Optisches Multi-Sensor-Messverfahren zur dimensionellen in-line Messung von Strangprofilen im Fertigungsprozess

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1 Optisches Multi-Senso-Messvefahen zu dimensionellen in-line Messung von Stangpofilen im Fetigungspozess De Technischen Fakultät de Univesität Elangen-Nünbeg zu Elangung des Gades D O K T O R I N G E N I E U R vogelegt von M. Eng. Johannes Benstein Elangen - 0

2 Als Dissetation genehmigt von de Technischen Fakultät de Univesität Elangen-Nünbeg Tag de Eineichung: Tag de Pomotion: Dekan: Beichtestatte: Pof. D.-Ing. habil. Reinhad Geman Pof. D.-Ing. D.-Ing. E.h. D. h.c. mult. Albet Weckenmann Pof. D.-Ing. Raine Tutsch

3 Zusammenfassung Die Fetigungsübewachung komple gefomte Stangpofile wähend des Hestellungspozesses ist mit steigenden Anfodeungen vebunden. Dabei sind die geometischen Poduktmekmale wie änge ode Fom kontinuielich zu kontollieen. Die Halbzeuge aus Stahl, Messing, Aluminium ode Kunststoffen weden aus witschaftlichen Günden fü die Hestellung viele technische Podukte eingesetzt und müssen dahe hinsichtlich Ihe Gestalt übewacht weden. Die heutzutage vewendeten optischen Sensossteme können entwede nu geinge Datendichte mit auseichende Messunsicheheit und Messate, ode konkave Pofilzonen mit unzueichende Messunsicheheit und zu langsam bestimmen. Ein ehebliche technische Voteil besteht dain, die singuläen Messvefahen in einem optischen Multi-Senso-Messvefahen zu veeinen. Mit den Püfaussagen lassen sich Ausschuss- und Nachabeitsanteile eduzieen und gleichzeitig die Bauteilqualität bezüglich de Gestalt vebessen. In de voliegenden Abeit wid dahe ein wissenschaftliche Beitag fü ein geeignetes optisches Multi-Senso-Messvefahen zu echtzeitfähigen, päzisen und vollständigen Messung konkave Stangpofile vogestellt und gemäß wissenschaftlichen Standads evaluiet. Danach wude das neue Messvefahen in de ealen Fetigungsumgebung veifiziet. Abstact Nowadas the pocess-contol of comple etuding is a measuing task with ising equiements. Theefoe the geometical chaacteistics have to be analsed in-line. Because of economic easons semi-finished poducts fom steel, bass, aluminium o snthetics ae inceasingl used in a couple of technical poducts. The advantage of dimensional accuac and fastness as well as the possibilit of measuing concave poducts cannot be fulfilled simultaneousl. The geat data-densit of light-section sstems fo comple pofile tpes is attended b elativel slow and non-accuate measuement esults. Shadow sstems delive onl two-point infomation of the widest bounda of the pats what is often not suitable e.g. fo concave shapes. Theefoe, this wok deals with a scientific contibution fo an optical multi-sensoial measuement sstem which consists of shadow- and light-section-sstems as well as suitable methods of analsis fo the in-line inspection of concave etuding. The measuement esults enable the manufactuing of highe poduct qualit. The combined esults enable to influence the pocess contol positivel and educe ewok significantl. Afte successful laboato esults based on scientific metolog standads the method had been evaluated in the shop floo successfull.

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5 Danksagung Die voliegende Abeit entstand wähend meine Tätigkeit als wissenschaftliche Mitabeite am ehstuhl Qualitätsmanagement und Fetigungsmesstechnik (QFM) de Fiedich-Aleande Univesität Elangen-Nünbeg. Mein besondee Dank gilt Pof. D.-Ing. D.-Ing. E.h. D. h.c. mult. Albet Weckenmann, Inhabe des ehstuhls QFM, fü das entgegengebachte Vetauen, die Untestützung und Födeung meine Abeit sowie die Übenahme des Hauptefeates. Pof. D.-Ing. Raine Tutsch, Inhabe des Instituts fü Poduktionsmesstechnik de Technischen Univesität Baunschweig, danke ich fü die Untestützung sowie die Übenahme des Koefeates. Daübe hinaus danke ich Pof. D.-Ing. habil. Tino Hausotte, Inhabe des ehstuhls Fetigungsmesstechnik de Fiedich-Aleande Univesität Elangen-Nünbeg, fü die Übenahme des Püfungsvositzes. Ebenfalls danke ich Pof. D.-Ing. Reinhad ech, Inhabe des ehstuhls füs Sensoik (SE) de Fiedich-Aleande Univesität Elangen-Nünbeg, fü die Teilnahme als weitee Püfe an de mündlichen Püfung. Allen Mitabeiteinnen und Mitabeiten des ehstuhls QFM meinen Kollegen danke ich fü die angenehme Abeitsatmosphäe und die seh konstuktive und angenehme Zusammenabeit. D.-Ing. Matin Bookjans untestützte daübe hinaus engagiet beim Koektulesen de Abeit und leistete oganisatoische Hilfestellungen. Die Zuabeiten de von mi beteuten Studien-, Pojekt- und Diplomabeite leisteten einen eheblichen Beitag zum Gelingen diese Abeit. Besondee Dank obliegt in diesem Zusammenhang Dipl.-Ing. Robet Ottlo und Dipl.-Ing. Matthias Stoath. Fü Ih heausagendes Engagement möchte ich hiebei ebenso den wissenschaftlichen Hilfskäften Viktoija Seidle und Paul Eisle danken. Die Technischen Angestellten Chistian uca und Helmut Geschütz leisteten tatkäftige Untestützung bei handweklichen Aufgabenstellungen. Meinen Büden, weiteen Vewandten und Feunden danke ich fü Ih Veständnis und die Untestützung im pivaten Beeich wähend de gesamten Zeit. Besondes goße Dank gilt meinen Elten, die mi emöglichten, diesen Weg zu bescheiten. Elangen, Apil 0 Johannes Benstein

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7 Inhaltsvezeichnis i Einleitung... Aktuelle Messvefahen fü die kontinuieliche Halbzeugpoduktion D Schattenwufmessvefahen mit paallelen ichtstahlen fü,5d Messegebnisse Messpinzip und Messmethode Eeichbae Kennwete und Anwendungsbeeiche in de Poduktion D - ichtschnittvefahen nach dem Tiangulationspinzip fü,5d Messegebnisse Messpinzip und Messmethode..... Eeichbae Kennwete und Anwendungsbeeiche in de Poduktion Offline Messvefahen mit zusätzlichem Handling Defizite de beschiebenen Ssteme Zielsetzung und wissenschaftliche Ansatz Anfodeungen an ein vebessetes Messvefahen fü die dimensionelle Fetigungsmesstechnik bei kontinuielichen Hestellvefahen Allgemeine messtechnische Anfodeungen Pozessbedingte Eigenschaften de Messobjekte Spezifische Anfodeungen an die Applikation in de Fetigungsumgebung Theoetische Gundlagen fü ein optisches Multi-Senso-Messsstem Realisieung eines optischen Multi-Senso-Messsstems zu Stangpofilmessung Kombination de Messvefahen beide Subssteme Kalibievefahen Messdatenfusion Auswetevefahen Konzeption des Vesuchstäges Konstuktive Eigenschaften Fleibilität und Vaiabilität des Messvefahens eistungsbescheibung Gefodete Eigenschaften bei Sensoauswahl... 60

8 ii Inhaltsvezeichnis 4.3. Technische Anfodeungen Ansteueung de Hadwae Robustheit des Messvefahens gegen pinzipbedingte äußee Einflüsse Eigenschaften eines geeigneten Beleuchtungsvefahens Phsikalisches Wikpinzip Optische und andee technische Kenngößen Robustheit gegen pinzipbedingte äußee Einflüsse Einstellungskonzeption de ichtquellen und de Sensoen in Abstand und Winkel Messsoftwae Untesuchung de messtechnischen Eigenschaften Vogehensweise Messegebnisse mit dem Messvefahen Modelliete Messunsicheheitsanalse nach GUM Epeimentelle Messunsicheheitsanalse nach VDI Wechselwikungen simuliete Einflussgößen Auswetung von Reihenmessegebnissen mit Gauß-, Hüll- und Pfechkiteium Analse und Bewetung Evaluation des Multi-Senso-Messvefahens in de ealen Fetigungsumgebung Test des Messvefahens in de ealen Fetigungsumgebung Messegebnisse, angzeitstabilität und Repoduziebakeit Robustheit gegen Einflüsse: Schwingungen, Stäube, Tempeatu Bewetung de messtechnischen Eigenschaften Zusammenfassung und Ausblick... 7 Abküzungsvezeichnis iteatu... 5

9 Einleitung Einleitung Fü die Konfomitätspüfung von Podukten im Rahmen de Qualitätssicheung sowie fü die Pozessegelung weden genaue, quantitative Infomationen übe die Abmessungen und die Gestalt von Wekstücken benötigt [WECKENMANN 999]. Stangpofile und andee Halbzeuge sind in Walz-, Zieh- ode Pess-Pozessen hegestellte, endlose Wekstücke aus Stahl, Messing, Aluminium, Kunststoff u.a. Mateialien, welche aus witschaftlichen Günden in vielfältigen Anwendungen bei de Gestaltung und Fetigung technische Podukte eingesetzt weden (Bild ). Sowohl in alltäglichen Podukten wie Schlössen und Schienen als auch in Getieben und Pessstempeln weden diese halbfetigen Teile eingesetzt und hiezu teilweise noch endbeabeitet [INGERSO-RAND 999]. Dezeit gibt de Kunde fü diese Stangpofile ängen- und Fomtoleanzen von 0, mm bis 0,5 mm in einem Messbeeich bis 00 mm Queschnittsduchmesse vo. Die Tendenz geht hin zu imme kleineen ängen- und Fomtoleanzen um Nachbeabeitungen und den Ausschussanteil von aktuell bis zu 0 % de Poduktionsmenge deutlich zu eduzieen. Die dabei poduzieten halbfetigen Teile sollen demnach mit minimalen Maßabweichungen vemeht in Wekzeugen ode als Gehäuseteile eingesetzt weden können und eine gleichbleibend gute Qualität hinsichtlich Ihe Gestalt besitzen [DIN ]. Dezeit ist diese Püfung und Übewachung aufgund mangelnde Messvefahen häufig nicht zufiedenstellend möglich und gefähdet somit die Wettbewebsfähigkeit de Hestelle auf dem intenationalen Makt. c) a) b) d) e) f) Bild : Stangpofile als Halbzeuge fü viele technische Endpodukte: a) Messingohe [KUPFERINSTITUT 00], b) Rundstangen [KUPFERINSTITUT 00], c) Schließzlinde [ABUS 00], d) Eisenbahnschienen [VOEST 00], e) und f) Pessstempel und ochbuchsen [MICRONORM 00] Dahe weden die Halbzeuge heutzutage nach de eigentlichen Ufomung in einem enegieintensiven Ziehpozess weiteveabeitet ode anschließend meist spanend nachbeabeitet. Dabei wid das Pofil wam glattgezogen, ggf. noch kaltgezogen, teils übedeht und poliet, um die Kundenspezifikationen siche einhalten zu können. Gemäß de goldenen Regel de Messtechnik sollte fü eine Messaufgabe ein dimensionelles Messgeät mit eine Messunsicheheit eine Gößenodnung besse als de vogegebenen Toleanz vewendet weden [BERNDT 968]. In de voliegenden Messung wäe demzufolge eine Messunsicheheit von 0 - mm, besse 0 - mm einzuhalten, est

10 Einleitung dann kann die geometische Maßhaltigkeit nachhaltig übewacht weden [MASING 007]. Die bishe zu in-line-pozessübewachung eingesetzten Messgeäte abeiten wegen de vielfältigen Anfodeungen ausschließlich optisch, da die Messobjekte schnell bewegt, in Ihe Beschaffenheit pastös ode teilviskos sowie z.b. bei Messing bis übe 800 C wam sind [DIEH 00]. Dahe scheiden taktile Messvefahen im Fetigungspozess von voneheein aus [WECKENMANN 007]. Bei geeigneten optischen Messpinzipien wie dem klassischen Schattenwufpinzip (Kap..) efasst ein asescanne das Pofil unabhängig von de age des Pofils im Messbeeich. Am pozessbedingt nicht uhenden Messobjekt wid in jedem gemessenen Pofilqueschnitt die Ausdehnung des, duch aktive Beleuchtung ezeugten, Schattens senkecht zu Beleuchtungsachse bis zu 0 - mm genau und quasi-kontinuielich bestimmt, wobei duch zusätzliche Einflüsse die o.g. Messunsicheheit nicht imme sichegestellt weden kann (Kap. 5). Da lediglich die Stelle de maimalen Ausdehnung an eine lokalen Zone gemessen wid, können konkave Pofilbeeiche mit diesem Messvefahen nicht efasst weden. Altenativ können fü in-line-messungen konkave Pofilzonen ichtschnittssteme eingesetzt weden, die nach dem Tiangulationspinzip abeiten, jedoch die gefodeten Messunsicheheiten besse 0 - mm nicht beeitstellen können (Kap..). Zudem sind sie fü die gefodete Datendichte und die schnelllaufenden Messobjekte häufig zu langsam. Die Messegebnisse weden daübe hinaus von ageveändeungen des Pofilschnitts beeinflusst, wie sie beim Stangpessen unvemeidba sind [WECKENMANN 008]. Auswefewekzeug Stangpofil Coilbahn Wamschee Stangpofil mit v Passive Rollengang/ Tavese v Coilbahn (fü kleine Stangpofile) Bild : Übliche Messposition in de Stangpofilfetigung; links: Pofilauslaufzone, echts: passive Rollengang mit angenzende Wamschee zu Tennung des Halbzeugs [DIEH 00] Ein optisches Multi-Senso-Messvefahen fü deatige in-line-messungen kann die Voteile beide Messvefahen kombinieen und zu eheblich aussagekäftigeen und gleichzeitig genaueen Messegebnissen fühen. Jedoch setzt dies geeignete Methoden fü die Sensoauswahl, deen Justieung und Kalibieung, den gemeinsamen Snchonisationsstandad, die Datenfusion sowie die Analse de Messegebnisse voaus [WECKENMANN 003]. Zudem heschen in de voliegenden Applikation, die eeichbae Messunsicheheit negativ beeinflussende, Wekstattbedingungen vo (Kap.. und

