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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur virtuellen Erkennung möglicher Kollisionen eines beweglichen Objekts, welches innerhalb einer Produktionslinie in Fließfertigung produziert und/oder montiert wird, wobei zumindest eine Referenzmarke zumindest abschnittsweise entlang der Produktionslinie bewegt wird, um anhand der in Bezug auf die Referenzmarke erfassten Signale und der bekannten Abmessungen des Objekts oder seiner Hüllkurve eine mögliche Kollision des Objekts innerhalb der Produktionslinie zu erkennen.
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Ein bekanntes Verfahren für die Planung oder die Kollisionserkennung innerhalb von Fertigungseinrichtungen ist die sogenannte Störkantenanalyse. Eine Störkantenanalyse kann durch eine 3D-Simulation mit realen Bauteilen bzw. mit Referenzmodellen oder unter Einsatz von Augmented-Reality-Technologie (AR-Technologie) ausgeführt werden.
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Für eine Störkantenanalyse mit Hilfe einer 3D-Simulation müssen aktuelle 3D-Datensätze der Fertigungseinrichtung und des durch die Fertigungseinrichtung durchlaufenden Objekts, beispielsweise eines Werkstücks oder eines Werkzeugs, zur Verfügung stehen.
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Die Objektdaten liegen dabei meist in digitaler Form vor, da diese bereits computergestützt konstruiert wurden, sodass die diesbezüglichen Datensätze für die 3D-Simulation genutzt werden können. Für die Fertigungseinrichtung beziehungsweise die Werkzeuge ist dies in der Regel jedoch nicht der Fall. Es ist dann erforderlich, die Fertigungseinrichtung beziehungsweise das Werkzeug nachträglich zu erfassen und zu digitalisieren. Aus diesem Grunde ist eine Störkantenanalyse mit Hilfe der 3D-Simulation sehr zeit- und kostenintensiv.
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Bei der Störkantenanalyse mit Hilfe von körperlichen Modellen der Objekte, beispielsweise Schaumstoff- oder Drahtmodellen, werden keine 3D-Daten der Fertigungsanlage benötigt. Jedoch muss für die Störkantenanalyse der Produktionsprozess unter Umständen unterbrochen werden, da beim Auftreten von Kollisionen das Modell aus der Produktionslinie entfernt werden muss. Zudem ist dieses Verfahren unflexibel, da für jedes Objekt ein neues Modell hergestellt werden muss.
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Beim Einsatz der Augmented-Reality-Technologie wird anstelle des Objekts eine Referenzmarke durch die Fertigungseinrichtung gefahren und mit einer Kamera aufgezeichnet. Die Bewegung der Referenzmarke durch die Fertigungseinrichtung kann somit auf einem Monitor beobachtet werden. In diese Darstellung auf dem Monitor wird das Objekt als virtuelles Modell eingeblendet, wobei die Referenzmarke als Bezugssystem dient. Während auf diese Weise das virtuelle Objekt durch die Fertigungseinrichtung geführt wird, kann man auf dem Bildschirm kritische Situationen erkennen, beispielsweise Bereiche, in denen das Objekt mit Teilen der Fertigungseinrichtung kollidieren würde.
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Nachteilig an diesem Vorgehen ist allerdings, dass die Störkantenanalyse hier durch eine visuelle Einschätzung einer zweidimensionalen Darstellung durchgeführt wird. Dies kann zu Fehleinschätzungen führen und das wiederholte Hindurchführen des Objekts durch die Fertigungseinrichtung, beispielsweise in Verbindung mit veränderten Kamerakonstellationen, erforderlich machen, um Unklarheiten zu vermeiden.
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Die
DE 10 2005 009 437 A1 bezieht sich auf ein solches Verfahren zum Einblenden von AR-Objekten in ein Umgebungsbild nach dem Prinzip der Augmented Reality (AR). Dort wird beschrieben, dass die Realität oder Umgebung entweder als Videobild oder durch einen transparenten Bildschirm betrachtet wird, in die jeweils die Einblendung des AR-Objekts erfolgt. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Werkzeug, wie eine Schweißzange, oder ein Werkstück als AR-Objekt in richtiger Zuordnung am Bild einer Maschine oder eines Roboters eingeblendet werden, um hierdurch beispielsweise den durch das Werkzeug beschränkten Bewegungsraum zu erkennen. Es können Koordinatensysteme zur Veranschaulichung und Verdeutlichung der Zuordnung derselben zueinander und zur Maschine oder dem Roboter eingeblendet werden.
