3. Industrielle Messtechnik - Webarchiv ETHZ / Webarchive ETH
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3. Industrielle Messtechnik 3.1 Einleitung Im Anlagen- und Maschinenbau ergibt sich die Aufgabe, die Geometrie grosser Bauteile, Maschinen, Schiffe, Flugzeuge und Roboter während der Fertigung und bei der Abnahme zu bestimmen. Die Toleranzen, deren Einhaltung dabei überprüft werden soll, liegen häufig im Zehntelmillimeterbereich. Die Grundaufgabe der Industrievermessung ist es, den Sollkoordinaten des Objekts, die von der Konstruktion (CAD) her vorgegeben sind, den Istkoordinaten - eventuell sogar für verschiedene Betriebszustände - gegenüberzustellen (z.B. Deformationsmessungen an Flugzeugen, Schiffen, Robotern, Radioteleskopen etc.). Die geodätisch-photogrammetrische Messtechnik kommt dabei besonders bei grossen Objekten (Flugzeugen, Schiffen, Anlagen, Grossmaschinen) vermehrt zum Einsatz, wenn die übliche industrielle Messtechnik mit Koordinatenmessmaschinen versagt. Zum besseren Verständnis sollen an dieser Stelle 3-D-Koordinaten-Messmaschinen (KMM) beschrieben werden. 3.2 3D-Koordinatenmessmaschinen Kleinere Objekte können schnell und präzise mit 3-D-Koordinatenmessmaschinen vermessen werden. KMM sind grosse, stationär betriebene Geräte, die eine dreidimensional frei bewegliche Messmarke besitzen, mit der die Objektpunkte angetastet werden. In x-, y-, z-Richtung eines Maschinenkoordinatensystems werden die Verschiebungen der Messmarke gemessen (z.B. interferometrisch oder mit optischen Lineargebern) und gespeichert. Linearer Weggeber X Z Taster Y Abbildung 3-1: 3-D Koordinatenmessmaschine (Portaltyp) Ingenieurgeodäsie-Skript Prof. Dr. H. Ingensand Seite 3–1 3.3 Messverfahren Bei der Ausrichtung von Maschinenteilen werden bereits seit Jahrzehnten optische Richtungsmessverfahren basierend auf Theodolit-, Nivellier- oder sogar speziellen Fluchtfernrohren erfolgreich eingesetzt. Vielfach werden konventionelle geodätische Methoden eingesetzt: wie z.B. das Präzisionsnivellement zur Bestimmung der Z-Koordinaten, trigonometrische Punktbestimmung, Längenmessung, Höhenübertragung durch Schlauchwaagen, Richtungsfestlegung über Kollimation und Autokollimation. 3.4 Optische Richtungsmessverfahren (Kollimation, Autokollimation) I. Allgemeines über Autokollimation 1. Von Kollimation zu Autokollimation In der Optik versteht man unter Kollimation die Herstellung paralleler Strahlen. Bei der Industrievermessung und beim Justieren von Vermessungsintrumenten hat Kollimation ausserdem die Bedeutung, zwei Fernrohre mit parallelen Strahlengängen (Unendlich-Fokussierung) gegeneinander auszurichten. Derartige auf ∞ gestellte Fernrohre nennt man Kollimatoren. Abbildung 3-2 Prinzip der Kollimation Bringt man nun vor dem Fernrohr einen achsensenkrechten Spiegel an, so wird das in der Objektivbrennebene befindliche Strichkreuz des Fernrohrs in sich selbst abgebildet. Um das Spiegelbild sichtbar zu machen, muss das Strichkreuz beleuchtet werden. Somit erhält man ein Autokollimationsfernrohr. 2. Prinzip der Autokollimation 1 1‘ 2 3 4 5 6 7 A B Senkrecht zum Zielstrahl stehende Reflexionsebene um α geneigte Reflexionsfläche Fernrohrobjektiv Strichplatte Halbdurchlässige, halbreflektierende Planplatte Okular Farbfilter Lichtquelle Direktes und reflektiertes Strichplattenbild nicht in Koinzidenz Direktes und reflektiertes Strichplattenbild in Koinzidenz Abbildung 3-3: Autokollimation nach dem Gauss’schen Prinzip Das von der beleuchteten Strickplatte projizierte Licht verlässt das Objektiv als paralleles Strahlenbündel. Steht der Spiegel exakt rechtwinklig zur Ziellinie, werden die Strahlen in sich selbst reflektiert und erzeugen ein Bild des projizierten Strichkreuzes in der Bildebene des Fernrohrs. Wenn man durchs Okular schaut, sieht man Bild B (siehe Abbildung 3-3). Ingenieurgeodäsie-Skript Prof. Dr. H. Ingensand Seite 3–2 Ist der Spiegel um einen Winkel α geneigt, so werden die Strahlen um 2⋅α abgelenkt. Ist die Neigung α nicht zu gross, fällt ein Teil der reflektierten Strahlen wieder in das Fernobjektiv. Es entsteht dann wieder ein Bild des projizierten Strichkreuzes in der Bildebene, das aber nicht mit dem Strichkreuz koinzidiert (siehe Abbildung 3-3, Bild A). Mit der Autokollimation kann man kleine Winkeländerungen mit grosser Präzision bestimmen, daher ist sie hervorragend für genaue Prüf- und Kontrollmessungen durch Anbringen von Autokollimationsspiegeln am Objekt geeignet. II. Instrumentarium 1. Autokollimationsokulare In der Vermessungstechnik werden neben speziellen Autokollimationsfernrohren meist die Fernrohre geodätischer Instrumente (Nivelliere, Theodolite und optische Lote) durch Einbau von Autokollimationsokularen für Autokollimationszwecke verwendet. Im wesentlichen unterscheidet man zwei Typen von Autokollimationsokularen: a) 1 2 3 4 5 6 Einstecklampe Okular Strahlenteiler Strichplatte (Fadenkreuz) Fernrohrobjektiv Planspiegel Abbildung 3-4: Autokollimationsokular Wild GOA Bei diesem Okular (Gauss’sches Okular) wird das Strichkreuz direkt beleuchtet, also wie unter I.1 erläutert. Zu beachten ist, dass das durch den Autokollimationsspiegel reflektierte Bild des Strichkreuzes umgekehrt und lichtschwächer erscheint. b) 1 2 3 4 5 6 7 Einstecklampe Hellgrünes Kreuz Okular Fernrohr-Strichplatte Strahlenteiler Fernrohrobjektiv Planspiegel Abbildung 3-5: Eingebautes Autokollimationsokular Wild T2+GUGA bzw. Wild T3A Bei dem zweiten Autokollimationsokular wird eine zweite am Fernrohr angebrachte negative Strichplatte ausgeleuchtet. Die Platte ist eine schwarze Scheibe mit einem hellen Kreuz. Das Licht Ingenieurgeodäsie-Skript Prof. Dr. H. Ingensand Seite 3–3 tritt durch das Kreuz und wird durch den Strahlleiter in den Strahlengang des Fernrohrs auf den Spiegel hin abgelenkt. Betrachtet man die Strichkreuzebene durch das Fernrohrokular, sieht man ein helles Kreuz, in welches das Fernrohrstrichkreuz zentriert werden muss. Der Vorteil des zweiten Typs ist, dass das Kreuz viel heller und breiter erscheint als das projizierte Strichkreuz des ersten Typs. Dies bedeutet, dass vor allem grössere Zielweiten (also