DE102007023826A1

DE102007023826A1 - Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen Schwingungsmessung

Info

Publication number: DE102007023826A1
Application number: DE102007023826A
Authority: DE
Inventors: Matthias Schüssler
Original assignee: Polytec GmbH
Current assignee: Polytec GmbH
Priority date: 2007-05-21
Filing date: 2007-05-21
Publication date: 2008-11-27
Also published as: FR2916534B1; US20080291466A1; FR2916534A1; JP2008286797A; US8111403B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schwingungsmessung eines Objektes. Das Verfahren umfasst die Verfahrensschritte: Festlegen wenigstens eines zu messenden Punktes des Objektes, Bewegen zumindest eines auf einer Halterung befestigten Laser-Interferometers in eine Messlage zur Messung des Messpunktes auf dem Objekt, Aussenden zumindest eines Messstrahls des Laser-Interferometers auf den zumindest einen Messpunkt auf dem Objekt, Erfassen des vom Objekt zurückgestreuten Messstrahls, Ermitteln von Schwingungsdaten aus dem ausgesandten und zurückgestreuten Messstrahl, Zuordnen der Schwingungsdaten zu dem Messpunkt sowie Auswerten der Schwingungsdaten und Ausgeben der Schwingungsdaten des Messpunktes, wobei zumindest ein Abgleich einer Lage des Laser-Interferometers mittels zumindest einer Lage eines bekannten, frei vorgebbaren Punktes auf dem Objekt vorgenommen wird und eine Transformationsvorschrift zur Ermittlung der Lage des Laser-Interferometers relativ zum Objekt für beliebige Messlagen anhand des Abgleichessung umfasst zumindest ein Laser-Interferometer mit einem Mittel zum Aussenden eines Messstrahls und zum Erfassen des vom Objekt zurückgestreuten Messstrahls, eine verfahrbar angeordnete Halterung, auf der das Laser-Interferometer befestigt ist, eine Steuereinheit zur Steuerung der verfahrbar angeordneten Halterung sowie eine Datenerfassungs- und Auswerteeinrichtung zum Aufzeichnen und ...

Description

Die Erfindung betrifft gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 ein Verfahren zur berührungslosen Schwingungsmessung eines Objektes mit den Verfahrensschritten: Festlegen wenigstens eines zu messenden Punktes des Objektes, Bewegen zumindest eines auf einer Halterung befestigten Laser-Interferometers in eine Messlage zur Messung des Messpunktes auf dem Objekt, Aussenden zumindest eines Messstrahls des Laser-Interferometers auf den zumindest einen Messpunkt auf dem Objekt, Erfassen des vom Objekt zurückgestreuten Messstrahls, Ermitteln von Schwingungsdaten aus dem ausgesandten und zurückgestreuten Messstrahl, Zuordnen der Schwingungsdaten zu dem Messpunkt, und Auswerten der Schwingungsdaten und Ausgeben der ausgewerteten Schwingungsdaten des Messpunktes.
Die Erfindung betrifft ebenfalls gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 10 eine Vorrichtung zum berührungslosen Erfassen von Schwingungen eines Objektes, wobei die Vorrichtung insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens mit den Verfahrensschritten gemäß Anspruch 1 geeignet ist, umfassend zumindest ein Laser-Interferometer mit einem Mittel zum Aussenden eines Messstrahls und zum Erfassen des vom Objekt zurückgestreuten Messstrahls, eine verfahrbar angeordnete Halterung, auf der das Laser-Interferometer befestigt ist, eine Steuereinheit zur Steuerung der verfahrbar angeordneten Halterung sowie eine Datenerfassungs- und Auswerteeinrichtung zum Aufzeichnen und Auswerten von Schwingungsdaten, die mit dem Mittel zum Aussenden und Erfassen und der Halterung zusammenwirkt.
Im Stand der Technik ist es bekannt, Schwingungen und insbesondere Vibrationen eines Objektes dadurch zu messen, dass an der Oberfläche des zu messenden Objektes an bestimmten Messpunkten Beschleunigungssensoren angebracht werden. Eine Messung der Vibrationen erfolgt dann indirekt anhand der Messwerte der Beschleunigungssensoren, wobei die erhaltenen Messwerte dann ortsaufgelöst dargestellt werden bzw. dem jeweiligen Messpunkt zugeordnet werden können.
Oft genügt diese Art der Schwingungsmessung eines Objektes jedoch nicht den Anforderungen, da beispielsweise ein Aufbringen von Beschleunigungssensoren auf die Oberfläche eines Objektes dessen Schwingungscharakteristik derart verfälschen kann, so dass die Messwerte für eine Auswertung ungeeignet sind. Dies ist beispielsweise bei weichen Oberflächen von Objekten der Fall, bei denen ein Aufbringen der Beschleunigungssensoren zu einer Deformation der Oberfläche führt, wodurch sich die Schwingungscharakteristik des Objektes grundlegend ändert. In anderen Fällen ist das Aufbringen von Beschleunigungssensoren zwar möglich, allerdings ist dafür ein hoher Arbeits- und Zeitaufwand für die Befestigung der Beschleunigungssensoren, für deren Verkabelung sowie für die Positionierung und Orientierung der Beschleunigungssensoren notwendig. Gleiches gilt auch für die Interpretation und Auswertung der von den Beschleunigungssensoren erhaltenen Messwerte.