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In der
DE 101 28 015 A1 wird ebenfalls vorgeschlagen, eine reale Fertigungsanlage mit einem rechnerverfügbaren Modell der Anlage nach dem Prinzip eines Augmented-Reality-Systems zu überlagern.
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Die
DE 10 2005 023 650 B4 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Simulation eines Bewegungsablaufs von Bestandteilen eines technischen Systems, beispielsweise eine Fertigungsanlage, das automatisch eine drohende Kollision starrer Körper erkennt.
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Aus der
US 2003/0004908 A1 ist ein Verfahren zur Simulation eines Bewegungsablaufs von Bestandteilen eines technischen Systems bekannt. Das Verfahren wird mit dem Ziel durchgeführt, eine Reihenfolge zu ermitteln, in der sich ein technisches System in seine Bestandteile zerlegen lässt. Für jeden Bestandteil wird jeweils ein rechnerverfügbares Konstruktionsmodell vorgegeben. Weiterhin werden mögliche Bewegungsrichtungen bei der Zerlegung vorgegeben und Gruppen von Bestandteilen werden generiert. Jede dieser Gruppen lässt sich nicht durch lineare Bewegungen in ihre Bestandteile zerlegen.
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In der
DE 199 00 884 A1 werden ein System und ein Verfahren beschrieben, um einen realen technischen Prozess durch virtuelle Anlagenmodelle zu visualisieren.
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In der
DE 100 18 704 A1 wird vorgeschlagen, die Simulation eines technischen Prozesses mit der Darstellung der Simulation zu verbinden. Das Simulationsmodell wird mit rechnerverfügbaren, parametrierbaren, dreidimensionalen Objekten verknüpft. Diese dreidimensionalen Objekte veranschaulichen den Ablauf der Simulation.
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Das in der
DE 102 26 198 A1 beschriebene Verfahren sieht vor, die Bestandteile einer Fertigungsanlage durch rechnerverfügbare Objekte zu beschreiben. Diese Objekte beschreiben beispielsweise die Geometrie und die Kinematik der Bestandteile. Mit diesen Objekten wird ein digitales Modell aufgebaut und in eine Simulationsumgebung eingebunden. Die Simulationsumgebung wird mit Steuerungsdaten versorgt und die Umgebung simuliert Bewegungsabläufe der Fertigungsanlage.
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Auch in der
DE 102 58 655 A1 werden Bestandteile einer technischen Anlage durch rechnerverfügbare Modelle beschrieben. Bewegungsabläufe der Bestandteile der Anlage werden mit diesen Modellen simuliert.
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In der
EP 0 813 169 A2 wird ein Verfahren offenbart, um einen Fertigungsprozess mit Hilfe von rechnerverfügbaren Objekten zu modellieren und zu simulieren. Bei der Simulation werden die Objekte nacheinander in einer vorgegebenen Reihenfolge animiert.
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Weiterhin sind aus dem Stand der Technik auch bereits Verfahren zum Bestimmen der Relativlage eines Laserscanners bekannt, der in einer Abtastebene ein 2D-Profil seiner Umgebung erfasst. Dieser Laserscanner wird hierbei von einem Transportmittel bewegt, um ein 3D-Abbild der Umgebung relativ zu einem Referenzsystem des Beförderungsmittels zu erstellen.
