DE2422837C3 - Anordnung zur Messung dreidimensionaler Koordinaten von Modellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung dreidimensionaler Koordinaten von Modellen und be zieht sich insbesondere auf die Anordnung zur Mes sung der dreidimensionalen Koordinaten von Meß punkten von Strukturmodellen, z. B. Schiffsmaschinenräumen, Landbasisanlagen, durch Anwendung von Ultraschallwellen.

Für den Entwurf und die Konstruktion von Schiffs maschinenräumen oder Landbasisanlagen, die verschiedenartige komplizierte Rohranlagen und Ein bauten aufweisen, ist ein sogenanntes Modelltechnik-System entwickelt worden, in welchem die An-Ordnung der Rohranlagen und Ausstattungselemente durch die Anfertigung von maßstäblichen Modellen von etwa V10 oder '/20 der Originalgröße an Stelle eines detaillierten Entwurfs, der auf der Vorstellung des Entwicklers basiert und·mittels Zeichnungen zum Ausdruck gebracht wird, entwickelt wird.

In diesem Fall ist die dreidimensionale Ausmessung der Modelleinbauten, wie Rohranlagen, Apparaturen, erforderlich, um die Fertigung der tatsächlichen Maschinenräume oder Anlagen auf der Basis der maßstäblichen Modelle zu ermöglichen.

Im Fall der manuellen Ausmessung unter Anwendung von Maßstäben ergeben sich Probleme der Meßgenauigkeit, der Laborerfordernisse und der Meßschwierigkeiten in einigen Füllen, in weichen die Konstruktion kompliziert ist.

Zur Lösung dieses Problems sind verschiedene Anordnungen zur Messung dreidimensionaler Koordinaten von Modelleinbauten entwickelt worden. Gemäß einem derartigen Beispiel, wie es in F i g. 1 gezeigt ist, gelangen drei Meßlatten U. V und W zur Anwendung, die parallel zu sich miteinander kreuzenden X-, Y- und Z-Achsen verschieblich sind, wobei eine Mießlatte U, d. h. deren Fühlende, in Berührung mit dem Meßpunkt P gebracht wird und in diesem Zustand die dreidimensionalen Koordinaten (x,y. z)des Meßpunkts P von den Verschiebeabständen der entsprechenden Meßlatten U, y, IVabgelesen werden.

Da jedoch bei einer derartigen Anordnung die entsprechenden Meßlatten U, V und W verschoben werden müssen, ist der Vorgang kompliziert und erfordert viel Zeit, und da die entsprechenden Meßlatten U. V und W parallel zu ihren entsprechenden Achsen liegen und ihn·; Richtungen konstant sind, ist es unmöglich, die dreidimensionalen Koordinaten eines Gegenstands in einer komplizierten Konstruktion zu messen.

Gemäß einem anderen Beispiel, wie es in F i g. 2 gezeigt is«, stellen Ultraschallempfänger Lf, V und IV der Langstab-Art die entsprechenden Achsen der Koordinaten X, Kund Zdar und werden in Stellungen gebracht, in denen die kürzesten Laufzeiten der Ultraschallwellen von einem Ultraschallsender, der am Meßpunkt Pangeordnet ist, erreicht werden. Aus den Stellungen der Ultraschallempfänger werden dann die dreidimensionalen Koordinaten x. y und ζ des Punkts P ermittelt.

Für eine derartige Anordnung sind jedoch spezielle Mikrofone des Stabtyps in den entsprechenden Teilen der Achse erforderlich und in dem Fall, in welchem der zu messende Gegenstand groß ist, werden die Stabmikrofone sehr lang mit dem Ergebnis, daß die Anordnung sshr groß wird, so daß sie nicht ökonomisch ist und Schwierigkeiten in den Techniken auftreten. Ferner ist eine Messung unmöglich, wenn irgendein Hindernis sich zwischen dem Meßpunkt Pund der entsprechenden, die Ultraschallwellen empfangenden Achse befindet.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Anordnung zur Messung dreidimensionaler Koordinaten von Meßpunkten auf Modellen od.dgl. mittels der Anwendung von Ultraschallwellen zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß diidurch gelöst, daß eine Vorrichtung zur elektrischen Messung der Laufzeiten von Ultraschallwellen zwischen einer am oder in der Nähe eines Meßpunkts P auf den dreidimensionalen Koordinaten des Modells angeordneten Ultraschall-Sende- oder Empfangsstelle und an zumindest drei, bekannte Koordinaten in dem zu messenden Raum des Modells aufweisenden Punkten angeordneten Ultraschall-Empfangs- oder Sendestellen und Umwandlung der Laufzeiten der Ultraschallwellen in Entfernungen und eine Vorrichtung zur Erzeugung dreidimensionaler Koordinaten des Meßpunkts P aus den bekannten Koordinaten der drei Punkte und der umgewandelten Werte der Entfernungen vorgesehen sind.

