DE19806240B4 - Verfahren und Vorrichtung zur flächenhaften Schwingungsanalyse - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur berührungslosen, optischen Weg- und/oder Schwingungsmessung eines Objektes (3), das mindestens ein Interferometer (1) mit mindestens einem Laser, mindestens eine Steuereinheit, die den Laserstrahl auf mehrere Punkte des Messobjektes (3) leitet, so dass dieses vom Laserstrahl abgetastet wird, und mindestens eine Ausgabeeinheit (5) zur ortsaufgelösten Darstellung der Messergebnisse verwendet, 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, und dass verschiedene Messpunkt-Teilmengen in unterschiedliche Klassen eingeteilt und abhängig von ihrer Klassenzugehörigkeit ausgewertet werden, wobei die Zugehörigkeit eines Messpunktes zu einer Klasse über die Position des Messpunktes definiert wird.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen, optischen Weg- und/oder Schwingungsmessung eines Objektes nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
- 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 Messpunkten 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 aufgenommen. Die einzelnen Schwingungsspektren werden nach der Messung im Rechner ausgewertet und das Schwingungsbild des Objektes wird für einzelne aus dem Schwingungsspektrum ausgewählte Frequenzen rekonstruiert. Die Ausgabe dieser Schwingungsbilder erfolgt durch eine Ausgabeeinheit (Bildschirm). - Eventuell können auch einzelne Messpunkte aus dem Messraster gelöscht werden.
- Dieses Verfahren bzw. die dazugehörige Vorrichtung sind insofern nachteilig, als die Anordnung der Messpunkte auf einem fest vorgegebenen Raster für die Auswertung der Schwingungen komplizierter Geometrien unbefriedigend ist. Diese lassen sich nur mit einer extrem hohen Anzahl von Messpunkten erfas sen, wodurch die Messung nicht mehr in einem vernünftigen Zeitraum erfolgen kann.
- Weiterhin ist es für die Analyse von Schwingungsmoden, insbesondere an Autotüren oder ähnlichem, bekannt, einzelne Sensoren an verschiedenen 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 solchen massebehafteten Beschleunigungsmessern schnell auf unüberwindbare Grenzen.
- Für die optische Abtastung von Gegenständen sind verschiedene Varianten bekannt: So wird in Feinwerktechnik und Messtechnik 95 (1987) 1, Seiten 55, 56 das Abtasten in Rasterform mit einer vorher festzulegenden Rastergröße und in der
DE 29 52 809 C2 eine lineare und eine spiralförmige Abtastung beschrieben. Die Konturen der Raster sind bei diesem Verfahren bzw. den dazugehörigen Vorrichtungen nicht an die Konturen von Objekten, die komplizierte Geometrien aufweisen, anpassbar. Dies kann zum Einen dazu führen, dass Messpunkte außerhalb des zu vermessenden Objekts liegen und zum Anderen dazu, dass der Rand des Objekts nicht hinreichend genau abgetastet werden kann bzw. eine die Messzeit stark erhöhende Vergrößerung der Messpunktdichte des Rasters erforderlich ist. - Der Einsatz einer Videokamera, sowie eine Überlagerung des Videobildes einer untersuchten Struktur mit vom Rechner ausgewerteten Ergebnissen einer Schwingungsmessung ist aus den Schriften HOFER, K. SCHEDL, H. VAN DEN BOOM, J. Die Akustik des neuen V6-TDI-Motors im Audi A8. – In. ATZ, 1997, Band 99, Seite 414-423 und ROSVOLD, G.O. Video-based vibration analysis using projected fringes. – In: Applied Optics, 1994, Band 33, Seite 775-786 bekannt.