11 Einleitung 3 Kap. 4.). Die dafü benötigten metologischen Kenntnisse sind heutzutage in de Fetigungsmesstechnik zu weiten Teilen noch nicht ode nu faktal vohanden. Je schwieige die Nutzung de Messvefahen, die Intepetation de Messegebnisse und auch die hineichende Rückkopplung de Egebnisse auf den Hestellpozess sind, desto komplee liegen die Messdaten im Regelfall vo [WAGNER 000]. Zudem ist de kontinuieliche Hestellungspozess von Halbzeugen äußest empfindlich und schwe beheschba [DEPPE 005]. Kleine Ändeungen von den vielfältigen elevanten Paameten wie u.a. Stanggeschwindigkeit, Pessduck des Stempels, Bolzentempeatu und die Beheizungstempeatu des Pessstempels sowie des Rezipienten sind nicht ode nu in engen Genzen möglich [DIEH 00]. Dahe teten heutzutage Ausfälle, Maschinenschäden, hohe Ausschussaten (teils > 0 %), egelmäßige Poduktionsstillstände ode unsichtbae Gefügeveändeungen im Stangpofil imme wiede auf [DIEH 00]. All das beeintächtigt die Witschaftlichkeit empfindlich und kann nu duch optimal abgestimmte Paameteeinstellungen minimiet weden. Hiefü sind Messgeäte notwendig, die päzise und objektive Messdaten beeitstellen ohne negative Rückwikungen auf den Fetigungspozess mit sich zu bingen. In de voliegenden Abeit wid duch die Konzeption eines optischen Multi-Senso-Messsstems aufgezeigt, dass die Kombination zweie Messvefahen mittels fusioniete Auswetung und egonomische Visualisieung ehebliche Voteile mit sich bingt, was letztlich dazu beitägt, wettbewebsfähige Halbzeuge in de Fetigungsindustie hezustellen. Fü die o.g. Heausfodeungen wuden messtechnische Vefahenslösungen in einem optischen Multi-Senso-Messvefahen eabeitet, in Simulation und Vesuchen evaluiet sowie in de auen Fetigungsumgebung veifiziet. Nachstehend sind diesbezüglich de Stand de Technik, die gundlegende Efoschung eines deatigen Messvefahens, inklusive de Sensoauswahl, de Sstemeinstellungen und weitee Komponenten sowie die efodeliche zeitliche Snchonisation, de Fusionsstandad und die eeichten Messegebnisse aufgefüht. Die zu messenden Stangpofile weden je nach Tp und spezifische Vewendung mit Geschwindigkeiten übe 0 ms - (beim Dahtziehen bis 00 ms - ) aus dem Auswefe gepesst und haben Queschnittsduchmesse von 0 mm bis 00 mm (Bild ). Unzählige Pofilfomen und Mateiallegieungen sind nach Kundenwunsch im Poduktpotfolio de Hestelle vefügba [DIEH 00]. Die am häufigsten nachgefagte Queschnittsfom ist mit übe 60 % Poduktionsmengenanteil das Rundpofil, da es fü Buchsen, Snchoninge in Schaltgetieben und andee technische Endpodukte in eheblichem Umfang eingesetzt wid. Jedoch bilden auch Standadpofilfomen wie Viekant, Sechskant, Achtkant, T-, H-, - und Schlosspofile weitee Schwepunkte de poduzieten Pessmenge, bei denen das o.g. Schattenwufvefahen einige Beeiche konkave Pofile pinzipbedingt nicht efassen kann (Bild 3).

12 4 Einleitung Bild 3: Häufig vewendete Stangpofiltpen mit dezeit nicht duch Schattenwufssteme messbaen konkaven Pofilbeeichen (ot makiet); Veschiedene Queschnittsfomen von links nach echts: Rund-, Viekant-, Sechskant-, Konve, Konkav-, Doppel-T-, -Pofil Messing besitzt z.b. eine spezifische Dichte von ca. 8,9 kg/dm 3 und wid monatlich in eine Menge von meheen tausend Tonnen in Deutschland poduziet [KUPFERINSTITUT 00]. Aufgund de positiven Eigenschaften des Wekstoffs wie de Selbstschmieung, nichtostende Obefläche und gute Veabeitungsmöglichkeiten weden Messinglegieungen zunehmend nachgefagt. Dabei entstehen enome Kosten fü auszusondende Pofile in Fom von z.b. Enegie- und Pesonalkosten. Die o.g. und häufig notwendigen Nachabeiten sehen zwangsläufig vo, das Podukt mit Handlingaufwand auszusonden, eneut einzuschmelzen und danach dem Stangpozess wiedeholt zuzufühen [FISCHER 997]. Die hiefü efodelichen Induktionsöfen benötigen goße elektische Enegiemengen mit den stetig steigenden Kosten wegen des dnamischen Rohölpeises. Dazu kommen efodeliche Reinheitsanspüche an die egieung, welche duch die beim Auspessen entstehenden Veuneinigungen und Vezundeung duch Beimischung eine Wekstoffanteile kompensiet weden müssen. In Zeiten steigende Rohstoffpeise von Metallen und Metallschott stellt dies einen eheblichen Kostenfakto da, den sich ein witschaftliches Untenehmen in Zeiten intenationale Konkuenz kaum meh leisten kann [BAUSER 00]. Nicht messbae Zonen Die meisten Pofile sind smmetischen Queschnitts, das Poduktionspogamm enthält jedoch auch asmmetische Spezialfomen [SCHWARZKOPF 008]. Um die damit vebundenen metologischen Anfodeungen zu efüllen, entstand de Ansatz fü die Efoschung eines Multi-Senso-Messvefahens, mit dem veschiedene Pofilfomen und Halbzeuge gundsätzlich allgemeingültig gemessen weden können sowie allgemeingültige Aussagen zu Messung von Halbzeugen elangt weden. Dabei spielt ein zugehöiges, spezifisches Kalibievefahen eine zentale Rolle bei neuen Messvefahen [JÄHNE 996], [WECKENMANN 009e]. Im Rahmen de duchgefühten Evaluieung des Messvefahens, auch unte Wekstattbedingungen, weden alle wesentlichen wissenschaftlichen Aspekte und Egebnisse sowie die Fähigkeiten gezeigt (Kap. 4.).

13 Aktuelle Messvefahen fü die kontinuieliche Halbzeugpoduktion 5 Aktuelle Messvefahen fü die kontinuieliche Halbzeugpoduktion Vielfältige Messvefahen kommen fü die Messaufgabe kontinuieliche Halbzeugpüfung hinsichtlich Konfomität von Duchmesse und Fom in Fage, z.b. auch taktile Messvefahen und insbesondee übliche Handmessmittel ode ehen [PFEIFER 00]. Diese scheiden jedoch aufgund de pozessbedingt nicht uhenden Messobjekte und auhe Umgebungsbedingungen in de Regel aus [DUTSCHKE 005]. Die beeits eläuteten Umgebungsbedingungen vehinden auch duchstahlende in-line Vefahen wie die Röntgen-Computetomogaphie, akustische Ansätze wie das Ultaschallmessvefahen bei denen die Schallgeschwindigkeiten und die Gadienten nicht hineichend genau bekannt sind ode den asetace [BAUER 007]. Andee Vefahen scheiten aufgund de Randbedingungen an den Gadienten in uftdichte und - tempeatu sowie daan gekoppelt de Schallgeschwindigkeit de uft. Bei den vebleibenden makooptischen Ansätzen, wie dem ichtschnitt- ode dem Schattenwufvefahen, sind die industiell gefodeten Messunsicheheiten unte eschweten Bedingungen nicht ohne weitees eeichba, wenngleich teilweise die Geätespezifikationen unte abobedingungen zunächst efolgvespechend sind und optische Messvefahen wegen Ihe Datendichte, Messgeschwindigkeit und Fleibilität häufig Voteile bieten [TUTSCH 008]. Optisches Messsstem in de Fetigungsmesstechnik Eingabe Intene Komponenten Ausgabe Objekthandling Objektiv Kameasenso Bildausgabe [SillOptics] [ Beleuchtung Schnittstelle BV-Hadwae & Bildauswetung Anlagenanbindung 000 Bild 4: Allgemeine Aufbau von Kameapüfsstemen in de Fetigungsmesstechnik Optische Mess- und Püfssteme bestehen in de Regel aus eine Eingabeeinheit, intenen Komponenten und eine Ausgabeeinheit (Bild 4), [FABRIMEX 008]. Das Objekthandling efolgt im Stangpozess in-line, auf eine aktiven bzw. nachgelaget eine passiven Rollbahn, welche die Pofile in Richtung und age konstant bewegt und geichtet fühen [MODRICH 007]. Die Beleuchtung wid in singulä eingesetzten optischen Kameasstemen duch eine diffuse ichtquelle, in SS duch einen asefäche

14 6 Aktuelle Messvefahen fü die kontinuieliche Halbzeugpoduktion (Kap..) und in SWS meist duch einen punktfömigen ase (Kap..) eeicht. Heute sind dafü wegen ihe günstigen optischen und baufombedingten Eigenschaften Diodenlase im Fetigungsbeeich üblich [BASSMANN 000], [SCHUSTER 008]. Geinge Baugöße, Robustheit und niedige Hestellkosten sind bei auseichende ebensdaue übeduchschnittlich. Zudem entfällt die Einlaufzeit andee asepinzipien, wie z.b. dem klassischen Gaslase, Kap Die Kameaobjektive de ichtschnittssteme weden häufig duch entozentische Objektive mit geinge Baugöße sichegestellt, selten duch telezentische, Kap. 4.3 [POYTEC 008]. Als Sensofeld finden CCD-Chips (CCD: Couple Chaged Device) in diese Anfodeung in beiden Messvefahen bevozugt Anwendung, insbesondee wegen Ihe goßen ichtempfindlichkeit im Gegensatz zu CMOS-Kameas (CMOS: Complementa Metal Oide Semiconducto). Die Stahlfühungen und die eingesetzten Objektive von Schattenwufsstemen sind um das Messobjekt positioniet und telezentisch ausgefüht um paallele ichtstahlen im Messfeld zu ezeugen. Die Beite dieses sich bewegenden ichtvohangs gibt den Messbeeich vo [BA-MESSTECHNIK 00]. Die Schnittstellen zum Ausweteechne bzw. de Ausgabe weden in vielen Fällen duch elektonische Ausweteeinheiten beeitgestellt. Beim Geäteanschluss an die Rechnehadwae und die eingesetzte Messsoftwae weden meist konventionell genomte Schnittstellen goße Übetagungsate wie RS 3, RS 485, RS 4, Fiewie, Ethenet, Camea-ink ode USB vewendet (Kap. 4.3.). Die Bildauswetung findet häufig mit Hilfe standadisiete ode individuell beeitzustellende Algoithmen und Softwaebausteinen statt, welche teilweise lizenzechtlich zu eweben sind [JÄHNE 005]. Fene wid die Messsoftwae auch fü die Ausgabe und die Datenausgabe vewendet. Eine Anpassung de geweblichen Algoithmen und Quelltete ist mangels Offenlegung seitens de Hestelle selten möglich, woduch Bedaf zu individuelle Kalibie- und Messsoftwae entsteht [AHERS 000]. Die Auswetung und Anbindung an die Pozessegelung de Fetigungsanlage ist nu untegeodnete Gegenstand diese Abeit, weshalb lediglich die Konzeption, die gundlegende Funktion und Methodik skizziet wid. Die gesamte Messdatenauswetung muss im Zuge goße Fleibilität modula aufgebaut sein, z.b. da Pofilspezifikationen ode Sensoeinstellungen in unegelmäßigen Abständen veändet weden müssen [ABMAYR 00], [BAUER 00a].. D Schattenwufmessvefahen mit paallelen ichtstahlen fü,5d Messegebnisse Das Schattenwufvefahen ist bei in-line-püfungen weit vebeitet wegen seine genauen messtechnischen Eigenschaften und einfachen Funktionsweise [BIMBERG 993]. Daduch können obuste Messssteme beeits in mittleen Stückzahlen zu witschaftlich inteessanten Konditionen beeitgestellt weden. Das dabei ezielte Messegebnis ist ein skala-

15 Aktuelle Messvefahen fü die kontinuieliche Halbzeugpoduktion 7 es Zweipunktmaß, welches die maimale Queschnittsbeite D des Messobjekts an de Messstelle zum Zeitpunkt de Messung veköpet. Daduch ist ein SWS nicht nennenswet beeinflusst von kleinen latealen ageveändeungen des Pofils, wie sie im Regelfall wähend de Poduktion vokommen (Bild 5). Kenntnisse übe die eakte Position des Pofils im Stahlengang sind nicht notwendig, wenngleich diese mit ausgewetet wid. ediglich die Beite des Messobjekts zusammen mit dem ängenintevall de Pofilbewegung daf den Messbeeich nicht übesteigen. Aus den gemessenen ängenweten können duch hohe Messfequenzen von übe 500 Hz auch Kenntnisse de Ausbingungsgeschwindigkeit und de Position des Messgeäts in z-richtung mögliche dimensionelle Abweichungen detektieen. Eine Folge ist, dass diese Stellen auf dem Podukt späte z.b. im Rahmen von Reklamationen gundsätzlich wiedegefunden weden können. Die Effekte von insenvezeichnung, Kantenposition und Zeitmake sowie üblichen Kalibieunsicheheiten fühen. Dennoch sind geinge Messabweichungen eeichba. Duch Einsatz mehee Sensoen ode Oszillieen, bzw. Rotieen des SWS um das Messobjekt (Bild 6), können D- Infomationen geneiet weden, die jedoch wie o.g. nu fü unde ode konvee Pofilfomen unte Venachlässigung de Fomabweichung geeignet sind. Duch die pozessbedingte Bewegung des Pofils in z-richtung (Ausbingungsichtung), welche duch Messung de Pofilgeschwindigkeit ode duch Beechnung auf Basis des Umfomvehältnisses und de Stempelgeschwindigkeit bekannt sind, können,5d-messegebnisse eeicht weden bzw.,5d-egebnisse bei Rundpofilen. Insbesondee übe die Zeit und die Tempeatuändeung sowie Tempeatugadienten (Wämevezug) im Aufbau teten mechanische Bahnabweichungen auf, welche zu Messunsicheheitsbeitägen fühen, die sich negativ auf die Qualität des Messegebnisses auswiken [BA-MESSTECHNIK 00]... Messpinzip und Messmethode Das Funktionspinzip des SWS (Bild 5) basiet meist auf ückgefühten Zeitmessungen mit theoetischen Messunsicheheiten bis 0 - s. Hiezu wid ein asestahl (Punktlase) auf einen stahlaufweitenden Kollimato gelenkt (Kap. 4.4.). De aufgeweitete Stahl wid paallelisiet und de entstehende, wiedeholt bewegte ichtvohang duch das Messobjekt untebochen. Auf de Gegenseite lenkt ein stahlbündelnde Kollimato dazu Hell-Dunkel- Infomationen auf einen punktfömigen Detekto. Diese wetet die Signale nach Gleichung.(Kosinusabweichung venachlässigt) mit de gemessenen Zeit t Abschattung übe einen Oszillato mittels Zählung auf Basis de Ausschlagmethode und eine Ausweteelektonik aus. Die Zeit entspicht dabei de Daue, die de ichtvohang von dem Messobjekt am Aufteffen auf dem Detekto gehindet wid. Angeschlossen an eine Visualisieung mit de Möglichkeit zu Kalibieung und Nullstellung, wid die bekannte Bewegungsgeschwindigkeit des ichtvohangs mit de gemessenen Abschattungszeit multipliziet und ausgegeben.

