DE102010032467A1

DE102010032467A1 - Messsystem zum Vermessen von ortsfest positionierten Messobjekten

Info

Publication number: DE102010032467A1
Application number: DE201010032467
Authority: DE
Inventors: Dr. Koos Christian; Dr. Schmidt Oliver
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 2010-07-28
Filing date: 2010-07-28
Publication date: 2012-02-02

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Messsystem, umfassend mindestens eine Messeinheit (2) zum Vermessen von ortsfest positionierten Messobjekten (12), wobei die Messeinheit (2) besteht aus – einem Messkopf (8), – mindestens einem am Messkopf (8) angeordneten Abtastsensor (10) zur Bestimmung von Oberflächenpositionen an den Messobjekten (12) und/oder am Messkopf (8) angeordneten steuerbaren Hilfsmitteln zur Ausübung von Manipulationen an den Messobjekten (12), – einer mit dem Messkopf (8) verbundenen kinematischen Einrichtung (7) zur Bewegung des Messkopfes (5) relativ zu den Messobjekten (12) in mindestens einem Translations- und einem Rotationsfreiheitsgrad, – einem mobilen Unterbau (11), ausgebildet zur Bewegung der kinematischen Einrichtung (7) einschließlich Messkopf (8) relativ zu den in einem oder verschiedenen Messräumen (3, 4) positionierten Messobjekten (12), – Positionsmesseinrichtungen zur Bestimmung der jeweiligen Position und Orientierung des Messkopfes (8) innerhalb eines Messraumes (3, 4), und – Recheneinheiten zur Verknüpfung der Koordinaten von Oberflächenpositionen an den Messobjekten (12) mit Messkopfpositionen zu den auf die Messobjekte (12) bezogenen Messergebnissen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Messsystem, umfassend mindestens eine mobile Messeinheit zum Vermessen von ortsfest positionierten Messobjekten, insbesondere zur Ermittlung der Form, Größe, Ausrichtung und/oder Raumposition der Messobjekte.
Bei der Produktfertigung, vor allem im Zusammenhang mit Fertigungslinien wie bei der Automobilherstellung, ist es häufig erforderlich, an verschiedenen Orten positionierte Objekte mit hoher Präzision zu vermessen, ohne dass diese bewegt werden müssen, und dann anhand der Messergebnisse zu qualifizieren. Im Sinne der vorliegenden Erfindung werden die Objekte nachfolgend als Messobjekte bezeichnet.
Zu diesem Zweck werden Messsysteme benötigt, die auch bei Inselfertigungen mit kleinen und mittleren Losgrößen zum Einsatz kommen können, wobei alle erforderlichen Messaufgaben vor Ort am Messraum auszuführen sind. Das betrifft vor allem große Objekte, die schwer bewegt werden können oder während der Bearbeitung in einer Aufspannvorrichtung bleiben müssen, um deren Bearbeitung nach dem Messvorgang fortsetzen zu können. Solche Objekte sind beispielsweise Generatoren von Windmühlen.
Es ist bekannt, dafür automatische Messmittel auf der Basis von computerisierten numerischen Steuerungen (CNC) einzusetzen. Bezüglich einer möglichst guten Auslastung der Fertigung- und Messmittel ist es zudem wünschenswert, dasselbe Messmittel in zeitlicher Folge möglichst uneingeschränkt an verschiedenen Fertigungsinseln nutzen zu können.
Die CNC-gestützte Messung von Bauteilen, Baugruppen oder auch kompletten Maschinen erfolgt derzeit vorwiegend mit Hilfe von Koordinatenmessmaschinen. Diese sind aufgrund der erforderlichen kinematischen Einrichtung zur hochgenauen Bewegung der Tastköpfe und des – daraus resultierend – verhältnismäßig hohen Gewichtes meist ortsfest installiert, so dass die Messobjekte jeweils zur Koordinatenmessmaschine gebracht und auf dieser positioniert werden müssen. Für komplette Maschinen oder teilweise bereits montierte Maschinenteile ist diese Verfahrensweise meist nicht möglich.
Für Messungen in Fertigungslinien kommen im Stand der Technik Messroboter zum Einsatz, deren Genauigkeit oftmals durch zusätzliche Maßnahmen verbessert werden muss. Im häufigsten Fall vertraut man auf die gute Wiederholgenauigkeit der Roboter in Kombination mit einem Temperaturkompensationsmodell, welches Abweichungen aufgrund von thermischen Fluktuationen ausgleicht. Damit sind jedoch nur Trendkorrekturen möglich.
Messroboter mit Temperaturkompensation erlauben zwar eine CNC-gestützte Messung großer Messobjekte an deren Standort, müssen aber aufgrund der erforderlichen Stabilität fest installiert sein, wodurch diese Systeme nur für Fließbandfertigung geeignet sind.
