DE102006026264A1

DE102006026264A1 - Messanordnung und Verwendung der Messanordnung

Info

Publication number: DE102006026264A1
Application number: DE102006026264A
Authority: DE
Inventors: Cordt Erfling; Rainer Dr. Lübbers; Udo Dr. Klasfauseweh; Tim Finke; Wilfried Dr. Rostek
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2006-06-02
Filing date: 2006-06-02
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2026-06-03
Also published as: DE102006026264B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messanordnung (1), die einen Sensorträger (2) umfasst, auf welchem Messgeräte in wenigstens zwei Aufnahmen (3-6) befestigbar sind. Erfindungswesentlich ist, dass die Aufnahmen (3-6) im Sensorträger (2) mit Abstand (A) zueinander auf einer Verbindungsachse (VA) angeordnet sind und der Sensorträger (2) ein einstückiger Profilkörper (7) aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK) ist, wobei der überwiegende Teil der Kohlefasern (8) parallel zur Verbindungsachse (VA) ausgerichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messanordnung, die einen Sensorträger umfasst, auf welchem Messgeräte in wenigstens zwei Aufnahmen befestigbar sind, sowie eine Verwendung einer solchen Messanordnung.
Temperaturstabile Materialien mit einem extrem kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten sind in der Messtechnik bekannt und weit verbreitet. Beispielsweise geht aus der DE 102 59 186 A1 eine Vorrichtung zur Aufnahme von Messgeräten hervor, die rahmenförmig ausgeführt ist. Die Strukturelemente sind aus einem Material mit besonders geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten α gefertigt. Des Weiteren sind die Verbindungen der einzelnen Elemente so ausgeführt, dass sich infolge von Temperaturschwankungen keine wesentlichen Positionsveränderungen der Messgeräte ergeben.
Es hat sich jedoch herausgestellt, dass aufgrund der Vielzahl von Bauteilen Positionsverschiebungen der Messgeräte relativ zueinander unvermeidlich sind. Das Problem wird durch die Verbindungselemente vergrößert, die jeweils ein gewisses Spiel aufweisen.
Der Erfindung liegt hiervon ausgehend die Aufgabe zugrunde, eine anwendungstechnisch verbesserte Messanordnung aufzuzeigen, bei der die Positionsverschiebungen der darauf befestigbaren Messgeräte relativ zueinander aufgrund von Temperaturschwankungen kleiner sind, sowie eine Verwendung für eine solche Messanordnung aufzuzeigen.
Diese Aufgabe wird mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Erfindungswesentlich ist, dass die Aufnahmen im Sensorträger mit Abstand zueinander auf einer Verbindungsachse angeordnet sind und der Sensorträger ein einstückiger Profilkörper aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK) ist, wobei der überwiegende Teil der Kohlefasern parallel zur Verbindungsachse ausgerichtet ist.
Unter einer Verbindungsachse wird im Rahmen dieser Erfindung eine fiktive Gerade verstanden, die durch die Zentren der Aufnahmen verläuft.
Kohlefaserverstärkter Kunststoff wird auch als kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff bezeichnet und gehört zu der Gruppe der Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffe. In einem Grundmaterial aus Harz, in der Regel einem Epoxidharz, sind Matten aus Kohlefasern oft in mehreren Lagen als Verstärkung eingebettet.
Der Wärmeausdehnungskoeffizient von kohlefaserverstärktem Kunststoff ist abhängig von der Ausrichtung der Kohlefasern. Parallel zur Faser beträgt der Wärmeausdehnungskoeffizient α_parallel lediglich bis zu 0,2·10^–6/K, wobei die Kohlefasern unter bestimmten Voraussetzungen einen Wärmeausdehnungskoeffizienten α_parallel von –0,1·10^–6/K aufweisen. In der Querrichtung hierzu ist der Wärmeausdehnungskoeffizient α_senkrecht des kohlefaserverstärkten Kunststoffs um den Faktor 150 größer und abhängig vom verwendeten Harz. Mithin ist die Wäremausdehnung des Profilkörpers richtungsabhängig einstellbar und kann so gewählt werden, dass die Wärmeausdehnung gegen Null tendiert. Durch die Anordnung der Aufnahmen auf einer Verbindungsachse ist ferner sichergestellt, dass die Wärmeausdehnungen des Sensorträgers in der Querrichtung zur Verbindungsachse vernachlässigbar sind.
Die geringe Wärmeausdehnung des Sensorträgers in Verbindung mit dem definierten Abstand zwischen den Aufnahmen hat zur Folge, dass möglicherweise auftretende Positionsverschiebungen um 10er-Potenzen geringer sind als die Messgenauigkeit der verwendeten Messgeräte. Mithin sind die Einflüsse auf das Messergebnis in Folge von Temperaturschwankungen äußerst gering.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 9.
Vorteilhafterweise weist der Sensorträger in Richtung der Verbindungsachse einen Wärmeausdehnungskoeffizienten α zwischen –0,2·10^-6/K und +0,2·10^–6/K bei 20°C auf. Die infolge von Temperaturschwankungen auftretenden Verschiebungen sind dann so vernachlässigbar klein, dass keine Kalibrierungen der Messgeräte in Reaktion auf Temperaturschwankungen erforderlich sind.
Vorteilhafterweise ist der Sensorträger plattenförmig ausgeführt. Diese Form hat sich als herstellungstechnisch besonders günstig erwiesen, weil die Kohlefasern dann vorteilhaft unidirektional ausgerichtet werden können. Darüber hinaus ist es vorstellbar, den Sensorträger quaderförmig auszuführen.
Zur Erfassung von Veränderungen der Positionen der Aufnahmen ist eine Detektoreinheit vorgesehen, die mit einer Auswerteeinheit verbunden ist. Mithin können eventuell auftredende Veränderungen der Positionen erfasst und im Rahmen einer Kalibrierung der Messgeräte berücksichtigt werden. Die Kalibrierung erfolgt vorteilhafterweise durch Berücksichtigung von Korrekturfaktoren im Rahmen einer computerisierten Auswertung der Messergebnisse der Messgeräte.
