DE102012008905A1

DE102012008905A1 - Optische Messvorrichtung und Verschiebeeinrichtung und optisches Messverfahren

Info

Publication number: DE102012008905A1
Application number: DE102012008905A
Authority: DE
Inventors: Andrej Klaas
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2012-05-08
Filing date: 2012-05-08
Publication date: 2013-11-14
Also published as: US9279669B2; CN103389047A; EP2662663A1; US20130300862A1; CN103389047B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Messvorrichtung zum Vermessen einer Oberflächenkontur eines Objekts (1), umfassend ein Stativ (2) an dem ein Kameraträger (3) montiert ist, wobei an dem Kameraträger (3) mindestens zwei Fotokameras (4) zur Aufnahme des mit Markierungselementen (5) versehenen Objekts (1) angeordnet sind und die mindestens zwei Fotokameras (4) derart am Kameraträger (3) angeordnet sind, dass die Aufnahme des Objekts (1) aus zwei unterschiedlichen Perspektiven durchführbar ist, wobei zwischen dem Kameraträger (3) und dem Stativ (2) eine Verschiebeeinrichtung (6) zum linearen Verfahren des Kameraträgers (3) in drei voneinander unabhängigen Richtungen angeordnet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein optisches Messverfahren zum Vermessen einer Oberflächenkontur eines Objekts (1) mittels einer solchen Messvorrichtung.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine optische Messvorrichtung zum Vermessen einer Oberflächenkontur eines Objekts, umfassend ein Stativ an dem ein Kameraträger montiert ist, wobei an dem Kameraträger mindestens zwei Fotokameras zur Aufnahme des mit Markierungselementen versehenen Objekts angeordnet sind und die mindestens zwei Fotokameras derart am Kameraträger angeordnet sind, dass die Aufnahme des Objekts aus zwei unterschiedlichen Perspektiven durchführbar ist. Ferner betrifft die Erfindung ein optisches Messverfahren zum Vermessen einer Oberflächenkontur eines Objekts mittels einer solchen Messvorrichtung.
Das Gebiet der Erfindung ist die optische Messtechnik, insbesondere die auf Bildverarbeitung basierende optische Messtechnik wie die Photogrammetrie. Die Photogrammetrie stellt ein Verfahren zur Messung von Objekten nach Lage und Form dar. Dabei erfolgt die Messung nicht direkt am zu vermessenden Objekt, sondern indirekt auf zuvor aufgenommenen Messaufnahmen des zu vermessenden Objekts. Aus den Messaufnahmen kann dann die räumliche Lage oder dreidimensionale Form bestimmt werden. Ein solches Messverfahren kann auch zur Messung von Verschiebungen und Verformungen eingesetzt werden.
Hintergrund der Erfindung
Aus der US 2007 018 327 ist ein Verfahren zum Messen einer Oberfläche eines Bauteils bekannt, welches zum Messen der Oberfläche das Photogrammetrie-Verfahren und das Laser-Tracking-Verfahren nutzt. Dabei wir eine Kamera entlang eines Weges bewegt, wobei eine Vielzahl von Bildern der Oberfläche eines Bauteils aus unterschiedlichen Blickwinkeln aufgenommen werden. Des Weiteren wird zu jedem Zeitpunkt einer Bildaufnahme die Position der Kamera aufgezeichnet.
Bei diesem Verfahren wird in einem ersten Schritt ein erster Satz Messdaten durch das Vermessen der Oberfläche mit zwei Kameras generiert, wobei die Photogrammetrie genutzt wird. In einem zweiten Schritt wird ein zweiter Satz Messdaten durch das Vermessen der Oberfläche mit einem Laser-Tracker generiert. In einem dritten Schritt werden die Daten für die Kamerapositionen unter Verwendung des Laser-Trackers bestimmt. Letztendlich werden der erste Satz Messdaten und der zweite Satz Messdaten zusammen mit den Daten für die Kameraposition überlagert.
Über das Verfahren zum Messen der Oberfläche eines Bauteils hinaus, geht aus der Druckschrift ein System zur Messung der Oberfläche eines Bauteils hervor. Dieses System umfasst einen Schlitten, der sich entlang einer Bahn bewegt. Auf dem Schlitten sind Kameras positionsfest angeordnet, die an verschiedenen Positionen entlang des Pfades Aufnahmen von der Oberfläche des Bauteils erstellen. Zusätzlich sind auf dem Schlitten ein Projektor und reflektierende Ziele montiert, wobei der Projektor ein Beleuchtungsmuster auf der Oberfläche des Bauteils erzeugt. Die reflektierenden Ziele sind ebenfalls auf der zu vermessenden Oberfläche des Bauteils montiert und dienen dem statisch gelagerten Laser-Tracker zum Messen der Position der Oberfläche des Bauteils und zum Messen der Position des Schlittens zum Zeitpunkt der jeweiligen Aufnahme.
