordinatenmessmaschinen können sowohl für Punkt-zu-Punkt-Betrieb als auch für analogen Betrieb ausgelegt sein. Neben den CMM gibt es „Punkt-zu- Punkt“-Sensoren in Form von handgeführten Messarmen (s. Abb. 10, links), die in spharischen Volumen Messpunkte erfassen können.

Abb. 10: Taktile Sensorsysteme zur 3D-Digitalisierung
Taktile Sensorsysteme arbeiten mit einer hohen Prazision im Mikrometerbereich. Eine typische Prazisionsspezifizierung einer CMM kann mit 4 ?m in einem Arbeitsbereich von 350 x 450 x 550 mm³ angegeben werden .
Die Geschwindigkeit der Digitalisierung liegt bei ca. 10 Messpunkten pro Minute, wenn die Messpunkte manuell angefahren werden und bis hin zu ca. 100 Messpunkten pro Minute, wenn die Messpunkte über die Steuerung der CMM angefahren werden. Details, die kleiner als der Radius des Tasters sind, können nicht erfasst werden.
Ebenso werden die Messergebnisse verfalscht, wenn das zu vermessende Objekt aus einem weichen bzw. Verformbaren Material besteht, da das Objekt bei Kontakt mit dem Taster verformt wird.
Eine besondere Art von taktilen Sensorsysteme stellen die molbille Meßsysteme dar.Ein Beispiel für solch einen System ist der sogenannte FARO Messarm von der Firma Topometric.
Mit diesem Platinum Arm der neuesten Generation, sind wir in der Lage, taktile Messungen gegen CAD-Daten, sowie Regelgeometrien direkt vor Ort auszuführen und zu dokumentieren.

Abb. 11: Mobiler Meßsystem

Nach dem Prinzip eines von Hand geführten Roboterarmes wird der 7-Achs Platinum Arm durch die Anordnung von festen Langen, verbunden mit hochprazisen Gelenkführungen und Drehachsen als flexibles Koordinatenmessgerat eingesetzt.
Dank der Portabilitat und dem möglichen Einsatz ohne externe Stromversorgung ist der FARO Platinum Arm nahezu an jedem beliebigen Ort einsetzbar.
Technische Daten:
Arbeitsbereich Durchm. 2,40m
Messunsicherheit +/- 0,03mm
2.2.2 Beispiel für eine Fertigung mit Hilfe der taktilen Systeme finden wir bei der Firma Steimel GmbH & Co. in Hennef( Deutschland ),unzwar handelt es sich um die Abtastung eines Pumpengehause mit Hilfe der MP8 und MP10 Messtastern von RENINSHAW.

Abb. 12 : Pumpengehause
An Gehausen für Pumpen müssen Bohrungen auf Umschlag konzentrisch zueinander und in Bezug auf die Gehausekonturen bei Genauigkeiten von einigen tausendstel bis wenigen hundertstel Millimeter gefertigt werden. Dazu benötigen die Steuerungen der Bearbeitungszentren die genauen Koordinaten der Gehause im Arbeitsraum der Maschinen
Die Pumpen für Anwendungen in der Chemietechnik sowie im Maschinen- und Anlagenbau roduziert der Hersteller auftragsbezogen in kleinen und mittleren Serien. Um die Pumpen termingerecht bereitstellen zu können, muss dazu die Fertigung allerdings außerst flexibel arbeiten.Ein entscheidendes Kriterium dabei sind die Durchlaufzeiten. Diese sollten deshalb durch zahlreiche Verbesserungen umfassend minimiert werden. Auf Umschlag müssen die Bohrungen für Wellen, Deckel und Pumpeneinbauten bei Genauigkeiten von 0,005 bis 0,02 mm koaxial fluchten. Zudem müssen sie in Bezug auf die Außenkonturen der Gehause bei ahnlichen Genauigkeiten konzentrisch positioniert sein.

Um dies zu erreichen, nutzte man ehemals Messdorne. Diese wechselten die Bearbeitungszentren in die Hauptspindel. Dann tasteten die Bediener damit einige Werkstückkonturen. Die angezeigten Koordinaten übernahm die Steuerung auf Tastendruck des Bedieners. Ggf. musste der Bediener die Koordinaten manuell in das NCProgramm übertragen. Das war allerdings langwierig und eine Ursache für mögliche Fehler.
Wesentliche Verbesserungen haben die Pumpen- und Anlagenbauer inzwischen mit den Messtastern MP8 und MP10 von Renishaw verwirklicht.

