DE102005048134B3

DE102005048134B3 - Vorrichtung und Verfahren zur optischen Vermessung und/oder Überprüfung von Schweißbaugruppen

Info

Publication number: DE102005048134B3
Application number: DE102005048134A
Authority: DE
Inventors: Hermann Relard; Rainer LÜBBERS; Cordt Erfling
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2005-10-06
Filing date: 2005-10-06
Publication date: 2007-02-08
Anticipated expiration: 2025-10-07
Also published as: FR2891903B1; FR2891903A1; US8027530B2; US20070154062A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Vermessung und/oder Überprüfung von Schweißbaugruppen (3), insbesondere von Kraftfahrzeugachsen oder Instrumententrägern, sowie Verfahren zur Vermessung bzw. Überprüfung der Schweißbaugruppe (3) mit einer solchen Vorrichtung. Die Vorrichtung weist einen Messraum (1) mit darin angeordneten Kameras (2) zur Aufnahme von Bildern der Schweißbaugruppe (3) sowie eine Auswerteeinrichtung auf. Im Messraum (1) sind höhenverstellbare Tragsäulen (7-10) auf einer Basisplatte (5) angeordnet. Jeweils am freien Ende einer Tragsäule (7-10) ist eine Spanneinheit mit zwei relativ zueinander verlagerbaren Spannelementen zur punktuellen Aufspannung einer Schweißbaugruppe (3) vorgesehen. Ferner ist an den Tragsäulen (7-10) jeweils ein relativ zur Spanneinheit verfahrbarer Dorn angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Vermessung und/oder Überprüfung von Schweißbaugruppen, insbesondere von Kraftfahrzeugachsen oder Instrumententrägern, sowie Verfahren zur Vermessung bzw. Überprüfung einer Schweißbaugruppe mit einer solchen Vorrichtung.
Bisher werden Schweißbaugruppen, z.B. Kraftfahrzeugachsen oder Instrumententräger, in der Serienproduktion entweder attributiv oder messend auf ihre Maßhaltigkeit geprüft.
Attributive Prüfungen werden durch mechanische Abstecklehren realisiert. Diese Vorgehensweise ist jedoch zeitaufwendig, wenig flexibel und teilweise ungenau oder störanfällig.

Zum Stand der Technik gehört ebenfalls die stichprobenartige Vermessung von Schweißbaugruppen auf Koordinatenmessmaschinen. Eine Koordinatenmessmaschine ist beispielsweise in der DE 39 41 144 C2 oder der DE 198 05 892 A1 beschrieben. Diese Vorgehensweise bedingt jedoch sehr lange Taktzeiten und ist daher im produktionsnahen Bereich kaum realisierbar.

Möglich ist es auch, die Bauteile durch Einscannen der relevanten Bauteilbereiche mit einem Lichtschnittsensor oder mittels laseroptischen Triangulationssensoren zu vermessen. Die Sensoren werden hierbei durch Roboter geführt, was hohe Kosten und lange Taktzeiten bedingt.

Computergesteuerte optische Systeme zur vollflächigen 3D-Vermessung der Geometrie von unterschiedlichen Körpern haben heute einen sehr hohen Entwicklungsstand erreicht.

Alle vorgenannten Systeme haben die Aufgabe, komplexe Schweißbaugruppen in bestimmten Taktzeiten mit einer erforderlichen Mindestgenauigkeit zu vermessen bzw. zu überprüfen. Wichtig hierbei sind eine definierte Aufspannung der jeweiligen Schweißbaugruppe und eine präzise Auslegung der optischen Komponenten. Eine wichtige Herausforderung ist die richtige Auslegung der mechanischen Aufspannung, so dass einerseits eine hohe mechanische Stabilität gegeben ist, andererseits aber die freie Zugänglichkeit aller zu messenden Merkmale für die optischen Sensoren gewährleistet ist.

Aus der DE 88 00 739 U1 ist eine Vorrichtung zum Aufspannen von Werkstücken für Messaufgaben bekannt, die auf einer Grundplatte montierte Spannelemente aufweist. Die Spannelemente sind hierbei auf einer Tragsäule angeordnet. Das Werkstück wird spannend zwischen einem Werkstückträger und einem Kniehebelspanner gehalten.

