Geodätisches Labor

Im Rahmen von Genauigkeitsuntersuchungen von terrestrischen Laserscannern in einem 3D-Testfeld wurde im Labor für geodätische Messtechnik der HafenCity Universität Hamburg und in Zusammenarbeit mit Dr. Johannes Prenting, Leiter der Vermessungsabteilung des DESY in Hamburg, ein Präzisionszielzeichen für Laserscanner entwickelt.

Das Zielzeichen ist als Fläche ausgeführt und mit einem schwarz-weißen Schachbrettmuster zur automatischen Zentrumsfindung in den Scandaten versehen (Abb. 1 oben).
Nachteilig bei herkömmlichen Zielzeichen dieser Art (im Gegensatz zur Verwendung von Kugeln als Zielzeichen) ist, dass die Genauigkeit der Zentrumsfindung mit einem Fittingalgorithmus u.a. vom Auftreffwinkel des Messstrahls abhängt. Um den Einfluß des Auftreffwinkels auf die Zentrumsfindung zu minimieren, wurde das Zielzeichen so konstruiert, dass es ohne Änderung der Zentrumsposition in alle Richtungen um max. 45° geneigt werden kann.
Dies wurde dadurch erreicht, dass die Fläche des Zielzeichens auf einem Kugelabschnitt einer Kugel mit einem Durchmesser von 38,1mm (1,5") montiert wird. So kann eine Zwangszentrierung über ein sogenanntes Punktnest, wie es für Messungen mit einem Lasertracker verwendet wird, realisiert werden (Abb. 1 unten).
Bei Genauigkeitsuntersuchungen kann so die Soll-Zentrumsposition des Zielzeichens mit einem Lasertracker hochgenau bestimmt werden, indem das Zielzeichen gegen eine Messkugel (z.B. Corner Cube Reflector 1,5" der Firma Leica) ausgetauscht wird.

Die geometrischen Forderung hinsichtlich der Zentrizität des Zielzeichens kann wie folgt formuliert werden:
Das Zentrum des Schwarz-Weiß Musters soll lageidentisch mit dem Zentrum einer Kugel mit dem Durchmesser 38,1mm sein.

Aufbau des Zielzeichens:
Das Schwarz-Weiß Muster wird mit einem Laserdrucker (hier HP Laserjet 1010) auf Standard-Druckerpapier gedruckt, wobei die beiden dunklen Felder des Musters dunkelgrau (80% schwarz) gedruckt werden.
Als Träger für das Schwarz-Weiß Muster wird ein planes Aluminiumblech 200x200x2mm verwendet.
Das Blech ist mit einer zentrischen und gesenkten Bohrung d=6mm versehen.
Dieses Blech wird mit Hilfe einer M6-Senkkopfschraube auf eine galvanisierte Stahlteilkugel (d=38,1mm) mit einem zentrischen M6-Innengewinde montiert. Die Höhe der Stahlteilkugel ergibt sich aus d/2 - Papierstärke - Stärke der Klebeschicht - Blechstärke.
Das Schwarz-Weiß Muster wird so auf das Trägerblech geklebt, dass das Zentrum des Zielzeichens im Zentrum der Teilkugel liegt. Als Kleber wird ein vollflächig aufgebrachter Sprühkleber verwendet.

Zur Montage des Schwarz-Weiß Muster auf der Trägertafel wurde eine Montagevorrichtung entwickelt, die eine Positionierung mit einer Genauigkeit von besser als 0,5mm erlaubt. Mithilfe der Montagevorrichtung kann das Blatt mit dem Zielzeichenmuster gegenüber der mit Klebstoff versehenen Trägertafel auf Bruchteile von mm genau positioniert und dann an die Trägertafel angedrückt werden. Die Richtung zum Zentrum wird dabei von einem Tachymeter mit Koaxialkamera und verbundenem Feldrechner vorgegeben (Abb. 2 - 4).

Für Präzisionsmessungen wird jedes Zielzeichen hinsichtlich o.s. Forderung überprüft.
Hierzu ist eine Prüfvorrichtung entwickelt worden. Prüfvorrichtung und Prüfroutinen sind auf der nachfolgenden Seite beschrieben.


Dipl.-Ing. Klaus Mechelke, im November 2015

Zur Überprüfung der Zielzeichen wurde eine Prüfvorrichtung entwickelt. Sie besteht aus einem Punktnest, das auf einer Platte befestigt ist (Abb. 1).

Die Prüfung erfolgt in zwei Schritten:

1. Forderung: Zentrizität
Das Zentrum des Schwarz-Weiß Musters soll lageidentisch mit dem Zentrum  der Stahlteilkugel sein.

Zur Bestimmung der Soll-Koordinaten für das Zentrum wird in das Punktnest der Prüfvorrichtung ein Corner Cube Reflektor (CCR) eingelegt. Durch Messung mit einem Lasertracker auf den CCR werden die Soll-Koordinaten bestimmt (Abb. 2).
Der CCR wird nun gegen den Prüfling ausgetauscht, wobei die Zielfläche des Prüflings genähert horizontal ausgerichtet wird. Auf das Zentrum des Schwarz-Weiß Musters wird ein spezielles Punktnest mit Strichkreuz zur Zentrierung auf dem Musterzentrum gesetzt (Abb. 3). Nach manueller Zentrierung des Punktnestes auf das Musterzentrum wird ein CCR in das Punktnest eingesetzt und die Position mit dem Lasertracker bestimmt (Abb. 4).  Zur Erhöhung der Genauigkeit wird die Bestimmung siebenmal wiederholt, wobei das Punktnest jedesmal um 50gon gedreht wird.  Durch Mittelbildung der acht Positionen entfallen dann auch Zentrierfehler des Strichkreuzes gegenüber dem Zentrum des CCR.
Die Berechnung der Raumstrecke zwischen Referenzposition und gemittelter aktueller Position liefert die Ablagen dx, dy und dz, wobei dz noch um den Höhenoffset des Punktnestes korrigiert werden muss.

2. Forderung: Ebenheit
Das Schwarz-Weiß Muster des Zielzeichens soll in einer Ebene liegen.

Zur Prüfung auf Ebenheit des Zielzeichens wid es mit der Leica T-Scan gescannt (alternativ wäre auch die Verwendung eines Streiflichtsystems möglich). In die aus dem Scan resultierende Punktwolke wird eine Ausgleichsebene gelegt und die Differenzen der Punktwolke zur Ausgleichsebene berechnet. Abschließend werden die Differenzen farbkodiert dargestellt, mit Kennzeichnung der Minimal- und Maximalablage.

Beispielauswertung

Dipl.-Ing. Klaus Mechelke, im Januar 2016