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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Vermessung und/oder Überprüfung von Schweißbaugruppen,
insbesondere von Kraftfahrzeugachsen oder Instrumententrägern, sowie
Verfahren zur Vermessung bzw. Überprüfung einer Schweißbaugruppe
mit einer solchen Vorrichtung.
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Bisher
werden Schweißbaugruppen,
z.B. Kraftfahrzeugachsen oder Instrumententräger, in der Serienproduktion
entweder attributiv oder messend auf ihre Maßhaltigkeit geprüft.
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Attributive
Prüfungen
werden durch mechanische Abstecklehren realisiert. Diese Vorgehensweise
ist jedoch zeitaufwendig, wenig flexibel und teilweise ungenau oder
störanfällig.
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Zum
Stand der Technik gehört
ebenfalls die stichprobenartige Vermessung von Schweißbaugruppen
auf Koordinatenmessmaschinen. Eine Koordinatenmessmaschine ist beispielsweise
in der
DE 39 41 144
C2 oder der
DE
198 05 892 A1 beschrieben. Diese Vorgehensweise bedingt
jedoch sehr lange Taktzeiten und ist daher im produktionsnahen Bereich
kaum realisierbar.
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Möglich ist
es auch, die Bauteile durch Einscannen der relevanten Bauteilbereiche
mit einem Lichtschnittsensor oder mittels laseroptischen Triangulationssensoren
zu vermessen. Die Sensoren werden hierbei durch Roboter geführt, was
hohe Kosten und lange Taktzeiten bedingt.
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Computergesteuerte
optische Systeme zur vollflächigen
3D-Vermessung der Geometrie von unterschiedlichen Körpern haben
heute einen sehr hohen Entwicklungsstand erreicht.
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Alle
vorgenannten Systeme haben die Aufgabe, komplexe Schweißbaugruppen
in bestimmten Taktzeiten mit einer erforderlichen Mindestgenauigkeit
zu vermessen bzw. zu überprüfen. Wichtig
hierbei sind eine definierte Aufspannung der jeweiligen Schweißbaugruppe
und eine präzise
Auslegung der optischen Komponenten. Eine wichtige Herausforderung
ist die richtige Auslegung der mechanischen Aufspannung, so dass
einerseits eine hohe mechanische Stabilität gegeben ist, andererseits
aber die freie Zugänglichkeit
aller zu messenden Merkmale für
die optischen Sensoren gewährleistet
ist.
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Aus
der
DE 88 00 739 U1 ist
eine Vorrichtung zum Aufspannen von Werkstücken für Messaufgaben bekannt, die
auf einer Grundplatte montierte Spannelemente aufweist. Die Spannelemente
sind hierbei auf einer Tragsäule
angeordnet. Das Werkstück
wird spannend zwischen einem Werkstückträger und einem Kniehebelspanner
gehalten.
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Die
US 5 026 033 zeigt ein universelles
System zur Unterstützung
und Positionierung von Werkstücken
auf. Dorne sind hierbei vorgesehen, um das Werkstück einer
definierten Lage zu stützen.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur
optischen Vermessung und/oder Überprüfung von
Schweißbaugruppen
zu schaffen, die eine Aufspannung der Schweißbaugruppe ermöglicht mit
einer hohen mechanischen Stabilität unter Gewährleistung eines messtechnisch erforderlichen
Blickfeldes für
die Sensoren. Des Weiteren zielt die Erfindung auf Verfahren zur
Vermessung und zur Überprüfung einer
Schweißbaugruppe unter
Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ab.
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Die
Lösung
des gegenständlichen
Teils der Aufgabe besteht in einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen
von Patentanspruch 1.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand
der abhängigen
Ansprüche
2 bis 8.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur optischen Vermessung und/oder Überprüfung von Schweißbaugruppen,
insbesondere von Kraftfahrzeugachsen oder Instrumententrägern, umfasst
einen Messraum mit darin angeordneten Kameras zur Aufnahme von Bildern
einer Schweißbaugruppe.
Die Auswertung der aufgenommenen Bilder erfolgt computergestützt in einer
Auswerteeinrichtung. Im Messraum ist eine Basisplatte mit zumindest
zwei Tragsäulen
angeordnet. Auf den Tragsäulen
wird eine zu vermessende bzw. zu überprüfende Schweißbaugruppe
im Messraum aufgespannt. Jeweils am freien Ende einer Tragsäule ist
eine Spanneinheit mit zwei relativ zueinander verlagerbaren Spannelementen zur
punktuellen oder flächenhaften
Aufspannung der Schweißbaugruppe
vorgesehen, wobei zumindest an einer Tragsäule ein relativ zur Spanneinheit
verfahrbarer Dorn angeordnet ist.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ermöglicht
eine flexible und mechanisch hochstabile Aufspannung einer Schweißbaugruppe
in der Messzelle. Hierdurch wird eine hohe Messgenauigkeit bei sehr kurzen
Messzeiten ermöglicht.