Die US 5 026 033 zeigt ein universelles System zur Unterstützung und Positionierung von Werkstücken auf. Dorne sind hierbei vorgesehen, um das Werkstück einer definierten Lage zu stützen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur optischen Vermessung und/oder Überprüfung von Schweißbaugruppen zu schaffen, die eine Aufspannung der Schweißbaugruppe ermöglicht mit einer hohen mechanischen Stabilität unter Gewährleistung eines messtechnisch erforderlichen Blickfeldes für die Sensoren. Des Weiteren zielt die Erfindung auf Verfahren zur Vermessung und zur Überprüfung einer Schweißbaugruppe unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ab.

Die Lösung des gegenständlichen Teils der Aufgabe besteht in einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen von Patentanspruch 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 8.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur optischen Vermessung und/oder Überprüfung von Schweißbaugruppen, insbesondere von Kraftfahrzeugachsen oder Instrumententrägern, umfasst einen Messraum mit darin angeordneten Kameras zur Aufnahme von Bildern einer Schweißbaugruppe. Die Auswertung der aufgenommenen Bilder erfolgt computergestützt in einer Auswerteeinrichtung. Im Messraum ist eine Basisplatte mit zumindest zwei Tragsäulen angeordnet. Auf den Tragsäulen wird eine zu vermessende bzw. zu überprüfende Schweißbaugruppe im Messraum aufgespannt. Jeweils am freien Ende einer Tragsäule ist eine Spanneinheit mit zwei relativ zueinander verlagerbaren Spannelementen zur punktuellen oder flächenhaften Aufspannung der Schweißbaugruppe vorgesehen, wobei zumindest an einer Tragsäule ein relativ zur Spanneinheit verfahrbarer Dorn angeordnet ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht eine flexible und mechanisch hochstabile Aufspannung einer Schweißbaugruppe in der Messzelle. Hierdurch wird eine hohe Messgenauigkeit bei sehr kurzen Messzeiten ermöglicht. Gemessen wird das jeweilige Bauteil über Kameras, welche die Schweißbaugruppe aus verschiedenen Winkeln aufnehmen. Durch die Kombination der Informationen der einzelnen Kameras in einer Rechnereinheit kann eine dreidimensionale Vermessung umgesetzt werden. Im Rahmen der Photogrammetrie wird hierbei aus den aufgenommenen Bildern die räumliche Lage bzw. dreidimensionale Form der Schweißbaugruppe rekonstruiert und vermessen.

Erfindungswesentlich ist eine definierte Aufspannung der Schweißbaugruppe in der Messzelle. Durch eine Aufspannung einer Schweißbaugruppe in vier Punkten wird eine exakte und reproduzierbare Messung ermöglicht. Des Weiteren wird über eine Aufspannung in drei Punkten, wobei der vierte Punkt frei im Raum verbleibt, eine Messung des "Twists", also der Verdrehung einer Schweißbaugruppe ermöglicht.

Zumindest eine Tragsäule ist in dem bzw. aus dem Bilderfassungsbereich der Kameras ein- bzw. ausfahrbar. Dementsprechend können verschiedene Einspannvarianten der Schweißbaugruppe simuliert werden.

Über die Dorne an den Tragsäulen bzw. den Spanneinheiten wird eine Schweißbaugruppe aufgenommen. Hierzu fahren die Dorne in Öffnungen der Schweißbaugruppe ein. Zweckmäßigerweise besitzen die Dorne zwei Längenabschnitte mit voneinander verschiedenen Durchmessern. Zur Ausrichtung der Schweißbaugruppen mittels der Dorne können diese mit Spreizelementen versehen sein. Hierbei können Spanndorne mit Spreizelementen zum Einsatz gelangen, die in zwei oder in drei Richtungen wirken.

Zumindest ein Dorn kann auch als so genannter "Messdorn" gestaltet sein. Mit Hilfe des Messdorns kann die absolute Position eines Merkmals der Schweißbaugruppe indirekt über die Position des Messdorns bzw. dessen Trägereinheit relativ zum Merkmal gemessen werden. Ferner besteht die Möglichkeit, ein bestimmtes Merkmal, beispielsweise eine Öffnung in der Schweißbaugruppe, direkt zu vermessen bzw. zu überprüfen durch eine Aufnahme eines Bildes dieses Merkmals.