Eine preisgünstige Alternative stellen handgeführte Messgeräte dar, die beispielsweise nach der Absolute-Distance-Meter-Technologie (ADM) der Firma FARO EUROPE GmbH & Co. KG, Lingwiesenstraße 11/2, D-70825 Korntal-Münchingen, Deutschland, arbeiten. Hiermit sind im Vergleich zur CNC-gestützte Messung allerdings nur verhältnismäßig ungenaue Messungen möglich, die auch nicht automatisierbar sind.
Im Zusammenhang mit dem Parallelisieren von Messaufgaben sind Horizontalarm-Messmaschinen bekannt, die meist als Doppelständer-Systeme ausgeführt und dabei fest installiert sind. Doppelständer-Systeme kommen zum Einsatz, wenn große Objekte beidseitig erreichbar sein müssen.
Im Zusammenhang mit Messsystemen, die über mobile Messeinheiten verfügen und demzufolge auch bei der Inselfertigungen von Objekten mit kleinen und mittleren Losgrößen zum Einsatz kommen können, ist ein autonomes Navigieren bei Ortsveränderungen der Messeinheiten von Fertigungsinsel zu Fertigungsinsel wünschenswert. Das Welt-GPS-Navigationssystem ist nachteiligerweise in Fertigungshallen nicht nutzbar, da für die Navigation eine Sichtverbindung zu Satelliten notwendig ist. Des Weiteren ist das Welt-GPS-System für Anwendungsbereiche, auf die sich diese Erfindung bezieht, aufgrund seiner beschränkten Genauigkeit nicht nutzbar.
Für solche Anwendungen, bei denen diese Sichtverbindung nicht besteht, wurden separate Navigationssysteme, beispielsweise basierend auf rotierenden Laserfächern, entwickelt. Empfänger, die an einem zu lokalisierenden Objekt befestigt sind, empfangen das gefächerte Licht und senden den Zeitpunkt der Lichtdetektion an einen Zentralrechner, der aus dem zeitlichen Abstand verschiedener Signal eindeutig die Position des Empfängers und damit des Objektes berechnet. Die Kosten für derartige Navigationssysteme werden vorwiegend durch die rotierenden Laserfächer, die das Koordinatensystem definieren, bestimmt und sind daher verhältnismäßig hoch.
In WO/2009/086495 ist ein System aus ROBOTIC ARM FOR ACCURATE POSITIONING IN THREE-DIMENSIONAL SPACE, MEASUREMENT OF THREE-DIMENSIONAL COORDINATES, AND REMOTE TOOLING OPERATIONS IN THREE-DIMENSIONAL SPACE beschrieben, bei dem mehrere mobile Plattformen gemeinsam miteinander auf einer Baustelle kooperieren. Auf den Plattformen sind Laser-Tracker angebracht, die die Positionen der Plattformen in einem Baustellen-Koordinatensystem überwachen. Desweiterend kann auf der Plattform ein Roboterarm angebracht sein, der Bearbeitungsaufgaben ausführt. Die Position der Roboterspitze wird hierbei nicht überwacht und unterliegt den typischen Positionierfehlern eines Roboters im Bereich von Millimetern.
Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Messsystem der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, das vielseitiger als bisher im Stand der Technik einsetzbar ist und sich Messobjekte, die an verschiedenen Orten positioniert sind, mit hoher Präzision vermessen und qualifizieren lassen, ohne dass sie bewegt werden müssen. Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, ein Navigationssystem vorzuschlagen, das unabhängig vom derzeit verfügbaren globalen GPS-System zur koordinierten Bewegung der Messeinheiten nutzbar ist.
Erfindungsgemäß umfasst ein solches Messsystem mindestens eine Messeinheit, bestehend aus

– einem Messkopf,
– mindestens einem am Messkopf angeordneten Abtastsensor, ausgebildet zur Bestimmung von Koordinaten von Oberflächenpositionen an den Messobjekten und/oder am Messkopf angeordneten steuerbaren Hilfsmitteln, ausgebildet zur Ausübung von Manipulationen an den Messobjekten,
– einer mit dem Messkopf verbundenen kinematischen Einrichtung, ausgebildet zur Bewegung des Messkopfes relativ zu den Messobjekten in mindestens einem Translations- und einem Rotationsfreiheitsgrad,
– einem mit der kinematischen Einrichtung verbundenen mobilen Unterbau, ausgebildet zur Bewegung der kinematischen Einrichtung einschließlich Messkopf und, falls vorhanden, Manipulationshilfsmitteln relativ zu den in einem oder verschiedenen Messräumen positionierten Messobjekten,
– Positionsmesseinrichtungen, ausgebildet zur Bestimmung der jeweiligen Position und Orientierung des Messkopfes innerhalb eines Messraumes, und
– Recheneinheiten, ausgebildet zur Verknüpfung von Koordinaten von Oberflächenpositionen an den Messobjekten mit Messkopfpositionen zu den eingangs genannten, auf die Messobjekte bezogenen Messergebnissen.

