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Digitalgrafik und schiffbauliche Schweißkonstruktionen?

Untersuchungen zur Nutzung von digitalgrafischen Verfahren in Produktionsprozessen

Prof. Dr.-Ing. G. Kühnel, Dipl.-Ing. M. Seidel
Hochschule Wismar, FB Seefahrt

  1. Einleitung
  2. Die Digitalgrafik
  3. Systemvoraussetzung für die Digitalgrafik
  4. Hardwarevoraussetzungen für die Digitalgrafik
  5. Softwarevoraussetzung für die Digitalgrafik
  6. Allgemeingültige Arbeitsweise mit Softwarepaket Photo Modeler Pro 4.0
  7. Erfassung der Schweißnahtkonstruktion der Micro-Paneele
  8. Fotografische Erfassung der Kalibrierungsbilder
  9. Fotografische Erfassung der Micro-Paneele
  10. Projektbearbeitung mit dem Softwarepaket Photo Modeler Pro 4.0
  11. Erzeugung des 3D-Drahtmodells mittels Software PhotoModeler Pro 4.0
  12. Export des 3D-Drahtmodells
  13. Schweißtechnische Voraussetzungen
  14. Darstellung und Bewertung der erzielten Ergebnisse
  15. Kostenmäßige Betrachtung
  16. Schlußwort
  17. Literatur


Einleitung

Die Bereiche der Projektierung, Konstruktion, Fertigung oder auch der Instandhaltung ermöglichen heute die Anwendung der Digitalgrafik Zum größten Teil beschränkt sich die Arbeit auf die digitalen Bildverarbeitungssysteme. Des weiteren kommt die Digitalgrafik bei der Erstellung von Konstruktionsplänen verschiedener Anlagen bzw. Anlagenteile zum Einsatz. Mit Hilfe der Digitalgrafik lassen sich Änderungen einfach und unkompliziert bewerkstelligen. So wird ein qualitativ und quantitativ hochwertiges Arbeiten möglich.
Damit der Umbau bzw. Ausbau einer Anlage geplant werden kann, muss zunächst die vorhandene Anlage erfasst und anschließend in ein geeignetes CAD-Datenformat überführt werden. Mit dem klassischen Aufmaß können nur bedingt geeignete Ergebnisse erzielt werden. Besser geeignet sind photogrammetrische Systeme. Sie ermöglichen ein indirektes Erfassen der Messgröße. Folgende Fragen sind in Vorbereitung des Einsatzes der Digitalgrafik zu klären:

  1. Welche software- und hardwaretechnischen Voraussetzungen sind nötig?
  2. Welche gerätetechnischen Voraussetzungen sind nötig, um ein hohes Maß an Genauigkeit bei geringer Bearbeitungszeit erreichen zu können?
  3. Einschätzungen zur Reproduzierbarkeit, der Überführung des Anlagenteils in gängige CAD-Datenformate.
  4. Möglichkeiten einer weiteren Bearbeitung mit Hilfe von anderen CAQ-Techniken.


Die Digitalgrafik

"Ein Bild sagt mehr als tausend Worte", ist ein chinesisches Sprichwort. Tatsächlich nimmt der Mensch schätzungsweise 75% aller Information visuell auf.
Aufgabe der Digitalgrafik ist es Abbilder eines Szenarios digital festzuhalten. Die gespeicherten Abbilder lassen sich mittels geeigneter Software rechentechnisch bearbeiten und platzsparend archivieren. Die Digitalgrafik hat in den letzten Jahren enorme Fortschritte gemacht. In allen Bereichen des täglichen Lebens hat sie Einzug gehalten.

Digitalgrafik in der Instandhaltung
Für die Digitalgrafik gibt es in der Instandhaltung verschiedene Aufgabengebiete. Ein Aufgabengebiet ist die Erstellung und Verwaltung der Dokumentation, ein anderes ist die Messtechnik.

Digitalgrafik als Dokumentationsmittel
Da heutige Anlagen und Prozesse sehr komplex sind, reicht die menschliche Sprache kaum mehr aus diese zu beschreiben. Eine Möglichkeit der Hilfe bietet die grafische Darstellung. Der Zeitaufwand zur Erstellung oder auch Änderung ist jedoch erheblich.
Die Digitalgrafik bietet Möglichkeiten die Darstellungen qualitativ hochwertiger, bei gleichzeitiger Beschleunigung des Arbeitsprozesses zu gestalten. Möglich ist dieses durch den heutigen Entwicklungsstand in der Computertechnik.
Unter Zuhilfenahme geeigneter Peripheriegeräte ist es möglich, neben der geometrisch-topologischen Beschreibung der Bauteile, auch visuell erfassbare Eigenschaften der Bauteile bzw. Prozesse digitalisiert festzuhalten.
Somit ist es möglich einen momentanen Zustand einer Anlage oder auch eine Prozessabbildung festzuhalten und zu archivieren.
Der Vergleich archivierter Bilder erlaubt es u. a. unterschiedliche Systemzustände miteinander vergleichen zu können. So können Schadens-, Prozessabläufe oder dergleichen aufgezeigt und dokumentiert werden.

Digitalgrafik als Kommunikationshilfe
Bilddateien lassen sich einfach und schnell, z.B. per E-Mail, verschicken. So kann jeder Ort, der mit einem Telefonanschluß versehen ist, erreicht werden. Die Übertragung erfolgt theoretisch ohne Zeitverlust. Mit Hilfe digitalisierter Abbildungen von Anlagen oder Prozessen lassen sich u.a. auch Expertenmeinungen per Ferndiagnose einholen.

Digitalgrafik als optisches Messinstrument
Die Grundlage der zustandsorientierten Instandhaltung bildet der Soll-Ist-Vergleich des Abnutzungsvorrates. Der Sollzustand ergibt sich aus den zulässigen Toleranzen, die aus Dokumentationen, Vorschriften oder dergleichen entnommen werden können. Der Ist-Zustand wird mit Hilfe von Messungen festgestellt.
Die Wahl des Messmittels ist u.a. von folgenden Faktoren abhängig:

  1. Fähigkeit des Messmittels
  2. Toleranz des zu messenden Merkmals
  3. Anschaffungskosten
  4. Kapazität (Zeitfaktor).

Begünstigt durch die Erfüllung dieser Forderungen haben digitale Bildverarbeitungssysteme in der Instandhaltung ein weiteres Aufgabengebiet gefunden. Begünstigt auch durch die Entwicklung des CCD-Chips. Ein weiterer Grund für den Einsatz digitaler Bildverarbeitungssysteme ist die hohe Flexibilität sowie die hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit. Die Messung oder Prüfung anhand von Kamerabildern stellt außerdem eine Technologie da, welche der menschlichen Wahrnehmung sehr nahe kommt.