Die vorliegende Erfindung stellt also eine Anordnung zur Messung der dreidimensionalen Koordinaten von Modellen dar und enthält einen Ultraschallsender 7; der an einem Meßpunkt P des Modells angeordnet wird, und zumindest drei Ultraschallempfänger A, B

und C, die an drei bekannten Punkten angeordnet sind, um elektrisch die Laufzeit der Ultraschallwellen von der Ultraschallsendestelle fdes Senders Tzu den Ultraschailempfangsstellen a, b und c der Empfänger A, B und C zu messen, die Laufzeiten in Entfernungen umzuwandeln und ferner die dreidimensionalen Koordinaten des Meßpunkts auf der Basis der Koordinate ; der genannten bekannten Stellen und der umgewandelten Entfernung zu errechnen.

Weitere Ausbildungen des Erfindungsgegenstands ergeben sich aus den übrigen Ansprüchen.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht eines Beispiels einer herkömmlichen Anordnung zur Messung dreidimensionaler Koordinaten,

F i g. 2 eine schematische perspektivische Ansicht eines anderen Beispiels einer herkömmiichen Anordnung,

F i g. 3 eine schematische perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Messung dreidimensionaler Koordinaten von Modellen,

Fig.4 eine schematische perspektivische Ansicht einer Anwendung der erfindungsgemäßen Anordnung,

F i g. 5 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer Ultraschall-Senderanordnung, die in dem Fall zur Anwendung gelangt, wenn ein Hindernis bei der Messung mit der erfindungsgemäßen Anordnung gegeben ist,

F i g. 6 eine erklärende Ansicht des Falles, in welchem der Abstand durch den in F i g. 5 gezeigten Sender korrigiert wird, und

F i g. 7 eine erklärende Ansicht des Falles, in welchem Modelleinbauten durch die Senderanordnung gemaß F i g. 5 gemessen werden.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Anordnung unter Bezugnahme auf die F i g. 3 bis 7 erläutert.

Ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung wird unter Bezugnahme auf F i g 3 beschrieben. Danach werden zumindest drei Empfänger A, B und C, dargestellt durch die angedeuteten Mikrofone, zum Empfang von Ultraschallwellen wahlweise in dem zu messenden Raum innerhalb der X-, Y- und Z-Achse angeordnet und die Koordinaten der Empfangsstellen a. b und c der angedeuteten Mikrofone als bekannte Koordinaten (x 1, y\, z\), (x2, y2, z2) und (x3,y3, z3) bestimmt. Ein Sender Tfür Ultraschallwellen wird dann an dem Meßpunkt P angeordnet und es werden die Koordinaten (x, y, z) des Sendepunkts ι der Ultraschallwellen des Senders T, d. h. die unbekannten Koordinaten des Meßpunkts P, bestimmt. Die Laufzeit der von dem Punkt P gesendeten Ultraschallwellen bis zu ihrem Empfang an den Empfangspunkten a, b und c wird elektrisch durch eine Abstands-Meßvorrichtung 1 gemessen, die eine bekannte Zeitdifferenz-Meßanordnung, die einen Rechner od. dgl. benutzt, umfaßt, wobei die Laufzeit in die Entfernung umgewandelt wird. Die dreidimensionalen Koordinaten (x, y. /.) des Meßpunkts P werden durch eine Koordinaten-Ausgabevorrichtung 2, die einen Rechner od. dgl. benutzt, mit den Daten der angesprochenen Entfernungswerte und der bekannten Koordinaten (x I₁ y 1, z\), (x2, y2, /2) und (a 3, y3, /3) der drei Empfangspunkte a, bund cerrechnet.

Die Anordnung des vorstehenden Ausführungsbei-SDiels, daß die drei Punkte a. 6und emit den bekannten Koordinaten die Empfangspunkte der Ultraschallwellen sind und der Meßpunkt P die Sendestelle der Ultraschallwellen ist, kann auch umgekehrt sein, d. h. daß die drei Punkte a, b, cdie Sendepunkte der.Ultraschallwellen sind, während der Meßpunkt P der Empfangspunkt der Ultraschallwellen ist und in diesem Fall können, ähnlich wie bei dem oben beschriebenen, die dreidimensionalen Koordinaten dieses Punkts P erhalten werden.

