Reverse Engineering TU Dresden

Lernkartei zur Lehrveranstaltung Reverse Engineering an der TU Dresden. Beinhaltet keine offiziellen Fragen!

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A. T.
Diese Lernkarten vertiefen Techniken und Methoden des Reverse Engineering, insbesondere die Digitalisierung von Objekten durch Punktewolken, 3D-Modellierung und Datenaufbereitung. Der Fokus liegt auf Verfahren wie Flächenrückführung, Registrierung und Filtermethoden sowie auf Schnittstellenformate und messtechnische Grundlagen wie Kamerakalibrierung und Auflösung. Studierende und Praktiker profitieren von diesem Wissen, um reale Objekte digital zu erfassen, weiterzuverarbeiten und in CAD-Systeme zu integrieren.
Cartes-fiches
50
Utilisateurs
12
Langue
Allemand
Catégorie
Technique
Niveau
Université
Créé / Mis à jour
18.07.2016 / 18.08.2026

Cartes-fiches

Welche Arten von Oberflächen gibt es in der 3D-Digitalisierung?

(siehe Bild)

Was ist 3D-Digitalisierung?

... 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.

Nenne 4 Industriezweige in den 3D-Digitalisierung eingesetzt wird.

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

Wann wird 3D-Digitalisierung angewendet?

- 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)

In welche Phasen wird RE unterteilt?

(siehe Bild)

Was beinhaltet RE im engeren Sinne?

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

-> Geometrieerfassung und Geometrieanalyse, Toleranzen analysieren 

Was beinhaltet RE in erweiterten Sinn?

- 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 

Was ist der Strak?

... 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.

Was ist beim Straken von Designflächen zu beachten?

• 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

Was gibt die Messunsicherheit eines Systems an?

- 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

Nenne die 4 Schalen der Messunsicherheit eines Systems!

(siehe Bild)

Welche Einflussfaktoren auf die Messunsicherheit gibt es? Nenne 4 und jeweils 1 Beispiel.

(siehe Bild)

Was ist der Grundabstand?

... 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

 

Was ist die Auflösung?

... 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

Beschreibe kurz den Ablauf beim Erfassen von Flächen mittels taklilem Verfahren!

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

Welche Vor- und Nachteile hat das taklile Verfahren?

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

Welche Ausführungsarten der Taster gibt es?

(siehe Bild)

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

Beschreibe kurz das Messprinzip der optischen Triangulation!

- 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

 

Beschreibe kurz das Messprinzip der Lasertriangulation mit Laserpunkt!

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

Welcher Zusammenhang besteht zwischen Triangulationswinkel, Messbereich und Auflösung?

kleiner Triangulationswinkel -> großer Höhenmessbereich -> reduzierte Tiefenauflösung

bzw. 

großer Triangulationswinkel -> kleiner Höhenmessbereich -> verbesserte Tiefenauflösung

Beschreibe kurz das Messprinzip der optischen Datenaufnahme mittels Laserstrahl!

Lichtschnittverfahren
Ein Lichtband wird auf das Objekt projiziert. 
Der Lichtschnitt wird mittels Videokamera erfasst und nach den Triangulationsgesetzen ausgewertet.

Beschreibe kurz das Messprinzip der optischen Datenaufnahme mittels flächenhaftem strukturiertem Licht!

Gezielte flächenhafte Projektion von strukturiertem Licht ermöglicht eine bildhafte Triangulation der Szene

Lichtstreifen werden variiert in:

  • Breite der Streifen
  • Intensität
  • Lage der Streifen

Beschreibe kurz das Messprinzip der optischen Datenaufnahme durch Photogrammetrie!

  • Räumliche Triangulation mit Richtungsbündeln
  • Simultane Aufnahme aller Richtungen
  • Mit Streckenmessungen zwischen den Objektpunkten wird der Maßstab des Modells definiert
  • Signifikante Punkte oder Linien werden auf das Objekt geklebt

(im Bild: graues Viereck = kodierte Marke, rote Linie= Längenmaßstäbe)

Was ist der Gray-Code?

... ist ein stetiger Code, bei dem sich benachbarte Codewörter nur in einer einzigen dualen Ziffer unterscheiden

Wie sind die Referenzmarken codiert?

Bildanalyse durch Schwellwertverfahren, finden der Marken durch Filterung, Detektion des Codestarts, Lesen des Codes

Welche Vor- und Nachteile haben die optischen Verfahren?

Vorteile:

  • vergleichsweise schnelle Datenerfassung
  • direkte Erfassung der Oberfläche ohne komplizierte Rückrechnung
  • Dünnwandige sensible und weiche Oberflächen sind unkompliziert zu erfassen

Nachteile:

  • Abhängigkeit von der Umgebungsbeleuchtung
  • Kanten sind nicht erfassbar

Welche Einschränkungen gibt es beim 3D Sehen mittels Technik?

  • Chromatische Abberation
  • Verzeichnung
  • Auflösung 
  • Bildmaßstab

Was ist die chromatische Abberation?

- Unschärfe aufgrund der unterschiedlichen Berechnung der unterschiedlichen Lichtwellenlängen

- grünes Licht ist am besten zum Messen geeignet da es am schärfsten ist 

Was ist die Verzeichnung?

- Maßstabsänderung in Abhängigkeit zum Abstand zur optischen Achse (tangential, radial)

- Objektivabhängig (Fish-Eye)

- Entzerrung durch spezielle mathematische Methoden

Was beschreibt die Schärfentiefe?

  • Ein Punkt erscheint scharf, obwohl er nicht direkt in der fokusierten Ebene liegt
  • Grund sind technische Begrenzungen der Optik
  • Optikabhängiger Unschärfekreis u‘

 

Welcher Unterschied besteht zwischen Sensor-Auflösung und Geometrische Auflösung (AV)?

Sensor-Auflösung: Anzahl der Pixel des Sensors


Geometrische Auflösung (AV): Dargestellte Linien pro Sensorfläche

Wie wird die Auflösung mittels Siemesstern bestimmt? 

AV=n / (PI*d)


n .. Anzahl Streifen

Was ist der Bildmaßstab?

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

Was ist bei der Kalibrierung der Kamera zu beachten?

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

Welche Methoden der Datenaufbereitung gibt es?

(siehe Bild)

Welche Schnittstellenformate / Austauschformate oberflächenerfassender Verfahren gibt es?

  • 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)

Welche Schnittstellenformate / Austauschformate volumenerfassender Verfahren gibt es?

  • 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)

In welche Schritte ist die Aufbereitung von Punktewolken zur Vorbereitung der Flächengenerierung unterteilt?

  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

Welche Methoden der Registrierung von Punktewolken gibt es?

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)

Welches Ziel hat die Datenfilterung?

Überflüssige Punkte entfernen und Daten glätten


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

Étudier