Abb.13 : Automatisch in die Hauptspindel eingewechselte Messtaster
Mit den Messtastern haben die Pumpen- und Anlagenbauer in Hennef die Zeit zum Korrigieren der Nullpunkte auf etwa ein Zehntel der ehemals benötigten Zeit reduziert. Darüber hinaus haben sie mit den Messtastern von Renishaw weitere Vorteile erreicht. Zum einen ist die Datenerfassung und -übertragung zuverlassig undfehlerfreiZum anderen erhöhen die Messtaster zusatzlich die Genauigkeiten. Das zeit- und arbeitsaufwandige Messen der Gehause auf einer Koordinaten-Messmaschine nach dem Fertigen kann entfallen. Auch das tragt zu wesentlich kürzeren Durchlaufzeiten bei. Die Gehause können unverzüglich mit den Einbauten, Wellen und Deckeln montiert werden.
Bei kleineren Pumpengehausen fertigt Steimel mit der automatischen Nullpunkt-Korrektur über Messtaster die Paßstiftbohrungen sogar bei Genauigkeiten bis zu 5 µm auf Umschlag. Dies war mit dem ehemals üblichen Antasten mit Messdornen nicht zu verwirklichen. Damit tragt das Messen mit Messtastern in der Fertigung auch zu einer Optimierung des Pumpenwirkungsgrads bei. Die dazu von der Konstruktion vorgegebenen engen Toleranzen beim Fluchten von Bohrungen kann die Fertigung jetzt zuverlassig einhalten.

2.2.3 Meßfehler bei der Digitalisierung mit Hilfe taktiler Sensorsysteme
Jeder Benutzer einer solcher Koordinatenmessmaschine muss sich im klarren sein, daß jedes Meßergebniss eine bestimmte Ungenauigkeit enthalt.Diese Ungenauigkeit kann wegen einer schlechter Benutzung der Maschinen oder deren Komponenten, oder im Folge einer falschen analytischen Auswartung der eingeholten digitalisierten Informationen erscheinen.
Die Technologie der Digitalisierung in Koordinaten kann uns nicht eine bestimmte Genauigkeit für alle Meßverfahren zu verfügung stellen weil :
- die Koordinatenmeßmaschinen können, im Vergleich mit den Meßmaschinen die nur für eine einzige Anwendung benuzt werden, alle geomitrischen Kennzeichen eines Objektes digitalisieren;
- die Digitalisierungsergebnisse werden durch eine analytische Wertung, einer beilbiger Anzahl von Punkten die sich auf der Oberflache des Werkstückes befinden, erzeugt;
- die Objekte können durch verschiedene Strategien, in verschiedene Punkte des Meßbereichs der Maschine, digitalisiert werden.
Weil die Meßtechnologie in Koordinaten über mehrer Einholarten von Informationen verfügt, ist es notwendig um bestimte Fehler zu vermeiden, daß die benutzte Digitalisierunsstrategie richtig ausgewartet wird.
Viele dieser Meßfeheler werden verursacht von:
- die Refernzkoordinatensysteme
- Anzahl und Lage der Tastpunkte
- Die Bewertungsmethode und die Verkettunsprozeße.

2.3 Nicht-taktile Sensorsysteme

Nicht-taktile Sensoren können ebenfalls in mehrere Familien untergruppiert werden:
• Basierend auf dem Prinzip der Wellengeschwindigkeit
• Aufbauend auf medizinischen Aufnahmen
• Nutzung optischer Techniken - ohne Lasereinsatz
• Nutzung optischer Techniken - mit Lasereinsatz
Mit Hilfe dieser Sensorsysteme erfassen wir eine millionenfach höhere Grundinformation als mit anderen Messmitteln. Hiermit eröffnet sich eine neue Dimension der Mess- und Auswertetechnik.
Mit nur ein paar Sekunden Zeitaufwand pro Aufnahme zahlt dieses Verfahren zu den schnellsten. Dadurch lassen sich Teile besonders einfach und effektiv aufnehmen
2.3.1 Sensorsysteme basierend auf dem Prinzip der Wellengeschwindigkeit
Sensorsysteme basierend auf dem Prinzip der Wellengeschwindigkeit arbeiten nach dem Radarprinzip. Sie senden eine Welle aus, deren Geschwindigkeit bekannt ist und messen die Zeit, die benötigt wird, bis diese Welle, reflektiert vom zu vermessenden Objekt, wieder registriert wird.
Aus dem Zeitunterschied kann die Entfernung des Objektes bestimmt werden. Mit diesen Sensorsystemen können weit entfernte und sehr große Objekte vermessen werden. Oftmals werden Messziele auf den Objekten positioniert, die vom Sensorsystem erfasst werden. Werden elektromagnetische oder Ultraschallwellen eingesetzt, wird eine Vermessung von Objekten, in deren Nahe sich Gegenstande aus Metall befinden, unmöglich.