Zur Verbesserung der Zugänglichkeit bzw. Einsichtlichkeit der zu vermessenden Merkmale für die optischen Sensoren sind in den Spannelementen Aussparungen vorgesehen, welche die Sicht für die Kameras auf zwischen den Spannelementen liegende Merkmale freigeben. Die Spannelemente sind folglich so gestaltet, dass auch bei gespannter Schweißbaugruppe eine freie optische Zugänglichkeit zu den einzelnen zu vermessenden Merkmalen gewährleistet ist.

Der Messraum ist durch eine Umhausung lichtdicht ausgelegt. Die Umhausung eliminiert Lichteinfall von außen, so dass im Inneren des Messraums über entsprechende Beleuchtungen definierte Lichtbedingungen geschaffen werden. Diese definierten Lichtbedingungen fördern die Messgenauigkeit und sind daher wesentliche Voraussetzung für die Qualität der Messung. Ferner ist vorgesehen, dass der Messraum eine Überdruckbelüftung besitzt. Über ein Gebläse mit vorgeschaltetem Filter wird ein leichter Überdruck im Inneren des Messraums erzeugt, so dass das Eindringen von Verschmutzungen aus der Luft vermieden wird. Auch diese Maßnahme trägt zur Qualität der Mess- bzw. Überprüfvorgänge bei.

Vorteilhafterweise weist die Vorrichtung Mittel zur Ermittlung der Temperatur einer zu vermessenden Schweißbaugruppe auf. Durch Messen der Bauteiltemperatur lassen sich Offsetwerte für die jeweilige Messung ermitteln, so dass ein Messergebnis immer auf eine Referenztemperatur bzw. die Raumtemperatur von beispielsweise 20°C bezogen werden kann.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann eine direkte Vermessung eines Merkmals einer Schweißbaugruppe durch Aufnahme mehrerer Bilder des Merkmals mit anschließender Auswertung erfolgen (Patentanspruch 9).

Gemäß den Maßnahmen von Patentanspruch 10 ist auch eine indirekte Vermessung eines Merkmals der Schweißbaugruppe möglich durch eine optische Bestimmung der Position eines der Dorne relativ zum jeweiligen Merkmal.

Durch eine Aufnahme eines Bildes eines Merkmals der Schweißbaugruppe kann neben einer reinen Vermessung gleichzeitig eine Vollständigkeitskontrolle der Schweißbaugruppe durchgeführt werden (Patentanspruch 11).

