Bildverarbeitung zur schnellen Messung von Präzisionswerkzeugen. 12.Juni 2012 Dr. Uwe Nehse Marco Büchner

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1 Bildverarbeitung zur schnellen Messung von Präzisionswerkzeugen 12.Juni 2012 Dr. Uwe Nehse Marco Büchner

2 Gliederung Die neuen Anforderungen der Messaufgabe Der experimentell getriebene Entwicklungsprozess in der Softwareentwicklung Die Anforderungen an Software und -bibliotheken im Entwicklungsprozess Beispiel - Dynamic Contour Scan (DCS) eine neuartige Strategie zur Messung von Präzisionswerkzeugen Juni 2012 Dr. Uwe Nehse

3 Mahr in Jena 1987 ZKM-Baureihe mit digitaler Bildverarbeitung 1975 Dreikoordinatenmessgerät UMS 1972 Zweikoordinatenmessgerät ZKM 1963 Wälzfräsermessgerät 1952 Universallängenmesser ULM 1933 Vertikaler Abbe-Längenmessgerät 1926 UMM-Universal-Messmikroskop 1922 Optimeter mit waagerechtem Ständer 1918 Im Unternehmen Carl Zeiss wird die Abteilung Feinmess gegründet Juni 2012 Dr. Uwe Nehse

4 Mahr in Jena 2012 Mahr GmbH Standort Jena 2011 TM 500 mit PROTOS 2006 Komponenten bei Mahr OKM: - Optische Koordinatenmesstechnik (OCM) - Verzahnungsmesstechnik (Gear) - Optische Sensorik (OS) 2005 Gründung der Mahr OKM GmbH 1997 Firmengründung der OKM GmbH 1991 Vereinigung Carl Zeiss Jena / Oberkochen Juni 2012 Dr. Uwe Nehse

5 Typische Messaufgabe Messmaschine Taurus 650s Auswertesoftware Hawk: Maßansicht Tannenbaumfräser gerade Spannut Juni 2012 Dr. Uwe Nehse

6 Anforderungen der Applikation Signifikante Reduktion der Messzeit von Präzisionswerkzeugen mit gerader und drallgenuteter Spannut, ohne genaue Kenntnisse über den Spannutenverlauf Erhaltung der Messprozesseignung für die Präzisionswerkzeuge (c g und c gk > 1,33) Juni 2012 Dr. Uwe Nehse

7 Anforderungen an die Bildverarbeitung Abgrenzung zu anderen Teilen der Bildverarbeitung Grauwertbildverarbeitung an Kantenübergängen Herausforderung: Synchronisation der Kamera mit anderen Geräten z.b. Beleuchtung, Achssteuerungen Herausforderung: Variantenvielfalt der Messobjekte hinsichtlich Material, Kantenform, Oberfläche, Geometrie Juni 2012 Dr. Uwe Nehse

8 Prozess der Softwareentwicklung veränderte Anforderungen Applikation Produktive Umsetzung der Software Neues Verfahren Korrekturverfahren Software für den Prototyp Iterativer Prozessteil Messtechnische Untersuchungen Juni 2012 Dr. Uwe Nehse

9 Anforderung an Softwaresysteme Messtechnische Untersuchungen Produktives System Schnelle Test Gut Anpassbar Hoher Funktionsumfang Automatisierbar mit Scriptsprache Offene standardisierte Schnittstellen Flexible Datenvisualisierung Statistik Visual Studio MATLAB QID Offenes Design Erweiterbar Fehlermanagement Performant Skalierbar auf mehrere Prozessoren Unterschiedliche Betriebssysteme Kontinuierliche Pflege Visual Studio Nvidia GPU Compiler QID Herstellerspezifische Treiber Juni 2012 Dr. Uwe Nehse

10 Ansatz neues Verfahren Bidsequenzauswertung mit Messen in der Bewegung Allgemein: Fotoapparate nehmen mehrere Bilder auf und entscheiden welche das Beste ist Stiching für Panoramabilder am Bildinhalt Messtechnik: Autofokus Tiefenscharfe Bilder Mehrere Bilder aufnehmen und nach unterschiedlichen Kriterien das richtige Auswählen z.b. an der richtigen Position Stiching am Bildinhalt Juni 2012 Dr. Uwe Nehse

