Anwendungsbeispiel: Reverse Engineering. Luft-/Raumfahrt: Nachrüsten von BLACK HAWK Helikoptern

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1 Anwendungsbeispiel: Reverse Engineering Luft-/Raumfahrt: Nachrüsten von BLACK HAWK Helikoptern Messsysteme: ATOS, TRITOP Keywords: Rumpf-Außenhaut, Flächenrückführung, CAD-Daten Um die elektronischen Systeme der Black Hawk Helikopter auf den aktuellen Stand aufzurüsten, benötigte BAE Systems Australia CAD-Daten der Helikopter. Dazu wurde ein Helikopterrumpf komplett innen und außen mittels Fotogrammetrie und optischem Digitalisieren vermessen. GOM mbh Mittelweg Braunschweig Deutschland Phone Fax info@gom.com GOM International AG Bremgarterstrasse 89B 8967 Widen Schweiz Phone Fax international@gom.com GOM France SAS 10 Quai de la Borde - Bât A Ris Orangis Frankreich Phone Fax info-france@gom.com GOM UK Ltd Business Innovation Centre Coventry, CV3 2TX Großbritannien Phone Fax info-uk@gom.com GOM Branch Benelux Interleuvenlaan 15 E 3001 Leuven Belgien Phone Fax info-benelux@gom.com Copyright 2008 GOM mbh All rights reserved! Rev. A (de)

2 Reverse Engineering / Luft-/Raumfahrt Nachrüsten von BLACK HAWK Helikoptern Messsysteme: ATOS, TRITOP Keywords: Rumpf-Außenhaut, Flächenrückführung, CAD-Daten Aufgabenstellung BAE Systems Australia wurde von der australischen Armee beauftragt, die elektronischen Systeme der Black Hawk Helikopter auf den aktuellen Stand aufzurüsten. Um diese Aufgabe effizient durchzuführen, benötigte BAE Systems Australia CAD-Daten der Helikopter mit den Einbaumöglichkeiten. Da keine aktuellen CAD-Daten vorhanden waren, wurde entschieden, diese basierend auf den vorhandenen Helikoptern zu erarbeiten. Dazu musste ein Helikopterrumpf komplett innen und außen vermessen werden. BAE Systems Australia beauftragte MOSS / Scan-Xpress, die benötigten Daten mittels Fotogrammetrie und optischem Digitalisieren zu erarbeiten. Bild 1: Black Hawk Helikopter der australischen Armee, Rumpfgröße: 15,4 x 2,4 x 2,3 Meter (Länge, Breite, Höhe) BLACK HAWK Anforderungen und Zielsetzungen Die Anforderungen an die Vermessung waren: 1. Bestimme die Form der Rumpf-Außenhaut mit einer reproduzierbaren Genauigkeit von 0,1 mm oder besser. 2. Vermesse bestimmte interne Strukturen mit der oben definierten Genauigkeit. 3. Liefere Datensätze und Maße von Außenhaut und inneren Strukturen im vordefinierten Koordinatensystem des Helikopters. 4. Erfasse die Daten auf dem Luftwaffenstützpunkt innerhalb der vorgegebenen Frist. 5. Generiere genaue und integrierte CAD Daten basierend auf den Messdaten für die Analyse und die Planung des Umbaues. Copyright 2008 GOM mbh All rights reserved! Rev. A (de)

