DE19806240A1 - Verfahren und Vorrichtung zur flächenhaften Schwingungsanalyse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen, optischen Weg- und/oder Schwingungsmessung eines Objektes durch mindestens ein In­ terferometer mit mindestens einem Laser, mindestens eine Steuereinheit, die den Laserstrahl auf mehrere Punkte des Meßobjektes leitet, so daß dieses vom Laserstrahl abgetastet wird, und mindestens eine Ausgabeein­ heit zur ortsaufgelösten Darstellung der Meßergebnisse. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Ein derartiges Verfahren bzw. eine derartige Vorrichtung sind aus der DE 31 13 090 A1 bekannt. Dabei wird folgendermaßen vorgegangen: Von der zu untersuchenden Struktur wird ein Videobild aufgenommen und mittels eines Rechners in dieses Videobild ein rechteckiges Raster von Meßpunk­ ten eingefügt. Hierdurch wird dem Meßobjekt ein rechteckiges Raster von Meßpunkten überlagert. Das Meßobjekt wird in Schwingungen versetzt und der Laserstrahl eines Interferometers wird vom Rechner gesteuert auf die vorher definierten Rasterpunkte gerichtet. An jedem dieser Punkte wird mit diesem Interferometer berührungslos das Schwingungsspektrum aufge­ nommen. Die einzelnen Schwingungsspektren werden nach der Messung im Rechner ausgewertet und das Schwingungsbild des Objektes wird für einzelne aus dem Schwingungsspektrum ausgewählte Frequenzen rekon­ struiert. Die Ausgabe dieser Schwingungsbilder erfolgt durch eine Ausga­ beeinheit (Bildschirm).

Eventuell können auch einzelne Meßpunkte aus dem Meßraster gelöscht werden.

Dieses Verfahren bzw. die dazugehörige Vorrichtung sind insofern nach­ teilig, als die Anordnung der Meßpunkte auf einem fest vorgegebenen Ra­ ster für die Auswertung der Schwingungen komplizierter Geometrien unbe­ friedigend ist. Diese lassen sich nur mit einer extrem hohen Anzahl von Meßpunkten erfassen, wodurch die Messung nicht mehr in einem vernünf­ tigen Zeitraum erfolgen kann.

Weiterhin ist es für die Analyse von Schwingungsmoden, insbesondere an Autotüren oder ähnlichem, bekannt, einzelne Sensoren an beliebigen Punkten des zu messenden Werkstückes anzuordnen. Bei den Sensoren handelt es sich um Beschleunigungsmesser, die zum einen aufgrund ihrer Eigenmasse das Meßergebnis verfälschen und sich zum anderen auch nicht in beliebiger Anzahl bzw. an allen erwünschten Stellen befestigen lassen. Vor allem bei kleinen Werkstücken stößt die Verwendung von sol­ chen massebehafteten Beschleunigungsmessern schnell auf unüberwind­ bare Grenzen.

Davon ausgehend besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die es erlauben, eine Schwingungsanaly­ se auch für von der Geometrie her komplizierte oder sehr kleine Werkstücke durchzuführen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß für einen Ab­ tastvorgang die Meßpunkte einzeln und/oder in zumindest einem in seiner Kontur anpaßbarem Raster frei auf dem Meßobjekt positioniert werden.

Während bislang bei Scanvorgängen eine Oberfläche oder ein Meßobjekt mit einem rechtwinkligen und rechteckigen Raster überzogen und Punkt für Punkt ausgemessen wurde, wobei man allenfalls die Größe des Rasters und die Dichte der Punkte variieren konnte, ermöglicht das erfindungsge­ mäße Verfahren ein wesentlich angepaßteres Vorgehen.

Man definiert dabei in der Regel einfach die Fläche auf der gescannt wer­ den soll, etwa indem man auf dem Bildschirm mit der Maus deren Umriß markiert, und läßt diese frei definierte Fläche dann vom Computer mit Meßpunkten ausfüllen. Dazu wird dem Computer beispielsweise die Zahl der Meßpunkte oder ihre Dichte sowie andere Parameter vorgegeben.

