-
Gebiet der Erfindung
-
Die Erfindung betrifft ein Messverfahren zur Lagebestimmung eines auf einem Schalenbauteil aufgebachten Omegaprofil-Bauteils, bei welchem die IST-Lage des Omegaprofil-Bauteils relativ zum Schalenbauteil optisch berührungslos erfasst wird, um diese anschließend mit einer definierten SOLL-Lage zu vergleichen. Daneben betrifft die Erfindung auch eine dieses Messverfahren umsetzende Messvorrichtung und ein hiermit im Zusammenhang stehendes Computerprogrammprodukt für die Messvorrichtung.
-
Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf den Flugzeugbau. Insbesondere Verkehrsflugzeuge werden hinsichtlich der großvolumigen Rümpfe in Schalenbauweise gefertigt, wobei eine innenliegende Versteifungsstruktur ein Schalenbauteil trägt, welche als Außenhaut die Außenoberfläche des Rumpfes bildet. Die innenliegende Versteifungsstruktur besteht gewöhnlich aus längs verlaufenden Stringern und quer hierzu in etwa ringförmig verlaufenden Spanten, welche innenliegend auf dem Schalenbauteil gefügt sind. Bei modernen Fertigungstechnologien werden zumindest die Stringer im Zuge der Fertigung das Schalenbauteil hiermit stoffschlüssig gefügt, so dass separate Befestigungsmittel, wie Nieten, entfallen können. Hierfür kommen neben T-Stringer auch sogenannte Omega-Stringer zum Einsatz, die hier auch als Omegaprofil-Bauteile bezeichnet werden. Unter Omegaprofil-Bauteilen werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung Querschnittsformen von Profilbauteilen verstanden, welche einen offenen Profilquerschnitt aufweisen und gemeinsam mit dem Schalenbauteil ein geschlossenes Profil ergeben. Dabei sind die Profilquerschnitte z. B. symmetrisch und weisen zwei einander gegenüberliegende, sich von dem Schalenbauteil weg erstreckende zueinander nicht parallele Flankenseiten auf.
-
Derartige Profilquerschnitte besitzen gegenüber den T-Stringern ein größeres Flächenträgheitsmoment und verleihen insbesondere einer Flugzeugstruktur hierdurch eine hohe Stabilität. Bei einem Omegaprofil-Bauteil handelt es sich nach einer speziellen Ausführungsform, um einen aus Metall oder Kunststoff bestehendes Versteifungsprofil mit in etwa hutförmigem symmetrischem Querschnitt. Neben dem Flugzeugbau können diese Bauteile auch in Verbindung mit anderen großflächigen Schalenbauteilen aus der Automobiltechnik, der Schiffstechnik und dergleichen eingesetzt werden. Die erfindungsgemäße Lösung ist auch hierauf anwendbar.
-
Hintergrund der Erfindung
-
Aus der
DE 103 31 358 A1 geht ein Herstellungsverfahren für ein Strukturbauteil eines Flugzeugrumpfes hervor, bei welchem die Stringer stoffschlüssig mit dem Schalenbauteil durch einen speziellen Herstellungsprozess gefügt werden. Hierbei werden die äußeren Oberflächen eines Formträgers mit von Ringkanälen eingeschlossenen modularen Profilen mit einer lose aufliegenden Folie abgedeckt. Der durch die Zwischenräume gebildete Hohlraum wird mit einem Vakuum derart beaufschlagt, dass die Folie über den Ringkanal und Schlitze der modularen Profile angesaugt wird. Nach Erreichen eines ausreichenden Vakuums wird die Rolle der Folie mit der Rolle einer Vakuumhaut derart gekoppelt, dass die Folie aufgerollt und die Vakuumhaut auf den äußeren Oberflächen der modularen Profile abgerollt und formgetreu in die Profilnuten der Vertiefungen eingezogen wird. Anschließend werden in die von der Vakuumhaut bedeckten Profilnuten mit Stützelementen versehene Stringer eingelegt. Auf von der Vakuumhaut bedeckten äußeren Oberflächen der modularen Profile und die Stringer werden anschließend alle Hauschichten aus Faserverbundwerkstoffen aufgelegt. Auf die äußere Hautschicht wird schließlich eine Siegelmasse in optimaler Menge aufgetragen. Auf die Siegelmasse wird eine Strukturschale passgenau aufgelegt, um die Siegelmasse derart zu verdichten, dass eine vakuumdichte Siegelung zwischen der Vakuumhaut und der Strukturschale entsteht. Nach Erreichen des vorgesehenen Prozessvakuums geht der Kavität zwischen der Vakuumhaut und der Strukturschale wird das Vakuum mit abgeschaltet und der Hohlraum wird zur Atmosphäre geöffnet. Darauf folgen kann die Strukturschale angehoben und um 180° gedreht werden, um diese einen Injektions- und Härtungsprozess zuzuführen. Anschließend lässt sich die fertige Strukturschale, bestehend aus Schalenbauteil mit Stringer entformen.
