DE10354078B4

DE10354078B4 - Clamping device for workpieces for three-dimensional optical surface measurement

Info

Publication number: DE10354078B4
Application number: DE2003154078
Authority: DE
Inventors: Mathias C. Fischer
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-11-19
Filing date: 2003-11-19
Publication date: 2008-09-04
Anticipated expiration: 2023-11-20
Also published as: DE10354078A1

Abstract

Spannvorrichtung (1) zur Halterung eines Werkstücks (2) während der Oberflächenmessung mit Hilfe eines dreidimensional messenden optischen Messsystems (3),
– mit einer Werkstückaufnahme (12) zur Befestigung des Werkstücks (2) und
– mit einer Drehachse (13) zur Drehung der Werkstückaufnahme (12) gegenüber dem Messsystem (3),
dadurch gekennzeichnet,
– dass die Werkstückaufnahme mindestens drei Bezugskörper (9, 10, 11) umfasst, welche fest mit der Werkstückaufnahme (12) verbunden sind,
– wobei die Bezugskörper (9, 10, 11) zumindest abschnittsweise eine Kugelform aufweisen und
– wobei der Mittelpunkt (16) des kugelförmigen Abschnitts des ersten Bezugskörpers (9) außerhalb einer Geraden liegt, die durch die Mittelpunkte (17, 18) der kugelförmigen Abschnitte des zweiten und dritten Bezugskörpers (10, 11) verläuft.Clamping device (1) for holding a workpiece (2) during the surface measurement by means of a three-dimensionally measuring optical measuring system (3),
- With a workpiece holder (12) for fixing the workpiece (2) and
- With a rotation axis (13) for rotating the workpiece holder (12) relative to the measuring system (3),
characterized,
- That the workpiece holder comprises at least three reference body (9, 10, 11) which are fixedly connected to the workpiece holder (12),
- Wherein the reference body (9, 10, 11) at least partially have a spherical shape and
- wherein the center (16) of the spherical portion of the first reference body (9) lies outside a straight line passing through the centers (17, 18) of the spherical portions of the second and third reference body (10, 11).

Description

Die Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung zur Halterung eines Werkstücks während der Oberflächenmessung des Werkstücks mit Hilfe eines dreidimensional messenden optischen Messsystems nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie beispielsweise aus der DE 199 27 496 A1 als bekannt hervorgeht.The invention relates to a clamping device for holding a workpiece during the surface measurement of the workpiece by means of a three-dimensional measuring optical measuring system according to the preamble of claim 1, as for example from DE 199 27 496 A1 as known.

Zur schnellen Geometriemessung von Werkstückoberflächen sind unterschiedliche dreidimensional messende optische Messverfahren bekannt. Insbesondere können mit Hilfe einer Projektionseinrichtung Lichtstrukturen – Punkte, Streifenmuster etc. – auf die zu vermessende Oberfläche projiziert werden, deren Abbild mit Hilfe eines Sensors aufgenommen wird. Aus den Sensordaten können die dreidimensionalen Koordinaten der Oberflächenpunkte berechnet werden. Beispiele hierfür sind u. a. in der DE 39 38 714 A1 , der DE 41 34 546 A1 beschrieben. Weiterhin können die Koordinaten der Objektoberfläche mit Hilfe eines Lasertriangulationsverfahrens gemessen werden, wie beispielsweise in der US 4 796 997 dargestellt.For rapid geometry measurement of workpiece surfaces different three-dimensionally measuring optical measuring methods are known. In particular, with the aid of a projection device, light structures-dots, stripe patterns, etc.-can be projected onto the surface to be measured, the image of which is recorded with the aid of a sensor. From the sensor data, the three-dimensional coordinates of the surface points can be calculated. Examples include in the DE 39 38 714 A1 , of the DE 41 34 546 A1 described. Furthermore, the coordinates of the object surface can be measured by means of a laser triangulation method, such as in the US 4,796,997 shown.