Vorteilhaft können mehrere Messräumen vorhanden sein, in denen sich jeweils ein oder mehrere Messobjekte befinden, wobei jedem Messraum ein Koordinatensystem zugeordnet ist und jedes dieser Koordinatensysteme von Fix- bzw. Referenzpunkten definiert ist, an denen passive optische Elemente angeordnet sind. Als passive optische Elemente dienen bevorzugt Retroreflektoren. Die Retroreflektoren können beispielsweise als Retroreflektorkugeln oder als Reflektoren mit winkelunabhängiger Laufzeit ausgeführt sein.
Als Abtastsensoren werden vorzugsweise Lichtschnittsensoren, taktile Sensoren oder optische konfokale Sensoren verwendet, welche die Koordinaten von Oberflächenpositionen ermitteln und durch die Recheneinheiten abrufbar bereithalten.
Mittels der kinematischen Einrichtung werden der Messkopf und mit diesem die Abtastsensoren an verschiedene Positionen relativ zum Messobjekt gebracht. Die Bestimmung der jeweiligen Messkopfposition erfolgt durch Messung von Abständen zwischen dem Messkopf und mindestens drei passiven optischen Elementen und/oder von Winkeln die von Richtungen eingeschlossen sind, die vom Messkopf zu den passiven optischen Elementen weisen.
Im Allgemeinen werden für eine vollständige Beschreibung der Messkopfposition sechs Komponenten benötigt, darunter jeweils drei translatorische und rotatorische Freiheitsgrade. Unter der Messkopfposition ist demzufolge im Sinne der Erfindung sowohl die Position als auch die Orientierung des Messkopfes im Messraum zu verstehen.
Die sechs Freiheitsgrade können beispielsweise durch die Messung von sechs Abständen oder drei Abständen und mindestens drei Winkeln oder einem Abstand und mindestens fünf Winkeln ermittelt werden.
Alternativ kann die Orientierung des Messkopfes während der Bewegung konstant gehalten werden. Wenn die Orientierung in einem vorherigen Schritt durch Kalibrierung ermittelt wurde, genügt anschließend die Messung von drei Abständen zur Berechnung aller sechs Freiheitsgrade. Technische Details zu Möglichkeiten der Bestimmung von Objektpositionen im Raum sind beispielsweise der Veröffentlichung EP 1 322 905 B1 zu entnehmen.
Die Abstandsmessungen können interferometrisch oder mit einem Pulslaufzeitverfahren oder auch nach dem Chirped-Laser-Verfahren vorgenommen werden. Vorteilhaft können in diesem Zusammenhang Positionsmesssysteme genutzt werden, die mit optischen Frequenzkämmen arbeiten. Technische Details dazu sind beispielsweise der Veröffentlichung WO 2010/025845 A2 zu entnehmen und müssen deshalb hier nicht näher erläutert werden.
Die Abstandsmessung kann unter Verwendung mindestens einer Lichtquelle und einer Lichtempfangseinheit vorgenommen werden, wobei die Lichtquelle und/oder die Lichtempfangseinheit bevorzugt auf dem mobilen Unterbau angebracht sind. Zur Führung des Lichtes zum Messkopf können entlang der kinematischen Einrichtung angeordnete Glasfasern vorgesehen sein. Der Vorteil dabei besteht in einer Gewichts- und Volumenverringerung des Messkopfes.
Die mathematische Verknüpfung der Ergebnisse der Abstandsmessungen zur Bestimmung der Raumposition des Messkopfes erfolgt erfindungsgemäß durch Trilateration.
Beim Betreiben der Messeinrichtung sind zwei Varianten denkbar: in einer ersten Variante wird nur die Position und Orientierung des Messkopfes erfasst und bei der Messwertermittlung berücksichtigt, in einer zweiten Variante wird die Position und Orientierung des Messkopfes in einer Steuersoftware gespeichert, so dass der Messkopf nach einem Soll/Ist-Abgleich in eine vorgegebene Position gebracht werden kann.
Die kinematische Einrichtung ist zwecks Bewegung des Messkopfes mit ansteuerbaren Stellantrieben ausgestattet. Die Ansteuerung erfolgt bevorzugt nach dem Prinzip der computerisierten numerischen Steuerung (CNC), so dass vorgegebene Messpositionen schnell erreicht werden.