Seit einiger Zeit gibt es deshalb auch Verfahren zur Schwingungsmessung, die auf optischem und damit berührungslosem Weg Schwingungen eines Objektes messen können. Dabei kommen in der Regel ein oder mehrere Laserinterferometer bzw. sogenannte Laser-Vibrometer zum Einsatz, welche nacheinander verschiedene Messpunkte auf dem Objekt mit kohärentem Licht bestrahlen. Wird das Objekt nun in Schwingungen versetzt, vollführt die Oberfläche des Objektes eine Schwingungsbewegung, wobei sich die Frequenz des von der Oberfläche des Objektes reflektierten Lichts des Laser-Interferometers auf Grund der Dopplerverschiebung ändert. Aus dieser Änderung der Frequenz können nun Auslenkungen sowie Geschwindigkeits- und Beschleunigungswerte am entsprechenden Messpunkt der Oberfläche des Objektes berechnet werden. Fasst man die Schwingungsdaten der einzelnen Messpunkte zusammen, erhält man eine Schwingungscharakteristik des Objektes.
Ein derartiges Verfahren beziehungsweise eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der EP 1 431 740 A1 bekannt. Bei dem darin offenbarten Verfahren wird ein Laser-Interferometer, welches auf einer programmgesteuert verfahrbaren Halterung befestigt ist, an die jeweils einzeln zu messenden Punkte des Objektes verfahren. Die Positionen der einzelnen Messpunkte auf dem Objekt werden dabei zuvor aus numerischen Konstruktionsdaten des Objektes berechnet.
Für die Messung in den verschiedenen Messlagen, wobei die Bezeichnung Lage sowohl die jeweilige Position und/oder die jeweilige Orientierung umfasst, wird außerdem ein vorgewählter fester Abstand zum Objekt eingehalten. Ist die Messlage eingenommen, wird ein Messstrahl des Laser-Interferometers auf den zu messenden Punkt gerichtet. Danach werden die Schwingungsdaten erfasst, mit den Ortsdaten der Messpunkte korreliert und angezeigt und/oder ausgewertet. Anschließend bewegt die Halterung das Laser-Interferometer in eine neue Messlage und ein weiterer Messpunkt wird gemessen. Nacheinander werden so sämtliche Messpunkte gemessen.
Nachteilig ist, dass dabei jeweils einzelne Messpunkte einzeln angefahren und gemessen werden müssen. Der Messvorgang des gesamten Objektes verzögert sich dadurch erheblich, weil bei jedem Messvorgang die Halterung in eine neue Messlage bewegt werden muss. Dabei muss auch immer der gleiche Abstand zum Objekt eingenommen werden, damit überhaupt eine Schwingungsmessung durchgeführt werden kann. Sollen beispielsweise Schwingungen des Objektes bei hohen Frequenzen gemessen werden, ist, um eine ausreichende Genauigkeit der Schwingungscharakteristik des Objektes zu erzielen, eine höhere Anzahl von Messpunkten notwendig. Da bei der neuen Messlage auch wiederum der gleiche Abstand zum Objekt eingehalten werden muss, ist eine zeitraubende Überprüfung des jeweiligen Abstandes notwendig. Außerdem benötigt die verfahrbare Halterung bzw. das Laser-Interferometer auf Grund des einzuhaltenden gleichen Abstandes zu den Messpunkten einen großen Verfahrbereich, damit alle Messpunkte gemessen werden können.
Weiterhin ist die Übernahme errechneter Messpunkte aus den numerischen Konstruktionsdaten des Objektes fehlerbehaftet, da die Lage des Laserinterferometers relativ zum Objekt unter realen Bedingungen von der theoretischen Lage häufig abweicht und zudem sich auch, insbesondere bei häufigen kleinen Bewegungen der Halterung bzw. des Laser-Interferometers, Fehler bei der Positionierung und Orientierung der Halterung relativ zum Objekt vergrößern und die weiteren Messlagen relativ zum Objekt immer ungenauer eingenommen werden.
Bei manchen Objekten ist es zudem schwierig, bei allen Messpunkten den gleichen festen Abstand des Laser-Interferometers zu gewährleisten, da Objekte beispielsweise durch vorstehende Oberflächenabschnitte den Raum zur Positionierung und Orientierung der Halterung bzw. des Laser-Interferometers begrenzen können. Mitunter können manche Messpunkte überhaupt nicht gemessen werden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche eine einfachere, schnellere und effizientere Schwingungsmessung eines Objektes ermöglichen. Gleichzeitig soll die Genauigkeit der Schwingungsmessung des Objektes verbessert werden.
Gelöst wird diese Aufgabe bei einem Verfahren bzw. einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1 bzw. 10 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruches 1 bzw. 10.
Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich demnach grundlegend vom Stand der Technik dadurch, dass zumindest ein Abgleich einer Lage des Laser-Interferometers mittels zumindest einer Lage eines bekannten, frei vorgebbaren Punktes auf dem Objekt vorgenommen und eine Transformationsvorschrift zur Ermittlung der Lage des Laser-Interferometers relativ zum Objekt für beliebige Messlagen anhand des Abgleichs erstellt wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung unterscheidet sich vom Stand der Technik grundlegend dadurch, dass Mittel zur Berechnung von Messlagen des Laser-Interferometers vorhanden sind, wobei die Berechnung der Messlagen einen direkten oder indirekten Abgleich der Lage zumindest eines bekannten Punktes auf dem Objekt mit der Lage des Laser-Interferometers umfasst.
Durch den zumindest einen Abgleich einer Lage des Laser-Interferometers mittels zumindest einer Lage eines bekannten, frei vorgebbaren Punktes auf dem Objekt, wird die Lage des Laser-Interferometers relativ zu dem bekannten vorgegebenen Punkt auf dem Objekt bestimmt. Dieser Abgleich ermöglicht es nun, da die Lage des Messpunktes im Bezugssystem des Objektes bekannt ist, die Lage des Laser-Interferometers im Bezugssystem des Objektes darzustellen.
