DE102014113395A1

DE102014113395A1 - Verfahren und Anlage zur Vermessung von Oberflächen

Info

Publication number: DE102014113395A1
Application number: DE102014113395.1A
Authority: DE
Inventors: Christian Krombholz
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2014-09-17
Filing date: 2014-09-17
Publication date: 2016-03-17
Anticipated expiration: 2034-09-18
Also published as: DE102014113395B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zum Vermessen von Oberflächen von Objekten, wobei mit Hilfe eines Lichtprojektionsverfahrens die Oberfläche 2 vermessen wird. Mit Hilfe einer Positionsermittlungseinrichtung, die mit Hilfe von optischen Messeinheiten die aktuelle Position einer Lichtprojektionseinheit berührungslos erfasst, können Positionier- und Bahnungenauigkeiten der Roboteranlage beim Vermessen kompensiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine hierzu korrespondierende Anlage zur Vermessung von Oberflächen von Objekten, insbesondere von Faserhalbzeugoberflächen von auf einem Werkzeug abgelegten Faserhalbzeugen.
Aufgrund der besonderen Eigenschaft, bei einem relativ geringen spezifischen Gewicht einer besonders hohe Festigkeit und Steifigkeit aufzuweisen, finden Faserverbundwerkstoffe mittlerweise in vielen Bereichen Anwendung. Nicht selten werden dabei auch sicherheitskritische Bauteile, wie beispielsweise Flügelspanten oder lasttragende Elemente aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt. Nachteilig bei der Verwendung von Faserverbundwerkstoffen sind jedoch die hohen Herstellungskosten, die in dem oft schlecht zu automatisierenden Herstellungsprozess begründet liegen.
Gerade im Automobilbereich sowie in der Luft- und Raumfahrt besteht jedoch die Bestrebung, möglichst viele Bauelemente aus einem Faserverbundwerkstoff in der Serienproduktion herstellen zu können, um so die Stückkosten zu reduzieren. Hierdurch sollen Faserverbund-Bauelemente in komplexen Bauteilen oder Gütern, die in hoher Stückzahl gefertigt werden (beispielsweise Autos) etabliert werden. Aber auch bei großen Bauelementen, wie beispielsweise Flügel von Flugzeugen oder Rotorblätter von Windkraftanlagen, ist ein automatisierter Herstellungsprozess wünschenswert, weil derartige Großbauteile sehr hohe Kosten verursachen, wenn der Herstellungsprozess viel Handarbeit erfordert.
So ist beispielsweise aus der DE 10 2010 015 027 A1 eine Faser-Legevorrichtung bekannt, bei der auf einem umlaufenden Schienensystem mehrere Roboter geführt werden, die jeweils einen Ablegekopf haben, mit dem Faserhalbzeuge auf einem in der Mitte des umlaufenden Schienensystems vorgesehenen Werkzeug abgelegt werden können. Durch diese Form des Ablegens von Faserhalbzeugen mit Hilfe von Robotern kann der Legeprozess zur Bildung der herzustellenden Bauteilform automatisiert werden, was insbesondere die Herstellung großer Bauelemente begünstigt.
Mit den zunehmenden Versuchen der Automatisierung solcher Ablegeprozesse rückt jedoch der Aspekt der Qualitätssicherung mehr und mehr in den Fokus, insbesondere dann, wenn sicherheitskritische Bauelemente aus einem Faserverbundwerkstoff in einem automatisierten Herstellungsprozess hergestellt werden sollen. Die durch die Automatisierung des Prozesses erfolgten Einsparungen werden dann meist durch eine erhöhte Qualitätssicherung, insbesondere am fertigen Bauteil, sowie einer höheren Ausschussrate zunichte gemacht.
So ist beispielsweise aus der nachveröffentlichten DE 2012 111 898 ein Verfahren bekannt, mit dem der Faserwinkel von faserverstärkten Verbundwerkstoffen mit Hilfe eines Laserschnittsensors ermittelt werden kann, um so den Faserverlauf insbesondere von Verstärkungsfasern überwachen zu können.
Aus der nachveröffentlichten DE 10 2013 104 546.4 ist des Weiteren ein Verfahren zum Erkennen von Fehlstellen von auf einer Werkzeugoberfläche abgelegter Faserhalbzeuge bekannt, bei dem mit Hilfe eines Lichtprojektionsverfahrens ein Höhenprofil der Halbzeugoberfläche des abgelegten Faserhalbzeuges ermittelt wird, wobei in Abhängigkeit des ermittelten Höhenprofils dann Fehlstellen in den Bauteilen ermittelt werden können. Aufgrund der Tatsache, dass mit dem zunehmenden Qualitätsanspruch auch der Anteil der Qualitätssicherung steigt und die geforderten Toleranzen nicht selten im Submillimeterbereich (kleiner als 0,1 mm) liegen, werden daher besondere Ansprüche an die Messgenauigkeit derartiger Messverfahren gestellt. Mit herkömmlichen Roboteranlagen ist eine derartige Genauigkeit insbesondere bei großen Bauteilen nicht mehr hinreichend erreichbar, da die Positionier- und Bahnungenauigkeiten des Positioniersystems zu groß sind. So sind Ungenauigkeiten von mehreren 100 Mikrometern schnell erreicht und limitieren somit die Genauigkeit des Systems. Alternativ können hochgenaue Verfahreinheiten verwendet werden, die jedoch meist die Kosten der Anlage nicht rechtfertigen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Anlage zur Vermessung von Oberflächen von Objekten für die Qualitätssicherung anzugeben, mit dem die Oberfläche eines Objektes auch mit herkömmlichen Verfahreinheiten sehr genau vermessen werden kann. Es ist insbesondere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren der Anlage anzugeben, mit dem Faserhalbzeugoberflächen abgelegter Faserhalbzeuge mit Hilfe von Robotern vermessen werden können, wobei die Messgenauigkeit im Submilliterbereich (kleiner als 0,1 Millimeter) liegen soll.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie der Anlage gemäß Anspruch 10 gelöst.