Diese bekannten Verfahren liefern 3D-Koordinatenpunkte derjenigen Teile der Werkstückoberfläche, welche sich im Blickfeld sowohl der Projektionseinrichtung als auch des Sensors befinden. Zur vollständigen Beschreibung der Oberfläche eines zu vermessenden Werkstücks ist es oft notwendig, die Lage des Werkstücks gegenüber dem Messsystem zu verändern, um alle Werkstückbereiche für das Messsystem in eine erfassbare Lage zu bringen. Die beim Vermessen aus unterschiedlichen Richtungen entstehenden Punktewolken müssen dann in den richtigen räumlichen Bezug zueinander gesetzt werden, um einen umfassenden Messdatensatz der gesamten Werkstückoberfläche zu erzeugen.These known methods provide 3D coordinate points of those parts the workpiece surface, which in the field of vision of both the projection device and the Sensors are located. To the complete Description of the surface a workpiece to be measured it is often necessary to change the position of the workpiece relative to the measuring system in order to all workpiece areas for the measuring system to bring to a recognizable position. The while measuring from different Directional points clouds must then be in the correct spatial Be related to each other to provide a comprehensive measurement data set to produce the entire workpiece surface.

Um dies zu erreichen, können beispielsweise Signalmarken auf die Werkstückoberfläche geklebt werden, deren Positionen als Bestandteil der dreidimensionalen Messdaten jeder Einzelansicht des Werkstücks berechnet werden. Ein Best Fit der Messwerte dieser Signalmarken mit Hilfe eines photogrammetrischen Verfahrens gestattet ein nachträgliches Zusammenfügen der Einzelansichten zu einem gemeinsamen Datensatz. Eine solche Vorgehensweise zum Zusammenfügen von Einzelansichten ist beispielsweise in der DE 195 36 294 A1 beschrieben. Allerdings erfordert die gezielte Positionierung, das Aufkleben und das Auswerten der Signalmarken einen nicht unerheblichen Aufwand, so dass dieses Verfahren für eine routinemäßige Stichprobenprüfung seriell gefertigter Werkstücke – z. B. im Rahmen der Qualitätssicherung – nicht in Frage kommt.In order to achieve this, for example, signal marks can be glued to the workpiece surface whose positions are calculated as part of the three-dimensional measurement data of each individual view of the workpiece. A best fit of the measured values of these signal marks with the aid of a photogrammetric method makes it possible to subsequently combine the individual views into a common data record. Such a procedure for joining individual views is for example in the DE 195 36 294 A1 described. However, the targeted positioning, sticking and evaluating the signal marks requires a considerable effort, so that this procedure for a routine sampling of serially manufactured workpieces -. As part of the quality assurance - is out of the question.

Alternativ kann, wie beispielsweise in der EP 1 076 221 A2 offenbart, ein dreidimensional messender optischer Messkopf – bestehend aus einer Projektionseinrichtung und einem fest mit ihr verbundenen Sensor – gesteuert mit Hilfe eines Roboters gegenüber dem Messobjekt verschoben werden; in diesem Fall können die Einzelansichten unter Zuhilfenahme der begleitend gemessenen Roboterpositionen zusammengefügt werden. Ein solches Verfahren erfordert jedoch eine aufwendige und kostspielige Bewegungsmimik, um die hochgenaue Positionierung bzw. Positionsmessung des Messkopfes gegenüber dem Messobjekt sicherzustellen.Alternatively, as in the EP 1 076 221 A2 discloses a three-dimensionally measuring optical measuring head - consisting of a projection device and a sensor permanently connected to it - controlled by means of a robot to be displaced with respect to the measuring object; In this case, the individual views can be joined together using the accompanying measured robot positions. However, such a method requires a complex and costly movement mimic to ensure the high-precision positioning or position measurement of the measuring head relative to the measurement object.

Aus der gattungsbildenden DE 199 27 496 A1 ist ein Verfahren zum Messen mehrschneidiger Werkzeuge bekannt, bei dem das zu messende Werkzeug um eine Drehachse gedreht und in unterschiedlichen Drehlagen mit Hilfe einer Kamera erfasst wird.From the generic DE 199 27 496 A1 a method for measuring multi-bladed tools is known in which the tool to be measured is rotated about an axis of rotation and detected in different rotational positions with the aid of a camera.