Da nun die Lage des Laser-Interferometers im Bezugssystem des Objektes bezüglich dieses einen Punktes bekannt ist, wird nun anhand des Abgleichs eine Transformationsvorschrift erstellt, um die Lage des Laser-Interferometers auch bei beliebigen Messlagen relativ zum Objekt im Bezugssystem des Objektes berechnen und darstellen zu können.
Ist die Orientierung des Laser-Interferometers, beispielsweise aus früheren Messungen bekannt, ist es ausreichend, wenn genau ein Abgleich anhand der Lage des bekannten vorgegebenen Punktes vorgenommen wird.
Im Allgemeinen sind jedoch zumindest drei bekannte Punkte notwendig, um die Lage des Laser-Interferometers im Bezugssystem des Objektes zu ermitteln, da insgesamt sechs Freiheitsgrade, also drei Freiheitsgrade für die Position und drei Freiheitsgrade für die Orientierung des Laser-Interferometers, bestimmt werden müssen. Für den Abgleich wird dann der jeweilige Abstand zwischen der Position des Laser-Interferometers und des jeweiligen bekannten Punktes sowie zwei Winkel der Orientierung des Messstrahls des Laser-Interferometers gemessen, wobei der Messstrahl, beispielsweise anhand von programmgesteuerten Winkelablenkvorrichtungen des Laser-Interferometers, bezüglich seiner Orientierung verändert werden kann. Damit kann direkt die relative Lage des Laser-Interferometers in Bezug auf den bekannten Punkt ermittelt werden. Ebenso ist auch ein Abgleich über eine ausschließliche Messung von Winkeln für die Orientierung des Messstrahls des Laserinterferometers bezüglich des jeweiligen bekannten Punktes möglich. Zur Be stimmung der Lage des Laser-Interferometers im Bezugssystem des Objektes benötigt man dann aber mindestens vier anstelle von drei bekannten Punkten.
Zur Erhöhung der Genauigkeit der Bestimmung der Lage des Laser-Interferometers im Bezugssystem des Objektes können auch weitere bekannte Punkte, beispielsweise vier bis zehn bekannte Punkte des Objektes verwendet werden, die einen großen relativen Abstand jeweils untereinander besitzen. Das Laser-Interferometer wird dann in die entsprechenden Messlagen zum Abgleich der Lage des Laser-Interferometers mit der Lage des jeweiligen bekannten Punktes bewegt. Die für eine vollständige Schwingungsmessung des Objektes notwendige Zeit wird durch die wenigen zusätzlichen Abgleiche kaum merklich erhöht.
Um die Lage des Laser-Interferometers im Bezugssystem der verfahrbaren Halterung zu ermitteln, ist es vorteilhaft, wenn zumindest ein weiterer Abgleich einer Lage des Laser-Interferometers mittels zumindest einer Lage zumindest eines bekannten, frei vorgebbaren Punktes vorgenommen und eine Transformationsvorschrift zur Ermittlung der Lage des Laser-Interferometers relativ zur Lage der Halterung für beliebige Messlagen anhand des weiteren Abgleichs erstellt wird. Damit ist auf einfache Weise ein Bewegen des Laser-Interferometers in eine Messlage anhand des Bezugssystems der Halterung möglich.
Hierzu muss der zumindest eine bekannte Punkt für den weiteren Abgleich nicht notwendigerweise auf dem Objekt selbst liegen, sondern kann beispielsweise auch ein sehr genau vermessener, bekannter Punkt an einer Wand eines Messraumes sein. Bei dem weiteren Abgleich wird nun zunächst die Halterung mit dem Laser-Interferometer in eine Messlage zur Messung des bekannten Punktes verfahren und eine Messung durchgeführt. Nach dem erfolgten Abgleich wird nun das Laser-Interferometer entlang einer der drei Raumachsen der Halterung bewegt, an einer neuen Messlage wiederum auf den bekannten Punkt ausgerichtet und erneut eine Messung durchgeführt. Durch das Bewegen der Halterung in die neue Messlage haben sich sowohl der Abstand als auch der Winkel zwischen Laser-Interferometer und dem bekannten Punkt geändert; im Bezugssystem des Laser-Interferometers hat sich der bekannte Punkt nun verschoben. Der Vektor dieser Verschiebung entspricht genau dem inversen Richtungsvektor der Raumachse der Halterung entlang derer das Laser-Interferometer bewegt wurde. Damit lässt sich nun die Lage des Laser-Interferometers im Bezugssystem der Halterung ermitteln und eine entsprechende Transformationsvorschrift zwischen dem Bezugssystem des Laser-Interferometers und dem Bezugssystem der Halterung erstellen.
Nachdem nun sowohl die relative Lage des Laser-Interferometers im Bezugssystem des Objektes als auch im Bezugssystem der Halterung bekannt ist, ist es möglich, auch die relative Lage der Halterung im Bezugssystem des Objektes anhand einer weiteren Transformationsvorschrift zu ermitteln. Wenn beispielsweise sichergestellt werden kann, dass bei einer weiteren Schwingungsmessung eines zweiten Objektes dieses sich an der gleichen Position befindet und in dieselbe Richtung orientiert ist, müssen die genannten Transformationsvorschriften nicht erneut ermittelt werden, sondern können direkt für eine Schwingungsmessung des zweiten Objektes verwendet werden.
Vorteilhafterweise erfolgt das Bewegen der Halterung zu einer Messlage programmgesteuert. Dadurch wird eine weitere Beschleunigung der Schwingungsmessung des Objektes erzielt, weil auf diese Weise automatisch die verschiedenen Messlagen nacheinander angefahren werden und eine aufwendige manuelle Auswahl der Messlagen bzw. ein manuelles Bewegen der Halterung bzw. des Laser-Interferometers zu den einzelnen Messlagen entfällt.
