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Gebiet der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur photogrammetrischen Ermittlung der Lage der Zentren von kreisförmigen Bohrungen. Derartige Bohrungen befinden sich in einem Flansch eines Rohres, beispielsweise eines Abschnittes eines Mastes einer Windkraftanlage oder im Kopfbereich einer Tragstruktur für einen Kran. Bei der photogrammetrischen Lageermittlung werden Referenzkörper verwendet, die an vorbestimmten Orten des Objektes, insbesondere des Flansches positioniert werden.
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Die Erfindung betrifft auch einen zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Referenzkörper.
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Stand der Technik
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Die Verwendung von Signalmarken mit einem zweidimensionalen Barcode bei der photogrammetrischen Vermessung von Objekten beschreibt die
DE 10 2007 039 077 A1 . Bei dem dort beschriebenen Verfahren zur Vermessung von geometrisch unregelmäßigen Objekten werden Signalmarken verwendet, die an im Wesentlichen wahllos verschiedenen Stellen auf dem zu vermessenden Objekt angebracht werden. Die Signalmarken besitzen optisch erkennbare Markierungen. Das mit einer Vielzahl derartiger Signalmarken versehene Objekt wird dann mit einer fotografischen Kamera aus verschiedenen Positionen fotografiert. Jedes der Vielzahl von Bildern beinhaltet eine Vielzahl von Signalmarken. Die einzelnen Bilder besitzen einen hohen Überlappungsgrad, so dass von einer elektronischen Recheneinheit die aneinander angrenzenden, sich teilweise überlappenden Bilder zu einem räumlichen Gesamtbild zusammengefügt werden können. Damit lässt sich die Lage sämtlicher Signalmarken im Raum bestimmen und ein Drahtgittermodell erstellen, welches die Flächenkontur des Objektes wiedergibt.
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Die
DE 198 20 340 A1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Positionsbestimmung von Löchern in einem Objekt. Die Vorrichtung besteht aus einem magnetischen Körper, der eine Anlageseite aufweist, die ein Gewinde aufweist, in das Dome unterschiedlichen Durchmessers eingeschraubt werden können. Der Dorn kann in eine Öffnung eines Objektes eingesteckt werden, so dass die Lage der Öffnung durch eine photogrammetrische Ermittlung der Position des den Dorn tragenden Referenzkörper ermittelbar ist. Der Referenzkörper besitzt eine gewölbte Sichtseite.
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Ein ähnlicher Referenzkörper wird von der
DE 20 2010 004 911 U1 beschrieben. Der Referenzkörper besitzt an seiner Anlageseite drei Taststifte, die mittels einer Verstellmechanik innerhalb der Ebene derart verlagert werden können, dass sie an der Wandung einer Bohrung anliegen können. Dabei werden die Taststifte gleichmäßig in Radialrichtung gegenüber einem Zentrum verlagert, so dass das Zentrum der Bohrung mit dem Zentrum des Referenzkörpers übereinstimmt.
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Die
DE 10 112 732 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung der Lage von Messbildern eines Objektes relativ zum Objekt mittels Photogrammetrie. Die dort beschriebenen dreidimensionalen Referenzkörper besitzen eine Würfelform und Identifizierungsmittel, mit denen sich die Lage der Würfel und deren Orientierung im Raum durch die Auswertung mehrerer sich überlappender fotografischer Aufnahmen ermitteln lässt.
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Windkraftanlagen, Kräne oder dergleichen besitzen Bauteile, die miteinander verschraubt werden. Es handelt sich vielfach um rohrförmige Bauteile mit Durchmessern von mehreren Metern. Die Verbindung zweier derartiger rohrförmiger Bauteile erfolgt über eine Flanschverbindung, wobei jeweils ebene Flanschflächen in eine Flächenanlage gebracht werden. Eine formschlüssige Verbindung der beiden Flansche erfolgt über eine Vielzahl von Verbindungsschrauben, die durch Bohrungen des Flansches hindurchgesteckt und mit Muttern verschraubt werden. Beide gegeneinander bringbare Flansche müssen im Wesentlichen dasselbe Lochbild besitzen. Die Achsen der Flanschbohrungen müssen in einem engen Fehlerbereich koaxial zueinander verlaufen. Zur Qualitätssicherung und zur Protokollierung der Fertigung ist die Lage der Zentren der Flanschbohrungen relativ zueinander aber auch in Bezug auf das Zentrum des Flansches zu ermitteln.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein mit einfachen Mitteln durchführbares Verfahren und hierzu verwendbare Vorrichtungen anzugeben, mit denen sich die räumliche Lage der Zentren mehrerer in einer Ebene liegenden Bohrungen ermitteln lässt.