2.3.2 Sensorsysteme basierend auf medizinischen Aufnahmen
Sensorsysteme basierend auf medizinischen Aufnahmen sind zunachst für medizinische Anwendungen bekannt, finden ihren Einsatz jedoch auch zunehmend in der Industrie.
Zu den Verfahren gehört:
• die Echografie, bei der Ultraschall zur Herstellung von Schnitten durch ein Bauteil eingesetzt wird,
• die nuklear magnetische Resonanz, bei der ein magnetisches Feld zur Herstellung von Schnitten durch ein Bauteil eingesetzt wird,
• und die Tomografie mit Röntgenstrahlen. Bei diesem Verfahren wird die Menge an Röntgenstrahlung gemessen, die vom Bauteil nicht absorbiert wird.
Mit diesen Verfahren ist es möglich, Daten vom Inneren eines Bauteils zu erhalten. Anschaffungs- und Unterhaltungskosten derartiger Anlagen sind jedoch extrem hoch.
Von all diesen medizinischen Aufnahmemethoden wird in der Industrie am meisten die Computertomographie, kurz CT genannt, verwendet.

2.3.3 Verwendung der Computertomographie in den RE- Prozeß
In den letzten Jahren hatte die Computertomographie (CT) seine Hauptanwendung in den wissenschaftlichen Prüfungen. Besondere Interessbereiche waren Fehlerabfragung, Analyse des Ausfalls, Maßmaße der nicht zuganglichen geometrischen Eigenschaften, Kontrolle der Versammlungen oder statistische Untersuchungen der materiellen Eigenschaften als Dichteverteilung.
Heute ist die wichtigste Anwendung der CT, das Ablichten( scanen ) für den 3D-Digitalisierungszweck,geworden. Allem vor alle, zeigen die Automobil-und Motorrad- industrien sowie ihre Lieferanten und die medizinische Technologie ein sehr starkes Interesse an den neuen Möglichkeiten, die von der CT angeboten wird. Mit dieser neuen Technologie ist es möglich, die Zeit zum Markt für die Entwicklung der neuen Produkte zu verringern. So können die Firmen erhebliche Wettbewerbsvorteile verwirklichen.
Wie wir schon erfahren haben gibt es mehrer Arten des Digitalisierens eines dreidimensionalen Gegenstandes. Die Tast- und optische Meßsysteme erfordern Oberflachen und geometrische Eigenschaften, die zuganglich oder sichtbar sind. Der Vorteil der CT ist daß sie außerdem auch interne Strukturen zeigen kann.
Die CT Daten können direkt in Form von Punktwolken oder wie tessellierte Oberflachen (z.B. triangulierte STL Akten) verarbeitet werden. Die Segmentation der Oberflachen muß in alle drei Dimensionen der CT und der Bildübersetzung stattfinden, um so unterbrochenen Anderungen in der Z-Richtung zu vermeiden.
Das Umwandeln der CT Daten in CAD-Systeme mit den Werkzeugen, die heutzutage vorhandene sind ,ist noch eine Menge Arbeit und bietet folglich ein grosses Entwicklungspotential an.

2.3.4 Anwendungsbeispiele der Computertomographie in der Industrie
Das Betrachten der Computer Tomogramdaten als mathematische Funktion, die einen bestimmten Wert der Dichte jedem Volumenelement zuweist,erklart uns daß die 3D-Oberflache des Gegenstandes eine Isooberflache ist,die aus aus Punkten mit der gleichen Dichte (der gleiche Schwellenwert) besteht. Indem man 2D-Projektionen als Verarbeitungsmethoden verwendet, ist es möglich,einen bekannten Kontur der Scheibe zu extrahieren. Das Stapeln dieser punktierten 2D-Konturen ergibt eine 3D-Punktewolke.

