DE19945717A1

DE19945717A1 - Verfahren und Anordnung zur berürhrungslosen Erfassung der Lage, der Geometrie und der Abmessungen großer Bauteile

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Publication number: DE19945717A1
Application number: DE19945717A
Authority: DE
Original assignee: EBF INGENIEURGESELLSCHAFT fur; KOSLER ANDREAS; LEHMANN MASCHB GmbH
Current assignee: EBF INGENIEURGESELLSCHAFT fur; KOSLER ANDREAS; LEHMANN MASCHB GmbH
Priority date: 1999-09-23
Filing date: 1999-09-23
Publication date: 2001-04-26

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur berührungslosen Erfas sung der Lage und/oder der Geometrie und/oder der Abmessungen großer Bauteile oder Baugruppen sowie zur Positionierung von Manipulationseinrichtungen oder Werk zeugmaschinen zu deren Bearbeitung, insbesondere im Stahl-, Behälter- oder Anlagen bau.

Die Vermessung von Bauteilen und Baugruppen im Stahl- und Anlagenbau bringt eine Reihe technologischer und meßtechnischer Probleme mit sich. Dazu zählen zum einen Störgrößen aus dem Fertigungs- und Montageprozeß (Schwingungen, impulsartige Stöße, Wärmestrahlung und -strömung beim Schweißen, etc.), die sich auf die Sicher heit der Messung und Meßgenauigkeit auswirken. Zudem kommt es aufgrund der ständig wechselnden Fertigungsaufträge bei kleinsten Losgrößen bzw. Stückzahlen zu sich ständig änderenden Meßaufgaben. Wegen der unterschiedlichsten Bauteilgeometri en und -abmessungen ist eine variable Belegung der Produktionsflächen erforderlich. Dies schließt fest installierte Meßtechnik aus, die die Flächennutzung einschränken würde.

Vielfach werden daher Zeit- und kostenaufwendige Hilfskonstruktionen zur Durchfüh rung von exakten Messungen eingesetzt. Eine Folge der vielfach unzureichenden Sicherheit der Messung und Meßgenauigkeit, insbesondere im Behälter- und Anlagen bau, sind Anpassungs- und Nacharbeiten auf der Baustelle.

Somit besteht ein wirtschaftliches Interesse an einem Meßverfahren, das sowohl eine exakte Positionierung unterschiedlichster Bauteile oder Baugruppen (z. B. vor und nach dem Schweißen oder bei der Montage), eine genaue Maschinenpositionierung (z. B. bei der Bearbeitung mit freibeweglichen Bearbeitungsmaschinen) und eine sichere und flexible Prüfung des Arbeitsergebnisses am Bearbeitungsort ermöglicht.

Verfahren und Anordnungen zur berührungslosen Erfassung von Lage-, Form- und Maßabweichungen an großen Bauteilen sind u. a. aus Joza, J., Verlag Technik Berlin, 1969, bekannt.

Ein wesentliches Kriterium für die Anwendung von Meßverfahren ist die Meßunsicher heit. In der Fertigungsmeßtechnik gilt die sogenannte "Goldene Regel der Meßtechnik", d. h. die Meßunsicherheit der Meßeinrichtung sollte nicht größer als 0,1 bis 0,2 der Werkstücktoleranz sein. So fordert z. B. die DIN-Norm für den Stahlbau für eine Bauteillänge bis 2000 mm eine Toleranz von max. 2,0 mm, d. h. die Meßunsicherheit der verwendeten Meßverfahren und -einrichtungen darf nicht größer als 0,4 mm sein.

Unter Beachtung dieser Randbedingungen müssen die Meßverfahren für den Stahlbau beurteilt werden.

Für das Messen großer Längen im Stahlbau werden verschiedene Verfahren angewen det:

Konventionelle Messung

Bisher werden im Stahlbau einfache Meßgeräte (Stahlmaßbänder, Meßschieber, Meßschrauben, Innenmeßschrauben usw.) verwendet. Für die Anwendung dieser Meßmittel sind die verschiedensten Hilfsmittel (Dorne für Bohrungen, Anschlag winkel usw.) erforderlich. Bei der Anwendung von Maßbändern müssen ab einer bestimmten Länge zusätzliche Spanneinrichtungen eingesetzt werden. Die konven tionelle Messung ist meist nur mit mindestens zwei Personen möglich. Der Zeit aufwand für die konventionelle Messung ist erheblich. Die konventionelle Messung erfordert eine hohe Qualifikation des Meßpersonals hinsichtlich meßtechnischer Grundlagen, weil sonst erhebliche Fehlerursachen bestehen. Bei nicht ausreichender Qualifikation des Meßpersonals ist die geforderte Meßunsicherheit nicht erreichbar.