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Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung. Die Unteransprüche stellen nicht nur vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung, sondern jeweils auch eigenständige Lösungen der Aufgabe dar.
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Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet die bekannten Methoden und Referenzkörper zur photogrammetrischen Ermittlung der Lage bestimmter Punkte im Raum, wie sie aus dem oben genannten Stand der Technik bekannt sind und bildet diese zur Ermittlung der Lage der Zentren von kreisförmigen Bohrungen weiter. Das Verfahren ist insbesondere geeignet, die Lage der Zentren der kreisförmigen Flanschbohrungen bei einem Flansch mit einem Durchmesser von mehreren Metern zu ermitteln. In einem ersten Schritt werden Referenzkörper bereitgestellt. Jeder Referenzkörper besitzt eine Sichtseite mit optisch sich von einem Hintergrund unterscheidenden Markierungen. Die Markierungen sind derart auf der Sichtseite angebracht, dass die Referenzkörper bei der Auswertung einer fotografischen Aufnahme vom Hintergrund unterschieden werden können. Die Markierungen können darüber hinaus Identifikationsmerkmale enthalten, mit denen ein Referenzkörper von einem anderen Referenzkörper unterschieden werden kann. Wesentlich ist aber, dass die Markierungen so ausgebildet sind, dass damit die räumliche Lage und die räumliche Orientierung des Referenzkörpers durch Auswerten mehrerer sich überlappender Fotos ermittelt werden kann. Die Markierungen können darüber hinaus auch ein Abstandsmaß definieren. Der Referenzkörper besitzt eine Anlageseite, die auf die die Bohrungen aufweisende Oberfläche, bei der es sich bevorzugt um eine Ebene handelt, aufgesetzt werden kann. Von der Anlageseite ragt genau ein Taststift ab, der in die Bohrung hineingesteckt werden kann. Bei dem Taststift kann es sich um einen im Querschnitt kreisförmigen Stift handeln, der in Richtung der Flächennormalen der Anlageseite von der Anlageseite abragt. Es werden bevorzugt mindestens drei Referenzkörper pro Bohrung verwendet. Diese Referenzkörper werden derart auf den Rand der Bohrung aufgesetzt, dass die von der Anlageseite abragenden Taststifte an der Wandung der Bohrung anliegen. Durch die photogrammetrische Auswertung mehrerer sich überlappender, von unterschiedlichen Positionen aufgenommener Bilder lassen sich dann für jede Bohrung drei den Bohrungsumfangskreis charakterisierende Punkte berechnen. Da die räumliche Lage einer Kreisbogenlinie durch drei Punkte exakt definiert ist, lässt sich mit diesen drei Punkten das Zentrum der Bohrung ermitteln. In einer bevorzugten Variante der Erfindung werden vier Referenzkörper pro Bohrung verwendet, so dass die Recheneinheit, die die Auswertung der Bilder vornimmt für jede Bohrung vier Raumpunkte ermittelt. Aus diesen vier Raumpunkten lässt sich eine Fehlerkreiszone berechnen. Es handelt sich dabei um eine im Wesentlichen kreisförmige Fläche mit einem minimalen Innendurchmesser und einem maximalen Außendurchmesser. Die Recheneinrichtung kann ein Fehlersignal erzeugen, falls Innendurchmesser und Außendurchmesser der Fehlerkreiszone einen vorgegebenen Abstand überschreiten. Dies kann als Hinweis gelten, dass ein Referenzkörper fehlerhaft positioniert ist, beispielsweise dass sein Taststift nicht an der Wandung der Bohrung anliegt. Zur Ermittlung der Lage der Bohrungszentren werden sämtliche Bohrungen eines Flansches oder eines anderen bevorzugt ebenen Objektes mit mindestens drei Referenzkörpern versehen, wobei die Sichtseiten der Referenzkörper bevorzugt in einer Parallelebene zur Ebene des Objektes liegen. Die Taststifte liegen an den Wandungen der Bohrungen an. Die Referenzkörper können Magnete aufweisen, so dass sie an Stahlobjekten anhaften können. Die Referenzkörper können aus Metall ausgebildet sein. Die Sichtseite und die Anlageseite werden bevorzugt von zueinander parallelen Ebenen ausgebildet. Die Referenzkörper können Flachkörper sein, sie können einen ovalen oder kreisförmigen Grundriss aufweisen. Es ist aber auch möglich langgestreckte Körper zu verwenden, beispielsweise mit einem rechteckigen Grundriss. Bei den Markierungen kann es sich Kreismarkierungen handeln, die den gleichen Kreisdurchmesser oder aber auch verschiedene Kreisdurchmesser aufweisen. Die Markierungen sind