Digitalgrafik in der Fertigungsphase
Für eine Vielzahl von Produkten ist bei der Herstellung eine nachfolgende automatische Bearbeitung nötig. Sei es die Nachbearbeitung eines einzelnen Bauteils oder das Zusammenfügen verschiedener Bauteile. Dafür muss die Lage des Bauteils oder der Bauteile bekannt sein. Nur so kann ein absolut reproduzierbares Bearbeitungsergebnis gewährleistet werden.
Digitale Bildverarbeitungssysteme übernehmen die Lageerfassung des oder der Bauteile. Auf Grundlage der gewonnenen Lageinformation kann das Bearbeitungswerkzeug oder können die Bauteile neu ausgerichtet werden. Dazu werden die Daten der digitalen Bildverarbeitung an eine Robotersteuerung übergeben.

Digitalgrafik in der Qualitätssicherung
Die Qualitätsprüfung ist ein wesentlicher Bestandteil der Qualitätssicherung. Sie geht aus der Forderung, von der Zufriedenheit des Vertragspartners bei gleichzeitiger Einhaltung gültiger Gesetzesvorschriften, hervor.
Aufgaben der Digitalgrafik in der Qualitätsprüfung sind u.a.:

  1. Messwerterfassung
  2. Messwertauswertung
  3. Visualisierung der Messwerterfassung und -auswertung.

Da die Abgrenzung der Aufgabengebiete nicht eindeutig ist, es kann zu Überschneidungen kommen. Die Bedeutung der Messwerterfassung für die Qualitätssicherung lässt sich mit Hilfe der Abbildung 1 verdeutlichen. Bei der Darstellung handelt es sich um einen einfachen Prozessregelkreis.

Abb. 1: Prozessregelkreis

Die Differenz zwischen Soll- und Istwert stellt die Regelabweichung dar. Das Ziel der Qualitätssicherung ist es die Differenz und damit die Regelabweichung zu beseitigen. Eine anderer Grund für die Notwendigkeit zur Einhaltung von Sollzuständen wird durch das Prinzip der Austauschbarkeit gegeben. Die Werte des Sollzustandes definieren sich aus den Anforderungen des Gesetzgebers bzw. aus den Forderungen des jeweiligen Vertragspartners. Die Werte des Ist-Zustandes sind mit Messungen an dem entsprechenden Bauteil zu bestimmen.

Messwerterfassung und Auswertung
Aus den Anforderungen des Qualitätsmanagements resultiert, für produzierende Unternehmen, die Notwendigkeit flexible Werkzeuge zur Qualitätssicherung einzusetzen. Digitale Bildverarbeitungssysteme stellen u.a.. solch ein geeignetes Werkzeug dar. Mit ihnen lassen sich Messaufgaben oder technische Sichtprüfungen im Sinne der Qualitätssicherung effektiv realisieren.
Wesentliche Vorteile digitaler Bildverarbeitungssystemen sind, im Vergleich zum menschlichen Prüfer, die hohen Messgeschwindigkeiten sowie die hohe Messobjektivität. Durch die hohe Informationsdichte des Kamerabildes ist es des weiteren möglich, mehrere Messgrößen gleichzeitig zu erfassen.
Hinter der Bildverarbeitung verbirgt sich eine Technologie, die der optischen Wahrnehmung des Menschen stark entgegen kommt. So ist die Möglichkeit der Interaktion, durch den Benutzer vor Ort, gegeben.
Mit Hilfe einer Bildauswertesoftware können zusätzliche Sicherheits- und Plausibilitätsabfragen realisiert werden. So ist dieses Meßsystem zur Eigendiagnose fähig. Das Meßsystem kann beispielsweise eine verschmutze Linse oder einen Ausfall der Beleuchtung wahrnehmen. Die Fähigkeit zur Eigendiagnose sind nur wenigen Meßsystemen gegeben.

Visualisierung
Durch die Visualisierung lassen sich Prozesszustände in Echtzeit auf dem Monitor ausgeben. Zusätzlich zu den Messwerten in Text lassen sich auch die bearbeiteten Messbilder darstellen. Ein geeigneter Grafikaufbau begünstigt den Überblick für den Anlagenbediener. Das Einbringen von Referenzlinien und passenden Bildausschnitten in die Grafik ermöglichen dem Anlagenbediener eine schnelle Interpretation des Bildinhaltes.


Systemvoraussetzung für die Digitalgrafik

Die Betrachtung der Software kann nicht getrennt von der Betrachtung der Hardware gemacht werden. Der Grund ist in der Tatsache begründet, dass die Hardware nicht völlig losgelöst von der Software ist. Die Abb. 2 soll den Zusammenhang zwischen Soft- und Hardwareentwicklung verdeutlichen. Da sich die Entwicklung der Software und der Hardware sehr schnell vollzieht, kann die Betrachtung nur ein zeitlich begrenzter und allgemeiner Ausblick sein.

Abb. 2: Zusammenhang zwischen Soft- und Hardwareentwicklung
Software- oder Hardwareentwickler bringen stetig neue Produkte auf den Markt. Mit dem Ziel, die Kunden an ihre Produkte zu binden, entwickeln sie hierbei u.U. sehr unterschiedliche Standards.
Aber nicht alle Standards können bestehen oder sich durchsetzen. Deshalb ist es nicht ratsam jede Neuerung uneingeschränkt mitzumachen. Das Setzen auf falsche Standards führt dann zu Kompatibilitätsproblemen. Heutige Computeranlagen sind im allgemeinen zur Anwendung in der Digitalgrafik tauglich. Sie erfüllen die wichtigsten Hardwarevoraussetzungen.
Die Abbildung 3 stellt beispielsweise einen prinzipiellen Verarbeitungsweg im Datenhandling dar.

Abb. 3: Eingabe - Verarbeitung - Ausgabe - Prinzip und seine Komponenten


Hardwarevoraussetzungen für die Digitalgrafik

Eingabegeräte, hier werden nur die Geräte, die im Rahmen der Digitalkameratechnik relevant sind, kurz betrachtet.

Scanner
Scanner sind in ihrer Handhabung unproblematisch und preiswert. Sie gibt es in den verschiedensten Ausführungen. Die gebräuchlichsten Scanner besitzen eine SCSI- oder USB-Schnittstelle.
Weitere Anforderungen sind:

  • Hohe optische Auflösung
  • Hohe Geschwindigkeit
  • Geringer Platzbedarf
  • Einfache Bedienung

Digitalkamera/Digitalcamcorder
Digitalkameras mit einer Auflösung von 5 Mega Pixel sind heute nichts ungewöhnliches mehr. Als Schnittstelle sind hierbei die Vorteile von USB sehr nützlich.
Weitere Kriterien sind hier:

  • Farbtreue, Rauschen, Kontrast
  • Ausstattung (Speichergröße)
  • Betriebszeit-
  • Bedienerfreundlichkeit


Softwarevoraussetzung für die Digitalgrafik

Da die meisten Programme für die Digitalgrafik auf der Plattform von Windows laufen wird durch die Nutzung eines Betriebssystems auf dieser Plattform eine hohe Kompatibilität gewährleistet.
Der Photo Modeler Pro 4.0, ein spezielles Softwarepaket zur Umsetzung der digitalisierten Daten in ein 3D-Drahtmodell läuft auf Windows 95/98/NT 4.0 und 2000. Auf eine Lauffähigkeit auf Windows ME und XP wird nicht gesondert hingewiesen. Für einen stabilen Betrieb des Programms sind jedoch Windows NT 4.0 oder 2000 am besten geeignet. Beim Einsatz digitaler Technik unter Windows NT 4.0 muss jedoch beachtet werden, dass hierbei keine USB-Schnittstelle zur Verfügung steht und außerdem ab dem Jahre 2003 kein Support mehr zur Verfügung stehen soll.