Zum Aneinanderfügen der Einzelbilder zu einem Gesamtdatensatz des Werkzeugs werden Maxima eines Konturverlaufs der Werkzeugs ermittelt und die für die unterschiedlichen Drehlagen ermittelten Maxima rechnerisch in Beziehung zueinander gesetzt. – Dieses Verfahren setzt voraus, dass das zum messende Werkstück klare, deutlich erkennbare Konturen aufweist, die einen eindeutigen Bezug der Einzelbilder zueinander ermöglichen.To the put together The frames to a total data set of the tool become maximums a contour of the tool and determined for the different Rotational positions determined mathematically in relation to each other set. - This Method assumes that the workpiece to be measured is clear, clearly identifiable contours that have a clear reference allow the frames to each other.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige Hilfsvorrichtung und ein Verfahren vorzuschlagen, die eine schnelle und einfache optische 3D-Oberflächenmessung eines Werkstücks aus mehreren Richtungen sicherstellen und ein unaufwendiges Zusammenfügen der Einzeldatensätze zu einem gemeinsamen Datensatz ermöglichen.Of the Invention is based on the object, a cost-effective auxiliary device and to propose a method that provides a quick and easy visual 3D surface measurement of a workpiece ensure multiple directions and a nimble joining of the Individual records too enable a common record.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen nach den Ansprüchen 1 und 4 gelöst.The The object is achieved by a Apparatus and a method having the features of claims 1 and 4 solved.

Danach wird das Werkstück während der 3D-Oberflächenmessung auf einer Spannvorrichtung gehaltert, die sich während der Messung in einer festen Relativposition zum Messkopf (d. h. zur Projektionseinrichtung und dem Sensor) befindet. Die Spannvorrichtung ist mit einer Werkstückaufnahme zur Halterung des Werkstücks versehen und weist eine Drehachse zur Drehung des auf der Werkstückaufnahme fixierten Werkstücks auf. Die Spannvorrichtung umfasst weiterhin mindestens drei Bezugskörper, die fest mit der Werkstückaufnahme verbunden sind.After that becomes the workpiece while the 3D surface measurement held on a jig, which during the measurement in one fixed relative position to the measuring head (i.e., to the projection device and the sensor). The clamping device is with a workpiece holder for Holder of the workpiece provided and has an axis of rotation for rotation of the workpiece holder fixed workpiece on. The tensioning device further comprises at least three reference bodies, the firmly with the workpiece holder are connected.

Das zu vermessende Werkstück wird auf der Werkstückaufnahme der Spannvorrichtung montiert, und die Spannvorrichtung wird in einer solchen Weise gegenüber dem optischen Messsystem positioniert, dass sich sowohl die zu vermessenden Bereiche des Werkstücks als auch die Bezugskörper der Spannvorrichtung im Messvolumen des optischen Messsystems befinden. Dann wird mit Hilfe des Messsystems ein erster optischer 3D-Messdatensatz des Werkstücks und der Bezugskörper aufgenommen. Anschließend wird das Werkstück unter Zuhilfenahme der Drehachse gegenüber dem Messkopf gedreht, und es wird in der nun eingenommenen Winkelstellung ein zweiter optischer 3D-Datensatz des Werkstücks und der Bezugskörper aufgenommen. Durch schrittweises Weiterdrehen des Werkstücks gegenüber dem Messsystem und Messung der dem Messsystem gegenüberliegenden Bereiche der Werkstückoberfläche und der Bezugskörper werden weitere 3D-Messdatensätze aufgenommen, die notwendig sind, um die interessierenden Bereiche der Werkstückoberfläche zu erfassen. Nach Abschluss dieser Messungen werden zunächst aus jedem 3D-Messdatensatz die Messwerte der Bezugskörper extrahiert und aus diesen Messwerten bestimmte räumliche Merkmale der Bezugskörper (ihre Mittelpunkte) errechnet. Dann werden die 3D-Messwerte der einzelnen Messdatensätze in einer solchen Weise transformiert, dass die Bezugskörper bezüglich ihrer räumlichen Merkmale übereinstimmen. Diese Transformation entspricht einer Drehung um die Drehachse der Spannvorrichtung (entsprechend dem Winkel, um den das Werkstück zwischen den zugehörigen Messungen gedreht wurde). Auf diese Weise wird ein Gesamtdatensatz der Werkstückoberfläche erzeugt, der aus den transformierten Einzel-Messdatensätzen zusammengefügt ist.The workpiece to be measured is mounted on the workpiece holder of the clamping device, and the clamping device is positio in such a manner relative to the optical measuring system niert that both the areas to be measured of the workpiece and the reference body of the clamping device are in the measuring volume of the optical measuring system. Then, with the aid of the measuring system, a first optical 3D measurement data set of the workpiece and the reference body are recorded. Subsequently, the workpiece is rotated with the aid of the axis of rotation relative to the measuring head, and it is recorded in the now assumed angular position, a second optical 3D data set of the workpiece and the reference body. By stepwise further rotation of the workpiece relative to the measuring system and measurement of the areas of the workpiece surface and the reference body opposite the measuring system, additional 3D measuring data sets are recorded which are necessary to detect the areas of interest of the workpiece surface. After completing these measurements, the measured values of the reference bodies are first extracted from each 3D measurement data set, and from these measured values, certain spatial features of the reference bodies (their center points) are calculated. Then, the 3D measurement values of the individual measurement data records are transformed in such a way that the reference bodies agree with respect to their spatial characteristics. This transformation corresponds to a rotation about the axis of rotation of the clamping device (corresponding to the angle through which the workpiece was rotated between the associated measurements). In this way, a complete data set of the workpiece surface is generated, which is assembled from the transformed individual measurement data sets.