an vorbestimmten Stellen angeordnet. Sie können beispielsweise von Bohrungen ausgebildet sein, die mit einer kontrastreichen Masse aufgefüllt sind. Die Markierungen bilden eine Art zweidimensionalen Barcode, mit dem voneinander verschiedene Referenzkörper optisch unterschieden werden können. Die Markierungen sind derart auf der Sichtseite angeordnet, dass sie Referenzstrecken definieren. Durch die photogrammetrische Auswertung der fotografisch aufgenommenen Bilder lassen sich die räumlichen Positionen der Referenzkörper und ihre räumliche Orientierung ermitteln. Daraus lässt sich die räumliche Lage des Taststiftes ermitteln. Der Taststift ist bevorzugt außerhalb des Flächenzentrums der Anlagefläche angeordnet. Er ist vorzugsweise unmittelbar benachbart der Randkante der Anlageseite angeordnet.
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Bei dem Verfahren können Referenzkörper mit gleichgestalteten Markierungen jeweils einer Bohrung zugeordnet sein. Benachbarte Bohrungen sind mit Referenzkörpern unterschiedlicher Markierungen bestückt, so dass die Bohrungen bei der Auswertung der fotografisch aufgenommenen Bilder unterschieden werden können. Die photogrammetrische Ermittlung der Lage und der Orientierung der Referenzkörper erfolgt im Wesentlichen wie beim eingangs genannten Stand der Technik. Von dem gesamten Objekt werden mehrere sich überlappende Fotos angefertigt. Jedes Foto beinhaltet dabei im Wesentlichen lediglich einen Ausschnitt des gesamten Objektes, wobei dieser Ausschnitt mehrere Bohrungen zeigt. Es können einige hundert aus verschiedenen Positionen aufgenommene Bilder verwendet werden. Es kann ferner vorgesehen sein, dass auf der die Öffnungen aufweisenden Oberfläche mehrere zusätzliche Referenzmarkierungen angeordnet sind. Mit diesen zusätzlichen Referenzmarkierungen lassen sich auch Abweichungen der Oberfläche von einer idealen Ebene ermitteln, so dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht nur die Zentrumslage von kreisförmigen Bohrungen in einer Oberfläche, sondern auch die Abweichung des Verlaufs der Oberfläche von einer idealen Ebene ermittelt werden kann.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
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1 perspektivisch die Flanschseite eines mit Flanschbohrungen 3 versehenen Flansches 1,
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2a bis 2c die Sichtseiten von Referenzkörpern 4 mit voneinander verschiedenen Markierungen 8,
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3 die Draufsicht auf die Anlageseite 5 eines Referenzkörpers 4
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4 eine perspektivische Darstellung des Referenzkörper, und
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5 ein Anwendungsbeispiel, bei dem auf eine Flanschebene 2 eines Flansches 1 eine Vielzahl von Referenzkörpern 4 aufgesetzt sind, wobei jeweils vier Referenzkörper in einer Flanschbohrung 3 derart eingesetzt sind, dass die von der Anlageseite 5 abragenden Taststifte 7 an der Wandung 3' der Bohrung 3 anliegen. Die Darstellung ist nicht maßstabsgetreu und dient lediglich zur Verdeutlichung des Verfahrens.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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Der in den 2a bis 4 dargestellte Referenzkörper besitzt die Form einer Kreisscheibe. Es handelt sich um einen Kreiszylinder, wobei die Zylinderhöhe wesentlich kleiner ist als der Zylinderdurchmesser. Eine Stirnseite des zylinderförmigen Referenzkörpers 4 bildet eine Sichtseite 6 aus. Diese Sichtseite 6 trägt Markierungen 8. Bei den Markierungen 8 handelt es sich um kreisscheibenförmige Markierungen, die beispielsweise durch Bohrungen verwirklicht sein können. Die Bohrungen sind mit einer kontrastreichen Masse gefüllt, so dass sich die Markierungen 8 optisch von ihrer Umgebung unterscheiden. Die Markierungen 8 sind derart auf der Sichtseite 6 angeordnet, dass Referenzkörper 4 mit unterschiedlich angeordneten Markierungen 8 voneinander unterschieden werden können. Mindestens zwei Markierungen 8 sind derart angeordnet, dass sie eine Referenzstrecke definieren. Die Markierungen 8 sind darüber hinaus derart angeordnet, dass aus mehreren aus unterschiedlichen Positionen aufgenommenen Bildern eine exakte räumliche Position und die räumliche Orientierung des Referenzkörpers 4 ermittelt werden kann.