Allgemeingültige Arbeitsweise mit Softwarepaket Photo Modeler Pro 4.0

Die folgenden Arbeitsschritte sind nötig, um ein 3D-Drahtmodell erzeugen zu können.

  1. Planung des Modellierungsprojektes
  2. Fotografieren des Objektes
  3. Definition und Beschreibung der verwendeten Kamera
  4. Import der Bilder in Photomodeler
  5. Markierung von Punkten, Strecken und Flächen auf den Fotos
  6. Referenzierung der markierten Punkte
  7. Berechnung des 3D-Modells
  8. Export des Modells

Die Planung des Modellierungsprojektes
Die Planung des Projektes ist ein wesentlicher Bestandteil bei der Erzeugung eines 3D-Drahtmodells. Um ein 3D-Drahtmodell zu erzeugen, muss im Vorfeld überlegt werden, welcher Punkt auf welchem Bild für das Projekt von Bedeutung ist. Ein weiterer Aspekt bei der Planung stellt die Wahl der Beleuchtung dar.
Das Ziel der Planung ist es die Effizienz der Projektbearbeitung schon bei der Messbildanfertigung zu erhöhen. Diese wird durch die Qualität (Maßhaltigkeit und Bildinhalt) der Aufnahmen beeinflusst. Die Bearbeitungszeit mit Photo Modeler ist von der Qualität und von der Anzahl, der verwendeten Messbilder, abhängig.
Die folgenden Richtlinien zeigen Anforderungen an die Messbilder. Mit ihrer Hilfe ist es möglich, den Bildinhalt eines Messbildes zu bewerten.

Richtlinie 1:Der Aufnahmewinkel zwischen den Aufnahmen sollte möglichst 90° betragen.
Richtlinie 2:Es sind mindestens drei Aufnahmen anzufertigen, auf denen alle wichtigen Punkte vorhanden sind.
Richtlinie 3:Eine gute horizontale und vertikale Trennung ist zu realisieren.
Richtlinie 4:Eine größtmögliche Überlappung zwischen den Photos ist zu erreichen.

Die Ergebnisse der Planung sind:

  • Kamerapositionen
  • Anzahl der nötigen Bilder
  • Art und Umfang der Beleuchtung
  • Erforderliche Hilfsmittel

Eine Entscheidung über die Ausführung der genannten Punkte, in Art und Umfang, werden durch Faktoren wie Kosten, Zeit oder Funktionalität bestimmt.

Abbildungsfehler und Kompensationsmöglichkeiten
Für eine Orientierung müssen mindestens sechs markante Punkte referenziert werden. Diese Punkte müssen auf mindestens drei verschiedenen Messbildern klar erkennbar sein. Erschwerend hierbei wirkt die Tatsache, dass einfache geometrische Formen nur sehr wenige markante Punkte besitzen. Ein Würfel über die Ecken fotografiert gibt zur gleichzeitigen Betrachtung nur sieben Eckpunkte frei (siehe Abb. 4). Von diesen sieben Punkten lassen sich im Idealfall, bei Einhaltung von Richtlinie 1, sechs Messpunkte auf drei verschiedenen Bildern referenzieren.

Abb. 4: Markierungsmöglichkeiten, dargestellt am Beispiel eines Würfels

Weitere Schwierigkeiten entstehen bei Messobjekten mit großen Abmessungen. In Abhängigkeit von der gewählten Kamera bzw. des gewählten Objektivs ist der Bildausschnitt für die Messung begrenzt. Denn sphärische Linsen erzeugen nur näherungsweise eine fehlerfreie Abbildung. Grund dafür sind u.a. Linsenfehler.

Wahl eines geeigneten Objektivs bzw. einer geeigneten Kamera
Bei der Wahl des Objektivs muss berücksichtigt werden, dass Abbildungsfehler durch den Objektivaufbau entstehen oder auch kompensiert werden können. Die Kompensation erfolgt u.a. durch die Form und oder auch durch die Anordnung der Linsen. Symmetrisch aufgebaute Objektive erzeugen keine Verzeichnung.

Änderung der Kamerapositionen
Durch eine Vergrößerung des Abstandes zwischen Kamera und Messobjekt wird erreicht, dass sich die Messpunkte näher in Mitte der Abbildung befinden.
Ist es aus Platzgründen nicht möglich, den Abstand zwischen Messobjekt und Kamera zu vergrößern, muss das Messobjekt partiell fotografiert werden. Von der Messaufgabe ist es abhängig, ob das 3D-Modell später wieder zu einem Objekt zusammengefügt wird, oder nicht. Bei einer genügend großen Anzahl, sich überlappender Messpunkte, kann die Modellzusammensetzung schon in Photo Modeler erfolgen. Bei einer geringeren Anzahl sich überlappender Messpunkte erfolgt die Modellzusammensetzung mit einer CAD-Software.

Beleuchtung
Es gibt verschiedene Beleuchtungsarten. Je nach Anwendungsfall besitzt jede Art seine Vor- und Nachteile. Durch die Wahl eines geeigneten Konzeptes werden Konturen heraus gearbeitet. Für die Messtechnik relevante Beleuchtungsarten werden nachfolgend kurz dargestellt, wobei auf eine Grundversorgung an Licht bei allen Beleuchtungsarten zu achten ist. Eine zu schwache Beleuchtung hat längere Belichtungszeiten zur Folge. Bei langen Belichtungszeiten steigt die Gefahr von verwackelten Abbildungen. Zusätzlich kann zur Kompensation der schwachen Beleuchtung, mit einer großen Blendenöffnung gearbeitet werden. Allerdings verringert sich bei einer großen Blendenöffnung die Schärfentiefe.