16 8 Aktuelle Messvefahen fü die kontinuieliche Halbzeugpoduktion ichtintensität Motosteueung Oszillato Polgonspiegel Ausweteelektonik Gate Visualisieung, Datenausgabe Nullstellung, Kalibieung Schwellwet D t Zeit t in s ω ase Messobjekt Kollimationslinsen Photo - detekto Zeitmessung 9 t 6 3 Bild 5: Messpinzip des Schattenwufvefahens auf Basis de Zeitmessung des Schattens Dabei eechnet sich zusammen mit bekannten Geätekonstanten die abgeschattete änge l, welche de maimalen Bauteilbeite an de Messstelle entspicht. Damit liegen ückgefühte, skalae Messegebnisse de ängeneinheit Mete [PTB 009] vo (venachlässigte Kippabweichung, welche die effektiv gemessene änge othogonal zu Beleuchtungsachse beeinflusst): l = const Schattenwufsstem v ichtvohang t Abschattung (.) Solange die ageändeungsgeschwindigkeit des Messobjekts (bis ms - ) deutlich kleine ist als die Bewegungsgeschwindigkeit des ichtvohangs (welche tpischeweise um 5 0 ms - liegt) kann de Schwingungseinfluss des Messobjektes venachlässigt weden. Die efodeliche ichtstäke des ases kann geing sein (z.b. wenige mw), da nu Hell-Dunkel Signale digitalisiet und ausgewetet weden. De Einfluss duch Infaotstahlung auf den lichtempfindlichen Detekto, welchen die meist wamen Stangpofile (z.b. bei Messinglegieungen ca. 800 C) mit sich bingen, ist auch duch zusätzliche Spektalfilte ehe geing. Es ist eine feste Vebindung zwischen Sende und Stahlungsempfänge (duch stae mechanische Bauweise, z.b. duch dauehafte Vestiftung) unablässig. Hiebei ist efahungsgemäß ein Rotationsabstand von 80,0 +/- 0, einzuhalten [BA-MESSTECHNIK 00]. Dies espat die kontinuieliche, äumliche Justieung ode Gobkalibieung des SWS auch übe längee Nutzungszeitäume von meheen Monaten. Eine Feinkalibieung efolgt tpischeweise übe die sstematische Koektu von l mittels ineakalibieung an meheen Stützstellen anhand von Meistewekstücken ode Nomalen (auch Kap. 4..), [BA-MESSTECHNIK 00]. Zu Ehöhung des Aussagegehalts de Messegebnisse kann entwede ein einzelnes SWS um das Messobjekt heumbewegt weden ode es können mehee Ssteme sein, welche in veschiedenen Winkelstellungen sta ausgeichtet bleiben (Bild 6). Zu Untedückung

17 Aktuelle Messvefahen fü die kontinuieliche Halbzeugpoduktion 9 ungewünschte Spektalbeeiche können Filte (z.b. fü Infaote ode ultaviolette ichtanteile) vewendet weden. aa) ichtquelle b ichtquelle Pojekto b) c) c Messobjekt Messobjekt Messobjekt Detekto Detekto Detekto Bild 6: Applikationen des Schattenwufvefahens, a) mehfach, b) otieend, c) oszillieend.. Eeichbae Kennwete und Anwendungsbeeiche in de Poduktion Dezeit weden Messaten singuläe SWS von ca. 600 Hz eeicht. Die Messunsicheheiten liegen bei 0 µm in Messbeeichen von 0 mm bis 00 mm, was fü hekömmliche Halbzeuge meist auseicht [WECKENMANN 009f]. Eine methodisch bedingte Folge des Vefahens ist, dass konkave Pofilfomen nicht gemessen weden können. Das skalae Messegebnis kann nu vewetbae Queschnittsaussagen beim Keis und bedingte Aussagen bei konveen Mehkant- und Sondepofilen liefen. Konkave Pofile sind nu eingeschänkt messba, z.b. wenn äußee geometische Mekmale ausgewetet weden (Kap. 3.), [WECKENMANN 995]. Die Kalibiekennlinie ist linea und damit einfach beheschba (auch Bild 35). Das Messvefahen wid dahe meist bei konveen und smmetischen Objekten eingesetzt (z.b. Keis).. D ichtschnittvefahen nach dem Tiangulationspinzip fü,5d Messegebnisse Das ichtschnittvefahen basiet auf dem Pinzip de ückgefühten Vezeung von geichtete, makooptische Beleuchtung (meist im sichtbaen Teil des ichtspektums) auf technischen Obeflächen. Im einfachsten Fall abeitet das Messvefahen D, woduch es in kontinuielichen und gleichzeitig zeitkitischen Anwendungen selten eingesetzt wid (Bild 7). Hiebei wid eine Punktlichtquelle zu Beleuchtung und eine Kamea vewendet. Die endliche Auflösung de Kamea und die Winkel- und Abstandsabweichungen und - veändeungen (nach Kalibieung), z.b. duch Kiechen, fühen zu nicht uneheblichen Messabweichungen (Kap...).

18 0 Aktuelle Messvefahen fü die kontinuieliche Halbzeugpoduktion ase CCD-Kamea γ Refeenzebene β l f inse Messkopf h Messobjekt Bild 7: Messvefahen de D-asetiangulation unte dem Winkel β(), f entspicht de Bennweite Es eicht jedoch zu Efassung und Auswetung einzelne ängen (z.b. Höhen, Vetiefungen, Obeflächenveändeungen), Defektekennung von Pofilen ode zu Positionsekennung von bewegten Messobjekten auf Bänden und Rollen. Fü die holistische Efassung von vollständigen Pofilzonen ist es nicht geeignet. Es bildet jedoch die Gundlage fü die zweidimensionale Anwendung (Bild 8). Kameakoodinaten Kamea ase c s β(,) z c c s Kameabild Sensokoodinaten w w z w Refeenzebene Bewegungsichtung Weltkoodinaten Messobjekt Bild 8: Messvefahen de -D asetiangulation unte dem Winkel β(, ) Hiebei efolgen die Beleuchtung und die Auswetung nicht punktweise, sonden flächig und es weden eheblich gößee Datenmengen po Zeit ausgewetet. Sind die Beleuchtungsichtung bekannt und die Obeflächen einfach gekümmt sowie die Rauheit nicht eheblich ausgepägt, kann aus de beobachteten ichtsteuung (diffus) die Gestalt de Bauteilobefläche ekonstuiet weden. Hiezu muss diese otsfest beleuchtet und zudem aus bekannte Position hinsichtlich Winkel und Abstand beobachtet weden. Das Messobjekt kann nu in dem Teilbeeich ekonstuiet weden, de von eine ichtquelle und gleichzeitig von einem zugeodneten Beobachte eeicht weden kann. Das Messegebnis h (entspicht h gemessen ) ist nach Gleichung. zu beechnen. Dabei haben übliche Beleuchtungssektoen maimal 0-50 [TEUTSCH 006]. Fü die Detektion gilt allgemein in Anlehnung an Bild 7 [WECKENMANN 009d]:

19 Aktuelle Messvefahen fü die kontinuieliche Halbzeugpoduktion sin γ l (.) h = mit γ = actan sin( β + γ ) cos α f Dabei sind Winkelabweichungen bekannte und unbekannte At diekt fü die Messabweichungen veantwotlich. Stak wellige Obeflächenpassagen ode Einschnitte können zu lokalen Abschattungen fühen und folglich zu nicht messbaen Beeichen. Duch Einstellung und damit vebunden Festsetzung von α = 90 eeicht man eine Veeinfachung de tigonometischen Zusammenhänge. Tpische Beleuchtungs- und Beobachtungswinkel β liegen zwischen 30 bis 60 [STEMMER 00]. Bei kleineen Winkeln nehmen Sichtbeeich und Schäfentiefenbeeich stak ab, bei goßen Winkeln sinkt die effektive Auflösung (auch Kap. 4., Kap. 4.3 und Kap. 4.4). Die chaakteistische Bauteilkontu de Eploation egibt sich duch Rekonstuktion de beobachteten ichtlinie [BAUER 00b], [TSAI 986]. Fü ganzheitliche Messegebnisse müssen mehee SS fusioniet weden und vituell als ein ganzheitliches Messsstem betachtet weden. Die Egebnisse weden dann in einem gemeinsamen Weltkoodinatensstem (z.b. dem Bauteilkoodinatensstem) zusammengefüht, auf die ängeneinheit Mete ückgefüht, visualisiet und hinsichtlich de geometischen Mekmale auf die festgelegte Spezifikation hin bewetet [TRÄNKER 998], [TROSTMANN 003]... Messpinzip und Messmethode Das ichtschnittvefahen abeitet nach klassischen Gundsätzen de Koodinatenmesstechnik mit otsfesten Messpunkten und daauf aufbauenden Fomelementen. Das untescheidet es wesentlich vom o.g. Schattenwufvefahen, welches mit skalaen Zweipunktmaßen abeitet. Fü einige Anwendungen mit uhenden Messobjekten weden auseichend schnelle D-Egebnisse duch punktfömige Beleuchte bzw.,5d bei bewegten Messobjekten eeicht. Fü schnelle ode ganzheitliche D-Messanwendungen könnten ichtquelle und Beobachte gleichzeitig geichtet und in wiedeholte bzw. peiodische Weise um das Messobjekt bewegt weden. Jedoch bietet sich hiebei in Zeiten peisgünstige inienlichtquellen zunehmend die noch schnelle abeitende, linienfömige Beleuchtung und Beobachtung an [DEMANT 00]. Mit etwas höheem Justage- und Kalibieaufwand können damit diekt D-Messegebnisse bei uhenden bzw.,5d-messegebnisse bei bewegten Messobjekten bekannte Bewegung ezielt weden (auch Kap. 4.). Das häufig als sog. asescanning bezeichnete Vefahen funktioniet folglich mittels eine aufpojizieten, bewegten ichtlinie und nicht mit einem einzelnen fokussieten ichtpunkt. Hiebei ist de begenzte Schäfentiefenbeeich de ichtquelle zu beachten und die begenzte Vaiiebakeit des Objektabstandes, um noch auseichend icht auf das Messobjekt zu applizieen. Die Bewegungsgeschwindigkeit des Messobjekts sollte zumindest annähend bekannt sein, um die o.g.,5d-efassung und Bauteilückfühung sichezustel-

20 Aktuelle Messvefahen fü die kontinuieliche Halbzeugpoduktion len. Weden mehee diese Ssteme konstuktiv kombiniet, eöffnen sich eweitete Möglichkeiten zu Messung bewegte Messobjekte (mit bis zu 360 undum). Eine dabei dennoch notwendige otsfeste Detektion, ein gemeinsames Koodinatensstem, in welchem jede Kamea des OMS enthalten ist, sowie eine aufwendigee, mehstufige Kalibieung sind dann zwangsläufig zu vewenden und müssen im Rahmen eine wissenschaftlich fundieten Basis voliegen. Die Kalibieunsicheheit u kal stellt dabei einen maßgeblichen Kontibuto fü die Messunsicheheit des gesamten OMS und de Messung da [DEBEVEC 00]. Diese muss dahe wissenschaftlich koekt und in de Duchfühung sogfältig ausgefüht weden. Als Messunsicheheitsbeitag zugeodnet vebleiben dabei sich kitische auswikende Abweichungen an den Einzelkoodinatensstemen des zu messenden Bauteils, die auftetenden Vezeichnungen de jeweils individuellen Kamealinsen und Stahlengänge, die nicht eeichbaen, völlig homogenen und paallelen, ichtstahlen de Beleuchte sowie wie die zwangsläufig entstehenden ageveändeungen des Pofils. All dies beeinflusst das Messegebnis diekt, woduch hochgenaue Messegebnisse deatige Ssteme fü sich genommen heute kaum eeicht weden können [WECKENMANN 009a]. Dennoch sind Fommessungen und ängenmessungen konkave und komplee Pofilfomen möglich, wenngleich diese fü die Einzelmessssteme ohne Hinzuziehung weitee Kenntnisse mit 00 µm Messunsicheheit bei einem Messbeeich von 00 mm nu bedingt genau sind. Zu Auswetung von Kontuen mittels digitale Vefahen weden diese tpischeweise an den Kameas in Gauweten efasst [PROSIICA 009]. Ein Schwellwet dient de Klassifizieung einzelne Bildpunkte, indem ein festgesetzte Gauwet als nicht zugehöig ode ab diesem Schwellwet als zugehöig intepetiet wid (Bild 9). = maimale Beite = gewichtete Mittelpunkt (zeilenweise) = gewichtete Mittelpunkt (spaltenweise) a) b) Bild 9: Schwellwetvefahen zu Detektion de emittelten ichtlinie auf dem Kameasenso, a) Bildung des Schwepunkts zeilenweise; b) Bildung des Schwepunkts spaltenweise Diese Vogang de Abtastung und Klassifizieung füht zu einem binäisieten Bild. Diese Schwellwet kann theoetisch jeden beliebigen Gauwet (de im Fabaum eistiet) annehmen, bei einem 8 Bit Veabeite somit 55 ( 8 -) Stufen. Ein sinnvolle Wet ist de häufig vewendete 50/50 Schwellwet, de die gesamte Kontastbeite in gleich viele Teile gleiche Wete po Beeich unteteilt und dann davon gleich viele als 0 ode deklaiet [HECHT 00]. Bei 55 Stufen wäe somit de Wet 8 de Umschlagpunkt von schwaz