Abb.14: Punktwolke Erzeugung: 2D Methode (links) und 3D Methode (rechts)

Als konkretes Beispiel haben wir das Reverse Engineering Prozess auf einem Motorrad- Zylinder das auf der Fachhochschule Basel (FHBB) statgefunden hat.
Ein Zylinder sollte für die höchstmögliche Leistungsfahigkeit für eine Dreizylinder Maschine, die von einer vorhandenen Vierzylindermaschine abfahrt, entworfen werden. Die Absicht war, betrachtliches Wissen über Maßtechnologie und Datenumwandlung, die auf diesem industriellen Auftrag basierte zu gewinnen.
Datenerfassung vom vorhandenen Zylinder, der aus Aluminium gebildet wurde, wurde mit einer Genauigkeit von 0.2 Millimeter durchgeführt. Aus 516 einzelnen Tomograms wurden Formdaten produziert. Die Formdaten wurden auf dem FHBB in die CAD Programm I-Deas importiert.
Um sicherzugehen daß die Geometrie als parametrische Gegenstande ausgedrückt werden könnte, mußten die CAD Grundelemente wie Linien, Kreise und Bogen für die bestmögliche Annaherung an die Formdaten neu entworfen werden. Mit dem Ziel des Erhaltens der besseren Leistungsfahigkeit, wurde das konstruierte CAD-model unter der Überwachung des Kunden angepaßt. Das geanderte Volumenmodell wurde nachher über die IGES Schnittstelle auf eine Service-Firma für Rapid Prototyping gebracht.

Abb.15: Motorradzylinder:3D-Sichtbarmachung des vollstandigen und geschnittenen Tomograms
Dort wurden die Volumendaten nachgeforscht, um sicherzugehen, daß sie technische Gußteilspezifikationen traf. Auf dem CAD-System CATIA wurde die Formtrennung festgestellt und das mit einem Gatter versehende und steigende System entworfen. Dann wurden die CAD Daten, die für den Gußteilprozeß vorbereitet wurden, in ein Format umgewandelt, das durch ein prototyping Laser Sintern systemrapid gelesen werden könnte.
Nachdem Gießen, wurde der Zylinder bearbeitet, dann mit den Funktionsbauteilen gepaßt und schließlich einem Standardmaßprogramm unterworfen. Der Zylinder zeigte keine Anzeigen über Ausfall.
Die Weise, ein CAD Modell von den CT Daten über der IGES-Schnittstelle zu erhalten war ein sehr umfangreicher Prozeß
Die Software-Entwicklung in Reverse Engineering hat einen großen Fortschritt innerhalb der letzten Jahre gemacht. Die Philosophie der Software-Industrie um nur mit gebürtige geometrie Formate wie NURBS (nicht konstante rationale B-Keile), Bezier und so weiter zu arbeiten hat sich geandert. So ist es heutzutage möglich, Toolpathes (CAD, computergestützte Herstellung) und sogenannte finite Modelle (FEM), basiert auf triangulierten Geometrieformaten (STL) zu erzeugen. Folglich wird es erwartet, daß ein großer Fortschritt in den RE- Prozeß innerhalb der nachsten Jahre stattfinden wird.

2.3.5 Zusammenfassung
Die Computertomographie ist für das Erzeugen von 3D-Daten der Komplexformteile ausgezeichnet. Aluminium, als das meist benutzte Material in der Maschinenproduktion, kann bis zu 300 Millimeter Wandstarke mit einer 450 KV Röntgenstrahlquelle leicht eingedrungen werden. Die erreichbare Genauigkeit für Gegenstanden mit einen 300 Millimeter Durchmesser ist im Bereich von 0.2 mm. Eine sogar bessere Genauigkeit kann, wegen der Segmentation der Oberflachen in der subpixel Strecke, möglich sein. Aber bis jetzt gibt es keine systematischen Untersuchungen auf diesem Thema.
Im Falle des Motorradzylinders, ist die vollstandige Prozeßkette bis zum neuen, optimierten Produkt vollendet worden. Die im Handel erhaltlichen Software-Werkzeuge müssen in der Funktionalitat noch verbessert werden. Die sehr große Menge der Daten, die das 3D-Digitalisierungsprozess erzeugt, kann heutzutage manchmal Probleme verursachen. Das Arbeiten mit wirkungsvollen Algorithmen wird die Akten-Größe einerseits verringern,andererseits wird der Fortschritt in der Leistung der Computersysteme die Entwicklung dieser Technologie erleichtern.
Das CT Digitalisieren kann ein wichtiges Werkzeug in auffangen der Simulation und der begrenzten Elementanalyse werden. Berechnung gibt zuverlassigere Resultate, wenn sie auf den Daten basieren, die von den zutreffenden körperlichen Gegenstanden erfaßt werden,anstelle von theoretischem CAD-Modelle zu resultieren.

