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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft einen Messadapter zur Bestimmung der räumlichen
Lage eines verdeckten Punkts bei der Montage und/oder Vermessung
von Bauteilen mittels optischer Vermessung der räumlichen Lage von wenigstens
zwei Messpunkten.
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Stand der Technik
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In
der Vermessungstechnik werden bei der Vermessung von Geländetopografien,
bei der Vermessung von Gebäuden
oder bei der Montage und/oder Vermessung von Bauteilen wie etwa
im Industrieanlagen-, Flugzeug- oder Schiffsbau häufig ein
sogenannter Lasertracker oder ein Laserradar eingesetzt. Diese werden
an einem Ort mit bekannten Koordinaten aufgestellt und senden Lichtstrahlen aus,
welche z. B. durch einen Prismenspiegel, der an einem zu vermessenden
Punkt angebracht ist, zum Lasertracker zurückgeworfen wird. Der Lasertracker misst
zwei Winkel des zurückgeworfenen
Lichtstrahls und auf Grund des Laufzeitunterschieds die Entfernung
zwischen dem Lasertracker und dem Messpunkt. Auf diese Weise kann
die räumliche
Lage des Messpunkts relativ zum Lasertracker ermittelt werden.
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Es
tritt jedoch dabei häufig
das Problem auf, dass ein Punkt, dessen Koordinaten bestimmt werden
sollen, für
den Lichtstrahl nicht direkt zugänglich ist,
sondern durch ein Objekt verdeckt wird. Es sind Hilfsmittel bekannt,
die zur Vermessung von solchen verdeckten Punkten eingesetzt werden.
Dazu werden zum Beispiel zwei Prismenspiegel in einem bekannten
Abstand voneinander und in einem bekannten Abstand zu einem Ende
einer Metallstange befestigt. Das Ende der Metallstange kann eine
Spitze aufweisen, die auf den verdeckten Punkt gehalten wird. Der
Abstand der Prismenspiegel zur Spitze sollte dabei ausreichend groß sein,
um so dem Lasertracker freie Sicht auf die Prismenspiegel zu gewährleisten.
Bei einer solchen Messstange liegen dabei die zwei Prismenspiegel
und die Spitze auf einer Geraden, z. B. der Mittelachse der Stange.
Durch die Ver messung der zwei nunmehr zugänglichen durch die Prismenspiegel
definierten Messpunkte und auf Grund dessen, dass diese zwei Messpunkte
und der verdeckte Punkt in bekannten Abständen auf einer Geraden liegen,
können
die Koordinaten des verdeckten Punkts ermittelt werden.
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Aus
der optischen Messtechnik sind Prismenspiegel bekannt, die aus einer
Würfelecke
aus Glas bestehen, dessen Außenseiten
verspiegelt sind und zum Schutz in ein kugelförmiges Gehäuse eingesetzt sind. Solche
Anmesselemente werden Retroreflektoren genannt. Andere Anmesselemente
sind z. B. optische Messmarken, die eine lichtreflektierende Oberflächenschicht
haben und auch zur photogrammetrischen Vermessung eingesetzt werden.
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Bei
der Montage und/oder Vermessung von Bauteilen ist es häufig erforderlich,
derartige verdeckte Punkte mehrfach und über eine längere Zeitdauer zu bestimmen.
Dazu ist es erforderlich, die Messstangen oder Messstäbe am Bauteil
geeignet zu haltern. Dabei sollte die Genauigkeit der Bestimmung
der Lage des verdeckten Punkts über
eine hinreichende Zeitdauer gewährleistet
sein. Die Position des verdeckten Punkts kann beispielsweise durch eine
im oder am Bauteil fest angeordnete Halterung für den Messstab definiert sein.