Die Spannvorrichtung ermöglicht eine schnelle und einfache Erfassung von 3D-Oberflächen-Messdaten von Werkstücken, die aus unterschiedlichen Einzeldatensätzen zusammengesetzt sind. Es ist keinerlei Präparation des Werkstücks (durch Aufkleben von Signalmarken etc.) notwendig. Die Spannvorrichtung ist sehr einfach aufgebaut und daher sehr preisgünstig. Sie ermöglicht insbesondere eine schnelle, unaufwendige Messung der Oberflächenkontur von Zulieferteilen, beispielsweise im Rah men einer stichprobenartigen Eingangskontrolle, und eine schnelle stichprobenartige Qualitätsprüfung von Teilen, die im Rahmen einer Großserienproduktion hergestellt wurden.The Clamping device allows a quick and easy acquisition of 3D surface measurement data of workpieces, which are composed of different individual data sets. It is not a preparation of the workpiece (by Sticking on signal marks etc.) necessary. The tensioning device is very simple and therefore very reasonably priced. It allows in particular a fast, uncomplicated measurement of the surface contour of supplied parts, for example, in the context of a random entry control, and a quick random quality inspection of parts in the frame a mass production were manufactured.

Die Bezugskörper der Spannvorrichtung sind in einer solchen Weise gestaltet, dass sie zumindest abschnittsweise kugelförmig sind: Die Berechnung von Kugelmittelpunkten (und somit der relevanten räumlichen Merkmale der Bezugskörper) ist sehr einfach durchzuführen, da eine Kugelfläche – unabhängig von ihrer Winkellage – immer die gleiche Gestalt hat. Damit aus den Messdaten der Bezugskörper eine eineindeutige Berechnung der Transformationsmatrix gewonnnen werden kann, dürfen die Kugelmittelpunkte nicht auf einer ge meinsamen Linie liegen, sondern müssen eine Ebene im Raum aufspannen.The reference body the tensioning device are designed in such a way that they are at least partially spherical: The calculation of Ball centers (and thus the relevant spatial features of the reference body) is very easy to perform, because a spherical surface - regardless of their angular position - always has the same shape. So that from the measured data of the reference body a one-to-one calculation of the transformation matrix can be obtained can, may the ball centers are not on a common line, but have to span a plane in space.

In einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung sind die kugelförmigen Bezugskörper in einer solchen Weise auf der Spannvorrichtung angeordnet, dass die Mittelpunkte zweier Bezugskörper auf der Drehachse der Spannvorrichtung liegen. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn sich die beiden auf der Drehachse liegenden Bezugskörper in bezug auf ein vorgegebenes Merkmal (z. B. in bezug auf ihren Durchmesser) gegenüber den restlichen Bezugskörpern unterscheiden. Auf diese Weise kann aus den 3D-Messdatensätzen die Lage der Drehachse besonders schnell berechnet werden.In a particularly useful embodiment the invention are the spherical reference body arranged in such a manner on the tensioning device that the centers of two reference bodies lie on the axis of rotation of the clamping device. It continues advantageous if the two lying on the axis of rotation reference body with respect to a given characteristic (eg with regard to its diameter) across from the remaining reference bodies differ. In this way, from the 3D measurement data records the Position of the rotation axis can be calculated very quickly.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen:in the The following is the invention with reference to an illustrated in the drawings embodiment explained in more detail. there demonstrate:

1 eine schematische perspektivische Ansicht einer Spannvorrichtung mit darauf gehaltertem Werkstück 1 a schematic perspective view of a clamping device with workpiece held thereon

