Hoch flexible Messtechnik bei AIRBUS.

Exakte 3D-Vermessungen unter Fertigungsbedingungen stellen im Rahmen der Qualitätssicherung im Flugzeugbau eine große Herausforderung dar. Die Messtechnik im AIRBUS-Werk in Hamburg hat diese durch den Einsatz des mobilen photogrammetrischen Messsystems V-STARS von GSI gelöst. Das System weiß beim Flugzeughersteller neben hoher Flexibilität vor allem durch seine Genauigkeit, Zuverlässigkeit und leichte Bedienbarkeit zu überzeugen.

AIRBUS greift auf die Fähigkeiten und das Fachwissen von 16 Standorten in Frankreich, Spanien, Großbritannien und Deutschland zurück. Jedoch nur in Hamburg und in St. Nazaire werden vollständige Flugzeugsektionen gefertigt. Dieses einzigartige industrielle Konzept auf Basis von „Centres of Excellence“ hat sich als höchst effizient erwiesen. „Dem Standort Hamburg fällt in diesem Rahmen die Produktion der vorderen und hinteren Rumpfsektionen für AIRBUS-Modelle inklusive des neuen A380 zu. Die A320-Modelle werden hier auch endmontiert. Das heißt, das Cockpit wird mit der Rumpfmittel-Sektion und den Flügeln zusammengefügt,“ erläutert Uwe Drohne, Leiter der Messtechnik bei AIRBUS in Hamburg.

Das 15-köpfige Messtechnik-Team von Uwe Drohne stellt eine Gruppe innerhalb der Qualitätssicherung dar. Zu ihrem Aufgabengebiet zählt alles, was mit geometrischer Messtechnik zu tun hat. Um die anfallenden Messaufgaben optimal erfüllen zu können, steht den Messtechnikern eine Vielzahl an bewährten Systemen zur Verfügung: Die Bandbreite reicht dabei von stationären Koordinatenmessmaschinen über Laser Tracker bis hin zu Tachymetern. Innerhalb dieser Geräte fällt jedoch ein Messsystem auf, das insbesondere in der Luft- und Raumfahrt bereits häufig zum Einsatz kommt und auch in der Automobilbranche stetig an Bedeutung gewinnt, ansonsten aber bisher einen eher geringen Bekanntheitsgrad in der Industrie in Europa vorzuweisen hat: Das V-STARS-System von GSI (Geodetic Systems, Inc.).

V-STARS ist ein mobiles Koordinaten-Messsystem, das unter Verwendung einer einzelnen INCA-Kamera (V-STARS/S) bzw. von zwei oder mehr INCA-Kameras (V-STARS/M) schnelle und hochgenaue 3D-Erfassungen ermöglicht. Die eigentliche Messarbeit erfolgt dabei dank der photogrammetrischen Technik nicht direkt am Objekt, sondern in digitalen Bildern, die aus unterschiedlichen Perspektiven aufgenommen werden. Anschließend werden die Fotos von der leistungsstarken V-STARS-Software automatisch verarbeitet und die 3D-Koordinaten des Messobjekts errechnet. Diese Koordinaten lassen sich direkt mit V-STARS oder anderer Software grafisch oder numerisch darstellen und analysieren. Die Messgenauigkeit des V-STARS/S-Systems ist mit 5 µm + 5 µm/m spezifiziert.

Alleine die Hamburger verfügen über 8 V-STARS-Systeme; in anderen AIRBUS-Werken werden weitere Systeme eingesetzt. „1998 wurde Uwe Drohne ein Jahr lang das erste INCA1-System auf Mietbasis zur Verfügung gestellt. Während dieser Zeit haben er und sein Team umfangreiche Erfahrungen mit dem System gesammelt, es für gut befunden und schließlich angeschafft. Vor allem im Rahmen von Diplomarbeiten ist die Kamera damals auf die speziellen Anwendungen in Hamburg hin geprüft worden. Dabei konnte V-STARS besonders durch seine Genauigkeit, die erwartete Zuverlässigkeit und die Handlichkeit der kompakten Kamera überzeugen. Heute sind in der Messtechnik drei INCA2- und fünf INCA3-Systeme im Einsatz,“ berichtet Roland Kinzel, Geschäftsführer der Bad Schwartauer GDV Systems GmbH, dem Vertriebspartner von GSI für den deutschsprachigen Raum.