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Die
Anforderungen an die Genauigkeit der Lage der Messpunkte liegt beispielsweise
im Flugzeugbau bei besser als 0,05 mm. Derartige Genauigkeiten bei
Messstäben
mit Längen
von bis zu einigen Metern erfordern zum Einen eine präzise Kalibrierbarkeit
der relativen Lage der Messpunkte und des verdeckten Punkts zueinander,
und zum Anderen werden betreffend die Stabilität der Verbindung des Messstabs
mit dem Bauteil und auch hinsichtlich der Stabilität des Messstabs
selbst hohe Anforderungen gestellt.
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Weiterhin
sich soll bei Temperaturänderungen
die relative Lage der Messpunkte und des verdeckten Punkts möglich nicht ändern.
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Mit
der oben genannten Messstange nach dem Stand der Technik ist eine
Vermessung mit der genannten Genauigkeit nicht zu bewerkstelligen,
und eine Präzisionskalibrierung
kann damit ebenfalls nicht durchgeführt werden. Weiterhin ist dabei
nachteilig, dass eine solche Messstange in der Regel von Hand gehalten
werden muss.
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Beschreibung der Erfindung
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Angesichts
der genannten Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten
Messstange und den Erfordernissen bei der Montage und/oder Vermessung
von Bauteilen liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen Messadapter
zur Verfügung
zu stellen, mit dem die Koordinaten eines Punkts, insbesondere eines
verdeckten Punkts, bei Einzel- und/oder Wiederholungsmessungen mit
großer
Präzision
bestimmt werden können.
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Die
zuvor genannte Aufgabe wird gelöst durch
einen Messadapter zur Bestimmung der räumlichen Lage eines Punkts
eines Bauteils mittels optischer Vermessung der räumlichen
Lage von wenigstens zwei Messpunkten, welcher umfasst: ein Vollstabelement
mit wenigstens einem Kopplungselement, das an ein am Bauteil befestigtes
Halteelement koppelbar ist; und mit wenigstens zwei Aufnahmen, die zum
Aufnehmen jeweils eines Anmesselements ausgebildet sind; und wobei
die durch die aufzunehmenden Anmesselemente jeweils definierten
Messpunkte und der Punkt des Bauteils eine kalibrierte relative Lage
zueinander haben. Außerdem
umfasst das Vollstabelement CFK-Material oder besteht vollständig aus
CFK-Material. Vorteilhafterweise können die Fasern hierbei im
Wesentlichen unidirektional in Längsrichtung
des Vollstabelements verlaufen.
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Ein
derartiger Messadapter hat die nachfolgend beschriebenen Vorteile.
Das Vollstabelement stellt eine stabile Tragestruktur für die weiteren
Bestandteile des Messadapters zur Verfügung. Durch die Verwendung
eines Vollstabelements lassen sich die Aufnahmen einfach, beispielsweise
durch Ausfräsen,
ausbilden. Der Begriff Vollstabelement ist hier so zu verstehen,
dass es sich dabei nicht um ein vollständig hohles Stabelement (Rohr)
handelt. Das Vollstabelement ist zylindrisch und kann dabei im Querschnitt
eine beliebige Form aufweisen, jedoch ist ein kreisförmiger Querschnitt
bevorzugt.
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Mit
dem Kopplungselement an wenigstens einem Ende des Vollstabelements
des Messadapters kann dieser an ein Halteelement gekoppelt werden. Dabei
definiert kann z. B. das am Bauteil, insbesondere eines Großbauteils,
befestigte Halteelement durch seine Position den Punkt, dessen Lage
bestimmt werden soll, oder das Kopplungselement definiert nach der
Kopplung an das Halteelement den zu bestimmenden Punkt. Dabei kann
sich der Punkt des Bauteils beispielsweise räumlich innerhalb oder außerhalb
des Halteelements bzw. des Kopplungselements und/oder auf der Oberfläche des
Bauteils oder im Inneren des Bauteils befinden. Durch die Verbindung
des Kopplungselements mit dem Halteelement wird der Messadapter
gehalten.