Gemessen wird das jeweilige Bauteil über Kameras, welche die Schweißbaugruppe
aus verschiedenen Winkeln aufnehmen. Durch die Kombination der Informationen
der einzelnen Kameras in einer Rechnereinheit kann eine dreidimensionale
Vermessung umgesetzt werden. Im Rahmen der Photogrammetrie wird
hierbei aus den aufgenommenen Bildern die räumliche Lage bzw. dreidimensionale
Form der Schweißbaugruppe
rekonstruiert und vermessen.
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Erfindungswesentlich
ist eine definierte Aufspannung der Schweißbaugruppe in der Messzelle. Durch
eine Aufspannung einer Schweißbaugruppe
in vier Punkten wird eine exakte und reproduzierbare Messung ermöglicht.
Des Weiteren wird über
eine Aufspannung in drei Punkten, wobei der vierte Punkt frei im
Raum verbleibt, eine Messung des "Twists", also der Verdrehung einer Schweißbaugruppe
ermöglicht.
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Zumindest
eine Tragsäule
ist in dem bzw. aus dem Bilderfassungsbereich der Kameras ein- bzw.
ausfahrbar. Dementsprechend können
verschiedene Einspannvarianten der Schweißbaugruppe simuliert werden.
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Über die
Dorne an den Tragsäulen
bzw. den Spanneinheiten wird eine Schweißbaugruppe aufgenommen. Hierzu
fahren die Dorne in Öffnungen
der Schweißbaugruppe
ein. Zweckmäßigerweise
besitzen die Dorne zwei Längenabschnitte
mit voneinander verschiedenen Durchmessern. Zur Ausrichtung der
Schweißbaugruppen
mittels der Dorne können diese
mit Spreizelementen versehen sein. Hierbei können Spanndorne mit Spreizelementen
zum Einsatz gelangen, die in zwei oder in drei Richtungen wirken.
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Zumindest
ein Dorn kann auch als so genannter "Messdorn" gestaltet sein. Mit Hilfe des Messdorns
kann die absolute Position eines Merkmals der Schweißbaugruppe
indirekt über
die Position des Messdorns bzw. dessen Trägereinheit relativ zum Merkmal
gemessen werden. Ferner besteht die Möglichkeit, ein bestimmtes Merkmal,
beispielsweise eine Öffnung
in der Schweißbaugruppe,
direkt zu vermessen bzw. zu überprüfen durch
eine Aufnahme eines Bildes dieses Merkmals.
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Zur
Verbesserung der Zugänglichkeit
bzw. Einsichtlichkeit der zu vermessenden Merkmale für die optischen
Sensoren sind in den Spannelementen Aussparungen vorgesehen, welche
die Sicht für
die Kameras auf zwischen den Spannelementen liegende Merkmale freigeben.
Die Spannelemente sind folglich so gestaltet, dass auch bei gespannter Schweißbaugruppe
eine freie optische Zugänglichkeit
zu den einzelnen zu vermessenden Merkmalen gewährleistet ist.
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Der
Messraum ist durch eine Umhausung lichtdicht ausgelegt. Die Umhausung
eliminiert Lichteinfall von außen,
so dass im Inneren des Messraums über entsprechende Beleuchtungen
definierte Lichtbedingungen geschaffen werden. Diese definierten
Lichtbedingungen fördern
die Messgenauigkeit und sind daher wesentliche Voraussetzung für die Qualität der Messung.
Ferner ist vorgesehen, dass der Messraum eine Überdruckbelüftung besitzt. Über ein
Gebläse
mit vorgeschaltetem Filter wird ein leichter Überdruck im Inneren des Messraums erzeugt,
so dass das Eindringen von Verschmutzungen aus der Luft vermieden
wird. Auch diese Maßnahme trägt zur Qualität der Mess-
bzw. Überprüfvorgänge bei.
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Vorteilhafterweise
weist die Vorrichtung Mittel zur Ermittlung der Temperatur einer
zu vermessenden Schweißbaugruppe
auf. Durch Messen der Bauteiltemperatur lassen sich Offsetwerte
für die
jeweilige Messung ermitteln, so dass ein Messergebnis immer auf
eine Referenztemperatur bzw. die Raumtemperatur von beispielsweise
20°C bezogen
werden kann.