1 zeigt eine Spannvorrichtung 1, auf der ein zu vermessendes Werkstück 2 befestigt ist. Die Messung der Objektoberfläche erfolgt mit Hilfe eines optischen dreidimensional messenden Messsystems 3, das einen Messkopf 4 und eine Auswerteeinheit 5 umfasst. Die Auswerteeinheit 5 dient zur Berechnung von 3D-Koordinaten der Werkstückoberfläche 6 aus den vom Messkopf 4 gewonnenen Messwerten. In 1 ist ein Streifenprojektions-Messsystem mit einem Streifenprojektor 7 und einer Matrixkamera 8 dargestellt; alternativ kann das Messsystem beispielsweise auch ein Lasertriangulations-Messsystem etc. sein. 1 shows a clamping device 1 on which a workpiece to be measured 2 is attached. The measurement of the object surface takes place with the aid of an optical three-dimensional measuring system 3 that has a measuring head 4 and an evaluation unit 5 includes. The evaluation unit 5 is used to calculate 3D coordinates of the workpiece surface 6 from the measuring head 4 obtained measured values. In 1 is a fringe projection measuring system with a strip projector 7 and a matrix camera 8th shown; Alternatively, the measuring system may be, for example, a laser triangulation measuring system, etc.

Der Messkopf 4 ist während der Messungen raumfest gegenüber einer Grundplatte 14 der Spannvorrichtung 1 angeordnet. Die Spannvorrichtung 1 umfasst drei Bezugskörper 9, 10, 11 und eine Werkstückaufnahme 12, auf der das zu messende Werkstück 2 befestigt ist. Die Bezugskörper 9, 10, 11 und die Werkstückaufnahme 12 sind fest miteinander zu einem Zusammenbau 15 verbunden und können gemeinsam um eine Drehachse 13 gegenüber der Grundplatte 14 gedreht werden. Solche Drehungen des Zusammenbaus 15 können entweder manuell erfolgen; alternativ können sie mit Hilfe eines (in 1 nicht dargestellten) Antriebsmotors durchgeführt werden.The measuring head 4 is spatially fixed to a base plate during the measurements 14 the tensioning device 1 arranged. The tensioning device 1 includes three reference bodies 9 . 10 . 11 and a workpiece holder 12 on which the workpiece to be measured 2 is attached. The reference body 9 . 10 . 11 and the workpiece holder 12 are stuck together to an assembly 15 connected and can work together around a rotation axis 13 opposite the base plate 14 to be turned around. Such twists of the assembly 15 can be done either manually; alternatively, they can with the help of a (in 1 not shown) drive motor can be performed.

Im Ausführungsbeispiel der 1 weisen die Bezugskörper 9, 10, 11 abschnittsweise eine Kugelform auf; aus den kugelförmigen Abschnitten der Bezugskörper 9, 10, 11 lassen sich Mittelpunkte 16, 17, 18 dieser Bezugskörper berechnen. Die beiden Bezugskörper 10 und 11 haben den gleichen Durchmesser D1 und sind in einer solchen Weise angeordnet, dass ihre Mittelpunkte 17, 18 auf der Drehachse der Spannvorrichtung 1 liegen. Der dritte Bezugskörper 9 hat einen Durchmesser D2, der sich von dem Durchmesser D1 der beiden anderen Bezugskörper 10, 11 unterscheidet, und ist auf einem Sockel 19 montiert, so dass sein Mittelpunkt 16 um einen Abstand 20 gegenüber der Drehachse 13 versetzt ist.In the embodiment of 1 have the reference bodies 9 . 10 . 11 a spherical shape in sections; from the spherical sections of the reference body 9 . 10 . 11 can be middle points 16 . 17 . 18 calculate this reference body. The two reference bodies 10 and 11 have the same diameter D1 and are angeord in such a way net, that their centers 17 . 18 on the axis of rotation of the clamping device 1 lie. The third reference body 9 has a diameter D2 that differs from the diameter D1 of the other two reference bodies 10 . 11 is different, and is on a pedestal 19 mounted so that its center 16 by a distance 20 opposite the axis of rotation 13 is offset.