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann eine berührungslose Vermessung einer Schweißbaugruppe vorgenommen werden. Die Messaufnehmer, also die Kameras einschließlich notwendiger Sensoren, Belichtungsmesser und ähnliches sind fest positioniert. Bewegliche Teile der optischen Vermessungseinrichtung sind nicht erforderlich. Folglich ist die Vorrichtung robust und wartungsarm. Abnutzungserscheinungen sind kaum zu erwarten. Auch Störquellen sind minimiert. Da auf bewegte Teile für die Vermessung verzichtet werden kann, arbeitet die erfindungsgemäße Vorrichtung und die Verfahren gegenüber anderen sehr schnell. Eine Vielzahl von Bildaufnahmen kann gleichzeitig gemacht werden, so dass die eigentliche Messzeit in Sekundenbruchteilen erfolgen kann. Dies hat weiterhin den positiven Einfluss, dass Störungen von außen, z.B. durch Schwingungen, von geringem Einfluss auf das Messergebnis sind. Ferner ist eine parallele Bauteiltemperaturmessung möglich, welche entsprechend in die Auswertung einbezogen werden kann, so dass Messergebnisse immer auf eine Raumtemperatur von beispielsweise 20°C bezogen werden können.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand der beigefügten Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
1 in perspektivischer Darstellungsweise den Messraum einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 ebenfalls in perspektivischer Darstellungsweise eine Tragsäule;
3 einen Ausschnitt aus dem oberen Ende einer Tragsäule;
4 eine Detailansicht eines Dorns;
5 die Darstellung des Dorns aus einem anderen Blickwinkel;
6 einen Achsträger in der Draufsicht;
7 technisch schematisiert das Detail F aus der 6 und
8 technisch schematisiert das Detail G aus der 6.
1 zeigt eine Vorrichtung zur optischen Vermessung und/oder Überprüfung von Schweißbaugruppen, insbesondere von Kraftfahrzeugachsen oder Instrumententrägern. Mit X, Y und Z sind in der 1 die Raumkoordinaten gekennzeichnet.
Die Vorrichtung umfasst einen Messraum 1 mit darin angeordneten Kameras 2 zur Aufnahme von Bildern einer Schweißbaugruppe 3. Bei der in der 1 zu erkennenden Schweißbaugruppe 3 handelt es sich um einen Achsträger, wie er auch in der 6 dargestellt ist.
Der Messraum 1 ist innerhalb einer hier nur andeutungsweise dargestellten Umhausung 4 angeordnet und lichtdicht ausgelegt. Des Weiteren besitzt der Messraum 1 eine Überdruckbelüftung. Hierdurch kann das Eindringen von Verschmutzungen in den Messraum 1 vermieden werden.
Im Messraum 1 sind auf einer stabilen Basisplatte 5 insgesamt fünf Tragsäulen 6–10 angeordnet, von denen die Tragsäulen 7 bis 10 höhenverstellbar sind.
Die Tragsäule 6 besitzt an ihrem oberen Ende 11 zwei Kragarme 12 mit jeweils einem Dorn 13, welche in Öffnungen der Schweißbaugruppe 3 zum Eingriff gelangen können.
Eine höhenverstellbare Tragsäule 7–10 ist in der 2 näher zu erkennen. Sie besitzt am oberen freien Ende 14 eine Spanneinheit 15 mit zwei relativ zueinander verlagerbaren Spannelementen 16, 17. Siehe hierzu auch 3 bis 5.
Das obere Spannelement 16 ist um eine horizontale Achse 18 am Ende 14 verschwenkbar. Das untere Spannelement 17 ist über einen Tragarm 19 an einer Vertikalführung 20 verlagerbar. Über die Spannelemente 16, 17 wird eine Schweißbaugruppe 3 punktuell aufgespannt (Punkte A-D in 6). Die Spannelemente 16, 17 sind mit Aussparungen 21, 22 versehen und so konzipiert, dass sie die Sicht für die Kameras 2 auf zwischen den Spannelementen 16, 17 liegende zu vermessende Merkmale M, wie beispielsweise Löcher, freigeben. Des Weiteren ist an den Tragsäulen 7–10 jeweils ein relativ zur Spanneinheit 15 verlagerbarer Dorn 23, 24, 25 angeordnet. Ein Dorn 23, 24, 25 kann sowohl in der Höhe verfahren als auch seitlich verschwenkt werden. Wie insbesondere anhand der 4 zu erkennen ist, weist ein Dorn 23, 24, 25 zwei Längenabschnitte 26, 27 mit voneinander verschiedenen Durchmessern auf. Der zwischen den beiden Längenabschnitten 26, 27 ausgebildete Absatz bildet einen Höhenanschlag 28 bzw. eine Auflagefläche für die Schweißbaugruppe 3.
Die Dorne 23, 24 sind mit Spreizelementen 29, 30 versehen. Hierdurch kann die Schweißbaugruppe 3 auf den Tragsäulen 7–10 in Null-Lage ausgerichtet werden. Der in der 7 dargestellte Dorn 23 weist zwei Spreizelemente 29, 30 auf, die in Y-Richtung wirken. Demzufolge kann über diesen Dorn 24 eine Zentrierung in Y-Richtung vorgenommen werden. Die Z-Ausrichtung erfolgt über den Höhenanschlag 28 am Dorn 23.
Der in der 8 dargestellte Dorn 24 weist drei Spreizelemente 29–31 auf. Hierdurch ist eine Ausrichtung sowohl in X- als auch in Y-Richtung möglich. Die Z-Ausrichtung erfolgt wiederum über den Höhenanschlag 28.
Die Schweißbaugruppe 3 wird von den Kameras 2 aus verschiedenen Winkeln aufgenommen. Durch die Kombination der Informationen der einzelnen Kameras 2 und deren Auswertung in einer computergestützten Auswerteeinrichtung kann die Schweißbaugruppe 3 dreidimensional vermessen werden.
Die Aufspannung der Schweißbaugruppe 3 an vier Punkten A, B, C, D über die Tragsäulen 7–10 ermöglicht eine exakte und reproduzierbare Messung. Um den Twist der Schweißbaugruppe 3 wird diese nur an drei Punkten A, B. C aufgespannt. Der vierte Punkt D verbleibt frei im Raum, so dass auf diese Weise der Twist gemessen werden kann. Hierzu kann die Tragsäule 9 bzw. deren Spanneinheit 15 aus dem Bilderfassungsbereich der Kameras 2 ein- bzw. ausgefahren werden.
Eine direkte Vermessung eines Merkmals M der Schweißbaugruppe 3 erfolgt durch Aufnahme mehrerer Bilder des Merkmals M mit anschließender Auswertung der Bildinformationen in der Auswerteeinrichtung. Möglich ist weiter eine indirekte Vermessung eines Merkmals M der Schweißbaugruppe 3 durch eine Bestimmung der Position eines Dorns 23–25 relativ zum Merkmal M. Eine direkte Überprüfung eines Merkmals M der Schweißbaugruppe 3 erfolgt durch Aufnahme eines Bildes des zu kontrollierenden Merkmals M.

