Modulares Multisensorsystem für die 3D- Messung von Mikrobauteilen (MODUS)

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1 Entwicklung und Aufbau eines Multisensor-Messsystems für die 3D-Messung von Mikrobauteilen Dipl.-Ing. Th. Wiedenhöfer gefördert vom: Administration: VDI/VDE-GMA Fachgebiet 3.4 Metrologie in der Mikro- und Nanotechnik 2.Oktober 28 Das Projekt Modus Modulares Multisensorsystem für die 3D- Messung von Mikrobauteilen (MODUS) Gear box (MaxonMotor) Entwicklung und Aufbau eines Multisensor-Messsystems für die 3D-Messung von Mikrobauteilen

2 Das Projekt Modus: Projektziele hochpräzises Multisensor-KMG -> Messgenauigkeit besser 1nm -> Bildverarbeitung -> optischer Abstandssensor -> taktil-optischer Sensor teilespezifische Normale hochpräzises Handhabungssystem -> Genauigkeit besser 25 µm -> für Mikrokomponenten -> integrierter Sensorik -> automatisiert -> Messunsicherheitsbewertung -> Normungsaktivitäten Das Konzept Schwingungsarme Präzisionsluftlager, hochauflösende Glasmaßstäbe, Querkraft- und momentenfreie Antriebe, Temperaturkompensation Hochpräzise, telezentrische Optiken, Hochauflösende Bildverarbeitung (Restfehlerkorrekturen) Werth Fiber Probe (WFP) Chromatischer Fokus Probe (WCP) Aktive Schwingungsdämpfer Genauigkeitsoptimierte, stabile Granit Basis

3 Die Realisierung Komplettierung Konstruktion 1nm- Messgerät (Messkopf und Messtisch) Aufbau Prototyp 1nm- Messgerät (Messkopf und Messtisch) Experimentelle Untersuchungen und Optimierung Messgerät verbessertes Massstabsystem (Interpolationsfehler nicht mehr nachweisbar) Werth VideoCheck UA: Spezifikation Maximal zulässige Längenmessabweichung (MPE) nach ISO 136 und VDI ϑ = 2ºC ±,1K, ϑ =,1 K/h, β = 2x, WFP, m 5kg E1: (.35 + L / 9) µm unidirektional E1: (.15 + L / 9) µm E2: (.5 + L / 6) µm E3: (.75 + L / 5) µm 2. ϑ = 2ºC ± 1K, ϑ =,5 K/h, β = 2x, WFP, m 5kg E1: (.35 + L / 5) µm unidirektional E1: (.15 + L / 5) µm E2: (.5 + L / 4) µm E3: (.75 + L / 3) µm Grundlage der Ergebnisse Messung von Normalen

4 Korrektur X-Achse nach konstruktiver Optimierung µm mm alt neu neu_b Wichtiges Ergebnis: Reduktion des Rauschens Optimierung Beleuchtung: LED s mit Kondensorsystem 85 Lumen bei sehr hoher Leuchtdichte Ersetzt 25 W Halogenlichtquelle Vereinfachung Geräteaufbau da keine Lichtleiter mehr notwendig Geringerer Wärmeeintrag des Gesamtsystems

5 Verbesserung der Bildverarbeitung Signifikante Verbesserung der Bildverarbeitung z.b. Subpixelshift Kreis-FA-ohne Kreis-FA-mit Verbesserte Erfassung der Kreisform Optimierung Bildverarbeitung: Subpixel- Restabweichung Verzeichnung Mikrolinsen.3.2 Pixel y = -3E-13x 4 + 1E-9x 3-7E-7x 2-5E-5x Pixelnummer HiRes CCD Kamera Subpixelfehler Pixel Pixelposition.96

6 Verzeichnungskorrektur Chromnormal Kreis Ergebnis: Um Genauigkeit des Gerätes nachzuweisen waren die vorhanden Normale nicht gut genug

7 Optimierung Prüfkörper Formfehler der optischen Einmessplatte gemessen mit 5x Hi-Resolution CCD Kamera Radiale Abweichung in mm neu alt Winkel in Ergebnisse der Arbeiten an der Bildverarbeitung (Zusammenfassung) Verbesserung der Genauigkeit durch Korrektur systematischer Abweichungen z.b. Verzeichnungskorrektur: Verbesserung der Messergebnisse um Faktor 1 Subpixelshift -> Auflösungssteigerung Integration (Hardware und Software) hochauflösende Kamera Umstellung der Beleuchtung auf weiße LED s -> bessere thermische Eigenschaften bei gleicher Helligkeit beschleunigte Autofokus-Messungen