So wird z. B. bei einem kreisförmigen Meßobjekt ein kreisförmiges Raster definiert, das damit in seiner Kontur dem Meßobjekt angepaßt ist. Bei ei­ nem schräg verlaufenden, stabförmigen Meßobjekt wird hingegen ein ebenso verlaufendes Raster erstellt. Dadurch entfallen zahlreiche über­ flüssige Meßpunkte, die bei der herkömmlichen Vorgehensweise neben dem Meßobjekt gelegen hätten und die Messung nur unnötig verlangsamt hätten, ohne zum Ergebnis beizutragen.

Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich für einen Abtastvorgang mehrere Raster zu definieren, etwa wenn ein kreisförmiges und ein stabförmiges Meßobjekt gleichzeitig vermessen werden sollen.

Alternativ können auch mehrere einzelne Meßpunkte angewählt werden, die dann zusammen ein Raster ergeben.

Ebenso ist es möglich, Meßpunkte auf frei definierten Kurven (Polynomen) anzulegen, um etwa schmale Meßobjekte oder den Rand eines Meßobjek­ tes zu erfassen.

Nach Untersuchungen der Anmelderin kann es zwischen der Position der Meßpunkte in der Ausgabeeinheit einerseits und ihrer Position auf dem Meßobjekt andererseits zu Diskrepanzen kommen. Ursachen für solche Diskrepanzen können Verzerrungen von Linsensystemen sein, die bei ei­ ner Abbildung des Objektes oder bei der Projektion des Laserstrahls auf das Meßobjekt benutzt werden. Das Abtasten des Meßobjektes geschieht ferner durch das motorische Verdrehen von Spiegeln. Beim Drehen der Spiegel bewegt sich der Laserstrahl praktisch auf einer zylinderförmigen Fläche. Da das Meßobjekt in der Regel eine andere Geometrie hat, erge­ ben sich weitere Verzerrungen. Solche Verzerrungen würden sich insbe­ sondere im Zusammenhang mit der neu gewonnen freien Positionierbarkeit von Meßpunkten und Gruppen von Meßpunkten nachteilig bemerkbar ma­ chen.

Deshalb wird vorgeschlagen, die Position der Meßpunkte in der Ausgabe­ einheit aus ihrer Position auf dem Meßobjekt nicht direkt zu übernehmen, sondern über ein Korrekturverfahren, insbesondere über eine oder mehre­ re Koordinatentransformationen zu berechnen. Die Koordinatentransfor­ mationen können mit Hilfe von Transformationsmatrizen vorgenommen werden und sind bei Bedarf auch nichtlinear.

Zur Erstellung des Korrekturverfahrens wird ein Satz von Werten gebildet, der Positionen von Meßpunkten auf dem Objekt und deren zugeordnete Position in der ortsaufgelösten Darstellung der Ausgabeeinheit enthält.

Bei den mit dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders gut zu vermes­ senden komplizierten Geometrien kann es auch zu komplizierten Schwin­ gungserscheinungen kommen. Um dieser Tatsache besser gerecht zu werden, ist es bevorzugt vorgesehen, die Meßpunkte entsprechend der zu erwartenden oder gemessenen Schwingungscharakteristik in verschiedene Klassen einzuteilen und die Meßpunkte entsprechend ihrer Klassenzuge­ hörigkeit individuell zu messen, darzustellen und/oder auszuwerten. So können verschiedene Bereiche des Meßobjektes, die jeweils in sich, aber nicht miteinander mit gemeinsamer Phase schwingen, getrennt erfaßt und angezeigt werden.

Wird die Klasseneinteilung bereits vor dem Abtastvorgang vorgenommen, dann können auch die Meßdauer bzw. andere Meßparameter spezifisch für einzelne Klassen vorgegeben werden. Z. B. lassen sich Bereiche des Meßobjektes, die besonders langsam schwingen, so entsprechend länger messen.