-
Vor Aushärtung und/oder nach Herstellung eines solchen Strukturbauteils ist eine Vermessung der Stringerlage relativ zum Schalenbauteil erforderlich, um eine Qualitätskontrolle auf Maßhaltigkeit durchzuführen. Dies erfolgt bislang aufwendig durch manuelles Vermessen beispielsweise unter Nutzung von photometrischen Verfahren, bei welchen zunächst Markierungen an der Stringerstirnfläche sowie dem Schalenbauteil angebracht werden müssen, die anschließend über eine Bildkamera erfasst werden und per Bildverarbeitung ausgewertet werden.
-
Die vorliegende Erfindung ist allerdings auch unabhängig von dem vorstehend beschriebenen sogenannten AutoVac-Verfahren anwendbar. Der grundsätzliche Anwendungsfall ist ein Schalenbauteil mit Omegaprofil-Bauteilen, unabhängig von deren Herstellungsverfahren.
-
Kurzbeschreibung der Erfindung
-
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Messverfahren sowie eine Messvorrichtung zur Lagebestimmung eines auf einem Schalenbauteil aufgebrachten speziellen Omegaprofil-Bauteils zu schaffen, welches/welche eine schnelle und genaue berührungslose Messwerterfassung gestattet.
-
Die Aufgabe wird ausgehend von einem Messverfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
-
Die Erfindung schließt die verfahrenstechnische Lehre ein, dass mehrere beabstandet nebeneinander – also mehrere einzeln – angeordnete Messpunkte an zwei einander gegenüberliegenden Flankenseiten des Profilquerschnitts des Omegaprofil-Bauteils genutzt werden, durch welche eine Regressionsgerade gelegt wird, deren Schnittpunkt zur Lagebestimmung des Omegaprofil-Bauteils relativ zum Schalenbauteil herangezogen wird. Mit anderen Worten werden keine zuvor angebrachten Klebemesspunkte zur Bildverarbeitung genutzt, sondern die Messpunkte werden aus der charakteristischen Profilform, nämlich den einander gegenüberliegenden Flankenseiten, gewonnen. Natürlich dürfen die Flankenseiten zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Messverfahrens nicht parallel zueinander verlaufen, da sich sonst kein Schnittpunkt der Verbindungslinien ergeben würde. Ferner sollte eine Raumkoordinate, so beispielsweise eine z-Koordinate, konstant vorgegeben oder gesetzt werden, so dass eine 2D-Schnittebene resultiert und sich die Regressionsgeraden in der jeweiligen 2D-Schnittebene schneiden. In der 2D-Schnittebene ist typischerweise eine Orthogonalität gewährleistet. Der über die Flankenseiten des Omegaprofil-Bauteils gewonnene Schnittpunkt repräsentiert die Position des Omegaprofil-Bauteils, in der jeweiligen 2D-Schnittebene, relativ zum Schalenbauteil und wird hiermit in Bezug gesetzt.
-
Als Omegaprofil-Bauteil können beispielsweise Stringer bezeichnet werden oder andere Bauteile, deren Position relativ zu einem Schalenbauteil zu ermitteln sind.
-
Vorzugsweise erfolgt dies, indem durch den Schnittpunkt eine Winkelhalbierungslinie in Richtung Schalenbauteil gelegt wird, um im Profilquerschnitt einen der IST-Positionen des Omegaprofil-Bauteils entsprechenden IST-Lagepunkt auf dem Schalenbauteil zu markieren.
-
Dieser IST-Lagepunkt wird vorzugsweise mit einem der SOLL-Lage des Omegaprofil-Bauteils entsprechenden SOLL-Lagepunkt mit einem CAD-Modell verglichen, um eine Lageabweichung an der Stelle des Profilquerschnitts festzustellen. Somit wird also über den IST-/SOLL-Vergleich der Lagepunkte die Qualitätskontrolle nach dem Herstellungsprozess durchgeführt. Die zum Vergleich herangezogenen SOLL-Lagepunkte können dabei aus einem CAD-Modell des zu fertigenden Bauteils gewonnen werden, indem hieran die idealen SOLL-Messpunkte am Omegaprofil-Bauteil festgelegt werden. Mit anderen Worten werden die SOLL-Messpunkte am CAD-Modell festgelegt, durch welchen die Verbindungslinie gezogen wird, um den gemeinsamen Schnittpunkt zu bestimmen, dessen Winkelhalbierungslinie dann den SOLL-Lagepunkt auf dem Schalenbauteil definiert.