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Mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann
eine direkte Vermessung eines Merkmals einer Schweißbaugruppe
durch Aufnahme mehrerer Bilder des Merkmals mit anschließender Auswertung
erfolgen (Patentanspruch 9).
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Gemäß den Maßnahmen
von Patentanspruch 10 ist auch eine indirekte Vermessung eines Merkmals
der Schweißbaugruppe
möglich
durch eine optische Bestimmung der Position eines der Dorne relativ
zum jeweiligen Merkmal.
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Durch
eine Aufnahme eines Bildes eines Merkmals der Schweißbaugruppe
kann neben einer reinen Vermessung gleichzeitig eine Vollständigkeitskontrolle
der Schweißbaugruppe
durchgeführt
werden (Patentanspruch 11).
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Mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann
eine berührungslose
Vermessung einer Schweißbaugruppe
vorgenommen werden. Die Messaufnehmer, also die Kameras einschließlich notwendiger
Sensoren, Belichtungsmesser und ähnliches
sind fest positioniert. Bewegliche Teile der optischen Vermessungseinrichtung
sind nicht erforderlich. Folglich ist die Vorrichtung robust und
wartungsarm. Abnutzungserscheinungen sind kaum zu erwarten. Auch
Störquellen
sind minimiert. Da auf bewegte Teile für die Vermessung verzichtet
werden kann, arbeitet die erfindungsgemäße Vorrichtung und die Verfahren
gegenüber
anderen sehr schnell. Eine Vielzahl von Bildaufnahmen kann gleichzeitig
gemacht werden, so dass die eigentliche Messzeit in Sekundenbruchteilen
erfolgen kann. Dies hat weiterhin den positiven Einfluss, dass Störungen von
außen,
z.B. durch Schwingungen, von geringem Einfluss auf das Messergebnis
sind. Ferner ist eine parallele Bauteiltemperaturmessung möglich, welche entsprechend
in die Auswertung einbezogen werden kann, so dass Messergebnisse
immer auf eine Raumtemperatur von beispielsweise 20°C bezogen werden
können.
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Die
Erfindung ist nachfolgend anhand der beigefügten Figuren näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 in
perspektivischer Darstellungsweise den Messraum einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 ebenfalls
in perspektivischer Darstellungsweise eine Tragsäule;
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3 einen
Ausschnitt aus dem oberen Ende einer Tragsäule;
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4 eine
Detailansicht eines Dorns;
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5 die
Darstellung des Dorns aus einem anderen Blickwinkel;
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6 einen
Achsträger
in der Draufsicht;
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7 technisch
schematisiert das Detail F aus der 6 und
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8 technisch
schematisiert das Detail G aus der 6.
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1 zeigt
eine Vorrichtung zur optischen Vermessung und/oder Überprüfung von
Schweißbaugruppen,
insbesondere von Kraftfahrzeugachsen oder Instrumententrägern. Mit
X, Y und Z sind in der 1 die Raumkoordinaten gekennzeichnet.
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Die
Vorrichtung umfasst einen Messraum 1 mit darin angeordneten
Kameras 2 zur Aufnahme von Bildern einer Schweißbaugruppe 3.
Bei der in der 1 zu erkennenden Schweißbaugruppe 3 handelt es
sich um einen Achsträger,
wie er auch in der 6 dargestellt ist.
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Der
Messraum 1 ist innerhalb einer hier nur andeutungsweise
dargestellten Umhausung 4 angeordnet und lichtdicht ausgelegt.
Des Weiteren besitzt der Messraum 1 eine Überdruckbelüftung. Hierdurch kann
das Eindringen von Verschmutzungen in den Messraum 1 vermieden
werden.
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Im
Messraum 1 sind auf einer stabilen Basisplatte 5 insgesamt
fünf Tragsäulen 6–10 angeordnet, von
denen die Tragsäulen 7 bis 10 höhenverstellbar sind.
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Die
Tragsäule 6 besitzt
an ihrem oberen Ende 11 zwei Kragarme 12 mit jeweils
einem Dorn 13, welche in Öffnungen der Schweißbaugruppe 3 zum
Eingriff gelangen können.
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Eine
höhenverstellbare
Tragsäule 7–10 ist
in der 2 näher
zu erkennen. Sie besitzt am oberen freien Ende 14 eine
Spanneinheit 15 mit zwei relativ zueinander verlagerbaren
Spannelementen 16, 17. Siehe hierzu auch 3 bis 5.