Fotografische Erfassung des Meßobjektes
Entscheidend für den Erfolg eines Projektes ist die Qualität der angefertigten Messbilder. Im Automatikmodus der Digitalkamera erfolgt die Einstellung der Blende, der Belichtungszeit und des Fokus automatisch. Damit die Digitalkamera das ausführt, was sie soll, muss der Zusammenhang zwischen Blende, Belichtungszeit und Schärfentiefe berücksichtigt werden. Die Schärfentiefe ist bei einer kleineren Blende größer. Mit einer kleineren Blende erhöht sich der Lichtbedarf. Ist die Beleuchtung zu gering verlängert sich die Belichtungszeit. Die Nutzung eines Stativs ist somit unerlässlich und hat einen negativen Einfluss auf den zeitlichen Aspekt. Die Zeit der fotografischen Erfassung erhöht sich mit der Nutzung eines Stativs, denn es erschwert die Korrektur der Kameraposition. Die fotografische Erfassung des Messobjektes aus der Hand heraus kann schneller erfolgen. Der Einsatz mehrerer Digitalkameras bringt auch keine Vorteile. Es kommt zu zusätzlichen Problemen, da beim Auslesen der Digitalkameras die Dateinamenvergabe automatisch erfolgt, erhalten verschiedene Dateien den gleichen Namen. Damit wird die Dateiverwaltung aufwendiger. Außerdem erhöht sich der Zeitaufwand, da mehrere Digitalkameras ausgelesen werden müssen.

Definition und Beschreibung der verwendeten Kamera
Damit Photo Modeler Pro 4.0 ein 3D-Modell erzeugen kann, werden verschiedene Parameter der eingesetzten Digitalkamera benötigt.
Zwei Arten von Parametern werden von Photo Modeler Pro 4.0 benötigt. Zum einen sind es Parameter, die der Kamera-Dokumentation entnommen werden können. Zum anderen sind es Parameter, die mit Hilfe einer Messung an einer Bilddatei und an einem Messaufbau ermittelt werden müssen.

Approximierte Kamera
Für Aufgaben mit geringen Anforderungen an die Genauigkeit reicht eine einfache Kamerabeschreibung (approximierte Kamera) meistens schon aus. Der Vorteil ist die einfache Handhabung bei der Kamerabeschreibung. Mit dieser Methode werden schnell respektable Ergebnisse erzielt. Photo Modeler Pro 4.0 berücksichtigt nicht die optischen Verzerrungen, welche durch die Linsenanordnung im Kameraobjektiv entstehen.
Folgende Parameter lassen sich aus der Kamera-Dokumentation entnehmen und sind für die approximierte Kamera notwendig:

  • Camera type (Kameratyp)
  • Focal Length (Brennweite)
  • Format Size (Bildgröße).

Hinzu kommen noch Parameter, die mit Hilfe des Messaufbaus ermittelt werden müssen.

  • Die Kamera wird auf eine feste Unterlage, rechtwinklig zur Wand ausgerichtet.
  • Ein DIN A4 Blatt wird an der Wand, auf Kamerahöhe befestigt (planar zur Wand).
  • Das Bild soll möglichst 3/4 mit dem DIN A4 Blatt ausgefüllt sein. Auf eine scharfe Abbildung ist zu achten.

Kalibrierte Kamera
Eine weitere Möglichkeit die Abbildungsfehler zu kompensieren, bietet die zur Kamera mitgelieferte Software. Da auf die Wahl des Objektivs nur begrenzt Einfluss genommen werden kann, stellt die Kombination aus Wahl geeigneter Kamerapositionen und Kalibrierung mittels Software eine mögliche Lösung dar.
Damit eine Kamera in Verbindung mit dem Softwarepaket Photo Modeler Pro 4.0 als optisches Messinstrument genutzt werden kann, ist im Softwarepaket ein Programm enthalten, mit dem es möglich ist, die Kamera bzw. alle Geräte der Messkette zu kalibrieren.
Um eine Kamera kalibrieren zu können, sind mehrere Arbeitsschritte nötig. Durch die Kalibrierung werden optische Verzerrungen des Objektivs kompensiert. Damit erhöht sich natürlich auch die Genauigkeit der Messergebnisse. Die Kalibrierung muss jedoch nur einmal für die jeweilig benutzte Digitalkamera bzw. Messkette durchgeführt werden. Erst wenn sich die Konfiguration einer Komponente der Messkette ändert, muss sie auch neu kalibriert werden.

Import der Bilder in Photo Modeler Pro 4.0
Die Art des Bildimportes variiert, bedingt durch unterschiedliche Bauarten der einzelnen Hersteller. Die hier beschriebene Vorgehensweise orientiert sich im allgemeinen an den Digitalkameras der verschiedensten Herstellerfirmen, spezielle Angaben hier jedoch auf die verwendete Digitalkamera DSC-S85 von Sony. Um die Bilddateien in Photo Modeler Pro 4.0 importieren zu können, müssen die Bilddateien als erstes aus der Kamera ausgelesen werden. Je nachdem, ob es sich um ein neues Projekt oder ein weiterführendes Projekt handelt, werden die neuen Bilder nur importiert, oder es muss erst ein neues Projekt erstellt werden.

Markierung von Punkten, Strecken und Flächen auf den Fotos
Um nicht vorhandene Konturen oder nur schlecht erkennbare Konturen künstlich herzustellen oder zu betonen, können Markierungen, sogenannte Targets (Markierungen), angebracht werden. Ein Feature Photo Modeler Pro 4.0 ist der Sub-pixel target mode, im Zusammenhang mit den Targets ist er ein wirkungsvolles Hilfsmittel für schnelles und genaues Markieren.

Markierung mittels Targets
Bestehen die Targets aus reflektierendem Material, kann auf ein aufwendiges Beleuchtungskonzept verzichtet werden. Eine kontrastreiche Darstellung des Messobjektes ist dabei nicht nötig. Reflektierende Aufkleber erhältlich, wobei das Preis-/Leistungsverhältnis beachtet werden muss!
Eine preisgünstige Alternative sind z.B. weiße Haftetiketten, wie sie im normalen Papier-Einzelhandel erhältlich sind. Eine Anwendung erfahren diese Haftetiketten u.a. auch im Rahmen von Moderationen und Präsentationen. Die Markierung mittels runder Targets erlaubt den späteren Einsatz des Sub-pixel target mode. Die Größe der Targets ist von der Objektgröße und der Auflösung der Digitalkamera abhängig. Der Durchmesser der Targets sollte auf den Messbildern aus mindestens vier Pixeln bestehen. Die Targets bestehend aus Kreuzen oder zusammengesetzten Quadraten und sollten eine Breite von mindestens 10 Pixeln haben. Mit Hilfe geklebter Targets kann die höchste Genauigkeit erzielt werden. Die Gegenüberstellung der unterschiedlichen Messergebnisse sind z.B. bei [1] zu finden.

Markierung mittels Farbe
Die Markierung mittels Farbe ist eine einfache und kostengünstige Variante. Schablonen stellen hier ein nützliches Hilfsmittel dar. In Bezug auf den Sub-pixel target mode ist diese Art der Markierung eher ungeeignet.