21 Aktuelle Messvefahen fü die kontinuieliche Halbzeugpoduktion 3 (0-7) auf weiß (Stufe 8-55). Je nach Anwendung und Helligkeitsveteilung des Bildes weden andee Aufteilungen gewählt (z.b. 70/30 bei besondes hellen ode dunklen Umgebungslichtvehältnissen). Die Emittlung des Schwepunkts in zwei Richtungen fü egelmäßige Segmentabstände emöglicht dann die Rückfühung von inien (Bild 9). Auch sind nicht nu ein statische, sonden ebenso dnamische ode soga patiell lenfähige Schwellwetvefahen möglich, deen Eabeitung und Veifizieung nicht ein zentale Gegenstand diese Abeit sein konnte, da dies fü die weiteen Untesuchungen keine ode nu untegeodnete Relevanz hat. In de voliegenden Abeit wude in labogebundenen Vovesuchen de statische 50/50 Schwellwet als meist auseichend geeignet befunden und es sind zudem bei sich ändenden ichtvehältnisse ggf. Modifikationen duchgefüht woden (Kap. 5.). Diese Einstellungen weden unte zusätzliche Anwendung von den auch in Vovesuchen positiv evaluieten Autobelichtungseinstellungen in den gesamten Untesuchungen vewendet. (auch Kap. 4. und Kap. 5.). Daübe hinaus ist die Vewendung adaptive Filte ein weitees Mittel um die Qualität de Binäisieung unte eschweten ichtvehältnissen duchzufühen. Mit dem Sub-Pieling-Vefahen können mit dem ehe wenige päzisen ichtschnittvefahen auch emuliete Auflösungen eeicht weden, die feine als die phsikalische sind. Je nach Anwendung sind theoetisch beliebig viele Zwischenabstufungen übe den Gauwet als weitee Zusatzinfomation möglich. Bei beleuchtungskitischen Aufgaben de Halbzeugindustie weden nie meh als 8 Bit (56 Stufen) theoetisch und paktisch deutlich wenige (etwa bis 5 Zwischenstufen sind ealistisch) zwischen zwei phsikalischen Bildpunkten ezielt [BAUER 003]. Hintegund dabei ist, dass eine Objektkante im Allgemeinen ohnehin nicht ideal schaf abgebildet wid, sonden aufgund von Beugung und gegebenenfalls Defokussieung als stetige Helligkeitsübegang ekannt wid, de sich übe mehee Piel estecken kann. Geade diese Unschäfe bietet die Möglichkeit, die Position de Kante duch Anwendung eine Intepolation auf Buchteile eines Piels (Subpiels) genau zu bestimmen, indem zwischen den Punkten intepoliet wid ode die Zwischeninfomationen duch entspechende Vefahen weite aufgelöst weden, in Anlehnung an [ERCH 006]. Dabei können dei veschiedene Subpielvefahen eingesetzt weden, die unteschiedliche Vogehensweisen zu Steigeung de Bildauflösung beeitstellen (Bild 0). Bei de Kantenekennung in Binäbilden weden zwei benachbate und unteschiedlich binäisiete Piel heangezogen. De Pielwet entspicht beeits dem abgebildeten Püfobjekt. Nimmt man nun an, dass die Kante des Objektes nicht abupt abgebildet woden sein kann, sonden übe einen Piel est ansteigt, so lässt sich die Angabe de Kante im halben Subpielbeeich machen. Auf diese Weise wid die Auflösung des Bildes um das zweifache gesteiget. Es ist esichtlich, dass hiebei kein Schwellwet anwendba ist.

22 4 Aktuelle Messvefahen fü die kontinuieliche Halbzeugpoduktion Gauwet G. Ableitung Schwellwet. Ableitung 3 n Piel 3 n Piel 3 G G Piel Bild 0: Sub-Pieling-Vefahen zu intepolieten Auflösungssteigeung von Kameamesssstemen duch die Funktionieung de. und. Ableitung von angenzenden Gauweten übe G (n) Dahe kann jede Schwaz/Weiß-Übegang eine potentielle Kante sein, weshalb diese Methode im elativen Vegleich unzuvelässige einzuschätzen ist. Im Sinne beste Messunsicheheit und Messstabilität ist es somit zweckmäßige, die Kantenantastung im Gauwetbild duchzufühen. Eine allgemeine Vogehensweise bei de elativen Kantendetektion beginnt mit de Bestimmung de esten Ableitung des disketen eindimensionalen Helligkeitsvelaufs. Wid im Gadientenvelauf ein definiete Schwellwet übeschitten, so wid in diesem Pielbeeich eine Kante vemutet. Dafü wid zunächst die zweite Ableitung (Bild 0, echts) gebildet. Anschließend wid die kontinuieliche Funktion de zweiten Ableitung duch Intepolation, beispielsweise duch die iteative Anwendung de kubischen Intepolation, geschätzt. Mit de Voaussetzung, dass die Wendepunkte des inienpofils die Kanten des aufgenommenen Objekts dastellen, können deen Ote anhand de Nullduchgänge de zweiten Ableitung emittelt weden. Dabei ist die Nullstelle des appoimieten Gaphen so genau wie möglich zu bestimmen. Die Ableitung des Gauwetvelaufs wid stak vom Rauschen des Bildes beeinflusst, weshalb es beim Subpieling nach dem Schwepunktvefahen von Voteil ist, dass in diesem Fall keine zweite Ableitung gebildet weden muss. Nach eine goben Voselektieung eine Kante im Gauwetpofil übe lokal adaptive Intensitätsschwellen weden die Anfangs- und Endpieladessen sowie die Pielanzahl n de Kante bestimmt. Das lokaladaptive Schwellwetvehalten bewikt, dass die Entscheidungsschwelle in Bildegionen mit geingem Hintegundanteil bezüglich de Bildfläche ehöht wid, damit z.b. helle Stöungen (ichteflee) die Schwelle nicht eeichen. Umgekeht wid in Bildegionen mit geingem Objektanteil die Schwelle gesenkt, so dass dunkle Stöungen (z.b. lokale Schatten) die Schwelle nicht eeichen. Übe die Anfangs- und Endpieladessen ( bis n) wid die este Ableitung des Gauwetpofils emittelt. Anschließend wid de Flächenschwepunkt emittelt und dessen subpielgenaue Otskoodinate G in die geometische Kantenposition umgeechnet. Ein lineae Filte zu Minimieung des Bildauschens steiget die Stabilität bei de Kantenfindung. Mit diesen Vokehungen lassen sich in de industiellen Bildveabeitung ealistische Auflösungssteigeungen um den Fakto dei bis fünf eeichen. Daübe hinaus ist das Subpielvefahen als ein fundietes Schätzve-

23 Aktuelle Messvefahen fü die kontinuieliche Halbzeugpoduktion 5 fahen einzustufen, womit sich die Anbindung an absolute Messwete, etwa zu Bestimmung des Abstands zweie Kanten in Weltkoodinaten, als schwieig und von vielen äußeen Stöfaktoen beeinflusst eweist (Bild zeigt den eguläen Fall). Bild : Beispiele zu Auswetung von Kanten mittels Intepolation des Gauwetgadienten Zu funktionsoientieten Auswetung muss auf Basis eine Kalibieung auch noch de Bilddatensatz in geometische Mekmale wie änge, Fom und/ode age übefüht weden. Hiezu weden Vektoen beechnet ode fü einfachee Anwendungen nu Vegleichswete ausgegeben. Um die Daten in-line-fähig und somit seh schnell veabeiten zu können, ist die Übefühung in Fomteilelemente Keis, Teilkeis, Geade, Teilgeade notwendig, aus denen Messzonen üblicheweise häufig aufgebaut sind. Zum Auffinden de Distanz von Punkten ode Elementen bei beschiebenen inienzügen, welche Punktepaae de Fom ( n ; n ) beinhalten, wid im Regelfall die Hessesche Nomalfom vewendet. Hiebei sei P / de Punkt und / sowie / Punkte auf dem Fomelement Geade. d Geade Fläche als Binäbild [ P = Appoimation mittels Keis ( + ) + P ( ) ( + ) ( ) ( + ) + ( ) ] Die Distanz von Keisen d Keis egibt sich tpischeweise aus dem Zusammenhang: Skelett als Binäbild Appoimation Geadenstück und Ellipsenbogen (.3) d Keis = ( P ) + ( P ) M (.4) M Manchmal müssen otfußgeaden detektiet weden um klassische algoithmische Opeationen duchzufühen ode Beeiche de optischen Aufnahme zu ekennen. d ot [ P = ( ) + P ( ) ( ) ( ) ( ) + ( ) ] (.5) Wenn zu den äußesten Punkten nun die otfußpunkte auf die Fomgeade konstuiet weden, können damit die Randpunkte bestimmt weden. Die Koodinaten de otfußpunkte bestimmen sich fü nach: = bzw. fü : P ( ) + P ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) + ( ) + (.6)

24 6 Aktuelle Messvefahen fü die kontinuieliche Halbzeugpoduktion = P ( ) + P ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) + ( ) + (.7) Häufig weden auf Basis von lineae Regession Fomelemente aus n, n gebildet und auch Wete diese Fomelemente, z.b. die Steigung eine Geaden, emittelt: e i = ( i n b n Geade = n ( a + b ) i = ( n i i = ) ( ( i i ) = i ) ( i ˆ ) i ) ; mit a = b min! (.8) Dabei ist de Regessionskoeffizient b Geade z.b. die ösung fü die Steigung de Geaden. De Achsenabschnitt a kann dann auf Basis de klassischen Geadengleichung beechnet weden. Es sind häufig die bildveabeitenden Komponenten, welche die Messgeschwindigkeit des eingesetzten ichtschnittvefahens begenzen... Eeichbae Kennwete und Anwendungsbeeiche in de Poduktion Dezeitige Ssteme, die im Messbeeich von 0 mm bis 00 mm nutzba wäen, abeiten tpischeweise mit Auflösungen um einstellige 0 3 Piel [FABRIMEX 008]. Die goldene Regel de Messtechnik besagt, dass die 5- bis 0-fache Auflösung als die toleiebae Messunsicheheit angesetzt weden muss. Demnach untescheiden sich zudem efodeliche Auflösung und angestebte Messunsicheheit um den Fakto 5 bis 0 [BERNDT 968]. Demnach sollte die Auflösung zumindest besse sein als kleinste Teilungen, was meist mit de Stuktuauflösung gemeint ist. Bei Vewendung von zweifachem Subpieling und den Kenntnissen daübe, dass de Messbeeich in 99 % alle Fälle nu zu höchstens /3 ausgenutzt wid, kann eine Auflösung von 0 3 Piel kaum noch als auseichend gelten [BA-MESSTECHNIK 00]. Doch selbst bei den nahe diese Genze auszuwetenden Datenmengen liegen die eeichbaen Wiedeholaten dezeit meist bei kleine 0 Hz [PEGRIMS 004], [STEMMER 00]. In Ausnahmefällen sind bis zu 000 Hz möglich, dann mit eheblichem Mehaufwand und gößee Bauat. De maimale Datenstom von den Sensoen fü die Messauswetung ist pinzipbedingt begenzt, wenngleich die zu übetagende Infomationsmenge meist goß ist. Da die Auflösung des Beobachtes bei einem flächigen Senso de Quadatwuzel de Messate indiekt popotional folgt, muss dezeit die Kameaauflösung oftmals genzwetig gewählt weden um Messaten im zweistelligen Fequenzbeeich, wie sie in de vogestellten Applikation unablässig sind, zu emöglichen. Selbst bei eine Messate von 0 Hz wid bei einem mit 0 ms - bewegten Stangpofil lediglich alle 0,5 m ein Messdatensatz ezeugt. Die Messunsicheheiten sinken dabei häufig nicht diekt popotional zu Auflösungssteigeung, da eine Vielzahl von Einflüssen duchgehend bestehen. Dezeit sind ca. 00 µm Messunsicheheit bei Messbeeichen bis 00 mm eeichba

25 Aktuelle Messvefahen fü die kontinuieliche Halbzeugpoduktion 7 [HOFFMANN 007], [SCHUSTER 008]. Dennoch weden heute die ichtschnittsensoen nach dem Scanningvefahen beeits in vielfältigen in-line Anwendungen eingesetzt, z.b. in de Kfz-Reifenkontolle [BAUER 007]. Die ageveändeungen des Messobjekts und die sonstigen Einflüsse in kontinuielichen Fetigungsvefahen bingen maßgebliche Defizite mit sich, da das Messsstem in einem otsfesten Weltkoodinatensstem (WKS) auswetet (Bild ). Es änden sich dann jedoch die äumlichen Gegebenheiten bezüglich de Winkel und Abstände, welche die Basis de Rückfühung in das WKS auf Gundlage voausgegangene Kalibieung sind. Ein einzelnes Messsstem kann lediglich ca. 50 Umfangswinkel de Bauteilkontu efassen, theoetisch maimal bis 80 mit dann seh ungünstigen Beleuchtungsvehältnissen in den Randbeeichen (Bild 60). w Kameakoodinaten w z w Weltkoodinaten c T z c α φ β c Messpunkt (P) P Kameakoodinaten ( Pu, Pu ) s ( P, P ) ( 0, 0 ) c s z c c Bild : Tansfomation von otsfesten Kamea- in Weltkoodinaten beim ichtschnittvefahen Dahe müssen fü vollständige Umfangsmessungen mehee Messssteme eingesetzt und deen Messegebnisse fusioniet weden. Die Kalibieung dauet im Vegleich zum Schattenwufvefahen elativ lang, da Koodinatenssteme definiet, zueinande ausgeichtet und zusammengefüht weden müssen. Die Auswetung de Messegebnisse ist echenintensiv und bezüglich divese Randbedingungen wie Winkel- und Abstandskonstanz nicht ohne stuktuiete Beechnungsmethoden duchfühba. Multi- Senso-ichtschnittvefahen weden dahe zunehmend, wenngleich imme noch vegleichsweise selten, in de industiellen Messtechnik vewendet [PFEIFER 007]. Häufig wid die benötigte Messunsicheheit jedoch diekt mit de Vogabetoleanz gleichgesetzt [HESSE 004], was methodologisch nicht koekt ist und die Fähigkeit des Pozesses übebewetet. Im OMS muss die Auflösung de vewendeten Sensoen deutlich besse sein als die zu eeichende Messunsicheheit von 0, mm bei einem vozuhaltenden Messbeeich von 0 mm bis 00 mm. Dahe sind Megapiel (MP) fü eine Auflösung von 50 µm anzusteben, wenn möglich ist, dass bei voll binäisieten digitalen Kameabilden ein Subpieling von Fakto innehalb de Messung imme möglich und damit vollständig ückfühba ist. Mit noch vetetbaem Rechenaufwand sind Intepolationsfaktoen bis ca. 5 funktionsfähig [ABMAYR 00]. Bennweite (f) Sensokoodinaten

