DE102010047444B4

DE102010047444B4 - Verfahren zur Visualisierung von Maßabweichungen zwischen einer Ist- und Soll-Geometrie eines Bauteils

Info

Publication number: DE102010047444B4
Application number: DE201010047444
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Gallasch Andreas
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2010-10-04
Filing date: 2010-10-04
Publication date: 2014-04-03
Anticipated expiration: 2030-10-05
Also published as: DE102010047444A1

Abstract

Verfahren zur Visualisierung von Maßabweichungen zwischen einer Ist- und Soll-Geometrie eines Bauteils, wobei eine Ist-Geometrie (6) eines Bauteils messtechnisch erfasst wird und in einem Soll-Ist-Vergleich Abweichungen von einer virtuellen, gespeicherten Soll-Geometrie (7) berechnet und die Abweichungen entsprechend ihrer Größe in einer Abbildung (1) visualisiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Soll-Ist-Vergleich anhand der messtechnisch ermittelten Ist-Geometriedaten und der gespeicherten Soll-Geometriedaten Winkelabweichungen (11) und/oder Steigungs-Gradienten-Abweichungen zwischen zugeordneten Ist-Punkten (3) und Soll-Punkten (4) berechnet und entsprechend der Abweichungswerte in einer Abbildung (1') visualisiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Visualisierung von Maßabweichungen zwischen einer Ist- und Soll-Geometrie eines Bauteils nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Für eine Beurteilung und Analyse eines Bauteils hinsichtlich seiner Maßhaltigkeit ist es bekannt, mit einem gattungsgemäßen Verfahren eine Ist-Geometrie eines Bauteils messtechnisch zu erfassen und in einem Soll-Ist-Vergleich Abweichungen von einer virtuellen, gespeicherten Soll-Geometrie zu berechnen. Die berechneten Abweichungen werden dann entsprechend ihrer Größe in einer Abbildung visualisiert.
Konkret ist es dazu bekannt ( DE 10 2006 026 433 A1 ; DE 199 25 462 C1 ), die Bauteil-Ist-Geometrie mittels berührungslos arbeitenden Messsysteme, insbesondere durch digitale Aufnahmen aus unterschiedlichen Raumrichtungen zu erfassen, welche zum Beispiel anhand auf dem Bauteil bzw. Messobjekt aufgebrachter Zielmarken zu einer einzigen Aufnahme zusammengesetzt werden. Das Ergebnis alle solcher Aufnahmen ist eine sog. Punktewolke des Messobjekts bzw. ein von dieser Punktewolke abgeleitetes Dreiecksnetz (STL-Netz), die in einer Messsoftware verarbeitet werden und dabei insbesondere mit CAD-Daten als Referenzdaten der Ist-Geometrie verglichen werden. Zur Ermittlung von Abweichungswerten werden die Abstandsdifferenzen in Normalenrichtung zwischen Soll- und Ist-Punkten (oder zwischen Ist- und Soll-Punkten) berechnet. Die Visualisierung der berechneten Abweichungen erfolgt üblicherweise in einer sog. Falschfarbendarstellung, bei der abhängig vom Vorzeichen der Abweichung den größeren oder kleineren Abstandsmaß-Differenzwerten in Normalenrichtung verschiedene Farben mit verschiedener Farbintensität zugeordnet werden.
Mit der beschriebenen Falschfarbendarstellung können nur größere Normalenabweichungen zwischen der Soll- und Ist-Geometrie erkannt werden. Problembereiche hinsichtlich der Oberflächenqualität mit nur sehr kleinen Normalenabweichungen jedoch mit störenden Absätzen/Stufen oder wellenförmigen Oberflächenstrukturen können in der Falschfarbendarstellung nicht oder nur unzureichend erkannt werden. Insofern ist die bisher bekannte Falschfarbendarstellung auf der Basis von Normalenabweichungen zur Beurteilung der Oberflächenqualität eines Bauteils nicht ausreichend.