Markierung mittels Strukturlichtverfahren
Auf die Oberfläche des Messobjektes wird mittels Licht ein Muster projiziert. Das Muster kann aus Linien, Kreuzen, Punkten oder komplex strukturierten Texturen bestehen. Zeitaufwendige Markierungsarbeiten entfallen. Ungenauigkeiten können durch die Oberflächenbeschaffenheit entstehen. Diffuse reflektierende Oberflächen sind für dieses Verfahren besonders geeignet.
Die 3D-Berechnung erfolgt mit Hilfe ausgewählter Punkte auf dem Messobjekt. Dem Programm müssen die Punkte gezeigt werden, welche es zur 3D-Berechnung nutzen soll. Markierbare Punkte bzw. Linienzüge können sein:

  • Ecken
  • Kanten
  • Oberflächenstrukturen
  • oder auch Targets.

Für diese Aufgabe stehen im Photo Modeler verschiedene Modi zur Verfügung. Je nachdem was markiert werden soll, kann ein passender Modus ausgewählt werden. Für die Markierungen von Punkten und Strecken stehen folgende Modi zur Auswahl:

  • für das Markieren von Punkten der Point mode bzw. Sub-pixel target mode
  • für das Markieren von Strecken der Line mode.

Weitere, an spezielle Aufgaben angepasste, Modi sind:

  • Cylinder mode - zum Darstellen von Zylindern
  • Edge mode - zum Darstellen von Kannten
  • Curve mode - zum Darstellen von Bögen
  • Surface mode - zum Darstellen von Flächen.

Zum Messen von Strecken, Flächen oder Durchmesser wird der Meassure mode benutzt. Mit Hilfe des Select mode (Auswahlmodus) können Punkte oder Objekte, für eine Nachbearbeitung bzw. für eine Darstellung der Objekteigenschaften, angewählt werden.

Sub pixel target mode
Im Sub-pixel target mode ist es möglich die Markierung halbautomatisch zu setzen. Photo Modeler Pro 4.0 ist in der Lage die Mitte eines Kreises mittels mathematischer Algorithmen zu bestimmen. Voraussetzung ist ein kontrastreicher Übergang vom Target zur Messobjektfläche.

Referenzierung der markierten Punkte
Damit Photo Modeler Pro 4.0 ein 3D-Model berechnen kann, müssen die markierten Punkte auf den verschiedenen Fotos miteinander referenziert werden. Dabei erfolgt eine Zuordnung der relativen Lage der einzelnen Messbilder.
Jeder Punkt, der markiert und referenziert werden soll, muss mindestens auf zwei verschiedenen Abbildungen (unter Berücksichtigung der o.g. Richtlinie 1), in ausreichender Qualität, vorhanden sein. Aus Gründen der Messsicherheit sollten es aber mindestens drei Bilder sein.
Die Referenzierung beginnt mit dem Start in den Referenziermodus (Reference mode). Hierbei öffnen sich zwei Fenster. Das linke Fenster enthält das Quellfoto. Das rechte Fenster enthält das Zielfoto. Der auf dem Quellfoto ausgewählte Punkt wird mit dem Punkt, der sich auf dem Zielfoto befindet, in Übereinstimmung gebracht.
Wird im Quellfenster ein Rahmen aufgezogen, werden alle Punkte, die sich in diesem Rahmen befinden markiert und zur Referenzierung im Zielfenster nacheinander angeboten.

Berechnung des 3D-Drahtmodells
Für die 3D-Berechnung werden als erstes die Bilder orientiert. Bei der Orientierung ermittelt Photo Modeler Pro 4.0 die relativen Kamerapositionen. Die Prozessierung stellt die 3D-Berechnung dar. Nach der Prozessierung sind die Bilder mit den markierten Punkten orientiert. Die Prozessierung bzw. Orientierung erfolgt automatisch.
Zum erfolgreichen Prozessieren müssen mindestens sechs verschiedene Punkte referenziert sein. Sind zuwenig Punkte referenziert, gibt Photo Modeler Pro 4.0 eine Fehlermeldung aus und bricht den Prozessiervorgang ab.
Für die Orientierung sollten nur Punkte genutzt werden, die sehr zuverlässig in ihrer Darstellung sind. Aus diesem Grund ist es ratsam, mit wenigen Punkten anzufangen. Gestartet wird die Orientierung über den Process-Button. Worauf sich das Menüfenster mit der Überschrift Processing öffnet. In diesem Fenster können diverse Einstellungen, zum Prozessieren vorgenommen werden. Des weiteren erhält der Benutzer Information über die Qualität, des zu erwartenden Ergebnisses. Bei groben Anwenderfehlern unterbreitet das Programm Vorschläge zur Verbesserung. Ob ein Bild erfolgreich orientiert ist, erkennt man an dem Balkendiagramm, welches im Anschluss an die Prozessierung gezeigt wird Die Fensterbeschriftung gibt Auskunft über den Dateinamen, die Nummer, unter der die Datei durch Photo Modeler Pro 4.0 geführt wird, und den gegenwärtigen Zoomfaktor. Sind die Fotos erfolgreich orientiert, so können weitere Punkte markiert und referenziert werden.

Export des Modells
Mit der Berechnung des 3D-Modells endet die Arbeit mit Photo Modeler Pro 4.0. Die gewonnenen Daten werden im Anschluss in ein anderes Dateiformat exportiert. Nur so kann die erforderliche Kompatibilität zu anderen Grafikprogrammen gewährleistet werden. Photo Modeler Pro 4.0 unterstützt folgende Dateiformate:

  • 2D/3D DXF (*.dxf)
  • 3D Studio Max (*.3ds)
  • Direkt 3D (*.x)
  • VRML 1.0 und 2.0 (*.wrl)
  • Wavefront Objekt File (*.obj)
  • Raw (*.raw)
  • IGES (*.igs)

Das Menüfenster für den Grafikexport ist hierbei in sieben Bereiche unterteilt. Hier können die entsprechenden Eigenschaften ausgewählt bzw. die zu übergebenden Parameter eingestellt werden. Je nach ausgewähltem Dateiformat sind Optionen, die für das Dateiformat von Bedeutung sind, weiß unterlegt.


Erfassung der Schweißnahtkonstruktion der Micro-Paneele

Vorgaben des Projektes
Bei den zu vermessenden Bauteilen handelt es sich um sogenannte Micro-Paneele. Micro-Paneele sind mit Profilen versehene Stahlplatten. Bei den aufgebrachten Profilen handelt es sich um Flachprofile, T-Profile sind auch möglich. Die Anordnung der Profile wird in Form eines Gitters realisiert. Die Profile werden zum Zweck einer Verbindungsherstellung in der Vorbereitungshase punktweise befestigt, um dann im späteren Bearbeitungsprozess mit den Stahlplatten dauerhaft, mittels Schweißverbindung, verbunden zu werden.
Die Aufgabe besteht darin, die Lage der nötigen Schweißnähte, anhand der angebrachten Profile, zu ermitteln. Die gewonnenen Messdaten müssen am Ende in einem geeigneten CAD-Datenformat zu Verfügung stehen. Die Messdatengewinnung soll mit Hilfe eines photogrammetrischen Systems erfolgen.