Ferner kann es auch möglich sein, daß mehr als vier Empfangspunkte der Ultraschallwellen angeordnet sind und drei von ihnen, die mit dem Sendepunkt t durch eine Gerade verbunden sind, wahlweise zur Anwendung gelangen.

Gemäß dem vorstehenden Ausführungsbeispiel werden so drei bekannte Koordinaten wahlweise angeordnet oder ausgewählt und demgemäß können die dreidimensionalen Koordinaten eines Meßpunkts in dem Bereich, welcher durch d^e herkömmliche Anordnung nicht gemessen werden kann, sehr leicht gemessen werden und es können die dreidimensionalen Koordinaten eines zu messenden großen und komplizierten Gegenstands schnell und genau gemessen werden.

Unter Bezugnahme auf F i g.4 wird im folgenden ein anderes Ausführungsbeispiel zur Messung der dreidimensionalen Koordinaten von betreffenden Punkten eines Modells unter Anwendung der erfindungsgemäßen Anordnung beschrieben.

In einem Modell für den Entwurf eines Schiffsmaschinenraums oder einer Landbasisaniage wird das Modell der betreffenden Rohranlage einfach durch dünne Kerndrähte 4 entweder aus metallischen oder nichtmetallischen Materialien dargestellt, welche gerade in der Mittellinienlage der Rohranlage durch Träger 6 der tatsächlichen oder provisorischen Konstruktion, welche an den Außenkonstruktionen 5 des Modells 3 vorgesehen sind, getragen.

Bei derartigen Modellen, in welchen die Rohre einfach durch Kerndrähte dargestellt werden, wird es vorgezogen, daß teilweise maßstäbliche Rohrmodelle 7, Flanschmodelle 8 und die anderen notwendigen Modellteile wie Ventile, Einbauten od. dgl., an den Kerndrähten 4 montiert werden, um eine leichte Prüfung der Kompaktstabilität der Rohre, Flansche, Ventile od. dgl. mit den Außenbedingungen zu ermöglichen. Die Flanschmodelle sind vorzugsweise derart ausgebildet, daß sie leicht auf den die Rohre darstellenden Kerndrähten 4 mittels eines Mittellochs 9, in das eine am Umfang beginnende Führungsaussparung 10 einmündet, anzuordnen sind.

Ähnlich zu dem in F i g. 3 gezeigten Fall werden dann zumindest drei Ultraschallwellen-Empfänger A. B und C in den zu messenden Raum der X-, Y- und Z-Achse, welcher das Modell 3 enthält, angeordnet, wobei der Sender Tder Ultraschallwellen an den Meßpunkt Pder betreffenden Punkte des Kerndrahts 4, wie dies gewünscht wird, angeordnet wird. Die von dem Sendepunkt t des Senders Tausgesandten Ultraschallwellen werden an den betreffenden Empfangspunkten .(, 6 und cder betreffenden Empfänger A, Bund Cempfangen und die dreidimensionalen Koordinaten (x, y, z) des Punkts P von der Koordinaten-Ausgabevorrichtung 2 und der Enlfernungs-Meßvorrichtung 1 erhalten.

Diese Daten werden durch eine Vorrichtung 11 zur Erzeugung der Werte der tatsächlichen Größe des Modells, die Rechner od. dgl. benutzt, verarbeitet und es wird die tatsächliche Größe des Rohrs für die Informa-

tion der Rohrherstellung geliefert. Alle dreidimensionalen Koordinatenwerte werden in der Vorrichtung 11 zur Erzeugung der Werte der tatsächlichen Größe gespeichert, um die talsächliche Größe zu erhalten.

Wird die Information zu dieser Vorrichtung 11 gegcben, daß Flansche oder Ventile od. dgl. in den entsprechenden Lagen an dem Kerndraht 4 angeordnet sind, können diese Teile während der Meßzeit weggelassen werden.

Gemäß den vorstehenden Ausführungsbeispielen kann so durch Anwendung des Kerndrahts in dem Modell der Rohranlage und Anordnung des Kerndrahts in der Mittellinienlage der Rohranlage das Modell schnell und leicht erstellt werden. Im Vergleich mit dem herkömmlichen maßstäblichen Modell können die Hcrstellungskosten. der Modelle geringer gehalten werden. Ferner können durch Senden und Empfangen der Ultraschallwellen zwischen dem gewünschten Punkt des Kerndrahts und den passenden Punkten im Meßraum die dreidimensionalen Koordinaten der betreffenden Punkte des Kerndrahts 4 gemessen werden und es kann durch das Vorsehen der Vorrichtung 11 zur Erzeugung und Ausgabe der Werte der tatsächlichen Größe die tatsächliche Größe des Rohrs genau und schnell bestimmt werden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Senderanordnung, die in dem Fall zur Anwendung gelangt, wenn ein Hindernis in dem gemessenen Raum vorhanden ist, wird im folgenden unter Bezugnahme auf die F i g. 5 beschrieben.

