Triangulation: bewährtes Messprinzip mit Zukunft

Triangulation: bewährtes Messprinzip mit Zukunft

Seit dem 17. Jahrhundert dient die Triangulation in Europa und Amerika der Landesvermessung. Dabei wird eine Fläche in Dreiecke aufgeteilt, die der Streckenmessung dienen. Denn sind die Dreieckswinkel und eine Grundlinie des Dreiecks bekannt, so lassen sich die fehlenden Längen dank Trigonometrie ganz einfach berechnen. Mit dem Aufkommen der elektronischen Distanzmesser wurde zur Punktebestimmung in der Landesvermessung mehr und mehr das Verfahren der Trilateration, d. h. der direkten Messung der Distanzen, angewandt.

Erfunden wurde die mathematisch-geodätische Triangulation vermutlich vom niederländischen Astronomen Snellius. Heutzutage wird das Triangulationsprinzip weit über die Landesvermessung hinaus eingesetzt, z. B. in der Photogrammetrie oder im 3D-Scanning.

Lasertriangulation mit dem Lichtschnittverfahren

Das auf der Triangulation basierende Lichtschnittverfahren dient der optischen Formerfassung und findet Anwendung in der 3D-Messtechnik. Die Eckpunkte des Triangulationsdreiecks werden gebildet aus einer Lichtquelle, einer Kamera und dem Messobjekt. Von der Lichtquelle wird ein Lichtpunkt oder eine Linie mittels Laser in einem bekannten Winkel auf das Messobjekt projiziert. Die Reflexion des Lichts wird von der Kamera erfasst, sodass nach dem Triangulationsprinzip die genaue Position des Messobjekts berechnet werden kann. Um die Kontur eines Objekts oder Bauteils abzubilden, müssen entweder der Sensor oder das Objekt in eine Richtung bewegt werden. Da die Bewegung sowie Umgebungsveränderungen sich auf das Messergebnis sprich die Genauigkeit auswirken, benötigt dieses Verfahren eine stabile Messinstallation. Schwierigkeiten beim Lichtschnittverfahren bereiten, wie bei allen anderen optischen Verfahren, außerdem enge Bohrungen sowie Hinterschneidungen. 

Vorteile von Laserscannern

Unabhängig von Umgebungslichtverhältnissen
Sensorkopf kann auf vorhandene Messsystemen montiert werden, z. B. KMG

Nachteile von Laserscannern

Auflösungseinbußen aufgrund von Lasergranulation (Speckle) und Bewegung
Keine Prozesssicherheit, da temperaturabhängig

Streifenlichtprojektion

Für die Streifenlichtprojektion projiziert im optischen 3D-Messverfahren ein Projektor Streifen auf das Messobjekt, um die genaue Form in einem 3D-Modell abzubilden. Das Schnittlinienbild wird von der Kamera erfasst und die 3D-Koordinaten der Objektoberfläche werden berechnet. Die Triangulation erfolgt unter Kenntnis der genauen Anordnungsgeometrie. Als Triangulationsbasis sind dafür der Abstand zwischen Sensor und Kamera sowie die Winkel bekannt.

Vorteile der Streifenprojektion:

Flächenhafte 3D-Informationen mit konstanter Auflösung
Hohe Messpunktdichte
Flexibler Messaufbau

Nachteile der Streifenprojektion:

Höhere Anforderungen an Projektionstechnik
Durchscheinende oder spiegelnde Oberflächen erfordern u. U. eine Vorbehandlung

Funktionsweise der ATOS Sensoren

Im Fall der ATOS Sensoren kommen zwei Kameras mit bekannter relativer Orientierung zum Einsatz. Die Triangulationsbasis entspricht dem Abstand zwischen den beiden Kameras. In der Mitte befindet sich die Projektionseinheit. Diese projiziert ein strukturiertes Lichtmuster auf das zu vermessende Objekt. Das codierte Streifenmuster unterliegt während des Scanvorgangs einem Phasenshift, d. h. das Muster ändert sich schnell und für das menschliche Auge kaum sichtbar. Die beiden Sensorkameras erfassen die sich verändernden Streifen und berechnen daraus mittels optischen Transformationsgleichungen die 3D-Koordinaten für jedes Kamerapixel. Millionen Messpunkte mit feinsten Details werden so in wenigen Sekunden berührungslos erfasst. Die Sensorsoftware erstellt automatisch eine hochauflösende Punktewolke (STL-Netz), die ein präzises Abbild des Messobjekts darstellt.

Technologie-Entwicklungen von GOM

Um die Messsysteme möglichst zuverlässig und prozesssicher zu machen, hat GOM spezielle Technologien entwickelt, die den Scanvorgang verbessern. Die ATOS 3D-Digitalisierer arbeiten mit der Blue Light Technology: Durch das schmalbandige blaue Licht der Projektionseinheit kann der Scanner präzise Messungen unabhängig von den Lichtverhältnissen der Umgebung und auch von glänzenden Oberflächen vornehmen.

Durch das Triple Scan Prinzip werden die rechte und linke Sensorkamera einzeln in Kombination mit dem Projektor eingesetzt. Daraus resultieren verschiedene Perspektiven auf das Bauteil, sodass während eines Scans drei Ansichten erfasst werden statt nur einer. Die Messung läuft damit schneller ab, da die Zahl der Einzelscans selbst bei komplexen Bauteilen deutlich reduziert wird. Das Scannen in tiefe Taschen ist ein zusätzlicher Vorteil dieses Konzeptes. Durch die Erfassung mit zwei Kameras gleichzeitig nach dem Stereokameraprinzip entsteht eine Überbestimmung, die für Prozesssicherheit sorgt: Sensor- und Messobjektbewegung sowie Umgebungsveränderungen werden erkannt, die Transformationsgenauigkeit überprüft und die 3D-Sensorposition live getrackt.

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