Vorgegebene technische Daten:
Abmessungen des Schweißportals:

  • Schienenlänge: 64,5 m
  • Arbeitsbereich: 5,0 m
Abmessungen der Micro-Paneele:
  • Plattenlänge max.: 13,0 m
  • Profilhöhe max.: 0,5 m (typisch 0,1m)

Die Programmierung des Schweißroboters erfolgt mit Hilfe der gewonnenen Geometriedaten. Diese führt der Anlagenbediener, mittels manueller Zuweisung von Schweißmakros an das CAD-Modell, durch. Die Programmierung des Schweißroboters erfolgt parallel zur Abarbeitung eines zuvor erstellten Schweißroboterprogramms. Die genaue Bezeichnung der hier benutzten Digitalkamera lautet DSC-S85.

Technische Daten:

  • Brennweite: 7-21 mm
  • Min Auflösung: 640 x 480 Pixel
  • Max Auflösung: 2272 x 1704
  • bis dreifache Vergrößerung: Analogzoom
  • ab dreifacher bis sechsfacher Vergrößerung: Digitalzoom

Getroffene Einstellungen:

  • Auflösung: 2272 x 1704 Pixel
  • Zoom: einfach
  • Belichtungszeit und Blende: Automatik
  • Blitzlicht: aus
  • P. Qualität: Fine

Verwendete Hilfsmittel

Targets
Da weder die Messobjektgeometrie noch die Messobjektoberfläche es zulassen, in Photo Modeler Pro 4.0 Markierungen zu setzen, werden künstlich markierbare Objekteigenschaften erzeugt.

Abb.5: Verwendung reflektierender Aufkleber Abb.6: Micro - Paneel (weiße Haftetiketten)

Stativ für die Digitalkamera
Das Stativ ist nur für die Approximation der Digitalkamera erforderlich. Für die eigentliche Messaufnahmen wird es nicht benötigt, da es in der Photogrammetrie nicht so sehr auf die exakte Kameraposition oder deren Reproduzierbarkeit ankommt.

Gliedermaßstab
Der Gliedermaßstab wird für die Messung des Abstandes zwischen Digitalkamera und DIN A4 Blatt, zur Approximation der Digitalkamera, benötigt. Des weiteren wird er für die korrekte Ausrichtung des Diaprojektors und für die Längenbestimmung der Strecke zwischen zwei Kontrollpunkten benutzt.

Diaprojektor
Der Diaprojektor wird für die einmalige Kalibrierung derselben Digitalkamera benötigt.

Fotografische Bilderfassung
Die Bilderfassung unterteilt sich in zwei Teilgebiete. Es werden Bilder für die Kalibrierung der Digitalkamera und Bilder vom eigentlichen Messobjekt angefertigt.


Fotografische Erfassung der Kalibrierungsbilder

Messaufbau und Kontrolle der Diaprojektion
Mit Hilfe des Diaprojektors wird die Abbildung des definierten Musters auf eine weiße, planare Wand projiziert. An die Qualität der Projektion besteht die Forderung nach einer rechtwinkligen und scharfen Darstellung des Musters. Diese wird mit Hilfe eines geeigneten Messgerätes (Gliedermaßstab, Maßband) kontrolliert. Gegebenenfalls muss die Projektion korrigiert werden. Die Differenz zwischen den Strecken A und B bzw. den Strecken C und D darf, laut Softwaredokumentation für Photo Modeler Pro 4.0, maximal 2,5% betragen, um zuverlässige Werte für die auszuwertenden Bilder und in deren Folge des 3D-Drahtmodelles zu erhalten. Die Länge der Strecke E wird für die Maßanbindung (Skalierung) der Projektion an die Bilddateien benötigt, diese erfolgt zu einem späteren Zeitpunkt.

Abb.7: Vereinfachte Darstellung des definierten Musters

Die folgende Tabelle zeigt die Abmessung der Projektion des Musters.


 
Strecke EStrecke AStrecke BStrecke CStrecke D
Länge der Strecke in cm84,871,671,645,445,3
Längendifferenz in cm-00,1
Relative Längendifferenz in %-00,2

Tab. 1: Abmessung der Musterabbildung

Die fotografische Erfassung der Projektion erfolgt aus acht verschiedenen Blickwinkeln. Die Einstellungen der Digitalkamera, entsprechen den Einstellungen, die auch bei der späteren Objektvermessung benutzt werden. Der Raum muss dabei so abgedunkelt sein, dass das Muster noch klar zu erkennen ist. Er muss aber noch so hell sein, dass die fotografische Erfassung der Projektion ohne Blitzlicht erfolgen kann. Bei einer fotografischen Erfassung mit Blitzlicht kommt es zu ungünstigen Reflexionen, diese verwischen dann die Konturen der Projektion


Fotografische Erfassung der Micro-Paneele

Besonderheiten bei der Bilderfassung
Die Targets werden direkt neben den Profilen angebracht. Bei ungünstigen Aufnahmewinkeln werden sie durch die Profile verdeckt. Damit sind die Kamerapositionen beschränkt. Diese werden so gewählt, daß sie konform mit den Forderungen der o.g. Richtlinien gehen. Die Targets werden im Abstand von ca. 0,01 Meter von den Profilen entfernt angebracht. Dieser Umstand ist bei der späteren Programmierung des Schweißroboters zu berücksichtigen. Die folgenden zwölf Bilder wurden für die Berechnung des 3D-Drahtmodells benutzt.

Abb.8: Unbearbeitete Messbilder


Projektbearbeitung mit dem Softwarepaket Photo Modeler Pro 4.0

Kalibrierung der Digitalkamera mittels Software Camera Calibrator 4.0
Der Camera Calibrator 4.0 ist ein eigenständiges Programm. Dieses Programm wird bei der Installation der Software Photomodeler Pro 4.0 automatisch installiert. Das Programm wird nicht über die Software Photomodeler Pro 4.0 gestartet.
Der Calibrations Setup Wizard beginnt ein neues Projekt und startet mit einem Überblick nötiger Schritte, um eine Kamera zu kalibrieren.

  1. Die Kamera als approximierte Kamera einrichten
  2. Import der Bilder
  3. Markierung der vier Kontrollpunkte auf den acht Bildern
  4. Skalierung der Abbildungen
  5. Automatische Referenzierung und 3D-Berechnung
  6. Abspeicherung der Datei

Der Calibrations Setup Wizard führt den Anwender durch das Menü für die Grundeinstellungen. Erst wenn die nötigen Optionen ausgewählt oder die Einstellungen komplettiert sind, kann der Anwender mit dem Betätigen der Schaltfläche Next zum nächsten Menü wechseln. Mit dem Import der Bilder endet die Hilfe des Calibrations Setup Wizard.
Bei Anwahl eines Bildes werden dessen projektrelevanten Eigenschaften angezeigt. Mit dem Betätigen der Schaltfläche Open Photo wird das angewählte Bild zum Markieren vergrößert. Mit Hilfe von Cursor und Lupe ( Alt-Taste) werden die vier Kontrollpunkte auf dem Bild markiert. Da sie der Reihenfolge nach zum Markieren angeboten werden, sind die Kontrollpunkte bereits vordefiniert. Eine manuelle Referenzierung entfällt. Der zu markierende Kontrollpunkt wird von der Software vorgegeben und ist an der jeweiligen Cursorform erkennbar. Der Cursor besteht aus drei Kreisen. An der Zahl der ausgefüllten Kreise werden die zu markierenden Kontrollpunkte erkannt:

