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Fertigungskette von Si-Kugeln und interferometrische Bestimmung des Kugelvolumens

Neues Referenzmesssystem für große Bauteile

06.12.2017

Kalibrierte Bauteile werden benötigt, um Längenmessgeräte zu prüfen und ihre metrologische Rückführung herzustellen. Die Messung von großen Bauteilen ist schwierig, besonders wenn gleichzeitig hohe Anforderungen an die örtliche Auflösung gestellt werden.

Ein Beispiel für solche Bauteile ist Rundholz, also Abschnitte von Baumstämmen mit Längen bis zu 6 m und Durchmessern bis zu 1 m. Die Oberfläche von Rundholz ist durch ihre komplizierte Gestalt schwierig zu erfassen. Baumrinde ist meist zerklüftet. Oft wird die Rinde bei der Holzernte und während des Transports beschädigt. Auf entrindeten Stämmen sieht man Schälspuren, findet aber auch Rindenreste.

Wird Rundholz zur metrologischen Prüfung eingesetzt, muss der Mittendurchmesser im Allgemeinen mit einer Unsicherheit von weniger als 1 mm gemessen werden. Um die hohen Genauigkeitsanforderungen trotz der großen Abmaße und der komplizierten natürlichen Gestalt einhalten zu können, muss die volle Oberflächenkontur mit hoher Auflösung erfasst werden.

In der PTB steht jetzt ein Streifenprojektionssystem für die dreidimensionale Messung von großen Bauteilen als Referenzmesssystem bereit. Die Streifenprojektion ist ein photogrammetrisches Verfahren zur berührungslosen Messung von Bauteiloberflächen. Ein Projektor beleuchtet das zu messende Objekt mit streifenförmigen Mustern (Abb. 1). Zwei links und rechts vom Projektor angeordnete Kameras nehmen die von der Oberfläche diffus zurückgestreuten Muster auf. Die erfassten Streifenmuster versetzen das System in die Lage, aus den Bildpunkten in der linken und der rechten Kamera die räumlichen Koordinaten von Oberflächenpunkten zu bestimmen und die Oberfläche des Objekts durch ein Netz aus Raumpunkten darzustellen. Das System hat ein Messvolumen von 1000 mm × 700 mm × 700 mm und eine laterale Auflösung von 0,3 mm. Die maximale Längenmessabweichung beträgt etwa 0,1 mm.


Messung eines Rundholzes mit dem Referenzmesssystem

Abb. 1 Messung eines Rundholzes mit dem Referenzmesssystem. Der Projektor projiziert die Streifenmuster mit blauem Licht auf das Rundholz. Die weißen Kreismarken unterstützen das Messsystem bei der Erfassung des Rundholzes aus verschiedenen Aufnahmerichtungen.

Ein Bauteil – wie ein Rundholz –, dessen Oberfläche von einem Standpunkt aus nur teilweise sichtbar ist, muss mit dem Sensor aus verschiedenen Aufnahmerichtungen gemessen werden. Die einzeln gewonnenen Netze werden in ein gemeinsames Koordinatensystem transformiert und durch „Stitching“ zusammengesetzt. Das Referenzmesssystem nimmt dafür optische Kreismarken zur Hilfe, die auf das Objekt aufgeklebt werden und die zu Beginn der Messung mit einer zusätzlichen handgeführten Kamera und kalibrierten Maßstäben eingemessen werden. Durch diese Bezugspunkte können auch große Objekte mit Abmessungen bis zu 10 m Länge und Durchmessern bis zu 2 m sicher gemessen werden.

Als Beispiel zeigt Abb. 2 ein Rundholz mit den Maßen für die Länge und den Mittendurchmesser. Die Maße richten sich nach den traditionell im Wald mit einer Messkluppe und einem Maßband am liegenden Rundholz durchgeführten Messungen. Sie bilden die Grundlage für die messtechnische Bewertung von Messungsanlagen für Rundholz. Mit einem von der PTB entwickelten und in die Software integrierten Auswerteverfahren können diese Maße mit dem Referenzmesssystem erstmals mit hoher Genauigkeit bestimmt werden.


Ausgewertete Messung an dem Rundholz

Abb. 2: Ausgewertete Messung an dem Rundholz aus Abb. 1. Die Länge wird als kürzester Abstand zwischen den Stirnflächen in Richtung der Stammachse gemessen. Das Rechteck „Kluppe“ zeigt den Querschnitt mit dem kleinsten Mittendurchmesser an, das heißt der kleinsten Summe aus Breite und Höhe.

Die messtechnische Beurteilung von Streifenprojektionssystemen ist nicht nur wegen des aufwendigen Auswerteverfahrens schwierig, sondern auch weil der Benutzer an verschiedenen Stellen lenkend in den Messprozess eingreifen kann, zum Beispiel bei der Wahl der Erfassungsstrategie. Zur schnellen messtechnischen Beurteilung des Verfahrens sind deshalb Messungen an Prüfkörpern hilfreich, die den später zu messenden Objekten ähnlich sind. Abb. 3 zeigt einen geschliffenen Ring (Durchmesser 240 mm), mit dem die Messung von Durchmessern an zylinderförmigen Objekten wie Rundholz beurteilt wird. Man erkennt, dass an der Unterseite des Rings höhere Messabweichungen auftreten, weil die Oberfläche dort für den Projektor schwieriger zu erreichen ist und die Kameras die Oberfläche mit den aufgeklebten Kreismarken nicht so leicht erfassen können.


Messung an einem Prüfnormal mit einem geschliffenen Ring

Abb. 3: Messung an einem Prüfnormal aus einem geschliffenen Ring (Durchmesser 240 mm) mit angeflanschtem Rohr und Kreismarken. Der Ring wurde in sechs räumlichen Stellungen gemessen, die glockenförmig über dem Ring verteilt wurden, wie dies die Schwarz-Weiß-Aufnahmen andeuten. An Unterseite des Rings werden deshalb leicht höhere Messabweichungen beobachtet.


Das Referenzmesssystem kann nicht nur zur Bereitstellung von Referenzkörpern für die Prüfung von Messanlagen in der Forstwirtschaft und Holzindustrie dienen, sondern auch für andere Messungen an großen Bauteilen eingesetzt werden. Ein besonderer Vorteil ist, dass es als mobiles System auch für Messungen vor Ort in nicht eigens klimatisierten Räumen eingesetzt werden kann.

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