In einer besonderen Ausführungsform des Messsystems werden mindestens zwei Messeinheiten gleichzeitig in ein- und demselben Messraum betrieben, wobei die Bestimmung der Messkopfpositionen anhand der gleichen passiven optischen Elemente innerhalb des Koordinatensystems erfolgt, das diesem Messraum zugeordnet ist. Der Vorteil besteht in der Gewinnung der Positionsinformationen mittels nur eines Koordinatensystems. Dadurch können die Positionen der beiden Messeinheiten zueinander in Relation gebracht werden und es können Abstände zwischen Koordinaten, welche durch die erste Messeinheit bestimmt wurden mit Koordinaten welche durch die zweite Messeinheit bestimmt wurden, berechnet werden.
In einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung kann eine Ansteuereinheit vorgesehen sein, die zum Generieren von Steuerbefehlen zur synchronen Bewegung der Messköpfe mehrerer, gleichzeitig betriebener Messeinheiten ausgebildet ist. Dies ist beispielsweise nutzbar, um die kinematischen Einrichtungen mehrerer Messeinheiten kooperativ miteinander arbeiten zu lassen, wie weiter unten noch näher erläutert wird.
Vorteilhaft ist der mobile Unterbau zwecks definierter Bewegung der Messeinheit einschließlich der kinematischen Einrichtung und des Messkopfes mit einem Steuer- und Fahrantriebssystem ausgestattet. Dieses Steuer- und Fahrantriebssystem ist bevorzugt mit einer Navigationseinrichtung gekoppelt, um eine kollisionsfreie Bewegung in Bezug auf andere Messeinheiten innerhalb eines Messraumes oder beim Wechsel zwischen verschiedenen Messräumen zu gewährleisten. Bei jedem Wechsel zwischen verschiedenen Messräumen erfolgt die Einordnung der betreffenden mobilen Messeinheit in das dem jeweiligen Messraum zugeordnete Koordinatensystem.
Mindestens eine der Messeinheiten kann mit steuerbaren Hilfsmitteln ausgestattet sein, wie beispielsweise mit Manipulationswerkzeugen, Hebezeuge, und/oder mindestens einer Kamera. Zudem kann eine Beleuchtungseinrichtung vorgesehen sein, um bestimmte Oberflächenbereiche des Messobjektes bei Messvorgängen oder Manipulationen am Messobjekt, wie Montage- oder Reparaturarbeiten, auszuleuchten.
In diesem Zusammenhang ist eine Einrichtung vorhanden, welche Steuerbefehle für diese Hilfsmittel vorgibt. Dabei liegt es im Rahmen der Erfindung, diese Steuerbefehle über manuell zu bedienende Befehlseingabeeinrichtungen vorzugeben oder – in Abhängigkeit von den auf die Messobjekte bezogenen Messergebnissen wie Form, Größe, Ausrichtung im Raum, Raumposition usw. – automatisch zu generieren.
Werden, wie weiter oben bereits dargelegt, Messköpfe mehrerer gleichzeitig betriebener Messeinheiten synchron bewegt, so können bestimmt Messaufgaben parallel ausgeführt werden, oder es können die an den synchron betriebenen Messeinheiten vorgesehenen Manipulationshilfsmittel gleichzeitig an Montage- oder Reparaturarbeiten am selben Messobjekt beteiligt werden oder gemeinsam Gegenstände anzuheben und relativ zum Messobjekt zu bewegen. So kann beispielsweise auch eine Messeinheit zumindest zeitweise zur Beleuchtung der Messstelle am Messobjekt genutzt werden, während eine andere Mess- oder Manipulationsaufgaben ausführt.
In einer weiterführenden Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der mobile Unterbau wahlweise nach Vorgabe durch einen Bediener von der kinematischen Einrichtung abtrennbar und wieder ankoppelbar ist. Der Vorteil besteht darin, dass die kinematische Einrichtung mit dem Messkopf in Abhängigkeit von der Abtrennung oder Ankopplung des mobilen Unterbaues bei Bedarf als mobile oder, zumindest zeitweise, als stationäre Messeinheit verwendet werden kann.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Messsystems liegt darin, dass es bei Inselfertigungen von Messobjekten flexibel und dabei auch wirtschaftlich zum Einsatz kommen kann. Die Messobjekte verbleiben dabei während des gesamten Fertigungsvorganges auf der Fertigungsinsel, während alle erforderlichen Messaufgaben oder Bearbeitungsaufgaben am Fertigungsort ausgeführt werden können.
Die Verbindung der mobilen Messeinrichtungen mit Einrichtungen zur Manipulation an den Messobjekten ermöglicht es, Fertigungsaufgaben zu parallelisieren oder vorteilhaft auf unterschiedliche Plätze zu verteilen. Dies ist wiederum insbesondere für Inselfertigungen vorteilhaft, bei denen das entstehende Produkt nicht wie in einer Fließbandfertigung von Arbeitsplatz zu Arbeitsplatz gebracht wird, sondern an einem Standort verbleibt und für die verschiedenen Mess- und Manipulationsaufgaben entsprechende Einrichtungen zu der jeweiligen Fertigungsinsel gebracht werden müssen.
