Reverse Engineering TU Dresden

Sensor-Auflösung: Anzahl der Pixel des Sensors

Geometrische Auflösung (AV): Dargestellte Linien pro Sensorfläche

AV=n / (PI*d)

n .. Anzahl Streifen

Bildmaßstab Mb gibt die Abbildungsgröße eines Objektes auf dem Bildsensor wieder:

• Eine Strecke in der Objektebene S entspricht einer Strecke in der Bildebene S‘
• Berechnung aus dem Verhältnis Kamerakonstante c zu Aufnahmeentfernung h

\(Mb=c/h\)

• Durch Änderung der Kamerakonstante und / oder Änderung der Aufnahmeentfernung kann Bildmaßstab variiert werden.
• Sensorauflösung bleibt gleich

• Interne Kameraparameter (Hauptpunkt, Verzeichnung, Kamerakonstante)
• Externe Kameraparameter (Position und Orientierung der Kamera im Welt-Koordinatensystem)

(siehe Bild)

• ASCII (Punktefolge (X,Y,Z) bei separaten Scannern)
• ISO-G-Code (zur Speicherung von Punktewolken (N0,X=X1,Y=Y1,Z=Z1) bei Installationen auf Werkzeugmaschinen)
• STL (zur Übergabe triangulierter Daten, Punkte werden zu Dreiecken vernetzt, heute Ergebnis vieler 3DScanner)
• IGES (zur Übergabe von Splinekurven und Flächen im Ergebnis der Punkteaufbereitung zu Kurven und Flächen, aber auch Punktfolgen möglich)
• VDAFS (zur Übergabe von Splinekurven und Flächen, zur Übergabe von Splinekurven und Flächen im Ergebnis der Punkteaufbereitung zu Kurven und Flächen)
• Step (zur Übergabe von Produktinformationen)
• JT-Format (beinhaltet tesselierte und analytische Darstellung)
• 3D-PDF-Format (zur Visualisierung von Volumen- und tesselierten Daten)

• RAW (Rohdatenformat, vorrangig bei technischen CT)
• DICOM (Schichtbildstapel, ausschließlich bei medizinischen CT, DVT, MRT)
  • Informationen zum Patient, z. B. Name, Geburtsdatum und Identifikationsnummer,
  • Informationen zu Modalität und Aufnahme, z. B. Geräteparameter, Kalibrierung, Strahlungsdosis und Kontrastmittelgabe, und Bildinformationen, z. B. Auflösung und Fensterung.
• TIFF (Schichtbildstapel)
• JPG  (Schichtbildstapel)

1.  Zusammenführung von Punktewolken in gleiches Koordinatensystem = Registrierung
2. Überflüssige Punkte müssen entfernt werden (Untergrund, Streupunkte, Halterung)
3. Filtermethoden zum Ausdünnen und zur Glättung
4. Erstellen einer Ordnung
5. Erstellung von Schnitten durch Punktewolken
6. Vernetzung von Punktewolken

Registrierung durch: 

• Transformation anhand Maschinenachsen z.B. einer CNC-Maschine
• Passmarken und überlappende Bereichserfassung
• Geometrieeigenschaften (Iterative Point Algorithmus (ICP), basiert auf Minimierung der Fehlerquadrate
  der Abstände korrespondierender Punkte)
• Kugeln (In korrespondierenden Posen müssen mindestens 3 gleiche Kugeln enthalten sein -> Kugeloberflächenpunkte der Kugeln -> Best Fit Einpassung einer Kugel in Punktewolke bei bekanntem Durchmesser -> Berechnung des Kugelmittelpunktes)

Überflüssige Punkte entfernen und Daten glätten

Streupunkte = übermäßig weit entfernt von übrigen Punkten überflüssige Bereiche wie z.B. die Spannung

• gleichmäßiges Sampling von Punkten = jeder n-te Punkt wird entfernt, zur Datenreduktion
• Abstandsbedingtes Sampling von Punkten = Punkte, die im Umkreis eines Kugelradius liegen, werden entfernt, zur Datenreduktion
• Ausreißer entfernen = Punkte, die von der Restpunktewolke einen bestimmten Betrag entfernt sind, werden gelöscht
• Punkte glätten = weit entfernte Punkte werden zur Punktmenge „gezogen“