Zur Messung der dreidimensionalen Oberflächenkontur 6 des Werkstücks 2 wird das Werkstück 2 an der Werkstückaufnahme 12 der Spannvorrichtung 1 befestigt und in einer solchen Weise gegenüber dem Messkopf positioniert, dass sich sowohl die zu vermessenden Teile der Werkstückkontur als auch die drei Bezugskörper 9, 10, 11 im Messfeld des Messsystems 3 befinden. Dann wird mit Hilfe des Messsystems 3 eine erste Messung durchgeführt, bei der diejenigen (in 1 schraffiert gezeichneten) Bereiche 21 der Werkstückoberfläche 6 aufgenommen werden, die im Blickfeld des Messkopfs liegen. Gleichzeitig werden die dem Messkopf 4 gegenüberliegenden Bereiche 22, 23, 24 der Bezugskörper 9, 10, 11 aufgenommen (die in 1 ebenfalls schraffiert dargestellt sind). Aus den zugehörigen Bilddaten des Messkopfs 4 wird in der Auswerteeinheit 5 ein Satz von dreidimensionale Punktedaten berechnet, die den Koordinaten der Bereiche 21, 22, 23, 24 (und ggf. weiterer im Blickfeld des Messkopfs befindlicher Bereiche) entsprechen. Mit Hilfe eines Suchalgorithmus (oder interaktiv) werden aus diesem Messdatensatz zunächst diejenigen Punkte extrahiert, die den Kugelflächen 22, 23, 24 zuzuordnen sind, und daraus – unter Verwendung des Wissens über die Durchmesser D1, D2 – die Lage der Kugelmittelpunkte 16, 17, 18 und der Drehachse 13 berechnet.For measuring the three-dimensional surface contour 6 of the workpiece 2 becomes the workpiece 2 at the workpiece holder 12 the tensioning device 1 attached and positioned in such a manner relative to the measuring head, that both the parts to be measured workpiece contour and the three reference body 9 . 10 . 11 in the measuring field of the measuring system 3 are located. Then with the help of the measuring system 3 performed a first measurement, in which those (in 1 hatched areas) 21 the workpiece surface 6 be recorded, which are in the field of view of the measuring head. At the same time the measuring head 4 opposite areas 22 . 23 . 24 the reference body 9 . 10 . 11 recorded (the in 1 also hatched). From the associated image data of the measuring head 4 is in the evaluation unit 5 a set of three-dimensional point data computes the coordinates of the areas 21 . 22 . 23 . 24 (and possibly further in the field of view of the measuring head befindlicher areas) correspond. With the aid of a search algorithm (or interactively), first of all, those points are extracted from this measurement data set that correspond to the spherical surfaces 22 . 23 . 24 and from this - using the knowledge of the diameters D1, D2 - the position of the ball centers 16 . 17 . 18 and the axis of rotation 13 calculated.

Anschließend wird der Zusammenbau 15 mitsamt dem darauf befestigten Werkstück 2 um einen Winkel 25 gegenüber der Grundplatte 14 gedreht, wodurch der Bezugskörper 9 und das Werkstück 2 in die in 1 gestrichelt angedeutete Lage wandern; die beiden Bezugskörper 10, 11, deren Mittelpunkte 17, 18 auf der Drehachse 13 liegen, verändern dabei ihre Lage nicht. In dieser Ausrichtung des Werkstücks 2 wird nun mit Hilfe des stationären Messsystems 3 ein zweiter Messdatensatz aufgenommen, aus dem – wie oben beschrieben – die Raumlage der Mittelpunkte 16', 17, 18 und der Drehachse 13 berechnet wird. Aus der Lageänderung des Mittelpunkts 16' des Bezugskörpers 9' kann dann der Winkel 25 berechnet werden, um den der Zusammenbau 15 zwischen den beiden Messungen gedreht wurde. Alle 3D-Koordinatenwerte des zweiten Messdatensatzes werden nun einer Transformation unterzogen, bei der sie um den Winkel 25 um die Drehachse 13 zurückgedreht werden und somit in demselben Koordinatensystem wie der erste Messdatensatz vorliegen.Subsequently, the assembly 15 together with the workpiece attached to it 2 at an angle 25 opposite the base plate 14 rotated, causing the reference body 9 and the workpiece 2 in the in 1 indicated by dashed lines location; the two reference bodies 10 . 11 , their centers 17 . 18 on the axis of rotation 13 lie, do not change their situation. In this orientation of the workpiece 2 is now using the stationary measuring system 3 a second measurement data record taken from the - as described above - the spatial position of the centers 16 ' . 17 . 18 and the axis of rotation 13 is calculated. From the change of position of the center 16 ' of the reference body 9 ' can then the angle 25 be calculated to the the assembly 15 was rotated between the two measurements. All 3D coordinate values of the second measurement data set are now subjected to a transformation, in which they are subtended by the angle 25 around the axis of rotation 13 be rotated back and thus present in the same coordinate system as the first measurement data set.