In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn, wie erfindungsgemäß vorgesehen, mehrere autonome Messeinheiten mit Mess- und Manipulationsfunktionen innerhalb eines gemeinsamen Koordinatensystems hochgenau navigieren können. Dabei ist die Ausgestaltung des gemeinsamen Koordinatensystems von der zu erfüllenden Aufgabe abhängig. Bei dem Welt-GPS-System ist das System so ausgelegt, dass das Koordinatensystem durch wenige und aufwendige Satelliten definiert wird. Hier können sehr viele Nutzer gleichzeitig unter Nutzung eines kostengünstigen Empfängers navigieren.
Für die mobilen Messeinrichtungen, ob mit oder ohne Manipulationsfunktion, ist es dagegen vorteilhaft, wenn sie zugleich Träger aller aktiven und teuren Komponenten des Navigationssystems sind, während passive Baugruppen, wie Reflektoren, außerhalb der mobilen Messeinrichtung positioniert sind. In dieser Konfiguration wird das gemeinsame Koordinatensystem also durch kostengünstige passive Elemente definiert. Diese Elemente können auch in großer Stückzahl auf großen Flächen angebracht werden. Einzelne Messeinrichtungen können so kosteneffizient an verschiedenen Orten in einer Halle oder sogar in verschiedenen Hallen betrieben werden. Diese Konfiguration umgeht gleichzeitig den Nachteil, dass die meisten optischen Messsysteme nicht in der Lage sind die Positionen von mehreren Objekten gleichzeitig zu bestimmen. Hier trägt jedes Objekt sein eigenes Messsystem und orientiert sich anhand des gemeinsamen Koordinatensystems. Da keine Wechselwirkung von Licht mit sich selbst stattfindet, können die passiven Elemente, z. B. Retroreflektoren, auch von mehreren Messsystemen gleichzeitig genutzt werden.
Es versteht sich, daß die bisher beschriebenen sowie die nachfolgend erläuterten Merkmale der Erfindung nicht nur in den konkret angegebenen, sondern auch in weiteren detaillierten Mittel-Wirkungs-Zusammenhängen einsetzbar sind, ohne dass der Erfindungsgedanke verlassen wird.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen, die auch zusätzliche erfindungswesentliche Merkmale offenbaren können, näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
1 das Prinzip des erfindungsgemäßen Messsystems, das hier beispielhaft zwar aus nur einer mobilen Messeinheit, jedoch aus mehreren Messräumen besteht, wobei jedem Messraum ein Koordinatensystem zugeordnet ist.
2 ein Beispiel für zwei Messeinheiten, jeweils bestehend aus einer kinematische Einrichtung, auf der ein Messkopf mit Abtastsensoren zur Bestimmung von Koordinaten von Oberflächenpositionen an den Messobjekten angeordnet ist,
3 ein Beispiel in Anlehnung an 2, bei dem die Abtastsensoren nach unterschiedlichen Messprinzipien arbeiten,
4 ein Beispiel in Anlehnung an 3, bei dem jedoch die Messeinheiten ohne mobilen Unterbau ausgebildet ist,
5 beispielhaft ein Ablaufdiagramm für Anweisungen und Befehle bei der Navigation einer Messeinheit in einem der Koordinatensysteme.
1 zeigt beispielhaft eine Ausführung des erfindungsgemäßen Messsystems 1, insbesondere geeignet für die Automobilfertigung. Das Messsystem 1 umfasst eine mobile Messeinheit 2 sowie zwei Messräume 3 und 4. Dem Messraum 3 ist ein lokales Koordinatensystem 5, dem Messraum 3 ein lokales Koordinatensystem 6 zugeordnet.
Die mobile Messeinheit 2 umfasst

– eine kinematische Einrichtung 7,
– einen Messkopf 8 mit einem zu einer Positionsmesseinrichtung gehörenden Positionsmesssensor 9 und einem Abtastsensor 10, und
– einen verfahrbaren Unterbau 11.

Anhand lokaler Referenzpunkte 5.1, 5.2 und 5.3, die das Koordinatensystem 5 definieren, und Referenzpunkte 6.1, 6.2, 6.3 und 6.4, die das Koordinatensystem 6 definieren, wird am jeweiligen Messraum 3 oder 4, je nachdem in welchem Messraum sich die Messeinheit 2 aktuell befindet, die genaue Position des Positionsmesssensors 9 bestimmt. Mit der Raumposition des Positionsmesssensors 9 ist zugleich auch die Raumposition des Abtastsensors 10 bestimmt, da dieser eine definierte räumliche Lage und Ausrichtung in der Relation zum Positionsmesssensors 9 hat. Die Messräume 3, 4 sind selbstverständlich auch als Messplätze zu verstehen.
