Dreidimensionale optische Wanddickenmessung und Reißererkennung
Final Report Abstract
Um eine flächenhafte Messung der Wanddicken gekrümmter Blechbauteile zu ermöglichen, wurde in der ersten Phase des Forschungsprojekts ein Versuchsstand mit einem Streifenprojektionssensor erstellt, mit dem es möglich war, die Oberfläche eines Blechbauteilbereiches von beiden Seiten zu erfassen. Dazu war es notwendig, das Bauteil nach der Aufnahme der einen Seite um 180° zu drehen, um auch die zweite Seite erfassen zu können. Die mechanische Drehung des Bauteils war zeitaufwändig und beeinträchtigte die Genauigkeit. Zur Genauigkeitssteigerung und zur Verkürzung der Erfassungszeit wurde in dieser Projektphase durch Erweiterung des Versuchsaufbaus mit einem zweiten Streifenprojektionssensor ein schnelleres, flexibleres, prozessnah einzusetzendes Messsystem exemplarisch aufgebaut, das ein nahezu simultanes beidseitiges Erfassen des gekrümmten umgeformten Blechbauteils in vorgegebenen Zonen ermöglicht. Die beidseitige flächenhafte Antastung von Werkstückoberflächen mit sehr hoher Punktdichte ermöglichte die Entwicklung neuer Strategien zur Auswertung von lokalen Wanddickenwerten des Blechbauteils. Anstatt nur wenige, stichprobenartig und in vorgegebenen Richtungen mit den herkömmlichen Verfahren gemessenen Dickenwerte zu erzielen, wurde die Bestimmung von tausenden richtungsunabhängigen Blechdickenwerten mittels zweier unterschiedlicher neuer Auswerteverfahren ermöglicht. Durch eine farbige Darstellung der berechneten Werte über der Bauteiloberfläche wurde die Analyse des Blechdickenverlaufs ermöglicht. Weiterhin wurde ein Verfahren zur Extraktion der Mittelflächenpunkte des Blechbauteils aus den erfassten Punktewolken erstellt, die bisher nicht möglich war. Die Analysen der Parameter wie die Form der Mittelfläche des Blechbauteils und der Wanddickenverlauf über der Bauteiloberfläche können vor allem zur Verbesserung von Blechumformprozessen in frühen Phasen der Prozessauslegung beitragen. Zur Realisierung der Projektziele wurden die folgenden Arbeiten durchgeführt: - Aufbau des Messstandes zum beidseitigen Erfassen der Oberflächen von verformten Blechen - Implementieren des Verfahrens zur Systemkalibrierung und Datenfusion (Überführung der zwei Punktewolken in die richtige Lage zueinander) - Überprüfung der Genauigkeit der Datenfusion - Optimierung und Beschleunigung des Auswertealgorithmus zur Einschnürungserkennung (Berechnung der kürzesten Abstände zwischen den zwei Blechbauteilseiten) - Entwickeln und Implementieren des Auswertealgorithmus zur Mittelflächenbestimmung und Blechdickenmessung - Konzipieren und Realisieren der Verfahren zur Erkennung von Form- und Oberflächendefekten - Untersuchung von Einflussfaktoren auf die Messergebnisse - Erstellen des Konzeptes zur Optimierung des Verfahrens zum Scanning von Blechbauteilseiten - Erstellung einer grafischen Benutzeroberfläche zur einfachen Handhabung der einzelnen Funktionen in den Prozessen der Datenauswertung Erzielte Ergebnisse: Ein experimentelles Messsystem, bestehend aus zwei gegenüberliegenden Streifenprojektionsgeräten, zum Erfassen ausgewählter interessanter Bereiche gekrümmter umgeformter Blechbauteile wurde entworfen und prototypisch aufgebaut. Eine Lösung für das Problem der Transformation von zwei unabhängigen Messdatensätzen, die keine Überlappungsbereiche aufweisen, in ein vordefiniertes gemeinsames Koordinatensystem wurde gefunden. Ein Verfahren zur Systemkalibrierung und zur Ableitung der nötigen Transformationsparameter wurde dafür realisiert. Das Verfahren zur Transformation der Punktewolken ermöglichte die Positionierung der Punktewolken zueinander, als ob beide während der Aufnahme dem