Zweckmäßigerweise wird eine Optimierung der Anzahl der Messlagen zur Erfassung des Objektes vorgenommen. Da aus einer Messlage jeweils verschiedene Messpunkte gemessen werden können, kann die Anzahl der Messlagen beispielsweise dahingehend optimiert werden, dass die Halterung zu möglichst wenig Messlagen bewegt werden muss; eine vollständige Schwingungsmessung des Objektes wird damit erheblich beschleunigt. Es ist auch möglich, jeweils einen Messpunkt des Objektes aus verschiedenen Messlagen zu messen, um die Genauigkeit der Schwingungsmessung des Objektes weiter zu erhöhen. Dabei wird die Anzahl der Messlagen ebenfalls so gewählt, dass aus einer minimalen Anzahl von Messlagen der Messpunkt ausreichend genau gemessen werden kann. Wird nur ein Laser-Interferometer eingesetzt, sind trotzdem auch dreidimensionale Schwingungsmessungen möglich. Ein Messpunkt wird dann aus mindestens drei unterschiedlichen Messlagen des Laser-Interferometers gemessen. Die Anzahl der Messlagen wird dann so gewählt, dass jeder Messpunkt zumindest drei Mal aus unterschiedlichen Messlagen gemessen wird. Anhand der so gewonnenen unterschiedlichen eindimensionalen Schwingungsdaten des Objektes an diesem Messpunkt können dreidimensionale Schwingungsdaten für diesen Messpunkt errechnet werden.
Um verschiedene Messpunkte, die aus einer Messlage des Laserinterferometers unter einem im Wesentlichen optimalen Winkel gemessen werden können, zusammenzufassen, ist es vorteilhaft, wenn eine Unterteilung des zu messenden Objektes in verschiedene Segmente und insbesondere eine Zuordnung von Segmenten zu jeweils einer Messlage vorgenommen wird.
Weiterhin ist es zweckmäßig, um die Zeit für eine Schwingungsmessung des Objektes zu reduzieren, wenn vor einer eigentlichen Schwingungsmessung eine Vorabsimulation zur Festlegung von unterschiedlichen Messlagen und/oder jeweiligen Messpunkten vorgenommen wird. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Vorabsimulation mit Hilfe eines rechnergestützten Modells des Objektes durchgeführt wird. Ein Bediener kann einfach und schnell, gegebenenfalls auch manuell Korrekturen, beispielsweise bei der Wahl der Messlagen und/oder Lagen des Laser-Interferometers, vorab vornehmen. Zudem werden durch die Vorabsimulation auch Messpunkte erkannt, die von bestimmten Messlagen des Laser-Interferometers von diesem nicht gemessen werden können. Ein Bediener kann dann manuell eine neue Messlage für diesen Messpunkt auswählen, wobei dies auch automatisch, beispielsweise durch ein entsprechendes computergestütztes Programm, erfolgen kann.
Wird ein rechnergestütztes Modell des Objektes verwendet, ist es vorteilhaft, wenn das rechnergestützte Modell anhand der ausgewerteten Schwingungsdaten weiter verbessert wird, so dass das Modell eine realistischere Darstellung von einem Schwingungsverhalten des Objektes ermöglicht. Hierzu können beispielsweise verschiedene Parameter des rechnergestützten Modells, welche das Schwingungsverhalten des Objektes in numerischer Form wiedergeben, optimiert bzw. mit den ausgewerteten Schwingungsdaten korreliert werden.
Um die Genauigkeit der Schwingungsmessung eines Objektes zu erhöhen, ist es zweckmäßig, wenn fehlerhaft oder nicht von dem Messstrahl getroffene Messpunkte erkannt werden. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn dieses Erkennen fehlerhaft oder nicht vom Messstrahl getroffener Messpunkte automatisch und damit schneller und zuverlässiger erfolgt.
Zweckmäßigerweise erfolgt die Erkennung mittels eines bildgebenden Verfahrens und/oder mittels zumindest einer Entfernungsmessung. Dies ermöglicht ein einfaches und effektives Überprüfen der Schwingungsmessung. Bei Verwendung eines bildgebenden Verfahrens wird beispielsweise anhand eines Bildes einer Kamera ausgewertet, ob der Messstrahl des Laser-Interferometers den Messpunkt des Objektes ausreichend genau trifft. Hierzu wird ein Messstrahl des Laser-Interferometers auf einen Messpunkt gerichtet und anhand des Kamerabildes bestimmt, ob der Messpunkt vom Messstrahl des Laser-Interferometers innerhalb bestimmter, vorgebbarer Abweichungen getroffen wurde. Bei mehreren Laser-Interferometern wird einzeln anhand eines jeweiligen Messstrahls überprüft, ob der Messpunkt getroffen wurde. Hierzu empfiehlt es sich die jeweils anderen Laser-Interferometer auszuschalten, um eine eindeutige Zuordnung des jeweiligen ausgesendeten und zurückgestreuten Messstrahls zu dem jeweils eingeschalteten Laser-Interferometer zu ermöglichen.
Bei Verwendung zumindest einer Entfernungsmessung wird der Abstand zwischen der Position des Messpunktes des Objektes und der Position des Laser-Interferometers mit dem entsprechenden gemessenen Abstand verglichen. Die Auswertung von Abweichungen von der jeweiligen theoretisch berechneten Lage, beispielsweise anhand von Toleranzschranken, ermöglicht dann eine Aussage, inwieweit der Messpunkt nicht oder fehlerhaft vom Messstrahl des Laser-Interferometers getroffen wurde.
