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Freiformflächenerfassung am Beispiel einer Regattajolle

 

Bei der Vermessung von Objektgeometrie mit einem Lasertracker muss das Offset des Reflektors korrigiert werden. Dabei kommt der Bestimmung der Flächennormalen, die zur Korrektur benötigt wird, eine entscheidende Bedeutung zu. Um die Flächennormale zu bestimmen, stehen grundsätzlich drei Möglichkeiten zur Verfügung:

  • Ableitung der Flächennormalen aus einer apprximierenden Regelfläche
  • Übernehmen der Flächennormalen aus einem CAD-Modell
  • Bestimmung der Flächennormalen aus der gemessenen Fläche

 

Die erste Möglichkeit kann Verwendung finden, wenn lediglich geringe Abweichungen zwischen der zu erfassenden Fläche und der Regelfläche vermutet werden. Durch die Aufnahme einiger Punkte kann eine solche Regelfläche definiert werden. Es sollte allerdings durch eine Vorabschätzung geklärt werden, welche Modellabweichungen zu erwarten sind.

 

Ähnliches gilt auch für die zweite Möglichkeit. Dabei ist jedoch zu beachten, dass Deformationen oder eventuelle vorgenommene Umbauten nicht im CAD-Modell enthalten sind. Die ersten zwei Varianten werden üblicherweise von Datenerfassungsprogrammen für Lasertracker unterstützt. Bei der Vermessung von beliebigen Freiformflächen (zum Beispiel eines Bootsrumpfs, einer Autokarosserie usw.) stoßen sie allerdings an ihre Grenzen.

 

Die dritte Möglichkeit bestimmt aus den gemessenen Punkte eine Fläche, deren Flächennormalen dann zur Korrektur des Reflektoroffsets dienen. Die Flächenberechnung kann jedoch erst nach Abschluss des Messvorgangs durchgeführt werden.

 

Zur Berechnung der Freiformflächen dienen Non-Uniform Rational Basis Splines (NURBS). Sie bieten auch bei einer geringeren Punkteanzahl eine hohe Genauigkeit der Freiformfläche. Die gute Flächenmodellierung von NURBS wird genutzt, um über die Bestimmung der Flächennormalen jedes Messpunktes das Reflektoroffset zu korrigieren. Da die meisten auf dem Markt befindlichen Softwarepakete die Freiformflächenmodellierung nicht unterstützen, wurde in dieser Arbeit ein Softwarepaket implementiert, das die Erfassung der Flächenpunkte, die Modellierung von NURBS-Fläche und die Korrektur des Reflektoroffsets beinhaltet. Die Basis bildet dabei die Software „Rhinoceros 4.0“, die als Modellierungssoftware bereits über Funktionen der Freiformflächenmodellierung verfügt und mithilfe von Plugins und Skripten den eigenen Ansprüchen entsprechend erweitert werden kann. Abbildung 1 zeigt den Aufbau der Software. Diese besteht aus einem Plugin, das den Lasertracker über die emScon-Schnittstelle steuert, und den Skripten, die die nötigen Berechnungen durchführen. Eine Analyse der Daten kann anschließend in einer Auswertesoftware, wie z.B. SpatialAnalyzer, durchgeführt werden.

 

Abbildung 1: Aufbau des Softwarepakets

 

Exemplarisch wurde das Softwarepaket am Beispiel der Vermessung einer 470er-Regattajolle auf Tauglichkeit getestet. Dazu sollten die im Reglement vorgegebenen Sollmaße für den Rumpf überprüft werden. Die Analyse der gemessenen Daten erfolgte mithilfe der Software SpatialAnalyzer.

 

Dazu wurde der Rumpf auf Höhe der einzelnen Profile und am Kiel flächig mit einem Reflektor (CCR 1.5“) vermessen. Mithilfe der Skripte wurden die aufgenommenen Punkte kontrolliert, daraus die Freiformflächen modelliert und zuletzt um das Reflektoroffset korrigiert.

 

Aus den korrigierten Punkten und Flächen wurden die zur weiteren Analyse benötigten Profillinien und Schnittpunkte konstruiert. Das komplette Modell wurde dann als IGES exportiert und in SpatialAnalyzer importiert. Dort wurden ein zuvor aus abdigitalisierten Konstruktionsplänen erzeugtes Sollmodell und das gemessene Modell ineinander transformiert und die Abweichungen bestimmt (Abb. 2 und 3).

 

Abbildung 2: Überprüfung der Abweichungen der Profillinie (Profil 1)

Abbildung 3: Überprüfung der Abweichungen der Kiellinie

 

Der Test ergab, dass sich das implementierte Softwarepaket eignet, um beliebige Freiformflächen mit einem Lasertracker aufzunehmen und das Reflektoroffset zu korrigieren. Die hohe Genauigkeit eines Lasertrackers kann allerdings nur sehr schwer auf die korrigierten Punkte übertragen werden, weil die Genauigkeit der korrigierten Punkte stark durch die Modellierung beeinflusst wird. Da bereits geringe Abweichungen der Flächennormalen Fehler in der Größenordnung der Trackermessgenauigkeit erzeugen, ist auf eine gute Freiformflächenmodellierung zu achten. Die Flächen sollten einen möglichst gleichmäßig gekrümmten Verlauf aufweisen.

 

Mit dem entwickelten Softwarepaket kann ein Lasertracker noch vielseitiger eingesetzt werden. Flächennormalen müssen nicht mehr aus einem CAD-Modell oder durch eine Approximation bestimmt werden, sondern können direkt aus den Daten berechnet werden. Dadurch können Fehler, die aufgrund fehlerhafter Annahmen (CADModell, Approximation) entstehen, eliminiert werden.

 

Die zu vermessende Fläche wird mit einigen Punkten aufgenommen. Anschließend wird daraus die Flächennormale berechnet. So können beispielsweise auch Einzelpunkte abgesteckt werden. Das Digitalisieren von Bauteilen, sofern kein Laserscanner verwendet wird, und deren Formüberprüfung können ebenfalls mit dem Softwarepaket durchgeführt werden.