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Das
Vollstabelement aus CFK-Material (Karbon-Faser-Kunststoff) ist sehr
leicht, sehr stabil und äußerst unempfindlich
gegenüber
Temperaturschwankungen. Somit ist eine hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit
der Messungen mit einem derartigen Stab gewährleistet. Im Fall CFK-Material
mit unidirektionalen Fasern ist zudem noch eine Unempfindlichkeit
gegen Luftfeuchtigkeit gewährleistet. Denn
im Gegensatz dazu zeigen beispielsweise kreuzgewickelte CFK-Stäbe bzw.
CFK-Rohre über längere Zeiträume eine
Ausdehnung durch Feuchtigkeitsaufnahme.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung können sich die Messpunkte und
der Punkt des Bauteils auf einer Geraden befinden.
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Die
wenigstens zwei Aufnahmen sind derart ausgebildet, dass jeweils
ein Anmesselement aufgenommen und gehalten werden kann. Der Einsatz
von Aufnahmen für
die Anmesselemente hat gegenüber der
direkten Befestigung der Anmesselemente auf dem Vollstabelement
den Vorteil, dass die Anmesselemente einfach einzusetzen und z.
B. für
einen Austausch leicht entnehmbar sind. Die Lage der jeweils aufzunehmenden
Anmesselemente und des Punkts des Bauteils sind vorkalibriert, d.
h. vor der eigentlichen Messung einmal vermessen worden.
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Die
Kalibrierung kann (muss aber nicht) mit den optisch anzumessenden
Anmesselementen durchgeführt
werden, aber es können
beispielsweise auch Targets in Form von Antastkugeln für Koordinatenmessgeräte eingesetzt
werden.
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Eine
Weiterbildung dieses erfindungsgemäßen Messadapters besteht darin,
dass die Lage im Falle von zwei Aufnahmen so gewählt sein kann, dass in eine
Längsrichtung
des Vollstabelements der Abstand zwischen einem Ende des Messadapters, an
dem das Kopplungselement angeordnet ist, und der dazu näher gelegenen
Aufnahme kleiner ist als der Abstand zwischen der näher gelegenen
Aufnahme und der entfernter gelegenen Aufnahme, vorzugsweise im
Verhältnis
von 1:2 bis 1:3.
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Dies
hat den Vorteil, dass entlang des Vollstabelements in Richtung des
Punkts des Bauteils gesehen, der Abstand zwischen den wenigstens zwei
Messpunkten größer ist als
der Abstand zwischen dem Messpunkt, der dem Punkt des Bauteils näher gelegen
ist, und dem Punkt des Bauteils selbst kleiner wird, weshalb bei
der Bestimmung der Koordinaten des Punkts des Bauteils aus den Koordinaten der
wenigstens zwei Messpunkte zu kleineren Abmessungen hin extrapoliert
wird, was die Genauigkeit dieser Bestimmung verbessert.
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Eine
Weiterbildung aller zuvor genannten Messadapter und deren Weiterbildungen
besteht darin, dass das Kopplungselement eine Hülse, einen Zylinder oder eine
Kugel umfassen kann, und/oder worin das Kopplungselement eine Form
aufweisen kann, die nach der Kopplung an das Halteelement ein Drehen
des Vollstabelements um dessen Längsachse
verhindert.
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Diese
Weiterbildung hat den Vorteil, dass einfache und zweckmäßige Kopplungselemente
zur Verfügung
gestellt werden. Im Fall einer Hülse
als Kopplungselement wird diese zum Koppeln auf einen entsprechend
dimensionierten Zapfen eines Halteelements aufgesteckt. Im Fall
eines Zylinders kann dessen Symmetrieachse beispielsweise senkrecht zur
Längsrichtung
des Vollstabelements verlaufen. Zum Koppeln an ein Halteelement
kann dieses in Form einer Zylinderschale ausgebildet sein. Im Fall einer
Kugel als Kopplungselement kann diese zum Koppeln beispielsweise
in eine geeignet dimensionierte Kugelschale aufgenommen werden.
