Prototyp für das auf Leitkurven basierende Scannen 1

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1 Prototyp für das auf Leitkurven basierende Scannen 1 Dr.-Ing. Christine Schöne, Dipl.-Ing. Steffen Schreiber 1 Problemstellung In der technischen Praxis der 3D - Formerfassung ist es häufig nicht sinnvoll, einen hochaufgelösten Datensatz der Gesamtoberfläche zu erfassen. Einerseits sind oft nur spezielle Bereiche, z.b. scharfe Kanten oder Regelflächen, wie Ebenen -, Kugel- oder Zylindermantelflächen von Interesse. Andererseits kann auch der Aspekt der Genauigkeit von Kantenverläufen des zu vermessenden Objektes z.b. für die Qualitätssicherung im Vordergrund des Interesses stehen. Digitalisiert man das Werkstück gezielt, sind genauere geometrische Informationen der relevanten Bereiche in kürzeren Zeiträumen zu erwarten. /AiF-01/ Im Rahmen der vorgestellten Arbeit wurde der Prototyp eines Meßsystems gebaut, welcher eine Digitalisierung auf der Basis vorgegebener Kantenzüge, so genannter Leitkurven, erlaubt. Leitkurven stellen dabei eine grobe Näherung des eigentlichen Kantenverlaufes auf dem Objekt dar. Im Fall wiederholt gezielter Digitalisierung gleicher Werkstücke, evtl. bei der Qualitätssicherung innerhalb eines Produktionsprozesses, kann es sinnvoll sein, ein Werkstück einmal nach der kanonischen Methode vollständig hochaufgelöst zu vermessen und entweder auf der Grundlage der Punktwolke oder des triangulierten Modells, Leitkurven zu extrahieren. 2 Der Prototyp Der Prototyp besteht aus Basismaschine, Optischer 3D - Scanner und CNC. Als Basismaschine steht eine Modellfräsmaschine und ein Bearbeitungszentrum MAHO 800C zur Verfügung. Die Modellfräsmaschine (Abb. 1) ist eine Drei-Achs-Maschine mit Schrittmotoren und einem Arbeitsraum von 100x50x75 mm. Diese Maschine besitzt kein externes Meßsystem, daher kann die Positionsbestimmung nur über eine Zählung der Schritte der Schrittmotoren erfolgen. Die MAHO 800C ist eine Fünf-Achs-Maschine (BC-Maschine) mit SERCOS-Servo-Antrieben und einem Arbeitsraum von 800x600x500 mm. Zur Datenaufnahme wird ein Punkt-Triangulations-Lasersensor OTM3M der Firma Wolf & Beck GmbH eingesetzt (Abb. 2). Dieser liefert die Messwerte mit einer Frequenz von 2 khz. Damit ist eine hinreichende Punktdichte beim Digitalisieren mit den vorhandenen Maschinen sichergestellt. Durch das rotationssymmetrische Triangulationsverfahren des Lasersensors entstehen an Kanten und Nuten keine Abschattungseffekte. Selbst wenn ein Teil des Empfangskegels abgeschattet wird, genügt meist der verbleibende Teil der Empfangsstrahlung für eine zuverlässige Abstandsbestimmung. Probleme entstehen nur an sehr hohen Stufen oder tiefen Nuten am Werkstück, da aufgrund des begrenzten Messbereichs des Lasersensors an diesen Stellen eventuell kein gültiger Messwert aufgenommen werden kann. 1 Das Vorhaben wurde vom BMWi im Rahmen der Industriellen Gemeinschaftsforschung der AiF gefördert (FV-Nr.: 72ZBR; Zeitraum: 4/2002 6/2004), beteiligte Forschungsstellen: TU Dresden, Institut für Produktionstechnik, Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik Berlin e.v. Forschungsergebnisbericht 2004 Seite 1

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3 Abbildung 1: Modellfräsmaschine mit andronic2060 Abbildung 2: Lasersensor OTM3 der Firma Wolf & Beck GmbH /WuB-03/ Die verwendete Steuerung ist eine andronic2060 der Firma andron GmbH. Dabei handelt es sich um eine PC-basierte Steuerung mit zwei Intelprozessoren, wobei ein Prozessor für den Steuerungsteil und der andere für die Benutzeroberfläche zuständig ist. Für die Messwertaufnahme wird der Lasersensor über eine digitale I/O-Card mit der Steuerung verbunden. Über ein Trigger-Signal, welches von der Software gesteuert wird, wird der Messwert vom Laser angefordert. Dieser liegt als vierzehn Bit TTL-Signal vor. Abbildung 3: Benutzungsoberfläche von OptoScan /Sch-03, SSB-04/ Forschungsergebnisbericht 2004 Seite 3