Zweckmäßigerweise umfasst die Detektoreinheit wenigstens einen Temperatursensor. Mit dem Temperatursensor sind Temperaturschwankungen dynamisch erfassbar, so dass diese Informationen bei der Ermittlung von Korrekturfaktoren berücksichtigt werden können.
Des Weiteren ist eine Kalibrierungsvorrichtung vorgesehen, welche mit der Auswerteeinheit gekoppelt ist. Die Kalibrierungsvorrichtung ermöglicht eine Rückstellung der Aufnahmen, nachdem es infolge von Temperaturschwankungen zu Verschiebungen gekommen ist.
Eine Aufnahme ist als Bohrung ausgeführt. In der Bohrung können die Messgeräte durch Einstecken befestigt werden.
Zumindest ein Messgerät ist eine Kamera. Mit der Kamera kann eine optische Vermessung von Objekten durchgeführt werden. Vorteilhaft werden mehrere Kameras eingesetzt, um durch Überlagerung der Kamerabilder dreidimensionale Objektdaten im Rahmen eines photogrammetrischen Vermessungsverfahrens zu ermitteln.
Als Messgeräte können alternativ oder zusätzlich auch Laserlichtschnittsensoren vorgesehen sein. Mit Laserlichtschnittsensoren können berührungslos Vermessungen durch Triangulation durchgeführt werden.
Die Messanordnung kann somit im Rahmen einer Vermessung von Objekten verwendet werden. Diese Vermessungen können bevorzugt berührungslos durchgeführt werden.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von einem in einer Figur dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert.
In der Figur ist die erfindungsgemäße Messanordnung 1 dargestellt. Sie umfasst einen Sensorträger 2, auf welchem Messgeräte in vier Aufnahmen 3–6 befestigbar sind. Der Sensorträger 2 ist plattenförmig ausgeführt und hat eine größere Länge L als Breite B. Die Aufnahmen 3–6 sind in Längsrichtung im Sensorträger 2 mit Abstand A zueinander auf einer Verbindungsachse VA angeordnet. Der Sensorträger 2 ist ein einstückiger Profilkörper 7 aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK). Die Kohlefasern 8 sind im Profilkörper 7 in meh reren Lagen angeordnet. Der überwiegende Teil der Kohlefasern 8 ist erfindungsgemäß parallel zur Verbindungsachse VA ausgerichtet. Der Sensorträger 2 ist so eingestellt, dass er in Richtung der Verbindungsachse VA einen Wärmeausdehnungskoeffizenten α zwischen –0,2·10^–6/K und +0,2·10^–6/K bei 20°C aufweist.
Die Aufnahmen 3–6 sind als Bohrungen ausgeführt, in die Messgeräte beispielsweise in Form von Kameras eingesteckbar sind.
Zur weiteren Optimierung der Messergebnisse sind zur Erfassung von Veränderungen der Position der Aufnahmen 3–6 eine Detektoreinheit 9 und eine Kalibrierungsvorrichtung 10 vorgesehen. Sowohl die Detektoreinheit 9 als auch die Kalibrierungsvorrichtung 10 sind mit einer Auswerteeinheit 11 gekoppelt.
Durch die Detektoreinheit 9 können Positionsveränderungen der Aufnahmen 3–6 infolge von Temperaturschwankungen erfasst werden, die durch die Auswerteeinheit 11 verarbeitet werden und in Form von Korrekturfaktoren in die Berechnung des Messergebnisses einfließen. Die Detektoreinheit 9 umfasst einen Temperatursensor 12. Der Temperatursensor 12 ist als elektrisches Widerstandsthermometer ausgeführt. Mehrere Drähte 13 des Temperatursensors 12 sind quer zur Verbindungsachse VA verlaufend in den Profilkörper 7 zwischen den Kohlefaserlagen eingebettet. Die Drähte 13 befinden sich jeweils zwischen den Aufnahmen 3–6.
Darüber hinaus ist ein Abstandssensor 14 als Teil der Detektoreinheit 9 zur Erfassung von Veränderungen des Abstandes zwischen den Aufnahmen 3–6 und zur Erfassung von Querverschiebungen einzelner Aufahmen 3–6 relativ zur Verbindungsachse VA vorgesehen. Der Abstandssensor 14 erfasst Verschiebungen optisch. Vorzugsweise kommt hierbei ein Laser zum Einsatz.
Durch die Auswerteeinheit 11 wird eine Kalibrierungsvorrichtung 10 gesteuert, welche eine Rückstellung der Aufnahmen 3–6 in eine Ausgangsposition vornimmt. Die Kalibrierung erfolgt durch Erwärmung oder Abkühlung des Sensor trägers 2 zur Erzeugung einer gleichbleibenden Temperaturverteilung. Zur Erwärmung des Sensorträgers 2 sind Heizdrähte 15–17 zwischen den Aufnahmen 3–6 im Profilkörper 7 angeordnet. Die Heizdrähte 15–17 haben einen schlangenlinienförmigen Verlauf und sind parallel zu den Drähten 13 des Temperatursensors 12 angeordnet. Zur Heizung und Kühlung des Sensorträgers 2 sind auf der Oberseite 18 und der Unterseite weiterhin Schläuche 19–21 aus Kunststoff befestigt, durch die ein Fluid gepumpt werden kann.
Es ist vorgesehen, mehrere Kameras als selbständige Messgeräte auf dem Sensorträger 2 zu befestigen. Mit den Kameras können Messobjekte im dreidimensionalen Raum stereoskopisch bzw. photogrammetrisch vermessen werden. Mithin eignet sich die Messanordnung 1 zur photogrammetrischen Vermessung von Objekten.
Mit der erfindungsgemäßen Messanordnung 1 kann der Effekt von Temperaturschwankungen auf die Messergebnisse der Messgeräte auf ein vernachlässigbares Maß reduziert werden. Grundlage hierfür ist, dass der Sensorträger 2 bereits so ausgeführt ist, dass seine Wärmeausdehnung α geringer ist als die Messgenauigkeit der verwendeten Messgeräte. Weiterhin können über eine Detektoreinheit 9 Temperaturschwankungen und Verschiebungen der Aufnahmen erfasst werden. Diese werden über Korrekturfaktoren bei der computerisierten Auswertung der Messergebnisse berücksichtigt. Letztlich kann einer positiven oder negativen Wärmeausdehnung des Sensorträgers 2 auch durch eine gezielte Erwärmung oder Abkühlung desselben aktiv entgegengewirkt werden. Durch all diese Maßnahmen wird die Genauigkeit der Messergebnisse erheblich verbessert.

