Gewindestangen mit Messmarken für Photogrammetrische 3D-Veremssung

Schraubhülsen

Photogrammetrie

Zur Montage und sicheren Befestigung einer Maschine sind am Aufstellort Befestigungsanker in den Boden eingelassen. Dabei werden die von der Konstruktion vorgegebenen Toleranzen nicht beachtet und es droht ein Verzug der Montagetätigkeit aufgrund der nicht passenden Schraubpositionen im Betonfundament zu den Anbindungspunkten an der Maschine.

Nach der Montage von 24 Schraubhülsen in ein Betonfundament ist die genaue Pose (= Position & Orientierung) der Hülsen nicht bekannt.

Für weitere Planungszwecke wird die Posesämtlicher Schraubhülsen, die im Maschinenfundament  eingelassen sind, benötigt. Erst anhand der genauen Messdaten und der im CAD darstellbaren Ergebnisse, lassen sich weitere Verzögerungen durch spätere, im Planungsprozess nicht vorgesehene Änderungen, vermeiden.

Die Messung findet im Freien, am zukünftigen Aufstellort der Maschine statt. Die Durchführung der Messung erfolgt sehr schnell, ohne weitere Infrastruktur seitens des Auftraggebers (Strom, schützende Halle, etc.).

Nach erfolgreicher Messung und Auswertung der Daten kann der Kunde aufgrund der ermittelten IST-Werte die Maschinenaufnahmen konstruktiv anpassen, so dass bei der späteren Montage keine Verzögerungen auftreten.


Anforderungen des Kunden:

Um beim weiteren Aufstellprozess keine Zeitverzögerungen durch spätere Nacharbeiten auszulösen, wird die Pose jeder Schraubhülse mit einer Genauigkeit von ±0,5mm / ±2mm/m vermessen und zur Weiterverarbeitung in ein CAD Format (Step) ausgegeben. Somit kann die Maschinenaufnahme vor dem Aufstellen entsprechend der IST-Situation angepasst werden und es kommt zu keiner Verzögerung beim Aufstellen der Maschine.

Messmethode:

Prinzip der Nahbereichs-Photogrammetrie

Die Photogrammetrie ist eine Messtechnik, bei der das Objekt mit Hilfe von vielen 2D Bildern vermessen wird.

Die 3D-Koordinaten können von jedem Punkt, der in mehreren Bildern aus verschiedenen Blickrichtungen sichtbar ist, bestimmt werden.

Voraussetzung für die Berechnung von 3D Koordinaten ist:

  • Feste Innere Orientierung der Kamera (Bildhauptpunkt, Brennweite)
  • Mindestens fünf identische Punkte auf jedem Bild
  • Mindestens zwei (besser: vier) Bilder je Messpunkt
  • Aufnahmen von verschiedenen Standorten aus

Verwendetes Messsystem:

Auswerterechner mit Auswertesoftware

Digitalkamera mit 12 Millionen Pixel

900 mm Maßstabsverkörperung aus CFK für Rückführbarkeit auf das internationale Längennormal

Codierten Verknüpfungspunkten

Verwendete Messhilfsmittel

Halbkugel-Messadapter signalisieren die Position der Schraubhülse im Austrittsbereich.

Eingeschraubte Gewindestangen mit einer uncodierten Messmarke auf der Oberseite geben einen zweiten Messpunkt für die Ermittlung der Richtung (Schiefstellung).

Durchführung der Messung

Die Messung wird mit insgesamt 35 Einzelbildern aus verschiedenen Perspektiven durchgeführt. Um möglichst gute Schnittwinkel zu erhalten, wird die Kamera dabei in unterschiedlichen Höhen gehalten.

Aufgrund des Tageslichtes mit den wechselden Bilichtungsverhältnissen müssen vorher mehrere Testbilder zur Anpassung der Kameraeinstellungen hinsichtlich Helligkeit und der Bildschärfe aufgenommen werden.

Auswertung

Mittels der Auswertesoftare AICON 3D Studio erfolgt eine klassische photogrammetrische Auswertung mit folgenden Arbeitsschritten:

  • Bildmessung (Messung der 2D Bildkoordinaten aller Messpunkte in jedem Bild)
  • Vororientierung der Messbilder über Näherungsverfahren
  • Punktzuordnung identischer Messpunkte (über codierte Messpunkte)
  • 3D Koordinatenberechnung mittels Bündeltriangulation

Die Koordinaten der Messpunkte werden anschließend zur graphsichen Kontrolle und Punktzuordnung aus der AICON Software in eine Grafiksoftware übertragen.

Ergebnisse

Zur besseren Veranschaulichung der Pose der einzelnen Schraubhülsen wurden ausgehend von den Gewindestabmessungen die Lage und die Schiefstellung der Hülsen im Betonfundament berechnet und mit dem nominellen Hülsendurchmesser als STEP-Datei an den Kunden weitergegeben.

Dabei wurde zur Aufbereitung der 3D Punktdaten die Software Polyworks Modeler eingesetzt. Die Erzeugung der STEP Daten erfolgte anschließend mit der Konstruktionssoftware SolidWorks. Der Kunde hat die CAD Daten der IST-Situation in sein Konstruktionsprogramm übernommen und auf dieser Basis die Maschinenaufnahmen angepasst.

Statistik:

Abmessungen    Genauigkeit (RMS)

  • x: 800 mm           x : 0,022 mm
  • y: 700 mm           y : 0,021 mm
  • z: 300 mm           z:  0, 026 mm

Benötigte Zeit

  • Signalisierung:                  30 min
  • Bildaufnahme:                   20 min
  • Verarbeitung:                    10 min
  • Analyse der Ergebnisse:  75 min
  • Gesamt:                           135 min

Zusammenfassung

Bei der Auswahl des Messsystems hatten wir uns für das Photogrammetriesystem entschieden, da aufgrund der Mobilität und der Robustheit auch bei wechselnden Wetterbedingen unter freiem Himmel hohe Genauigkeiten erzielt werden. Die Rüstzeit mit dem aufwändigen Anbringen der Messmarken ist i.d.R. ein Nachteil der Photogrammetrie, hatte hier allerdings, bei den sehr wenigen Messpunkten, keinen entscheidenen Einfluss auf die Messzeit.

Der Wunsch des Auftraggebers nach einer schnellen und somit kostenschonenden Messungen konnte mit dem extrem mobilen Messsystem einfach verwirklicht werden.

Bei der Auswertung der Messung wurde ebenfalls versucht mit wenigen Schritten ein direkt verwertbares Ergebnis für den Kunden zu erzielen. Den gelieferten STEP Datensatz konnte er direkt in sein CAD System laden und die notwendigen Anpassungen an den Maschinenelementen vornehmen.