Zur Positionierung der Meßpunkte wird ihrer ortsaufgelösten Darstellung in der Ausgabeeinheit vorteilhaft ein Bild des Meßobjektes unterlegt. Dies kann ein gespeichertes Bild aus einem CAD-System oder eine zuvor ge­ machte digitale oder digitalisierte Aufnahme sein. Ebenso ist aber auch das Einblenden eines Echtzeit-Bildes aus einer synchron laufenden Video­ kamera möglich.

Steht ein solches Bild zur Verfügung, kann selbstverständlich die Klas­ seneinteilung anhand dieses Bildes vorgenommen werden. Dabei lassen sich auch moderne Bilderkennungsverfahren einsetzen, die die Definition der Rasterkontur durch Rechnerunterstützung vereinfachen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des vorbeschriebe­ nen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß für einen Abtastvorgang Meßpunkte einzeln und/oder in zumindest einem in seiner Kontur anpaß­ baren Raster positionierbar sind, und daß die Meßpunkte für diese Posi­ tionierung in der Ausgabeeinheit darstellbar sind, so daß sie an die ge­ wünschte Stelle gesetzt werden können.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung ergeben sich aus den die Vorrichtung betreffenden Unteransprüchen analog zu den Un­ teransprüchen des Verfahrens.

Erfindungswesentliche Merkmale finden sich auch in der Beschreibung ei­ nes Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Dabei zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Vorrichtung und

Fig. 2 eine Anordnung von in ihrer Kontur angepaßten Rastern auf ei­ nem Meßobjekt.

In Fig. 1 ist ein Laser-Interferometer 1 dargestellt, das vorzugsweise als Heterodyne-Vibrometer ausgebildet ist und von dem zur interferometri­ schen Messung ein Laserstrahl 2 zu einem Meßobjekt 3 gesandt wird. Zum Abtasten (Scannen) des Meßobjektes 3 mit dem Laserstrahl 2 weist das Interferometer 1 eine nicht dargestellte Linsen- und Spiegelanordnung auf. Diese wird so eingestellt, daß der Laserstrahl 2 in einem gewünschten Meßpunkt auf das Meßobjekt 3 trifft. Dort verharrt er für einige Schwin­ gungszyklen, um interferometrisch Schwingungsfrequenz, -amplitude und -phase zu messen.

Danach wird die Linsen- und Spiegelanordnung des Interferometers 1 mo­ torisch und/oder über Piezoelemente so verstellt, daß der Laserstrahl zum nächsten Meßpunkt auf dem Meßobjekt 3 gelenkt wird und dort in der neu­ en Position 2' die bezeichneten Größen abtastet. Dieser Vorgang wieder­ holt sich, bis alle Meßpunkte erfaßt sind.

Die gemessenen Werte werden vom Interferometer 1 zu einer Auswerte­ einheit 4 in Form eines Rechners weitergegeben, die die Daten für die ortsaufgelöste Darstellung in einer Ausgabeeinheit 5 (Bildschirm) aufberei­ tet.

Wesentlich ist nun, daß die Linsen- und Spiegelanordnung den Laserstrahl nicht in der Art steuert, daß er das Meßobjekt 3 in einem festen, recht­ eckigen Raster abtastet. Vielmehr wird der Laserstrahl so abgelenkt daß für einen Abtastvorgang Meßpunkte einzeln und/oder in zumindest einem in seiner Kontur dem zu messenden Bereich angepaßten, quasi variablen Raster positioniert werden.

Um diese Kontur festzulegen, ist weiterhin wesentlich, daß die Meßpunkte für diese Positionierung in der Ausgabeeinheit 5 darstellbar sind.

Dieser ortsaufgelösten Darstellung der Meßpunkte wird ein Bild des Meß­ objektes unterlegt, so daß die gewünschte Position jedes einzelnen Meß­ punktes leicht auffindbar ist. Dieses Bild läßt sich besonders gut durch ei­ ne Videokamera erzeugen, die an die Ausgabeeinheit 5 angeschlossen wird.

