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01.04.2010

Digitale Daten in Minuten

Automatisierte Erfassung der 3D-Koordinaten großer Bauteile

Großformatige Bauteile müssen für die hochaufgelöste Vermessung mit Referenzpunkten markiert und mit Anti-Reflexionsspray vorbehandelt werden. Die Kombination eines Industrieroboters mit einem fotogrammetrischen Trackingsystem, einem Weißlichtsensor und einem Drehtisch kommt ohne all das aus. Mit dieser Messlösung lassen sich Autotüren, Motorhauben oder Kofferraumdeckel innerhalb weniger Minuten digitalisieren.

Während der Entwicklung eines neuen Fahrzeugmodells in der Automobilindustrie werden etwa 30 bis 150 Prototypen gebaut, die dem Endprodukt möglichst nahe kommen sollen. Diese geringe Anzahl erfordert äußerst flexible Produktionstechnologien mit einem nach wie vor großen Anteil an Handarbeit.

Die so gefertigten Teile können daher von den für die endgültige Fertigung notwendigen Toleranzen abweichen. Selbst innerhalb einer Komponente sind Abweichungen die Regel. Diese Ungenauigkeiten werden in der Vorserienfertigung für jedes individuelle Teil mit dem CAD-Modell in Beziehung gesetzt, anschließend wird ein digitales Archiv der Vorserienkomponenten erstellt. Eine taktile (Punkt-)Messung wäre allerdings viel zu aufwendig, da zu diesem Zeitpunkt die Region of Interest noch nicht bekannt ist und Tausende von Messpunkten bestimmt werden müssen.

Alternativ entwickelte Breuckmann, Meersburg, Hersteller von topometrischen Messsystemen, zusammen mit den Ingolstädter Unternehmen Audi und MQS eine Messlösung, die die engen (Genauigkeits-)Vorgaben des Automobilherstellers erfüllt. Dazu wurde ein standardmäßiger Industrieroboter mit einem fotogrammetrischen Tracking-System, einem Weißlicht-Scanner sowie einem entsprechend dimensionierten Drehtisch kombiniert.

Bild 1. Die Vorbehandlung der zu vermessenden, reflektierenden Teile, im Bild eine Autotür, ist aufgrund enger Zeitvorgaben ausgeschlossen.

Bild 1. Die Vorbehandlung der zu vermessenden, reflektierenden Teile, im Bild eine Autotür, ist aufgrund enger Zeitvorgaben ausgeschlossen.

Die Messlösung musste verschiedene Anforderungen erfüllen. So war im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden eine Vorbehandlung der zu vermessenden reflektierenden Teile (Aluminium, galvanisierter Stahl), zum Beispiel mit Anti-Reflexionsspray, aufgrund der engen Zeitvorgaben ausgeschlossen (Bild 1). Die Genauigkeitsanforderungen sowohl für die Flächen- als auch für die Objektdaten (Kanten, Bohrungen etc.) lagen im Bereich von 0,2 mm. Zudem wurde ein möglichst automatischer Messvorgang gefordert und die maximale Zykluszeit durfte 20 min nicht überschreiten, inklusive Einspannung des Teils und Messvorgang.

Aufbau des Messsystems

An einem standardmäßigen Kuka-Industrieroboter ist ein Weißlichtscanner naviScan 3D von Breuckmann montiert; die Kommunikation von beziehungsweise zur Steuereinheit erfolgt über TCP-IP (Ethernet) mit einem speziell für diese Aufgabe entwickelten Kommandosatz. Um die begrenzte absolute Genauigkeit des Roboters zu kompensieren, verifiziert das ins naviScan 3D implementierte Trackingsystem Duo von Metronor AS, Nesbru/Norwegen, während der Setup-Prozedur jede Scanposition. Diese Positionen dienen als Basis für die Messung.

Bild 2. Die beiden an der Wand montierten Trackingkameras decken das gesamte Messvolumen des Drehtischs ab.

Bild 2. Die beiden an der Wand montierten Trackingkameras decken das gesamte Messvolumen des Drehtischs ab.