Die Referenzpunkte 5.1 bis 5.3 und 6.1 bis 6.4 in den beiden Koordinatensystemen 5, 6 sind bevorzugt als passive Retroreflektoren ausgeführt, die einen optischen Messstrahl, der von einem am Messkopf 8 angeordneten Messstrahlgenerator ausgeht, auf den Positionsmesssensor 9 zurückwerfen.
Die Koordinatenbestimmung geschieht beispielsweise über die Messung von drei Entfernungen bzw. Abständen zwischen dem Positionsmesssensor 9 und drei verschiedenen Retroreflektoren. Die Abstandsmessung kann zeitsimultan oder sequentiell erfolgen.
Die Messeinheit 2 ist mittels des Unterbaues 11 verfahrbar und kann so je nach Bedarf wechselnd im Messraum 3 oder im Messraum 4, in dem sie sich laut 1 aktuell befindet, eingesetzt werden. Damit kann das Messsystem 1 flexibel und wirtschaftlich für Messaufgaben bei Inselfertigungen genutzt werden.
Während also beim Betreiben der Messeinheit 2 mittels der Positionsmesseinrichtung die Raumpositionen des Messkopfes 8 in dem jeweiligen Koordinatensystem bestimmt werden, ermittelt der Abtastsensor 10 Koordinaten von Oberflächenpositionen am Messobjekt 12. Als Abtastsensor 10 ist hier beispielhaft ein berührungslos arbeitender Sensor vorgesehen, wie symbolisch dargestellt.
Die Recheneinheiten verknüpfen die mit dem Entfernungsmesssensor 9 ermittelten Abstände zu Raumpositionen des Messkopfes 8 und diese mit einer Vielzahl der mit dem Abtastsensor 10 gewonnene Oberflächenpositionen am Messobjekt 12 zu den laut Messaufgabe zu ermittelnden, das Messobjekt 12 betreffenden Messergebnissen, wie dessen Form, Größe, Ausrichtung im Raum und/oder Raumposition.
Alle aktiven Elemente und Baugruppen, wie Entfernungsmesssensor 9, Abtastsensor 10 oder zugehörige Messstrahlgeneratoren befinden sich vorteilhaft am Messkopf und damit an der mobilen Messeinheit 2, während alle zur Positionsbestimmung erforderlichen Referenzpunkte 5.1 bis 5.3 und 6.1 bis 6.4 passiv ausgeführt und außerhalb der mobilen Messeinheit 2 angeordnet sind.
Dabei müssen selbstverständlich nicht alle zu einer Positionsmesseinrichtung gehörenden Baugruppen auf dem Messkopf 8 oder in unmittelbarer Nähe des Messkopfes 8 angeordnet sein. So können beispielsweise Baugruppen wie Laser, Stromversorgung usw. an der kinematischen Einrichtung 7 oder auf dem mobilen Unterbau 11 befestigt sein, während die davon ausgehenden elektrischen oder optischen Signale über Kabel oder Glasfasern zum Messkopf 8 übertragen werden.
Alle Referenzpunkte 5.1 bis 5.3 und 6.1 bis 6.4 können kostengünstig als baugleiche Retroreflektoren ausgeführt sein, wobei deren Anzahl nicht auf die Darstellung in 1 beschränkt ist. Eine größere Anzahl ermöglicht Redundanz und vermeidet Abschattungsprobleme.
Über die bisher beschriebene Ausgestaltung hinaus kann die Messeinheit 2 mit zwei gleichen Messköpfen 8 ausgestattet sein, um bestimmte Messvorgänge zu beschleunigen.
Im Unterschied zu 1 zeigt 2 ein Beispiel für zwei mobile Messeinheiten 2, die innerhalb ein und desselben Koordinatensystems, das hier beispielsweise wiederum durch Referenzpunkte 5.1 bis 5.3 definiert ist, betrieben werden. Als Abtastsensoren 10 sind hier, im Unterschied zu der in 1 dargestellten Messeinheit 2, bei beiden Messeinheiten 2 taktile Sensoren vorgesehen, wie symbolisch dargestellt. Da beide Messeinheiten 2 im gleichen Koordinatensystem 5 messen, können Koordinaten, die mit den beiden taktilen Sensoren ermittelt wurden, zueinander in Relation gesetzt werden.
3 zeigt ein Beispiel in Anlehnung an 2, bei dem jedoch die Abtastsensoren 10 nach unterschiedlichen Messprinzipien arbeiten, nämlich einmal berührungslos wie bereits in 1 dargestellt, und zum anderen taktil, wie in 2 dargestellt. Auf diese Weise können bei Bedarf am selben Messobjekt 12 wahlweise abwechselnd oder gleichzeitig beide Messprinzipien genutzt werden.