-
Zur Umsetzung der erfindungsgemäßen Lösung, die vorzugsweise auf mathematischer Berechnung und berührungslos koordinatenbasierender Meßpunkterfassung des Profilquerschnitts basiert und daher softwaretechnisch erfolgen kann, ist keine direkte Zugänglichkeit des Schalenbauteils notwendig und dieses braucht während der Messung weder betreten noch berührt zu werden. Da gemäß der erfindungsgemäßen Lösung die Messpunkte an der jeweiligen Stelle des Omega-Profilbauteils ausschließlich in einer senkrecht zum Profil stehenden Ebene liegen, kann eine besonders korrekte Auswertung und Berechnung der IST-Lagepunkte des Omega-Profilbauteils erfolgen. Die berührungslose koordinatenbasierte Lagebestimmung des Omega-Profilbauteils lässt sich ohne weitere Störungen in den Fertigungsablauf integrieren und ist mit hoher Exaktheit wiederholbar.
-
Hierdurch ist eine korrekte Vergleichbarkeit verschiedener gleichartiger Strukturbauteile untereinander möglich. Die Lagebestimmung des Omega-Profilbauteils erfolgt stets an derselben Stelle, welche exakt in einer senkrechten Ebene längs der Achse des Omega-Profilbauteils liegt.
-
Gemäß einer die Erfindung verbessernden Maßnahme lässt sich auch des Verlaufs des Omega-Profilbauteils messen, also die Mittellinie, entlang welcher der Omegaprofil-Bauteil entlang des Schalenbauteils verläuft. Hierfür bilden mehrere entlang des Omegaprofil-Bauteils ermittelte IST-Lagepunkte eine IST-Mittellinie, welche mit einer SOLL-Mittellinie verglichen wird, um eine Lageabweichung des Verlaufs des Omega-Profilbauteils festzustellen, also in ähnlicher Weise wie bei der Feststellung der Lageabweichung an einer Stelle des Profilquerschnitts, wie oben beschrieben.
-
Vorzugsweise sollten die eingemessenen IST-Lagepunkte zur Bestimmung der IST-Mittellinie zwischen 0,2 bis 1,0 Meter zueinander beabstandet liegen, um einen 10 bis 30 Meter langen Omegaprofil-Bauteil messtechnisch korrekt hinsichtlich des Verlaufs des Omega-Profilbauteils einzumessen.
-
Gemäß einer anderen die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass die zur Gewinnung des Schnittpunktes herangezogenen Regressionsgeraden zwischen den nebeneinander angeordneten Messpunkten mittels BestFit-Verfahren festgelegt werden. Im Allgemeinen reichen drei bis sieben Messpunkte aus, um nach dem BestFit-Verfahren den gemittelten Verlauf der jeweiligen Regressionsgeraden zu bestimmen. Bei BestFit-Verfahren wird ein Geradenverlauf so gelegt, dass möglichst geringe Abstände zwischen dem Geradenverlauf und dem jeweiligen Messpunkt entstehen, welche in der Realität nicht genau auf einer Geraden liegen können.
-
Das vorstehend beschriebene Messverfahren lässt sich mit einer Messeinheit, die beispielsweise berührungslos nach dem Prinzip der Frequenzmodulation (FM) arbeitet, vorrichtungstechnisch durchführen. Dieser Messeinheit ist eine elektronische Auswerteeinheit für die Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte nachgeschaltet. Es werden zunächst anhand der hinterlegten SOLL-Lagepunkte die IST-Lagepunkte an den Flankenseiten des Profilquerschnitts des Omega-Profils festgelegt. Dies kann per Laserradar vorzugsweise im Messmodus „Surface Vector Intersection (SVI)” erfolgen. In diesem speziellen Messmodus tastet die Laserradareinheit entlang des Normalenvektors im SOLL-Messpunkt, bis der Laserstrahl auf das Material des Omegaprofil-Bauteils trifft und nimmt dann die Messung vor. Hierdurch wird unter anderem gewährleistet, dass sich alle IST-Messpunkte in exakt einer Ebene, nämlich der Schnittebene befinden. Als Laserradareinheit kann ein handelsübliches nicht taktil arbeitendes mobiles Koordinatenmessgerät verwendet werden.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnung
-
Die Erfindung wird nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
-
1 eine schematische perspektivische Ansicht eines auf einem Schalenbauteil aufgebrachten Omegaprofil-Bauteils mit Messvorrichtung,
-
2 eine schematische Draufsicht des auf dem Schalenbauteil aufgebrachten Omegaprofil-Bauteils im Profilquerschnitt für die Ermittlung des SOLL-Lagepunktes,
-
3 eine schematische Draufsicht des auf dem Schalenbauteil aufgebrachten Omegaprofil-Bauteils im Profilquerschnitt für die Ermittlung des IST-Lagepunktes.
