用于識(shí)別物體表面中的偏差的方法和設(shè)備的制造方法
【專利說明】用于識(shí)別物體表面中的偏差的方法和設(shè)備
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于使用物體表面的測得數(shù)據(jù)與預(yù)先指定的參考數(shù)據(jù)的比較來 識(shí)別該表面中的偏差的方法。
[0002] 本發(fā)明還涉及一種用于使用物體表面的測得數(shù)據(jù)與預(yù)先指定的參考數(shù)據(jù)的比較 來識(shí)別該表面中的偏差的設(shè)備，該設(shè)備尤其適用于執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1到14中任一項(xiàng)所述 的方法。
[0003]術(shù)語"表面"應(yīng)當(dāng)在最寬可能的意義下來理解，包括平坦表面和三維表面兩者，例 如澆鑄表面和具有紋理的表面。
[0004] 表面中的偏差（亦稱為表面誤差）是較小的局部形狀偏差，諸如舉例而言凹痕、勾 縫、刻痕、裂紋、或者縮痕。這些偏差在經(jīng)涂漆表面或光滑表面的情形中是尤其可見的，并且 在評(píng)價(jià)表面質(zhì)量時(shí)具有不利的效果，例如，汽車工業(yè)中的主體和內(nèi)部組件、航空和航天工業(yè) 中的外層、電子設(shè)備的表面等等。舉例而言，識(shí)別由諸如金屬片或塑料之類的材料制成的柔 性組件的表面上的較小的局部形狀偏差是特別困難的。舉例而言，由于制造過程中的可變 形性或者可變性，可以允許組件并且因此表面的大形狀公差，該形狀公差顯著大于被檢測 到的表面誤差。
[0005] DE 10 2004 058 778 Al、DE 43 21 042 Cl、DE 20 2005 011 807 U1 和 DE 10 2007 037 812 A1已公開了用于識(shí)別表面誤差目的的測試裝置，該測試裝置包括合適的照 明裝置、用于捕捉組件的圖像目的的相機(jī)、以及用于分析捕捉到的二維圖像的分析設(shè)備。然 而，在已知的方法中不利的是，如此獲得的測量結(jié)果極大地取決于相對于組件表面的照明 和相機(jī)布置，即，設(shè)置它們需要很大的努力。不僅如此，已知的方法僅適用于具有最小曲率 的相對平坦的大表面，并且這些表面還必須是凸起的。
[0006] 另外，舉例而言，在現(xiàn)有技術(shù)中，在DE40 23 368 Al、DE39 38 714、EP 2 019 283 A2和DE199 25 462 C1中已公開了用于對組件表面進(jìn)行三維檢測的辦法。然而，此辦 法僅實(shí)現(xiàn)檢測大范圍的形狀偏差或者與理論結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的偏差。DE10 2011 113 138 A1提 議用凹形過濾器來分析3D數(shù)據(jù)以檢測局部缺陷。然而，此已知方法僅在選定的幾何形狀上 提供有用的結(jié)果。
[0007]另外，例如在 DE 197 53 620 C1、EP 0 921 374 B1 和 EP 1 211 479 B1 中已提議 將組件表面的三維測得數(shù)據(jù)與預(yù)先指定的沒有誤差的參考組件求差值。這使得在參考組件 表示可允許的大面積形狀公差的情況下可以確定局部形狀偏差，但是參考組件必須已經(jīng)借 助事先用沒有誤差的參考數(shù)據(jù)訓(xùn)練的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來確定。在此情形中不利的是，由于人 工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)而要為參考部件的模型創(chuàng)建極大的數(shù)據(jù)量。由此，該辦法在例如50, 000個(gè)表面 點(diǎn)的情形中導(dǎo)致2. 5*109個(gè)權(quán)重，這將在假定雙精度的情況下導(dǎo)致接近20GB的數(shù)據(jù)量。如 果僅測量物體的整個(gè)表面的子區(qū)域，則數(shù)據(jù)量減少，但是這會(huì)導(dǎo)致每個(gè)過渡區(qū)域處的間隙， 使得不能恰當(dāng)?shù)胤治鲞@些過渡區(qū)域。最后，另外不利的是，誤差檢測是面向全局坐標(biāo)系的， 并且不可能考慮表面的很小的局部曲率。
[0008] 因此，本發(fā)明解決提供用于使用物體表面的測得數(shù)據(jù)與預(yù)先指定的參考數(shù)據(jù)的比 較來識(shí)別該表面中的偏差的方法和設(shè)備的問題，該方法和設(shè)備需要較少的資源并且同時(shí)可 靠地檢測物體表面中甚至很小的偏差。此外，本發(fā)明還解決提供能以簡單和節(jié)省成本的方 式執(zhí)行和/或具有簡單和節(jié)省成本的結(jié)構(gòu)的、用于識(shí)別物體表面中的偏差的方法和設(shè)備的 問題。