In der Regel sind die Optik der Videokamera sowie die Linsen- und Spiege­ lanordnung des Interferometers 1 mit Fehlern behaftet. Um trotzdem eine Kongruenz der tatsächlichen Lage der Meßpunkte auf dem Meßobjekt 3, ihrer Einstellung in der Linsen- und Spiegelanordnung des Interferometers 1 und ihrer Darstellung in der Ausgabeeinheit 5 zu erzeugen, weist die Vorrichtung eine Eicheinrichtung 6 auf. Diese Eicheinrichtung nimmt über Transformationsmatrizen jeweils eine Koordinatentransformation zwischen zwei der drei genannten Systeme vor. Dadurch wird der Position eines Meßpunktes auf dem Meßobjekt 3 die richtige Position in der ortsaufgelö­ sten Darstellung der Ausgabeeinheit 5 zugeordnet.

Das Einstellen der Eicheinrichtung erfolgt durch Aufnahme eines Satzes von Werten von Positionen einiger weniger Meßpunkte auf dem Objekt und deren Positionen in der Ausgabeeinheit. Daraus werden die Transformati­ onsmatrizen berechnet. Zusätzlich ist hier eine Einbeziehung der jeweili­ gen Einstellung der Linsen- und Spiegelanordnung des Interferometers 1 für jeden Meßpunkt möglich, so daß auch hierfür eine Eichung stattfindet.

Zur Erläuterung der Klasseneinteilung von Meßpunkten sei auf Fig. 2 verwiesen. Hier erkennt man einen Ausschnitt der linken Seite eines Fahr­ zeugs. Dieser Ausschnitt weist im unteren Bereich einen Teil einer Autotür 8 und im oberen Bereich die linke A-Säule 9 des Fahrzeuges auf. Erfin­ dungsgemäß ist das Abtastraster dem Meßobjekt angepaßt, das hier aus der Autotür 8 und der A-Säule 9 besteht. Entsprechend enthält das Raster zwei Unterraster. Von diesen deckt das erste eine rechteckige Fläche auf der Autotür 8 gleichmäßig ab. Das zweite ist ein auf der A-Säule 9 frei de­ finiertes Polynom.

Bei der Schwingungsanalyse sind Amplitude, Frequenz und Phase der Schwingung interessant. Für eine sinnvolle Auswertung sollten Punkte, die zum gleichen Fahrzeugteil gehören oder Punkte mit fester Phasenbezie­ hung miteinander kombiniert und in die gleiche Klasse eingeteilt werden. Diese Klasse kann dann in der nachträglichen optischen Darstellung (Animation) jeweils für sich oder gegebenenfalls auch in Kombination dar­ gestellt und analysiert werden.

Da von der Fahrzeugtür 8 und der A-Säule 9 ein unterschiedliches Schwingungsverhalten zu erwarten ist, werden die darauf liegenden Meß­ punkte über eine Einteilungsvorrichtung 7 unterschiedlichen Klassen zu­ gewiesen. Die Klassenzuweisung über die Einteilungsvorrichtung 7 wird üblicherweise von einer Bedienperson vorgenommen. Sie kann aber auch über moderne Bildverarbeitungsmethoden automatisch erfolgen oder die Bedienperson kann von diesen Bildverarbeitungsmethoden bei der Klas­ seneinteilung unterstützt werden.

Neben dem dargestellten Beispiel können solche Klassen z. B. von Meß­ punkten gebildet werden, die jeweils auf verschiedenen Leseköpfen einer Festplatte oder auf verschiedenen Kühlrippen eines Zylinders liegen.