Aufgabe der Erfindung ist es, das gattungsgemäße Verfahren zur Visualisierung von Maßabweichungen zwischen einer Ist- und Soll-Geometrie eines Bauteils so weiterzubilden, dass damit eine bessere Analyse und Beurteilung der Oberflächenqualität möglich ist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass in einem Soll-Ist-Vergleich anhand der messtechnisch ermittelten Ist-Geometriedaten und der gespeicherten Soll-Geometriedaten Winkelabweichungen und/oder Steigungs-Gradienten-Abweichungen zwischen zugeordneten Ist-Punkten und Soll-Punkten berechnet und entsprechend der Abweichungswerte in einer Abbildung visualisiert werden.
Es werden somit hier erfindungsgemäß nicht wie im Stand der Technik Längenmaße bzw. Längendifferenzen zwischen einem Soll- und Ist-Punkt sondern Winkelwerte, insbesondere zwischen zwei zugeordneten Vektoren als Basis für die Visualisierung verwendet. Zur Visualisierung wird auch hier bevorzugt eine Falschfarbendarstellung mit unterschiedlichen Farben und Farbintensitäten verwendet, wobei jedoch auch andere Visualisierungen beispielsweise mit unterschiedlichen Grautönen oder unterschiedlichen Schraffuren grundsätzlich möglich sind.
Vorteilhaft können mit der erfindungsgemäßen Visualisierung Problembereiche der Bauteiloberfläche durch kleinste Absätze oder wellenförmige Strukturen mit kleinen normalen Abweichungen deutlich erkannt und visualisiert werden, da an solchen Fehlerstellen deutliche Winkelwerte berechnet werden können, die dann entsprechend in der Visualisierung auftreten.
Damit können vorteilhaft die bisher für Koordinatenmessungen verwendeten Messsysteme in Verbindung mit einer modifizierten Messsoftware zur Analyse der Oberflächenqualität mit herangezogen werden.
Die vorstehende Visualisierung aufgrund von Winkeln kann vorteilhaft zusätzlich zur Beurteilung der Oberflächenqualität des Messobjekts, insbesondere zum Erkennen von Beulen, Dellen, Einfallstellen, Welligkeiten, Pickel usw. auch für die Analyse der Qualität der einzelnen Messaufnahmen des optischen Messgeräts bzw. dem maßhaltigen Zusammenfügen der Einzelmessungen verwendet werden. Beispielsweise können wellenförmige Strukturen in der Dreiecksnetz-Oberfläche der Ist-Geometrie dadurch entstehen, dass unzulässig überlappende Punktewolkenbereiche aus verschiedenen Einzelaufnahmen des Messgeräts im Dreiecksnetz zusammengefügt werden, welche dann durch die Falschfarbendarstellung aus der Winkelabweichung sichtbar gemacht werden.
Zur Berechnung der Werte von Winkelabweichungen wird konkret jeweils an einem Ist-Punkt der zugehörige Ist-Normalenvektor mit seiner Ist-Raumrichtung bezüglich der umgebenden Ist-Geometrie ermittelt. Ein zu diesem Ist-Punkt korrespondierender Soll-Punkt wird durch Verschneiden in Richtung des Ist-Normalenvektors mit der Soll-Geometrie ermittelt und dort der zugehörige Soll-Normalenvektor mit seiner Soll-Raumrichtung berechnet. Als Winkelabweichung und Basis für die Visualisierung wird der Winkel zwischen den beiden Normalenvektoren für den betrachteten Oberflächenpunkt definiert.
Alternativ zur vorstehenden Vorgehensweise kann auch von einem Soll-Punkt ausgegangen werden, mit dessen zugehörigem Soll-Normalenvektor und der zugeordneten Soll-Raumrichtung. Ein korrespondierender Ist-Punkt wird hier durch Verschneiden in Richtung des Soll-Normalenvektors mit der Ist-Geometrie ermittelt und dort der zugehörige Ist-Normalenvektor mit seiner Ist-Raumrichtung berechnet. Als Winkelabweichung und Basis für die Visualisierung wird der Winkel zwischen den beiden Normalvektoren für den betrachteten Oberflächenpunkt definiert.
Beide alternativen Vorgehensweisen führen zu einer geeigneten Visualisierung für eine Erkennung der vorstehend genannten Oberflächenfehler und Oberflächenproblemstellen.