[0009] 以上問題通過獨(dú)立權(quán)利要求1和15的特征來解決。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的用于使用表面的測得數(shù)據(jù)與預(yù)先指定的參考數(shù)據(jù)的比較來識(shí)別物 體表面的偏差的方法借助預(yù)先指定的參考數(shù)據(jù)將至少部份性地參數(shù)化的表面描述創(chuàng)建為 目標(biāo)表面模型，并且使用該目標(biāo)表面模型和測得數(shù)據(jù)來執(zhí)行比較。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備通過獨(dú)立權(quán)利要求15的特征來解決以上問題，根據(jù)這些特征， 處理設(shè)備被設(shè)計(jì)成借助預(yù)先指定的參考數(shù)據(jù)來將至少部份性地參數(shù)化的表面描述創(chuàng)建為 目標(biāo)表面模型，并且使用該目標(biāo)表面模型和測得數(shù)據(jù)來執(zhí)行比較。
[0012] 根據(jù)預(yù)先指定的參考數(shù)據(jù)創(chuàng)建至少部份性地參數(shù)化的表面描述形式的目標(biāo)表面 模型在本發(fā)明中是新穎的。術(shù)語"參數(shù)化的表面描述"在本發(fā)明的上下文中應(yīng)當(dāng)被理解為： 該表面描述構(gòu)成至少部份性地連續(xù)的數(shù)學(xué)描述，并且其中物體表面上的任何任意的三維位 置是由通常為兩個(gè)參數(shù)并且可任選地由更多參數(shù)構(gòu)成的集合來精確地定義的。
[0013] 在這種情形中，有利的是，僅將參數(shù)而不是所有參考數(shù)據(jù)用于目標(biāo)表面模型，所述 參數(shù)實(shí)現(xiàn)對物體表面的描述。以此方式，可以針對物體表面描述處理顯著更大的有效表面。 附加優(yōu)點(diǎn)在于，由此可以在目標(biāo)表面模型中非常容易地確定表面的弧長、曲率等。舉例而 言，這使得可以在納入局部表面形狀的情況下更有針對性地分布用于測得數(shù)據(jù)與目標(biāo)表面 模型之間的比較的點(diǎn)，并且因此可以尤其在具有強(qiáng)曲率的區(qū)域中更精確地識(shí)別偏差。作為 至少部份性地參數(shù)化的表面描述的結(jié)果，指定附加的較高階邊界條件和過渡條件也是可能 的。舉例而言，這意味著除了關(guān)于邊界點(diǎn)的值的相等性的條件之外，設(shè)置關(guān)于斜率（一階導(dǎo) 數(shù)）和/或曲率（二階導(dǎo)數(shù)）或更高階導(dǎo)數(shù)的要求也是可能的。此辦法簡化了由不同表面 區(qū)域構(gòu)成的非常大表面的處理，因?yàn)樵撧k法相應(yīng)地避免了間隙、不規(guī)則性等。
[0014] 在以下的從屬權(quán)利要求中描述該實(shí)施例的附加特征、優(yōu)點(diǎn)和益處。
[0015] 在本發(fā)明的一個(gè)有利的實(shí)施例中，目標(biāo)表面描述是樣條表面描述的形式。這使得 使用用樣條系數(shù)加權(quán)的基樣條函數(shù)來將由多個(gè)子表面構(gòu)成的總表面合并起來變得特別簡 單。
[0016] 還可以構(gòu)想以樣條表面、特別是分層的、張量積B樣條表面的形式來描述表面。此 類表面描述使得稍后與測得數(shù)據(jù)的比較特別簡單。
[0017] 例如，也可以構(gòu)想以正交級(jí)數(shù)展開（諸如傅里葉或子波反褶積）的形式的表面描 述。在這種情形中，還通過用系數(shù)加權(quán)的基函數(shù)（例如，正弦、余弦、或子波）的加總來描述 總表面。
[0018] 另一方面，如果測得數(shù)據(jù)是以觸覺方式、光學(xué)方式、和/或借助聲音（尤其是超聲 和/或雷達(dá)）來確定的，則至少部分地利用已知的方法和/或設(shè)備是可能的，這使得方法的 執(zhí)行簡單且節(jié)省成本。如果測得數(shù)據(jù)是借助光學(xué)、攝影測量方法（尤其是以時(shí)間相關(guān)和/ 或相移方法的形式）確定的，則生成具有高深度分辨率的大面積的密集的測得數(shù)據(jù)是可能 的。
[0019] 為了可靠地確定測得數(shù)據(jù)，使用預(yù)定的圖案序列（尤其是正弦圖案序列）來將測 得數(shù)據(jù)投影到物體表面上，隨后光學(xué)地檢測經(jīng)投影的圖案序列。