11 Anforderungen an die Software Interaktion mit mehreren Bildsequenzen gleichzeitig Datenparallelität zwischen Aufnahme und Auswertung Speicherhandling großer Datenmengen Bildsequenzen sind mehrere Gigabyte Bilddaten Erweiterung der Korrekturverfahren systematische Fehler des Verfahren sind zu korrigieren Fehlerhandling und Sychronisation für parallele Prozesse Juni 2012 Dr. Uwe Nehse

12 Die Lösung Die Fokussierung und Messung der Schneiden erfolgen offline Spannutenparameter wie Spiralsteigung und Spanwinkel sind für die Messung nicht mehr erforderlich. Speicherhandling großer Datenmengen Die Fokussierung und Messung an den Einzelschneiden erfolgt mit bestehender Technologie Aufnahme einer Bildsequenz über 360 Fokussierung und Messung erfolgt offline in der Bildsequenz Zeitgleich zur Auswertung wird die nächste Bildsequenz aufgenommen Durch den Wegfall der Positionierungen (Fokus) wird die Messzeit deutlich verkürzt. Die Anzahl der Einzelschneiden am Umfang hat keinen Einfluss auf die Messzeit Juni 2012 Dr. Uwe Nehse

13 Vorteile: Dynamischer Contour Scan (DCS) Deutliche Verkürzung der Messzeiten Spannutenparameter müssen nicht mehr gesetzt werden (vereinfacht die Programmierung) Automatisches Scannen unbekannter Werkzeuge wird möglich Messfensteransätze werden minimiert Positionierfehler der Messmaschine werden reduziert Risiken: Messgenauigkeit im Zusammenhang mit der Winkelauflösung Abbildung mit 10x Vergrößerung an kleinen Werkzeugen Juni 2012 Dr. Uwe Nehse

14 Messprinzip DCS 1. Aufnahme 2a. Auswertung Detektion Schneidenanzahl Virtueller Fokus Einzelschneide -K Schneide1 0 Kantenantastung N1 +K Virtueller Fokus Einzelschneide -K N1+I1 +K Kantenantastung 90 -K SchneideL Stirnansicht Bildsequenz während Rotation 360 +C 270 Bilder und Maschinenpositionen (4D) -K NL NL+IL +K +K 360 Linearer Ausschnitt 2b. Aufnahme Juni 2012 Dr. Uwe Nehse

15 Messprinzip DCS Bildformat: 1024x1024px 8bit 1MB Bildsequenz: 0 90 Aufnahme: *20 = 400 Auflösung / Abtastung: Bilder Parallelität: Aufnahme und Auswertung 2*1600 Bilder MB Juni 2012 Dr. Uwe Nehse

16 Verfahrensvergleich Statisch vs. dynamisch statisches Messverfahren Fokus immer Dynamisches Messverfahren DCS Juni 2012 Dr. Uwe Nehse

17 Verwandte Messstratgien des DCS Rotationswerkzeug Geometrie unbekannt Geometrie bekannt Spannut unbekannt Spannut bekannt udcs usdcs Spannut lernen Spannut grob parametriert Spannut exakt parametriert oder gelernt kdcs ksdcs DCS: Dynamic Contour Scan AOI manuell AOI automatisch HDCS HDCS: High Dynamic Contour Scan SDCS: Single DCS Einzelschneiden-DCS u: unknown unbekannt k: known bekannt Fokus immer Fokus bedingt Mindeständerung Spannunt Juni 2012 Dr. Uwe Nehse Messstrategie dynamisch Messstrategie statisch

18 Validierung am Beispiel Tannenbaumfräser, Messmaschine Taurus 650s Mass1, relatives Abstandsmaß, T=+/-15µm Maß [mm] udcs 1 ksdcs 1 ksdcs 0.5 ksdcs 0.25 FokImA FokImM MinSpanP Referenz 0.5 Verfahren Prozessfähig wenn c g und c gk > 1,33 MinSpanT 0.5 MinSpanP 0.25 MinSpanP 0.5 FokImM FokImA ksdcs 0.25 ksdcs 0.5 ksdcs 1 udcs 1 MinSpanP 0.25 cg cgk MinSpanT 0.5 Quelle: Leitfaden zum Fähigkeitsnachweis von Messsystemen, Q-DAS GmbH, Juni 2012 Dr. Uwe Nehse