In einer weiteren Alternative können einander zugeordnete Ist-Punkte und Soll-Punkte auch durch eine Projektion in eine vorgegebene Richtung, insbesondere in eine Koordinatenrichtung ermittelt werden, wobei dann ebenfalls Winkel zwischen zugeordneten Normalenvektoren als Winkelabweichung und Basis für die Visualisierung definiert werden.
Vorteilhaft kann auch hier die Bauteilgeometrie und damit die Ist-Geometrie der Bauteiloberfläche mittels eines berührungslos arbeitenden optischen Messsystems, insbesondere durch digitale Aufnahmen aus unterschiedlichen Raumrichtungen erfasst und in einer Punktewolke und/oder einem daraus abgeleiteten Dreiecksnetz für eine Weiterverarbeitung gespeichert werden. Damit kann die bisher für die Ermittlung und Verarbeitung von Normalenabweichungen in Falschfarbendarstellungen verwendete Hardware auch für die erfindungsgemäße Auswertung verwendet werden, so dass bei einer entsprechenden Verwendung dafür vorteilhaft keine Zusatzkosten auftreten.
Vorteilhaft wird für die Beurteilung eines Bauteils eine Falschfarbendarstellung einer Punktewolke oder eines Dreiecksnetzes nach dem Stand der Technik basierend auf der Normalenabweichung zwischen den Ist- und Solldaten sowie eine erfindungsgemäße Falschfarbendarstellung basierend auf Winkelwerten gemeinsam zur Analyse und Beurteilung der Bauteilqualität hinsichtlich der Maßhaltigkeit und Oberflächenqualität herangezogen.
Anhand einer Zeichnung wird die Erfindung weiter erläutert.
Es zeigen:
1 eine Abbildung eines Türblechs eines Fahrzeugs im Bereich einer Griffmulde in einer Falschfarbendarstellung auf der Basis von Normalenabweichungen,
2 eine entsprechende Abbildung, jedoch auf der Basis von Winkelabweichungen,
3 eine Prinzipdarstellung zur Berechnung der Winkelabweichungen ausgehend von einem Ist-Punkt,
4 eine entsprechende Prinzipdarstellung zur Ermittlung der Winkelabweichungen ausgehend von einem Soll-Punkt,
5 eine Darstellung einer Winkelabweichung ohne Normalenabweichung,
6 eine Oberflächen-Fehlerstelle als Stufe mit großen Winkelwerten, und
7 eine wellenförmige Oberflächenstruktur ebenfalls mit großen Winkelwerten.
In 1 ist eine Abbildung 1 eines Fahrzeugtürblechs als Messobjekts im Bereich einer Griffmulde 2 in einer Falschfarbendarstellung gezeigt. Dazu wurde die Ist-Geometrie des Bauteils optisch digitalisiert zur Ermittlung der Ist-Geometrie-Daten erfasst. Zudem wurden in einem Soll-Ist-Vergleich Normalenabweichungen zu einer mit CAD-Daten gespeicherten Soll-Geometrie berechnet. Diese Normalenabweichungen sind entsprechend ihrer Abweichungswerte in üblicher Weise als Falschfarbendarstellung farbig visualisiert. Diese tatsächliche farbige Visualisierung ist hier (wegen der unzulässigen Farbdarstellung) schematisch in der rechts in 1 angegebenen Punktdichte oder Strichdichte angegeben. Dabei entspricht „grün” (keine Punkte oder Striche) einer Geometrieübereinstimmung auf der Basis von Normalenabweichungen. Je nach Größe der Normalenabweichungen in Plus-Normalenrichtung oder Minus-Normalenrichtung ändert sich die Farbe über „gelb” nach „rot” (entsprechend einer größeren Punktdichte) bzw. über „hellblau” nach „dunkelblau” (entsprechend einer größeren Strichdichte).
Der Ermittlung der Normalenabweichungen als Basis für die Falschfarbendarstellung nach 1 wird anhand der 3 und 4 näher erläutert.
Ersichtlich entspricht in 1 auf der Basis von Normalenabweichungen in den umrandeten Bereichen A und B die Ist-Geometrie der Soll-Geometrie (keine Punkte oder nur geringe Punktdichte). Aus 1 sind somit Oberflächenproblembereiche in A und B praktisch nicht oder nur schwer erkennbar.