Gemäß Anspruch 1 wird ein Verfahren zur Vermessung von Oberflächen von Objekten vorgeschlagen, bei dem zunächst ein Höhenprofil der Oberfläche des Objektes ermittelt werden soll. Das Ermitteln des Höhenprofils erfolgt dabei mittels eines optischen Vermessungsverfahrens, bei dem eine optische Vermessungseinheit zum Erfassen von Messdaten bezüglich der Oberfläche gegenüber der Oberfläche des Objektes bewegt wird. Mittels des optischen Vermessungsverfahrens können dabei durch die optische Vermessungseinheit 3D-Messdaten bezüglich der Oberfläche des Objektes ermittelt werden, so dass sich aus der Gesamtheit der erfassten Messdaten dann ein Höhenprofil der gesamten Oberfläche des Objektes berechnen lässt. Demnach wird durch eine Höhenprofil-Ermittlungseinheit das Höhenprofil der Oberfläche des Objektes in Abhängigkeit von den erfassten Messdaten berechnet.
Erfindungsgemäß wird nunmehr vorgeschlagen, dass die Position der optischen Vermessungseinheit, die gegenüber der Oberfläche des Objektes zur Erfassung der Messdaten und demzufolge zum Berechnen des Höhenprofils verfahren wird, durch eine Positionsermittlungseinrichtung während des Erfassens der Messdaten ermittelt wird. Die Ermittlung der Position erfolgt dabei mittels einer Mehrzahl von optischen Messeinheiten, die jeweils einen Abstand zu einem Referenzpunkt, der vorzugsweise an der optischen Vermessungseinheit angeordnet sein kann, berührungslos erfassen und mittels einer Recheneinheit die jeweils aktuelle Position der optischen Vermessungseinheit während des Erfassens der Messdaten in Abhängigkeit von den erfassten Abständen berechnet.
Hierdurch lässt sich die Position der optischen Vermessungseinheit während des Erfassens der Messdaten hoch genau ermitteln, so dass die dem Höhenprofil zugrundeliegenden Positionsinformationen bezüglich der zu untersuchenden Oberfläche in Abhängigkeit von der durch die Positionsermittlungseinrichtung aktuell ermittelten Position ermittelt werden kann.
Mit Hilfe der Höhenprofil-Ermittlungseinheit kann nun eine Positionsinformation zu den erfassten Messdaten in Abhängigkeit von der jeweils aktuellen Position der erfassten Messdaten zugeordnet werden, um so die erfassten Messdaten bezüglich der Messposition auf der Oberfläche zu referenzieren. Damit kann jedem Messdatum, aus denen sich dann in der Vielzahl das gesamte Höhenprofil der Oberfläche ergibt, einer jeweiligen Position zugeordnet werden, an der das jeweilige Messdatum durch die optische Vermessungseinheit erfasst wurde. Da die Positionsinformation, die dem Messdatum zugrunde liegt, anhand der durch die Positionsermittlungseinrichtung erfassten Position ermittelt wird, können Nachgiebigkeiten und Ungenauigkeiten beim Verfahren der optischen Vermessungseinheit korrigiert werden, damit nunmehr das Messdatum auf die aktuelle Messposition referenziert wird.
Anschließend wird das Höhenprofil in Abhängigkeit von den erfassten Messdaten und der den jeweiligen Messdaten zugeordneten Positionsinformationen berechnet, so dass sich nicht nur ein Höhenprofil der gesamten Oberfläche ergibt, sondern das Höhenprofil in Bezug auf die Oberfläche hochgenau ist.
Es wird somit möglich, die exakte Position, in der sich die optische Vermessungseinheit in Bezug auf die Oberfläche zur Ermittlung des Höhenprofils befindet, zu erfassen, so dass die Angabe darüber, an welcher Position gerade die Oberfläche des Objektes vermessen wurde, mit den Messdaten aus dem optischen Vermessungsverfahren korreliert werden können. Hieraus ergibt sich eine hochgenaue Positionsinformation bei der Erfassung des Höhenprofils der Oberfläche, so dass Positionier- und Bahnungenauigkeiten beim Verfahren der optischen Vermessungseinheit gegenüber der Oberfläche des Objektes kompensiert werden können.