1: Messanordnung
2: Sensorträger
3: Aufnahme
4: Aufnahme
5: Aufnahme
6: Aufnahme
7: Profilkörper
8: Kohlefasern
9: Detektoreinheit
10: Kalibrierungsvorrichtung
11: Auswerteeinheit
12: Temperatursensor
13: Draht
14: Abstandssensor
15: Heizdraht
16: Heizdraht
17: Heizdraht
18: Oberseite v. 2
19: Schlauch
20: Schlauch
21: Schlauch
F: Fluid
L: Länge
B: Breite
A: Abstand
VA: Verbindungsachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10259186 A1 [0002]

Claims

Messanordnung, die einen Sensorträger (2) umfasst, auf welchem Messgeräte in wenigstens zwei Aufnahmen (3–6) befestigbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmen (3–6) im Sensorträger (2) mit Abstand (A) zueinander auf einer Verbindungsachse (VA) angeordnet sind und der Sensorträger (2) ein einstückiger Profilkörper (7) aus kohlenfaserverstärktem Kunststoff (CFK) ist, wobei der überwiegende Teil der Kohlefasern (8) parallel zur Verbindungsachse (VA) ausgerichtet ist.
Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorträger (2) in Richtung der Verbindungsachse (VA) einen Wärmeausdehnungskoeffizienten α zwischen –0,2·10^–6/K und +0,2·10^–6/K bei 20°C aufweist.
Messanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorträger (2) plattenförmig ausgeführt ist.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung von Veränderungen der Position der Aufnahmen (3–6) eine Detektoreinheit (9) vorgesehen ist, die mit einer Auswerteeinheit (11) verbunden ist.
Messanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoreinheit (9) wenigstens einen Temperatursensor (12) umfasst.
Messanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kalibrierungsvorrichtung (10) vorgesehen ist, welche mit der Auswerteeinheit (11) gekoppelt ist.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aufnahme (3–6) als Bohrung ausgeführt ist.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Messgerät eine Kamera ist.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Messgerät ein Laserlichtschnittsensor ist.
Verwendung der Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Vermessung von Objekten.