Steigerung der Genauigkeit von Laser Trackern

Identifikation und Kompensation von Störgrößen

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In der Großbauteilmontage, vor allem innerhalb der Luftfahrtindustrie, gewinnen Laser Tracker als Koordinatenmeßsysteme immer mehr an Bedeutung. Die erreichbare Genauigkeit einer Laser-Tracker-Messung hängt nicht nur von den technischen Voraussetzungen der Geräte, sondern auch von Umgebungsbedingungen ab. Ein Laserstrahl wird zwischen Luftschichten unterschiedlicher Dichte gebrochen, was zu systematischen und stochastischen Fehlern führt. Diese sind als dominant einzuschätzen.
Die Arbeit geht zunächst auf physikalische Grundlagen (Refraktion etc.) ein. Anhand zweier umfangreicher Analysen wird der Zusammenhang zwischen verschiedenen, die industrielle Umgebung charakterisierenden Parametern (Schwerpunkt: Raumklima) und Meßfehlern dokumentiert. Darauf aufbauend wird ein mehrstufiges Modell zur Steigerung der Genauigkeit von Laser Tracker-Ausgabewerten entwickelt. Das Modell umfaßt:

1. Kompensation systematischer Fehler durch Messung meteorologischer Parameter
Im Gegensatz zum Stand der Technik heute werden lokale Verteilungen von Einflußgrößen berücksichtigt. Auf Basis dreidimensionaler Temperaturfelder wird ein augenblicklicher Refraktionsindex für jenen Teil eines Luftvolumens bestimmt, welches der Laserstrahl des Meßsystems durchquert. Dadurch kann, bezogen auf eine Distanz von l = 10 m, eine Genauigkeitssteigerung bis zu zehntel Millimetern erreicht werden.

2. Überprüfung der Güte von Laser-Tracker-Meßwerten und Identifikation von Meßfehlern
Stochastische Fehler, vor allem durch turbulente Refraktion (“Szintillation”) hervorgerufene Meßabweichungen, werden meistens als nicht kompensierbar angesehen. Die Untersuchungen in dieser Arbeit haben allerdings selbst bei groben Störungen der Umgebung (zum Beispiel Zugluft durch offene Hallentore) einen kleinen Vertrauensbereich von nur wenigen Mikrometern pro Meter Meßdistanz nachgewiesen. Die zweite Modellstufe dient daher der Überwachung dieses fehlertoleranten Verhaltens. Bei größeren Abweichungen wird der betreffende Ausgabewert verworfen und die Messung wiederholt. Auf diese Weise kann auf Maßnahmen und Anforderungen zur Beruhigung der Fertigungsumgebung (geschlossene Hallentore, Unterbrechung von Montagearbeiten oder montagebegleitenden Tätigkeiten) verzichtet werden.

3. Selektive Datennutzung
Die Daten einer Laser Tracker-Messung enthält Längen- und Winkelwerte mit unterschiedlicher Genauigkeit. Durch eine selektive, prozeßintegrierte Verarbeitung können in Fertigungsschritten mit hohen Genauigkeitsanforderungen fehleranfällige Daten (Winkelwerte) eliminiert werden. Dieser Verzicht auf Teile eines Meßdatensatzes setzt bekannte Anfangswerte voraus, im vorliegenden Fall Positionen bzw. Winkel der zu messenden Objekte. Aus diesem Grund ist die dritte Stufe des Modells nicht allgemeingültig. Aus den Gegebenheiten der Praxis folgt jedoch, dass der Bedarf an einer Steigerung der Meßgenauigkeit, wie er in Stufe drei erreicht wird, nur in Prozeßschritten vorhanden ist, in denen die benötigten Eingangsdaten vorausgesetzt werden können (Feinpositionierung).