Derartige optische Vermessungsverfahren können beispielsweise Lichtprojektionsverfahren sein, bei denen durch eine Lichtprojektionseinheit die Oberfläche des Objektes mit Licht einer Lichtquelle aus einer ersten Richtung beleuchtet und das von der Oberfläche reflektierte Licht der Lichtquelle aus einer anderen, zweiten Richtung mit einer Kamera aufgenommen wird. In den aufgenommenen Bilddaten ist zumindest das Licht enthalten, welches die Lichtquelle aus einer ersten Richtung auf die Oberfläche projiziert und von wo es dann aus zumindest in Richtung der Kamera reflektiert wird. Mittels der Höhenprofil-Ermittlungseinheit lässt sich dann in Abhängigkeit von dem reflektierten Licht aus den aufgenommenen Bilddaten das Höhenprofil berechnen.
Durch das Beleuchten der Oberfläche des Objektes aus einem definierten Winkel und Aufnehmen des reflektierten Lichtes unter einem definierten anderen Winkel können je nach Feinstrukturierung des Beleuchtungslichtes jegliche Profilierungen in der Oberfläche erfasst werden, so dass sich ein hochgenaues Profil der Oberfläche berechnen lässt. Die Beleuchtung kann dabei mittels abgegrenzter Punkte, Linien, Streifen oder sonstigen definierten hellen/dunklen Mustern erfolgen und ist in der Regel auf einen bestimmten Bereich begrenzt.
Derartige Lichtprojektionsverfahren, insbesondere die speziellen Lichtschnittverfahren, sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt, wobei die Erfinder im Zusammenhang insbesondere mit Faserverbundwerkstoffen erkannt haben, dass mittels der hochgenauen Positionsermittlungseinrichtung und dem Lichtprojektionsverfahren ein sehr genaues Höhenprofil ermittelbar ist.
Aus dem ermittelten Höhenprofil lassen sich so beispielsweise Fehlstellen in der Oberfläche erkennen, beispielsweise einer Faserhalbzeug-Oberfläche. Unter einer Fehlstelle einer Faserhalbzeugoberfläche wird im Sinne der vorliegenden Erfindung beispielsweise eine Material- bzw. Faserveränderung verstanden, die zu einem fehlerhaften Aufbau bzw. zu einem fehlerhaften Bauteil führen kann.
Die Positionsermittlungseinrichtung ermittelt dabei die Positionen der optischen Vermessungseinheit durch das Ermitteln mehrerer Abstände, wodurch auf Basis einer Multilateration dann die Positionen der optischen Vermessungseinheit ermittelbar werden. So ist es beispielsweise denkbar, dass der Referenzpunkt an der optischen Vermessungseinheit vorgesehen ist, beispielsweise in Form eines reflektierenden Objektes, wobei in einem Abstand hierzu mehrere optische Messeinheiten vorhanden sind, die jeweils in Abstand zu dem reflektierenden Objekt als Referenzpunkt an der optischen Vermessungseinheit ermitteln. Aus den ermittelten Abständen der einzelnen optischen Messeinheiten lässt sich dann die Position der optischen Vermessungseinheit in Bezug auf die Oberfläche des Objektes berechnen.
Denkbar ist allerdings auch, dass die optischen Messeinheiten an der optischen Vermessungseinheit angeordnet sind und auf einen gemeinsamen Referenzpunkt, beispielsweise jedenfalls ein reflektierendes Objekt, dessen Position fest im Raum steht, fokussieren und so den Abstand zu dem fest im Raum stehenden Referenzpunkt ermitteln. Denkbar sind hier allerdings auch mehrere feststehende Referenzpunkte.
Unter der Positionsinformation, die dem jeweiligen erfassten Messdatum zugrunde gelegt wird, kann insbesondere die Position des Messdatums in Bezug auf die Oberfläche des Objektes verstanden werden. Demnach kann die Positionsinformation eine Positionsangabe im objekteigenen Koordinatensystem darstellen, so dass durch die Positionsangabe das erfasste Messdatum in Bezug auf die Oberfläche des Objektes hochgenau referenziert werden kann. Denkbar ist aber auch, dass die Positionsinformation eine absolute Positionsangabe darstellt, die dann in das bauteileigene Koordinatensystem umrechenbar ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird eine Abweichung zwischen einer vorgegeben Soll-Position, an der die optischen Vermessungseinheit mittels einer Positioniereinrichtung zum Ermitteln des Höhenprofils positioniert werden soll, und der aktuellen Ist-Position, die von der Projektionsermittlungseinrichtung während der Ermittlung des Höhenprofils ermittelt wurde, erkannt. Anhand dieser erkannten Abweichung kann dann die zugrundeliegende Positionsinformation ermittelt werden, bspw. durch Korrektur der vorliegenden Soll-Position oder durch Hinterlegen der Abweichung zusammen mit der Soll-Position. Hierdurch lassen sich die Positionierungenauigkeiten, die in dem verwendeten Positionierverfahren zugrunde liegen, kompensieren.