Industriephotogrammetrie

Die Messung des Werkstückes erfolgt durch Aufnahme von dreidimensionalen Bil dern mit speziellen Meßkameras. Die Meßpunkte am Werkstück werden durch Zielmarken festgelegt. Die Auswertung der dreidimensionalen Bilder erfolgt am Computer. Mittels Computer können Maße im 3D-Bild berechnet werden. Die Meßunsicherheit dieses Verfahren ist sehr stark abhängig von der Aufnahme der dreidimensionalen Bilder. Für den praktischen Einsatz in der Produktion ist dieses Verfahren deshalb ungeeignet. Die Anwendung dieses Verfahren erfordert speziell ausgebildete Meßtechniker in der Industriephotogrammetrie. Deshalb wird dieses Verfahren über spezialisierte Dienstleister besonders für die Bauwerksver messung angeboten. Für die erreichbaren Meßunsicherheiten existieren keine wis senschaftlich abgesicherten Erkenntnisse. Die Meßunsicherheit ist auf keinen Fall kleiner als bei der konventionellen Messung. Eine Meßeinrichtung für Industrie photogrammetrie ist wegen der vergleichsweise hohen Beschaffungs- und Betriebs kosten für klein- und mittelständische Stahlbauunternehmungen nicht finanzierbar.

Theodoliten

Für die Vermessung sehr großer Bauteile und Erzeugnisse (z. B. im Flugzeugbau) werden häufig Theodoliten eingesetzt. Aufgrund der großen Abmessungen ergeben sich sehr hohe Anforderungen an die Winkelmeßsysteme. Die Winkelmeßunsicher heit muß kleiner als 1" sein. Für die Messung sind mindestens zwei Theodoliten erforderlich. Die Theodoliten werden über eine spezielle Software gegeneinander eingemessen. Dadurch ist es möglich, daß die Theodoliten in einem dreidimensio nalen kartesischen Koordinatensystem messen. Die Bedienung einer solchen Meßeinrichtung erfordert eine hohe Qualifikation des Meßpersonals. Diese Meßein richtung für Theodoliten ist für klein- und mittelständische Stahlbaufirmen nicht finanzierbar (Prospekt Leica TDM5005/TDA5005).

Lasertracking-System

Das modernste Meßsystem für große Längen ist das Lasertracking-System. Bei diesem Meßsystem wird ein CNC-gesteuerter Theodolit mit aufgesetzten La serinterferomater automatisch durch die Bewegung eines Reflektionsspiegels ge steuert. Der Reflektionsspiegel kann an einer beliebigen Stelle des Werkstückes positioniert werden.

Aufgrund des Meßprinzips (Laserinterferometer) führt eine Strahlunterbrechung zu einem Verlust des Maßanschlusses. Die Meßeinrichtung muß nach einer Strahlunterbrechung völlig neu justiert werden. In einem Stahlbauunternehmen ist eine Strahlunterbrechung z. B. durch Bearbeitungsmaschinen, Fördermittel, Hebe zeuge oder Bedienpersonal jederzeit möglich. Aufgrund dieser technologischen Rahmenbedingungen kommt der Einsatz eines Laserinterferometers in den vorge nannten Stahlbauunternehmen nicht in Betracht.

Auch die mittels Laserinterferometer erreichbare Genauigkeit derartiger Meßein richtung ist für den Stahlbau nicht erforderlich.

Ein Lasertracking-System, wie bereits aus der U. S. 4,714,339 und dem Firmen prospekt Leica LT500/LTD500 bekannt, ist zudem für ein klein- oder mittelstän disches Stahlbauunternehmen nicht finanzierbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung zur berührungslosen Erfassung der Lage und/oder der Geometrie und/oder der Abmessungen großer Bauteile oder Baugruppen sowie zur Positionierung von Manipulationseinrichtungen oder Werkzeugmaschinen zu deren Bearbeitung, insbesondere für den Einsatz im Stahl-, Behälter- oder Anlagenbau vorzuschlagen, die die Nachteile des bekannten Standes der Technik eliminieren. Insbesondere sollen das Meßverfahren und Meßeinrichtung eine hohe Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit unter den besonderen Einsatzbedingungen des Stahlbaus garantieren und eine hinreichende Genauigkeit bei gleichzeitig geringen Kosten ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Hauptanspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt.

