2017
Verfasser: Geist, M. (2017)
Titel: Flächenhafte Formabweichungen bei der Anwendung terrestrischer Laserscanner
Erstgutachter: Prof. Dr. Ralf Bill
Zweitgutachter: Prof. Dr. Ingo Neumann, Leibniz Universität Hannover und Prof. Dr. Martin-Christoph Wanner, Fraunhofer-Einrichtung für Großstrukturen in der Produktionstechnik Rostock
Kurztext:
Terrestrische Laserscanner sind im geodätischen Bereich ein akzeptiertes Messsystem für die schnelle und umfassende 3D-Digitalisierung von Objekten. Darüber hinaus bieten die Vorteile des Messverfahrens ein enormes Potential für den Einsatz in der industriellen Fertigung von Großstrukturen. Aufgabenstellungen aus dem Bereich der Qualitätssicherung, der Steuerung von Fertigungsprozessen oder der Onlineprogrammierung von Automatisierungsanlagen bei der Unikatfertigung lassen sich schnell, effizient und objektiviert mittels der berührungslosen Scantechnik umsetzen. Die Bemühungen zur Standardisierung von Unsicherheitsangaben und Prüfverfahren stammen jedoch überwiegend aus der geodätischen Betrachtungsweise und der Rückführung auf einen diskreten Punkt zur Bewertung einer 3D-Punktgenauigkeit als absolute Genauigkeitsangabe. Aus Sichtweise der Fertigungstechnik steht die Eignung eines Messsystems und des Messprozesses für eine Messaufgabe innerhalb eines objektbezogenen Referenzsystems im Vordergrund.
Die vorliegende Arbeit stellt eine anwendungsbezogene Betrachtungsweise der Daten-qualität terrestrischer Laserscanner vor. Für die Formanalyse von Freiformflächen spielt die formtreue Abbildung der Strukturen eine wesentliche Rolle. Herstellerangaben, die diese Eigenschaft beschreiben, wie z. B. die Modellierungsgenauigkeit, sind jedoch weitestgehend aus den Spezifikationen verschwunden. Durch eben diese Angaben wird das eigentliche Wesen der Systeme, die flächenhafte Beschreibung von Oberflächen mit einer Vielzahl von Punkten, ausgedrückt.
Für den Einsatz im industriellen Umfeld ist die Ermittlung systematischer Messabweichungen ein grundlegender Bestandteil für die Angabe merkmalsspezifischer Messunsicherheiten. Der reine Vergleich von Kenngrößen gegenüber der Spezifikation ist nicht ausreichend, um das Genauigkeitspotential terrestrischer Laserscanner darzustellen. In dieser Arbeit wird das Ziel verfolgt, eine flächenhafte Bewertung der Systeme als Grundlage für die Angabe einer prüfbaren Flächentoleranz vorzunehmen. Aus der experimentellen Untersuchung der Formtreue verschiedener Phasenvergleichsscanner und der Analyse bisher vorgeschlagener Kennwerte wird ein Verfahren zur Bewertung systematisch wirkender Effekte abgeleitet.
Während bei punktuell messenden Systemen die zufälligen Abweichungen durch Wie-derholungsmessungen und Mittelwertbildung reduziert werden können, lässt sich bei scannenden Systemen eine Reduktion durch eine geeignete Oberflächenmodellierung erreichen. In dieser Arbeit werden zwei Verfahren auf Grundlage Radialer Basisfunktionen zur Bestimmung lokaler Formabweichungen untersucht. Im Vordergrund steht die Auswahl einer geeigneten Kombination von Basisfunktion und Approximationsverfahren zur Toleranzprüfung an fertigungstechnisch hergestellten Oberflächen mit einem hohen Anspruch an die geometrische Oberflächengüte.
Zum Nachweis der Anwendbarkeit des entwickelten Ansatzes wird die Vorgehensweise zur Messsystemanalyse aus der industriellen Fertigung von Serienprodukten adaptiert und anhand von Messfähigkeitskennwerten die Wiederholpräzision eines terrestrischen Laserscanners nachgewiesen. Auf Grundlage der Ergebnisse kann das Potential terrestrischer Laserscanner für Präzisionsmessungen bei der flächenhaften Bewertung von Objekten quantifiziert werden.
Schlagwörter: Terrestrisches Laserscanning, Messunsicherheit, Flächenapproximation
Abstract:
In applied geodesy, terrestrial laser scanning is an accepted measuring system for a fast and extensive digitalization of objects. Furthermore, the advantages of this technology offer a tremendous potential for the application production of large structures. Challenges in quality assurance, control of manufacturing processes or online programming of automated production lines can be solved in a fast, efficient and objective way using non-tactile scan technology. But the approaches for standardization, the declaration of uncertainties and test procedures are predominantly developed in the geodesy domain. Here, the 3D-point accuracy as an absolute accuracy is evaluated by a refeeding of discrete points. From a production technology perspective, the suitability of the measurement system and process for a defined measuring task needs to be foregrounded.
This work offers an application-oriented view on data quality in terrestrial laser scanning. For analysis of freeform surfaces, the contour accuracy of the digital image is a key element. But related manufacturers information, for example modelling accuracy, disappeared from specifications over the years. This information in particular expresses the nature of systems which describe the surface with a high number of points.
For industrial applications, the determination of systematic deviations is an essential part of object-related uncertainties of measurement. A comparison between measured characteristics and the specification are not sufficiently to describe the accuracy potentials of laser scanners. Therefore, the aim of this thesis is to develop area-based evaluation methods as a basis for the determination of a testable surface tolerance. From experimental studies of contour accuracy using different phase-comparison scanner and analysis of existing key figures, a procedure to evaluate systematic effects are developed.
While for single point measurement systems random noise can be effectively reduced with repetition measurement and averaging, for scanning systems surface modelling techniques can be used to increase the accuracy. In this thesis, two variants are investigated to determine local deviations based on radial basis functions. The main focus is to select a reliably combination of basis function and approximation method with respect to tolerance testing of high-quality geometric freeform surfaces.
To confirm the application of the developed method, the procedure of measurement system analysis used in series production will be adopted by using capability indices to proof the repeatability of terrestrial laser scanners.
Keywords: Terrestrial laserscanning, measuring uncertainty, surface approximation