4 Als Benutzungsinterface als Schnittstelle zwischen Benutzer und Werkzeugmaschine wird das an der Professur für Produktionsautomatisierung, Zerspan- und Abtragtechnik der TU Dresden entwickelte Programm OptoScan eingesetzt (Abb. 3). Der Benutzer kann mit Hilfe des Interfaces die vorhandene Hardware konfigurieren, die Parameter des Lasersensors sowie der I/O-Card ändern, um sie an die Digitalisieraufgabe anzupassen. Die Applikation steuert den gesamten Digitalisiervorgang. Nach Vorgabe der Digitalisierstrategie und der dafür benötigten Parameter übernimmt die Applikation die Kommunikation mit der API der andronic2060-steuerung. Durch die Verwendung von Handshakes wird die notwendige Kommunikationssicherheit gewährleistet. Durch Prozessaufspaltung auf der Steuerung können schon während der Verfahrbewegung neue Zielkoordinaten an die Steuerung übergeben werden. Dadurch ist es möglich, während des Digitalisiervorganges auf die Daten vom Lasersensor zu reagieren und die Strategie anzupassen. Ein Beispiel dafür ist das Zustellen des Sensors während des Digitalisierens, um einen optimalen Abstand des Sensors zur Objektoberfläche zu erreichen und somit die Qualität der aufgenommenen Daten zu verbessern. Während des Digitalisierens werden Positionsdaten der Werkzeugmaschine und Messdaten des Lasersensors protokolliert. Diese Daten werden erst am Ende des Digitalisierens zusammengeführt. Dadurch wird die Steuerung entlastet und ein systematischer Fehler, der durch die Übertragung der Positionswerte während der Laufzeit entstehen würde, vermieden (zeitlicher Versatz beim Synchronisieren von Positionswert und Messwert). Nachdem der Benutzer die Strategie ausgewählt hat und den Digitalisiervorgang startet, werden die benötigten Stützpunkte berechnet und gespeichert. Zur Generierung eines Verfahrweges können von der Applikation bis zu einhundert Stützpunkte an die Steuerung übergeben werden. Durch Splineinterpolation wird aus diesen Punkten der Verfahrweg erzeugt. Die Interpolation wird von der Steuerung durchgeführt. Der gesamte Ablauf beim Digitalisieren mit der Applikation OptoScan ist in Abb. 4 dargestellt. Während des Digitalisiervorgangs ist die Steuerung der OptoScan-Applikation untergeordnet. Nur so ist es möglich, auch während der Datenaufnahme auf die aufgenommenen Daten zu reagieren und die Strategie anzupassen. Zudem können so alle Digitalisierdaten von OptoScan verwaltet und schon während des Digitalisiervorgangs für den Benutzter grafisch dargestellt werden. Um möglichst ein Echtzeitverhalten der OptoScan-Applikation für die Datenaufnahme zu erhalten, werden Datenaufnahme und grafische Darstellung in zwei getrennten Threads durchgeführt, wobei der Darstellungsthread nur eine niedrige Priorität besitzt. 3 Methoden zur Feindigitalisierung entlang gegebener Leitkurven Zur Kantendedektion eines gegebenen Werkstückes wurden verschiedene Scanstrategien mit der gegebenen Leitkurve überlagert. Nachfolgende Tabelle 1 zeigt den so genannten Zick-Zack- und Spiral-Zyklus Zur Kantenfindung wird der Laplace-Operator eingesetzt. Der Laplace-Operator ist ein linearer, richtungsunabhängiger Operator. Dadurch ist die Software nur zum Finden von scharfen Kanten ausgelegt. Es wird davon ausgegangen, dass eine scharfe Kante an der Stelle vorliegt, an der die zweite Ableitung der aproximierten Funktion über die digitalisierten Punkte eine Nullstelle aufweist. Da der Laplace-Operator rauschempfindlich ist, werden die digitalisierten Punkte zuvor mit einem Gaußfilter geglättet. Forschungsergebnisbericht 2004 Seite 4

5 Start Eingabe der Strategie und Parameter durch den Benutzer Kommunikation mit CNC, Übergabe der aktualisierten Daten an CNC Digitalisiervorgang und gleichzeitige Auswertung der Sensordaten Generierung der neuen Daten Beibehalten der Strategie? NEIN NEIN JA Zielposition erreicht? JA Synchronisation der Protokolldaten Speichern der Daten Ende Abbildung 4: Ablauf beim Digitalisieren Tabelle 1: Scanstrategien Forschungsergebnisbericht 2004 Seite 5

6 4 Ergebnisse Das leitkurvenbasierte Scannen bildet die Grundlage für eine formabhängige Digitalisierung und der damit verbundenen Reduzierung der Digitalisierdaten auf die für die Aufgabe hinreichenden und notwendigen Punkte, Linien und Teilflächen eines Objektes. Dadurch kann der Gesamtprozess der Erfassung und Bearbeitung der Daten wesentlich vereinfacht und effektiviert werden. Ziel dabei ist eine Redundanzfreiheit der Punktewolke, um die rechnergestützte Oberflächengenerierung zu erleichtern. Ein solches Vorgehen wurde von den Digitalisiersteuerungen bisher nicht unterstützt. /SSB- 04/ Literatur /AiF-01/ Prototyp für das auf Leitkurven basierende Scannen, Genehmigter Forschungsantrag an die Industriellen Gemeinschaftsforschung der AiF, Förderkennzeichen 72 ZBR/1, TU Dresden, Institut für Produktionstechnik, Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik Berlin e.v., 2001, Laufzeit 4/2002 6/2004 /Sch-03/ Schreiber, S.: Beiträge für das leitkurvenbasierte Scannen Programmierung, Testung und Bewertung, Diplomarbeit, TU Dresden, Professur Produktionsautomatisierung, Zerspan- und Abtragtechnik, 2003 /SSB-04/ Schreiber, S., Schöne, C., Bohnet, M., Paul, L.: Prototyp für das auf Leitkurven basierende Scannen, 3D-Nordost2004, Berlin /WuB-03/ Wolf & Beck: OTM3. Firmenschrift, Wolf & Beck GmbH, Wangen, 2003 Forschungsergebnisbericht 2004 Seite 6