Das Verfahren zur berührungslosen Erfassung der Lage, der Geometrie und der Abmessungen großer Bauteile erlaubt eine objektunabhängige Vermessung, ohne daß das Bauteil in eine definierte Lage oder Position zu den Elementen der Meßanordung gebracht wird. Die zu bestimmenden Meßpunkte am oder im Bauteil werden durch abnehmbare oder am Bauteil verbleibende Zielmarken meßtechnisch dargestellt.

Vorteilhaft sind die abnehmbaren Zielmarken 7 an die Geometrie und die Oberfläche des Meßobjektes 6 angepaßt. Die Zielmarken 7 und deren spezielle Konstruktion sind notwendig, um die geforderte Meßunsicherheit zu erreichen.

Die Ermittlung der Position der am Meßobjekt angeordneten Zielmarken erfolgt in mehreren Schritten:

Über einen ortsbeweglichen Laserabstandssensor wird ein Laserstrahl abgestrahlt. Die Lage des Laserabstandssensors wird solange iterativ verändert, bis das Abbild des ausgesendeten Laserstrahls mit der Zielmarke am Meßobjekt übereinstimmt.

In einem zweiten Verfahrensschritt wird der axiale Abstand zwischen dem ortsbeweg lichen Laserabstandssensor und einem weiteren Laserabstandssensor bestimmt, der vorzugsweise ortsfest installiert ist. Dabei wird von diesem Laserabstandssensor ein Laserstrahl abgestrahlt, der auf eine Zielmarke am ortsbeweglichen Laserabstandssensor gerichtet ist. Mit bekannten Mitteln wird somit der Abstand zwischen den beiden Laserabstandssensoren bestimmt.

In einem dritten Verfahrensschritt werden die ermittelten Meßwerte an einen Computer weitergeleitet und verarbeitet. Im Ergebnis werden die jeweiligen Koordinaten des angetasteten Punktes P (x, y, z) auf einem Display angezeigt, an andere Datenausgabe einrichtungen weitergegeben, gespeichert oder weiterverarbeitet.

Eine Meßanordnung zur Durchführung des Verfahrens besteht vorteilhaft aus einem Laserabstandssensor (1) zur Messung der x-Achse und einem weiteren, entlang der x- Achse verfahrbaren und annähernd senkrecht zur x-Achse messenden und in der y-z- Ebene schwenkbaren Laserabstandssensor (2).

Als Laserabstandssensoren (1, 2) werden beispielsweise manuelle Meßgeräte der Firma Leica vom Typ "Disto memo" eingesetzt. Die Laserabstandsensoren haben eine Meßunsicherheit von 3 mm im manuellen Betrieb.

Durch die Veränderung verschiedenster Einsatzbedingungen dieser Laserabstands sensoren (statische Messung, Meßwertauslösung über Computer, Einsatz von Ziel marken mit einer Reflexionsfläche, die an die Wellenlänge des jeweiligen Laserab standssensors angepasst ist, Kompensation systematischer Meßabweichungen) konnte überraschend die erreichbare Meßunsicherheit um den Faktor 10 verringert werden. Damit sind diese Laserabstandsensoren unter den Bedingungen des Stahlbaus einsetz bar.

Die Meßanordnung wird entweder stationär an Gebäudeteilen oder ortsveränderlich auf einem Ständersystem 8 justiert und ermöglicht ein berührungsloses Messen, ohne die Zugänglichkeit der Arbeitsfläche einzuschränken, auf der sich das zu vermessende Bauteil sowie Vorrichtungen und Werkzeugmaschinen befinden.

Die Meßpunkterfassung erfolgt durch das optische Antasten geeigneter Zielmarken, die z. B. magnetisch am Zielobjekt befestigt sind. Bevorzugt werden Zielmarken 7 einge setzt, die auf der anzutastenden Oberfläche das Abbild konzentrisch angeordneter Ellipsen aufweisen. Dadurch wird die Antastunsicherheit verringert, die einen wesent lichen Einfluss auf die Meßunsicherheit der Meßanordnung hat.

Um die notwendige Meßunsicherheit und Reproduzierbarkeit der Messungen zu ermöglichen, wird der zweite Laserabstandssensor (2) auf einer biege- und torsions steifen Führungsbahn (3) axial verschiebbar geführt. Die axiale Bewegung des Laser abstandssensors (2) wird durch einen Schlitten (9) ermöglicht, der zugleich die Schwenkeinrichtung mit inkrementalem Drehwinkelgeber (10) für die Schwenkung des Laserabstandssensors (2) in der y-z-Ebene und für die Bestimmung des Schwenk winkels β trägt.