Befindet sich der Messkopf 4 in einer festen stationären Lage gegenüber der Grundplatte 14 der Spannvorrichtung 1, so genügt es bei der Auswertung des zweiten Messdatensatzes, die Lage des Mittelpunkts 16 des Bezugskörpers 9 zu bestimmen; die Lage der Mittelpunkte 17 und 18 (und somit der Drehachse 13) braucht nicht erneut berechnet zu werden, da sie sich bei Drehungen des Werkstücks 2 nicht ändert.Is the measuring head located? 4 in a fixed stationary position relative to the base plate 14 the tensioning device 1 , so it is sufficient in the evaluation of the second measurement data set, the position of the center 16 of the reference body 9 to determine; the location of the centers 17 and 18 (and thus the axis of rotation 13 ) does not need to be recalculated as it rotates the workpiece 2 does not change.

Auf diese Weise werden – durch weiteres Vorwärtsdrehen des Zusammenbaus 15 um ausgewählte Winkel 25 – Aufnahmen des Werkstücks 2 und der Bezugskörper 9, 10, 11 aus verschiedenen Richtungen gemacht und zu einem gemeinsamen Datensatz zusammengefügt, bis dreidimensionale Messdaten aller zu messenden Bereiche der Werkstückoberfläche 6 vorliegen. Aus diesen Daten können dann in einem nächsten Schritt relevante Messgrößen extrahiert werden, aus denen beispielsweise ein SOLL/IST-Vergleich gegenüber CAD-Daten des Werkstücks 2 durchgeführt werden kann. Alternativ kann aus den dreidimensionalen Messdaten ein CAD-Modell des Werkstücks 2 generiert werden.In this way - by further forward rotation of the assembly 15 at selected angles 25 - Recordings of the workpiece 2 and the reference body 9 . 10 . 11 made from different directions and combined into a common data set, to three-dimensional measurement data of all areas of the workpiece surface to be measured 6 available. From these data, relevant measured variables can then be extracted in a next step, from which, for example, a TARGET / ACTUAL comparison with CAD data of the workpiece 2 can be carried out. Alternatively, from the three-dimensional measurement data, a CAD model of the workpiece 2 to be generated.

Handelt es sich bei dem Werkstück 5 um ein scheibenförmiges flaches Teil, so genügen in der Regel zwei Messungen, bei denen das Teil zunächst von der Vorderseite aufgenommen wird, dann mit Hilfe der Spannvorrichtung 1 um etwa 180° gedreht und anschließend von der Rückseite aufgenommen wird. Aus der Lage der Mittelpunkte 16, 16', 17, 18 der Bezugskörper 9, 10, 11 in den beiden Messdatensätzen kann dann auf einfache Weise die Transformationsmatrix berechnet werden, die ein exaktes Zusammenfügen der beiden Messdatensätze gestattet.Is it the workpiece 5 around a disc-shaped flat part, as a rule, two measurements in which the part is first taken from the front, then with the help of the clamping device 1 rotated by about 180 ° and then picked up from the back. From the location of the centers 16 . 16 ' . 17 . 18 the reference body 9 . 10 . 11 In the two measurement data sets, the transformation matrix can then be calculated in a simple manner, which allows an exact combination of the two measurement data records.

Hat das Werkstück 5 eine so komplexe Gestalt, dass bei Drehungen um die Drehachse 13 nicht alle zu messenden Bereiche des Werkstücks 5 in das Blickfeld des Messkopfes 4 kommen, so kann die Spannvorrichtung 1 auch gegenüber dem Messkopf 4 verschoben, geschwenkt etc. werden; hierbei ist nur zu beachten, dass bei allen Aufnahmen, die mit Hilfe des Messsystems 3 von dem Werkstück 2 gemacht werden, ausreichend große Bereiche der drei Bezugskörper 9, 10, 11 im Blickfeld des Messkopfes 4 sind, so dass aus ihren Mittelpunkten die Koordinatentransformationen zwischen den Einzelbildern errechnet werden können.Has the workpiece 5 such a complex shape that when turning around the axis of rotation 13 not all areas of the workpiece to be measured 5 in the field of view of the measuring head 4 come, so can the jig 1 also opposite the measuring head 4 be moved, panned, etc.; Here it is only to be noted that with all recordings, with the help of the measuring system 3 from the workpiece 2 are made sufficiently large areas of the three reference body 9 . 10 . 11 in the field of vision of the measuring head 4 are, so that the coordinate transformations between the individual images can be calculated from their centers.