26 8 Aktuelle Messvefahen fü die kontinuieliche Halbzeugpoduktion Bei lichtkitischen Umgebungsbedingungen, duch Eigenleuchten de Messobjekte und unegelmäßigem Femdlicht sowie häufigen Veschmutzungen sind eweitete Subpielingvefahen nicht atsam [HECHT 00]. Aus Günden de gleichzeitig selten auftetenden Maßveköpeungen in diesen Applikationen übe 00 mm und den ebenso gefodeten hohen Bildwiedeholaten, weden fü die Evaluation aue in-line Messvefahen Kameas mit eine Beitenauflösung von bis 5 Megapiel vewendet und auf Subpieling göße Fakto vezichtet [PROSIICA 009]. Die Möglichkeit im OMS besteht, ehöhtes Subpieling und weitee Methoden zu Bildaufbeeitung zu vewenden ode nachtäglich einzusetzen. In die Auspägungsichtung de Höhe (nicht lateal) sind lediglich effektive Veköpeungen von maimal 40 mm zu ewaten (entspicht de Auswandeung de inienvezeung bei üblichen Einstellungen und Beleuchtungswinkeln). Dahe eichen fü die o.g. phsikalische Auflösung von 40 µm und Megapiel aus [STEMMER 00]..3 Offline Messvefahen mit zusätzlichem Handling In de Fetigung weden wegen de Eschwenisse o.g. Messvefahen zwangsläufig auch Offline-Messssteme eingesetzt unte Inkaufnahme ehebliche andee Nachteile, welche nachstehend ebenfalls genannt weden. Stationäe Kameassteme sind in divesen Bauaten maktüblich, (Bild 3 bis Bild 5), [SCHUMANN 998], [SCHWIEDER 006]. Kamea Messobjekt Duchlicht Bild 3: Duchlichtvefahen zu Kontubestimmung, echts: Beispiel Wendeschneidplatte Kameassteme ohne geichtete Beleuchtung weden häufig deat eingesetzt, indem nach de eigentlichen Fetigung die Messobjekte aus de Fetigungslinie heausgenommen und mit einem zusätzlichen Handling uhend vo diese Beobachtungsssteme gebacht weden. Dabei kann fü die messtechnische Untesuchung eines Queschnitts nu die Stelle heangezogen weden, an de das Messobjekt vom Stang abgetennt wude (meist sägend). Dennoch wid dieses Vefahen noch echt häufig in Stichpoben kleine osgößen angewendet, um die Robustheit des

27 Aktuelle Messvefahen fü die kontinuieliche Halbzeugpoduktion 9 Pozesses und die Maßhaltigkeit de Teile zu beuteilen (Kap. 3..). Die Beleuchtung efolgt dabei anwendungsoientiet mit Duchlicht, Auflicht, ED-Ringlicht ode soga mit indiekten Beleuchtungslösungen [BANC 00]. Es weden eine Reihe von Baufomen mit unteschiedlichen Kameatechnologien wie CCD und CMOS-Chipsätzen sowie veschiedenen Objektive (u.a. Mikolinsen zu weiteen ichtfühung auf den Mikochip), eingesetzt, woaus Vo- und Nachteile, z.b. de eeichbaen ichtstäke und de insenvezeichnung, ableitba sind [ENGE 006]. Die Bauteilqueschnitte de Messobjekte weden häufig mittels telezentische, seltene mittels entozentische Objektive beobachtet und mit eine Refeenzkontu veglichen, was selten metologische Egebnisse, sonden meist nu diskete Püfaussagen de Fom in Odnung (i. O.), nicht in Odnung (n. i. O.) elaubt. Beim Duchlichtvefahen wid auf de Gegenseite zum Messobjekt ausgewetet und die Kontu abgewandt de Beleuchtung bestimmt (Bild 3). Da zumindest bei telezentischen ode kalibieten Messsstemen kaum Vezeungsode Vegößeungsfaktoen zu beücksichtigen sind (unte 0,0 %) und auch keine Koodinatentansfomation stattfindet, ist die Methode in de Industie vebeitet, gilt als obust und elativ schnell [DOBMANN 005]. Die Beleuchtung findet geichtet statt, sodass lediglich die eflektieten Anteile ausgewetet weden. De Voteil ist die Stuktutiefe de Obefläche, alledings kann die Außenkontu des Messobjekts nicht mit sondelich geingen Messabweichungen bestimmt weden. Sie muss duch Fokusvaiation manuell, teil- ode vollautomatisch nachjustiet weden (Bild 4). Kamea Dunkelfeld α DF Messobjekt Bild 4: Dunkelfeldbeleuchtung mit Kameasstem, echts: Beispiel Wendeschneidplatte Bei de klassischen Ringlichtbeleuchtung sitzt im Gegensatz zu Dunkelfeldbeleuchtung die ichtquelle hinte de Austittsöffnung de Kamealinse. Somit wid de Aufteffwinkel wesentlich steile und die Stuktutiefe maimal. De Kontast zu Auffindung de Kontuaußenkante wid schwäche (Bild 5). Beim indiekten Gegenlicht wid übe eine zusätzliche Stahlfühung die Beleuchtung mit de Beobachtung stahlgeichtet und hinsichtlich eine telezentischen Wikung veeint.

28 0 Aktuelle Messvefahen fü die kontinuieliche Halbzeugpoduktion Die geichtete Auflichtbeleuchtung besitzt einen Schwepunkt in ihe Abstahlchaakteistik, wobei diese seh veschieden sein kann (kugel- bis keulenfömig). Stäke als bei de diffusen Beleuchtung machen sich schon geinge Abweichungen de ichteinfallsichtung ode des -winkels z.b. duch das Vohandensein eine Vozugsichtung in den Abbildungseigenschaften bemekba, indem Helligkeit und Kontast vaiieen [BAUER 00a]. Mit Hilfe de geichteten Beleuchtung lassen sich Kanten und Obeflächenstuktuen von vozugsweise matten Pofilen duch die ausgepägte Schattenbildung gezielt hevoheben, was in de Stangpofilfetigung meist jedoch nicht sinnvoll ist, da hie nu die wesentlichen ängen- und Fommekmale und keine Obeflächenkennwete ausgewetet weden. Zudem ist eine bewusste Übesteueung de Abbildung zu lichttechnischen a pioi Bildveabeitung ealisieba, woduch Rechnekapazitäten eingespat weden können. Kamea Ringlicht α HF Messobjekt Bild 5: Ringlichtbeleuchtung mit Kameasstem, echts: Beispiel Wendeschneidplatte Eine besondee Fom des Auflichts stellt die koaiale Beleuchtung da. Ein Stahlteile (halbduchlässige Spiegel) vo dem Objektiv lenkt einen Teil des ichts von de telezentischen Beleuchtungseinheit auf das Objekt und dann auf die Kamea. Das von dot eflektiete icht wid auf die Kamealinse gelenkt. Das koaiale Auflicht entspicht eine Hellfeld-Auflichtbeleuchtung, de halbduchlässige Spiegel fungiet zudem als Polaisationsfilte. Basieend auf dem polaisationsoptischen Wikungspinzip efolgt die gleichmäßige Ausleuchtung stak eflektieende Obeflächen ohne Schatten. Wesentliche Nachteil de koaialen Beleuchtung ist de ehebliche ichtvelust, da nu ein geinge Anteil de ausgestahlten ichtintensität tatsächlich zu Kamea gelangt. Beim esten ichtduchgang (Beleuchtung auf das Messobjekt) weden am Stahlteile nu ca. 50 % de Beleuchtungsintensität zum Objekt abgelenkt. De zweite ichtduchgang (Refleion de Bauteilumisse in das Objektiv) lässt ebenfalls etwa nu 50 % des ichts duch. etztlich eeichen maimal 5 % de Ausgangsintensität die Kamea, was in lichtkitischen Anwendungen wie de Stangpofilfetigung häufig nicht auseichend ist (Auswahl von Off-

29 Aktuelle Messvefahen fü die kontinuieliche Halbzeugpoduktion line-vefahen fü Fetigungsanwendungen, Bild 6). Die klassischen Pofilpojektoen velangen eine abweichungsbehaftete Aufspannung in Winkel und Abstand und lassen nu zeitintensive Auswetungen an kaum epoduziebaen Messstellen zu. Dabei helfen Schablonen und telezentische Optiken, die Einflussgößen zu minimieen und die Messegebnisse vegleichba zu machen. Auswahl Refleion Tansmission Duchlicht nein Diektes Auflicht Kanten hevoheben? ja Dunkelfeldbeleuchtung ja Diffuses Auflicht nein Stöende Reflee? ja Polaisietes Auflicht Bild 6: Auswahl und Eignung optische Offline-Messvefahen [SCHUHMANN 998] Ein entscheidende Nachteil ist allen o.g. Offline-Methoden gemein: Die Messung efolgt nach Aussteueung de Pofile aus dem eigentlichen Kenpozess und ist damit im Regelfall zeit-, pozess- und platzkitisch. Außedem können nu lokale Pofilzonen betachtet weden, was nicht im Sinne de 00 %-Püfung und de lückenlosen Nachweispflicht gegenübe Endkunden gemäß heute üblichen Qualitätsmanagementsstemen ist. Weden die Messobjekte von Hand gemessen, weden diese dann noch in Wasse abgescheckt, was zu Vezug und Gefügeveändeungen am Messobjekt füht und die Vegleichbakeit de Egebnisse mindet. Ein konketes Vefahen im Feld ist, bei jedem Pessvogang ode in spezifizieten osgößen, ein Endstück aus de inie heauszunehmen, welches nach Abkühlung mittels Messschiebe efasst wid [KEFERSTEIN 008]. Auch hiebei wid nu ein skalaes ängenmaß eine nicht epoduziebaen Messstelle efasst, mit allen metologisch bekannten Nachteilen des handgefühten Messschiebes wie: Bedieneeinfluss, Vekippung (Abbesches Kompaatopinzip), Ableseabweichungen, Bedieneeinfluss, Tempeatuabhängigkeit de Dimension und Skalenabweichungen [PFEIFER 998]. Das Messen von konkaven Pofilzonen, Radien ode Teilsegmenten des Queschnitts ist hiebei ebenfalls messpinzip-bedingt nicht möglich. Die Egebnisse des Messschiebes sind nu seh begenzt aussagekäftig [TRÄNKER 998]. Folglich ist eine Pozessegelung zu vollständigen technischen Rückvefolgbakeit bei Poduktmängeln bzw. dimensionellen Abweichungen von de geometischen Poduktspezifikation witschaftlich oftmals notwendig [DIN EN ISO 453-]. Die Auswetung efolgt bei Pofilpojektoen und andeen Offline-Kameamesssstemen häufig mit Messsoftwae, wobei teilautomatisch am uhenden Messobjekt gemessen wid, bzw. an Randstücken, welche fü diese Zwecke vohe abgetennt wuden. Eine holistische Konfomitätspüfung ist so unmöglich, bzw. nu in weiten Genzen anhand von Efahungswissen und empiisch duchfühba (Ausweteobefläche beispielhaft in Bild 7).

30 Aktuelle Messvefahen fü die kontinuieliche Halbzeugpoduktion Püfteilnumme Vegangene Egebnisse Messegebnis ive-bild Püfteilnumme etzte Messung MG/Soll [].. MG/Soll [z].. MG3/Soll [z]......zz Stat/Stop Sstemstatus Sstemstatus Funktionsschaltflächen Statistik: Velauf Messwet Fehlehistogamm E OTG Soll UTG I II III IV V VI VII Datum/ Uhzeit Bildschim Bild 7: Auswetung stationäe Kameamessssteme fü die Halbzeugfetigung, MG: Messgeät Alle Offline-Messvefahen müssen zwangsläufig in de Aussteuezone an ekalteten Messobjekten angewendet weden. Sie sind technisch sowohl hinsichtlich de efolgten Gefüge- und Gestaltveändeung (mit de Tempeatuändeung) als auch bezüglich de Vegleichbakeit mehee Messungen zweifelhaft, da z.b. de Bedieneeinfluss goß ist. In de Regel belaufen sich die Gesamtkosten eines optischen Offline-Messplatzes totz alle Nachteile auf sechsstelligen Euobetäge [FABRIMEX 008], [DIETRICH 998], [DGZFP 007]. Zudem sind die o.g. zusätzlichen Zeitaufwendungen langfistig kostenintensiv. Pofilpojektoen und deen Egebnisse sind von den vewendeten Schablonen und de Aufspannung abhängig, die Messzeit ist goß. Die Messung mittels Handmesszeugen ist aus witschaftliche sowie technische Sicht künftig nicht meh wettbewebsfähig. Die üblichen Stangpesslängen, z.b. von Messingstangen, betagen oftmals 5 m bis 80 m po Pessung. Dabei fällt das Reststück von ca. 00 mm änge imme als Ausschuss an. Winkelauflage 7 Bei n.i.o. Aussteueung ode Rückfühung zu Schmelze 6 Kameamesssstem 5 Duckluftzufuh (Reinigung) 4 Ablenkplatte Rohfödeung in ängsichtung Säge 3 Rohfödeung in Queichtung Anschlagplatte Bild 8: Positionieung eines Offline-Kameamesssstems (Bild 3 bis Bild 5) im Mateialfluss de Halbzeughestellung, in sieben Schitten; Hie: stanggepesste Rohe aus Messinglegieungen

31 Aktuelle Messvefahen fü die kontinuieliche Halbzeugpoduktion 3 Dahe fallen bei diesem Vogehen beeits standadmäßig 0,5 % bis,3 % nachzuabeitende Ausschuss bezogen auf die Pessmenge an. Diese muss duch Rückfühung zum Einschmelzpozess im Soll kalkuliet weden, was einen Kostenfakto dastellt. Eine Pofilpositionieung mit dem Vogang des Ein- und Ausschleusens de Messobjekte ist in Bild 8 dagestellt. Dabei weden die Halbzeuge (hie: Rohe) ausgesteuet, abgesägt, quegefödet und dann uhend gemessen. Dazu ist eine Winkelauflage fü die Ausichtung de Messobjekte zu Kameaachse notwendig [FITZGIBBON 998]. Diese Vogang beeinflusst die Qualität de Messung eheblich. Nach dem Messvogang weden die Teile wiede eingesteuet und dem weiteen Hestellungspozess de Halbzeugfetigung zugefüht. De bauliche, äumliche und logistische Aufwand ist betächtlich und somit sowohl einmalig wie auch teilweise kontinuielich, z.b. in Fom von Instandhaltungsabeiten, vohanden [REUTER 008]. Die Messung kann duch pinzipbedingt auftetenden Schmutz, Sägegat, anfallende Messingspäne und multi-fequente Schwingungen unteschiedliche Amplitude in goßem Maße negativ beeinflusst weden..4 Defizite de beschiebenen Ssteme Die beschiebenen Messvefahen haben singulä eingesetzt ehebliche technische Nachteile, die zu teils mangelhaften Messegebnissen fühen. Die Kostenvoteile in de Anschaffung sind im Rahmen witschaftliche Kalkulationen selten de Gund, sofen die Fehlekosten beücksichtigt weden. Gesamtpojekte zu Bildveabeitung enthalten zudem nicht sstemgebundene Anteile, die oft weitaus höhe liegen, sodass das vemeintlich teue angewandte Messvefahen nu eine untegeodnete Kostenquelle dastellt (Bild 9), [SCHWARZKOPF 008]. Integation 9% Schulung % Engineeing 6% Handhabung 9% Zufühung 9% Sensoik 4% Beleuchtung 9% Softwae % Hadwae % Bild 9: Kostenveteilung zu Pojekten de optischen Fetigungsmesstechnik [BAUER 00a] Dies vehindet die weitee Vebesseung de Poduktqualität und widespicht den Fodeungen päventive Qualitätssicheungsssteme im Rahmen des modenen Qualitätsmanagements. Kein einzelnes, dezeit auf dem Makt befindliches Messsstem kann alle benötigten Anfodeungen efüllen, die heutzutage in de Stangpofilfetigung