3 Wegen der Größe des Helikopters und der hohen geforderten Genauigkeit kommt eine übliche Digitalisierung mit einem Scanner nicht in Frage. Die Komplexität der Messaufgabe erfordert eine Kombination von Fotogrammetrie und optischem Digitalisieren. Deshalb kamen ein TRITOP Fotogrammetriesystem und das ATOS Digitalisiersystem von GOM zum Einsatz, um die Messung gemäß den geforderten Vorgaben zu erfüllen. Diese beiden Systeme sind zudem portabel und können in einem Hangar beim Kunden eingesetzt werden. Der Helikopter wurde stabil und ausgerichtet aufgebaut. Dann wurden die Markierungspunkte angebracht, um unter Verwendung von TRITOP die gewünschten Punkte auf der Außenfläche zu erfassen (Position der Referenzmarken). Die Oberflächendigitalisierung wurde anschließend mit ATOS vorgenommen (siehe dazu Bild 3). Mit Hilfe der 3D-Digitalisierung ist es einfach, auch ein bereits vorhandenes Werkzeug zu duplizieren. Die aus den Messdaten entstandene dichte Punktewolke wird über eine Flächenrückführung in ein CAD-Oberflächenmodell umgewandelt. Es ist aber auch möglich, eine numerische Werkzeugmaschine einzusetzen, die mit einer CAM-Software direkt auf den von ATOS generierten Datensätzen fräst. Ein solches Verfahren hat den Vorteil, dass es sehr schnell ist. Das Digitalisieren benötigt nur kurze Zeit, so dass keine langen Stillstandszeiten der Maschinen anfallen. Außerdem können Digitalisierungsarbeiten auch während der Wartung einer Maschine durchgeführt werden. Letzteres wurde bei der folgenden Aufgabenstellung angewendet. TRITOP Fotogrammetrie Mit dem TRITOP System werden hochauflösende Bilder des Objekts aus verschiedenen Ansichten aufgenommen. Aus den Bildern werden die genauen Positionen der Referenzmarken bestimmt. Andere Anwendungsgebiete der digitalen Fotogrammetrie sind beispielsweise die Herstellung und Montage von Großbauteilen und Aufgaben in der Landschaftsvermessung. Kodierte und unkodierte Referenzmarken werden auf das Objekt aufgebracht und es werden mehrere Bilder mit der Fotogrammetrie-Kamera gemacht. Danach werden in TRITOP die dreidimensionalen Koordinaten der Mittelpunkte der Referenzmarken exakt berechnet. Die Positionen dieser Markierungspunkte bilden dann den Referenzrahmen, in welchen die ATOS Punktewolken integriert werden. Durch die Verwendung von großen kodierten Markierungspunkten (gemäß Bild 3) kann in einem Übersichtsprojekt ein genaues globales Objekt- Koordinaten-System definiert werden. Basierend auf diesen Fixpunkten werden nun individuelle TRITOP Messungen im globalen Koordinatensystem aufgenommen, so dass die exakte 3D Position der kleinen kodierten und unkodierten Referenzmarken auf der Außenhülle und im Inneren des Helikopters im vordefinierten Objekt-Koordinatensystem vermessen werden. ATOS Digitalisierung ATOS (Advanced Topometric System) ist ein optischer Weißlicht-Digitalisierer, der dreidimensionale Objekte scannt und dichte Punktewolken generiert. Dieses Verfahren ermöglicht das genaue und hochaufgelöste Messen und Erfassen von Formen und Maßen der sichtbaren Oberfläche von sehr kleinen bis zu großen Objekten. Das Scannen basiert auf der optischen Triangulation und der Stereo- Bildaufnahme. Ein Projektor wirft ein Streifenmuster über die Oberfläche des Objektes. Zwei Messkameras halten dieses Streifenbild gleichzeitig aus verschiedenen Blickwinkeln fest. Copyright 2008 GOM mbh All rights reserved! Rev. A (de)

4 Der Stereo-Messaufbau ermöglicht ein einfaches und sehr genaues Vermessen der Referenzpunkte und der Oberflächendaten und die automatische Integration der Messdaten ins globale Koordinatensystem. Mit dem ATOS III System können bis zu 4 Millionen Messpunkte pro Aufnahme erfasst werden, so dass auch mit großen Messbereichen detailreiche Daten erfasst werden. Mit den von ATOS erfassten Bildern wird die Kalibrierung des Systems bei jeder Messung verifiziert. Zudem werden Bewegungen und Veränderung im Umgebungslicht während der Messung erfasst, angezeigt und mit den Messdaten gespeichert. Weiter verifiziert das System die Genauigkeit der einzelnen Scans im globalen Koordinatensystem. Aus dem Messprojekt kann daher exakt verifiziert werden, wie und mit welcher Genauigkeit die Messung durchgeführt wurde. Aus diesem Grund kommt dieses System oft bei kritischen Anwendungen im Automobil- oder Flugzeugbau zum Einsatz. Bild 2: Resultierendes CAD Modell basierend auf den Scan-Daten Vorgehen bei der Messdatenerfassung Der Helikopter wurde mit allen Türen und Anbauten ausgerüstet und stabil aufgebaut. MOSS / ScanXpress brachte kodierte und unkodierte Messmarken auf den interessierenden Bereichen an. Dann wurde mit TRITOP-Messungen das Koordinatensystem des Objektes in Bezug auf die großen kodierten Referenzmarken bestimmt. 41 Datensätze von der Außenhaut und den interessierenden Inneneinrichtungen wurden erzeugt. Diese Datensätze enthalten 12 Millionen Datenpunkte mit einer Messgenauigkeit von 0,1mm. Bild 3: Black Hawk Helikopter bereit für die Digitalisierung mit TRITOP und ATOS Copyright 2008 GOM mbh All rights reserved! Rev. A (de)