Bei einer Vorrichtung zum berührungslosen Erfassen von Schwingungen eines Objektes und insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens gemäß Anspruch 1 geeignet, sind Mittel zur Berechnung von Messlagen des Laser-Interferometers vorhanden, wobei die Berechnung der Messlagen einen direkten oder indirekten Abgleich der Lage eines bekannten Punktes auf dem Objekt mit der Lage des Laser-Interferometers umfasst, um einen Abgleich zwischen der Lage des Laser-Interferometers und des bekannten, frei vorgebbaren Punktes auf dem Objekt durchzuführen und um anhand dieses Abgleichs eine Transformationsvorschrift zu erstellen, damit sämtliche Messlagen des Laser-Interferometers mit hoher Genauigkeit berechnet werden können.
Vorteilhafterweise sind drei Laser-Interferometer in fester relativer Lage auf der Halterung angeordnet. Die Anordnung von drei Laser-Interferometern ermöglicht auf einfache Weise eine dreidimensionale Schwingungsmessung bezüglich eines Messpunktes, da der Messpunkt aus drei verschiedenen Raumrichtungen gleichzeitig an einer einzelnen Messlage gemessen werden kann. Die feste Zuordnung zwischen den drei Laser-Interferomtern ermöglicht zudem eine einfache Korrelation zwischen den erhaltenen Schwingungsdaten der drei Laser-Interferometer, da aufwendige und zeitraubende Abgleiche von verschiedenen Lagen der drei Laser-Interferometer untereinander entfallen.
Um auch aus verschiedenen Messlagen jeweils eine Anzahl verschiedener Messpunkte messen zu können, ist es zweckmäßig, wenn Mittel zur Fokussierung des Messstrahls des Laser-Interferometers angeordnet sind. Die jeweilige Messlage ist damit weitestgehend unabhängig von der Lage des jeweiligen Messpunktes und ermöglicht eine Auswahl einer optimalen Lage des Laserinterferometers relativ zum Messpunkt. Eine besonders vorteilhafte automatische Fokussierung verkürzt die Zeit für eine Schwingungsmessung eines Messpunktes weiter erheblich. Insgesamt erhöht die Fokussierung die Genauigkeit der Schwingungsmessung, da auf Grund der optimalen Messlage ein Rauschen der ermittelten Schwingungsdaten minimiert wird.
Zweckmäßigerweise weist das Laser-Interferometer zumindest eine Winkelablenkvorrichtung und/oder einen Entfernungsmesser und/oder Mittel zur Bilderfassung und -übertragung auf. Damit können nun nicht nur verschiedene Messpunkte aus einer Messlage des Laser-Interferometers gemessen werden, sondern es kann auch die relative Lage des Laser-Interferometers anhand des Abstands und/oder anhand eines Bildes ermittelt oder überprüft werden. Ebenso ist eine Erkennung von Messpunkten möglich, die nicht oder fehlerhaft von einem Messstrahl des Laser-Interferometers getroffen wurden. Eine nachträgli che, zeitraubende Überprüfung einzelner fehlerhaft erhaltener Schwingungsdaten entfällt damit.
Vorteilhafterweise ist die Steuereinheit programmierbar. Damit wird eine vollständig automatisierte Schwingungsmessung, also ein so genanntes 'Scannen' des Objektes möglich und die Durchführung bzw. Überwachung der Schwingungsmessung durch Bedienpersonal ist nicht mehr notwendig. Es kann dann beispielsweise eine vollständige Schwingungsmessung eines Objektes voll automatisiert über Nacht durchgeführt werden.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen; dabei zeigt
1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in schematischer Darstellung,
2 eine Übersicht über verschiedene Messlagen des Laser-Interferometers der erfindungsgemäßen Vorrichtung für eine Messung von Messpunkten verschiedener Segmente eines Autos
1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur berührungslosen Schwingungsmessung mit der Schwingungen einer Karosserie 10 eines Autos 8 gemessen werden sollen. Zu diesem Zweck sind drei Laser-Interferometer 6a, 6b, 6c jeweils in einem Endbereich von Schenkeln 5' einer Halterung 5 montiert. Die Schenkel 5' sind dabei insbesondere so angeordnet, dass Endpunkte 5a, 5b, 5c, der Schenkel 5' insgesamt Spitzen eines im Wesentlichen gleichseitigen Dreiecks bilden, es sind jedoch im Rahmen der Erfindung auch andere Anordnungen denkbar.
Die Halterung 5 ist wiederum an einem Haltearm 4 eines Industrieroboters 3 befestigt und die Halterung 5 kann mittels des Haltearms 4 in verschiedene Messlagen M₁ zur Schwingungsmessung der Karosserie 10 bewegt werden. Die Lage der jeweiligen Messlage M₁ relativ zu einem Messpunkt 9 auf der Oberfläche der Karosserie 10 kann dabei im Wesentlichen frei gewählt werden und wird in der Regel derart gewählt, dass der Messpunkt 9 in optimaler Entfernung und in optimalem Winkel von Messstrahlen 7a, 7b, 7c der drei Laserinterferometer 6a, 6b, 6c getroffen wird.
Da die drei Laser-Interferometer 6a, 6b, 6c in fester räumlicher Zuordnung über die Schenkel 5' zueinander an der Halterung 5 angeordnet sind, entfällt ein aufwendiges Ermitteln und Abgleichen der Lagen der einzelnen Laser-Interferometer 6a, 6b, 6c vor einer jeden Schwingungsmessung eines Messpunktes 9. Es muss dann lediglich einmalig die Lage der Laser-Interferometer 6a, 6b, 6c im Bezugssystem der Halterung 5 bestimmt werden, beispielsweise anhand eines weiteren Abgleichs.
Eine Steuereinheit 2 zur Steuerung des Haltearmes 4 des Industrieroboters 3 übermittelt die räumlichen Koordinaten der Messpunkte 9 an eine Datenerfassungs- und Auswertungseinrichtung 2', welche mit den einzelnen Laser-Interferometern 6a, 6b, 6c verbunden ist (siehe auch 2a bzw. 2b; in 1 nicht dargestellt). Dabei kann ein handelsüblicher Computer 2, 2' sowohl die Aufgaben einer Steuereinheit 2 als auch die einer Datenerfassungs- und Auswerteeinheit 2' übernehmen. Die erfassten und/oder ausgewerteten Daten können dann auf einem Monitor 1 des Computers 2, 2' visualisiert werden.