Das naviTarget besteht aus Aluminium-Messkugeln (naviTarget), die untereinander durch Karbonstrukturen verbunden sind und ist durch seine trianguläre Konstruktion äußerst stabil. Die integrierten LEDs werden von den beiden Kameras des Trackers erfasst (Bild 2). Damit ist es möglich, die sechs Degree-of-Freedom-Positionen des Scanners beziehungsweise seine Orientierung im Maschinen-Koordinaten-System zu erfassen. Um die teilweise großen Teile bequem von der Vorder- wie auch von der Hinterseite erfassen zu können, wird ein entsprechend dimensionierter Drehtisch eingesetzt (als 7. Achse in die Steuereinheit integriert).

Das Messsystem basiert auf dem Prinzip der optischen Triangulation in Verbindung mit strukturierter Beleuchtung. Der 3D-Sensor MPT (Miniature Projection Technique) von Breuckmann kombiniert die Gray-Code- mit der Phasenshift-Technologie. Hierbei werden innerhalb einer Sekunde zwölf aufeinanderfolgende, genau definierte Muster auf das Objekt projiziert und von zwei hochauflösenden Kameras mit unterschiedlichem Betrachtungswinkel aufgenommen.

Die erzielte Genauigkeit wird von der Stabilität des Systemaufbaus bestimmt, die durch extrem verwindungssteife Kohlefaserkomponenten erreicht wird. Der gesamte Systemaufbau besteht aus unabhängigen Komponenten, die jeweils ihre eigenen Koordinatensysteme nutzen; daher müssen die Subsysteme sorgfältig kalibriert und abgestimmt werden. Andernfalls würden sich die konstruktionsbedingt anfallenden Messfehler addieren und das Gesamtergebnis unzulässig verfälschen. Es wurde deshalb großer Wert auf extrem genaue und redundante Kalibrierungsverfahren gelegt.

Nachweis der Wiederholbarkeit

Breuckmann wies eine sehr gute Wiederholbarkeit nach. Dazu wurde das Teil zehnmal vermessen, ohne es aus der Fixierung zu lösen. Für den Nachweis der sehr guten Reproduzierbarkeit wurde das Objekt zehnmal vermessen, wobei es jeweils der Fixierung entnommen und neu eingespannt wurde.

So variierte beispielsweise der Abtastfehler zwischen einem Wert von 0,079 und 0,131 mm, jeweils bezogen auf eine keramische Messkugel von 30 mm Durchmesser. Die Kugelabstandsabweichung (VDI/VDE-Richtlinie 2634, Teil 3), bei der die Abstände zwischen den Messkugeln bestimmt werden, lag jeweils unter 0,2 mm. Diese Werte wurden bei einem Messvolumen von 3 x 2 x 2 m3 erreicht. Die Abweichungen zum CAD-Modell können farblich visualisiert, Kanten durch Linien repräsentiert werden (Bild 3).

Bild 3. Vergleich einer Türinnenseite mit den zugehörigen CAD-Daten. Die weiße Linie zeigt die Kante, die Farbkodierung steht für die Abweichungen vom Modell.

Bild 3. Vergleich einer Türinnenseite mit den zugehörigen CAD-Daten. Die weiße Linie zeigt die Kante, die Farbkodierung steht für die Abweichungen vom Modell.

Stahlbauteile wurden ohne Anti-Reflexionsspray vermessen. Allerdings kam es fallweise zu Störungen durch die Hallenbeleuchtung, die zu fehlenden Punktdaten führten. Die Oberflächendaten konnten in guter Qualität auf allen Typen von Oberflächen generiert und die engen Zeitvorgaben eingehalten werden. Um die Zahl der notwendigen Scanvorgänge zu limitieren, wurde ein relativ großes Messfeld von 725 mm in der Diagonalen genutzt. Damit konnte der Zeitrahmen von maximal 20 min realisiert werden, sogar beim größten Bauteil, einer Motorhaube, die insgesamt aus 45 verschiedenen Aufnahmerichtungen gescannt werden musste.

Von Erik Klaas 1 , Klaus-Peter Erben 2
1 Meersburg
2 Ingolstadt

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Breuckmann GmbH
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info <AT> breuckmann.com
www.breuckmann.de

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