So wird die optische Vermessungseinheit mit Hilfe der Positioniereinheit entsprechend an die vorliegende Soll-Position verfahren, wobei aufgrund der Ungenauigkeit des zugrundeliegenden Positioniersystems die vorgegebene Soll-Position nicht exakt angefahren wird, sodass die Ist-Position gegenüber der Soll-Position im Bereich der Ungenauigkeiten des Positioniersystems abweicht. Diese Abweichung lässt sich nur mit Hilfe der hochgenauen Positionsermittlungseinrichtung mit Hilfe eines Multilaterationsverfahrens feststellen, wodurch sich die dem Höhenprofil zugrundeliegende Positionsinformationen entsprechend korrigieren lassen. Denn andernfalls würde die optische Vermessungseinheit Messdaten erfassen, die von der eigentlichen Position, an der die Messdaten erfasst werden sollen, abweichen. Es würden sich somit bezüglich der Messposition entsprechende Ungenauigkeiten in dem Höhenprofil ergeben. Mit Hilfe der Positionsermittlungseinrichtung kann diese Abweichung korrigiert werden, sodass entsprechend hochgenau die Messdaten für die jeweilige Position bezüglich der Oberfläche vorliegen.
Da es konstruktiv nicht möglich ist, den Messpunkt zur Ermittlung der Position beim Erfassen des Höhenprofils bzw. der Höhenprofildaten direkt auf die Oberflächen zu versetzen, ist es besonders vorteilhaft, wenn die Lage bzw. Ausrichtung der optischen Vermessungseinheit erfasst wird, wobei das Höhenprofil dann weiterhin unter Berücksichtigung der ortsfesten Lage der optischen Vermessungseinheit während der Ermittlung des Höhenprofils ermittelt wird. Unter der Lage der optischen Vermessungseinheit ist dabei insbesondere die Ausrichtung der optischen Vermessungseinheit auf die Oberfläche zu verstehen. Mit Hilfe eines Messsystems lässt sich nun diese Lage in Bezug auf die zu untersuchende Oberfläche feststellen und bei der Erfassung des Höhenprofils verarbeiten. Gerade im Bereich der optischen Lichtprojektionsverfahren können dabei Ungenauigkeiten im Höhenprofil basierend auf einer Lageverschiebung kompensiert werden.
So ist es beispielsweise denkbar, dass Beschleunigungssensoren zur Erfassung der Raumlage der optischen Vermessungseinheit verwendet werden. Denkbar ist aber auch, dass die Steuerungsdaten und Lagesensoren der Positioniereinrichtung, mit der die optischen Vermessungseinheit bezüglich der zu untersuchenden Oberfläche positioniert wird, als Grundlage für die Erfassung der Lage der optischen Vermessungseinheit verwendet werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird zur Ermittlung der Lage die Positionsermittlungseinrichtung verwendet. Hierfür befinden sich an der optischen Vermessungseinheit mehrere Messbereiche, bezüglich derer die Position ermittelt wird. Hieraus ergeben sich mehrere Positionsdaten für verschiedene Messbereiche an der optischen Vermessungseinheit, wobei anhand der geometrischen bzw. konstruktiven Zusammenhänge der einzelnen Messbereiche dann die Raumlage der optischen Vermessungseinheit ermittelbar ist.
Hierbei ist es beispielsweise denkbar, dass mehrere Referenzpunkte an der optischen Vermessungseinheit angeordnet sind, bezüglich derer die Position mit Hilfe von optischen Messeinheiten ermittelt wird. Liegen dann beispielsweise für drei Referenzpunkte jeweils Positionsdaten der optischen Vermessungseinheit vor, kann aus dem geometrischen Zusammenhang der einzelnen Referenzpunkte die Raumlage der optischen Vermessungseinheit abgeleitet werden.
Vorteilhafterweise handelt es sich bei der Oberfläche, die untersucht werden soll, um eine Faserhalbzeugoberfläche von auf einem Werkzeug abgelegter Faserhalbzeuge. Die Erfinder haben dabei erkannt, dass sich mit Hilfe des optischen Vermessungseinheit besonders gut die abgelegte Oberfläche untersuchen lässt, wobei mit Hilfe der hochgenauen Positionsermittlungseinrichtung die erhobenen Messdaten im Submillimeterbereich korrekt sind.
Vorteilhafterweise kann das optische Vermessungsverfahren ein Lichtschnittverfahren sein, bei dem eine Lichtlinie auf die Oberfläche unter einem speziellen Winkel projiziert und diese so produzierte Lichtlinie unter einem anderen Winkel mit Hilfe einer Kamera aufgenommen wird. Durch Höhenänderung innerhalb der Oberfläche entstehen Ablenkungen und Richtungsänderungen der Linie in den aufgenommen Bilddaten, wodurch auf das entsprechende Höhenprofil geschlossen werden kann. Vorteilhafterweise handelt es sich bei der Lichtquelle um eine Laserlichtquelle, bei der mit Hilfe einer entsprechenden Linse das Laserlicht entsprechend aufgeweitet wird.