Dabei kann beispielsweise auch eine Magneteinrichtung zum kraftschlüssigen Halten
eingesetzt werden. Wenn das Kopplungselement eine Form aufweist,
die nach der Kopplung an das Halteelement ein Drehen des Vollstabelements
um dessen Längsachse
verhindert, so kann ein außerhalb
der Drehachse angeordneter Punkt sicher vermessen werden, ohne dass sich
die relative Lage der Anmesselemente gegenüber dem Punkt des Bauteils
verdreht.
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Eine
Weiterbildung der zuletzt genannten Weiterbildung besteht darin,
dass die Hülse
wenigstens teilweise in einer Aussparung an einer Stirnseite des
Vollstabelements angeordnet sein kann. Auf diese Weise kann die
Hülse fest
im Vollstabelement angebracht sein.
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Eine
Weiterbildung der vorletzten Weiterbildung besteht darin, dass der
Mittelpunkt der Kugel den Punkt des Bauteils definieren kann.
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Dies
hat den Vorteil, dass ein besonders ausgezeichneter und bei der
Kalibrierung leicht zu vermessender Punkt als potentieller Punkt
des Bauteils gewählt
werden kann, und es dadurch auf einfache Weise möglich ist, diesen Punkt beispielsweise
auf die geometrische Mittelachse eines runden Vollstabelements anzuordnen.
Als potentieller Punkt des Bauteils wird der Punkt relativ zum Messadapter
bezeichnet, der nach dem Koppeln an das Halteelement identisch mit
dem zu bestimmenden verdeckten Punkt ist.
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Eine
andere Weiterbildung aller zuvor genannten Messadapter und deren
Weiterbildungen besteht darin, dass das Kopplungselement zur formschlüssigen oder
kraftschlüssigen
Kopplung an das Halteelement ausgebildet sein kann.
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Dies
hat den Vorteil, dass zwischen dem Kopplungselement und dem Halteelement
ein möglichst
geringer oder gar kein Zwischenraum vorhanden ist, wodurch der Messadapter
auch bei mehrmaligem Abkoppeln und Ankoppeln wieder die gleiche Lage
einnimmt, bzw. dass nur eine möglichst
geringe Abweichung davon auftritt.
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Eine
andere Weiterbildung aller zuvor genannten Messadapter und deren
Weiterbildungen besteht darin, dass das Material des Kopplungselements
Stahl, vorzugsweise V2A-Edelstahl,
umfassen kann.
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Dies
hat den Vorteil, dass auch im Fall von langen Stäben eine hinreichend stabile
und zuverlässig
wiederholbare Kopplung des Kopplungselements mit dem Halteelement
erfolgen kann, ohne eine die Messgenauigkeit beeinflussende Verformung
des Kopplungselements zu verursachen.
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Eine
andere Weiterbildung aller zuvor genannten Messadapter und deren
Weiterbildungen besteht darin, dass jede Justiereinrichtung derart ausgebildet
sein kann, dass die relative Lage der wenigstens zwei Messpunkte
und des verdeckten Punkts dreidimensional kalibriert sein kann;
vorzugsweise in drei zueinander senkrechten Richtungen, wobei eine
Richtung davon die Längsrichtung
des Volistabelements ist.
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Dies
hat den Vorteil, dass der durch jedes Anmesselement definierte Messpunkt
dreidimensional in Bezug auf den verdeckten Punkt mit der Kalibriergenauigkeit
bekannt ist.
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Eine
andere Weiterbildung aller zuvor genannten Messadapter und deren
Weiterbildungen besteht darin, dass die relative Lage der wenigstens zwei
Messpunkte und/oder des verdeckten Punkts mit einer Genauigkeit
von besser als 50 μm,
vorzugsweise besser als 20 μm,
höchst
vorzugsweise besser als 10 μm
kalibriert sein kann.