Die Auswerteeinheit 4, die Eicheinrichtung 6 und die Einteilungsvorrich­ tung 7 können im Rahmen der Erfindung auch zu einer zentralen Einheit, etwa in einem Rechner, zusammengefaßt werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens besteht aus folgenden Schritten:

• - Die Meßpunkte werden über eine Routine im Videobild der Ausga­ beeinrichtung 5 definiert. Sie werden entweder von Hand ausge­ wählt oder mittels eines Bilderkennungsprogrammes auf dem Vi­ deobild angeordnet. Das Videobild kann ein abgespeichertes oder rekonstruiertes Realbild sein. Für eine Echtzeit-Verarbeitung emp­ fiehlt sich eine gleichzeitige Aufnahme des Videobildes.
• - Die so definierten Punkte werden (eventuell mit graphischer Un­ terstützung) ihrer jeweiligen Klasse zugewiesen. Dies kann vor­ zugsweise durch Markieren auf dem Bildschirm erfolgen, und zwar vor oder nach der Messung, da die Klasseneinteilung primär für die Auswertung wichtig ist. Sollen verschiedene Klassen in Relation zueinander gemessen werden oder für verschiedene Klassen un­ terschiedliche Meßparameter gesetzt werden, so ist eine Einteilung vor der Messung sinnvoll.
• - Danach erfolgt die Messung in an sich bekannter Weise eventuell unter Berücksichtigung der Klassenzuordnung.
• - Schließlich werden die Schwingungsmoden getrennt nach Klassen graphisch dargestellt.

Claims (15)

1. Verfahren zur berührungslosen, optischen Weg- und/oder Schwin­ gungsmessung eines Objektes (3) durch mindestens ein Interferometer (1) mit mindestens einem Laser, mindestens eine Steuereinheit, die den La­ serstrahl auf mehrere Punkte des Meßobjektes (3) leitet, so daß dieses vom Laserstrahl abgetastet wird, und mindestens eine Ausgabeeinheit (5) zur ortsaufgelösten Darstellung der Meßergebnisse, dadurch gekennzeichnet, daß für einen Abtastvorgang die Meßpunkte einzeln und/oder in zumindest einem in seiner Kontur anpaßbaren Raster frei auf dem Meßobjekt (3) positioniert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßpunkte auf frei definierte Kurven gelegt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßpunkte zu ihrer Positionierung auf dem Meßobjekt (3) in der Ausgabeeinheit (5) dargestellt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Position der Meßpunkte in der Ausgabeeinheit (5) aus ihrer Positi­ on auf dem Meßobjekt (3) über ein Korrekturverfahren, insbesondere über eine Koordinatentransformation, berechnet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erstellung des Korrekturverfahrens ein Satz von Werten gebildet wird, der Positionen von Meßpunkten auf dem Objekt (3) und deren zuge­ ordnete Positionen in der ortsaufgelösten Darstellung der Ausgabeeinheit (5) enthält.

6. Verfahren, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßpunkte entsprechend der zu erwartenden oder gemessenen Schwingungscharakteristik in verschiedene Klassen eingeteilt werden und die Meßpunkte entsprechend ihrer Klassenzugehörigkeit gemessen, dar­ gestellt und/oder ausgewertet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Klasseneinteilung vor dem Abtastvorgang erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß den Meßpunkten in der Ausgabeeinheit (5) zur Positionierung ein ge­ speichertes oder Echtzeit-Bild unterlegt wird.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Klasseneinteilung anhand des Bildes des Meßobjektes (3) erfolgt, gegebenenfalls mittels eines automatischen Bilderkennungsverfahrens.

10. Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für einen Abtastvorgang Meßpunkte einzeln und/oder in zumindest ei­ nem in seiner Kontur anpaßbaren Raster positionierbar sind und daß die Meßpunkte für diese Positionierung in der Ausgabeeinheit (5) darstellbar sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Eicheinrichtung (6) aufweist, die die Position der Meßpunkte auf dem Objekt ihrer Position in der ortsaufgelösten Darstellung der Aus­ gabeeinheit (5) zuordnet.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Eichen durch Vorgabe eines Satzes von Werten erfolgt, der Posi­ tionen von Meßpunkten auf dem Objekt (3) und deren Position in der Aus­ gabeeinheit (5) enthält.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einteilungsvorrichtung (7) zur Einteilung der Meßpunkte in verschiedene Klassen aufweist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßpunkte zu ihrer Einteilung markierbar sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgabeeinheit (5) einen Anschluß an eine Videokamera, einen Bildspeicher und/oder ein CAD-System aufweist.