Vorteilhafterweise wird eine dreidimensionale Oberflächenstruktur als Höhenprofil mittels des optischen Vermessungsverfahrens ermittelt, sodass sich ein vollständiges Abbild der Oberfläche des Objektes erfassen und ggf. in einem Datenspeicher abspeichern lässt. Hierdurch lassen sich schließlich auch Dokumentationsvorgaben beispielsweise beim Ablegen von Faserhalbzeugen automatisiert einhalten, da die Struktur der Faserhalbzeugoberfläche der abgelegten Faserhalbzeuge lückenlos dokumentierbar wird.
Die optischen Messeinheiten können beispielsweise Sensoren sein, mittels derer jeweils ein Laserstrahl zum Referenzpunkt ausgesendet und der vom Referenzpunkt reflektierte Laserstrahl dann empfangen wird, wobei der Abstand zum Referenzpunkt in Abhängigkeit von der Laufzeit des ausgesendeten und empfangenen Laserstrahls ermittelt wird. Hierbei ist es ganz besonders vorteilhaft, wenn der Laserstrahl der Sensoren auf dem Referenzpunkt bei einer Bewegung der optischen Vermessungseinheit nachgeführt wird. Dadurch bleibt der Laserstrahl auf den Referenzpunkt fokussiert, wodurch kontinuierlich der Abstand zwischen Sensor und Referenzpunkt ermittelt werden kann, sodass kontinuierlich auch die Position der Lichtprojektionseinheit ermittelbar wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird das Erfassen der Messdaten und das Ermitteln der aktuellen Position in Bezug auf die jeweiligen Messdaten mittels einer Synchronisationseinheit zeitlich synchronisiert, so dass in etwa annähernd gleichzeitig sowohl die Messdaten als auch die Position, in der das jeweilige Messdatum ermittelt wird, erfasst werden. Durch diese Synchronisation kann insbesondere beim kontinuierlichen Verfahren der optischen Vermessungseinheit gegenüber der Bauteiloberfläche erreicht werden, dass die ermittelte aktuelle Position auch tatsächlich zu dem erfassten Messdatum passt. Ohne eine zeitliche Synchronisation bestünde die Gefahr, dass die erfassten Messdaten in Bezug auf ihre aktuelle Position auseinander liefen.
Hierbei ist es denkbar, dass die Synchronisationseinheit sowohl die optische Vermessungseinheit als auch die Positionsermittlungseinheit antriggert, so dass jeweils in kurzen, diskreten Zeitabständen das Erfassen der Messdaten und der dazugehörigen aktuellen Position erfolgt. Denkbar ist allerdings auch, dass die Synchronisationseinheit Teil der Positionsermittlungseinheit ist und somit die optische Vermessungseinheit antriggert. Denkbar ist aber auch, dass die optische Vermessungseinheit die Synchronisationseinheit aufweist und die Positionsermittlungseinheit antriggert, um die aktuelle Position zu dem aktuell erfassten Messdatum zu erfassen.
Gemäß Anspruch 10 wird im Übrigen eine Anlage zur Untersuchung von Oberflächen von Objekten vorgeschlagen, die einen Roboter hat, eine an dem Roboter angeordnete optische Vermessungseinheit zur Durchführung eines optischen Messverfahrens, wobei die optische Vermessungseinheit zum Erfassen von Messdaten bezüglich der Oberfläche eingerichtet ist, und eine Höhenprofil-Ermittlungseinheit hat, die zum Berechnen eines Höhenprofils in Abhängigkeit von erfassten Messdaten ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist eine Positionsermittlungseinrichtung vorgesehen, die eine Mehrzahl von optischen Messeinheiten aufweist, die jeweils zum berührungslosen Erfassen eines Abstandes zu einem Referenzpunkt ausgebildet sind, und die eine Recheneinheit hat, die zum Berechnen der jeweils aktuellen Position der optischen Vermessungseinheit in Abhängigkeit von den erfassten Abständen eingerichtet ist. Die Höhenprofil-Ermittlungseinheit ist darüber hinaus derart eingerichtet, dass eine Positionsinformation zu den erfassten Messdaten in Abhängigkeit von der jeweils aktuellen Position der erfassten Messdaten zugeordnet wird, um die erfassten Messdaten bezüglich der Messposition auf der Oberfläche zu referenzieren, wobei das Höhenprofil in Abhängigkeit von den erfassten Messdaten und der den Messdaten zugeordneten Positionsinformationen berechnet wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Anlage finden sich entsprechend in den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figur wie beispielhaft erläutert. Es zeigt:
1 schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anlage zur Untersuchung von Oberflächen von Objekten.
1 zeigt schematisch vereinfacht eine Anlage 1, die zum Untersuchen von Oberflächen 2 eines Objektes 3 vorgesehen ist. Die Anlage 1 weist eine Robotereinrichtung 4 auf, die zum Positionieren der Lichtprojektionseinheit 5 in Bezug auf die Oberfläche 2 des Objektes 3 ausgebildet ist.
