Präzise Oberflächenerfassung mit einem Messarm

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1 Dipl.-Ing. Christoph Naab 08. Oktober 2014, INTERGEO, Geodätische Woche 2014, Berlin G E O D Ä T I S C H E S I N S T I T U T ( G I K ) KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

2 Gliederung Messarm MCAII und Laserscanner MMDx100 Einordnung des Messsystems Einsatz des Messarms zur Kluftbestimmung Zusammenfassung und Ausblick 2

3 Funktionsprinzip Messarm Messarm MCAII mit MMDx100 7 Winkelencoder in Kombination mit thermisch stabilen Rohren Laserscanner mit eigenem Bezugssystem Äußere Orientierung (Pose) durch den Messarm (Nikon, 2010 & 2011) 3

4 Laserscanner ModelMaker MMDx100 Messbereich Streifenbreite (Y) Start Messbereich Messbereich (Z) 100 mm 100 mm 100 mm Spezifikationen Genauigkeit (1σ) Datenrate bei vollem Sichtfeld Punkte je Streifen Anzahl Messpunkte 10 μm 50 Hz (nicht interpoliert) Pts/s (Nikon, 2011) 4

5 Spezifikationen Messsystem Nikon MCA II mit MMDx100 Anzahl der Achsen 7 Messbereich Einzelpunktgenauigkeit (taktil) Volumetrische Genauigkeit (taktil) Theo. Genauigkeit Scannersystem (optisch) Gewicht (Arm + Scanner) (Genauigkeiten vergleichbar mit 1σ) 2,4 m 14 μm 20 μm 24 μm 8,7 kg (Nikon, 2010 & 2011) 5

6 GRAFIKEN: NIKON, LEICA, FARO, AICON, CARL ZEISS Messsysteme (Auswahl) Leica Nova MS50 MultiStation Faro Focus 3D Nikon MCA II mit MMDx100 AICON MoveInspect mit MI.Probe Leica Laser Tracker AT901 mit T-Scan Carl Zeiss SPECTRUM CMM 6

7 Vergleich Messsysteme (High End Auswahl) Messbereich** < 5 m > 20 km --- < 8 m < 200 m < 10 m 3D-Messgenauigkeit* µm 1 35 mm µm µm 0,2 20 µm Portabilität Ja Ja --- Ja Ja Nein Abschattung Nein (Ja) --- (Ja) (Ja) Nein Messbereich** < 5 m < 4 km < 4 km < 8 m < 60 m < 10 m 3D-Messgenauigkeit* µm 2 15 mm mm µm µm 1 30 µm Portabilität Ja Ja Ja Ja Ja Nein Abschattung (Nein) Ja Ja (Ja) (Ja) (Nein) * 3D-Punktgenauigkeit im Messvolumen (1σ), teilweise berechnet und interpretiert ** Durchmesser oder Diagonale des Messvolumens 7

8 GRAFIKEN EXEMPLARISCH Versuchsaufbau zur Klufterfassung Einspannvorrichtung mit zwei Fühlermesslehren Messarm MCAII mit MMDx100 Bohrkernproben aus Kalkstein mit ca. 25 mm Durchmesser 8

9 Auswertestrategie Öffnungsweitendetektion Kluft: ca. 2 mm Orthogonale Projektion auf Schnittebene Kluft: ca. 1,4 mm Kluft: ca. 2 mm Exemplarische Scandaten mit lokalem Koordinatensystem und berechneten Messpunkten der rotierten Schnittebenen Kluft: ca. 0,2 mm Bestimmung der Öffnungsweite 9

10 Messunsicherheit [mm] Abweichung [mm] Ergebnisse der Kluftbestimmung 0,120 0,120 0,090 0,084 0,090 0,060 0,060 0,030 0,000 0,038 0,041 0,015 0,030 0,000-0,030-0,030-0,060-0,060-0,090-0,090-0,120 0,000 0,500 1,000 1,500 2,000 Kluftöffnungsweite [mm] -0,120 Absolutstandardabweichung (Einzelbestimmung, 1σ) Wiederholstandardabweichung (Einzelbestimmung, 1σ) Geschätzte Messunsicherheit (k=1) Abweichung (Ist-Soll) Sollöffnungsweite bestimmt aus Kombination von Messungen mittels Fühlermesslehren und Bügelmessschraube mit übergeordneter Genauigkeit. 10

11 Zusammenfassung und Ausblick Spezielles Messkonzept aus zeitsynchronem 3D + 6D Taktiles und berührungsloses Messen mit hoher Genauigkeit Minimale Abschattung und große Portabilität Zuverlässige Kluftbestimmung bis zur Öffnungsweite von rund 0,2 mm mit einer Unsicherheit (k=1) im Bereich von 10-5 m Referenzmessungen rückführbar auf kalibrierte Parallelendmaße mit Genauigkeiten im Bereich von m Echte IST-SOLL-Vergleiche durch Referenzmaße mit übergeordneten Genauigkeiten Detektion von Artefakten abhängig von der Oberflächenkrümmung und des Einfallswinkels 11

12 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. 08. Oktober 2014, INTERGEO, Geodätische Woche, Berlin Dipl.-Ing. Christoph Naab

13 Quellen Hale, S. (2014): Bestimmung der Öffnungsweite von Klüften durch 3D-Laserscanning Anwendbarkeit und Grenzen. Bachelorarbeit. Karlsruher Institut für Technologie,, Institut für Angewandte Geowissenschaften, unveröffentlicht Nikon Metrology NV (2010): MCA II Gelenkmessarm. Portable Produktivität. Datenblatt. Leuven Nikon Metrology NV (2011): ModelMaker MMDx - MMCx. Der digitale, handgeführte Laserscanner. Datenblatt. Leuven