In 2 ist wiederum eine der 1 entsprechende Bauteilabbildung 1 in Falschfarbendarstellung im Bereich der Griffmulde 2 gezeigt, jedoch entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren auf der Basis von Winkelabweichungen, wie dies näher anhand der 3 bis 7 erläutert wird. Die in den Bereichen A und B in der Abbildung ermittelten parallel verlaufenden Strichstrukturen geben einen Hinweis auf Oberflächenproblembereiche mit wellenförmigen Oberflächenstrukturen mit kleinen Normalenabweichungen, die offensichtlich mit der Abbildung nach 1 auf der Basis von Normalenabweichungen praktisch nicht feststellbar sind. Somit ergeben insbesondere die Falschfarbendarstellungen nach 1 und 2 in einer Zusammenschau eine gute Grundlage für eine Begutachtung und Analyse der Bauteilqualität.
In 3 ist schematisch die Vorgehensweise bei der Berechnung der Normalenabweichung sowie der erfindungsgemäßen Winkelabweichung ausgehend von einem Ist-Punkt 3 zu einem Soll-Punkt 4 dargestellt. Dazu wird am Ist-Punkt 3 der zugehörige Ist-Normalenvektor 5 ermittelt. Der zugehörige Soll-Punkt 4 wird dadurch erhalten, dass ausgehend von der Ist-Geometrie 6 eine Verschneidung mit der Soll-Geometrie 7 in Richtung 8 des Ist-Normalenvektors 5 durchgeführt wird. Der Abstand 9 zwischen dem Ist-Punkt 3 und dem gefundenen Soll-Punkt 4 als Längenmaß entspricht der Normalenabweichung 9 nach dem Stand der Technik.
Die erfindungsgemäße Winkelabweichung wird weiter so ermittelt, dass im erhaltenen Soll-Punkt 4 bezogen auf die Soll-Geometrie 7 ein Soll-Normalenvektor 10 bestimmt wird. Weiter wird dann als Winkelabweichung für die Falschfarbendarstellung entsprechend 2 der Wert des Winkels 11 zwischen dem Ist-Normalenvektor 5 und dem Soll-Normalenvektor 10' berechnet.
Alternativ kann gemäß 4 für die vorstehende Berechnung des Abstands 9a als Normalenabweichung und des Winkels 11a als Winkelabweichung auch von einem Soll-Punkt 4a auf der Soll-Geometrie 7a ausgegangen werden. Dabei wird im Soll-Punkt 4a der Soll-Normalenvektor 10a ermittelt. Durch eine Verschneidung in der Soll-Normalenrichtung 8a mit der Ist-Geometrie 6a wird der korrespondierende Ist-Punkt 3a ermittelt. Damit wird der Abstand 9a als Normalenabweichung gemäß dem Stand der Technik erhalten.
Zur Berechnung der Winkelabweichung für die Falschfarbendarstellung nach 2 wird der Ist-Normalenvektor 5a zum Ist-Punkt 3a ermittelt und der Winkel 11a zwischen dem Ist-Normalenvektor 5a und dem Soll-Normalenvektor 10a' berechnet.
Die vorstehenden Berechnungen der Winkel 11 bzw. 11a erfolgen an einer Vielzahl von erfassten Bauteilpunkten, so dass eine kontinuierliche flächige Falschfarbendarstellung entsprechend der 2 erhalten wird.
In 5 ist ein Fall dargestellt, bei dem sich die Ist-Geometrie 6 und die Soll-Geometrie 7 schneiden, so dass am Schnittpunkt der Ist-Punkt 3 und der Soll-Punkt 4 zusammenfallen. Einen Normalenabweichung 9 liegt somit hier nicht vor. In der Darstellung nach 1 würde diese Stelle „grün” und damit als korrekt ohne Abweichungen dargestellt werden, obwohl hier ein Oberflächenfehler entsprechend dem Winkel 11 zwischen dem Ist-Normalenvektor 5 und dem Soll-Normalenvektor 10 vorliegt.