- Weiterhin sind zum Stand der Technik die Schriften WECK, M., OSTENDARP, N., SELLHORST, M. Schwingungsformanalyse mit holographischer Interfero metrie und Modalanalyse. – In: tm, 1993, Band 60, Seite 228-234 und die
DE 31 13 090 A1 zu nennen. - Aus der
DE 41 06 572 C2 ist schließlich eine Vorrichtung für eine Schwingungsmessung mit einem Laser-Interferometer, einer Steuereinheit für den Laserstrahl für einen Abtastvorgang, sowie einer Ausgabeeinheit zur ortsaufgelösten Darstellung der Messergebnisse bekannt. Die Koordinaten der Messpunkte werden entweder durch eine mechanisch aufwendige Ausrichtung von drei Messköpfen und das durch die drei Messrichtungen aufgespannte Koordinatensystem bestimmt, oder aber es wird eine separate Ortsbestimmungseinrichtung in einen Messkopf eingebaut, der den Leuchtfleck des Laserstrahls auf dem Objekt detektiert. Die Ortskoordinaten der Messpunkte werden hierbei während der Messung aufgenommen. - Davon ausgehend besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die es erlauben, eine Schwingungsanalyse auch für von der Geometrie her komplizierte oder sehr kleine Werkstücke in vorteilhaft kurzer Zeit bei dennoch ausreichender Genauigkeit durchzuführen.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass für einen Abtastvorgang die Messpunkte einzeln und/oder in zumindest einem in seiner Kontur anpassbarem Raster frei auf dem Messobjekt positioniert werden, wobei verschiedene Messpunkt-Teilmengen in unterschiedliche Klassen eingeteilt und abhängig von ihrer Klassenzugehörigkeit ausgewertet werden, wobei die Zugehörigkeit eines Messpunktes zu einer Klasse über die Position des Messpunktes definiert wird.
- Während bislang bei Scannvorgängen eine Oberfläche oder ein Messobjekt mit einem rechtwinkligen und rechteckigen linearen oder spiralförmigen Raster überzogen und Punkt für Punkt ausgemessen wurde (z.B.
DE 29 52 809 C2 ), wobei man allenfalls die Größe des Rasters und die Dichte der Punkte variieren konnte, ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren ein wesentlich angepassteres Vorgehen. - Man definiert dabei in der Regel einfach die Fläche auf der gescannt werden 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 einem schräg verlaufenden, stabförmigen Messobjekt wird hingegen ein ebenso verlaufendes Raster erstellt. Dadurch entfallen zahlreiche überflüssige 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 Messobjektes 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 einer 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, ergeben sich weitere Verzerrungen. Solche Verzerrungen würden sich insbesondere im Zusammenhang mit der neu gewonnen freien Po sitionierbarkeit von Messpunkten und Gruppen von Messpunkten nachteilig bemerkbar machen.
- Deshalb wird vorgeschlagen, die Position der Messpunkte in der Ausgabeeinheit aus ihrer Position auf dem Messobjekt nicht direkt zu übernehmen, sondern über ein Korrekturverfahren, insbesondere über eine oder mehrere Koordinatentransformationen zu berechnen. Die Koordinatentransformationen 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 vermessenden komplizierten Geometrien kann es auch zu komplizierten Schwingungserscheinungen 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 Klassenzugehörigkeit 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 gemachte digitale oder digitalisierte Aufnahme sein. Ebenso ist aber auch das Einblenden eines Echtzeit-Bildes aus einer synchron laufenden Videokamera möglich.
- Steht ein solches Bild zur Verfügung, kann selbstverständlich die Klasseneinteilung 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 vorbeschriebenen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß für einen Abtastvorgang Messpunkte einzeln und/oder in zumindest einem in seiner Kontur anpassbaren Raster positionierbar sind, und daß die Messpunkte für diese Positionierung in der Ausgabeeinheit darstellbar sind, so dass sie an die gewünschte Stelle gesetzt werden können, und daß verschiedene Messpunkt-Teilmengen mittels einer Einteilungsvorrichtung in unterschiedliche Klassen einteilbar sowie abhängig von ihrer Klassenzugehörigkeit auswertbar sind, wobei die Zugehörigkeit eines Messpunktes zu einer Klasse über die Position des Messpunktes definiert wird.
- Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung ergeben sich aus den die Vorrichtung betreffenden Unteransprüchen analog zu den Unteransprüchen des Verfahrens.