grössere Abstände Fernrohr – Spiegel) möglich sind. Nachteilig ist, dass dieses Okular fest eingebaut werden muss, während der erste Typ meist als Wechselokular einfach gegen das Normalokular vom Benutzer ausgetauscht werden kann. 2. Autokollimationsspiegel Autokollimationsspiegel müssen optisch plan und oberflächenverspiegelt sein. Sie sind meistens aus Glas hergestellt. Es können aber auch hochglanzpolierte Metallflächen benutzt werden. Wenn die Spiegel nicht plan sind, werden die Lichtstrahlen nicht in sich selbst reflektiert. Abbildung 3-6: Ist der Spiegel nicht plan, werden die Lichtstrahlen nicht parallel zurückgeworfen. Das Autokollimationsbild wird dadurch unscharf. Sind die Spiegel nicht oberflächenverspiegelt, sondern auf der Rückseite versilbert, ruft dies unerwünschte Reflexe hervor, wodurch das projizierte Bild unscharf wird. Abbildung 3-7: Ein auf der Rückseite versilberter Spiegel verursacht unerwünschte Reflexe, weshalb das Autokollimationsbild unscharf wird. Die Anbringungsmöglichkeiten der Spiegel sind sehr verschieden. Teilweise sind sie z.B. mit Gewindelöchern oder mit Magneten versehen, so dass sie am Messobjekt angebracht werden können. Damit kann man kleine Winkeländerungen direkt am Messobjekt messen. Ein fest angebrachter Spiegel wird vor allem dann als Bezugsrichtung für Alignements oder Winkelmessungen verwendet, wenn die Zielweiten begrenzt sind. Die praktische Durchführung der Autokollimation verlangt die exakte Unendlich-Fokussierung und die Ausrichtung der Fernrohrziellinie senkrecht zur Spiegelfläche. Zunächst richtet man das Fernrohr auf die Mitte des Spiegels aus. Mit Hilfe der Autoreflexion wird nun die genäherte Ausrichtung bestimmt. Unter Autoreflexion versteht man die Beobachtung Ingenieurgeodäsie-Skript Prof. Dr. H. Ingensand Seite 3–4 des Fadenkreuzbildes oder einer besonderen Zielmarke vor Objektivmitte mit dem auf die doppelte Zielweite fokussierten Fernrohr über den Autokollimationsspiegel. Danach wird das Fernrohr auf unendlich fokussiert, indem dass projizierte Strichkreuz scharf gestellt wird. Um Autokollimation zu erreichen, müssen das projizierte Strichkreuz und das Fernrohrstrichkreuz zur Koinzidenz gebracht werden. Je nach Aufgabenstellung wird dafür entweder der Spiegel ausgerichtet oder das Strahlenbündel durch Drehen des Autokollimationsfernrohrs. 3. Autokollimationsprisma Das Autokollimationsprisma hat gegenüber dem Spiegel den Vorteil, dass es unabhängig von der Höhe des Autokollimationsfernrohres aufgebaut werden kann. Die Stehachse muss nicht senkrecht zu den Strahlen des Autokollimationsfernrohrs sein. Es besteht aus einem 100-gon-Dachkantenprisma, das auf einer theodolitähnlichen Stütze kippbar gelagert ist. Die Dachkante des Prismas liegt parallel zur Kippachse. In der Horizontalebene wirkt das 100-gon-Prisma wie ein Spiegel (siehe Abbildung 3-9). Es kann mit einem Seitentrieb zum Autokollimator hin ausgerichtet werden. In der Vertikalebene funktioniert das Prisma als Rückstrahler: Ein einfallender Lichtstrahl wird um 200 gon umgekehrt und parallel zu sich selbst reflektiert, so dass eine Feinausrichtung in der Vertikale unnötig ist. Abbildung 3-8: Autokollimationsprisma Wild Gap 1 auf Dreifuss GDF6 a) b) c) Abbildung 3-9: a) 100 gon-Dachkantprisma, Prismakante horizontal b) In der Horizontalebene wirkt das Prisma als Spiegel. Die Lichtstrahlen werden wie bei einem Spiegel reflektiert c) In der Lotebene funktioniert das Prisma als Rückstrahler (Retroreflektor). Ein ankommender Strahl wird um 200 gon umgelenkt und zu sich parallel zurückgeworfen. Ingenieurgeodäsie-Skript Prof. Dr. H. Ingensand Seite 3–5 III. Anwendungen 1. Autokollimator als Kollimator Für die Kollimation braucht man Kollimatoren oder exakt auf unendlich fokussierte Fernrohre. Sehr gut dafür eignen sich Autokollimationsfernrohre, da sie sehr leicht und genau auf unendlich fokussiert werden können, was ansonsten im Labor - wenn kein Fernziel angezielt werden kann sehr umständlich sein kann. Ausserdem haben sie den Vorteil der Strichkreuzbeleuchtung. 2. Ebenheitskontrolle Ebenheitskontrollen können z.B. mit einem Autokollimationstheodolit, einem Nivellier mit Autokollimationsokular oder mit speziellen Autokollimationsfernrohren in Verbindung mit einem Autokollimationsspiegel durchgeführt werden. Dabei wird die Ebenheit einer Schiene, eines Maschinenbetts etc. kontrolliert. Der Autokollimationsspiegel wird senkrecht auf eine Grundplatte befestigt. Der Abstand d der Auflagepunkte der Grundplatte muss bekannt sein. Abbildung 3-10 Die Grundplatte wird zwischen die Punkte 0 und 1 gelegt. Der Autokollimationstheodolit wird auf den Spiegel ausgerichtet und zur Autokollimation gebracht. Vertikalkreis ablesen: Vl. Es wird angenommen, dass die Punkte 0 und 1 auf einer Ebene liegen. Damit kann V1 als Bezugsrichtung für die Ebenheitskontrolle angenommen werden. Die Grundplatte wird jetzt um die Basislänge d verschoben. so dass die Auflagepunkte in 1 und 2 liegen. Der Theodolit wird wieder auf den Autokollimationsspiegel ausgerichtet (Autokollimation) und der Vertikalkreis abgelesen: V2. Die Messung wird so weitergeführt, bis das Ende der Schiene erreicht ist. Berechnung: - V 1 wird als Bezugsrichtung angenommen - Der Punkt 0 hat die Höhe 0.0 mm α12 = V2-Vl α23 = V3-V2 dHl2 = d·sin(α12) dH23 = d·sin(α23) HO = Hl= 0.0 H2 = Hl +dHl2 H3 = H2+dH23 Ingenieurgeodäsie-Skript Prof. Dr. H. Ingensand Seite 3–6 Die Ergebnisse können graphisch dargestellt werden (siehe Bild). Abbildung 3-11 Mit diesem Messverfahren kann man sehr kleine Höhenunterschiede feststellen. Bei einer Basislänge d =200 mm und einem Winkel alpha ca. 0.3 mgon erhält man eine Höhendifferenz dH von 0.0001 mm. Möchte man nicht nur die Ebenheit z.B. eines Maschinenbettes in einer Richtung, sondern auch rechtwinklig dazu bestimmen, kann man das beschriebene Verfahren erweitern. Man führt zuerst eine Messung wie vorher beschrieben auf der Symmetrielinie durch. Dann wird auf dem Auflagepunkt 1 der Messungslinie ein 100-gon-Prisma aufgestellt. Damit werden die Strahlen des Autokollimationstheodolits um 100 gon abgelenkt und man kann einen Autokollimationsspiegel, der parallel zur Symmetrielinie steht, beobachten. Die weitere Messung und Berechnung geht entsprechend dem ersten Teil. Entsprechend diesem Verfahren kann die Führungsgenauigkeit eines Komperatorschlittens bestimmt werden. Jedoch wird der Spiegel nicht umgesetzt, sondern mit dem Schlitten messbar verfahren. Heutzutage wird eine Ebenheitskontrolle oft mit einem Neigungssensor durchgeführt. 