32 4 Aktuelle Messvefahen fü die kontinuieliche Halbzeugpoduktion gestellt weden, um im Pozess päzise Podukte bei auseichende Poduktionsgeschwindigkeit ohne zeitlichen Vezug auf deen geometische Gestalt zu püfen [WECKENMANN 009b]. Das ichtschnittvefahen (auch die Vaiante fü,5d) sowie das Schattenwufvefahen (auch mit meheen stehenden ode peiodisch bewegten Sensoköpfen) sind heutzutage singulä nicht in de age, die Anfodeungen de Fetigungsindustie nach Datendichte und Messunsicheheit gleichzeitig zu efüllen [DIEH 00]. Die möglichst kuze Kalibiezeit, einfache Bedienung und niedige Gesamtkosten sind fü Messssteme gundsätzlich imme anzusteben [DEPPE 00]. Um 360 Rundum-Messungen zu emöglichen, eicht ein singuläes SS nicht aus. Ein zusammengefasste Vegleich von ichtschnitt-, Schattenwuf- und Offline- Messvefahen ist in Tabelle dagestellt. Totz des eheblichen Aufwandes nimmt die Integation von optischen Messsstemen im Nomalfall nu einen Anteil kleine 0 % de Gesamtkosten ein. Dahe sollte fü ein zukunftsweisendes, neuatiges Fetigungsmessvefahen ein in-line Messvefahen zu bevozugen sein (Bild 9), [BAUER 00a]. Demnach muss die Messung am wamen Messobjekt mit weitgehend beliebigen und konkaven Queschnittsfomen diekt duchfühba und anhand de Pofilspezifikationen zu Konfomitätspüfung vewendba sein. Die Zahl de fusionieten Einzelmessssteme begenzt dezeit die damit übepopotional steigende Rechenzeit, Beheschbakeit de Justieung und Kalibieung, notwendige Rüstzeit bei Pofiltp- ode Pofilgößenwechsel und die efodeliche Robustheit de ausschließlich spezifisch beeitzustellenden Softwaelösungen [WECKENMANN 009d]. Tabelle : Vegleich de Spezifikationen von singuläem Schattenwuf- und ichtschnittvefahen, eemplaische Angaben fü einen goßen Teil dezeit vefügbae singuläe Messssteme Dimension des Messegebnisses Messbeeich Auflösung bezogen auf den Messbeeich eeichbae Messunsicheheit (abhängig vom Messbeeich) Schattenwufvefahen Dimensional (Abstand zweie Punkte) von bis 450 mm ca , bis ca. 0 µm von bis 30 µm (bis 450 mm) ichtschnittvefahen Dimensional (lateal und vetikal) änge Höhe 3 mm 3 mm bis 50 mm 65 mm ca bis ca. 50 µm von 0 bis 00 µm (3 3 bis mm) Messate tp. 500 Hz von 5 bis 00 Hz Einfluss von ageveändeungen auf das Messegebnis geeignet fü konkave Pofile nein nein: weil nu ein Zweipunktabstand emittelt wid ja ja: weil de gesamte efasste Pofilschnitt ausgewetet weden kann

33 Zielsetzung und wissenschaftliche Ansatz 5 3 Zielsetzung und wissenschaftliche Ansatz Ziel de voliegenden wissenschaftlichen Abeit ist es, ein gesichetes Konzept fü den Aufbau eines optischen Multi-Senso-Messsstems (OMS) beeitzustellen, bestehend aus einem SWS und meheen SS, sowie einem geeigneten Auswetevefahen zu in-line Efassung von konkaven Halbzeugen. Dies umfasst auch ein mechanisches Aufbau- und Einstellvefahen, ein individuelles Kalibievefahen sowie eine konzeptionell eabeitete Softwaeuntestützung fü die methodische Analse und funktionsoientiete Bewetung de Messegebnisse. Eine Anbindung an den Hestellpozess fü Zwecke de Pozessegelung sollte heute möglichst imme optional gegeben sein. Messegebnisse sind Infomationen, welche ohne Kenntnisse übe deen Zustandekommen und deen Unsicheheit wetlos sind [WECKENMANN 009f]. Dahe muss eine Messunsicheheitsanalse an häufig gefetigten Pofiltpen (Rundpofil, Kantpofil), duchgefüht sowie weitee fundiete messtechnische Eigenschaften untesucht und Egebnisse zum Abweichungsvehalten des Vefahens bei konkaven Pofilfomen eabeitet weden. 3. Anfodeungen an ein vebessetes Messvefahen fü die dimensionelle Fetigungsmesstechnik bei kontinuielichen Hestellvefahen Ein wesentliche Aspekt fü ein vebessetes optisches Messvefahen ist die nachweisbae Kombination de messtechnischen Voteile gegenübe den bisheigen und singuläen Vefahen. Das neue optische Multi-Senso-Messvefahen, bestehend aus Schattenwufund ichtschnittvefahen, muss nachweislich zu Vebesseung de Poduktqualität bei de Hestellung von Stangpofilen geeignet sein (Bild 0). aselichtquelle Schattenwufsstem Kameas ichtschnittsstem asefäche ichtschnittsstem z Optische inse fü paallele ichtstahlen Polgonspiegel Messobjekt Empfangsoptik v Messobjekt Detekto t Rückfühung de änge auf Basis de Zeitmessung de Abschattung Rekonstuktion de Kontu auf Basis de otsfest beobachteten, vezeten ichtlinie Bild 0: Veeinfachtes Messpinzip des zu efoschenden OMS mit den beiden Messebenen

34 6 Zielsetzung und wissenschaftliche Ansatz Dezeit noch nicht vefügbae optische Multi-Senso-Messssteme wäen in de age, Stangpofile ode ähnliche, kontinuielich hegestellte Podukte genau und gleichzeitig ganzheitlich zu messen. Zudem besteht dabei die Möglichkeit de in-line Fähigkeit [BOSCH 004], [WECKENMANN 009c]. Ein neuatiges optisches Multi-Senso- Messvefahen muss idealeweise in-line fähig sein und nach Kap.. und Kap.. ein multiples ichtschnitt- sowie mindestens ein singuläes Schattenwufsstem ausweteseitig konstuktiv vebinden um 360 -Rundummessungen zu leisten, bei Messunsicheheiten besse 00 µm in Messbeeichen von 0 mm bis 00 mm. Dahe muss ein OMS aus mindestens dei SS und einem SWS aufgebaut weden um holistische Egebnisse zu leisten, die den Mehwet aus beiden singuläen bisheigen Sstemen kombinieen. Die Egebnisse müssen auch auf andee in-line Messobjekte und eine andee Sensoauswahl weitgehend übetagba sein. Die Messegebnisse müssen in eine Fom voliegen, dass sie fü weitee Pozessegelungsaufgaben vewendet weden können. Die Messzeit muss mit maimal und 50 ms po Bild seh kuz sein und die Messate mindestens 0 Hz betagen, was eine Kundenanfodeung de Banche zu Qualitätsübewachung dastellt. Die o.g. Vefahenskomponenten müssen zusammenabeiten und duch Kombination zu vebesseten sowie eweiteten Messegebnissen hinsichtlich Messunsicheheit und Datendichte fühen. Das Messvefahen muss zum Einen pototpisch im aboatoium unte vodefinieten Randbedingungen qualifiziet weden und zum Andeen auch in de ealen Fetigung zeigen, dass es obust, päzise und gleichzeitig pozessneutal abeitet und somit weit besse meh Potenzial beeitstellt als bisheige Messvefahen. Das pototpische optische Multi-Senso-Messvefahen setzt sich seienkalkuliet kostenmäßig im Schwepunkt aus Senso- und Softwaekosten zusammen (ca. 50 % - 80 % de Gesamtkosten). Eine zugehöige Bedienesoftwae sollte idealeweise die gesamte Visualisieung, die Messdatenauswetung und die Konfomitätsbewetung untestützen und a pioi sowie a posteioi begleiten, eine Anbindung an den Hestellpozess emöglichen und obust sein (Kap. 4.6.), [BAUER 003]. Das ist heutzutage nicht möglich und dahe auch nicht auf dem Makt käuflich zu eweben. Ein ähnliches Messvefahen zu beschiebenen Datenfusion mehee gleiche und gleichzeitig ebenfalls unteschiedliche optische Messvefahen und de Messdaten ist in de in-line Metologie dezeit nicht bekannt. 3.. Allgemeine messtechnische Anfodeungen Zu den messtechnischen Anfodeungen gehöt u.a. eine anwendungsoientiete Datendichte von Infomationen zu Konfomitätspüfung von Pofiltpen (Bild ). Hinzu kommt eine aufgabengeecht goße Messgeschwindigkeit bei gleichzeitig geinge Messunsicheheit von wenige als 00 µm fü Messbeeiche bis 00 mm Pofilqueschnitt. Die mit einem dafü zu konzipieenden Pototpen ezielten Messegebnisse müssen

35 Zielsetzung und wissenschaftliche Ansatz 7 nachweisbae Aussagen zu den Anfodeungen an die ichtquellen und Sensoen, die Anodnung de ichtquellen und Sensoen, zu eeichbaen Messunsicheheit und Messate sowie zu efodelichen zeitlichen Snchonisation de Subssteme beinhalten [WECKENMANN 009a]. Die Messung muss den gemäß Kundenanfodeungen fü tpische Pofilgeschwindigkeiten von 0 m/s mit mindestens 0 Hz Wiedeholate opeieen, was bei de vogestellten Bewegungsgeschwindigkeit de Messobjekte einem Messegebnis alle 0,5 m in z-richtung (Ausbingungsichtung) entspicht. Es sollte gundsätzlich möglich sein, die Messate zu einem späteen Zeitpunkt auch noch zu ehöhen. Dies stellt die Mindestanfodeungen fü Püfaussagen in modenen Fetigungsstaßen da [DIEH 00]. Daübe hinaus sind mehee Teilssteme als echte Koodinatenmessssteme und mindestens ein SWS fü die konstuktiv ezielbae, geinge Messunsicheheit in Kombination zu vewenden. d SW SW b SW SW a b e e d d b b d d d d + a a + Bild : Häufig poduziete Pofilfomen und deen wesentliche geometische Mekmale (veeinfacht): Rund-, Achtkant-, Sechskant-, Viekant-, T-, H-, Schlosspofil (SW: Abk. fü die Schlüsselweite); einige Pofilqueschnitte können auch nichtsmmetisch aufgebaut sein Die Messung von konkaven Stangpofilen und deen Sondebaufomen (Schlüsselpofil, Mehkantpofil, H-Pofil, asmmetische Pofilfomen) muss pinzipiell sichegestellt sein. Die Pofilmessung von 360 undum ist ein wesentliche Bestandteil zu Qualitätssicheung des gesamten Fetigungspozesses und zu Efüllung de steigenden Kundenanfodeungen. Die Analse von Pofilduchmesse, Teillängen (z.b. das Schenkelmaß beim -Pofil), de Paallelität von Pofilflanken sowie de Rechtwinkligkeit muss beeitgestellt sein (Bild ). Die Geadheit und einzelne Kontuadien sind zum heutigen Zeitpunkt fü die meisten Kunden sekundä elevant, jedoch in nahe Zukunft möglicheweise zunehmend von Bedeutung und sollten pinzipiell mit auswetba sein [BA-MESSTECHNIK 00].

36 8 Zielsetzung und wissenschaftliche Ansatz 3.. Pozessbedingte Eigenschaften de Messobjekte Die Pofiltempeatuen liegen im Hestellpozess z.b. bei Messingstangpofilen im Beeich von 680 C bis zu 840 C [DIEH 00], [BAUER 00a] und damit knapp unte dem Schmelzpunkt des Wekstoffs. Je nach egieungszusammensetzung vaiieen sie bei Messing um bis zu +/- 80 C. Die teils im Minutentakt wechselnden Pofilgößen und Pofiltpen (meh als 00 Vaianten sind möglich) eschween diese Bedingungen zusätzlich. Die zu messenden Pofilgößen liegen im Messbeeich von 0 mm bis 00 mm, wobei Rundpofile den gößten Umfang einnehmen, bei denen wähend de Umfomung in de Umfomzone veeinfacht fü das Pessvehältnis V und den Eintitts- /Austittsqueschnitt gilt [BEITZ 00], [BAUSER 00]: A π D V = = = AS π DS 4 D D 0 S (3.) Die gemäß dem Umfomvehältnis und de Kontinuitätsgleichung (Gleichung 3.) eechneten Austittsgeschwindigkeiten aus Matizengöße zu Baenvolumen, liegen meist zwischen ms - und 0 ms -. In Sondeanwendungen wie dem Dahtziehen weden soga Pofilgeschwindigkeiten bis zu 00 m/s eeicht [BAUSER 00]. Die je nach egieungszusammensetzung wechselnde Wekstoffzusammensetzung (z.b. bei Messing: bleihaltig, bleifei, unteschiedliche Kupfegehalt usw.) fühen zu unteschiedlichen Absoptions-, Refleions und Emissionskoeffizienten in Abhängigkeit de Wellenlänge des aufteffenden ichts. Auch das daf das geeignete Messvefahen nicht signifikant negativ beeinflussen. Teilweise bewegen sich die Messobjekte auch seitlich im ganzen Stang mit wenigen mm, dabei meistens peiodisch und weitgehend hamonisch [DIEH 00]. Diese latealen Pofilbewegungen von meheen Millimeten sind maßgebliche Randbedingungen, bei denen die einwandfeie technische Funktion des Messvefahens in de ealen Fetigungsumgebung gewähleistet sein muss. Es ist jedoch unvemeidlich, dass die Stänge sich bei Maschinenstöungen zeitweise soga unkontolliet aufschwingen, was zum seitlichen Ausschlagen des Pofils um bis zu 0,5 m (!) fühen kann, abe dennoch keinesfalls zu Beschädigung des ealisieten optischen Multi-Senso-Messvefahens fühen daf. Es gilt veeinfacht Gleichung 3. fü die age s(t), die abgeleitete Bewegung und deen Beschleunigung des Stanges mit s ma fü die maimale Amplitude [BRONSTEIN 008]: s( t) = sma sin s& ( t) = v( t) = s ( π f t + ϕ 0 ) ω cos ( π f t + ϕ 0 ) ) = s ω sin( π f t + ϕ ) ma a( t) = v& ( t) = && s( t ma 0 (3.) Die fei wedende Infaotstahlung de Messobjekte in de Auslaufzone daf nicht zum bedingten ode vollständigen Ausfall des Multi-Senso-Messvefahens fühen, welches im Auslaufbeeich implementiet sein muss. Die Vezundeung de Messobjektobefläche, die