Die Senderanordnung 12 ist wie folgt aufgebaut: Auf einer Stange 13 sind zwei Sender D und E in einem vorbestimmten Abstand und an ihrem Ende eine Kontaktstelle F vorgesehen. Die Stange 13 ist hakenförmig, so daß die Kontaktstelle Fund die zwei Sendestellen c/und e auf einer Geraden in einem vorbestimm-

ten Absland voneinander liegen.

Auf diese Weise können durch Messung der dreidimensionalen Koordinaten der Sendcstellcn d und c die dreidimensionalen Koordinaten der Kontaktstelle F erhalten werden. Ferner macht eine derartige Sendcanordnung 12 die Messung der dreidimensionalen Koordinaten genauer, da die Kontaktstelle F, die in Kontakt mit dem Meßpunkt P steht, eine wirklich punktförmige Stelle bildet, während bei einem Sender

ίο Tdie Kontaktstelle, das ist die Senclcstelle, vergleichsweise größer ist. Da ferner die Kontaktstelle Fauf der Erstreckungsgeraden der zwei Sendestellen d und c vorgesehen ist, sind die dreidimensionalen Koordinaten der Kontaktstelle Fleichl zu bestimmen.

Wie in F i g. 6 gezeigt, können in dem Fall, wenn der zu messende Gegenstand 14 zylindrisch oder sphärisch ist, und der zu messende Punkt Pin dessen Mittellage liegt, die dreidimensionalen Koordinaten des Punkts P, d. h. die gewünschte zu messende Mittellage des Gegenstands 14, leicht durch Korrektur des Radius L des Gegenstands 14 in bezug auf den Abstand der Scndestelle c zu der Kontaktstelle Fbestimmt werden.

Wie weiter in F i g. 7 gezeigt, wird sogar dann, wenn

ein Hindernis in dem Weg der Ultraschallwellen zwisehen dem Meßpunkt P und einer Empfangsstelle, wie der Stelle a mit bekannten Koordinaten sich befindet, eine Messung der Koordinaten des Punkts P möglich auf Grund der Tatsache daß die Kontaktstelle F in Kontakt mit dem Punkt P steht, während die Sendestellen d und c der Senderanordnung 12 sich in einer Lage befinden, in welcher die von den Stellen d und c gesendeten Ultraschallwellen die Empfangsstelle a erreichen, ohne daß sie durch das Hindernis 15 behindert werden.

Es ist auch möglich, die Form der Stange 13 der Senderanordnung 12 entsprechend abzuändern.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Messung dreidimensionaler Koordinaten von Modellen od.dgl., dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung(1) zur elektrischen Messung der Laufzeiten von Ultraschallwellen zwischen einer am oder in der Nähe eines Meßpunkts (P) auf den dreidimensionalen Koordinaten des Modells angeordneten Ultra- _f0 schall-Sende- oder Empfangsstelle (t) und an zumindest drei, bekannte Koordinaten in dem zu messenden Raum des Modells aufweisenden Punkten angeordneten Ultraschall-, Empfangs- oder Sendestellen (a, b, c) und Umwandlung der Laufzeiten der _t5 Ultraschallwellen in Entfernungen und eine Vorrichtung (2) zur Erzeugung dreidimensionaler Koordinaten des Meßpunkts (P)aus den bekannten Koordinaten der drei Punkte und der umgewandelten Werte der Entfernungen vorgesehen sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1 zur Messung der dreidimensionalen Koordinaten einer Rohranlage, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre der Rohranlage durch deren Mittellinien darstellende mittels Trägern (6) gehaltene Kerndrähte (4) dargestellt sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung (II) zur Erzeugung der Werte der tatsächlichen Größe des Modells, z. B. Rohrs, mittels der durch die Vorrichtung (2) ermittelten Koordinatenwerte vorgesehen ist.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sendeanordnung (12) vorgesehen ist, in der zwei Sendestellen (d) und (e) und eine Kontaktstelle (F), die in Berührung mit dem Meßpunkt (P) bringbar ist, in bekanntem Abstand voneinander auf einer Geraden angeordnet sind.

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