Vorteilhaft sind am Schlitten (9) oder an der Schwenkeinrichtung (10) Sensoren angeordnet, die vor und während der Messung auftretende Schwingungen und Stöße erfassen und als Signale an einen Personalcomputer weiterleiten.

Über den Personalcomputer werden Intensität und zeitlicher Verlauf dieser Störgrößen erfaßt und ausgewertet. Erst wenn keine Störungen mehr erfaßt werden oder die ermittelten Schwingungen sich in einem zulässigen Normbereich bewegen, wird die Meßanordnung für die nächste Messung freigegeben.

Die beim Kalibrieren der erfindungsgemäßen Dreikoordinatenmeßanordnung ermittelte systematische Meßabweichung wird ebenfalls vorteilhaft über den Personalcomputer erfaßt und mit einer Kompensationssoftware eliminiert.

Zur Prüfmittelüberwachung dienen Normale aus Kohlenfaserstoffen, die an das staatliche Normal angeschlossen sind und eine einfache Überwachung sowie Kalibrie rung der Dreikoordinatenmeßanordnung ermöglichen.

Eine verfahrensgemäße Meßanordnung ist nachfolgend beispielhaft beschrieben und in Zeichnungen näher dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1: Eine Meßeinrichtung zur Vermessung von Stahlbauteilen

Fig. 2: Eine Zielmarke 7 zur Lagebestimmung.

Fig. 1 zeigt ein Werkstücks (Meßobjekt) 6, daß sich ohne definierten Bezug zur Meßeinrichtung auf einer Bearbeitungsfläche 13 befindet.

Die Meßeinrichtung befindet sich seitlich von der Bearbeitungsfläche 13.

Die Führungsbahn 3, die die beiden Laserabstandssensoren 1, 2 aufnimmt, ist an einem Ständersystem 8 angeordnet. Die Erfassung der Lage des zu bearbeitenden Bauteils und dessen Bearbeitung und Prüfung geschieht in folgenden Schritten:

1. Lagebestimmung des Bauteils

Voraussetzung für die Messung und Bearbeitung des Werkstücks 6 ist seine Lage bestimmung auf der Bearbeitungsfläche 13 bzw. im Bearbeitungsraum.

Dazu werden mindestens zwei ausgezeichnete Punkte (4, 5) am Bauteil mittels Zielmarken 7 dargestellt und angetastet.

Aus den Koordinaten der beiden Punkte 4, 5 [P1(x1, y1, z1), P2(x2, y2, z2)] im X-Y-Z-Koordinatensystem der Meßeinrichtung wird ein dreidimensionales karte sisches U-V-W-Koordinatensystem des Bauteils ermittelt. Dadurch sind alle Posi tionierungen der Bearbeitungsmaschinen und alle Messungen am Bauteil unabhän gig von der jeweiligen diskreten Lage des Werkstücks 6 auf der Bearbeitungsfläche 13 möglich.

Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausbildung einer Zielmarke 7 in einer Draufsicht. Die vom (nicht näher dargestellten) Laserstrahl anzutastende Oberfläche der Ziel marke weist eine Anzahl konzentrisch angeordneter Ellipsen auf.

2. Bearbeitung des Bauteils

Die Bearbeitung des Werkstücks 6 erfolgt anhand von Sollvorgaben in der techni schen Zeichnung. Dazu wird an der nicht näher dargestellten Bearbeitungsmaschine (z. B. einer Bohrmaschine) eine Zielmarke angebracht. Lage und Abstand der Ziel marke (radialer Versatz, axialer Versatz) zur Bearbeitungsachse der Bearbeitungs maschine (Achse der Bohrspindel) werden kalibriert.

Bei der Positionierung der Bearbeitungsmaschine werden diese Kalibrierwerte be rücksichtigt. Dabei wird vorteilhaft zuerst die x-Achse durch axiales Verfahren des Schlittens 9 auf der Führungsbahn 3 positioniert. Nachfolgend wird durch Schwen ken des Laserabstandssensors 2 die Zielmarke 7 angetastet.

Nach der Positionierung erfolgt die Ausführung der entsprechenden Bearbeitungs aufgabe.