37 Zielsetzung und wissenschaftliche Ansatz 9 egelmäßig entstehende Zinkoidwolke zu Pessstempeleinigung des Rezipienten sowie die pozessbedingten ängsiefen auf de Stangpofilobefläche düfen das Messvefahen in seinen Messegebnissen und den Püfaussagen hinsichtlich de Konfomität des Halbzeuges nicht signifikant beeinflussen. Eine Schwindungskoektu des Messobjektes übe die Ausbingung in z-richtung muss ebenfalls vogenommen weden. Insgesamt stellt dies u.a. Heausfodeungen an die Sichtbeeiche de Kameas, welche aufgund enge Taktzeiten und de efodelichen Kalibiepozeduen in de optischen Messtechnik nicht bei jedem Pofilwechsel vestellt weden können [WECKENMANN 007]. Dabei sind, um die Beschneidung von Teilbilden zu vehinden, zwangsläufig Bildbeeiche automatisiet auszuwählen, damit de Kameabildbeeich optimal ausgenutzt wid (sog. Bildbeeichsabschaltung ). Dies füht zu Senkung de Rechenzeit, jedoch auch zu Veingeung de effektiven, fü die Messung zu Vefügung stehenden, Auflösung und muss deshalb individuell angepasst weden (Bild ), [PROSIICA 009]. Bild : Kameaaufnahmen eine ichtlinie auf einem Messobjekt (hie: Viekantfom) in veschiedenen otatoischen Ausichtungen; links und echts: effektive Bildbeeich umahmt dagestellt 3..3 Spezifische Anfodeungen an die Applikation in de Fetigungsumgebung Unte Wekstattbedingungen, bei denen das Messsstem betieben weden muss, teten einmalige und wiedekehende Stöße, tieffequente Schwingungen und goße Mengen elektisch leitfähigen Gaphitstaubs auf. Die Patikel kommen von den Gaphitbahnen, auf denen die Stangpofile nach de Ufomung beschädigungsfei gefüht weden um weiteveabeitet und schließlich zwischengelaget zu weden. Die wechselnde Feuchte de Fetigungsumgebung (z.b. übe die Tages- und Jaheszeit) ist ähnlich kitisch wie die schwankende Umgebungstempeatu innehalb des Deischichtbetiebes, bei welche das ealisiete Messvefahen bestehen muss. In vielen Fetigungsanwendungen sind ähnliche Bedingungen mit vegleichbaen themodnamischen Folgen fü technische Ssteme zu ewaten [EIPERTZ 005]. De unegelmäßige Pesonalwechsel kann sich im Beeich de Messbedienung auf das OMS vo Ot auswiken [MASING 007]. Dabei wid de Bedieneeinfluss auf die Messunsicheheit häufig unteschätzt [PESCH 003]. Die Einbausituation ist eng, da meist kaum Raum vebleibt, wenn diese nicht von voneheein eingeplant wid. Ein maimal

38 30 Zielsetzung und wissenschaftliche Ansatz vohandene Bauaum von ca. m 3, die efodelichen Kabelfühungen und die Veschlauchung fü Zusatzanbauten bedingen zusätzliche Eschwenisse [DEPPE 005]. Aufgund des o.g. Gaphitstaubs sind elektische Komponenten hemetisch zu kapseln bzw. in dafü geeigneten Filteschänken zu vestauen, wofü ein spezifische Watungsplan efodelich ist (auch Kap ). Bei allen Sensosstemen, welche im unmittelbaen Umfeld de Stangpofilpesse und deen Ausbingung untegebacht sind, eicht die passive Kühlung duch feie Konvektion meist nicht aus [BÖSWIRTH 007]. Selbst aktive uftkühlung ist wegen dem mangelndem Tempeatugefälle zwischen Umgebungsluft, Sensoobeflächen und den wamen Messobjekten kaum zielfühend. In klassischen Fetigungshallen betägt die Tempeatu in den Sommemonaten bis zu 40 C [DIEH 00]. Optische Sensoen düfen meist nicht wäme als 50 C weden, um auseichend auschame Messdaten zu liefen. Daduch vebleibt eine Tempeatudiffeenz von und 0 C, die fü Kühlzwecke meist viel zu geing ist (auch Kap ). Die dann zwangsläufig efodelichen Fluidkühlungen (z.b. Öle, Emulsionen ode Wasse) mit offenen ode geschlossenen Kühlkeisläufen sind in de Applikation mit meheen Sensoen komple aufgebaut. Außedem sind diese Kühlvefahen gundsätzlich obust gegen eckage und watungsam zu konzeptionieen. Die dann zusätzlich notwendigen Veschlauchungen üben meist maschinendnamische Rückwikungen auf die Sensohalteungen und das Rahmenwek des Messsstems aus ode focieen Schwingungskopplungen. Somit stellt auch das Kühlsstem eine, fü die Evaluation des OMS entscheidende, Anfodeungskomponente da. Ohne diese efüllten Anfodeungen und Eigenschaften kann das Messvefahen nicht als unte ealen Bedingungen veifiziet gelten [WECKENMANN 007], (Tabelle ). Tabelle : Wesentliche Anfodeungen und beeitzustellende Eigenschaften des OMS Anfodeungen an: Beeitzustellende Eigenschaften: Messunsicheheit < 00 µm Messbeeich 0 mm bis 00 mm Zu bestimmende Mekmale änge (Duchmesse, Abstand), Fom (Rundheit, Winkligkeit) Auseichende Messdatenate 0 Egebnisse po s, dabei ca. 000 Messpunkte po Datensatz Kompakte Bauweise Abmessungen des Messsstems: ca. 0,8 m Beite,, m Tiefe, Höhe fei Viele zu messende Pofilfomen alle Standadpofilfomen (Rund, Mehkant, T-, -, H, Schlosspofil) Keine Rückwikungen auf das Messobjekt keine messbaen Einflüsse auf die Messobjekttempeatu ode -fom Beühungslose Messung aufgund de Bewegung des Messobjekts und de Tempeatu Mechanische Schwingungsfestigkeit Amplituden bis mm und Fequenzen von Hz bis 5 Hz teten auf Femdlichtstabilität es wikt Stölicht duch IR-Stahlung auf das Messsstem ein Robustheit gegen Wämeeinwikung Abfühung de eintetenden Wämemengen (z.b. duch Kühlvefahen) Automatische Kalibiefähigkeit mit Hilfe de Messsoftwae ist die Kalibieung weitgehend zu automatisieen Seh kuze Kalibiezeit es stehen bei Pofilwechsel im Pozess ca. 300 s zu Vefügung Kuze Einbau-/Ausbauzeit des Messsstems Einbau-/Ausbauzeiten in Watungspausen ma. 3 bis 4 Stunden Automatische Messauswetung die Messauswetung muss ohne weiteen Pesonalaufwand funktionieen Visualisieung alle Messegebnisse Die Messegebnisse und die Konfomitätspüfung sind zu visualisieen Fehleingabesicheheit und Abbuchsicheheit Nomenkonfomes Softwaedesign, Egonomie und Abbuchsicheheit Fleible Einstellbakeit des Messsstems Die Sensoen müssen in Abstand und Winkel einstellba sein Anbindung an Pozessegelung Die Messdaten müssen fü einen eitechne de Fetigung kompatibel sein

39 Zielsetzung und wissenschaftliche Ansatz 3 3. Theoetische Gundlagen fü ein optisches Multi-Senso-Messsstem Das ealisiete OMS soll mindestens ein SWS tagen, um die laufende Selbstkalibieung des optischen Gesamtsstems zu emöglichen und um die geinge Messunsicheheit beeitzustellen. Das SWS abeitet mit eine ichtleistung von mw bis 5 mw und otem icht aus Halbleitedioden de Wellenänge 65 nm. Ein einzelnes SS ist wie o.g. fü vollständige Kontumessungen nicht geeignet [ASUNDI 999]. Dahe wid als Kompomiss aus Aufwand und technischem Nutzen ein deifaches SS eingesetzt, was die minimale Anzahl fü eine 360 Messung dastellt (auch Kap...). Rote ase mit ca. 650 nm Wellenlänge weden aus witschaftlichen Günden in den pototpischen Vefahenstests eingesetzt, wobei auch eine Machbakeitsanalse in Fom von Voabtests eabeitet wude. Somit ist sichegestellt, dass die Infaotstahlung wame Messobjekte von und 800 C (duch Eigenleuchten) die Messegebnisse nicht signifikant beeinflussen und kaum übeblenden. Wegen de notwendigen ichtempfindlichkeit müssen hochauflösende und empfindliche Kameassteme als Beobachte eingesetzt weden [ANDOR 008]. Das Egebnis ist in Bild 3 links esichtlich, das oidiete Pofilstück in Bild 3, echts. aselinie Testpofil mit 800 C Testpofil nach de Messung Bild 3: Testmessung an einem wamen Pobeköpe (hie: Messing, 800 C), Feststellung des Kontasts; links: wames Pofil mit daauf pojiziete ichtlinie, echts: Pofil bei Raumtempeatu Die Einstellung alle Kameas und Beleuchte muss aus o.g. Günden vaiabel sein (auch Kap. 4.3 und Kap. 4.4). Alle ichtschnittbeleuchte und -beobachte müssen in Abstand und Winkel in meheen Feiheitsgaden zum Messobjekt und zueinande einstellba sein. Zumindest die ichtquellen müssen fein und epoduzieba justieba sein, um wesentliche Winkelabweichungen mit negativen Folgen fü das Messegebnis beeits in de Entstehung zu vemeiden (Kap. 4.5). Das Messvefahen muss in de Auswetung emöglichen, die schnelle Bewetung des gemessenen Stangpofils im Vegleich zu eine Sollkontu (gemäß den vogegebenen Spezifikationen) zu leisten. Dabei sind im Hinblick auf die Messdatenveabeitung Übelappbedingungen zwischen den otsfesten ichtschnittmessdaten a pioi vozuschlagen und einzuhalten. Da es anhand de Messdaten keinen Anhaltspunkt dafü gibt, wo de Übelapp beginnt und endet, wid auf die Beechnung aus dem angenzenden Bildteil zuückgegiffen. Somit muss das Kontusegment nochmals in die Beeiche unteteilt weden, in denen ewatungsgemäß de Übelapp liegt, und in jene, welche nicht zu

40 3 Zielsetzung und wissenschaftliche Ansatz Fusion beitagen (Bild 37). Zu anschließenden Registieung und Ausichtung de Datensätze wid somit das Kontusegment in Zonen ode inientipel unteteilt. Die esten zwei Punkte sind die Randpunkte R und R, wobei R dem gößeen Wet fü, und R dem kleineen zugeodnet wid. Fü die fehlenden zwei Punkte sind weitee Beechnungen duchfühen. Zuest wid de Anteil υ des vollen Umfangswinkels κ, de das Umfangssegment einschließt, bestimmt nach: Ü ( ) κ (3.3) υ = % Mit dem Vekto zum Mittelpunkt des Fomelements und de entspechenden Rotationsmati egeben sich die beiden gesuchten Abschlusspunkte 3/4, 3/4. De este egibt sich, bei positivem Übelappwinkel mit R und negativem fü R. R R 3 4 = = R 3 R 3 R 4 R 4 = = cos sin sin cos ( υ ) sin ( υ ) R M (3.4) M + ( υ ) cos ( υ ) R M ( υ ) sin ( υ ) R M (3.5) M + ( υ ) cos ( υ ) R Damit kann de gewünschte Übelapp des Umfangs duch die inienzüge R - R 3 und R - R 4 ausgedückt weden. Bei einigen besondeen Pofilen wie z.b. dem Schlosspofil ist diese Beechnung etwas tiviale möglich, da de Übelappwinkel im Pogamm beeits diekt gewählt weden kann. Eine de Kameas muss als Mastekamea bestimmt und die Messdatensätze de andeen beiden Kameas mit de jeweiligen Seite zeitgleich getigget aufgenommen und fusioniet weden. Sollten nu zwei Übelappungen bestehen, wid dejenige Kameadatensatz gewählt, welche sich mit den beiden andeen übelappt. Somit kann fundiet angenommen weden, dass duch die Gobegistieung, bei de die Datensätze weitgehend angenähet weden bevo sie endgültig fusioniet weden, entspechende Datensätze schon nah genug beieinande liegen. Dies ist in de messtechnischen Realisieung algoithmisch untestützt (Kap. 4.5). Um die dafü benötigte Rechenzeit zu minimieen, ist diese Algoithmus fü jedes Pofil a pioi festzulegen. Somit sind zusammengehöige Fomelemente daduch gefunden, dass de Abstand zueinande geinge ist als zu den vebleibenden. Dazu weden die Schwepunkte S K, de Fomen fü ( Rn, Rn ) beechnet und die Abstände veglichen, was mit folgende Gleichung bestimmt weden kann: M M M S K, = R R + + R R R R (3.6) Wenn nu zwei übelappende Beeiche vohanden sind, wid ein Kameadatensatz als Modell festgelegt und die andeen beiden Datensätze de SS an diesem ausgeichtet. Aus den Schwepunkten de jeweils koespondieenden Elemente ( Sn, Sn ) kann die änge des Tanslationsvektos P T als Schwepunktdistanz d s bestimmt weden.