- Erfindungswesentliche Merkmale finden sich auch in der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Dabei zeigt
-
1 ein Blockschaltbild der Vorrichtung und -
2 eine Anordnung von in ihrer Kontur angepaßten Rastern auf einem Messobjekt. - In
1 ist ein Interferometer1 dargestellt, das vorzugsweise als Heterodyne-Vibrometer ausgebildet ist und von dem zur interferometrischen Messung ein Laserstrahl2 zu einem Messobjekt3 gesandt wird. Zum Abtasten (Scannen) des Messobjektes3 mit dem Laserstrahl2 weist das Interferometer1 eine nicht dargestellte Linsen- und Spiegelanordnung auf. Diese wird so eingestellt, daß der Laserstrahl2 in einem gewünschten Messpunkt auf das Messobjekt3 trifft. Dort verharrt er für einige Schwingungszyklen, um interferometrisch Schwingungsfrequenz, -amplitude und -phase zu messen. - Danach wird die Linsen- und Spiegelanordnung des Interferometers
1 motorisch und/oder über Piezoelemente so verstellt, daß der Laserstrahl zum nächsten Messpunkt auf dem Messobjekt3 gelenkt wird und dort in der neuen Position2' die bezeichneten Größen abtastet. Dieser Vorgang wiederholt sich, bis alle Messpunkte erfasst sind. - Die gemessenen Werte werden vom Interferometer
1 zu einer Auswerteeinheit4 in Form eines Rechners weitergegeben, die die Daten für die ortsaufgelöste Darstellung in einer Ausgabeeinheit5 (Bildschirm) aufbereitet. - Wesentlich ist nun, dass die Linsen- und Spiegelanordnung den Laserstrahl nicht in der Art steuert, dass er das Messobjekt
3 in einem festen, rechteckigen 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 Messobjektes unterlegt, so dass die gewünschte Position jedes einzelnen Messpunktes leicht auffindbar ist. Dieses Bild läßt sich besonders gut durch eine Videokamera erzeugen, die an die Ausgabeeinheit
5 angeschlossen wird. - In der Regel sind die Optik der Videokamera sowie die Linsen- und Spiegelanordnung des Interferometers
1 mit Fehlern behaftet. Um trotzdem eine Kongruenz der tatsächlichen Lage der Messpunkte auf dem Messobjekt3 , ihrer Einstellung in der Linsen- und Spiegelanordnung des Interferometers1 und ihrer Darstellung in der Ausgabeeinheit5 zu erzeugen, weist die Vorrichtung eine Eicheinrichtung6 auf. Diese Eicheinrichtung nimmt über Transformationsmatrizen jeweils eine Koordinatentransformation zwischen zwei der drei genannten Systeme vor. Dadurch wird der Position eines Messpunktes auf dem Messobjekt3 die richtige Position in der ortsaufgelösten Darstellung der Ausgabeeinheit5 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 Transformationsmatritzen berechnet. Zusätzlich ist hier eine Einbeziehung der jeweiligen 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
2 verwiesen. Hier erkennt man einen Ausschnitt der linken Seite eines Fahrzeugs. Dieser Ausschnitt weist im unteren Bereich einen Teil einer Autotür8 und im oberen Bereich die linke A-Säule9 des Fahrzeuges auf. Erfindungsgemäß ist das Abtastraster dem Messobjekt angepasst, das hier aus der Autotür8 und der A-Säule9 besteht. Entsprechend enthält das Raster zwei Unterraster. Von diesen deckt das erste eine rechteckige Fläche auf der Autotür8 gleichmäßig ab. Das zweite ist ein auf der A-Säule9 frei definiertes 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 Phasenbeziehung 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 dargestellt und analysiert werden.
- Da von der Autotür
8 und der A-Säule9 ein unterschiedliches Schwingungsverhalten zu erwarten ist, werden die darauf liegenden Messpunkte über eine Einteilungsvorrichtung7 unterschiedlichen Klassen zugewiesen. Die Klassenzuweisung über die Einteilungsvorrichtung7 wird üblicherweise von einer Bedienperson vorgenommen. Sie kann aber auch über moderne Bildverarbeitungsmethoden automatisch erfolgen oder die Bedienperson kann von diesen Bildverarbeitungsmethoden bei der Klasseneinteilung unterstützt werden. - Neben dem dargestellten Beispiel können solche Klassen z. B. von Messpunkten gebildet werden, die jeweils auf verschiedenen Leseköpfen einer Festplatte oder auf verschiedenen Kühlrippen eines Zylinders liegen.