2.3.6 Nutzung optischer Techniken - ohne Lasereinsatz
Bei den Sensorsystemen, bei denen optische Techniken ohne Lasereinsatz genutzt werden, gibt es zwei ahnliche Prinzipien: Sensoren mit strukturierter Beleuchtung (s. Abb. 16, rechts) und Sensoren, die den Moire-Effekt ausnutzen. Der Moiré-Effekt beschreibt unschöne Farbüberlagerungen und tritt im Wesentlichen in zwei Fallen besonders auf. Zum einen kann dieser Effekt bei der Vergrösserung von Fotos entstehen, wobei hinzugerechnete Pixel zur falschen Darstellung von Farben neigen können. Zum anderen kann der Moiré-Effekt durch eine Wechselwirkung von Objektiv und Sensor (bei Digitalkameras) leicht entstehen. Darüber hinaus tritt Moiré auch bei Monitoren und Fernsehern bei Darstellung bestimmter geometrischer Formen (z.B. Karo) auf.

Die meisten optischen Sensorsysteme arbeiten nach dem Streifenprojektions- verfahren.Bei beiden Prinzipien wird ein regelmaßiges optisches Gitter auf das Bauteil projiziert, wobei die Koordinatenwerte durch Triangulation errechnet werden.
Beide Prinzipien unterscheiden sich jedoch in der Art und Weise, wie das Messfeld erfasst wird. Bei Verfahren, die strukturierte Beleuchtung einsetzen, wird das Messfeld nur erfasst, wohin gegen bei Verfahren, die den Moire-Effekt ausnutzen, das Messfeld durch dasselbe optische Gitter betrachtet wird, jedoch unter einer Orientierung, die verschieden ist von der, unter der das Gitter projiziert wurde.

Abb.16: Optische Sensorsysteme zur 3D-Digitalisierung

2.3.7 Die GOM Digitalisierungsmethode- Geometrical Optical Measuring- Streifenprojektion (der Moire-Effekt)

Die Verarbeitung des Bildes aud Grund dieser Methode lasst nur 2-D Untersuchungen zu. Die Striefenprojektion (helle Linien und dunkle Linien- das Moire- Effekt) schließt auch die dritte Achse ein und realisiert so eine 3D- Vermessung.
Das Meßsystem das verwendet wird kann,nach der Art des Objektes das zu digitalisiern ist, leicht verandert werden.
Das Planen eines GOM Digitalisierungs- Prozeß enthalt folgende Schritte:
- das kalibrieren des Meßsystems;
- das Festlegen der optimalen Meßorientierung;
- wahlen der Prozeßparameter.
Diese Parametern sind:
- die Beleuchtigungsstrategie, abhangig vom Material des Werkstücks das zu vermessen ist (Metal oder Plastik);
- die raumliche Bildscharfe ( 256², 512², 1024² Elemente);
- der Abstand zwischen dem Bildaufnahme-System und dem digitailisierten Objekt;
- Ausgleichungen und Korrigierungen was die Temperat,Schwingungen usw. betrift.

2.3.8 Die Sensoren der GOM- Meßsysteme
Diese Sensoren bestehen aus:
- Bildabfangsystem, CCD- Kamera (Charged Couple Device), ahnlich dem optisch-elektronischen Meßsensor;
- Objektiv;
- Beleuchtungssystem (generiert das Streifenlicht).

Bei der Streifenprojektion werden mehrere Lichtfragmente, gleichzeitig oder eins hinter dem anderen, auf dem Werkstück mit Hilfe eines Projektors gestrahlt.Um so kleiner die Größe des Gitters ist desto praziser wird die Bildaufnahme sein. Die erhaltenen Abbildungen werden von den CCD Kameras gesammelt.
Die sofortige Aufnahme des digitalisierten Objektes erscheint unter der Form einiger unterbrochenen und gleichentfernten Linien.Aus der Nacheinanderfolung der aus diesen Linien gebildete Aufnahmen des Modelles kann man die Geometrie des Objektes, das zu digitalisiern ist, feststellen.

Abb.17: Prinzip der Streifenprojektion (Schnitt)

Diese Methode der Streifenprojektion ist für das Prüfen der Oberflachen die diffus reflektieren sehr nützlich aber ist für das aa Tasten aa der schwarzen, matten und glanzenden Körper nicht empfohlen.
Es gibt aber 2 Arten der Streifenprojektion:
- das Prozess der Lichtfragmentschnitte (Phase- Shifting- Verfahren)
- das Prozess der kodierten Lichtteile (Gray- Code Verfahren)

Im ersten Fall werden die Höhe Unterschiede von der Oberflache sichtbar und meßbar durch das Brechen eines projezierten Lichtstrahles. Mit Hilfe einer LASER- Lichtquelle wird ein Lichtvorhang erzeugt, das sich als eine Schnittlinie auf der Oberflache des Werkstücks verkörpert, die von der bidimensionalen Kamera aufgenommen wird. Um auch die dritte Koordinate einführen zu können, muß man den Körper unter diesem Vorhang bewegen.
Diese Methode ist sehr genau, und bietet sich periodisch wiederholende Lösungen an.