C0 - stetig, positionsstetig, Class C
C1 - stetig, tangentenstetig, Class B
C2 - stetig, krümmungsstetig, Class A

• Kurvengenerierung aus Punkten
  • Interpolation einer Splinekurve aus geordneten Punkten
  • Approximation (Best-Fit-Einpassung) eines Kreises, einer Ellipse, usw.
  • Schnittkurven aus Schnitten durch die Punktewolke
  • Kurven durch interaktive Selektion von Punkten aus der Punktewolke
• Flächengenerierung aus (Rand- und/oder Zwischen)Kurven
  • UV-Parameterlinien (Kurvennetz) im Polyworks „Patchflächen“
  • Bewegungsflächen, Regelflächen, Ausrundungsflächen
• Flächengenerierung aus Punkten (oder Dreiecken)
  • Interpolation einer Freiformfläche als bikubische Fläche aus Punkten (oder Dreiecken) und Randkurven (im Polyworks als „Nurbsflächen“)
  • Approximation (Best-Fit-Einpassung) eines Kegels, einer Kugel, eines Zylinders usw. (im Poyworks IMInspect, Merkmale erzeugen)

• Parametrische Rückführung
  • für analytisch einfach beschreibbare Elemente, wie ebene Bereiche, Kugel, Torus, Zylinder,… (Hypothesen sind erforderlich)
• Kurvenbasierte Rückführung
  • Strömungsprofile, Designflächen,…Schnittkurven
• Nicht parametrisierte Rückführung
  • = quasi wird ein Netzstrumpf über die Punktewolke gelegt
• Oberflächenspline
  • = Voraussetzung ist ein monotones Kontrollpunktnetz, welches frei von Hinterschnitten ist

(siehe Bild)

Vorteile:

• im 3D-CAD änderbar
• geringer Datenumfang
• stetige und glatte Oberfläche

Nachteile:

• hoher Zeitaufwand für die Generierung

Vorteile:

• geteilgetreue Reproduzierbarkeit des Objekts
• geringer Zeitaufwand für die Generierung

Nachteile:

• im 3D-CAD kaum bzw. nicht änderbar
• hoher Datenumfang

Approximation: bezeichnet im mathematischen Sinn eine Näherung

Interpolation: Funktion wird in den Stützstellen exakt wiedergegeben und in den restlichen Punkten immerhin näherungsweise

1. Festlegung Baugruppen im CAD und deren Kinematik
2. Für Animation in VR-Umgebung – Export VRML
3. Bei Baugruppen ist zu prüfen, ob beim Export die Struktur erhalten geblieben ist
4. Farbgebung, Materialeigenschaften festlegen

(siehe Bild)

... ist die numerische Erfassung der Oberflächen von Werkstücken mit Freiformflächen. 

Im Ergebnis des 3D-Digitalisierens liegen diskrete Punkte mit jeweils 3 Koordinatenwerten vor, die eine Oberfläche beschreiben.

- Energiemaschinenbau (Turbinenschaufeln)
- Fahrzeugbau (Karosserie, Designentwurf)
- Schiffbau
- Flugzeugbau
- Umformtechnik (Werkzeuge für Karosseriebau)
- Kunstbereich
- Möbelindustrie
- Medizin, Biologie
- Bauwesen

- Für Werkstücke, die rechnergestützt entwickelt und gefertigt wurden, die Konstruktions- und Fertigungsunterlagen aber nicht verfügbar sind
    > Datenverlust
    > Erstellung von Plagiaten
    > Ersatzteile

- Für Werkstücke, die manuell modelliert wurden, nachträglich aber rechnergestützt weiterverarbeitet werden

- Für rechnergestützt konstruierte und gefertigte Werkstücke, die im weiteren Produktentwicklungsprozess manuell modifiziert wurden (Automobilindustrie)

- zur geometrischen Qualitätskontrolle (3D Messen)

(siehe Bild)

- beinhaltet die Prozesskette vom physischen Objekt über das 3D-Digitalisieren bis zum CAD-Modell

-> Geometrieerfassung und Geometrieanalyse, Toleranzen analysieren 

- beinhaltet die Prozesskette vom physischen Objekt über das CAD-Modell, die Fertigung und Qualitätskontrolle

• Analyse der Bauteilfunktion (Berechnung der Festigkeit / Verformung)
• Materialanalyse 
• Fertigungstechnologien ergründen

-> Anhand der Analyse Verbesserungen vornehmen 

... ist eine, an die darstellende Geometrie angelehnte, zeichnerische Darstellungsart, die auch im Schiffbau und Automobilbau bekannt ist.