Aus 4 ist ein Beispiel in Anlehnung an 3 ersichtlich, bei dem jedoch die Messeinheiten 2 keine verfahrbaren Unterbauten 11 aufweisen. In diesem Zusammenhang sieht eine besondere Ausgestaltung der Erfindung vor, dass Messeinheiten 2 ohne mobilen Unterbau 11 verwendet werden oder der mobile Unterbau 11 zeitweise von der kinematischen Einrichtung abtrennbar ist, was durch einen Bediener vorgenommen werden kann. Der Vorteil besteht darin, dass die kinematische Einrichtung 7 mit dem Messkopf 8 in Abhängigkeit von der Abtrennung oder Ankopplung des mobilen Unterbaues 11 bei Bedarf als mobile oder, zumindest zeitweise, als stationäre Messeinheit 2 verwendet werden kann.
Sind bei einer Ausführung des erfindungsgemäßen Messsystems 1 in der Ausgestaltung nach 1 mehrere Messeinheiten 2 vorgesehen, die flexibel sowohl im Messraum 3 als auch im Messraum 4 eingesetzt und diesbezüglich flexibel zwischen von Messraum 3 in den Messraum 4 und umgekehrt verfahren werden können, so ist es von Vorteil, wenn zusätzlich ein gemeinsames, beide Messräume 3, 4 übergreifendes Koordinatensystem (zeichnerisch nicht dargestellt) vorhanden ist, so dass für alle sich in diesem gemeinsamen Koordinatensystem zwischen den Messräumen 3, 4 bewegenden Messeinheiten 2 eine durch zeitsynchrone Koordinatenbestimmung gesteuerte Navigation möglich ist, damit sich die Messeinheiten 2 aufeinander abgestimmt autonom und kollisionsfrei bewegen können.
5 zeigt beispielhaft ein Ablaufdiagramm für Anweisungen und Befehle bei der Navigation einer Messeinheit 2 in einem der Koordinatensysteme. Die Erläuterung dazu ergibt sich aus den Angaben in der Darstellung.
Bezugszeichenliste

1: Messsystem
2: Messeinheit
3: Messraum
4: Messraum
5: Koordinatensystem
6: Koordinatensystem
7: kinematische Einrichtung
8: Messkopf
9: Entfernungsmesssensor
10: Abtastsensor
11: mobiler Unterbau
12: Messobjekt
5.1 bis 5.3: Referenzpunkte
6.1 bis 6.4: Referenzpunkte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2009/086495 [0012]
EP 1322905 B1 [0020]
WO 2010/025845 A2 [0021]

Claims

Messsystem, umfassend mindestens eine Messeinheit (2) zum Vermessen von ortsfest in Messräumen (3, 4) positionierten Messobjekten (12), insbesondere zur Ermittlung von Form, Größe, Ausrichtung im Raum und/oder der Raumposition der Messobjekte (12), wobei jede Messeinheit (2) besteht aus – einem Messkopf (8), – mindestens einem am Messkopf (8) angeordneten Abtastsensor (10), ausgebildet zur Bestimmung von Koordinaten von Oberflächenpositionen an den Messobjekten (12) und/oder am Messkopf angeordneten steuerbaren Hilfsmitteln, ausgebildet zur Ausübung von Manipulationen an den Messobjekten, – einer mit dem Messkopf (8) verbundenen kinematischen Einrichtung (7), ausgebildet zur Bewegung des Messkopfes (5) relativ zu den Messobjekten (12) in mindestens einem Translations- und einem Rotationsfreiheitsgrad, einem mit der kinematischen Einrichtung (7) verbundenen mobilen Unterbau (11), ausgebildet zur Bewegung der kinematischen Einrichtung (7) einschließlich Messkopf (8) relativ zu den in einem oder verschiedenen Messräumen (3, 4) positionierten Messobjekten (12), – Positionsmesseinrichtungen, ausgebildet zur Bestimmung der jeweiligen Position und Orientierung des Messkopfes (8) innerhalb eines Messraumes (3, 4), und – Recheneinheiten, ausgebildet zur Verknüpfung der Koordinaten von Oberflächenpositionen an den Messobjekten (12) mit Messkopfpositionen zu den auf die Messobjekte (12) bezogenen Messergebnissen.
Messsystem nach Anspruch 1, mit mehreren Messräumen (3, 4), in denen sich jeweils ein oder mehrere Messobjekte (12) befinden, wobei jedem Messraum (3, 4) ein Koordinatensystem (5, 6) zugeordnet ist und jedes Koordinatensystem (5, 6) von Referenzpunkten (5.1 bis 5.3; 6.1 bis 6.4) definiert ist, an denen passive optische Elemente, bevorzugt in Form von Retroreflektoren, angeordnet sind.