Im Falle der kodierten Lichtteile, erfolgen die Informationen über die Höhe aus mehreren Aufnahmen mit Gittern mit verschiedenen Dicken. Diese Aufnahmen finden eine nach der anderen statt. Diese Methodeist ungenauer - aber mit eindeutiger Lösung, dient zu Ermittlung in welcher Periode sich die Lösung befindet.

Abb. 18: Prinzip der Tiefendatengewinnung nach dem Gray-Code-Verfahren
Wenn man einen komplizierteren Objekt zu vermeßen hat, bei dem man den ganzen Kontur (Oberflache) verfolgt, verwendet man mehrere Ansichten. Diese kann man wegen des GOM- Modular-Meßsystem realisieren, weil er leicht, im Bezug auf der Geometrie des Objektes, verandbar ist.
Moire-basierende Messsysteme wurden für hohe Messauflösungen in kleinen Messvolumen entwickelt. Messverfahren mit strukturierter Beleuchtung wurden für mittelgroße Messvolumen von ca. (300 x 300 x 300) mm3 mit niedrigeren Anforderungen an die Messauflösung entwickelt.
Die Leistungswerte die für Streifenprojektionssysteme zu erwarten sind zeigen auf eine Tiefenauflösung von 0,1 mm und eine Lateralauflösung von 0,3 mm bei einem Messvolumen von (200 x 200 x 200) mm3 an. Bei einer Vergrößerung des Messvolumens sinkt entsprechend die erzielbare Genauigkeit.

2.3.9 Meßfehler die im Fall der Digitalisierung der Oberflachen mit GOM- Systeme erscheinen
Wie für jededes andere Meßsystem auch, das auf optisch- elektronische Prinzipien beruht ist auch hier sehr wichtig die optimale Grenzbedingungen zu schaffen. Darum sind auch in diesem Fall folgende Kriterien gültig:
- die Anzahl der Charakteristiken soll so klein wie möglich sein;
- keine Unreinigkeiten sollen auf der Oberflache des Werkstücks,auf dem Kameraobjektiv und auf der Belichtungsanlge vorhanden sein;
- es soll keine gegenseitige Bedeckung der Objekte, die zu vermeßen, sind geben (wenn man mehrere Objekte gleichzeitig digitalisieren will);
- die Achse der Kamera soll so weit wie möglich senkrecht auf dem Objekt sein (so sind weitere Umwndlungen der Koordinaten nicht mehr nötig);
- der Abstand zwischen Kamera und Objekt soll wenn möglich groß sein;
- die Kamera muß so weit wie möglich nicht bewegt werden;
- eine große Toleranz des Systems bezüglich der Temperatur, Schwingungen, schlechte Bedienungen, Luftdruck und Unterbrechen des Stroms muß existieren.
Die Fehler die bei dieser Systemart erscheinen können, sind mit dem Meßsensor direkt verbunden. Das heißt es sind Fehler die vom Bildabfangsystem, Objektiv oder Lichtquelle eingeführt sind.

1. Fehler auf Grund der Wahl oder der Nutzung der Objektive.
Das Kameraobjektiv bildet zusammen mit der CCD- Kamera eine Einheit. Diese reproduziert die Szene auf einen CCD- Element. Das Fokalisieren ist nichts anderes als das Modiffizieren des Abstandes zwischen Objektiv und dem CCD- Bild.
Die Größe der Objektoberflache und der Abstand zum Objekt, setzen die Wahl des Objektivs fest. Dieser muß eine hohe Auflösung und verringerte Distorsionen haben. Distorsionen zwischen 0,5...0,05% bei einer Meßlange von 1.000 mm führen zu einen Meßfehler von 5...0,5 mm .