Der Computer 2, 2' dient dabei nicht nur zur Erfassung und Auswertung von Schwingungsdaten. Anhand eines computergestützten Modells des Autos 8 zur Schwingungsmessung erfolgt im Vorfeld einer realen Schwingungsmessung eine Vorabsimulation der Schwingungsmessung des Autos 8. Die einzelnen Messlagen M₁ werden mittels des Monitors 1 des Computers 2, 2' dargestellt. Gleichzeitig berechnet der Computer 2, 2' die aus den jeweiligen Messlagen M₁ möglichen Messpunkte 9 auf der Oberfläche der Karosserie 10 des Autos 8. Außerdem werden durch die Vorabsimulation Messpunkte 9, welche nicht von den Messstrahlen 7a, 7b, 7c aus bestimmten Messlagen M₁ getroffen werden können, ermittelt. Gegebenenfalls werden für diese Messpunkte 9 neue Messlagen M₁, M₂ ermittelt und festgelegt, damit auch diese Messpunkte 9 beim Ablauf der realen Schwingungsmessung gemessen werden können.
Weiterhin werden durch die Vorabsimulation auch weitere Parameter der Schwingungsmessung bestimmt bzw. extrapoliert, beispielsweise die zeitliche Dauer einer vollständigen Schwingungsmessung des Autos 8. Schließlich werden anhand der Vorabsimulation auch unterschiedliche Bereiche der Oberfläche der Karosserie 10 des Autos 8 in Segmente 12₁ , 12₂ (siehe 2a, 2b, schraffiert dargestellt) unterteilt, wobei einzelne Messpunkte 9 der Segmente 12₁ , 12₂ wiederum aus jeweils einer gemeinsamen Messlage M₁, M₂ gemessen werden. Schließlich werden anhand des Computers 2, 2', verschiedene Messlagen M₁, M₂ mit zugehörigen Messpunkten 9 festgelegt, um programmgesteuert die Schwingungsmessung des Autos 8 bzw. der einzelnen Segmente 12₁ , 12₂ vollständig automatisch durchzuführen.
Ist die Vorabsimulation abgeschlossen, wird die reale Schwingungsmessung gestartet. Dazu wird zunächst mindestens ein Laser-Interferometer 6a, 6b, 6c so in eine Messlage M₁ für einen Abgleich mittelbar durch den Computer 2, 2' anhand der Halterung 5 bewegt, dass ein bekannter Punkt auf der Oberfläche der Karosserie 10 gemessen wird. Anhand dieses Abgleichs erstellt der Computer 2, 2' eine Transformationsvorschrift, die es ermöglicht, die Lage der Laser-Interferometer 6a, 6b, 6c in beliebigen Messlagen M₁, M₂ zu ermitteln. Nach Erstellung der Transformationsvorschrift wird das Auto 8 zu Schwingungen angeregt.
Für eine Anregung des Autos 8 bzw. dessen Karosserie 10 zu Schwingungen dient ein so genannter Shaker 11, der kraft-, form- oder stoffschlüssig, beispielsweise durch Verkleben mit der Karosserie 10 des Autos 8 verbunden ist. Die Position der Verbindung zwischen Shaker 11 und Karosserie 10 des Autos 8 wird dabei als so genannter Krafteinleitungspunkt K bezeichnet. Der Shaker 11 ist weiterhin mit dem Computer 2, 2' verbunden und wird mit Hilfe des Computers 2, 2' gesteuert und überwacht. Vorzugsweise sind zwischen dem Shaker 11 und dem Krafteinleitungspunkt K zumindest ein nicht dargestellter Beschleunigungssensor und ein nicht dargestellter Kraftsensor angeordnet, welche direkt die Kraftübertragung auf die Karosserie 10 des Autos 8 sowie die Beschleunigungswerte am Krafteinleitungspunkt K messen. Diese Beschleunigungs- und Kraftwerte werden vom Computer 2, 2' erfasst. Mit Hilfe dieser übermittelten Beschleunigungs- und Kraftwerte kann nun in Verbindung mit den noch zu messenden Schwingungsdaten des Laser-Interferometers 6a, 6b, 6c eine Modalanalyse nach Abschluss der Schwingungsmessung, also insbesondere eine Ermittlung von Eigenfrequenzen und -formen des Autos 8 durchgeführt werden. Weiterhin ermittelt der Computer 2, 2' anhand der erfassten Beschleunigungs- und Kraftwerte, ob die Karosserie 10 entsprechend gewünschten Anregungsfrequenzen, die vom Shaker 11 auf die Karosserie 10 übertragen werden, überhaupt angeregt wird.
Nachdem in der Vorabsimulation sämtliche Messlagen M₁, M₂ nebst zugehörigen Messpunkten 9 festgelegt wurden, steuert der Computer 2, 2' den Industrieroboter 3 bzw. den Haltearm 4 derart, dass die Laser-Interferometer 6a, 6b, 6c in eine erste Messlage M₁ bewegt werden. Die Laser-Interferometer 6a, 6b, 6c senden und empfangen Messstrahlen 7a, 7b, 7c für eine Schwingungsmessung des Messpunktes 9 und übermitteln die Schwingungsdaten an den Computer 2, 2' zum Auswerten und Ausgeben der Schwingungsdaten.