Die Aufgaben mit den V-STARS-Systemen in der Qualitätssicherung sind vielfältig – zunächst sind zwei Serienanwendungen zu nennen: Zum einen die periodische Prüfung von Großbauvorrichtungen. Das sind Montagevorrichtungen, in denen die Sektionen von Flugzeugabschnitten gebaut werden. Zum anderen die Trennstellenmessungen. Von jedem Rumpf, den das Werk an der Elbe an andere AIRBUS-Partner liefert, wird die Schnittstelle mit dem V-STARS-System gemessen. Neben diesen beiden Serienanwendungen werden mit der Photogrammetrie noch eine ganze Reihe weiterer Messaufgaben wahrgenommen, z.B. an Passagiertürrahmen, Frachttorrahmen und diversen Beschlägen im Flugzeug. Die Messtechniker haben auch schon Messungen an den Tragflächen oder im Versuch sowie Deformationsanalysen mit dem System vorgenommen – das Spektrum ist sehr breit.

Bild 1: Trennstellenmessung mit V-STARS für den Airbus A380; dank der kurzen Belichtungszeit kann die Aufnahme von einer Hubbühne aus erfolgen, ein Stativ ist nicht erforderlich.

Bild 2: Die mobile Messmaschine beim Einsatz unmittelbar in der Fertigung.

„Die Frage, welches unserer Messsysteme wir für den jeweiligen Anwendungsfall einsetzen, beantworten wir dahingehend, welches uns am besten dafür geeignet erscheint. Das photogrammetrische V-STARS-System ist immer dann sehr gut geeignet, wenn die Messungen in instabiler Umgebung, zum Beispiel auf einer wackligen Bühne, erfolgen müssen. Selbiges gilt für Arbeiten im Flugzeug –oft in großer Höhe und für die Bestimmung großer Punktmengen. Ein klassisches Beispiel hierfür sind Deformationsmessungen, bei denen simultan 2.000 bis 3.000 Punkte beobachtet werden,“ beschreibt Andreas Kunkel, der innerhalb der Messtechnik für die Photogrammetrie verantwortlich ist, die primären Einsatzbereiche der INCA-Kameras.

Das V-STARS-System bietet sich aber auch insbesondere für Aufgaben an, wenn die Mess-Experten nur eine sehr kurze Zugriffszeit haben: Beispielsweise für Bauteil- oder Ausschnittsmessungen während der Mittagspause; dann stehen maximal 30 Minuten zur Verfügung – innerhalb dieser Zeit muss die Messung durchgeführt sein.

Erwähnt werden sollten auch die Arbeiten unter engen räumlichen Verhältnissen, zum Beispiel im Frachtraum der kleineren Flugzeuge, in dem man sich nur in gebückter Haltung bewegen kann und wo es häufig aufgrund von Verdeckungen durch Rohre und Leitungen zu erheblichen Sichtbehinderungen und Punktabschattungen kommt. Aufgrund der vergleichsweise kleinen Kamera sind die Messtechniker mit dem V-STARS-System hierbei sehr flexibel.

Gerade bei dieser Anwendung zeigen sich auch die Vorteile, die V-STARS im Vergleich zum Laser Tracker bietet: Das System ist nicht nur handlicher, sondern auch schneller einsatzbereit, weil die Aufwärmzeit entfällt. Speziell bei Messungen im Objekt, wenn der Rumpf geschlossen ist, und man von außen nur noch durch Türen und Tore nach innen schauen kann, haben Tracker ebenfalls das Nachsehen. Ein Nachteil des V-STARS/S-Systems mit einer einzelnen INCA-Kamera hingegen ist, dass die Auswertung der Messung erst nachgeschaltet („offline“) durchgeführt werden kann. Sofortige Ergebnisse sind allerdings mit dem V-STARS/M-System im „Online“-Modus möglich. Hier werden zwei oder mehrere INCA-Kameras zusammengeschlossen, jedoch beträgt die Messgenauigkeit wegen der geringeren Bildanzahl dann ‚nur' 10 µm + 10 µm/m.