Vorteile der Kombination von Phase-Shifting- und Gray-Code-Verfahren :
•??Jede Periode des sinusförmig intesitatsmodulierten Linienrasters der Phasenmessung wird durch ein Gray-Code-Wort eindeutig gekennzeichnet.
•??Durch die Gray-Codierung ergibt sich ein absolutes Meßverfahren. Es laßt sich für jeden
Bildpunkt ohne Verwendung von Nachbarschaftsrelationen die Periode der unstetigen
Lösungsfunktion ??(x,y) zuordnen und somit die Objektkoordinaten direkt bestimmen.
•??Die Kombination beider Prinzipien ergibt ein robustes Meßverfahren (Gray-Code) bei gleichzeitiger hoher Auflösung (Phasenmessung).
In der folgenden Tabelle werden die Leistungsmerkmale für optische Sensorsysteme ohne Lasereinsatz vorgestellt:

Tab. 1: Leistungsmerkmale optischer Systeme ohne Lasereinsatz
2.3.10 Die 3D Optische Digitalisierung einer Statue
Als Beispiel habe ich mir der Prager Karlsbrücke gewahlt undzwar handelt es sich um die Statue des Heiligen Adalberts.
Zum Einsatz kamen die optischen Messsysteme TRITOP und ATOS der Firma GOM
TRITOP ist ein Photogrammetrie-System, welches die genaue Position von Referenzpunkten erfasst. Das tragbare System besteht aus einer hoch auflösenden Digitalkamera, einem oder mehreren Maßstaben, (codierten) Referenzpunkten und einem Notebook-Rechner mit Auswertesoftware. Die Referenzpunkte werden auf das zu digitalisierende Objekt aufgebracht. Zusatzlich werden noch einige codierte Punkte und eine oder zwei Maßstabe auf dem Objekt positioniert.

Abb. 19: Die Referenzpunkte werden angebracht Abb. 20: Ein Detail aus der Statue
Dann wurden mit der Digitalkamera Aufnahmen aus verschiedenen Kamerapositionen gemacht. Diese Bilder wurden in den Notebook-Rechner geladen, wo die Auswertesoftware die genaue 3D Position der Referenzpunkte auf dem Objekt berechnet. Dann wird mit TRITOP die exakte Position aller Referenzpunkte bestimmt. Etwa 100 Ansichten wurden bei Tageslicht mit der Digitalkamera festgehalten. Mit Hilfe dieser Bilder konnte die Position der Referenzpunkte in den Bildern definiert werden. Dargestellt sind die Positionen der Referenzmarken und die Kamerapositionen in Abb. 21

Abb. 21: Referenzpunktpositionen und rekonstruierte Kamerapositionen

Beim ATOS -System (Advanced Topometric Sensor) handelt es sich um einen topometrischen 3D-Sensor zur sekundenschnellen, hochgenauen und flachenhaften Objekt- erfassung. Der Sensor beruht auf einer modifizierten Kombination von Phase-Shifting und Gray-Code-Verfahren.Die von einem Weißlichtprojektor auf die Objektoberflache proji- zierten Phasen- und Gray-Code-Muster werden von 2 Kameras aus unterschiedlichen Richtungen aufgenommen. Dabei wird die der Koordinatenberechnung zugrundeliegende Tri- angulationsanordnung nur zwischen Meßobjekt und den beiden CCD-Kameras gebildet.
Innerhalb weniger Sekunden können bis zu 439.296 Objektpunkte erfaßt werden.
Um wenig Fremdlicht und somit guten Streifenkontrast auf der Statue zu haben, wurde die Digitalisierung mit ATOS hauptsachlich nachts durchgeführt. Dazu wurde der ATOS Sensor auf einen Kamera-Kran montiert. Dieser Kran kann mit einem Joystick bedient werden und ist zur Kontrolle des Arbeitsgebietes mit einer zusatzlichen Kamera ausgerüstet. Der ATOS Sensor wurde dadurch in Arbeitsdistanz um die Statue geführt und die Messungen erfolgten wie in Abb. 22 gezeigt. Zur Erfassung dieser Statue wurden mit ATOS mehr als 350 Aufnahmen gemacht und über 37 Millionen Datenpunkte mit einem Messpunktabstand von typischerweise 0.5mm eingescannt.

Abb. 22: Aufbau zur Digitalisierung der Statue
Aus den gescannten Messdaten konnten zum Beispiel die digitalen 3D-Modelle der folgenden Abbildungen erarbeitet werden.