Die Werkstückaufnahme 12 ist im Ausführungsbeispiel der 1 als Würfel ausgestaltet, an dessen Flächen das Werkstück 2 angeschraubt werden kann. Alternativ kann die Werkstückaufnahme 12 als Adapter ausgelegt werden, der auf die Geometrie des zu messenden Werkstücks 2 angepasst ist. Weiterhin kann der Zusammenbau 15 über ein Kugelgelenk mit der Grundplatte verbunden sein, um die Drehachse 13 im Raum frei einstellen zu können und so eine besonders schnelle und einfache Ausrichtung des Werkstücks 2 im Messfeld des Messsystems 3 zu ermöglichen.The workpiece holder 12 is in the embodiment of 1 designed as a cube, on whose surfaces the workpiece 2 can be screwed. Alternatively, the workpiece holder 12 be designed as an adapter based on the geometry of the workpiece to be measured 2 is adjusted. Furthermore, the assembly 15 be connected via a ball joint with the base plate to the axis of rotation 13 in the room to be able to set freely and so a particularly fast and easy Ausrich tion of the workpiece 2 in the measuring field of the measuring system 3 to enable.

Claims

Clamping device ( 1 ) for holding a workpiece ( 2 ) during the surface measurement with the aid of a three-dimensionally measuring optical measuring system ( 3 ), - with a workpiece holder ( 12 ) for fastening the workpiece ( 2 ) and - with a rotation axis ( 13 ) for rotating the workpiece holder ( 12 ) relative to the measuring system ( 3 ), characterized in that - the workpiece holder has at least three reference bodies ( 9 . 10 . 11 ), which fixed to the workpiece holder ( 12 ), the reference bodies ( 9 . 10 . 11 ) at least in sections have a spherical shape and - wherein the midpoint ( 16 ) of the spherical portion of the first reference body ( 9 ) lies outside a straight line passing through the centers ( 17 . 18 ) of the spherical portions of the second and third reference bodies ( 10 . 11 ) runs.

Clamping device according to claim 1, characterized in that the centers ( 17 . 18 ) of the spherical portions of the second and third reference bodies ( 10 . 11 ) on the axis of rotation ( 13 ) of the tensioning device ( 1 ) lie.

Clamping device according to claim 2, characterized in that the second and the third reference body ( 10 . 11 ) have matching diameter (D1), while the first reference body ( 9 ) has a different diameter (D2).

Method for the three-dimensional surface detection of a workpiece with the aid of a stationary optical measuring system, comprising the following method steps: A. the workpiece ( 2 ) is placed on a workpiece holder ( 12 ) a tensioning device ( 1 ) according to claim 1, 2 or 3 and clamped on this clamping device ( 1 ) compared to the optical measuring system ( 3 ), B. using the measuring system ( 3 ), a first measurement data set of the workpiece surface ( 6 ) and the reference body ( 9 . 10 . 11 ), from which the position of the centers ( 16 . 17 . 18 ) the reference body ( 9 . 10 . 11 ) and the axis of rotation ( 13 ), C. the workpiece ( 2 ) is turned by a rotation about the axis of rotation ( 13 ) in a different orientation relative to the optical measuring system ( 3 ), D. using the measuring system ( 3 ), another measurement data set of the workpiece surface ( 6 ) and the reference body ( 9 . 10 . 11 ), from which the midpoint ( 16 ) of the first reference body ( 9 ) and the angle of rotation ( 25 ) of this workpiece orientation is calculated relative to the original orientation, E. the further measurement data set is transformed back by the measured values being rotated by the angle of rotation (FIG. 25 ) about the axis of rotation ( 13 ), the reverse transformed further measurement data set is added to the first measurement data set, G. steps C. to F. are run through until the area of the workpiece surface to be measured ( 6 ) is completely recorded.