Die Lichtprojektionseinheit weist eine Laserlichtquelle 6 auf, die in Richtung der Oberfläche 2 des Objektes 3 ausgerichtet ist und zum Projizieren einer Lichtlinie auf der Oberfläche 2 ausgebildet ist. Das Projizieren des Laserlichtes auf die Oberfläche 2 erfolgt dabei aus einer ersten Richtung.
Des Weiteren weist die Lichtprojektionseinheit 5 eine Kamera 7 auf, die in Richtung der Oberfläche 2 ausgerichtet ist und zur Aufnahme des von der Oberfläche 2 reflektierten Lichtes, das von der Laserlichtquelle 6 auf die Oberfläche 2 projiziert wurde, ausgebildet ist.
Mit Hilfe einer Höhenprofil-Ermittlungseinheit 8, die zum Berechnen eines Höhenprofils in Abhängigkeit von dem reflektierten Licht aus den aufgenommenen Bilddaten eingerichtet ist, wird nun das Höhenprofil der gesamten Oberfläche 2 des Objektes 3 ermittelt, indem die Lichtprojektionseinheit 5 gegenüber der Oberfläche 2 mit Hilfe der Robotereinrichtung 4 verfahren wird. Während des Verfahrens über die Oberfläche 2 wird dabei kontinuierlich ein Höhenprofil an der entsprechenden Messstelle ermittelt, sodass sich über die gesamte Oberfläche 2 hinweg ein dreidimensionales Höhenprofil ermitteln lässt.
Hierfür kann die Höhenprofil-Ermittlungseinheit 8 beispielsweise mit der Robotereinrichtung 4 elektrisch kontaktiert sein, um Informationen bezüglich der Positionierung gegenüber der Oberfläche 2 abzugreifen. Diese Positionsinformationen bezüglich der zu untersuchenden Oberfläche 2 werden dann mit den Messdaten der Lichtprojektionseinheit 5 zusammengefügt, sodass sich für jede Messstelle eine Positionsinformation bezüglich der Oberfläche 2 und ein entsprechendes Höhenprofil ermitteln lässt.
Um nun die der Robotereinrichtung 4 immanent enthaltenen Positionier- und Messungenauigkeiten zu kompensieren, ist des Weiteren eine Positionsermittlungseinrichtung 9 vorgesehen, die eine Mehrzahl von optischen Messeinheiten 10 aufweist. Die optischen Messeinheiten 10 sind dabei als Sensoren derart ausgebildet, dass sie ein Laserstrahl in Richtung eines Referenzpunktes 11, der an der Lichtprojektionseinheit 5 angeordnet ist, aussenden, wobei der ausgesendete Laserstrahl von dem Referenzpunkt 11 reflektiert und von den optischen Messeinheiten 10 empfangen wird. Aus der Laufzeit des ausgesendeten Laserstrahls lässt sich dann der Abstand zwischen der jeweiligen optischen Messeinheit 10 und dem Referenzpunkt 11 ermitteln.
Wird nun für jede optische Messeinheit 10 ein derartiger Abstand ermittelt, so lässt sich mit Hilfe einer Recheneinheit 12 unter Anwendung eines Multilaterationsverfahrens die Position des Referenzpunktes 11 und somit schlussfolgernd auch die Position der Lichtprojektionseinheit 5 berechnen.
Dieses Positionsberechnung der Recheneinheit 12 fließt dann bei der Ermittlung des Höhenprofils durch die Höhenprofil-Ermittlungseinheit 8 mit ein, indem jedem Messdatum eine Positionsinformation basierend auf der aktuell ermittelten Position dieses Messdatums zugeordnet wird, sodass das Höhenprofil dann in Abhängigkeit von den Messdaten und ihre jeweiligen Positionsinformationen berechnet werden kann.
Hierdurch lassen sich Ungenauigkeiten bei der Positionierung der Lichtprojektionseinheit 5 in Bezug auf die Oberfläche 2 aufgrund eines hochgenauen, berührungslosen Messsystems kompensieren.
Mit Hilfe von Lagesensoren 13 lässt sich dabei die Lage der Lichtprojektionseinheit 5 in Bezug auf die Oberfläche 2 erfassen, sodass die Ausrichtung der Lichtprojektionseinheit 5 bei der Transformation der Messdaten mitberücksichtigt. Den Abweichungen in der Ausrichtung in Bezug auf die Oberfläche 2 können zu Verfälschungen der Messdaten führen, da die sich ergebenen Winkel in anderen Messergebnissen resentieren.
Der Vorteil einer derartigen Anlage ist dabei, dass die Genauigkeit der Robotereinrichtung 4 unerheblich ist, wodurch auch sehr kostengünstige aber flexible Industrieroboter eingesetzt werden können, um großflächige Oberflächen 2 zu vermessen. Eine Anwendung könnte die Fertigung von Rumpf-, Flügel- und Leitwerkschalen mittels Faserverbundwerkstoffe sein. Setzt man die Positionsermittlungseinheit 9 beispielsweise neben das Schienensystem einer Robotereinrichtung 4, so kann die Lichtprojektionseinheit 5 jederzeit erfasst werden. Denkbar ist auch, dass eine Anlagenanordnung vorgesehen wird, bei der die Positionsermittlungseinrichtung 9 zwischen der Robotereinrichtung 4 und der Oberfläche 2, insbesondere höhenversetzt, angeordnet ist.