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Laserscanner dieser Art sind beispielsweise aus der
GB 2 434 269 A bekannt und dienen zur terrestrischen Landvermessung in Form des sogenannten Mobile Scannings bzw. Mobile Mappings. Dabei wird die Topografie der Landschaft von einem fahrenden Land- oder Wasserfahrzeug aus erfasst, welches den Laserscanner trägt. Mobile-Scanning-Systeme sind wesentlich kostengünstiger als luft- oder satellitengestützte Vermessungssysteme und können überdies aus Luftsicht unzugängliche Gebiete erfassen, beispielsweise Straßenzüge, Wasserstraßen, Tunnels oder Bergwerksbauten.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine mögliche Kollision von beweglichen Objekten mit Produktionsmitteln mit geringem Aufwand zu ermitteln.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren vorgesehen, bei dem in Bezug auf die Referenzmarke bzw. die Referenzkoordinaten ein Lichtraumprofil als eine die Durchfahrt durch die Produktionslinie, also zwischen den Produktionsmitteln, begrenzende Ebene mittels eines Abstandsmessverfahrens zumindest durch X-/Y-Koordinaten und ein Hüllprofil als Hüllkurve des Objekts bestimmt werden, sodass durch eine vergleichende Betrachtung des Lichtraumprofils mit dem Hüllprofil des Objekts eine mögliche Kollision für eine Vielzahl von Positionen entlang der Produktionslinie erfasst werden kann. Hierdurch kann in einfacher Weise eine schnelle, berührungslose und weitgehend automatisierbare Durchführung der Kollisionserkennung geschaffen werden. Erfindungsgemäß wird also einerseits ein Profilschnitt des Lichtraumprofils durch das Abstandsmessverfahren erstellt, wobei die Referenzmarke als Bezugspunkt genutzt wird, andererseits wird aus den zumindest insoweit bekannten äußeren Abmessungen des Objekts, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, eine das Hüllprofil definierende Hüllkurve abgeleitet. Aus dem direkten Vergleich zwischen Lichtraumprofil und Hüllprofil können somit in einfacher Weise Störkanten als Schnitt- oder Berührungspunkte des Lichtraumprofils und des Hüllprofils erkannt werden, wobei das Lichtraumprofil sowie das Hüllprofil jeweils in Bezug auf dieselbe Referenzmarke ermittelt werden. Hierdurch wird eine automatisierte Erkennung von Störkanten in der Produktionslinie ermöglicht, wodurch der Aufwand für die Produktionsabsicherung insbesondere neuer Kraftfahrzeugmodelle wesentlich vermindert wird und Prototypen in der Produktion vor einer Beschädigung geschützt werden können. Zudem erfordert die Durchführung des Verfahrens einen geringen Zeitaufwand. Unter dem Begriff des Lichtraumprofils soll dabei erfindungsgemäß eine durch einen oder mehrere Gegenstände gegebene Begrenzungslinie verstanden werden, welche einen Kontakt oder eine Berührung mit dem Objekt verursachen könnte, unabhängig von der Auswirkung einer solchen Kollision. Der bekannte Standort von Personen kann dabei ebenso berücksichtigt werden wie lediglich vorübergehend im Bereich der Produktionslinie vorhandene bewegliche Objekte.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dadurch erreicht, dass in Verbindung mit der Durchführung des Abstandsmessverfahrens die Position der Referenzmarke entlang der Produktionslinie erfasst wird. Hierdurch kann der Verfahrensschritt, mit dem aufgrund der vergleichenden Betrachtung des Lichtraumprofils mit dem Hüllprofil des Objekts eine mögliche Kollision erfasst wird, unabhängig von der Messwerterfassung zu einem beliebigen Zeitpunkt durchgeführt werden, weil die Position und der Bereich einer möglichen Kollision innerhalb der Produktionslinie miteinander verknüpft sind. Insbesondere kann also die Lage bzw. der Gegenstand der möglichen Kollision jederzeit lokalisiert und identifiziert werden. Die Positionserfassung kann mittels eines Koordinatenmesssystems, beispielsweise entlang einer Transportschiene, erfasst werden. Die Kollisionserkennung kann daher ohne weitere Messwerterfassung für unterschiedliche Objekte durchgeführt werden, sodass der Aufwand wesentlich verringert Selbstverständlich sollten erfindungsgemäß auch solche Varianten des Verfahrens nicht ausgeschlossen werden, bei denen die vergleichende Betrachtung des Lichtraumprofils mit dem Hüllprofil während der Bewegung der Referenzmarke entlang der Produktionslinie erfasst wird und gegebenenfalls ein akustisches oder optisches Signal, beispielsweise auch in Verbindung mit einer geeigneten Beleuchtung des kollisionsverursachenden Gegenstands, ausgelöst wird. Eine Positionserfassung ist dabei entbehrlich.