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Während die eine Stirnseite des Referenzkörpers 4 die Sichtseite 6 ausbildet, bildet die gegenüberliegende Stirnseite 5 des Referenzkörpers eine Anlagefläche aus. Es handelt sich um eine ebene Anlagefläche 5, mit der der Referenzkörper 4 auf eine Ebene, beispielsweise die Flanschebene 2 des Flansches 1 aufgesetzt werden kann. Innerhalb des Referenzkörpers 4 kann ein Magnet vorgesehen sein, so dass der Referenzkörper 4 magnetisch an der Flanschebene 2 haftet.
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Die 5 zeigt einen Ausschnitt eines Flansches 1 mit Blick auf die Flanschebene 2. Jede der dort dargestellten Flanschbohrungen 3 ist mit vier Referenzkörpern 4 versehen.
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Von der Anlageseite 5 eines jeden Referenzkörpers 4 ragt genau ein kreiszylinderförmiger Taststift 7 ab. Der Taststift 7 ragt in Richtung der Flächennormalen der Anlagefläche 5 ab und muss beim Aufsetzen des Referenzkörpers 4 mit seiner Anlageseite 5 auf die Flanschebene 2 bis an den Rand 3' der Bohrung 3 gebracht werden. Dabei kann der Referenzkörper 4 eine im Wesentlichen beliebige Drehstellung besitzen.
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Jede Flanschbohrung 3 wird dabei mit vier Referenzkörpern 4 bestückt. Zusätzlich können auf der Ebene 6 zusätzliche Referenzmarkierungen 9 angebracht werden. Es kann sich dabei um anders gestaltete Referenzkörper handeln. Es kann sich hier aber auch um Aufkleber handeln, die auf die Oberfläche aufgeklebt werden.
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Beim Ausführungsbeispiel sind die einer Bohrung 3 zugeordneten Referenzkörper 4 gleich markiert. Die Referenzkörper 4 benachbarter Bohrungen 3 besitzen aber unterschiedliche Markierungen, so dass sie bei der Bildauswertung voneinander unterschieden werden können.
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Zur Vermessung des Flansches 1 werden aus voneinander verschiedenen Positionen mittels einer Digitalkamera Bilder aufgenommen, die zumindest zwei Bohrungen, bevorzugt aber mehr Bohrungen mit zugeordneten Referenzkörpern 4 darstellen. Es kann sich dabei um eine Digitalkamera handeln, deren Objektiv hinsichtlich der Blenden- und der Brennweiteneinstellung fixiert ist. Auch die Lage des Objektivs gegenüber dem Sensor ist mit mechanischen Mitteln fixiert. Mit einer derart vorbereiteten Digitalkamera werden aus zwanzig oder bevorzugt einhundert und mehr voneinander verschiedenen Positionen sich überlappende Bilder des Flansches 2 angefertigt. Mit einer elektronischen Recheneinheit, bei der es sich um einen Computer handeln kann, wird die Vielzahl der Bilder elektronisch in bekannter Weise derart ausgewertet, dass die Lage von identifizierten Referenzkörpern 4 auf dem Bild ermittelt wird. Mit bekannten Rechenalgorithmen wird dann die räumliche Position der Kamera und die räumliche Position sämtlicher Referenzkörper 4 sowie deren Orientierung im Raum ermittelt. Aus diesen Daten lässt sich dann die räumliche Position der Taststifte 7 ermitteln.
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Da eine Kreisbogenlinie durch genau drei Punkte definiert ist, beim Ausführungsbeispiel aber vier Referenzkörper pro Bohrung 3 verwendet werden, ist jede Kreisbogenlinie überbestimmt. Die Recheneinheit kann aus den vier Ortspunkten der Taststifte 7 eine Fehlerkreiszone berechnen, die einen inneren Durchmesser und einen äußeren Durchmesser aufweist. Aus dieser Fehlerkreiszone kann dann die Lage des Kreiszentrums berechnet werden. Die Lage des Kreiszentrums entspricht der Zentrumslinie der Bohrung 3.