Das designmäßige Finden einer aerodynamischen Form, z. B. eines Rumpfes oder einer Tragfläche, wenn vom Volumen nur einige ebene, senkrechte, parallele Querschnitte gegeben sind. Dabei wird das 3D-Modell in Spanten und Senten unterteilt.

• Achsparallele Schnitte eines Designobjektes, die zu glatten Kurven generiert werden, nennt man Strak
• Nach Möglichkeit wenig Kontrollpunkte
• Spiegelsymmetrie herstellen

Werkzeuge der Strakabteilung : ICEM Surf, Alias Studio Tools

- grenzt einen Wertebereich ein, innerhalb dessen der wahre Wert der Messgröße liegt – Die Angabe erfolgt in V-Werten, z.B.
V = 0.005 mm; je kleiner V – Werte sind, um so genauer ist das Verfahren

• Zufällige Messfehler beschreibt man mit einer Normalverteilung
• Standardabweichung V beschreibt die Breite der Normalverteilung

(siehe Bild)

(siehe Bild)

... gibt den Abstand des Sensorkopfs von der Mitte des Messbereichs an

Grundabstand möglichst gross, um eine Kollision des Sensors mit dem Messobjekt (z.B. an Kanten) zu vermeiden

... ist die kleinste erkennbare Veränderung des Messabstands. (»Rauschen des Messsignals)

Die Auflösung (und Messgenauigkeit) von Triangulationssensoren ist nicht über den Messbereich kontant! Sie ist in der Nähe des Sensors am größten und nimmt stetig (genauer: hyperbolisch) zum sensorfernen Messbereichsrand ab.

Auflösung = N/L

N: Anzahl der Pixel
L: Längeneinheit

Einsatz schaltender Taster: berührt die Tastkugel das Messobjekt, wird ein Trigger-Signal ausgelöst

Vorteile:

• geringer Datenumfang (Dateigröße in KByte)
• sehr hohe Genauigkeit (<0,001mm)
• unabhängig von der Umgebungsbeleuchtung einsetzbar
• unabhängig von der Oberflächenfarbe des Bauteils einsetzbar
• Kleine konkave Vertiefungen antastbar

Nachteile:

• vergleichsweise zeitintensive Datenerfassung (max. 1 Punkt/s)
• großer Punktabstand (1-5 mm, je nach Objekt) 
• Erfassung der Tastermittelpunkte oder Spitzenpunkte und nicht der tatsächlichen Oberflächenpunkte
• weiche Oberflächen werden beim tasten deformiert

(siehe Bild)

• Verwendung von Keramik oder Rubin als Tastereinsatz
• Rubin ist verschleißfest

- von zwei verschiedenen Stationen wird der zu bestimmende Zielpunkt Pi (Objektpunkt) angepeilt. Dabei erhält man die beiden Winkel alpha und beta

- unter Kenntnis der Basislänge b können dann die Koordinaten von Pi relativ zum Ursprung ermittelt werden

Xp: Bildort
Zp: Objektabstand
B: Abstand Laser-Abbildungsoptik horizontal
H: Abstand Laser-Abbildungsoptik vertikal

Kenngrößen:

• Grundabstand – möglichst groß
• Messbereich – möglichst groß

Zusammenhang Xp und Zp ist nichtlinear und wird durch Kalibrierung ermittelt:

• Kalibrierkörper
• Einbaulagenkalibrierung

Zur Auswertung: Trigonometrie Messpunkt fokussiert (klein) und hell

kleiner Triangulationswinkel -> großer Höhenmessbereich -> reduzierte Tiefenauflösung

bzw. 

großer Triangulationswinkel -> kleiner Höhenmessbereich -> verbesserte Tiefenauflösung