Der in 5 dargestellte Fall könnte beispielsweise dem im umrandeten Bereich C dargestellten Stufenübergang zwischen der Ist-Geometrie 6 und der Soll-Geometrie 7 in 6 entsprechen. Bei einer nur sehr geringen Normalenabweichung im Bereich C wäre eine solche Stufe in der Abbildung nach 1 kaum erkennbar, jedoch durch die große Winkelabweichung in 2 deutlich ersichtlich.
Ähnlich sind wellenförmige Oberflächenstrukturen 12 der Ist-Geometrie 6 bezüglich der Soll-Geometrie 7, wie in 7 dargestellt, bei nur geringen Normalenabweichungen entsprechend 2 wegen der relativ großen Winkelabweichungen deutlich erkennbar.

Claims

Verfahren zur Visualisierung von Maßabweichungen zwischen einer Ist- und Soll-Geometrie eines Bauteils, wobei eine Ist-Geometrie (6) eines Bauteils messtechnisch erfasst wird und in einem Soll-Ist-Vergleich Abweichungen von einer virtuellen, gespeicherten Soll-Geometrie (7) berechnet und die Abweichungen entsprechend ihrer Größe in einer Abbildung (1) visualisiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Soll-Ist-Vergleich anhand der messtechnisch ermittelten Ist-Geometriedaten und der gespeicherten Soll-Geometriedaten Winkelabweichungen (11) und/oder Steigungs-Gradienten-Abweichungen zwischen zugeordneten Ist-Punkten (3) und Soll-Punkten (4) berechnet und entsprechend der Abweichungswerte in einer Abbildung (1') visualisiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Visualisierung mittels einer Falschfarbendarstellung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung der Werte von Winkelabweichungen (11) jeweils an einem Ist-Punkt (3) der zugehörige Ist-Normalvektor (5) mit seiner Ist-Raumrichtung bezüglich der umgebenden Ist-Geometrie (6) ermittelt wird, dass ein zugeordneter Soll-Punkt (4) in Richtung (8) des Ist-Normalenvektors (5) durch Verschneiden mit der Soll-Geometrie (7) ermittelt und dort der zugehörige Soll-Normalenvektor (10) mit seiner Soll-Raumrichtung berechnet wird, und dass als Winkelabweichung der Winkel (11) zwischen der Ist-Raumrichtung des Ist-Normalenvektors (5) und der Soll-Raumrichtung des Soll-Normalenvektors (10) für den betrachteten Oberflächenpunkt definiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung der Werte von Winkelabweichungen (11) jeweils an einem Soll-Punkt (4a) der zugehörige Soll-Normalenvektor (10a) mit seiner Soll-Raumrichtung bezüglich der umgebenden Soll-Geometrie (7a) ermittelt wird, dass ein zugeordneter Ist-Punkt (3a) in Richtung (8a) des Soll-Normalenvektors (10a) durch Verschneiden mit der Ist-Geometrie (6a) ermittelt und dort der zugehörige Ist-Normalenvektor (5a) mit seiner Ist-Raumrichtung berechnet wird, und dass als Winkelabweichung der Winkel (11a) zwischen der Ist-Raumrichtung des Ist-Normalenvektors (5a) und der Soll-Raumrichtung des Soll-Normalenvektors (10a) für den betrachteten Oberflächenpunkt definiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung der Winkelwerte von Winkelabweichungen einander zugeordnete Ist-Punkte (3) und Soll-Punkte (4) durch eine Projektion in eine vorgegebene Richtung, insbesondere eine Koordinatorenrichtung ermittelt werden, dass am Ist-Punkt (3) und zugeordneten Soll-Punkt (4) der jeweilige Ist-Normalenvektor und Soll-Normalenvektor berechnet und deren Zwischenwinkel als Winkelabweichung definiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteilgeometrie und damit die Ist-Geometrie (6) der Bauteiloberfläche mittels eines berührungslos arbeitenden Messsystems, insbesondere durch digitale Aufnahmen aus unterschiedlichen Raumrichtungen erfasst und als Punktewolke und/oder als Dreiecksnetz (STL-Netz) für eine Weiterverarbeitung gespeichert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zudem für zugeordnete Ist-Punkte (3) und Soll-Punkte (4) die Normalenabweichung (9) oder Projektionsabweichungen jeweils als Längendifferenz ermittelt und ebenfalls zusätzlich in einer Abbildung (1) visualisiert wird.