Die Messteams von Uwe Drohne setzen ihre V-STARS-Systeme mehrmals täglich ein, alleine rund 700 mal pro Jahr im Rahmen der Trennstellenmessungen. Hinzu kommen noch ca. 70 Bauplatzmessungen über das Jahr hinweg, sowie diverse weitere Einsätze im Werk oder bei den Zulieferern. Betrachtet man diese enorme Anzahl an Projekten, so verwundert es nicht, dass die Messtechniker sehr davon beeindruckt sind, wie zuverlässig ihre Kameras arbeiten. Vor allem, wenn man noch berücksichtigt, dass sie fertigungsnah unterwegs sind und sich auch durch enge Vorrichtungen bewegen müssen, wobei die robuste INCA-Kamera schon mal an einer Ecke anstoßen kann.

Uwe Drohne zieht ein sehr positives Fazit: „Die V-STARS-Systeme haben unsere Erwartungen absolut erfüllt – vor allem in Sachen Genauigkeit, Robustheit und Flexibilität. Die Anwendungen, für die wir die Messsysteme angeschafft haben, führen wir damit problemlos durch, und in der Praxis haben sich auch noch diverse neue Aufgabengebiete für das System ergeben. Die Kameras sind zudem sehr einfach zu bedienen. Die kann man jemandem nach kurzer Anlernzeit in die Hände drücken und dann läuft´s ...“. Last but not least konnte auch die Effizienz in der Messtechnik durch den Einsatz der V-STARS-Systeme erheblich gesteigert werden: Mit dem zuvor eingesetzten analogen System wären die heutigen Aufgabenstellungen weder von der Durchführbarkeit noch von der Schnelligkeit der Datenlieferung und schon gar nicht mit der gleichen Anzahl an Mitarbeitern zu bewältigen gewesen.

Bild 3: Taktile Messung am Türrahmen mit dem handgeführten Messtaster–präzises Arbeiten mit V-STARS trotz instabiler Aufstellung.

Bild 4: V-STARS/M: Geometrie-Erfassung im Sekundentakt mit dem handgeführten Messtaster.

Die INCA3 Kamera

Die INCA3 Kamera, speziell entwickelt und gebaut von GSI für hohe 3D-Messgenauigkeiten, kombiniert einen bewährten ultra-hochauflösenden CCD-Sensor mit einem leistungsfähigen „Bordcomputer“, um Messungen unter schwierigen und instabilen Bedingungen zu ermöglichen. Um diese Leistungen dauerhaft zu erhalten, schaffte GSI nicht nur eine einzigartige optisch-mechanische Stabilität in der Kamera, sondern auch Eigenschaften wie integrierte Blitzsteuerung, eine 10-fache Bildkomprimierung und die kabellose Schnittstelle (WIFI).

Die beengte Messumgebung an den Eckbeschlägen bei Airbus stellt eine gute Herausforderung für das V-STARS System dar. Die INCA3 Kamera ist ebenso geeignet für „Vor-Ort-Messungen“ ausgedehnter Objekte, da es keine Größenbeschränkungen gibt. Das ermöglicht die Anwendung der V-STARS Systeme für Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie, Schiffsbau, Anlagen- und Maschinenbau usw.

Die mit einer INCA3 entweder „frei Hand“ oder per Fernbedienung aufgenommenen Bilder werden in der mitgelieferten V-STARS Software automatisch ausgewertet und in einen 3D-Datensatz umgewandelt. Dieser Vorgang erfolgt vollautomatisch. Die gemessenen Daten können dann mit den Sollwerten, einem CAD-Datensatz oder vorherigen Messungen verglichen werden (Wiederholgenauigkeit oder Deformationsanalysen).