8 Optimierung Fasertaster: Zweikugel Fasertaster 2 mm Entstanden in Zusammenarbeit mit der PTB Das Projekt Modus: Speckle-Taster Signifikante Verbesserung der taktil-optischen Messtechnik z.b. Speckle-3D-Taster z = 8 µm Korrelation 1, , , , Max. Korrelation a. Bild bei z = 43 µm b. Bild bei z = 433 µm Bild.-Nr. z = 433 µm z = 4 µm Bildstapel (3D-Darstellung) z = µm

9 3D-Fasertaster mit Speckle-Auswertung 3D-Antastabweichung Messobjekt: Kugel, Ø1 mm Formabweichung << 1 µm z 3D Abeichung aller gemessenen Punkte < 1µm x y PTB Durchlichtbild des Fasertasters

10 Dynamisches Scannen mit oszillierendem Fasertaster Problem 1: Adhäsion Lösung: Beschichtung, oszillierender Taster Ergebnisse des dyn. Scannens 1. ohne Oszillation,25 Problem 2: Reibung Lösung: oszillierender Taster y/m m Optik -,25 -,25 x/mm,25 x/mm 2. Oszillation (f 2 Hz, A < 3 µm),25 Fasertaster Piezo- Schwingungsgeber -,25 PTB-Testaufbau -,25 x/mm,25 x /mm y/mm Optimierung Fasertaster: Integration Schwingkopf

11 Werth VideoCheck UA 4x4 Messkopf Hochpräzise, telezentrische Festoptik und Werth HiRes IP (hochgenaue Bildverarbeitung) Werth Fasertaster WFP Hochgenauer Abstandssensor Werth Chromatic Focus Probe (WCP) Prüfkugel Stahlkugel Durchmesser = 1.3 mm U=.1 mm (k=2) Rundheit =.19 µm U=.5 µm (k=2)

12 Messung mit CFP PF =.23 mm PS =.24 mm Messung mit WFP ( 2D Version ) PF =.18 mm PS =.2 mm

13 Messung mit BV PF =.2 mm PS = -.2 mm TP+CFP+WFP+BV PF_M(TP2, CFP, WFP, BV) =.24 mm PS_M(TP2, CFP, WFP, BV) = -.3 mm

14 Übersicht der Multisensorik-Messabweichungen TP2 CFP WFP BV TP2 PF = 1.1 PS = -.4 Mit dem realisierten Messgerät CFP PF_M = 2.5 PS_M = -.3 PL_M =-1.6 PF = 2.3 PS = 2.4 in einem Setup so durchführbar! WFP PF_M = 1.8 PS_M = -.4 PL_M =-.7 PF_M =2.4 PS_M =-.6 PL_M =-.7 PF = 1.8 PS =-.2 BV PF_M = 1.2 PS_M = -.2 PL_M =.2 PF_M = 2.4 PS_M = -.1 PL_M = 1.4 PF_M = 1.9 PS_M = -.2 PL_M =.2 PF =.2 PS =-.2 Beispiel mit drei Sensoren PF_M(TP2, WFP, BV) = 1.8 µm PS_M(TP2, WFP, BV)= -.3 µm Beispiel mit vier Sensoren PF_M(TP2, CFP, WFP, BV) = 2.4 µm PS_M(TP2, CFP, WFP, BV)= -.3 µm Alle Werte in µm Nach VDI Testmessungen an Planetenrädern Fasertaster: 2 vertikale Scans zur Erfassung von Zahnradparametern CFP: 2 Kreis-Scans Fasertaster: 3 radiale Scans Fasertaster: 2 Profil Scans in untersch. Höhen Fasertaster: Axialer Scan zur Messung der Oberflächenrauheit

15 Messergebnisse: Messung Planetenräder 1 Messergebnisse: Messung Planetenräder 2

16 Zusammenfassung und Ausblick Ergebnisse Entwicklung und Optimierung eines Multisensor-KMG mit Genauigkeiten im Bereich 1nm Sensortests, -optimierung und -integration weitere Arbeiten Messungen weiterer Bauteile Steigerung der Genauigkeit Optimierung Messzeit Einsatz prozessnäher gestalten Kalibrierung bauteilähnlicher Normale Weitere Sensoroptimierung (z.b. kleinere Abmessungen) Weiterentwicklung der 3D-Mikromesstechnik Weitere Arbeiten zur Messgeräte-Charakterisierung Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit und besten Dank an die Projektpartnern im Projekt MODUS