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Eine weitere Variante der Positionserfassung wird auch dadurch realisiert, dass zusätzlich zu dem Lichtraumprofil jeweils eine Bildaufnahme der jeweiligen Position entlang der Produktionslinie für die spätere Zuordnung des Lichtraumprofils anhand der Bilddaten erfasst wird. Die Zuordnung der möglichen Kollision zu dem kollisionsbegründenden Gegenstand erfolgt dabei rein visuell, um so dem Planer ein schnelles und einfaches Hilfsmittel zu verschaffen. Hierzu kann beispielsweise in der Bildaufnahme der Kollisionsbereich optisch hervorgehoben werden, sodass die Zuordnung unmittelbar eindeutig erkennbar ist. Fehler bei der Zuordnung der Kollision zu einzelnen Gegenständen können so zuverlässig ausgeschlossen werden.
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Eine andere ebenfalls besonders Erfolg versprechende Weiterbildung des Verfahrens wird dadurch erreicht, dass das Lichtraumprofil mittels eines zur Abstandsmessung eingesetzten Laserscanners bestimmt wird. Dieser an sich bekannte Laserscanner erfasst das Lichtraumprofil vorzugsweise als Grenzlinie, die durch X- und Y-Koordinaten eindeutig beschrieben ist. Der Laserscanner kann hierzu eine bewegliche Optik aufweisen, um so die Abstandsmessung in der Ebene durchführen zu können.
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Zu diesem Zweck ist es besonders sinnvoll, wenn die Referenzmarke auf einem Fahrgestell fixiert und entlang der Produktionslinie bewegt wird, um so das Lichtraumprofil entlang der gesamten Produktionslinie oder zumindest für einzelne Abschnitte zu erfassen. Dabei kann das Fahrgestell eines fahrbaren Objektträgers verwendet werden, wobei gegebenenfalls ein Adapter zur Aufnahme der einzelnen, zur Durchführung des Verfahrens erforderlichen Komponenten sinnvoll eingesetzt werden kann, welcher beispielsweise mittels Schnellverschlüssen mit dem Objektträger verbunden werden kann. Das Verfahren ist dabei nicht auf flurgebundene Objektträger beschränkt, sondern kann in sinnvoller Weise auch bei einer hängenden Anordnung, beispielsweise bei Deckenschienen, zum Einsatz kommen.
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Indem das Lichtraumprofil in einer Ebene quer zu der jeweiligen Orientierung des Objekts und/oder eines die Referenzmarke tragenden Fahrgestells entlang der Produktionslinie ermittelt wird, können auch Kurvenradien entsprechend Berücksichtigung finden und bei der Beurteilung einer möglichen Kollision entsprechend einfließen.
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Die Bewertung bzw. der Vergleich des Lichtraumprofils mit dem Hüllprofil des Objekts kann bildgestützt durch einen Experten erfolgen, um so auch die Erfahrungswerte eines Planers berücksichtigen zu können. Eine besonders schnelle, zumindest vorläufige Beurteilung wird hingegen dadurch erreicht, dass der Abgleich des Lichtraumprofils mit dem Hüllprofil des Objekts automatisiert mittels eines Rechners erfolgt. Selbstverständlich können die so ermittelten Problemstellen einer abschließenden Bewertung durch einen Planer zugeführt werden.
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Indem darüber hinaus der Abgleich des Lichtraumprofils mit dem Hüllprofil des Objekts fortlaufend während der Bewegung der Referenzmarke entlang der Produktionslinie erfolgt, wird nicht nur das Auftreten einer möglichen Kollision frühzeitig erkannt, sondern es wird auch die Einhaltung eines ausreichenden Sicherheitsabstands überprüft.
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Eine andere ebenfalls besonders vielversprechende Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dadurch erreicht, dass das Lichtraumprofil und das Hüllprofil des Objekts in einer gemeinsamen Darstellungsebene eines Displays visualisiert werden, wobei auch vorhandene Bilddaten des Ist-Zustands der Produktionslinie einbezogen werden können. Hierdurch wird die Planungstätigkeit zur Produktionsvorbereitung wesentlich vereinfacht, wenn auf diese Weise realitätsnahe Darstellungen das Vorstellungsvermögen des Planers unterstützen.
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Weiterhin ist es von besonderem Vorteil, wenn eine Mehrzahl von 2D-Lichtraumprofilen unterschiedlicher Querebenen entlang der Produktionslinie zu einem 3D-Lichtraumprofil verbunden bzw. ergänzt werden, um so auch die jeweiligen parallelen Ebenen vor und hinter dem jeweiligen Lichtraumprofil zu betrachten. Auf diese Weise können mögliche Kollisionsrisiken auch hinsichtlich einer veränderten Position von einzelnen Produktionsmitteln frühzeitig erkannt werden, um so insbesondere auch Kurvenfahrten sicher zu erfassen.
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Die Messwerterfassung ist nicht auf eine Ebene beschränkt. Vielmehr erweist es sich auch als besonders Erfolg versprechend, wenn das Lichtraumprofil in einer Position an der Produktionslinie zusätzlich zu einer Querebene zu der Produktionslinie auch in weiteren Ebenen erfasst wird, um so eine 3D-Messwerterfassung zu erreichen. Hierzu kann der Laserscanner mit einer zusätzlichen Schwenkachse ausgestattet sein, deren Winkel zu jeder Zeit bekannt ist. Während der Messwerterfassung bleibt der bewegliche Träger des Scanners in einer vorbestimmten Position. Neben der Querebene zur Produktionslinie wird so auch die Erfassung weiterer Ebenen ermöglicht, die sich zu einem 3D-Lichtraumprofil ergänzen lassen.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
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1 ein Objekt in einer Produktionslinie;
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2 eine Vorrichtung zur Durchführung des Abstandsmessverfahrens sowie der Positionserfassung in einer Draufsicht;
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3 eine Prinzipdarstellung der zur Kollisionsfrüherkennung erforderlichen vergleichenden Betrachtung in einer perspektivischen Darstellung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachstehend anhand der 1 bis 3 naher erläutert. Aufgabe des Verfahrens ist die Früherkennung möglicher Kollisionen von Objekten 1, hier Kraftfahrzeugkarosserien, die während der Montage entlang einer Produktionslinie 2 bewegt werden. Dabei zielt das Verfahren auf das frühe Planungsstadium ab, in dem das Objekt 1 lediglich als virtuelles Modell zumindest hinsichtlich seiner äußeren Abmessungen bekannt und durch sein Hüllprofil 3 beschrieben ist. Insbesondere soll das Verfahren bereits zu einem Zeitpunkt eingesetzt werden, in dem ein Prototyp nicht verfügbar ist. Kollisionsprobleme treten in der Praxis vor allem aufgrund der seit langem erkennbaren Tendenz auf, dass Fahrzeugmodelle derselben Baureihe bei einem Modellwechsel zunehmende äußere Abmessungen aufweisen. Dadurch kann es zu Kollisionen des neuen, größeren Modells mit Produktionsmitteln 4, beispielsweise Werkzeugen der Montagelinie, kommen, wie dies in 1 anhand einer möglichen Kollision eines Außenspiegels des Kraftfahrzeugs mit einem Produktionsmittel 4 dargestellt ist. Solche Kollisionen müssen rechtzeitig vor Aufnahme der Produktion erkannt und entsprechende Maßnahmen ergriffen werden.