-
Detailbeschreibung der Zeichnung
-
Gemäß 1 ist auf einem hier ausschnittsweise dargestellten Schalenbauteil 1 eines Flugzeugs ein Omegaprofil-Bauteil 2, beispielsweise ein Stringer oder ein Längsträgerbauteil, mit charakteristisch hutförmigem Querschnittsprofil aufgebracht, dessen relative Lagezum Schalenbauteil 1, beispielsweise eine Hautschale eines Luftfahrzeugs, vermessen werden soll. Hierfür dient eine als Laserradareinheit ausgebildete Messeinheit 3, welche den Profilquerschnitt des Omegaprofil-Bauteils 2 frontal erfasst. Die von der Messeinheit 3 erfassten Messdaten, beispielsweise 3D-Koordinaten, werden in einer nachgeschalteten Auswerteeinheit 4 ausgewertet, um die IST-Lage des Omegaprofil-Bauteils 2 auf dem Schalenbauteil 1 mit der vorgegebenen SOLL-Lage zu vergleichen.
-
Mehrere die IST-Lage des Omegaprofil-Bauteils 2 kennzeichnende Lagepunkte im Querschnittsprofil an verschiedenen Stellen entlang des Omegaprofil-Bauteils 2 kennzeichnen eine IST-Mittellinie 11, die mit einer SOLL-Mittellinie verglichen werden kann, um eine Lageabweichung des Verlaufs beispielsweise eines Stringers festzustellen.
-
Nach 2 wird die SOLL-Lage des Omegaprofil-Bauteils 2 relativ zum Schalenbauteil 1 aus einem die gewünschte Lage vorgebenden CAD-Modell gewonnen, in dem beim CAD-Modell zu Vergleichszwecken ein SOLL-Lagepunkt 5 ermittelt wird, der die korrekte relative Lage des Omegaprofil-Bauteils 2 zum Schalenbauteil 1 eindeutig kennzeichnet.
-
Zur Gewinnung des SOLL-Lagepunktes 5 werden zunächst jeweils fünf zueinander äquidistant beabstandete Messpunkte 6 an den beiden einander gegenüberliegenden nichtparallelen Flankenseiten 7a und 7b des Profilquerschnitts des Omegaprofil-Bauteils 5 festgelegt. Im SVI-Messmodus der – nicht weiter dargestellten – Messeinheit 3 tastet das Laserradar entlang eines Normalenvektors 8 in jedem Messpunkt 6, bis der Laserstrahl auf das Material des Omegaprofil-Bauteils 2 trifft und nimmt dann die Messung vor. Dadurch wird gewährleistet, dass sich alle Messpunkte 6 in exakt einer Schnittebene befinden.
-
Durch die Reihe von Messpunkten 6 an jeder Flankenseite 7a und 7b wird anschließend eine Regressionssgerade 8a und 8b gelegt, deren Schnittpunkt 9 zur Lagebestimmung des Omegaprofil-Bauteils 2 relativ zum Schalenbauteil 1 herangezogen wird, indem durch den Schnittpunkt 9 eine Winkelhalbierungslinie 10 in Richtung Schalenbauteil 1 festgelegt wird. Der Schnittpunkt zwischen der Winkelhalbierungslinie 10 und dem Schalenbauteil 1 kennzeichnet den SOLL-Lagepunkt 5.
-
Der aus der 3 ersichtliche IST-Lagepunkt 5' wird anhand der realen Verhältnisse der IST-Lage des Omegaprofil-Bauteils 2 relativ zum Schalenbauteil 1 ermittelt. Die einander gegenüber liegenden Flankenseite 7a' und 7b' weichen im Flankenwinkel und der Oberflächenebenheit vom Soll ab. Um aus den daher nicht exakt auf einer Geraden liegenden Messpunkten 6' eine Gerade zu generieren, wird eine Regressionsgerade der Messpunkte 6' im BestFit-Verfahren festgelegt. Der Schnittpunkt 9' der beiden Regressionsgeraden 8a' und 8b' liegt somit – übertrieben dargestellt – außerhalb der Bauteilsymmetrie und die Winkelhalbierungslinie 10' markiert im Schnittpunkt mit dem Schalenbauteil 1 den gesuchten IST-Lagepunkt 5'.
-
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend” keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine” oder „ein” keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Schalenbauteil
- 2
- Omegaprofil-Bauteil
- 3
- Messeinheit
- 4
- Auswerteeinheit
- 5
- Lagepunkt
- 6
- Messpunkt
- 7
- Flankenseite
- 8
- Regressionsgeraden
- 9
- Schnittpunkt
- 10
- Normalenvektor
- 11
- Mittellinie
-
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
-