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Dies
hat den Vorteil, dass damit eine für die Fertigung und Montage
und/oder Vermessung von Bauteilen beispielsweise im Flugzeugbau
erforderliche Genauigkeit erzielt wird.
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Eine
andere Weiterbildung aller zuvor genannten Messadapter und deren
Weiterbildungen besteht darin, dass jede Aufnahme wenigstens eine Magneteinrichtung
umfassen kann, die derart ausgebildet ist, dass jeweils ein Anmesselement
durch magnetische Kräfte
durch die Aufnahme halterbar ist.
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Dies
hat den Vorteil, dass das jeweilige Anmesselement auf einfache Weise
angebracht und entfernt werden kann, und dass es sicher gehalten werden
kann.
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Eine
andere Weiterbildung aller zuvor genannten Messadapter und deren
Weiterbildungen besteht darin, dass das Vollstabelement einen kreisförmigen Querschnitt
haben kann.
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Diese
Weiterbildung hat den Vorteil, das ein einfaches und leicht herzustellendes
Vollstabelement zur Verfügung
gestellt wird.
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Eine
andere Weiterbildung aller zuvor genannten Messadapter und deren
Weiterbildungen besteht darin, dass jede Aufnahme als Aussparung, vorzugsweise
in Form einer Ausfräsung,
in dem Vollstabelement ausgebildet ist.
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Dies
hat den Vorteil, dass jede Aufnahme in einer Richtung senkrecht
zur Längsrichtung
des Vollstabelements zur Mitte des Vollstabelements hin verlagert
werden kann.
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Eine
Weiterbildung der zuvor genannten Weiterbildung besteht darin, dass
jede Aussparung derart ausgestaltet sein kann, dass die durch die
wenigstens zwei aufzunehmenden Anmesselemente jeweils definierten
Messpunkte im Wesentlichen auf der Mittelachse des Vollstabelements
angeordnet sind.
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Im
Fall eines Vollstabelements mit kreisförmigem Querschnitt kann auf
diese Weise die Gerade durch die Messpunkte genau auf der Symmetrieachse
des Vollstabelements verlaufen. Dies hat den weiteren Vorteil, dass
beispielsweise eine genau Fertigung des Kopplungselements in Form
einer Hülse durch
ein Drehverfahren erfolgen kann. Im Fall einer Kugel als Kopplungselement
kann diese auf einfache Weise an einem Ende des Vollstabelements
angeordnet werden, so dass der Mittelpunkt der Kugel auf der Symmetrieachse,
also auch auf der Geraden liegt.
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Eine
andere Weiterbildung aller zuvor genannten Messadapter und deren
Weiterbildungen besteht darin, dass jede Aufnahme zum Aufnehmen wenigstens
eines Retroreflektors, einer optischen Messmarke, einer lichtreflektierenden
Kugel, oder eines anderen optisch anmessbaren Objekts als Anmesselement
ausgebildet sein kann.
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Dadurch
wird sichergestellt, dass gebräuchliche
Anmesselemente eingesetzt werden können.
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Eine
andere Weiterbildung aller zuvor genannten Messadapter und deren
Weiterbildungen besteht darin, dass entlang des Vollstabelements
wenigstens ein Verstärkungselement
angeordnet sein kann, vorzugsweise zwei Verstärkungselemente angeordnet sein
können,
um das Vollstabelement zu verstärken.
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Auf
diese Weise ist es möglich,
bei langen Vollstabelementen die Tragestruktur zu verstärken, so
dass beispielsweise bei einer schrägen bis horizontalen Ausrichtung
des Messadapters ein das Messergebnis verfälschendes Durchbiegen des Vollstabelements
verhindert wird.
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Eine
Weiterbildung der zuvor genannten Weiterbildung besteht darin, dass
jedes Verstärkungselement
ein Rohr umfassen kann.