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Das
obere Spannelement 16 ist um eine horizontale Achse 18 am
Ende 14 verschwenkbar. Das untere Spannelement 17 ist über einen
Tragarm 19 an einer Vertikalführung 20 verlagerbar. Über die Spannelemente 16, 17 wird
eine Schweißbaugruppe 3 punktuell
aufgespannt (Punkte A-D in 6). Die Spannelemente 16, 17 sind
mit Aussparungen 21, 22 versehen und so konzipiert,
dass sie die Sicht für
die Kameras 2 auf zwischen den Spannelementen 16, 17 liegende
zu vermessende Merkmale M, wie beispielsweise Löcher, freigeben. Des Weiteren
ist an den Tragsäulen 7–10 jeweils
ein relativ zur Spanneinheit 15 verlagerbarer Dorn 23, 24, 25 angeordnet.
Ein Dorn 23, 24, 25 kann sowohl in der
Höhe verfahren als
auch seitlich verschwenkt werden. Wie insbesondere anhand der 4 zu
erkennen ist, weist ein Dorn 23, 24, 25 zwei
Längenabschnitte 26, 27 mit voneinander
verschiedenen Durchmessern auf. Der zwischen den beiden Längenabschnitten 26, 27 ausgebildete
Absatz bildet einen Höhenanschlag 28 bzw.
eine Auflagefläche
für die
Schweißbaugruppe 3.
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Die
Dorne 23, 24 sind mit Spreizelementen 29, 30 versehen.
Hierdurch kann die Schweißbaugruppe 3 auf
den Tragsäulen 7–10 in
Null-Lage ausgerichtet werden. Der in der 7 dargestellte
Dorn 23 weist zwei Spreizelemente 29, 30 auf,
die in Y-Richtung
wirken. Demzufolge kann über
diesen Dorn 24 eine Zentrierung in Y-Richtung vorgenommen werden. Die Z-Ausrichtung
erfolgt über
den Höhenanschlag 28 am
Dorn 23.
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Der
in der 8 dargestellte Dorn 24 weist drei Spreizelemente 29–31 auf.
Hierdurch ist eine Ausrichtung sowohl in X- als auch in Y-Richtung
möglich.
Die Z-Ausrichtung
erfolgt wiederum über
den Höhenanschlag 28.
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Die
Schweißbaugruppe 3 wird
von den Kameras 2 aus verschiedenen Winkeln aufgenommen. Durch
die Kombination der Informationen der einzelnen Kameras 2 und
deren Auswertung in einer computergestützten Auswerteeinrichtung kann
die Schweißbaugruppe 3 dreidimensional
vermessen werden.
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Die
Aufspannung der Schweißbaugruppe 3 an
vier Punkten A, B, C, D über
die Tragsäulen 7–10 ermöglicht eine
exakte und reproduzierbare Messung. Um den Twist der Schweißbaugruppe 3 wird diese
nur an drei Punkten A, B. C aufgespannt. Der vierte Punkt D verbleibt
frei im Raum, so dass auf diese Weise der Twist gemessen werden
kann. Hierzu kann die Tragsäule 9 bzw.
deren Spanneinheit 15 aus dem Bilderfassungsbereich der
Kameras 2 ein- bzw. ausgefahren werden.
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Eine
direkte Vermessung eines Merkmals M der Schweißbaugruppe 3 erfolgt
durch Aufnahme mehrerer Bilder des Merkmals M mit anschließender Auswertung
der Bildinformationen in der Auswerteeinrichtung. Möglich ist
weiter eine indirekte Vermessung eines Merkmals M der Schweißbaugruppe 3 durch
eine Bestimmung der Position eines Dorns 23–25 relativ
zum Merkmal M. Eine direkte Überprüfung eines
Merkmals M der Schweißbaugruppe 3 erfolgt
durch Aufnahme eines Bildes des zu kontrollierenden Merkmals M.
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- 1
- Messraum
- 2
- Kamera
- 3
- Schweißbaugruppe
- 4
- Umhausung
- 5
- Basisplatte
- 6
- Tragsäule
- 7
- Tragsäule
- 8
- Tragsäule
- 9
- Tragsäule
- 10
- Tragsäule
- 11
- oberes
Ende v. 6
- 12
- Kragarm
- 13
- Dorn
- 14
- freies
Ende v. 7–10
- 15
- Spanneinheit
- 16
- Spannelement
- 17
- Spannelement
- 18
- Achse
- 19
- Tragarm
- 20
- Vertikalführung
- 21
- Aussparung
- 22
- Aussparung
- 23
- Dorn
- 24
- Dorn
- 25
- Dorn
- 26
- Längenabschnitt
- 27
- Längenabschnitt
- 28
- Höhenanschlag
- 29
- Spreizelement
- 30
- Spreizelement
- 31
- Spreizelement
- M
- Merkmal