3. Überprüfung der erfolgten Bearbeitung

Die Überprüfung der Bearbeitung ist erforderlich, weil durch Bearbeitungskräfte zusätzliche Maßabweichungen entstehen können. Für die Überprüfung werden Zielmarken am bearbeiteten Formelement (Bohrung, Körperkante usw.) befestigt. Die Zielmarken werden analog der bisher beschriebenen Verfahrensweise optisch angetastet. Für die Zielmarken müssen ebenfalls Kalibrierparameter ermittelt wer de. Die Kalibrierparameter werden bei der Berechnung der Koordinaten der Form elemente berücksichtigt.

So wird z. B. bei der Messung einer Bohrung ein Meßdorn mit aufgebrachter Ziel marke formschlüssig in die Bohrung eingesetzt. Der Durchmesser/Radius des Meß dorns wird als Kalibrierparameter bei der Berechnung der Bohrungskoordinaten berücksichtigt.

Übersicht verwendeter Bezugszeichen

1

Laserabstandssensor

1

(ortsfest)

2

Laserabstandssensor

2

(verschiebbar und schwenkbar)

3

Führungsbahn

4

Punkt P

1

(x

1

, y

1

, z

1

)

5

Punkt P

2

(x

2

, y

2

, z

2

)

6

Meßobjekt/Werkstück

7

Zielmarke

8

Ständersystem

9

Schlitten

10

Schwenkeinrichtung mit inkrementalem Drehwinkelgeber

11

Fiktiver Meßstrahl in der x-y-Ebene (gedachte y-Achse)

12

Laserstrahl

13

Bearbeitungsfläche
α Einstellwinkel
β Schwenkwinkel

Claims

1. Verfahren zur berührungslosen Erfassung der Lage und/oder der Geometrie und/oder der Abmessungen großer Bauteile oder Baugruppen und/oder zur Positionierung von Manipulationseinrichtungen oder Werkzeugmaschinen zu deren Bearbeitung, insbesondere für den Einsatz im Stahl-, Behälter- oder Anlagenbau,
wobei die Meßpunkte am oder im Bauteil durch abnehmbare oder mit dem Bauteil verbundene Zielmarken meßtechnisch dargestellt werden und die Ermittlung der Position der Zielmarken dadurch erfolgt,
dass von einem ortsbeweglichen Laserabstandssensor ein Laserstrahl 12 ausgesendet wird, dessen Lage solange verändert wird, bis das Abbild des ausge sendeten Laserstrahls 12 mit der Zielmarke 7 übereinstimmt,
dass der Abstand zwischen dem ortsbeweglichen Laserabstandssensor und einem weiteren Laserabstandssensor dadurch bestimmt wird, daß von dem weiteren Laserabstandssensor ein Laserstrahl 12 auf eine Zielmarke des ortsbeweglichen Laserabstandssensor abgestrahlt wird und dass die ermittelten Meßwerte an eine Datenverarbeitungseinrichtung weitergeleitet und verarbeitet werden.

2. Anordung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einem ersten Laserabstandssensor (1) zur Messung des Abstandes in der x-Achse gegenüber einem zweiten Laserabstandssensor (2), dessen Strah lengang in der y-z-Ebene unter einem konstanten Einstellwinkel α gegenüber dem Strahlengang des ersten Laserabstandssensors (1) verläuft, wobei minde stens einer der Laserabstandssensoren (1, 2) beweglich und der zweite Laser abstandssensor (2) in y-z-Ebene schwenkbar ist und dass die Anordnung Mittel zur numerischen Auswertung der Meßergebnisse aufweist.

3. Anordung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einstellwinkel α = 90° beträgt.

4. Anordung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung Mittel zur Kompensation von Meßfehlern aufweist.

5. Anordung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung räumlich beabstandet vom Fertigungsbereich an Gebäude teilen angeordnet ist.

6. Anordung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung ortsveränderlich auf einem Ständersystem (6) justiert ist.

7. Anordung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserabstandssensors (2) auf einem verschiebbaren Schlitten (9) auf einer Führungsbahn (3) angeordnet und über eine Schwenkeinrichtung mit inkrementalem Drehwinkelgeber (10) in der y-z-Ebene schwenkbar ist.

8. Anordung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß über eine Datenverarbeitungseinrichtung die Intensität und/oder der zeitliche Verlauf auftretender Schwingungen und/oder Stöße erfasst und verarbeitet wird.

9. Anordung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zielmarken 7 auf der anzutastenden Oberfläche das Abbild konzentrisch angeordneter Ellipsen aufweisen.