Bezugszeichenliste

1: Anlage
2: Oberfläche
3: Objekt
4: Robotereinrichtung
5: Lichtprojektionseinheit
6: Lichtquelle
7: Kamera
8: Höhenprofil-Ermittlungseinheit
9: Positionsermittlungseinrichtung
10: Optische Messeinheiten
11: Referenzpunkt
12: Recheneinheit
13: Lagesensoren

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

DE 102010015027 A1 [0004]
DE 2012111898 [0006]
DE 102013104546 [0007]

Claims

Verfahren zur Vermessung von Oberflächen von Objekten mit den Schritten: a) Ermitteln eines Höhenprofils einer Oberfläche eines Objektes mittels eines optischen Vermessungsverfahrens, bei dem eine optische Vermessungseinheit zum Erfassen von Messdaten bezüglich der Oberfläche gegenüber der Oberfläche des Objektes bewegt wird, wobei durch eine Höhenprofil-Ermittlungseinheit das Höhenprofil in Abhängigkeit von den erfassten Messdaten berechnet wird, gekennzeichnet durch b) Ermitteln der jeweils aktuellen Position der optischen Vermessungseinheit durch eine Positionsermittlungseinrichtung während des Erfassens der Messdaten durch die optische Vermessungseinheit, in dem mittels einer Mehrzahl von optischen Messeinheiten jeweils ein Abstand zu einem Referenzpunkt berührungslos erfasst und mittels einer Recheneinheit die jeweils aktuelle Position der optischen Vermessungseinheit während des Erfassens der Messdaten in Abhängigkeit von den erfassten Abständen berechnet wird, c) Zuordnen einer Positionsinformation zu den erfassten Messdaten in Abhängigkeit von der jeweils aktuellen Position der erfassten Messdaten, um die erfassten Messdaten bezüglich der Messposition auf der Oberfläche zu referenzieren, und d) Berechnen des Höhenprofils in Abhängigkeit von den erfassten Messdaten und der den Messdaten zugeordneten Positionsinformation.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abweichung zwischen einer vorgegebenen Soll-Position, an der die optische Vermessungseinheit mittels einer Positioniereinrichtung zum Erfassen der Messdaten positioniert werden soll, und der aktuellen Ist-Position der optischen Vermessungseinheit, die von der Positionsermittlungseinrichtung während des Erfassens der Messdaten ermittelt wurde, erkannt wird, wobei die jeweilige Abweichung als Positionsinformation zu den jeweiligen Messdaten zugeordnet und das Höhenprofil in Abhängigkeit von den erfassten Messdaten, der jeweiligen Ist-Position und der jeweiligen Abweichung von der Ist-Position berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Sensorsystems die Lage der optischen Vermessungseinheit in Bezug auf die zu untersuchende Oberfläche ermittelt wird, wobei das Höhenprofil weiterhin unter Berücksichtigung der erfassten Lage der optischen Vermessungseinheit ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an mehreren, unterschiedlichen Bereichen an der optischen Vermessungseinheit jeweils Positionsdaten durch die Positionsermittlungseinrichtung ermittelt werden, wobei die Lage der optischen Vermessungseinheit in Bezug auf die zu untersuchende Oberfläche in Abhängigkeit von den jeweiligen Positionsdaten der verschiedenen Bereiche der optischen Vermessungseinheit ermittelt wird, wobei das Höhenprofil weiterhin unter Berücksichtigung der erfassten Lage der optischen Vermessungseinheit ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Höhenprofil mittels eines optischen Lichtprojektionsverfahrens ermittelt wird, bei dem durch eine Lichtprojektionseinheit die Oberfläche des Objektes mit Licht einer Lichtquelle aus einer ersten Richtung beleuchtet und das von der Oberfläche aus der Beleuchtung resultierende reflektierte Licht aus einer anderen, zweiten Richtung mit einer Kamera aufgenommen wird, wobei durch die Höhenprofil-Ermittlungseinheit das Höhenprofil in Abhängigkeit von dem reflektierten Licht aus den aufgenommenen Bilddaten als Messdaten berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Lichtprojektionsverfahren ein Lichtschnittverfahren ist, bei dem eine Lichtlinie auf die zu untersuchende Oberfläche mittels der Lichtquelle projiziert wird und/oder dass eine dreidimensionale Oberflächenstruktur als Höhenprofil mittels des Lichtprojektionsverfahrens ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Sensoren als optische Messeinheiten jeweils ein Laserstrahl zum Referenzpunkt ausgesendet und der reflektierte Laserstrahl vom Referenzpunkt empfangen wird, wobei der Abstand zum Referenzpunkt in Abhängigkeit von der Laufzeit des ausgesendeten und empfangenen Laserstrahls ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl der Sensoren auf den Referenzpunkt bei einer Bewegung der optischen Vermessungseinheit nachgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen der Messdaten und das Ermitteln der aktuellen Position in Bezug auf die jeweiligen Messdaten mittels einer Synchronisationseinheit zeitlich synchronisiert wird.