5 1. Arbeitsgang: Punkte Vermessen mit TRITOP Einige Test- und Vergleichsmessungen wurden durchgeführt, um die Messdaten von TRITOP mit denjenigen eines bestehenden Lasertrackers zu überprüfen und sicherzustellen, dass die TRITOP Messdaten mit den Messdaten von bestehenden Messgeräten und Referenzen der australischen Armee übereinstimmen. Dann wurde eine komplette TRITOP-Messung der Referenzmarken auf der Außenhaut des Helikopters vorgenommen. Die Messdaten dieses ersten Schrittes sind in Bild 4 dargestellt. Diese Messwolke wurde nochmals in einigen Messpunkten überprüft, um sicherzustellen, dass die spezifizierte Messgenauigkeit eingehalten wird. Bild 4: TRITOP-Daten der Außenhaut (9000 Datenpunkte, 15 Meter Objektgröße, 0,1 mm Genauigkeit) 2. Arbeitsgang: Scannen mit ATOS Nach der TRITOP Messung wird ATOS eingesetzt, um in Freiform-Bereichen einen dichten Datensatz zu erzeugen. In Bild 5 wird die Frontpartie gezeigt und in Bild 6 sind die erfassten Daten in einer ähnlichen Ansicht dargestellt. Bild 5: Detailansicht der Frontpartie Bild 6: Digitalisierte Daten der Frontpartie Copyright 2008 GOM mbh All rights reserved! Rev. A (de)

6 3. Arbeitsgang: Flächenrückführung Nach der Datenerfassung wurden komplette und saubere STL-Datensätze mit dem ATOS System berechnet. Diese Datensätze wurden genau auf das Koordinatensystem des Helikopters ausgerichtet. Das ganze Projekt umfasst 24 Millionen Datenpunkte. Durch Aufteilen der Datenmenge auf einzelne Bereiche wurde die Handhabung der Daten bei der Flächenrückführung optimiert. Aus den Daten jedes einzelnen Bereiches wurden durch Flächenrückführung CAD-Daten aufgebaut. Verwendet wurden dazu verschiedene auf dem Markt verfügbare Softwareprodukte. Um sicherzustellen, dass die CAD-Flächen der Datenwolke entsprechen, wurden diese neu erstellten Flächendaten in ATOS eingelesen und die Abweichung der beiden Datensätze berechnet und in einer Falschfarbendarstellung beurteilt. Der komplette und überprüfte CAD- Datensatz wurde danach von BAE Systems Australia als Grundlage für die Planung und die Ausführung der Nachrüstung der Black Hawk Helikopterflotte benutzt. Resultate und erbrachte Leistungen 1. Schnelle, genaue und hochauflösende Datenerfassung eines relativ großen Objektes 2. Verifiziert, dass die Messdaten den aktuellen Zustand exakt erfassen 3. Erstellen von CAD-Daten aus den Messdaten; Voraussetzung für eine optimale Projektabwicklung 4. Zeit- und Kosteneinsparungen dank dem Einsatz der optischen Messtechnik Wir möchten MOSS / Scan-Xpress Pty Ltd für diesen Arbeitsbericht und BAE Systems Australia für ihr Vertrauen in die optische Messtechnik danken. Copyright 2008 GOM mbh All rights reserved! Rev. A (de)