Das 3D-Lasermeter für die Koordinatenmesstechnik in rauen Umgebungen

Koordinatenmessungen an großen Bauteilen, z.B. im Flugzeugbau, sind eine große Herausforderung, da hier typischerweise in nichtklimatisierten Umgebungen gearbeitet wird. Temperaturschwankungen haben durch thermische Ausdehnung einen direkten Einfluss auf die Werkstücke, optische Längenmessungen, z.B. mit Interferometern, werden jedoch auch durch Änderungen der Brechzahl der Luft mit der Temperatur beeinträchtigt. Im Rahmen des EMRP Verbund-Forschungsprojekts „LUMINAR“ wurde in Kooperation mit dem Fachbereich 5.3 Koordinatenmesstechnik das sogenannte 3D-Lasermeter entwickelt (Abb. 1). Es handelt sich um ein Trackinginterferometer, das den Messreflektor selbstständig verfolgt und die jeweilige Länge mit Laserlicht zweier unterschiedlicher Wellenlängen misst. Durch Ausnutzen der Dispersion lassen sich Einflüsse der Brechzahl, z.B. durch Temperaturänderungen, kompensieren.


Abb. 1: Das 3D-Lasermeter

Im Rahmen des Projekts wurden Vergleichsmessungen am polnischen Metrologieinstitut GUM und bei Airbus in England unter rauen Umgebungsbedingungen durchgeführt. Bei Airbus wurde gemeinsam mit einem System vom französischen Metrologieinstitut CNAM über eine Länge von 44,8 m diagonal durch eine Werkshalle gemessen. Ein Temperaturmesssystem des University College London, bestehend aus 12 Rahmen mit je vier Thermoelementen, erfasste zusammen mit einem Baro- und Hygrometer die Umgebungsbedingungen in Minutenabständen. Da keine unabhängige Längenreferenz vorhanden war, wurden die Ergebnisse bezüglich der Änderung der Brechzahl ausgewertet und mit den Sensordaten verglichen.<br/ ><br/ > Abbildung 2 a zeigt das Ergebnis einer Messung bei nahezu konstanter Temperatur. Die mit dem Interferometer gemessenen Brechzahländerungen zeigen im Gegensatz zu den Sensordaten kurzfristige Schwankungen um bis zu 0,1 ppm, die von den Sensoren nicht erfasst werden. Die Differenz zwischen beiden Werten in Abbildung 2 b liegt unter 0,4 ppm.


Abb. 2: (a) Brechzahländerung mit dem 3D-Lasermeter gemessen im Vergleich zu der aus den Sensordaten berechneten. Die rote Linie zeigt die nahezu konstante Temperatur. (b) Differenz zwischen beiden Brechzahländerungen.

Die Heizung in der Halle wurde für mehrere Tage abgeschaltet, um nach dem Einschalten starke räumliche und zeitliche Temperaturgradienten zu erzeugen. Abbildung 3 a zeigt die Brechzahländerung während des Temperaturanstiegs, Abb. 3 b die Differenz zwischen Brechzahl aus Sensor- und Interferometerdaten. Bis ca. 09:00 Uhr ist die Temperatur sehr konstant bei knapp 10 °C und die Differenz in Abb. 3 b liegt größtenteils unter 0,1 ppm. Während der Aufheizphase steigt diese auf ca. 0,5 ppm, was nur zu einem kleinen Teil mit der Trägheit der Temperatursensoren zu erklären ist. Die Warmluft der Heizung wurde von oben in die Halle eingeblasen, während die untersten ca. 5 m der Messstrecke nicht mit Thermometern bestückt waren.

Das 3D-Lasermeter ist damit in der Lage, auch bei extremen Temperaturverteilungen mit einer Unsicherheit von wenigen 0,1 ppm zu messen, ohne das Temperatur oder Luftdruck bestimmt werden müssen. Lediglich die relative Luftfeuchte sollte mit einer Unsicherheit von weniger als 4% gemessen werden. Das Anbringen vieler Temperatursensoren (hier 48 Stück), die für ein konventionelles Interferometer für eine vergleichbare Unsicherheit nötig sind, ist in einer großen Werkshalle praktisch nicht durchführbar.


Abb. 3: (a) Brechzahländerung mit dem 3D-Lasermeter gemessen im Vergleich zu der aus den Sensordaten berechneten. Die rote Linie zeigt die ab 9:00 steigende Temperatur. (b) Differenz zwischen beiden Brechzahländerungen.