19 Validierung am Beispiel Tannenbaumfräser, Messmaschine Taurus 650s Mass11(1), Durchmessermaß, T=+/-15µm Maß [mm] udcs 1 ksdcs 1 ksdcs 0.5 ksdcs 0.25 FokImA FokImM MinSpanP Referenz udcs 1 ksdcs 1 ksdcs 0.5 ksdcs 0.25 FokImA Verfahren FokImM MinSpanP 0.5 MinSpanP 0.25 MinSpanT 0.5 cg cgk MinSpanP 0.25 MinSpanT 0.5 Große systematische Abweichungen bei Messverfahren basierend auf Sollparametern Abweichungen zwischen Soll und geschliffenen Werkzeug Messverfahren auf Basis von Sollparametern nicht anwendbar Juni 2012 Dr. Uwe Nehse

20 Validierung am Beispiel Tannenbaumfräser, Messmaschine Taurus 650s Messzeiten gerade Spannut Messzeit für 4 Schneiden Messzeit [min] MinSpanT 0.5 MinSpanP 0.25 MinSpanP 0.5 FokImM FokImA ksdcs 0.25 ksdcs 0.5 ksdcs 1 udcs 1 Tannenbaumfräser gerade Spannut Messzeit für 4 Schneiden ohne FokIm Messzeit für 1 Schneide ohne FokIm Messzeit [min] 1 Messzeit [min] 0 0 MinSpanT 0.5 MinSpanP 0.25 MinSpanP 0.5 FokImM FokImA ksdcs 0.25 ksdcs 0.5 ksdcs 1 udcs 1 MinSpanT 0.5 MinSpanP 0.25 MinSpanP 0.5 FokImM FokImA ksdcs 0.25 ksdcs 0.5 ksdcs 1 udcs 1 ca. 50% Messzeitreduzierung bei Werkzeugen mit gerader Spannut Juni 2012 Dr. Uwe Nehse

21 Validierung am Beispiel Tannenbaumfräser, Messmaschine Taurus 650s Messzeiten gedrillte / geschraubte Spannut Messzeit für 3 Schneiden Messzeit [min] Tannenbaumfräser gedrillte Spannut MinSpanT 0.5 MinSpanP 0.25 MinSpanP 0.5 FokImM FokImA ksdcs 0.25 ksdcs 0.5 ksdcs 1 udcs 1 Messzeit für 3 Schneiden ohne FokIm Messzeit für 1 Schneide ohne FokIm 4,5 5 3,5 4 2,5 3 1,5 2 Messzeit [min] Messzeit [min] 0,5 1 0 MinSpanT 0.5 MinSpanP 0.25 MinSpanP 0.5 FokImM FokImA ksdcs 0.25 ksdcs 0.5 ksdcs 1 udcs 1 MinSpanT 0.5 MinSpanP 0.25 MinSpanP 0.5 FokImM FokImA ksdcs 0.25 ksdcs 0.5 ksdcs 1 udcs 1 Deutliche Messzeitreduzierung >> 50% bei Werkzeugen mit gedrillter Spannut Juni 2012 Dr. Uwe Nehse

22 Zusammenfassung Tools für die Aufnahme und Verwaltung von einem Bildstapel vorhanden Tools müssen beim Handling von Bildstapeln noch verbessert werden Speichergrenzen bei 32 bit Unterstützung bei der Parallelisierung von Abläufen Juni 2012 Dr. Uwe Nehse

23 Anforderungen an die Zukunft Verkürzung der Zeit zwischen Prototyp und produktiven System Verschmelzung von Erkennung und Messung Standardisierte Datenformate für verlustfrei gespeicherte Bildstapel/ - sequenzen Juni 2012 Dr. Uwe Nehse

24 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Das vom Freistaat Thüringen geförderte Projekt wurde durch Mittel der Europäischen Union im Rahmen des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) kofinanziert. (Fördernummern: 2008 VF 0042, Teilprojekt 2008 FE 9121) Juni 2012 Dr. Uwe Nehse