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Dies
hat den Vorteil, dass das jedes Verstärkungselement selbst stabil
und leicht sein kann.
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Eine
Weiterbildung der beiden zuvor genannten Weiterbildungen besteht
darin, dass das Material des Vollstabelements Aluminium und/oder Plastik
und/oder Titan und/oder GFK-Material und/oder
CFK-Material, wobei die Fasern des CFK-Materials vorzugsweise im
Wesentlichen unidirektional in Längsrichtung
des Vollstabelements verlaufen, und/oder ein anderes leichtes und
stabiles Material umfassen kann.
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Dies
hat den Vorteil, dass das Verstärkungselement
besonders leicht sein kann.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung werden im Nachfolgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
beschrieben.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1a,
b, c zeigt eine erste Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Messadapters.
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2a,
b, c zeigt eine zweite Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Messadapters.
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3 zeigt
eine schematische Darstellung der Problematik bei der Bestimmung
eines verdeckten Punkts und die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messadapters.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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1a,
b, c zeigt eine erste Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Messadapters.
Der Messadapter 100 weist ein Vollstabelement 110 als Tragestruktur
auf. Am rechten Ende des Vollstabelements 110 ist ein Kopplungselement 130 angeordnet, welches
mit einem Halteelement eines Bauteils formschlüssig gekoppelt werden kann,
wobei das Halteelement an dem Bauteil befestigt ist, und den zu
bestimmenden Punkt P des Bauteils umfassen bzw. festlegen kann.
Das Kopplungselement besteht beispielsweise aus einer gedrehten
Hülse 340,
die durch Verkleben in einer Ausfräsung and der Stirnseite des Vollstabelements 110 befestigt
sein kann. In dem Vollstabelement 110, vorzugsweise aus
unidirektionalem CFK-Material, sind zwei Ausfräsungen angeordnet, welche die
Aufnahmen 120 für
jeweils ein Anmesselement darstellen, welche ihrerseits die Messpunkte
M1 und M2 definieren.
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2a,
b, c zeigt eine zweite Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Messadapters 200. Gegenüber 1 sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugsziffern
bezeichnet, wobei lediglich die Hunderterziffer geändert ist.
Der Messadapter 200 weist drei Aufnahmen 220 auf,
worin in dieser Darstellung jeweils ein optischer Retro-Reflektor 250 als
Anmesselement eingesetzt ist. Die Anmesselemente 250 werden
durch Magnete 250 gehalten. Die weiteren Komponenten entsprechen
denen in 1a, b, c.
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3 veranschaulicht
die bei der Montage und/oder Vermessung von Bauteilen 390 auftretende Problematik.
Ein Lasertracker L steht an einer festen, definierten Position.
Die räumliche
Lage des Punkts P soll bestimmt werden. Dieser ist jedoch wie hier
gezeigt für
den Laserstrahl nicht direkt zugänglich
da er durch das Bauteil 390 selbst verdeckt wird. Die Koordinaten
des verdeckten Punkts P können
jedoch mittels dem erfindungsgemäßen Messadapter
um einen vorbestimmten Betrag mit einem Offset versehen werden.
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Vor
dem tatsächlichen
Einsatz zur Bestimmung des verdeckten Punkts P wird der Messadapter mit
Hilfe einer Kalibriereinrichtung kalibriert, d. h. es die relative
Lage der Punkte M1 und M2 wird exakt vermessen. Die genaue Lage
des verdeckten Punkts P relativ zum Halteelement 380 ist
bekannt. Nach dem Koppeln an das Halteelement 380 können die Messpunkte
M1, M2 und der verdeckte Punkt beispielsweise auf einer Geraden
liegen. Durch dreidimensionales Vermessen der Messpunkte M1 und
M2 mit dem Lasertracker L lässt
sich somit die Position des verdeckten Punkts P bestimmen.