Vor jeder Schwingungsmessung werden die Messstrahlen 7a, 7b, 7c der jeweiligen Laser-Interferometer 6a, 6b, 6c mit Hilfe einer nicht dargestellten Fokussierungseinrichtung auf den jeweiligen Messpunkt 9 fokussiert. Aus Zeitgründen kann dabei auf eine Fokussierung für den Messpunkt 9 verzichtet werden, falls eine bereits für einen vorherigen Messpunkt durchgeführte Fokussierung der Laser-Interferometer 6a, 6b, 6c auf auch für den Messpunkt 9 ausreichend ist. Dies ist beispielsweise dann der Fall, falls der Abstand zwischen vorherigem Messpunkt und jetzigem Messpunkt 9 gering ist.
Zur Schwingungsmessung des nächsten einzelnen Messpunktes 9 bei der Messlage M₁ werden dann nicht dargestellte Winkelablenkeinrichtungen der Laser-Interferometer 6a, 6b, 6c so eingestellt, dass ohne Veränderung der Messlage M₁ ein weiterer Messpunkt 9 gemessen werden kann. Hierzu umfassen die Winkelablenkeinrichtungen Spiegel mit Motoren und/oder Piezoelementen; zudem sind die Winkelablenkeinrichtungen programmgesteuert, insbesondere mittelbar mit dem Computer 2, 2', verstellbar.
Sind alle zu messenden Messpunkte 9 einer Messlage M₁ bzw. eines Segmentes 12₁ gemessen, errechnet der Computer 2, 2' eine nächste Messlage M₂ und steuert dabei den Haltearm 4 des Industrieroboters 3 entsprechend, so dass die Halterung 5 bzw. die daran angeordneten Laser-Interferometer 6a, 6b, 6c die neue Messlage M₂ zur Schwingungsmessung weiterer Messpunkte 9 einnehmen.
Grundsätzlich kann der Haltearm 4 eines Industrieroboters 3 auch lediglich für eine einzelne Messlage M₁ programmiert werden, d. h. der Haltearm 4 wird manuell in die jeweilige Messlage M₁ bewegt und misst ausgewählte Messpunkte 9 auf der Oberfläche der Karosserie 10. Ist ein rechnergestütztes Modell des Objektes im Computer 2, 2' hinterlegt, kann dieser Ablauf auch automatisiert durchgeführt werden. Ein Bediener kann dann am Monitor 1 verschiedene Messpunkte 9 auswählen.
Die 2a und 2b zeigen im Wesentlichen zwei verschiedene Messlagen M₁, M₂ des Haltearms 4 bzw. der Halterung 5, wie sie typischerweise während einer Vorabsimulation festgelegt werden bzw. während einer realen Schwingungsmessung des Autos 8 auftreten. Die Laser-Interferometer 6a, 6b, 6c fokussieren dabei Messstrahlen 7a, 7b, 7c auf jeweils einen Messpunkt 9, der sich auf der Oberfläche der Karosserie 10 des Autos 8 befindet. Dabei sind die aus den jeweiligen Messlagen M₁, M₂ messbaren Messpunkte 9 jeweils zu einem entsprechenden Segment 12₁ , 12₂ zusammengefasst dargestellt. Sind alle Messpunkte 9 des Segmentes 12₁ gemessen worden, wird der Haltearm 4 bzw. indirekt die jeweiligen Laser-Interferometer 6a, 6b, 6c programmgesteuert durch den Computer 2, 2' in die neue Messlage M₂ bewegt, wobei dann wiederum die jeweiligen zu dem Segment 12₂ gehörenden Messpunkte 9 nach einer frei wählbaren Reihenfolge automatisch gemessen werden.
Sind alle gewünschten Messpunkte 9 vermessen, kann der Computer 2, 2' programmgesteuert nochmals nicht oder fehlerhafte Messpunkte erneut messen. Dazu wird die Halterung 5 über den Haltearm 4 mittels des Computers 2, 2' wieder in die entsprechenden Messlagen M₁, M₂ verfahren. Dabei kann die Erkennung von fehlerhaft oder nicht gemessenen Messpunkten 9 auch bereits bei der einer ersten Schwingungsmessung des Messpunktes 9 erfolgen. Der Com puter 2, 2' kann, insbesondere auch ohne erneute Schwingungsmessung von fehlerhaft gemessenen Messpunkten 9, die Schwingungsdaten des fehlerhaft gemessenen Messpunktes 9, beispielsweise durch Interpolation von korrekt gemessenen Messpunkten 9 errechnen.
Grundsätzlich liegt es im Rahmen der Erfindung, dass zur Verkürzung der Dauer einer Schwingungsmessung eines Objektes auch mehrere Industrieroboter mit jeweils einem oder mehreren Haltearmen vorgesehen werden können, wobei an den Haltearmen jeweils eine Halterung für zumindest ein Laser-Interferometer angeordnet ist.
Weiterhin kann eine Anregung des Objektes zu Schwingungen im Rahmen der Erfindung auch auf andere Weise als mit einem Shaker erfolgen, insbesondere bei Autos kann eine Anregung zu Schwingungen auch über einen im Auto eingebauten Motor, durch eine simulierte Fahrbahn, auf der Räder des Autos abrollen, oder auch durch einen im Innenraum des Autos angeordneten Lautsprecher erfolgen.
Zusätzlich liegt es ebenfalls im Rahmen der Erfindung, die jeweiligen Transformationsvorschriften zwischen den Bezugssystemen von Laser-Interferometer, Objekt und verfahrbarer Halterung anhand eines weiteren, von den vorgenannten Bezugssystemen unabhängigen Bezugssystems zu erstellen.