gleichen Koordinatensystem zugehörten. Dadurch wurde eine zuverlässige Abbildung des erfassten Blechbauteilbereichs bereitgestellt. Die Methode zur Berechnung der kürzesten Abstände aus jedem erfassten Punkt einer Blechbauteilseite zur gegenüberliegenden Fläche, die im Rahmen der ersten Projektphase entworfen wurde, wurde bezüglich ihrer Genauigkeit optimiert. Das Verfahren wurde außerdem deutlich beschleunigt. Eine innovative Methode zur Bestimmung von Mittelflächenpunkten und zur gleichzeitigen Berechnung der lokalen Wanddicken wurde entwickelt. Hierbei wurden die lokalen Wanddicken senkrecht zur Mittelfläche bestimmt und den entsprechenden Mittelflächenpunkten zugeordnet. Die Auswertemodule für die Erkennung und Analyse von typischen lokalen Oberflächen- und Formdefekten die bei der Blechumformung entstehen, wurden bereitgestellt. Die Hauptanwendung der erarbeiten Mess- und Datenauswertemethoden liegt in der Verbesserung von Blechumformprozessen in frühen Phasen der Prozessauslegung. Die Parameter, die durch die Anwendung von implementierten Auswertealgorithmen bestimmt werden können, können dabei auf verschiedene Weise zur Prozessverbesserung beitragen. Durch die Darstellung des Blechdickenverlaufs über die erfassten Bauteiloberflächen oder die extrahierte Mittelfläche ist zum Beispiel eine genaue Lokalisierung von Ausdünnungen und Materialanhäufungen an den hergestellten Teilen möglich. Die erhaltenen Daten sind außerdem zum Vergleich mit simulierten Wanddickenwerten und folglich zur Beurteilung der Genauigkeit numerischer Simulationen verwendbar. Die extrahierte Mittelfläche kann weiterhin zur Bewertung der Blechbauteilform durch den Vergleich mit dem CAD-Modell, beziehungsweise mit der Soll-Mittelfläche des Blechbauteils, verwendet werden. Das prototypisch aufgebaute Messsystem ist so konzipiert, dass es nicht nur in frühen Phasen des Prozesses einsetzbar ist, sondern auch zur Anwendung in der Überwachung und Prozesskontrolle ziemlich leicht umgesetzt werden kann. Ebenso wurde der Auswertealgorithmus zur Einschnürungserkennung (Berechnung der kürzesten Abstände zwischen zwei Blechbauteilseiten) so beschleunigt, dass eine In-Prozess-Messung ermöglicht wird. Die implementierte Lösung für das Problem der genauen Transformation (Fusion) von zwei unabhängigen Messdatensätzen, die keine Überlappungsbereiche aufweisen, ermöglicht die Überführung der Blechbauteilpunktewolken in eine korrekt aufeinander bezogene Position. Die entworfene Methode zur Datenfusion kann auch verwendet werden, wenn zum Beispiel zur Erfassung komplexer Bauteile, ohne Sensor- oder Werkstückbewegungen, mehrere Streifenprojektionssensoren in einem System kombiniert werden.
Publications
- Detection of areas with critically reduced thickness of formed sheet metal parts using two oppositely positioned fringe projection systems. In: 11th International CIRP Conference on Computer Aided Tolerancing 'Geometric Variations within Product Life- Cycle Management' (Annecy, 26.-27.03.2009). - Proceedings, b3.3
Weckenmann, A.; Petrovic, N.
- Detection of areas with critically reduced thickness of formed sheet metal parts using two oppositely positioned fringe projection systems. In: Giordano, M.; Mathieu, L.; Villeneuve, F. (Hrsg.): Geometric Variations within Product Life-Cycle management, Selected Papers from the 11th CIRP International Conference on Computer-Aided Tolerancing, ISTE, HERMES, 2010
Weckenmann A.; Petrovic, N.
- Medial Axis Extraction and Thickness Measurement of Formed Sheet Metal Parts (Mittelflächenbestimmung und Wanddickenmessung an gekrümmten umgeformten Blechbauteilen). Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Dissertation; Erlangen: 25.01.2010
Petrovic, N.