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Hier setzt das erfindungsgemäße Verfahren zur virtuellen Erkennung möglicher Kollisionen an, dessen Verfahrensschritte anhand der 2 und 3 näher erläutert werden. Wesentlich für die Durchführung des Verfahrens ist eine hier beispielhaft durch einen Laserscanner realisierte Vorrichtung 5 zur Durchführung eines Abstandsmessverfahrens in Bezug auf eine Referenzmarke 6, wobei in dem dargestellten Beispiel die Vorrichtung 5 derart in dem Referenzpunkt angeordnet ist, dass eine rechnerische Berücksichtigung der Referenzmarke 6 entbehrlich ist. Die Referenzmarke 6 hat zugleich eine feste Zuordnung zu dem zu prüfenden Objekt 1. Aufgrund des Abstandsmessverfahrens wird ein Lichtraumprofil 7 als eine die Durchfahrt durch die Produktionslinie 2 begrenzende Ebene ermittelt, wobei das Lichtraumprofil 7 nicht zwingend eine geschlossene Linie bildet, sondern auch aus einzelnen Koordinaten oder Bereichen bestehen kann, die einen Mindestabstand gegenüber der Referenzmarke 6 unterschreiten. Im Interesse einer guten grafischen Darstellbarkeit hat es sich bereits als sinnvoll erwiesen, wenn solche Bereiche, deren Abstand zu der Referenzmarke 6 sehr groß ist und die daher bei der weiteren Prüfung zu vernachlässigen sind, mit den relevanten Bereichen zu einer Linie ergänzt werden. Die Vorrichtung 5 zur Durchführung des Abstandsmessverfahrens ist an einem Tragrahmen 8 angeordnet, welcher auch eine eigene elektrische Energieversorgung 9 sowie eine Steuereinheit 10 umfasst, in welcher Daten das rechnerinternen Modells des Objekts 1 abgelegt sind. Zusätzlich ist an dem Tragrahmen 8 eine Kamera 11 angeordnet. Die mittels der Kamera 11 erfassten Bilddaten werden in der Steuereinheit 10 mit den Abstandsmessdaten zu einem Datensatz verknüpft. Auf diese Weise kann das aus den Abstandsmessdaten abgeleitete Lichtraumprofil 7 einer Erfassungsebene 12 quer zu der Produktionslinie 2 sofort oder zu einem späteren Zeitpunkt mit dem rechnerinternen Modell verglichen und zur Lokalisierung einer möglichen Störkante mit Bilddaten der Kamera 11 verknüpft werden Indem der Tragrahmen 8 mit Aufnahmepunkten 13 für ein in 1 gezeigtes Fahrgestell 14 ausgestattet ist, welches baugleich mit einem Fahrgestell 14 für das Objekt 1 ausgeführt ist, kann eine Kollisionsprüfung entlang der gesamten Produktionslinie 2 durchgeführt werden, indem die Messanordnung in den laufenden Prozess eingeschleust wird.
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In 3 ist anhand einer perspektivischen Darstellung des Lichtraumprofils 7 im Verhältnis zu einem Hüllprofil 3 des Objekts 1 in Bezug auf dieselbe Referenzmarke 6 zum besseren Verständnis grafisch dargestellt. Selbstverständlich ist an dem Tragrahmen 8 keine entsprechende Darstellungsebene vorgesehen. Vielmehr erfolgt die graphische Darstellung des Lichtraumprofils 7, des Hüllprofils 3 sowie der Bilddaten der Produktionslinie 2 vorzugsweise auf einem gesonderten, von dem Tragrahmen 8 unabhängigen Display.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Objekt
- 2
- Produktionslinie
- 3
- Hüllprofil
- 4
- Produktionsmittel
- 5
- Vorrichtung
- 6
- Referenzmarke
- 7
- Lichtraumprofil
- 8
- Tragrahmen
- 9
- Energieversorgung
- 10
- Steuereinheit
- 11
- Kamera
- 12
- Erfassungsebene
- 13
- Aufnahmepunkte
- 14
- Fahrgestell
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005009437 A1 [0008]
- DE 10128015 A1 [0009]
- DE 102005023650 B4 [0010]
- US 2003/0004908 A1 [0011]
- DE 19900884 A1 [0012]
- DE 10018704 A1 [0013]
- DE 10226198 A1 [0014]
- DE 10258655 A1 [0015]
- EP 0813169 A2 [0016]
- GB 2434269 A [0018]
