Einfluss des Werkstücks auf hochgenaue Koordinatenmessungen mit optischen Abstandssensoren
Final Report Abstract
Die Bestimmung der Unsicherheit ist bei optischen Koordinatenmessungen problematisch, da sie sehr stark von den Reflexions- und Streueigenschaften der Werkstückoberfläche und der Werkstückgeometrie, speziell der Oberflächenneigung, abhängig ist. Auch Werkstücke aus volumenstreuenden Materialien können zumeist nur mit höherer Messunsicherheit gemessen werden. Zielsetzung des Projektes war es, den Einfluss des Werkstücks auf hochgenaue Koordinatenmessungen mit optischen Abstandssensoren zu simulieren und experimentell zu ermitteln. Hierzu wurde ein Projekt mit 2 Phasen konzipiert. In der ersten Phase, über die hier berichtet wird, wurde exemplarisch ein optischer Punktsensor simuliert sowie erste Prüfkörper mit einfachen Geometrien und Oberflächen entwickelt. Die Simulation wurde mittels dieser Prüfkörper verifiziert. Als 2 Phase könnte man in einem Folgeantrag weitere Sensoren simulieren sowie komplexere Prüfkörper bis hin zu Klassifizierung von Oberflächen entwickeln. Weiterhin wäre die Untersuchung hinsichtlich der Eignung zur Einbindung in die Messunsicherheitssoftware „virtuelles KMG“ denkbar, welche zurzeit nur Koordinatenmessungen mit taktilen Sensoren unterstützt. Design, Fertigung und Untersuchung der Prüfkörper: Für das Projekt werden Prüfkörper mit unterschiedlichen (zum Teil nicht kooperativen) Oberflächen (Rauheit und Struktur) mit unterschiedlicher Geometrie (Grenzneigung, Abschattung und Mehrfachreflexion) sowie aus verschiedenen Materialien (Absorption, Volumenstreuung) benötigt, um gezielt den Einfluss des Werkstückes experimentell zu bestimmen. Zunächst wurden einfache Geometrien (Fläche und Kugel) aus nicht volumenstreuenden Materialien erzeugt und messtechnisch erfasst. Hierzu wurde neben taktiler und optischer Koordinaten- und Oberflächenmesstechnik auch ein Streulichtmessgerät verwendet. Simulation des Werkstückes: Als Werkstückgeometrie wurden in der Simulation (geneigte) Ebenen, Kugeln und (konvexe) Kalotten berücksichtigt. Diese wurden mit unterschiedlichen Oberflächeneigenschaften kombiniert. Als Modell der Oberflächenstreucharakteristik wurden zunächst gut bekannte isotrope Streulichtmodelle in die Simulation eingebracht. Durch die Verwendung eines nicht streuenden Spiegels (100% Reflektion) sowie eines Lambertschern Strahlers wurden die beiden Extremfälle der Totalreflexion sowie der einfallswinkelunabhängigen Streuung verwendet. Desweiteren wurden der viel verwendete Ansatz der gaußschen Streuung (rotationssymmetrische Verteilung in Richtung des direkten Reflexes) genutzt. Simulation des Punktsensors: Es wurde exemplarisch ein punktförmig messender Abstandssensor auf Basis der chromatischen Aberration simuliert, der im Bereich der Koordinatenmesstechnik weit verbreitet ist. Ein entsprechender Sensor ist in ein vorhandenes hochgenaues Multisensor-KMG integriert. Der Strahlengang im Sensor und die bei diesem Sensorprinzip erforderliche spektrale Auswertung wurde mittels der kommerziellen Ray-Tracing-Software Zemax simuliert. Durch die Zusammenführung des Sensormodells mit dem Modell des Werkstückes war es möglich, den Beitrag des Werkstücks zur aufgabenspezifischen Messunsicherheit in Abhängigkeit von den Werkstückeigenschaften (Oberfläche, Material, Geometrie) zu ermitteln. Durch den modularen Aufbau der Simulation ist diese sehr flexibel und es ist einfach, diese zu erweitern bzw. später neue Teilsysteme (z.B. eine andere Lichtquelle) in die Simulation einzufügen. Auch Messobjektposition, Messstrecke und Schrittweite, der verwendete Wellenlängenbereich etc. können in der Simulation variiert werden. Verifikation Experiment – Simulation: Eine starke Herausforderung stellten die realen Abweichungen des Sensors (Abbildungsfehler der Linsen, Abweichungen der Linsenfertigung, Abweichungen bei der Linsenpositionierung) und die dadurch verursachten Messabweichungen dar. Es war notwendig, diese Abweichungen in unterschiedlicher Ausprägung einzeln zu simulieren und mithilfe der Ergebnisse die Simulation an die Messdaten des realen Sensors anzupassen. Desweiteren zeigen die Mess- und Simulationsergebnisse deutlich, dass die Messabweichungen von der Oberflächenneigung abhängen. Es besteht eine systematische Abweichung aufgrund des Strahlverlaufes im Sensor, der neigungsabhängig ist. Messungen an Kugeln mit unterschiedlicher Rauheit zeigen, dass die diese Abweichung zudem oberflächenabhängig ist.
Publications
- Traceable optical coordinate metrology applications for the micro range, Proc. Three-dimensional imaging metrology, 19 - 20 January 2009, San Jose, California, USA, Proceedings of SPIE 7239, 72390G-1–72290G-10 (2009)
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- Prüfkörper zur Untersuchung des Werkstückeinflusses auf hochgenaue Koordinatenmessungen mit optischen Abstandssensoren, In: Neue Strategien der Mess- und Prüftechnik für die Produktion von Mikrosystemen und Nanostrukturen: Abschlussbericht DFG Schwerpunktprogramm 1159 StraMNano, 153 – 162 (2011), ISBN 978-3-8440-0358-1
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- Virtuelle Messgeräte und Simulationen im Mikrobereich - Potential und Grenzen; In: Neue Strategien der Mess- und Prüftechnik für die Produktion von Mikrosystemen und Nanostrukturen: Abschlussbericht DFG Schwerpunktprogramm 1159 StraMNano, 206 – 218 (2011), ISBN 978-3-8440-0358-1
Neuschaefer-Rube, U.; Becke, C.; Sadowski, E.; Tan, Ö.; Staude, A. Zimmermann, J.
- Sensors for optical 3D measurements of micro geometries, Proceedings of 11th ISMQC 2013, 6, Measure: 7 (2012), 2, 52 - 58
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