1: Messraum
2: Kamera
3: Schweißbaugruppe
4: Umhausung
5: Basisplatte
6: Tragsäule
7: Tragsäule
8: Tragsäule
9: Tragsäule
10: Tragsäule
11: oberes Ende v. 6
12: Kragarm
13: Dorn
14: freies Ende v. 7–10
15: Spanneinheit
16: Spannelement
17: Spannelement
18: Achse
19: Tragarm
20: Vertikalführung
21: Aussparung
22: Aussparung
23: Dorn
24: Dorn
25: Dorn
26: Längenabschnitt
27: Längenabschnitt
28: Höhenanschlag
29: Spreizelement
30: Spreizelement
31: Spreizelement
M: Merkmal

Claims

Vorrichtung zur optischen Vermessung und/oder Überprüfung von Schweißbaugruppen, welche einen Messraum (1) mit darin angeordneten Kameras (2) zur Aufnahme von Bildern einer Schweißbaugruppe (3) sowie eine Auswerteeinrichtung umfasst und im Messraum (1) eine Basisplatte (5) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Basisplatte (5) zumindest zwei Tragsäulen (7–10) angeordnet sind, wobei jeweils am freien Ende (14) einer Tragsäule (7–10) eine Spanneinheit (15) mit zwei relativ zueinander verlagerbaren Spannelementen (16, 17) zur Aufspannung der Schweißbaugruppe (3) vorgesehen ist und zumindest an einer Tragsäule (7-10) ein relativ zur Spanneinheit (15) verfahrbarer Dorn (23–25) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei zumindest eine Tragsäule (7–10) in den bzw. aus dem Bilderfassungsbereich der Kameras (2) ein- bzw. ausfahrbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Dorn (23–25) zwei Längenabschnitte (26, 27) mit voneinander verschiedenen Durchmessern aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Dorn (24, 25) mit Spreizelementen (29–31) versehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei in den Spannelementen (16, 17) Aussparungen (21, 22) vorgesehen sind, welche die Sicht für die Kameras (2) auf zwischen den Spannelementen (16, 17) liegende Merkmale (M) freigeben.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Messraum (1) lichtdicht ausgelegt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Messraum (1) eine Überdruckbelüftung besitzt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei Mittel zur Ermittlung der Temperatur einer Schweißbaugruppe vorgesehen sind.
Verfahren zur Vermessung einer Schweißbaugruppe, mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine direkte Vermessung eines Merkmals (M) der Schweißbaugruppe (3) durch Aufnahme mehrerer Bilder des Merkmals (M) erfolgt.
Verfahren zur Vermessung einer Schweißbaugruppe, mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine indirekte Vermessung eines Merkmals (M) der Schweißbaugruppe (3) durch eine Bestimmung der Position des Dorns (23–25) relativ zum Merkmal (M) erfolgt.
Verfahren zur Überprüfung einer Schweißbaugruppe, mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine direkte Überprüfung eines Merkmals (M) der Schweißbaugruppe (3) durch Aufnahme eines Bildes des Merkmals (M) erfolgt.