[0020] 舉例而言，還可以借助偏轉(zhuǎn)計(jì)量方法（即，根據(jù)物體表面的鏡像圖像來計(jì)算曲率 數(shù)據(jù)和/或三維數(shù)據(jù)的方法）、熱成像方法、具有使用線性相機(jī)或三維行掃描儀獲得的一 維、二維或三維數(shù)據(jù)的方法、和/或具有來自矩陣相機(jī)的二維圖像的方法來使用。在這種情 形中，所提到的方法不僅可以在本發(fā)明的上下文中用于測得數(shù)據(jù)，而且還可以用于通過對 實(shí)際物體的測量來生成實(shí)際的預(yù)先指定的參考數(shù)據(jù)的目的。
[0021] 目標(biāo)表面模型可以借助用參考數(shù)據(jù)的多個(gè)不同的數(shù)據(jù)集合訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來創(chuàng) 建。即使物體的復(fù)雜表面形狀也可以借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來測量，并且即使很小的表面誤差也可 以在參考數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)集合表示沒有誤差的參考物體的情況下被檢測到。
[0022] 特別有利的是，根據(jù)測得數(shù)據(jù)來將至少部份性地參數(shù)化的表面描述創(chuàng)建為當(dāng)前表 面模型，并且通過目標(biāo)表面模型與當(dāng)前表面模型的模型比較來執(zhí)行所述比較。以此方式，可 以更簡單且更可靠的方式借助比較來確定偏差。
[0023] 為了可靠地執(zhí)行比較，進(jìn)一步有利的是，使用至少部份性地參數(shù)化的表面描述與 測得數(shù)據(jù)的至少一個(gè)測量點(diǎn)之間的正交距離來執(zhí)行比較。
[0024] 另外，可以使用統(tǒng)計(jì)方法從預(yù)先指定的參考數(shù)據(jù)確定目標(biāo)表面模型。在這種情形 中，優(yōu)點(diǎn)在于，可以因此甚至更精確地確定目標(biāo)表面模型，這進(jìn)一步改進(jìn)了借助比較來識(shí)別 偏差。
[0025] 在一些情形中，諸如在具有局部有界限的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的表面的情形中，從諸子區(qū)域 單獨(dú)觀察是實(shí)用的。為此目的，根據(jù)本發(fā)明的方法可以一次性地或者遞歸地應(yīng)用于較小的 子區(qū)域中的比較結(jié)果。由測得數(shù)據(jù)與目標(biāo)表面模型的比較產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的一部分用作與在較 小的子區(qū)域上定義的另一表面模型的比較的輸入數(shù)據(jù)。由此，該方法是具有多個(gè)目標(biāo)表面 模型的多步驟分析方法，每一個(gè)目標(biāo)表面模型在每個(gè)步驟中表征物體表面的一個(gè)或多個(gè)較 小的子區(qū)域。
[0026] 在創(chuàng)建至少部份性地參數(shù)化的表面描述之前，借助至少一個(gè)過濾方法來有利地過 濾預(yù)先指定的參考數(shù)據(jù)和/或測得數(shù)據(jù)。舉例而言，借助過濾方法來平滑預(yù)先指定的參考 數(shù)據(jù)和/或測得數(shù)據(jù)是可能的。另外，對預(yù)先指定的參考數(shù)據(jù)和/或測得數(shù)據(jù)的所謂的邊 界處理、遮蔽、或定向同樣是可能的。
[0027] 特別有利的是，借助相同的過濾方法來過濾預(yù)先指定的參考數(shù)據(jù)和測得數(shù)據(jù)和/ 或測得數(shù)據(jù)與目標(biāo)表面模型之間的從比較計(jì)算出的差異數(shù)據(jù)。這例如在比較和稍后分析特 別是距離數(shù)據(jù)的形式的差異數(shù)據(jù)時(shí)避免了通過應(yīng)用不同的過濾方法而將偽像檢測為表面 偏差。
[0028] 為了使得提供充足的預(yù)先指定的參考數(shù)據(jù)成為可能，有利的是，尤其借助模擬和/ 或借助測得參考數(shù)據(jù)的內(nèi)插來至少部分地人工生成預(yù)先指定的參考數(shù)據(jù)。為此目的，可以 例如借助有限元來執(zhí)行變形的物理模擬，以便人工地生成預(yù)先指定的參考數(shù)據(jù)。物理效應(yīng) (諸如由于溫度變化而導(dǎo)致的材料膨脹、由于地心吸力而導(dǎo)致的彎曲）、和/或通過固定裝 置、夾持裝置等施加于物體的附加的力可以通過相應(yīng)的模型規(guī)范來模擬。如果預(yù)先指