Messsystem nach Anspruch 2, bei dem die Bestimmung der Messkopfposition durch Messung von Abständen zwischen dem Messkopf (8) und mindestens drei Referenzpunkten (5.1 bis 5.3; 6.1 bis 6.4) und/oder von Winkeln im Raum und die mathematische Verknüpfung der Ergebnisse der Abstandsmessungen durch Trilateration und/oder Triangulation vorgesehen ist.
Messsystem nach Anspruch 3, bei dem die Messung von sechs Abständen oder drei Abständen und mindestens drei Winkeln oder einem Abstand und mindestens fünf Winkeln vorgesehen ist.
Messsystem nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Abstandsmessung nach interferometrischen Methoden, Puls-Laufzeit-Methoden, einer Kombination aus beiden Methoden und/oder unter Nutzung von Frequenzkämmen vorgesehen ist.
Messsystem nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Abstandsmessung unter Verwendung mindestens einer Lichtquelle und einer Lichtempfangseinheit vorgesehen ist, die Lichtquelle oder die Lichtempfangseinheit auf dem mobilen Unterbau (11) angebracht ist und die Führung des Lichtes zum Messkopf (8) mittels Glasfaser entlang der kinematischen Einrichtung (7) vorgesehen ist.
Messsystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei mindestens zwei Messeinheiten (2) gleichzeitig im gleichen Messraum (3 oder 4) betrieben werden und die Bestimmung der Messkopfpositionen anhand der Referenzpunkte (5.1 bis 5.3 oder 6.1 bis 6.4) des Koordinatensystems vorgesehen ist, das diesem Messraum (3 oder 4) zugeordnet ist.
Messsystem nach Anspruch 7, bei dem vorgesehen ist, die Messergebnisse der Messeinheiten zueinander in Relation zu setzen, um Abstände zwischen Koordinaten zu ermitteln, die mit unterschiedlichen Messeinheiten erzeugt wurden.
Messsystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, mit mindestens einer Messeinheit (2), die zwischen den Messräumen (3 und 4) ortsveränderlich ist, wobei bei jedem Wechsel zwischen den Messräumen (3, 4) die Einordnung der Messeinheit (2) in das dem jeweiligen Messraum (3, 4) zugeordnete Koordinatensystem (5, 6) erfolgt.
Messsystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem als Abtastsensoren (10) vorzugsweise Lichtschnittsensoren, taktile Sensoren oder optische konfokale Sensoren vorgesehen sind, bei denen die von Oberflächenpositionen ermittelten Koordinaten abrufbar vorliegen.
Messsystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem die kinematische Einrichtung (7) zwecks Bewegung des Messkopfes (8) mit Stellantrieben ausgestattet ist, die durch eine Ansteuereinheit, bevorzugt nach dem Prinzip der computerisierten numerischen Steuerung (CNC), ansteuerbar sind.
Messsystem nach Anspruch 11, bei dem die Ansteuereinheit zum Generieren von Steuerbefehlen zur synchronen Bewegung der Messköpfe (8) von mehreren gleichzeitig betriebenen Messeinheiten (2) ausgebildet ist.
Messsystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem der mobile Unterbau (11) zwecks definierter Bewegung der Messeinheit (2) mit einem Steuer- und Fahrantriebssystem ausgestattet ist.
Messsystem nach Anspruch 13, bei dem das Steuer- und Fahrantriebssystem jeder Messeinheit (2) mit einer Navigationseinrichtung gekoppelt ist, um eine kollisionsfreie Bewegung in Bezug auf andere Messeinheiten (2) innerhalb eines Messraumes (3 oder 4) oder beim Wechsel zwischen verschiedenen Messräumen (3, 4) zu gewährleisten.
Messsystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem mindestens eine der Messeinheiten (2) mit steuerbaren Hilfsmitteln wie Werkzeugen, einer Kamera und/oder einer Einrichtungen zur Beleuchtung von Oberflächenbereichen des Messobjektes (12) ausgestattet ist und eine Einrichtung zur Vorgabe von Steuerbefehlen für diese Hilfsmittel vorhanden ist, wobei die Hilfsmittel zur Nutzung für Montage- und/oder Reparaturarbeiten an den Messobjekten (12) vorgesehen sind.
Messsystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei der mobile Unterbau (11) von der kinematischen Einrichtung (7) wahlweise nach Vorgabe abtrennbar und wieder ankoppelbar ist, so dass die kinematische Einrichtung (7) in Abhängigkeit von der Abtrennung oder Ankopplung stationär oder mobil verwendbar ist.
Messsystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem – die Erfassung der Position und Orientierung des Messkopfes (8) und deren Berücksichtigung bei der Messwertermittlung vorgesehen ist, oder – die Speicherung der Position und Orientierung des Messkopfes (8) in einer Steuersoftware vorgesehen ist, so dass der Messkopf (8) nach einem Soll/Ist-Abgleich in eine vorgegebene Position gebracht werden kann.