Aus dem allgemein bekannten Stand der Technik geht hervor, dass auf Bildverarbeitung basierende optische Messverfahren zur Messung von Verschiebungen und Verformungen eingesetzt werden. Bei diesen Verfahren wird das zu vermessende Objekt mit einer geeigneten Markierung versehen und ein optischer Aufbau zur Aufnahme von Bildern mit zueinander fest positionierten Kameras positioniert. Die Genauigkeit des Messergebnisses hängt von diesem optischen Aufbau, der Beschaffenheit der Objektmarkierung und den Lichtverhältnissen ab. Zurzeit existiert kein Kalibrierverfahren, welches diese Einflussfaktoren berücksichtigt.
Bei den bisher verwendeten Kalibrierungsverfahren wird ein Messaufbau in einem Kalibrierlabor erzeugt. Anschließend werden Kalibrierobjekte vermessen. Nachteile dieses Verfahrens sind zum einen, dass der Aufbau im Labor unter idealisierten Bedingungen erfolgt, so dass der Kalibrieraufbau üblicherweise günstigere Eigenschaften aufweist als der reale Messaufbau. Zum anderen decken die Kalibrierobjekte meistens nicht das gesamte mögliche Messvolumen ab.
Ausgehend von dem vorgehend genannten Stand der Technik ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, für einen gegebenen, realen Versuchsaufbau eine auf kalibriernormale, rückführbare Kalibrierung durchzuführen und die Messunsicherheit für jeden Messpunkt auf dem zu vermessenden Objekt zu ermitteln. Dabei sollen sämtliche während der Messung in Strukturversuchen vorliegende Randbedingungen, inklusive des Einflusses von Umgebungsbedingungen und Bedienpersonal, einbezogen werden.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass zwischen dem Kameraträger und dem Stativ eine Verschiebeeinrichtung zum linearen Verfahren des Kameraträgers in drei voneinander unabhängigen Richtungen angeordnet ist. Vorzugsweise ist die Verschiebeeinrichtung in drei zueinander den Raumachsen entsprechenden senkrechten Richtungen verfahrbar.
Zum automatischen Verfahren können kompakt bauende Schrittmotoren mit einem elektrischen Antrieb an der Verschiebeeinrichtung angeordnet sein. Es ist ebenfalls denkbar pneumatische oder hydraulische Schrittmotoren zu verwenden, die eine präzise Verschiebung bewirken. Die Schrittmotoren werden vorzugsweise über ein mit den Schrittmotoren verbundenes Computer-System angesteuert.
Vorteilhafterweise ist die Verschiebeeinrichtung kompakt und stabil gebaut. Die Stabilität der Verschiebeeinrichtung ist besonders hervorzuheben, da der Kameraträger samt den beiden Fotokameras nicht nur getragen, sondern auch sicher bewegt werden soll. Ferner ist die Verschiebeeinrichtung über eine Schraubverbindung an das Stativ und an dem Kameraträger angebracht. Weitere Verbindungsmöglichkeiten könnten stoffschlüssige Verbindungen wie das Schweißen darstellen.
Erfindungsgemäß weist die Verschiebeeinrichtung drei zueinander senkrecht arbeitende Präzisionsschlittenführungen auf, wobei jede der drei Präzisionsschlittenführungen mit einem kalibrierten Messsystem zur Messung des Verschiebewegs ausgestattet ist. Des Weiteren bevorzugt ist, dass das kalibrierte Messsystem ein Messschieber und/oder eine Mikrometerschraube ist. Mit dem kalibrierten Messsystem kann somit präzise, leicht und sicher die Verschiebung der Fotokameras bestimmt werden. Des Weiteren dienen der Messschieber zu einer Grobeinstellung und die Mikrometerschraube zu einer Feineinstellung, wobei eine Reihenschaltung der beiden Kalibrierten Messsysteme denkbar ist.
Das zu vermessende Objekt kann beispielsweise ein Flugzeugteil sein. Derartige Flugzeugteile können insbesondere Landeklappen, Flugzeugrümpfe, Seitenleitwerke und Flügel sein. Des Weiteren ist aber auch die flächenhafte optische Vermessung anderer Objekte wie beispielsweise Testgerüste denkbar. Bei einer Belastung dieser Objekte können Knickungen und Beulen entstehen, die durch das Messverfahren berührungslos erfasst werden können.
Gemäß einer die Erfindung weiter verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass die Verschiebeeinrichtung fester Bestandteil der Messvorrichtung ist. Somit ermöglicht die Messvorrichtung eine Kalibrierung durch die Verschiebeeinrichtung. Statt wie bei den bisher verwendeten Kalibrierverfahren im gesamten Messbereich Kalibrierobjekte bekannter Dimensionen zu platzieren, werden erfindungsgemäß Bilder des Messobjekts zum Kalibrieren verwendet.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung anhand der einzigen Figur näher dargestellt.
Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung.
Detailbeschreibung der Zeichnung
Gemäß der einzigen Figur weist die optische Messvorrichtung ein Stativ 2 auf, an dem über eine Verschiebeeinrichtung 6 ein Kameraträger 3 montiert ist. An dem Kameraträger 3 sind zwei Fotokameras 4 zur Aufnahme eines mit Markierungselementen 5 versehenen Objekts 1 angeordnet. Die beiden Fotokameras 4 sind derart an dem Kameraträger 3 angeordnet, dass die Aufnahme des Objekts 1 aus zwei unterschiedlichen Perspektiven durchführbar ist. Die Verschiebeeinrichtung 6 weist drei zueinander senkrecht arbeitende Präzisionsschlittenführungen 7 auf. Jede der drei Präzisionsschlittenführungen 7 ist mit einem kalibrierten Messsystem, so z. B. einem Messschieber 8 und/oder einer Mikrometerschraube 9 zur Messung des Verschiebewegs ausgestattet. In dieser bevorzugten Ausführungsform, besteht das kalibrierte Messsystem aus einer Reihenschaltung, umfassend den Messschieber 8 und die Mikrometerschraube 9. Über den Messschieber 8 erfolgt die Grobeinstellung und über die Mikrometerschraube 9 erfolgt die Feineinstellung.
Nach dem Ausrichten der Fotokameras 4 zueinander und auf das zu vermessende Objekt 1, und dem Markieren des Objektes 1 mit Markierungselementen 5 wird unmittelbar vor der Vermessung des Objekts 1 eine Kalibrierung der optischen Messvorrichtung durchgeführt. Hierzu werden die Fotokameras 4 für jede Aufnahme ein definiertes Stück in die drei senkrecht zueinander liegenden Richtungen verfahren. Dabei werden zu Beginn der Messung und nach jedem zurückgelegten Verfahrweg Aufnahmen von dem Objekt 1 gemacht. Die Verschiebung der Fotokameras 4 wird mit dem Messschieber 8 gemessen. Die Kalibrierung der optischen Messvorrichtung erlaubt eine Berücksichtigung der exakten Messbedingungen, wie beispielsweise Lichtverhältnisse, Temperatur und Bedienpersonal, zur Ermittlung der Messunsicherheit an jedem Messpunkt. Dadurch erfolgt der Nachweis der Rückführbarkeit auf Kalibriernormale.
Während der Kalibrierung der optischen Messvorrichtung wird jede der drei Präzisionsschlittenführungen 7 in mehreren Schritten bis zu einer der maximal zu vermessenden Objektverformung des zu vermessenden Objekts 1 entsprechenden Verschiebeweite verschoben. Beispielsweise sollte bei einer Schwingungsmessung eines Flugzeugflügels die maximale Schwingungsamplitude berücksichtigt werden. Somit wird sichergestellt, dass die zuvor erwähnten Messunsicherheiten für den gesamten während der Messung vorkommenden Verformungszustand des zu vermessenden Objekts 1 gültig sind.
Auf der von den Fotokameras 4 aufgezeichneten Aufnahme sieht es so aus, als hätte sich das gesamte zu vermessende Objekt 1 um den von dem Messschieber 8 aufgezeigten Schritt bewegt. Somit kann an jeder Stelle des zu vermessenden Objekts 1 ein Verschiebewert gemessen werden, der sich aus der negativen Verschiebung des Kameraträgers 3 und einem zufälligen, ortsabhängigen Rauschen zusammensetzt. Durch die Aufzeichnung mehrerer Aufnahmen und statistischer Auswertung der Aufnahmen kann an jedem Punkt des zu vermessenden Objekts 1 und für jede Bewegungsrichtung eine systematische Abweichung und eine Streuung ermittelt werden. Außerdem wird über die Kalibrierung des Messschiebers 8 der Nachweis erbracht, dass die mit dem optischen Messverfahren ermittelten Messwerte korrekt sind.
Ein optisches Messverfahren dieser Art, kann insbesondere für Nachweisversuche der statischen Festigkeit genutzt werden. Hierbei werden die zu vermessenden Objekte 1 belastet, vor, während und nach der Belastung Aufnahmen gemacht und die Aufnahmen ausgewertet.
Darüber hinaus ist es ebenfalls möglich die zu vermessenden Objekte 1 im Rahmen der Qualitätssicherung mittels der erfindungsgemäßen Messvorrichtung zu prüfen. Dabei kann beispielsweise nach der Kalibrierung der Messvorrichtung die Oberflächenkontur des zu vermessenden Objekts 1 präzise bestimmt werden, wobei die Messunsicherheit für jeden Messpunkt auf dem zu vermessenden Objekt 1 ermittelbar ist.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, anstelle der Fotokameras 4 einen den Fotokameras 4 ähnlichen Sensor zu nutzen, um Aufnahmen von der Oberflächenkontur des Objekts 1 zu machen.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend” keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine” oder „ein” keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
Bezugszeichenliste