Anlage (1) zur Vermessung von Oberflächen (2) von Objekten (3) mit – einem Roboter (4), – einer an dem Roboter (4) angeordneten optischen Vermessungseinheit (5) zur Durchführung eines optischen Messverfahrens, wobei die optische Vermessungseinheit zum Erfassen von Messdaten bezüglich der Oberfläche eingerichtet ist, – einer Höhenprofil-Ermittlungseinheit (8), die zum Berechnen eines Höhenprofils in Abhängigkeit von den erfassten Messdaten eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Positionsermittlungseinrichtung (9) vorgesehen ist, die eine Mehrzahl von optischen Messeinheiten (10) aufweist, die jeweils zum berührungslosen Erfassen eines Abstandes zu einem Referenzpunkt (11) ausgebildet sind, und die eine Recheneinheit (12) hat, die zum Berechnen der jeweils aktuellen Position der optischen Vermessungseinheit (5) in Abhängigkeit von den erfassten Abständen eingerichtet ist, – die Höhenprofil-Ermittlungseinheit (8) eingerichtet ist, – eine Positionsinformation zu den erfassten Messdaten in Abhängigkeit von der jeweils aktuellen Position der erfassten Messdaten zuzuordnen, um die erfassten Messdaten bezüglich der Messposition auf der Oberfläche zu referenzieren, und – das Höhenprofil in Abhängigkeit von den erfassten Messdaten und der den Messdaten zugeordneten Positionsinformationen zu berechnen.
Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit der Positionsermittlungseinrichtung zum Erkennen einer Abweichung zwischen einer vorgegebenen Soll-Position, an der die optische Vermessungseinheit mittels einer Positioniereinrichtung zum Ermitteln des Höhenprofils positioniert werden soll, und der aktuellen Ist-Position, die von der Positionsermittlungseinrichtung während des Erfassens der Messdaten ermittelt wird, eingerichtet ist, wobei die Höhenprofil-Ermittlungseinheit eingerichtet ist, die jeweilige Abweichung als Positionsinformation zu den jeweiligen Messdaten zuzuordnen und das Höhenprofil in Abhängigkeit von den erfassten Messdaten, der jeweiligen Ist-Position und der jeweiligen Abweichung von der Ist-Position zu berechnen.
Anlage nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensorsystem zum Ermitteln der Lage der optischen Vermessungseinheit in Bezug auf die zu untersuchende Oberfläche vorgesehen ist, wobei die Höhenprofil-Ermittlungseinrichtung weiterhin zum Ermitteln des Höhenprofils unter Berücksichtigung der erfassten Lage der optischen Vermessungseinheit eingerichtet ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsermittlungseinrichtung eingerichtet ist, mittels der optischen Messeinheiten an mehreren, unterschiedlichen Bereichen an der optischen Vermessungseinheit jeweils Positionsdaten zu ermitteln und in Abhängigkeit von den jeweiligen Positionsdaten der verschiedenen Bereiche die Lage der optischen Vermessungseinheit in Bezug auf die zu untersuchende Oberfläche zu ermitteln, wobei die Höhenprofil-Ermittlungseinrichtung weiterhin zum Ermitteln des Höhenprofils unter Berücksichtigung der erfassten Lage der optischen Vermessungseinheit eingerichtet ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Vermessungseinheit eine Lichtprojektionseinheit zur Durchführung eines optischen Lichtprojektionsverfahrens als optisches Vermessungsverfahren hat, wobei die Lichtprojektionseinheit eine Lichtquelle zum Beleuchten der Oberfläche des Objektes mit Licht aus einer ersten Richtung und eine Kamera zum Aufnehmen des von der Oberfläche reflektierten Lichtes der Lichtquelle aus einer anderen, zweiten Richtung aufweist, wobei die Höhenprofil-Ermittlungseinheit eingerichtet ist, das Höhenprofil in Abhängigkeit von dem reflektierten Licht aus den aufgenommenen Bilddaten als Messdaten zu berechnen.
Anlage nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsermittlungseinrichtung eingerichtet ist, mittels Sensoren als optische Messeinheiten jeweils einen Laserstrahl zum Referenzpunkt auszusenden und den reflektierten Laserstrahl vom Referenzpunkt zu empfangen, wobei die Recheneinheit zur Ermittlung des Abstandes zum Referenzpunkt in Abhängigkeit von der Laufzeit des ausgesendeten und empfangenen Laserstrahls eingerichtet ist.
Anlage nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsermittlungseinrichtung zum Nachführen des Laserstrahls der Sensoren auf den Referenzpunkt bei einer Bewegung der optischen Vermessungseinheit ausgebildet ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Synchronisationseinheit vorgesehen ist, die zum zeitlichen Synchronisieren des Erfassens der Messdaten und des Ermittelns der aktuellen Position in Bezug auf die jeweiligen Messdaten eingerichtet ist.