3. Taumelfehler Theoretisch sollte die Welle einer Maschine genau rund laufen und die Drehachse sollte bei der Rotation ihre Lage nicht verändern. In der Praxis ist das aber nicht gegeben. Dieser sogenannte Taumelfehler kann mit Hilfe der Autokollimation gemessen werden. Dazu benötigt man einen Autokollimationstheodolit und einen Autokollimationsspiegel. Abbildung 3-12 Der Theodolit wird vor der Welle aufgestellt und der Spiegel an der Welle angebracht, möglichst rechtwinklig zur Achse. Um dies zu erreichen, wird der Spiegel mit dem Theodolit angezielt, so dass Autokollimation erreicht wird. Die Welle wird um 200 gon gedreht und der Spiegel um die halbe Abweichung zwischen Autokollimationsfadenkreuz und Theodolitfadenkreuz geneigt. Erneute Autokollimation und Drehung der Achse um 200 gon. Das Verfahren wird so lange wiederholt, bis die Abweichung minimal ist. Somit erreicht man eine ausreichende Rechtwinkelstellung des Spiegels zur Drehachse. Die eigentliche Messung verläuft folgendermassen: Der Theodolit wird auf den Spiegel ausgerichtet, Autokollimation. Horizontal- und Vertikalkreis werden abgelesen. Die Welle wird um einen beliebigen Winkel α gedreht, erneute Autokollimation und Teilkreisablesungen. Dieser Vorgang wird so lang wiederholt, bis eine volle Umdrehung (400 gon) erreicht ist. Ingenieurgeodäsie-Skript Prof. Dr. H. Ingensand Seite 3–7 Berechnung: Die ersten Ablesungen V1 und Hz1 werden als Bezugsrichtungen angenommen. dHzl=0.0 dHz2 = Hz2-Hzl dHz3 = Hz3-Hzl dVl=0.0 dV2 = V2-Vl dV3 = V3-Vl Die Ergebnisse können graphisch dargestellt werden: Abbildung 3-13 Wäre die Wellenbewegung ohne Taumelfehler, würden die Ergebnisse zu einem Kreis führen, und der Radius gäbe die Neigung des Spiegels wieder. Durch das Auftragen der Fehler = Soll-Ist kann man die Taumelfehler der Welle analysieren. 4. Positionieren eines Satellitenbauteils Die Fläche 2 des Satelliten soll so angebracht werden, dass sie mit der Fläche 1 den Winkel α bildet und parallel zur Längsachse des Satelliten steht. Dazu benötigt werden ein Autokollimationstheodolit, zwei Autokollimationsspiegel und ein Autokollimationsprisma. Abbildung 3-14 Der Satellit wird vertikal aufgestellt, und die Spiegel werden parallel an die Flächen 1 und 2 angebracht. Der Theodolit wird vor der Fläche 1 (Referenzfläche) aufgestellt, so dass eine Ingenieurgeodäsie-Skript Prof. Dr. H. Ingensand Seite 3–8 Autokollimation mit dem Spiegel möglich ist. Das Fernrohr steht jetzt genau senkrecht zum Spiegel und wird um exakt 100 gon gedreht. In der Verlängerung der Ziellinie des Fernrohrs wird das Autokollimationsprisma so aufgestellt, dass es wiederum zur Autokollimation kommt. Damit erhält man eine Basis, die parallel zu der Referenzfläche ist. Der Theodolit wird jetzt so auf der Basis verschoben, dass der Spiegel der Fläche 2 angezielt werden kann Æ Autokollimation. Der Winkel α kann gemessen werden. Entspricht der gerechnete Winkel α dem Soll-Winkel, dann ist die Fläche gegenüber der Referenzfläche richtig positioniert. Der bei der Autokollimation mit dem Spiegel an der Fläche 2 abgelesene Vertikalwinkel muss gleich 100 gon sein, damit die Fläche 2 parallel zur Längsachse steht. 4. Eichung der Winkelteilung eines Rundtisches Die Eichung eines Rundtisches kann mit Hilfe eines Autokollimationstheodolits und eines Autokollimationsprismas durchgeführt werden. Der Theodolit wird auf dem zu prüfenden Rundtisch aufgebaut, wobei die Stehachse möglichst parallel zur Drehachse sein muss. Eine genaue Zentrierung ist nicht notwendig, da die Autokollimation mit parallelen Strahlenbündeln arbeitet. Abbildung 3-15 Die Bezugsrichtung bei der Winkelmessung wird durch ein Autokollimationsprisma festgelegt. Um den Einfluss einer restlichen Abweichung der Parallelität der Stehachse und der Drehachse auf ein Minimum zu beschränken, sollte das Prisma möglichst so aufgestellt werden, dass die Ziellinie des Fernrohrs annähernd senkrecht zu den Achsen steht. Die Messung läuft wie folgt ab: Das Prisma wird mit dem Autokollimationsfernrohr angezielt Æ Autokollimation. Ablesung am Horizontalkreis, Hz 1. Den Rundtisch an seiner Teilung um einen Winkel α drehen. Theodolit wieder auf das Prisma ausrichten, Autokollimation und Ablesung am Horizontalkreis, Hz2. Hz2-Hzl ergibt den Sollwinkel. Damit erhält man die Verbesserung Soll Ist. Ein weiterer möglicher Messaufbau sieht folgendermassen aus: Anstelle des Theodolits wird ein Polygonspiegel auf den Rundtisch befestigt. Dieser wird von einem Standpunkt ausserhalb des Rundtisches mit einem Autokollimationstheodolit beobachtet. Der Polygonspiegel legt den Winkel fest, um den der Rundtisch gedreht werden muss, damit Autokollimation möglich ist. Das bedeutet, dass der Soll-Winkel durch den Polygonspiegel gegeben ist. Ingenieurgeodäsie-Skript Prof. Dr. H. Ingensand Seite 3–9 Abbildung 3-16: Polygonspiegel 5. Festlegung der Achsrichtung eines Subreflektors Die Achsrichtung kann mit Hilfe eines optischen Lotes mit Autokollimationsokular und einer Spiegelzielmarke festgelegt werden, unter der Voraussetzung, dass die Subreflektorachse annähernd senkrecht ist. Dabei wird die Spiegelzielmarke im Scheitel des Subreflektors angebracht. Ziel ist es, die Normale der Spiegelzielmarke in Richtung der Achse auszurichten, damit beim Einbau in das Reflektorteleskop die Achsen des Subreflektors und des Hauptreflektors parallel gestellt werden können. Abbildung 3-17 Die Kontur des Subreflektors wird durch räumliche Vorwärtseinschnitte gemessen und seine Achsenlage und -richtung rechnerisch bestimmt. Das optische Lot wird auf die Spiegelmarke aufgesetzt, und seine Ziellinie wird mit Hilfe eines Drehkeilmikrometers in die Richtung der berechneten Achse gelenkt. Die