1: Objekt
2: Stativ
3: Kameraträger
4: Kamera
5: Markierungselement
6: Verschiebeeinrichtung
7: Präzisionsschlittenführung
8: Messschieber
9: Mikrometerschraube

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

US 2007018327 [0003]

Claims

Optische Messvorrichtung zum Vermessen einer Oberflächenkontur eines Objekts (1), umfassend ein Stativ (2) an dem ein Kameraträger (3) montiert ist, wobei an dem Kameraträger (3) mindestens zwei Fotokameras (4) zur Aufnahme des mit Markierungselementen (5) versehenen Objekts (1) angeordnet sind und die mindestens zwei Fotokameras (4) derart am Kameraträger (3) angeordnet sind, dass die Aufnahme des Objekts (1) aus zwei unterschiedlichen Perspektiven durchführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kameraträger (3) und dem Stativ (2) eine Verschiebeeinrichtung (6) zum linearen Verfahren des Kameraträgers (3) in drei voneinander unabhängigen Richtungen angeordnet ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebeeinrichtung (6) in drei zueinander den Raumachsen entsprechenden senkrechten Richtungen verfahrbar ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebeeinrichtung (5) drei zueinander senkrecht arbeitende Präzisionsschlittenführungen (7) aufweist, wobei jede der drei Präzisionsschlittenführungen (7) mit einem kalibrierten Messsystem zur Messung des Verschiebewegs ausgestattet ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das kalibrierte Messsystem ein Messschieber (8) und/oder eine Mikrometerschraube (9) ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebeeinrichtung (6) fester Bestandteil der Messvorrichtung ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zu vermessende Objekt (1) ein Flugzeugteil ist.
Optisches Messverfahren zum Vermessen einer Oberflächenkontur eines Objekts (1) mittels einer Messvorrichtung, wobei an einem Stativ (2) ein Kameraträger (3) montiert wird und an dem Kameraträger (3) mindestens zwei Fotokameras (4) zur Aufnahme des mit Markierungselementen (5) versehenen Objekts (1) angebracht werden, wobei die mindestens zwei Fotokameras (4) derart am Kameraträger (3) angebracht werden, dass die Aufnahme des Objekts (1) aus zwei unterschiedlichen Perspektiven durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Kameraträger (3) über eine zwischen dem Stativ (2) und dem Kameraträger (3) angeordnete Verschiebeeinrichtung (6) mit drei zueinander senkrecht arbeitenden Präzisionsschlittenführungen (7) in drei zueinander den Raumachsen entsprechenden senkrechten Richtungen verfahren wird, wobei zu Beginn der Messung und nach jedem zurückgelegten Verfahrweg Aufnahmen von dem zu vermessenden Objekt (1) gemacht werden.
Messverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor einer jeden Messung die mindestens zwei Fotokameras (4) zu einander und zum vermessenden Objekt (1) ausgerichtet werden, wobei das zu vermessende Objekt (1) mit Markierungselementen (5) markiert wird.
Messverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor einer jeden Messung eine Kalibrierung der optischen Messvorrichtung unter Berücksichtigung der exakten Messbedingungen zur Ermittlung der Messunsicherheit an jedem Messpunkt und des Nachweises der Rückführbarkeit auf Kalibriernormale erfolgt.
Messverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass während der Kalibrierung der optischen Messvorrichtung jede der drei Präzisionsschlittenführungen (7) in mehreren Schritten bis zu einer der maximal zu vermessenden Objektverformung des zu vermessenden Objekts (1) entsprechenden Verschiebeweite verschoben wird.