Abb. 23 und 24: Schattierte Ansichten der Statue und des Sockels anhand der ATOS Scannerdaten
Trotz aller Sorgfalt bleiben einige kleine und versteckte Details der Statue unerreichbar für die optische Triangulationsmessung. Diese Details können mit Hilfe von Reverse Engineering modelliert werden, um eine vollstandige digitale Rekonstruktion des aktuellen Zustandes der Statue zu erhalten.
Die Verwendung eines professionellen Digitalisiersystems an einer Brückenstatue ist von großer Bedeutung, weil der erfolgreiche Projektabschluss das Potential dieser Technik für anspruchsvolle Digitalisierungsaufgaben unter Beweis stellt.
Genau so wurde auch die Freiheitsstaue aus New York von der Firma Texas Tech.digitalisiert nach den Terror- Anschlagen vom 11.September 2001.
Die Daten wurden mit einem Cyrax 2500 3D Laserlesegerat, das 800 P/s aufnehmen kann und eine 6mm Genauigkeit aufweist,in 4 volle Tage aufgenommen. Danach wurden diese nach TX gebracht und mit einen Supercomputer (3Gb Videokarte u.80 Gb Festplate) verarbeitet

2.4 Optische Techniken mit Lasereinsatz
Sensorsysteme, bei denen optische Techniken mit Lasereinsatz genutzt werden, basieren auf Trigonometrie, genauer gesagt auf Triangulation. Das Bauteil wird mit einem Laserstrahl belichtet und eine CCD- Kamera erfasst das Messfeld. Nachdem die Kamera kalibriert ist, können die Koordinaten eines Punktes auf dem Bauteil aus den Bildkoordinaten der Abbildung auf dem CCD- Chip der Kamera errechnet werden.
Das Messprinzip ist in Abb. 23 dargestellt.

Abb. 25: Prinzipdarstellung der Lasertriangulation
Der einzelne projizierte Laserpunkt kann mit Hilfe einer zylindrischen Linse oder einem rotierenden Spiegel zu einer Laserlinie (s. Abb. 16, links) aufgeweitet werden, wodurch es möglich wird, die Anzahl der erfassten Messpunkte pro Zeiteinheit deutlich zu erhöhen. Prinzipbedingte Einschrankungen bei optischen Sensorsystemen existieren aufgrund von Schattenbildung oder Verdeckung von Messregionen, das heist es können nur Koordinatenwerte von Punkten ermittelt werden, die gleichzeitig von der Lichtquelle angestrahlt und von der CCD-Kamera gesehen werden können. Hierdurch ergeben sich oftmals Probleme, wenn ausgepragte Vertiefungen (Bohrlöcher etc.) im Bauteil vermessen werden sollen.
Bei scharfen Kanten wird zudem das Licht gestreut, so dass es für die Auswertung nicht verwendet werden kann. Dafür können in sehr kurzer Zeit große und dichte Datenmengen erfasst werden.

2.4.1 Wie die 3D- Digitalisierung mit optischen Lasersysteme die Produkt-Entwicklung beeinflusst

Um die Herausforderungen der heutigen sich schnell andernden Gesellschaft standzuhalten, betrachten die Firmen ihre Methoden ganz genau, nehmen neue Verfahren an und suchen nach einem Weg um die Produktion leistungsfahiger und kosteneffektiver zu machen. Unter den neuen technologischen Fortschritten gibt es ein wachsendes Interesse an der Verwendbarkeit der schnellen, erschwinglichen optischen Laser Abtastung (Scanen). Herstellungsunternemhmen, insbesondere, betrachten die Abtastungsindustrie als mögliches Werkzeug für die Erhöhung der Produktivitat und das Beheben der Aufgaben hinsichtlich der Notwendigkeit, eine digitale 3D- Datei eines Objekts herzustellen, wo keine vorher bestanden hatte.
Das Scannen eines 3D Bildes und das Schicken dieses Scans einer CAD Software-speichert nicht nur Stunden der sorgfaltigen Arbeit, sondern auch eine Menge Geld. Einen Gegenstand zu reproduzieren, indem man es in den Computer manuell zeichnet ist schwierig, und das Resultat stimmt haufig mit dem Original nicht überein.
Obwohl Reverse Engineering eine Methode ist,die die Firmen seit einiger Zeit verwenden, eine wirklich Kosten-und-Bearbeiten-wirkungsvolle Methode, um sie anzugehen, hat es bis jetzt nicht gegeben. Laser Abtastung öffnet auch die Tür für viele Unternehmen, die es vorziehen zuerst Gegenstanden in den traditionellen Mitteln zu meisseln, um die Tast- und Sichtvorteile die die CAD-Systeme ermangeln,beizubehalten.
Mehr als Dreiviertel der Top 100-Firmen hangen vom visuelles Berechnen ab, um sie zu helfen, ihre Produkte zu entwerfen. Das Umarmen dieser neuen Technologie ermöglicht den Unternehmern, die rechnenden Herausforderungen, die Drehpunkt ih