  • drei nicht ausgefüllte Kreise: Kontrollpunkt 1
  • ein ausgefüllter Kreis: Kontrollpunkt 2
  • zwei ausgefüllte Kreise: Kontrollpunkt 3
  • drei ausgefüllte Kreise: Kontrollpunkte 4

Nacheinander werden so die relevanten und ausgewählten Bilder markiert.
Nachdem alle Kalibrierungsbilder markiert sind, sind die Kalibrierungsbilder zu skalieren. Eine detaillierte Beschreibung der Kalibrierung findet sich bei [2] in einer sehr guten Darstellung.
Nach der 3D-Berechnung (Kalibrierung), welche einige Sekunden dauert, wird das Ergebnis der Kalibrierung in einem Balkendiagramm dargestellt. Ist das Ergebnis nicht zufriedenstellend können alle Markierungen nachträglich überarbeitet werden. Ist das Ergebnis der Kalibrierung zufriedenstellend, wird das Projekt in einer Datei gespeichert. Da die gewonnenen Kalibrierungsdaten öfter benutzt werden, ist es zweckmäßig die Datei ordnungsgemäß zu archivieren.


Erzeugung des 3D-Drahtmodells mittels Software PhotoModeler Pro 4.0

Der Photo Modeler Pro 4.0 ist zu öffnen und "Neues Projekt erstellen" - ist auszuwählen.

Project Setup Wizard
Es erscheint eine Liste nötiger Schritte, die erforderlich sind, um ein 3D-Modell zu erzeugen.

Camera Setup Wizard
Im ersten Menüfenster wird der Kameratyp A camera used by PhotoModeler previously angewählt. Die Auswahl wird mit dem Betätigen der Schaltfläche Next übernommen.
Im folgenden Fenster wird der Dateiname und Pfad, des zuvor erstellten Kalibrierungsprojektes, angegeben.
Im folgenden Menüfenster werden die Kameraeigenschaften der ausgewählten Datei angezeigt. Dort wird dann eine andere Datei ausgewählt werden.

Photo Import Wizard
Das folgende Menüfenster zeigt Bilder, die im Projekt aktiv sind. Zu diesem Zeitpunkt werden noch keine Bilder angezeigt. Mit dem Betätigen der Schaltfläche Add/Remove image(s)… öffnet sich ein weiteres Menüfenster. Ist ein Bild markiert (roter Rand um das Bild) kann es mit Hilfe der Pfeiltasten in das Projekt eingefügt oder entfernt werden. Mit dem Betätigen der Schaltfläche OK wird die Bildauswahl bestätigt. Das Menüfenster schließt sich.
Nach dem Betätigen der Schaltfläche Next folgt eine Übersicht mit den erfolgten und den noch offenen Arbeitsschritten. Mit dem Betätigen der Schaltfläche Finished endet die Arbeit mit dem Photo Import Wizard.

Punkte markieren, referenzieren und prozessieren
Die Markierung der Bilder erfolgt hier mit Hilfe des Sub-pixel Target mode. Der Sub-pixel Target mode wird über den Point mode aktiviert. Ist der Point mode aktiviert erscheint in der Werkzeugleiste eine Schaltfläche mit dem Symbol des Sub-pixel Target mode. Durch Betätigen dieser Schaltfläche wird der Sub-pixel Target mode aktiviert.
Um ein Target mit Hilfe des Sub-pixel Target mode zu markieren, muß der Cursor in die ungefähre Mitte des Kreises geführt werden. Dann wird die linke Maustaste gedrückt. Der Cursor wird nach außen bewegt. Dabei bleibt die linke Maustaste gedrückt. Befindet sich das aufspannende Rechteck außerhalb des Kreises wird die linke Maustaste wieder losgelassen. Das Rechteck sollte in unmittelbarer Nähe des Kreises aufgespannt werden. Damit ist die Markierung gesetzt.
Die Markierungsarbeit beschränkt sich anfangs auf die ersten vier Bilder. Es handelt sich dabei um Bilder, deren Inhalt eine hohe Informationsdichte bzw. hohe Maßhaltigkeit aufweist. Auf den Bildern werden alle relevanten Punkte markiert. Die anschließende Referenzierung beschränkt sich zunächst auf Punkte mit einer guten dreidimensionalen Aussagekraft. Nach der Referenzierung werden die Bilder prozessiert (3D-Berechnung).
Anschließend werden weitere Punkte zum 3D-Drahtmodell hinzugefügt. Dazu werden die nötigen Bilder importiert, markiert, referenziert und orientiert.

Abb. 9: Markierte Meßbilder

Für die Erfassung der Schweißnahtkonstruktion sind vier Bilder ausreichend (Abb. 8). Weitere sechs Bilder sind für Erzeugung des gesamten Modells der Micro-Paneele erforderlich (Abb. 9).

Abb. 10: Weitere Meßbilder

Im Anschluß werden die ermittelten Punkte mit Hilfe des Line mode verbunden, Die entstandenen Flächen werden im Surface mode gekennzeichnet und gerendert. Die Abb. 10 zeigt den 3D-Viewer mit dem fertigen 3D-Drahtmodell.


Export des 3D-Drahtmodells

Das DXF-Dateiformat wurde von Autodesk definiert und stellt heute einen quasi ISO-Standard dar. Ein Import bzw. Export über das DXF-Dateiformat ist für heutige CAD-Anwendungen zwingend notwendig. Für das DXF-Dateiformat (Export) sind hier nur die Inhalte der weiß unterlegten Felder von Bedeutung. Die Inhalte der grau unterlegten Felder haben hier keine Bedeutung.

Die getroffenen Einstellungen haben folgende Bedeutungen:

  • Export: Es werden die markierten Punkte, die Verbindungslinien zwischen den Punkten, die durch drei Punkte definierten Flächen und die Darstellungen der definierten Flächen exportiert.
  • Export Type: Zeigt das 3D DXF Dateiformat, in welches die Daten des Modells exportiert werden sollen. (3D DXF).
  • Coordinate decimal-places: Die Anzahl der Dezimalstellen der zu exportierenden Koordinaten beträgt sechs Stellen nach dem Komma.
  • Coordinates exported in: cm: Die Einheit der zu exportierenden Koordinaten ist Zentimeter.
  • DXF Options: Die für die Definition der 3D-Fläche benötigten Punkte erfolgt entgegen dem Uhrzeigersinn.

Mit dem Betätigen der Schaltfläche OK erfolgt der Datenexport in ein zu wählenden Dateinamen und Verzeichnis.