Spiegelzielmarke wird mit Justierschrauben so lang gekippt, bis es zur Autokollimation kommt. Da man mit einem Drehkeil nur eine Richtung festlegen kann, muss das optische Lot um 100 gon gedreht werden und der oben erklärte Vorgang wiederholt werden. Ingenieurgeodäsie-Skript Prof. Dr. H. Ingensand Seite 3–10 7. Verhalten des Theodolits E2 auf schiefer Ebene A= B= C= D= E= Autokollimation Umlenkprisma Spiegel Kipptisch Drehung des Theodolits (12 Messstellen) Abbildung 3-18 Geprüft wird das Verhalten des Theodolits bei verschiedenen Neigungen der Stehachse, da mit dem Theodolit das Verformungsverhalten des Parabolreflektors in verschiedenen Neigungen bestimmt werden soll. Für die Kontrolle sollen Vertikalkreisablesungen durchgeführt werden, wobei der Theodolit mit dem Reflektor gekippt wird. Bei solchen Neigungen entstehen, je nach azimutaler Lage des Geräts, Abweichungen in der Vertikalwinkelmessung (besser Achsenwinkelmessung). Kern Aarau hat zur Untersuchung des Theodolits folgende Messung durchgeführt: Der Autokollimationstheodolit wurde auf einen Kipptisch montiert, auf dem ausserdem Autokollimationsspiegel befestigt wurden. Vor das Fernrohrobjektiv wurde ein Umlenkprisma gesetzt, so dass Autokollimation möglich war. Um Abweichungen bestimmen zu können, muss man eine Bezugsbasis haben. Diese hat man erhalten, indem man bei der Neigung 0 gon des Kipptisches alle Spiegel nacheinander angezielt hat, Autokollimation und den Vertikalkreis abgelesen hat. Danach wurde die Messung bei verschiedenen Neigungen des Kipptisches wiederholt. Graphisches Auftragen der Differenzen Ist - Soll hat gezeigt, dass die Vertikalwinkeldifferenzen sinusförmig sind und sich innerhalb von ± 15“ Sekunden bewegen. IV. Schlussbetrachtung Das Autokollimationsverfahren ist ein Messverfahren, mit dem man sehr hohe Genauigkeiten erreichen kann. Das Verfahren kann man in sehr vielen Bereichen der Vermessungstechnik einsetzen. Eine Automatisierung des Verfahrens ist möglich, wie man an dem automatisierten Autokollimatoren von Hilger & Watts sieht. Allerdings sind die meisten Anwendungen derart spezialisiert, dass sich eine Automatisierung nicht lohnt. In einigen Bereichen kann die Autokollimation z.B. durch Messungen mit Neigungssensoren ersetzt werden. Ingenieurgeodäsie-Skript Prof. Dr. H. Ingensand Seite 3–11 3.5 Interferometrische Längen-, Winkel- und Richtungsmessverfahren Interferometrische Messverfahren kommen vor allem dort zum Einsatz, wo die Genauigkeitsanforderungen sehr hoch sind. Ein klassisches Anwendungsgebiet ist die Maschinenkalibrierung im Werkzeugmaschinenbau. Aber auch Geodäten nutzen die hohe Genauigkeit von Interferometern. Erwähnt sei die EDM- und Invarlatten- und Scalebarkalibrierung sowie die Teilkreisanalyse von Theodoliten mittels Interferometer. Ebenso werden Neigungsmesser mittels interferometrischen Neigungstischen überprüft. I. Grundprinzip der Laserinterferenzmessung Bei diesem Verfahren wird die Lichtinterferenz zur Längenmessung höchster Genauigkeit angewendet. Unter Interferenz versteht man hier die Überlagerung zweier Lichtwellen mit einheitlicher Wellenlänge. Die Erzeugung dieser beiden Lichtwellen erfolgt mit einem Laser, dessen kohärente – d.h. mit einer konstanten Frequenz und gleicher Phase vorgegebene – Strahlung durch einen Strahlenteiler in zwei kohärente Teilstrahlen gleicher Intensität geteilt wird. Legen diese Strahlen verschiedene optische Wege zurück und werden sie anschliessend wieder zusammengeführt und überlagert, so werden sie sich je nach Phasenverschiebung verstärken oder abschwächen. schwingen beide in Phase, so kommt es zur grössten Verstärkung; beträgt die Phasenverschiebung hingegen λ/2, so löschen sie sich aus (siehe Abbildung 3-19, vgl. auch Wellenlehre). Abbildung 3-19: Prinzip der Interferenz Die Phasendifferenz hängt dabei vom Wegunterschied ab, den die beiden Teilstrahlen durchlaufen. Lenkt man die beiden Teilstrahlen auf einen Photodetektor und verändert den Weg des einen Teilstrahls kontinuierlich, so registriert der Photodetektor eine Serie von Hell-DunkelWechseln. Die Zahl der Hell-Dunkel-Wechsel ist dabei ein Mass für die Veränderung des einen Lichtwegs gegenüber dem anderen. Dieses Prinzip ist bei der Entfernungsmessung mit dem Michelson-lnterferometer (siehe Abbildung 3-20) verwirklicht. Ingenieurgeodäsie-Skript Prof. Dr. H. Ingensand Seite 3–12 Abbildung 3-20: Michelson-Interferometer Der vom Laser ausgesandte kohärente Lichtstrahl mit der Wellenlänge λ ( ≈ 600 nm) wird von einem Strahlenteiler (Interferometer) in zwei kohärente Teilstrahlen gleicher Intensität aufgeteilt. Teilstrahl 1 verläuft über einen ortsfesten Reflektor und Teilstrahl 2 verläuft über einen beweglichen Reflektor. Beide Teilstrahlen werden im Interferometer wieder zusammengeführt, und die sich überlagernden Teilstrahlen treffen dann auf den Photodetektor. Als Ausgangssituation sei angenommen, die beim Photodetektor ankommenden Teilstrahlen schwingen in Phase. Der Photodetektor liefert eine der Maximalhelligkeit entsprechende Anfangsspannung. Beim Verschieben des beweglichen Reflektors um den Betrag λ/4 durchläuft der Teilstrahl 2 die zusätzliche Strecke von λ/2. Die beim Photodetektor ankommenden Teilstrahlen weisen dann eine Phasenverschiebung von λ/2 auf und löschen sich aus. Die am Photodetektor anliegende Spannung nimmt den Wert Null an. Bei weiterer Verschiebung des Reflektors um λ/4 tritt wieder ein Helligkeits- und damit Spannungsmaximum auf. Jeweils nach weiterem Verschieben des Reflektors um λ/2 wird ein neues Maximum erreicht. Wird nun die Zahl N der neu erzeugten Maxima mit einem dem Photodetektor nachgeschalteten Zähler gezählt, so erhält man für die Gesamtverschiebung des Reflektors D= λ ⋅N N: Anzahl Wellen 2 Die Auflösung dieses Verfahrens beträgt also λ/2 und damit bei λ = 0,6 µm etwa 0.3 µm. Diese Auflösung lässt sich jedoch durch elektronische Interpolation weiter steigern. Stabilisierte Laser können über einen langen Zeitraum hinweg Wellenlängen mit einer relativen Genauigkeit von ∆λ/λ < 10-8 erzeugen. Die Genauigkeit der direkt von der vorgegebenen Wellenlänge λ abgeleiteten Strecke D wäre somit von derselben Grössenordnung. Dieses im Prinzip einfache Verfahren weist beim praktischen Einsatz zwei wesentliche Mängel auf. Zur Erzeugung der Interferenzen ist eine äusserst empfindliche Justierung der Prismen erforderlich, und man erhält bei diesem Verfahren zunächst keine Information über die Bewegungsrichtung des Reflektors. Das im folgenden beschriebene Zwei-Frequenzen-Verfahren ist frei von diesen beiden Mängeln. Bei diesem Verfahren sendet der Laser Lichtwellen mit den Frequenzen f1 und f2 bzw. den Wellenlängen λ1 und λ2 aus. Intern im Gerät wird durch Frequenzüberlagerung die Schwebungsfrequenz ∆f = f2- f1 gebildet und von einem Zähler gezählt. II. Zwei-Frequenz-Interferometer Alle Beschreibungen in diesem Kapitel beziehen sich auf das Laserinterferometer Mod. 5526A von Hewlett-Packard. Ingenieurgeodäsie-Skript Prof. Dr. H. Ingensand Seite 3–13 1. Das Doppler-Messprinzip Die Geschwindigkeitsmessung auf Grund des Dopplereffekts wird in der Radartechnik angewendet. Fährt ein Fahrzeug mit der Geschwindigkeit v radial gegen eine Radarstation, die einen Radarstrahl mit Frequenz f1 aussendet, so hat die reflektierte Welle infolge des Dopplereffekts die Frequenz f1 +∆f mit: ∆f = 2 f1 v/c v: Fahrzeuggeschwindigkeit. Die Differenzfrequenz ∆f lässt sich als Frequenz der Schwebung messen, die bei der Überlagerung von ausgesandter und reflektierter Welle entsteht. Eine Frequenz lässt sich durch Auszählen der Anzahl Perioden pro Zeiteinheit messen: f = p/∆t, v= p: Anz.Perioden ∆f ⋅ c ∆f ⋅ λ1 p ⋅ λ1 = = 2 f1 2 2 ⋅ ∆t Da der Weg s gleich dem Integral der Geschwindigkeit v über die Zeit ist, gilt: s = p · λ1/2 4. Funktionsweise des HP-Interferometers Das HP-Interferometer besteht im wesentlichen aus 3 Teilen (siehe Abbildung 3-21): 1. Dem Laserkopf mit einem frequenzstabilisierten HeNe-Laser, Lichtdetektoren und Laserspeisung. 2. Der Anzeige-Einheit, welche zur Steuerung und zur digitalen Messwertausgabe dient. 3. Dem eigentlichen Interferometer, das aus zwei Strahlenteilern, dem Referenzreflektor und dem separaten Messreflektor besteht. Ein HeNe-Laser erzeugt kohärentes Licht mit einer Hauptspektrallinie von 0,6328 µm (rot). Mit einem stationären Magnetfeld wird die Frequenz des Laserstrahls auf Grund des Zeeman-Effekts in zwei um ∆f ∼ 2MHz verschiedene Frequenzen f1 und f2 aufgespaltet. Die erzeugten Wellen sind gegensinnig zirkular polarisiert. Ein kleiner Teil des Strahls verlässt den Laser hinten und wird zur Laser-Stabilisierung verwendet. Durch den vorderen teildurchlässigen Spiegel verlässt der Hauptteil des Strahls den Laser. Er wird durch ein optisches System auf einen Durchmesser von 7mm aufgeweitet und kollimiert. Eine λ/4- Platte (dünnes Glimmerplättchen) transformiert die beiden gegensinnig zirkular polarisierten Wellen mit f1 und f2 in eine vertikal und eine horizontal linearpolarisierte Welle. Ein Strahlteiler zweigt einen kleinen Bruchteil des Strahls zur Erzeugung eines Referenzsignals rechtwinklig ab. Der Hauptstrahl verlässt den Laserkopf und trifft auf den unabhängig aufgestellten Referenzreflektor. Ein mehrfach beschichteter, teildurchlässiger Spiegel wirkt gleichzeitig als Polarisationsfilter und Strahlteiler. Nur der vertikal polarisierte Messstrahl mit Frequenz f1 kann den Spiegel durchqueren und verlässt den Referenzreflektor. Der horizontal polarisierte Referenzstrahl mit Frequenz f2 wird nach oben abgelenkt. Er durchläuft eine Referenzstrecke und gelangt zurück zum Strahlteiler. Inzwischen hat der Messstrahl den Messreflektor erreicht. In einer Würfelecke wird er um 200 gon umgelenkt und gelangt zurück zum Strahlteiler des Referenzreflektors. Bewegt sich der Ingenieurgeodäsie-Skript Prof. Dr. H. Ingensand Seite 3–14 Messreflektor mit der Geschwindigkeit v, so hat der reflektierte Messstrahl infolge des Dopplereffekts die verschobene Frequenz f1 + ∆f. Im Strahlteiler werden Mess- und Referenzstrahl wieder vereinigt. Sie erreichen den Laserkopf, wo die Polarisationsebenen beider Wellen in einem Demodulator parallel gerichtet werden. Jetzt können sich die beiden Wellen überlagern. Es entsteht eine Schwebung mit der Zwischenfrequenz f2 - (f1 + ∆f1), die in einem Photodetektor in ein hochfrequentes, elektrisches Dopplersignal umgewandelt wird. Der bereits im Laser-Kopf abgezweigte Strahl wird in analoger Weise in ein Referenzsignal mit der Zwischenfrequenz f2 – f1 umgesetzt. Über ein Kabel erreichen die vorverstärkten Zwischenfrequenzsignale die Anzeigeeinheit. Die Signale werden verstärkt und in Impulse umgesetzt. Die Anzahl der Perioden werden in 2 separaten Doppler- und Referenzzählern aufsummiert. Die Differenz beider Zähler entspricht der vierfachen Verschiebung gemessen in Wellenlängen λ1= c/f1 2s = p · λ1/2 s = p · λ1/4 Ein Rechner bringt die atmosphärischen Korrekturen an und wandelt den Messwert in gewünschte Einheiten um. Es sei hier nochmals betont, dass mit einem Interferometer nur Längenänderungen bezüglich der Ausgangsposition des Reflektors gemessen werden können. Es muss deshalb kontinuierlich auf den Messreflektor gemessen werden. Wird der Laserstrahl aus irgend einem Grund unterbrochen, muss die Messung neu begonnen werden. Ingenieurgeodäsie-Skript Prof. Dr. H. Ingensand Seite 3–15 Abbildung 3-21: Schema des HP-Interferometers Modell SS 26 A Ingenieurgeodäsie-Skript Prof. Dr. H. Ingensand Seite 3–16 III. Die verschiedenen Messverfahren 1. Interferometrische Winkelmessung Das im vorigen Abschnitt zur interferometrischen Streckenmessung vorgestellte „Zwei-Frequenzen-Verfahren“ kann auch zur Winkelmessung eingesetzt werden. Ein Winkelinterferometer (Strahlteiler und Umlenkspiegel) erzeugt hierzu zwei parallele Messstrahlen mit den beiden Frequenzen f1 und f2 (siehe Abbildung 3-22). Diese beiden Strahlen treffen auf einen aus zwei Prismen bestehenden Winkelreflektor. Wird der Winkelreflektor um ϕ gedreht, legen die beiden Strahlen unterschiedliche Strecken zurück, woraus sich der Drehwinkel ϕ ableiten lässt. Mit dieser Methode können nur Winkeländerungen bezüglich des Ausgangszustandes des Winkelreflektors ermittelt werden. Abbildung 3-22: Interferometrische Winkelmessung Bei Kippung des Winkelreflektors werden die beiden Prismen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit relativ zum Winkelinterferometer bewegt, und es entstehen auf Grund des Dopplereffektes die Frequenzänderungen ∆f1 und ∆f2. Bei Überlagerung der beiden reflektierten Teilstrahlen kann die Differenzfrequenz ∆f‘ mit ∆f‘ = (f1 + ∆f1) - (f2 + ∆f2) direkt gemessen werden. Formen wir diese Gleichung um, so folgt ∆f‘ = (f1 - f2) - (∆f1 - ∆f2) oder mit ∆f = f1 - f2 ∆f‘ = ∆f + ∆fw Ingenieurgeodäsie-Skript und ∆fw = ∆f1 - ∆f2 Prof. Dr. H. Ingensand folgt Seite 3–17 Die Differenzfrequenz ∆f wird ständig vom System überwacht und ist somit bekannt. Daraus ergibt sich ∆fw = ∆f‘ - ∆f ∆fw entspricht dem durch die Kippung hervorgerufenen Wegunterschied s der beiden Prismen. Weiter gilt s= λ 2 t1 ⋅ ∫ ∆f w ⋅ dt t2 Aus s erhält man den Neigungswinkel ϕ des Winkelreflektors zu ϕ = arcsin(s/b). Dabei ist b der Abstand zwischen den beiden Prismenachsen. Für das Laserinterferometer HP 5528A von Hewlett Packard beträgt b ~ 32 mm. Der Wegunterschied s kann bei diesem System mit einer Auflösung von 0,015 µm bestimmt werden. Daraus ergibt sich hier eine Winkelauflösung von 0.015µm ⋅ ρ = 0.03mgon 32000µm Diese Auflösung ist nahezu eine Zehnerpotenz besser als die Auflösung der meisten Feinmesstheodolite. Eine solche Messanordnung eignet sich somit hervorragend auch zur Teilkreisüberprüfung der Theodolite. Abbildung 3-23 zeigt das Ergebnis einer solchen Teilkreisüberprüfung. Es wurde hier untersucht, wie genau die Interpolationsvorrichtung arbeitet. Aus der graphischen Darstellung ist zu erkennen, dass sich die Abweichungsfunktion mit der Periode 0,025 gon wiederholt. Dieses Intervall von 0,025 gon entspricht genau dem Teilungsintervall der Elta 4-Teilkreise. Abbildung 3-23: Teilkreisüberprüfung Ingenieurgeodäsie-Skript Prof. Dr. H. Ingensand Seite 3–18 2. Geradheitsmessung Die Messanordnung in Abbildung 3-24 dient zur Messung der „Geradheit“. Dabei geht es um die Bestimmung der Abweichung von einer idealen, geraden Achse. Als Beispiel seien die Schienen für den Messwagen im Messkeller ETHHönggerberg genannt. Diese müssen „gerade“ sein und dürfen kein auf und ab des Messwagens zulassen. Mit Hilfe eines Geradheitsinterferometers können die Schienen justiert werden. Der Messreflektor wird hierfür auf dem Messwagen installiert, welcher dann die zu justierende Strecke abfährt. Durch eine entsprechende Messanordnung liesse sich natürlich auch die Geradheit in seitlicher (d.h. in der Horizontalebene) Richtung messen. Eine andere Anwendung ist das Justieren von Fabrikationsmaschinen, so etwa von Robotern, deren Bewegung längs einer Geraden oft sehr präzis sein muss. Abbildung 3-24: Messanordnung für Geradheits- und Rechtwinkligkeitsmessung Im Geradheitsadapter (a) wird die Strahlversetzung zwischen ausgesandtem und reflektiertem Strahl beseitigt. Im Geradheitsinterferometer (b) werden Referenz- und Messstrahl durch Doppelbrechung in einem Wollastonprisma getrennt und je um den Winkel α nach links und rechts abgelenkt. Der Geradheitsreflektor (c) besteht aus 2 Planspiegeln, die je um den Winkel α gegeneinander gedreht sind. Wird der Geradheitsreflektor um den Abstand e aus der Achse gebracht, so wird ein Weglängenunterschied ∆s = 2e · sinα angezeigt. Eine Versetzung des Geradheitsinterferometers um e bewirkt, infolge Änderung der optischen Weglängen im Prisma, ebenfalls einen Weglängenunterschied ∆s in der Anzeige. Es ist vorteilhaft, den Geradheitsreflektor festzuhalten und das Geradheitsinterferometer (b) auf der zu prüfenden Linie zu verschieben, da kleine Verdrehungen (<1‘) des Interferometers auf die Messungen ohne Einfluss bleiben. 3. Weitere Verfahren Nebst den vorangehend beschriebenen Verfahren (Streckenmessung, Winkelmessung, Geradheitsmessung) kann auch die Ebenheit einer Fläche sowie die Rechtwinkligkeit von Achsen geprüft werden. Für jede dieser Anwendungen sind spezielle optische Systemkomponenten erforderlich. Auf eine nähere Erläuterung dieser Messverfahren wird an dieser Stelle verzichtet. 3.6 Theodolitmesssysteme für industrielle Messaufgaben I. Grundgedanke und geometrisches Prinzip der neuen Industriemesssysteme Mit der Einführung der elektronischen Theodolite für geodätische Messungen war der Einsatz neuer Verfahren zur Bestimmung von Form und Ausdehnung der Werkstücke absehbar. Der Grundgedanke der „berührungslosen Messung“ ist die Vermessung der Objekte mit zwei oder mehreren Theodoliten in Verbindung mit einer sofortigen Erfassung und Verarbeitung der Ingenieurgeodäsie-Skript Prof. Dr. H. Ingensand Seite 3–19 Messwerte im angeschlossenen Rechner. Ergebnis der Auswertung sind dreidimensionale Koordinaten oder daraus abgeleitete funktionale Beziehungen. Die Systeme der verschiedenen Herstellerfirmen arbeiten fast alle nach dem gleichen geometrischen Grundprinzip, dem räumlichen Vorwärtseinschnitt. Abbildung 3-25: Geometrisches Grundmodell Das Prinzip des räumlichen Vorwärtsschnittes ist Abbildung 3-25 zu entnehmen. Gemessen werden die Basis b und die Horizontal- und Vertikalwinkel zu dem zu vermessenden Objektpunkt P; somit sind seine x-,-y-,-z-Koordinaten bestimmbar. Die Messung von zwei Zenitdistanzen ergibt eine Überbestimmung der z-Koordinate des Neupunktes, welches eine Überprüfung einer eventuell vorliegenden Zielpunktverwechslung gestattet. Kritisch wird dieses Verfahren dann, wenn Genauigkeiten im 1/10 bis 1/100 mm-Bereich einzuhalten sind. Dies ist nur dann möglich, wenn Abstand b und Höhenunterschied ∆h, sowie die Nullrichtung beider Theodolite entsprechend genau bestimmt sind. Treten hier Fehler auf, so werden die Ergebnisse der Neupunktbestimmung systematisch verfälscht. Analog zur Photogrammetrie spricht man von relativer und absoluter Orientierung. Dabei ist mit der relativen Orientierung die Definition der Nullrichtung beider Teilkreise zueinander gemeint und mit der absoluten Orientierung die Bestimmung der Raumkoordinaten beider Standpunkte, womit Abstand b, Höhenunterschied ∆h und Massstab gemeint sind. II. Relative Orientierung Die Nullrichtung ist genau dann