- Die Auswerteeinheit
4 , die Eicheinrichtung6 und die Einteilungsvorrichtung7 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 Ausgabeneinheit
5 definiert. Sie werden entweder von Hand ausgewählt oder mittels eines Bilderkennungsprogrammes auf dem Videobild angeordnet. Das Videobild kann ein abgespeichertes oder rekonstruiertes Realbild sein. Für eine Echtzeit-Verarbeitung empfiehlt sich eine gleichzeitige Aufnahme des Videobildes. - – Die so definierten Punkte werden (eventuell mit graphischer Unterstützung) ihrer jeweiligen Klasse zugewiesen. Dies kann vorzugsweise 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 unterschiedliche 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 (9)
- Verfahren zur berührungslosen, optischen Weg- und/oder Schwingungsmessung eines Objektes (
3 ), das mindestens ein Interferometer (1 ) mit mindestens einem Laser, mindestens eine Steuereinheit, die den Laserstrahl auf mehrere Punkte des Messobjektes (3 ) leitet, so dass dieses vom Laserstrahl abgetastet wird, und mindestens eine Ausgabeeinheit (5 ) zur ortsaufgelösten Darstellung der Messergebnisse verwendet, 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, und dass verschiedene Messpunkt-Teilmengen in unterschiedliche Klassen eingeteilt und abhängig von ihrer Klassenzugehörigkeit ausgewertet werden, wobei die Zugehörigkeit eines Messpunktes zu einer Klasse über die Position des Messpunktes definiert wird. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messpunkte auf frei definierte Kurven gelegt werden.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Klasseneinteilung der Messpunkte entsprechend der zu erwartenden oder gemessenen Schwingungscharakteristik von unterschiedlichen Messpunkt-Teilmengen erfolgt.
- Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Klasseneinteilung vor dem Abtastvorgang erfolgt und die jeweiligen Messpunkt-Teilmengen entsprechend ihrer Klassenzugehörigkeit gemessen, dargestellt und/oder ausgewertet werden.
- Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass den Messpunkten in der Ausgabeeinheit (
5 ) zur Positionierung ein gespeichertes oder Echtzeit-Bild unterlegt wird. - Verfahren nach den Ansprüchen 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Klasseneinteilung anhand des Bildes des Messobjektes (
3 ) erfolgt, - Vorrichtung zur berührungslosen, optischen Weg- und/oder Schwingungsmessung eines Objektes (
3 ) durch mindestens ein Interferometer (1 ), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit mindestens einem Laser, mindestens einer Steuereinheit, die so ausgebildet ist, dass sie den Laserstrahl auf mehrere Punkte des Messobjektes (3 ) leitet, so dass dieses vom Laserstrahl abgetastet wird, und mindestens einer Ausgabeeinheit (5 ) zur ortsaufgelösten Darstellung der Messergebnisse, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser, die Steuereinheit und die Ausgabeeinheit (5 ) derart zusammenwirkend ausgestaltet sind, dass für einen Abtastvorgang Messpunkte einzeln und/oder in zumindest einem in seiner Kontur anpassbaren Raster frei auf dem Messobjekt positionierbar und die Messpunkte für diese Positionierung in der Ausgabeeinheit (5 ) darstellbar sind, dass die Vorrichtung eine Einteilungsvorrichtung (7 ) aufweist, die so ausgestaltet ist, dass verschiedene Messpunkt-Teilmengen mittels der Einteilungavorrichtung (7 ) in unterschiedliche Klassen einteilbar sind, wobei die Zugehörigkeit eines Messpunktes zu einer Klasse über die Position des Messpunktes definiert wird, und dass die Vorrichtung so ausgestaltet ist, dass verschie dene Messpunkt-Teilmengen abhängig von ihrer Klassenzugehörigkeit ausgewertet werden. - Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messpunkte zu ihrer Einteilung markierbar sind.
- Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgabeeinheit (
5 ) einen Anschluss an eine Videokamera, einen Bildspeicher und/oder ein CAD-System aufweist.
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