Schweißtechnische Voraussetzungen

Für die Anwendung des 3D-Drahtmodells im Prozess der Schweißnahterzeugung sind u.a. folgende schweißtechnische Voraussetzungen zu berücksichtigen.

  • Schweißnahtgeometrie (Anfangspunkt, Endpunkt, Nahtverlauf, Geschwindigkeit, Anstellwinkel)
  • Schweißposition (waagerecht, senkrecht)
  • Schweißparameter (Brenner ein, Brenner aus)
  • Nahtart (Kehlnaht, Verbindungsnaht)
  • Nahthöhe (Schweißparameter in Abhängigkeit von Spannung, Strom, Geschwindigkeit)


Darstellung und Bewertung der erzielten Ergebnisse

Abb. 11: Fertiges 3D-Drahtmodell dargestellt mit dem 3D-Viewer

Abb. 12: Fertiges 3D-Drahtmodell in AutoCAD

Bewertung der erzielten Ergebnisse

Approximierte Kamera ohne Targets
Der Zeitaufwand für die Vorbereitung ist bei dieser Meßmethode am geringsten. Da die Kalibrierung der Kamera sowie für das Anbringen Targets entfallen.
Die Abweichung der ermittelten Koordinaten der Messpunkte ist nach [1] zu groß. Einige Punkte befinden sich außerhalb des vorgegebenen Suchbereiches des Schweißroboters. Die eigentliche Bearbeitungszeit mit Photo Modeler Pro 4.0 vergrößert sich, da ohne Targets die Punktlokalisierung von Hand länger dauert.

Kalibrierte Kamera ohne Targets
Alle Koordinaten der Messpunkte befinden sich innerhalb des Suchbereiches des Schweißroboters. Da künstliche Markierungen fehlen, ist auf Abschattungseffekte zu achten. Diese überdecken die Konturen des Messobjektes. Der Zeitaufwand für das Anbringen der Targets entfällt. Der Zeitaufwand für die Bearbeitung mit Photo Modeler Pro 4.0 ist größer, da auch bei dieser Meßmethode die Punktlokalisierung von Hand erfolgt.

Approximierte Kamera mit Targets
Die Abweichung der ermittelten Koordinaten der Meßpunkte ist nach [1] zu groß. Einige Punkte befinden sich außerhalb des vorgegeben Suchbereiches des Schweißroboters. Die Bearbeitungszeit mit PhotoModeler Pro 4.0 ist durch die Targets gering.

Kalibrierte Kamera mit Targets
Alle Koordinaten der Meßpunkte befinden sich innerhalb des Suchbereiches des Schweißroboters. Der höhere Zeitaufwand, der durch das Anbringen der Targets entsteht, wird durch das schnellere Markieren ausgeglichen. Die Koordinaten der Meßpunkte weisen die höchste Genauigkeit auf.
Aufgrund der von [1] durchgeführten Untersuchungen sollte eine kalibrierte Digitalkamera unter Verwendung von Targets für die praktische Anwendung bevorzugt werden.


Kostenmäßige Betrachtung

Ausgehend von einer Ingenieurstunde mit ca. 80 Euro ergeben sich danach die folgenden Kosten für die Projektbearbeitung. Dieses beinhaltet eine Erzeugung des kompletten 3D-Drahtmodells der Micro-Paneele. Die Projektbearbeitung dauert bei der herkömmlichen Methode, mit Bandmaß oder ähnlichen Messgeräten und den dazugehörigen Hilfsmitteln, mit anschließender Zeichnungserstellung auf einem CAD-System, ca. 5 Stunden. Das ergibt einen Betrag von 400 Euro.
Mit dem photogrammetrischen System dauert die Projektbearbeitung einschließlich der nötigen Vorbereitung von ca. 0,75 Stunden. Daraus ergibt sich dann ein Betrag von 60 Euro. Bei beiden Methoden müssen die Fähigkeiten und die Erfahrungen des Bearbeiters berücksichtigt werden. Abhängig von diesen ändert sich die Bearbeitungszeit.
Weiterhin muß berücksichtigt werden, daß bei der herkömmlichen Methode ein Messen über Stege oder Profile schwierig ist und daß dadurch Bearbeitungszeit und Messungenauigkeit steigen. Auch bei Anordnungen einzelner Baugruppen des Bauteils, die nicht lotrecht, parallel oder senkrecht sind, steigt die Bearbeitungszeit und die Messungenauigkeit.
Bei photogrammetrischen Systemen ist der Einfluß auf die Messgenauigkeit und die Bearbeitungszeit, bedingt durch die Anordnung der Baugruppen, geringer.


Schlußwort

Bedingt durch die immer weiterschreitende Entwicklung der Computertechnik ergeben sich stetig neue Aufgabenfelder für die Digitalgrafik. U.a. ist es mit Hilfe des Softwarepaketes Photo Modeler Pro 4.0 möglich bestehende Anlagen in ein geeignetes CAD-Format zu überführen.
Hinsichtlich Bearbeitungszeit und Genauigkeit kann zum Arbeiten mit Photo Modeler Pro 4.0 gesagt werden, dass diese im erheblichen Maße von der Planung abhängig sind. Eine ausreichende Genauigkeit kann nur mit Hilfe der Kamerakalibrierung erreicht werden. Des weiteren wird durch das Anbringen runder Targets in Verbindung mit dem Sub-pixel target mode die Messgenauigkeit und die Messobjektivität erhöht.
Eine weitere Verbesserung der Messobjektivität wird durch eine Erhöhung des Automationsgrades erreicht. Eine weiterführende Arbeit könnte die Möglichkeiten, einer festen Anbringung der Digitalkamera am Schweißportal in Kombination mit einer geeigneten Auslösemöglichkeit und anschließendem Bilddatentransfer von Digitalkamera zum PC, untersuchen. Um aussagekräftige Lösungen zu erhalten sollten die Untersuchungen dazu im Produktionsprozess erfolgen.
Alternativ zum Softwarepaket PhotoModeler Pro 4.0 gibt es weitere photogrammetrische Auswertsysteme. Beispielhaft soll hier das Produkt PHIDIAS der Firma PHOCAD Ingenieurgesellschaft mbH genannt sein. Ein weiteres photogrammetrisches Auswertesystem ist von der Firma Rollei erhältlich.
Geometrisch-topologische Eigenschaften von Anlagen lassen sich des weiteren durch das Lasersystem Cyrax mit der passenden Modelliersoftware Cyclone erfassen. Dieses System verspricht die höchste Genauigkeit und die Modelliersoftware besitzt viele nützliche Werkzeuge. Die Anschaffungskosten betragen aber ca. 150 000 Euro.


Literaturverzeichnis:

[1]Seidel, M.Untersuchungen zur Visualisierung schiffbaulicher Baugruppen Diplomarbeit, Hochschule Wismar, Fachbereich Seefahrt, 2002
[2]Eos SystemPhotoModeler Pro 4.0: User Manual; Eos System Inc; 21st Edition; October 2000, Vancouver, Canada