festgelegt, wenn die optischen Achsen der Theodolite identisch sind. Im Folgenden sei nur eine Verfahrensweise erklärt, um zu identischen Achsen zu gelangen. Fokussiert man ein Fernrohr auf unendlich, erhält man parallele Zielstrahlen. Durch gegenseitige Kollimation kann man die Strichkreuze der Theodolite zur Deckung bringen. Damit sind die optischen Achsen parallel, jedoch noch nicht identisch: Gegenseitige Kollimation alleine reicht also nicht aus, da der Abstand paralleler Zielachsen durchaus in den cm-Bereich gehen kann. Um den Anforderungen an Industriemesssysteme zu genügen, müssen die parallelen Zielstrahlen in identische überführt werden. Hierzu gibt es auch mehrere Verfahren, die je nach der geforderten Genauigkeit Anwendung finden können. Ingenieurgeodäsie-Skript Prof. Dr. H. Ingensand Seite 3–20 Eine Möglichkeit besteht darin, beide Fernrohre auf den halben Theodolitabstand umzufokussieren, indem man z.B. ein Blatt Papier mittig aufhält. Hierdurch wird das virtuelle Bild des Strichkreuzes eines Fernrohres in der Fadenkreuzebene des anderen Fernrohres abgebildet. Nun sieht man, dass die Strichkreuze gegeneinander versetzt sind. Durch Drehen beider Theodolite werden die Strichkreuze zur Deckung gebracht, und die parallelen Zielstrahlen sind in identische überführt. III. Absolute Orientierung Gesucht ist hier zunächst einmal der genaue Abstand der Theodolitstandpunkte. Ist er nicht zu Beginn der Messung gegeben, z.B. durch Messpfeiler, deren genauer Abstand bekannt ist, so wäre eine direkte, ausreichend genaue Bestimmung zu aufwendig. Man sieht daher meist die indirekte Streckenbestimmung vor. Sie erfolgt entweder über eine hinreichend genau bekannte Referenzstrecke im Raum oder verwendet spezielle Industriebasislatten, die von den Firmen Kern und Zeiss angeboten werden. Vorgehensweise zur Bestimmung der absoluten Orientierung mittels einer Referenzstrecke (siehe Abbildung 3-26): Gegeben ist die Länge L der Raumstrecke. Abbildung 3-26 Gemessen werden die Horizontal- und Vertikalwinkel zu den Endpunkten dieser Strecke. Gesucht ist die Länge der Basis b. Zur Lösung bildet man eine kongruente Figur, bei der b0 beliebig festgelegt werden kann. Kongruenz bedeutet gleiche Winkel- und Streckenverhältnisse, also b/b0 = L/L0. In dieser kongruenten Figur wird über den räumlichen Vorwärtsschnitt die Länge L0 bestimmt. Nun lässt sich die Basislänge b nach o.a. Gleichung berechnen. Sämtliche Berechnungen lassen sich nun in diesem Koordinatensystem durchführen. Die Multiplikation mit b liefert die Ergebnisse im übergeordneten, örtlichen Koordinatensystem, weshalb man b auch als Massstab bezeichnet. Ferner muss die gesuchte Basislänge nicht in einem metrischen Mass vorliegen. Will man z.B. nur die Passgenauigkeit zweier Werkstücke zueinander prüfen, so kann die Basis b willkürlich festgelegt werden. Ingenieurgeodäsie-Skript Prof. Dr. H. Ingensand Seite 3–21 IV. Genauigkeit der Punktlagebestimmung Abbildung 3-27 Abbildung 3-28 Die Genauigkeit hängt neben den Fehlern elektronischer Theodolite auch von der Genauigkeit der Orientierung und der Konfiguration der Messungen ab; denn in die Fehlerfortpflanzung gehen nicht nur die Standardabweichungen ein, sondern auch die Beobachtungen selbst in den partiellen Ableitungen. Den stärksten Einfluss auf die Genauigkeit bei der Bestimmung der Neupunkte übt die Güte der Orientierung aus. Die Genauigkeit, die bei der Definition der Nullrichtung erreicht werden kann, hängt von der Wahl der Methode zur Verwirklichung von identischen Zielstrahlen ab. Die Genauigkeit bei der Massstabsbestimmung ist abhängig von: • dem Übertragungsverhältnis b/LR (Basislänge/Länge des Referenzmasses) (siehe Abbildung 3-27) • der Anordnung des Referenzmasses zur Standlinie. Im Rahmen von Untersuchungen wurde die höchste Genauigkeit bei vertikal aufgestelltem Referenzmass erreicht. • der Lage des Referenzmasses im Raum. Beispielsweise werden bei vertikalem Referenzmass die besten Ergebnisse erzielt, wenn das Mass ungefähr in der Mitte der Basis und in nicht allzu grosser Entfernung davon aufgestellt wird. Ein Massstabsfehler wirkt sich direkt auf die Koordinaten aus, kann jedoch, wie bereits erwähnt, durch Transformation in ein Objektsystem über Passpunkte eliminiert werden. Die Genauigkeit der Höhendifferenzbestimmung ist von den gleichen Faktoren abhängig. Die höchste Genauigkeit ergibt sich (bei parallelem Referenzmass) bei kurzen, horizontalen Visuren zu dem Massstab. Die Genauigkeit des Vorwärtseinschnittes wird mit 0.1 - 0.3mm bei bis zu 10m Objektabstand angestrebt. Sie wird noch beeinflusst von der Winkelmessgenauigkeit der Theodolite, dem räumlichen Schnittwinkel und der Entfernung der Objektpunkte von der Basis. V. Systemkonfiguration Erst die Entwicklung elektronischer Theodolite ermöglichte die Realisierung eines automatischen Industriemesssystems. Die Vorteile elektronischer Theodolite liegen in der hohen Messgeschwindigkeit und Datensicherheit. Zudem verfügen sie über eine im begrenzten Bereich wirksame Kompensation der Stehachsenneigung. Das visuelle Ablesen am Teilkreis wird durch Ingenieurgeodäsie-Skript Prof. Dr. H. Ingensand Seite 3–22 den digitalen Abgriff und die direkte online Übertragung zum Rechner ersetzt. Für die Industriemessung werden besondere Anforderungen an die Fernrohroptik gestellt: Kurze Mindestzielweite und einen geringen Fokusablauffehler. Seit 1980 haben fünf Hersteller geodätischer Instrumente automatische Industriemesssysteme (IMS) auf den Markt gebracht. Alle Systeme sind in ihrer Konfiguration gleich: Mindestens zwei - bei manchen Systemen bis zu acht - Theodolite sind über Interfaces mit einem PC verbunden. Die Anzeige der Messergebnisse und der Berechnungen an dem Bildschirm und deren Ausgabe über einen Matrixdrucker ist ebenfalls möglich. Der Operateur am Rechner kann auch den eigentlichen Messvorgang steuern, indem der Computer die Nummer des einzustellenden Punktes auf dem Display der Theodolite anzeigt und kurz danach die Richtungsmessung auslöst. Die Richtungsorientierung der beiden Theodolite wird durch gegenseitiges Anzielen von konzentrisch zur