Schließlich liegt es weiterhin im Rahmen der Erfindung nicht nur eine bewegbare Halterung mit zumindest einem darauf befestigten Laser-Interferometer zur Messung eines Messpunktes auf einem Objekt vorzusehen, sondern es ist ebenso denkbar, eine, insbesondere ebenfalls programmgesteuert, verfahrbare Halterung für das Bewegen des Objektes selbst vorzusehen, so dass das Objekt für eine Schwingungsmessung in eine Messlage relativ zu einem Laser-Interferometer bewegt werden kann. Dabei liegt es auch im Rahmen der Erfindung sowohl eine bewegbare Halterung für das Laser-Interferometer als auch für das Objekt vorzusehen, die beide jeweils programmgesteuert verfahrbar sind und so eine möglichst optimale Lage zueinander für eine Schwingungsmessung einnehmen können.
Zusammenfassend bietet die Erfindung insbesondere den Vorteil, dass eine berührungslose Schwingungsmessung eines Objektes hinsichtlich ihrer Genauigkeit erheblich verbessert wird und gleichzeitig der Zeit- und Arbeitsaufwand für eine vollständige Schwingungsmessung des Objektes wesentlich verringert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1431740 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur berührungslosen Schwingungsmessung eines Objektes mit den Verfahrensschritten – Festlegen wenigstens eines zu messenden Punktes (9) des Objektes (8) – Bewegen zumindest eines auf einer Halterung (5) befestigten Laser-Interferometers (6a, 6b, 6c) in eine Messlage (M₁) zur Messung des Messpunktes (9) auf dem Objekt (8) – Aussenden zumindest eines Messstrahls (7a, 7b, 7c) des Laser-Interferometers (6a, 6b, 6c) auf den zumindest einen Messpunkt (9) auf dem Objekt (8) – Erfassen des vom Objekt (8) zurückgestreuten Messstrahls (7a, 7b, 7c) – Ermitteln von Schwingungsdaten aus dem ausgesandten und zurückgestreuten Messstrahl (7a, 7b, 7c) – Zuordnen der Schwingungsdaten zu dem Messpunkt (9) – Auswerten der Schwingungsdaten und Ausgeben der ausgewerteten Schwingungsdaten des Messpunktes (9), dadurch gekennzeichnet, dass – zumindest ein Abgleich einer Lage des Laser-Interferometers (6a, 6b, 6c) mittels zumindest einer Lage eines bekannten, frei vorgebbaren Punktes auf dem Objekt (8) vorgenommen und – eine Transformationsvorschrift zur Ermittlung der Lage des Laser-Interferometers (6a, 6b, 6c) relativ zum Objekt (8) für beliebige Messlagen (M₁, M₂) anhand des Abgleichs erstellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – zumindest ein weiterer Abgleich einer Lage des Laser-Interferometers (6a, 6b, 6c) mittels zumindest einer Lage zumindest eines bekannten, frei vorgebbaren Punktes vorgenommen und – eine Transformationsvorschrift zur Ermittlung der Lage des Laser-Interferometers (6a, 6b, 6c) relativ zur Lage der Halterung (5) für beliebige Messlagen (M₁, M₂) anhand des weiteren Abgleichs erstellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewegen der Halterung (5) zu einer Messlage (M₁, M₂) programmgesteuert erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Optimierung der Anzahl der Messlagen (M₁, M₂) zur Erfassung des Objektes (8) vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Unterteilung des zu messenden Objektes (8) in verschiedene Segmente (12₁ , 12₂ ) und insbesondere eine Zuordnung von Segmenten (12₁ , 12₂ ) zu jeweils einer Messlage (M₁, M₂) vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorabsimulation zur Festlegung von unterschiedlichen Messlagen (M₁, M₂) und/oder jeweiligen Messpunkten (9) vorgenommen wird, vorzugsweise mit Hilfe eines rechnergestützten Modells des Objektes (8).
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das rechnergestützte Modell des Objektes (8) anhand der ausgewerteten Schwingungsdaten verbessert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein vorzugsweise automatisches Erkennen von Messpunkten (9) erfolgt, die nicht oder fehlerhaft von dem Messstrahl (7a, 7b, 7c) getroffen werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Erkennung mittels eines bildgebenden Verfahrens und/oder mittels zumindest einer Entfernungsmessung erfolgt.
Vorrichtung zum berührungslosen Erfassen von Schwingungen eines Objektes, wobei die Vorrichtung insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens mit den Verfahrensschritten gemäß Anspruch 1 geeignet ist, umfassend – zumindest ein Laser-Interferometer (6a, 6b, 6c) mit einem Mittel zum Aussenden eines Messstrahls (7a, 7b, 7c) und zum Erfassen des vom Objekt (8) zurückgestreuten Messstrahls (7a, 7b, 7c), – eine verfahrbar angeordnete Halterung (5) auf der das Laser-Interferometer (6a, 6b, 6c) befestigt ist, – eine Steuereinheit (2) zur Steuerung der verfahrbar angeordneten Halterung (5) sowie – eine Datenerfassungs- und Auswerteeinrichtung (2') zum Aufzeichnen und Auswerten von Schwingungsdaten, die mit dem Mittel zum Aussenden und Erfassen und mit der Halterung (5) zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Berechnung von Messlagen (M₁, M₂) des Laser-Interferometers (6a, 6b, 6c) vorhanden sind, wobei die Berechnung der Messlagen (M₁, M₂) einen direkten oder indirekten Abgleich der Lage eines bekannten Punktes auf dem Objekt (8) mit der Lage des Laser-Interferometers (6a, 6b, 6c) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass drei Laser-Interferometer (7a, 7b, 7c) in fester relativer Lage auf der Halterung (5) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur vorzugsweise automatischen Fokussierung des Messstrahls (7a, 7b, 7c) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Laser-Interferometer (6a, 6b, 6c) zumindest eine Winkelablenkvorrichtung und/oder einen Entfernungsmesser und/oder Mittel zur Bilderfassung und -übertragung umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (2) programmierbar ist.