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Es kann erkannt werden, ob ein Referenzkörper 4 fehlerhaft positioniert ist, beispielsweise wenn der ihm zugeordnete Taststift 7 nicht an der Wandung 3' der Bohrung 3 anliegt. In diesem Fall besitzt die berechnete Fehlerkreiszone eine radiale Erstreckung, die außerhalb eines Toleranzbereiches liegt. Die Recheneinrichtung kann ein Fehlersignal abgeben, wenn der Innendurchmesser vom Außendurchmesser der Fehlerkreiszone um mehr als das Toleranzmaß beabstandet ist. Die Recheneinheit kann auch die Einzelbohrung identifizieren, bei der der Fehler ermittelt worden ist.
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Die vorstehenden Ausführungen dienen der Erläuterung der von der Anmeldung insgesamt erfassten Erfindungen, die den Stand der Technik zumindest durch die folgenden Merkmalskombinationen jeweils auch eigenständig weiterbilden, nämlich:
Ein Verfahren zur photogrammetrischen Ermittlung der Lage der Zentren von kreisförmigen Bohrungen 3 mit den Schritten:
- – Bereitstellen von mindestens drei Referenzkörpern 4 pro Bohrung 3, wobei der Referenzkörper 4 eine Sichtseite 6 mit optisch sich von einem Hintergrund unterscheidenden Markierungen 8 und eine Anlageseite 5 mit einem davon abragenden Taststift 7 aufweist;
- – Aufsetzen der mindestens drei Referenzkörper 4 mit ihren Anlageseiten 5 derart auf eine die Bohrung 3 umgebende Oberfläche 2, so dass die Taststifte 7 an der Wand der Bohrung 3 anliegen;
- – Aufnehmen mehrerer sich überlappender Bilder;
- – Auswerten der Bilder mit einer elektronischen Recheneinheit, wobei die Markierungen erkannt werden, aus den Markierungen die räumliche Lage und die Orientierung der Referenzkörper 4 bestimmt werden und daraus die Lage und der Durchmesser der Bohrungen 3 ermittelt werden.
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Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass mindestens vier Referenzkörper 4 pro Bohrung 3 verwendet werden und bei der Berechnung der Lage und des Durchmessers der Bohrungen 3 geprüft wird, ob die Taststifte 7 der einer Bohrung 3 zugeordneten Referenzkörper 4 innerhalb einer Fehlerkreiszone liegen und die Recheneinheit ein Fehlersignal abgibt, wenn die Taststifte 7 außerhalb der Fehlerkreiszone liegen.
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Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Recheneinheit Angaben diejenige Bohrung 3 identifiziert, bei der die Taststifte 7 außerhalb der Fehlerkreiszone liegen.
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Ein Referenzkörper 4 zur Verwendung bei einem Verfahren zur photogrammetrischen Ermittlung der Lage der Zentren von kreisförmigen Bohrungen 3, der gekennzeichnet ist durch einen von der Anlageseite 5 in Richtung deren Flächennormalen abragenden Taststift 7.
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Ein Referenzkörper 4, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der Referenzkörper 4 ein Flachkörper ist.
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Ein Referenzkörper 4, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der Taststift 7 entfernt vom Flächenzentrum der Anlageseite 5 in der Nähe des Randes der Anlageseite 5 angeordnet ist.
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Ein Referenzkörper 4, der gekennzeichnet ist durch einen Magneten zum Anhaften der Anlageseite 5 an einer ferromagnetischen Oberfläche.
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Ein Referenzkörper 4, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Markierungen von mit einer Füllmasse ausgefüllten Bohrungen in der Sichtseite ausgebildet sind.
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Alle offenbarten Merkmale sind (für sich, aber auch in Kombination untereinander) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen. Die Unteransprüche charakterisieren mit ihren Merkmalen eigenständige erfinderische Weiterbildungen des Standes der Technik, insbesondere um auf Basis dieser Ansprüche Teilanmeldungen vorzunehmen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Flansch
- 2
- Flanschebene
- 3
- Flanschbohrung
- 4
- Referenzkörper
- 5
- Anlageseite
- 6
- Sichtseite
- 7
- Taststift
- 8
- Markierung
- 9
- Referenzmarkierung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007039077 A1 [0003]
- DE 19820340 A1 [0004]
- DE 202010004911 U1 [0005]
- DE 10112732 [0006]