optischen Achse auf die Objektive aufgesteckten Zielmarken realisiert. Diese Methode der Richtungsorientierung ist bei allen IMS ein kritischer Vorgang, weil hier die an sich hohe Genauigkeit der Richtungsmessung verloren gehen kann, wenn der anzuzielende Theodolit kein klar definiertes Ziel bietet. Eine gegenseitige Kollimation bei auf unendlich fokussierten Fernrohren reicht hier nicht aus, da so nur parallele, aber keine identischen Zielstrahlen erzeugt werden. Bei aufsteckbaren oder fest mit dem Fernrohr verbundenen Zielmarken sind Exzentrizitäten sehr sorgfältig zu bestimmen. VI. Systemübersicht Systemname Hersteller Vertrieb AIMS IMS Keuffel & DT-1 1 mgon Esser (Breithaupt) Kern E1 0,5 mgon E2 0,15 mgon (wahlweise) Zeiss ITH 2 0,2 mgon TMS 2000 Wild ECDS1 Theodolit Typ Richtungsmessgenauigkeit T3000 0,15 mgon Rechner Peripherie (Standard (Kapazität) oder zusätzlich) K&E 802 (64 kB) PC HP 85 (64 kB) PC Display-Terminal, Doppeldiskettenstation Drucker VT 101-Terminal Matrixdrucker Invarbasislatte Kalibriereinrichtung, Matrixdrucker Invarlatten versch. Längen Seit 1981 ist Zeiss mit einem IMS auf dem Markt. Der Theodolit ITh 2 besteht aus einem Elta 2 ohne Entfernungsmessteil, besitzt aber ein verbessertes Fernrohr. Zeiss bietet auch eine spezielle Kalibriereinrichtung an: Eine 2.40 m lange Basislatte, die 7 kugelförmige Keramikzielmarken trägt (siehe Abbildung 3-29). Wegen der mehrfachen Überbestimmung muss diese Industriebasislatte weder genau in der Mitte noch genau senkrecht ausgerichtet werden. Für die Fertigung der Basislatte kann man einen Werkstoff wählen, dessen Temperaturausdehnungskoeffizient dem des zu vermessenden Objekts entspricht. Ingenieurgeodäsie-Skript Prof. Dr. H. Ingensand Seite 3–23 Abbildung 3-29: Kalibrierungseinrichtung Dieses System wird jetzt unter dem Namen Transportables Optisches Koordinatenmesssystem (TOK) angeboten, unter Verwendung leistungsfähiger Software. Die IMS von Kern und Wild mit dem Remote Measuring System erlauben auch den offlineBetrieb mit einem tragbaren Datenspeicher und Minirechner. Für die Richtungsorientierung ist in das Fernrohr des WILD T3000 eine Zielmarke eingebaut, deren Bild im Schnittpunkt von Stehund Kippachse erscheint. Beim Electronic Coordinate Determination System von Kern wird eine 1m-Präzisionsbasislatte verwendet. Alle Hersteller bieten auch Laser-Ausrüstungen für ihre Messsysteme an, damit ist das Anbringen von Zielzeichen am Objekt nicht mehr nötig. Ein Theodolit projiziert einen Laserpunkt auf das Objekt, der andere zielt ihn an und löst die Winkelmessung für beide Geräte aus (master-slavePrinzip). Für den Anwender automatischer IMS spielt die verfügbare Mess- und Auswertesoftware eine grosse Rolle. Man hat deshalb versucht, die umfangreichen Programmpakete der 3-DKoordinatenmesstechnik zu übernehmen. VII. Weiterentwicklungen Seit Januar 1987 bietet die Firma Kern ein automatisiertes System an - das „System for Positioning and Automated Coordinate Evaluation“ (SPACE). Die wesentlichen neuen Komponenten des Systems bilden der Servo-Theodolit E2-SE mit der dazugehörigen Kontrolleinheit E2-SC. Der Theodolit ist eine Weiterentwicklung des Kern E2, wobei die Klemmen und die Grob- und Feintriebe zur Bewegung der Achsen und zur Zieleinstellung durch Schrittmotoren ersetzt wurden. Die Achsen der Schrittmotoren drehen sich jeweils um einen kleinen Winkel konstanter Grösse. Die Anzahl der Drehungen wird vom Rechner vorgegeben, nachdem er sich diese aus der Differenz ∆a zwischen einer Soll-Richtung a(s) und einer vom Theodolit angegebenen eingestellten Ist-Richtung a(i) berechnet hat. Das Fernrohr wurde ebenfalls neu berechnet und konstruiert. Es ist jetzt mit einer panfokalen Optik versehen, d.h. Vergrösserung und Gesichtsfeld ändern sich in einem konstanten Verhältnis zur Zielweite. Die Fokussierung wird mit Hilfe von Fokus-Referenzmarken hergestellt. Dazu wurde ein funktionaler Zusammenhang zwischen der Objektdistanz und der Anzahl der zu fahrenden Motorschritte in bezug auf die Referenzmarken in der Kontrolleinheit programmiert. Eine weitere Besonderheit stellt die im Fernrohrkörper integrierte CCD-Kamera dar, die als Bildaufnehmer für eine digitale Zielpunkterkennung bzw. Bild-Verarbeitung Verwendung findet. Die Kontrolleinheit übernimmt die Funktion, die Theodolite zu steuern und zu überwachen. Hier besteht auch die Möglichkeit, einen Videomonitor anzuschliessen, auf dem das vorher mit einem Fadenkreuz versehene Video-Signal beobachtet werden kann. Ingenieurgeodäsie-Skript Prof. Dr. H. Ingensand Seite 3–24 Ihre erste Anwendung finden diese Instrumente wie schon erwähnt im Industriemesssystem SPACE von Kern. Es setzt sich zusammen aus zwei bis acht Servo-Theodoliten und einem IBM Personal Computer. Das System ermöglicht folgende neue Messungsabläufe: • Ein Operateur stellt den Master-Theodolit mittels Joystick grob auf den einzumessenden Punkt ein; die Slave-Instrumente folgen automatisch. Die genaue Punkteinmessung erfolgt über digitale Bildverarbeitung (Teach-In-Mode). • Im automatischen Mess-Modus werden Punkte mit vorher bekannten Koordinaten automatisch angefahren und ausgemessen. Es erfolgt ein Vergleich zwischen Soll- und IstKoordinaten. • Im Profil-Modus können dreidimensionale Oberflächenvermessungen vorgenommen werden. Ein Master-Instrument tastet dabei eine vorgegebene Fläche in Profilen ab. Die SlaveInstrumente folgen wiederum automatisch. Bei Testmessungen wurden im automatischen Mess-Modus Messgeschwindigkeiten von 5-10 sec/Punkt erreicht. Dieses Ergebnis kommt den Forderungen der Anwender der bisherigen Industriemesssysteme entgegen, die sich von dem schnelleren Messungsablauf eine Steigerung der Wirtschaftlichkeit erhoffen. Gleichzeitig werden durch diese Neuerung weitere Anwendungsgebiete erschlossen, beispielsweise werden Überwachungsmessungen an für den Menschen nicht zugänglichen Objekten ermöglicht. 3.7 Beilage Zur Veranschaulichung des oben Besprochenen liegt die Folie: „Anwendung optischer 3-DMesstechnologie, Im Rahmen des ALPHA MAGNETIC SPECTROMETER“ bei. Ingenieurgeodäsie-Skript Prof. Dr. H. Ingensand Seite 3–25