41 Zielsetzung und wissenschaftliche Ansatz 33 d S ( ) + ( ) = (3.7) S S S S Zu Bestimmung de Rotation wid folgende Rotationsmati fü R R benötigt: R Rn cos = sin ( α ) sin( α ) ( α ) cos ( α ) (3.8) Da aus den Randpunkten die Richtung des Vektos ekenntlich ist und sich damit in bestimmten Fällen eine Rotation um 80 egeben wüde, muss übe die Steigung m X gepüft weden, ob beide Vektoen in die gleiche Richtung zeigen: m = R R R R (3.9) Die Steigung kann ebenfalls fü eine goße Anzahl von Punkten auf Basis de lineaen Regessionsanalse beechnet weden (Gleichung.8). Daaus können nun die angepassten Koodinaten alle Messpunkte eechnet weden. ( Palt SK, ) TK P neu SK, + RRn +, = (3.0) Dabei entspicht S K, dem Egebnis aus Gleichung 3.6, R Rn de Rotationsmati und T K, dem Veschiebungsvekto. Wenn dabei ein Segment eines Kameadatensatzes veschoben wid, müssen auch die andeen, zusammengehöigen Datenelemente in gleichem Maße tansfomiet weden. Das Vogehen fü die Datenfusion baut auf die vogestellten Ziele zu effektiven Vebindung de Datensätze auf (Kap. 4..). Mindestens dei SS und ein SWS sind notwendig, um die Zielsetzung zu holistischen Messegebnissen an Stangpofilen zu ealisieen. Dabei sind in einem esten Schitt geeignete Sensoen, Objektive, Ausweteinheiten, Peipheiegeäte und Methoden aufzubeeiten. Dahe kann fü das ichtschnittvefahen z.b. kein quasi-telezentisches Objektiv vewendet weden, da es zu goße Abmessungen besitzt [THÖNIß 006]. Ebenso ist ein kuzlebige und aktuell nu eingeschänkt entwickelte Blau- ode Günlase auch aus Sicheheitsgünden kaum einsetzba, (Kap. 4.4), [DIN EN 6085-]. Die ebensdaue ist bei de Wahl de Sensoen zudem zu beücksichtigen, z.b. sind ase im oten Wellenlängenbeeich langlebige als blaue. Ein vietes ode fünftes SS zu vewenden ist ebenfalls nicht diekt zielfühend, ähnlich wie ein zweites ode dittes SWS einzusetzen, da de wissenschaftliche Aussagegehalt nicht unbedingt vebesset wid. Es ist ehe mit folgenden Nachteilen vebunden: aufwendigee Justiebakeit, steigende Anfälligkeit und Auswetezeit sowie ehebliche Mehkosten. Wie bei allen Messvefahen müssen die Gesamtkosten fü den Einsatz (Anschaffung, Betieb, Watung, Enegiebedaf, usw.) in einem möglichst günstigen Vehältnis zum Nutzwet liegen [HOFFMANN 007]. nachstehend beschieben (Bild 4). Das udimentäe Konstuktionskonzept zum OMS wid

42 34 Realisieung eines optischen Multi-Senso-Messsstems zu Stangpofilmessung 4 Realisieung eines optischen Multi-Senso-Messsstems zu Stangpofilmessung Als Kompomiss aus Aufwand, Bauaum und Kosten muss ein Pototp hegestellt weden, welche den wissenschaftlichen Ansatz des Messvefahens vefolgt und mit dem sich das geschildete Vohaben sowohl ealisieen als auch evaluieen lässt. Stangpofil Ganitplatte Ring (SWS) Aktoik Halteung Kameas ase SWS (SS) (SS) z Bild 4: Pototpische Aufbau des Konzepts aus Bild 0; links: Daufsicht, echts: Seitenansicht Koosionsfeiheit ist bei widigen Umgebungsbedingungen und chemisch aggessiven Stäuben eine elevante Nebenbedingung, woduch z.b. klassische Stähle als Rahmenmateial ungeeignet escheinen [BEITZ 00]. Die efodeliche mechanische angzeitstabilität efodet ein Gestell aus nicht kiechenden ode elaieenden Wekstoffen mit gleichzeitig gute Wämeleitfähigkeit fü geinge themische Gadienten und folglich minimalen mechanischen Vezug. Ein geeignete Wekstoff ist wie oftmals fü Anwendungen in de Metologie hochlegietes Aluminium [BAEHR 008]. Duch die gute Wämeleitfähigkeit sind o.g. Einflüsse auf ein Minimum eduziet und folglich nu in elativ geingem Ausmaß zu ewaten. 4. Kombination de Messvefahen beide Subssteme Das vogestellte Messvefahen basiet auf de kontinuielichen Selbstkalibieung beide Sub-Ssteme. Damit geht einhe, dass die SS am genaueen skalaen Schattenwufdatensatz kontinuielich sstematisch kalibiet weden (Bild 5). Dabei wid snchon und in egelmäßigen zeitlichen Abständen wähend des in-line Messpozesses eine Selbstkalibieung duchgefüht. Die Gesamtkontu des fusionieten Datensatzes de dei ichtschnittssteme wid mit dem Messegebnis des SWS an de Stelle maimale Bauteilbeite kombiniet [WECKENMANN 009b]. Das skalae ängenmessegebnis des SWS koigiet den otsfesten Messdatensatz des SS sstematisch mit snchonisiete Messate. Somit kann die Datendichte de SS (mit de Möglichkeit konkave Kontuen in änge und Fom zu messen) genutzt weden, um die Geometie päzise mit geinge Messunsicheheit zu bestimmen.

43 Realisieung eines optischen Multi-Senso-Messsstems zu Stangpofilmessung 35 Reale Kontu des Bauteils Vetauensbeiwet: Koektu in elative Gewichtung des Vehältnisses de beiden Datensätze von l SS / l SWS 3 n Sstematische Koektu SWS SS linea: (optional) polnomisch: l SS / l 0,75 0,50 0,75 0,50 SWS n l SS / l SWS Bild 5: Datenfusion de Einzeldatensätze von SS und SWS duch sstematische Koektu des wenige genauen, jedoch mit Koodinaten abeitenden, SS am skalaen Zweipunktmaß des SWS Die efolgende sstematische Koektu kann im einfachsten Fall duch einen einzigen Koektubeiwet, welche z.b. in labogebundenen Vesuchen emittelt wid, untestützt weden. Diese ist meist in gewissem Umfang abhängig von de äumlichen Göße des Messobjekts, da damit gleichwohl auch de absolute Abweichungsbetag zwischen SWS und SS zunimmt. Eine weitee Möglichkeit besteht dain, weite von de Stützstelle des SWS entfente Beeiche wenige stak und nahe Beeiche stäke zu koigieen. De Velauf zwischen den Stützpunkten kann dabei linea ode polnomisch etapoliet und folglich bei de Fusion intepoliet weden. Nachteilig ist hiebei die vesuchsgebundene und auf Epetenwissen basieende, pofilabhängige Emittlung ealistische Koektuveteilungen. Negative Folge ist jedoch de eheblich höhee Rechenaufwand fü die Datenfusion, besondes wenn de Gad de polnomischen Etapolation göße 3 wid. Da im in-line gebundenen OMS die Auswetezeit eine kitische und zentale Rolle spielt, sind weitee Tests zu sstematischen Koektu um meh als die lineae Appoimation nu begenzt duchgefüht woden. Im Weiteen sind diese dahe auch kein zentale Bestandteil de vogestellten Abeit und de Messegebnisse. Dennoch weden beeits mit de ineawetmethode ehebliche Vebesseungen de Messunsicheheiten eeicht (Kap. 5). Mit weite fotscheitende Rechnetechnologie scheint die zusätzliche Eweiteungsmöglichkeit dann ehe gegeben. Vo de Kombination von SS und SWS weden dei singuläe SS unteeinande zu einem Datensatz vebunden, de dann als geschlossene Messdatensatz nach außen titt. Hiezu sind Übelappbedingungen einzuhalten und Einstellegeln zu beachten, um die Datenqualität des SS bestmöglich sichezustellen fü die sstematische Koektu mit dem SWS. Von besondee Wichtigkeit hinsichtlich de konstuktiven Kombination de Messdaten mit geinge Messunsicheheit ist zudem ein Kalibievefahen fü das optische OMS, welches nachstehend eläutet wid.

44 36 Realisieung eines optischen Multi-Senso-Messsstems zu Stangpofilmessung 4.. Kalibievefahen Die Kalibieung ist ein wichtige Vogang und Bestandteil jede Messung. Damit ist sie ein entscheidende Aspekt zu Eeichung des Ziels, epoduziebae und genaue Messegebnisse emitteln und ausweten zu können. Jegliche Abweichungen finden sich als sstematische Abweichungsanteil in Fom de sog. Kalibieunsicheheit u kal in jedem auf Basis diese Kalibiepozedu emittelten Messegebnisses sowie in dessen Bewetung wiede [PTB 009]. Die Kalibieung de dei SS efolgt auf Basis eine gemeinsamen Kalibieung in einem gemeinsamen WKS (Bild 6 und Gleichung 4.), [TSAI 987a], [TSAI 987b]. Kamea-Koodinatensstem o f z w P u (X u,y u ) O l X O w w Bildebene P d (X d,y d ) w Y z P(,, z) ode P( w, w, z w ) Bild 6: Skizze des WKS fü die Einzelbeobachte in, und z Dabei weden fü alle Kameasensoen des SS Zuodnungen hegestellt zwischen dem Bildkoodinatensstem und dem WKS, welches häufig das Koodinatensstem des Bauteils sein kann ode beliebig späte in dieses tansfomiet weden kann. Veschiedene wissenschaftliche Ansätze bauen auf diesen Ekenntnissen mit ähnlichen Detailvefahen efolgeich auf [WISON 995], [ZHANG 000], [MIAN 006b], [TUTSCH 006]. Dazu müssen die einzelnen Paamete (welche ebenso in veschiedenen Koodinatensstemen emittelt woden sein können) umgeechnet weden (Kap. 4..). Die kalkulatoische Kalibiepozedu des vogestellten Messvefahens setzt sich aus meheen echneischen Teilschitten zusammen (Gleichungen 4. bis 4.). Die mehstufige Kalibieung beginnt mit de Vezeichnungskoektu de einzelnen Kameas und de Eechnung eines Gütepaametes de Kalibieung, z.b. dem nomalized calibation eo (NCE), [TSAI 986]. Diese gibt an, wie goß die Vezeichnungskoektu im Vehältnis zu vohandenen Vezeung wähend de Kalibieung wa und gibt Hinweise daauf, mit welche Wahscheinlichkeit die Kalibieung auseichend genau fü die anschließende Messung ist. Ähnliche und abgewandelte wissenschaftliche Abeiten sind in [HEIKKIA 997] zu finden. Dafü wid ein Kalibienomal benötigt, welches Kontumekmale (wie z.b. schwaze Punkte auf weißem Gund) tägt. Dafü kann z.b. eine geätzte Glasplatte ode eine beduckte Aluminiumplatte vewendet weden. In Vovesuchen hat sich ein Punktaste von 5 5 Punkten in konstanten Abständen de Mittelpunkte von 4 mm und Duchmessen von mm als Optimum heausgestellt, de Kalibiebeeich betägt dann

45 Realisieung eines optischen Multi-Senso-Messsstems zu Stangpofilmessung 37 etwas meh als 60 mm Kantenlänge. Kleinee Abweichungen von diesen getoffenen Zahlenweten änden am Vefahen nichts. Weden deutlich meh Punkte und feinee Abstände gewählt, wid die Kalibieung zeitintensive und die späte vogestellte vollautomatische Kalibieung funktioniet nicht zuvelässig genug (u.a. mangels auseichende Stuktuauflösung). Sind es deutlich wenige ode kleinee Punkte, so sinkt die Mekmalsdichte und gleichzeitig steigt die Kalibieunsicheheit u kal im übepopotionalen Maße [MARESCH 006]. Das Vogehen ist sstematisch in Bild 7 dagestellt. ( w, w, z w ) 3D-Weltkoodinatensstem Schitt : Staköpetansfomation von ( w, w, z w ) in (,, z). Schitt : Zu kalibieen sind die Rotationsmati R und de Tanslationsvekto T. (,, z) 3D-Kameakoodinatensstem Schitt : Pespektivische Pojektion mit ochkameamodell. Schitt : Zu kalibieen ist die effektive Bennweite f. (X u, Y v ) ideales und unvezetes Kameakoodinatensstem Schitt 3: Reale insenvezeung einbeziehen. Schitt 3: Zu kalibieen sind die Vezeungskoeffizentenκ,κ. (X d, Y d ) Vezetes Kameakoodinatensstem Schitt 4: Reales Bildkoodinaten- in Computebildkoodinatensstem tansfomieen. Schitt 4: Zu kalibieen ist de Skalieungsfakto s. ( f, f ) Computebildkoodinaten Bild 7: Zusammenhang de Einzelssteme mit dem gemeinsamen WKS Die Umechnung von den einzelnen Kameakoodinaten in Weltkoodinaten wid übe die folgenden Gleichungen duchgefüht [TSAI 986]: X Y Z w w w Xi R Y (4.) = i + T mit ( Xi, Yi, Zi ) = ( Xc, Yc, Zc) Zi Die intinsischen Koodinaten und deen zugehöige Indees weden in de iteatu sowohl mit i und c benannt (Gleichung 4.). Die Rotationsmati zu Übefühung in Weltkoodinaten ist dabei definiet als:

46 38 Realisieung eines optischen Multi-Senso-Messsstems zu Stangpofilmessung = R (4.) De Veschiebungsvekto als tanslatoische Umechnungsanteil egibt sich zu: = z T T T T (4.3) Die einzelnen Rotationsanteile n de Mati um die Rotationswinkel R und R können wie folgt ausmultipliziet dagestellt weden: ) cos( ) cos( ) sin( ) cos( ) sin( ) sin( ) cos( ) sin( ) sin( ) cos( ) cos( ) cos( ) sin( ) sin( ) sin( ) sin( ) cos( ) )sin( cos( ) cos( ) cos( ) sin( ) sin( ) sin( ) cos( ) sin( ) sin( ) cos( ) cos( ) cos( z z z z z z z z R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R = = = = + = = + = = = (4.4) De Vezeichnungsanteil egibt sich aus X i fü X u (unvezet, da nicht koigiet) nach: i i u Z X f X = (4.5) Und Y u (unvezet, da nicht koigiet) bildet sich nach: i i u Z Y f Y = (4.6) Das koigiete (vezete) Punktetiple liegt dann fü X d bei: ) ( k X X d d = (4.7) und fü Y d bei: ) ( k Y Y d d = (4.8) De otiete Anteil egibt sich mit k als Koeffizient de insendistosion tivial zu: d d Y X + = (4.9) In de Gesamtheit bleibt nach Rotation fü X f als endgültige Bildkoodinate:

47 Realisieung eines optischen Multi-Senso-Messsstems zu Stangpofilmessung 39 S X d X f = + d z C (4.0) und fü Y f : Y d Y f = + d C (4.) Die Gleichungen 4. bis 4. weden auch nachstehend in Kap. 5.. vewendet. Dabei ist d, d die Distanz zwischen angenzenden Sensoelementen in - und -Richtung. Sie können als Kameakonstanten betachtet weden und hängen von de Chipgöße sowie de phsikalischen Auflösung ab. Die Punkteplatte muss in ihe Beschaffenheit bekannt sein (Göße, Duchmesse, Abstand, Anzahl) und die Binäisieung de Gauwete (z.b. 8 Bit) technisch behescht weden, auf die in Kap... gundlegend eingegangen wude. Eine dafü angefetigte Kalibieplatte wude auf einem deutlich genaueen optischen Messgeät (Videocheck UA de Weth Messtechnik GmbH, eeichte Messunsicheheit ca. 0,5 µm) efeenziet (Bild 8). Duch Refeenzieen lässt sich totz hochgenaue Hestellung duch Spezialducke auf Metall ode Ätzen in Glas das Kalibieen zusätzlich vebessen, da Abweichungen konstuktiv fü die Kameakalibieung vewendet weden. Bild 8: Kalibieplatte mit Keiselementen; links: Gaubild 8 Bit, echts: binäisietes Bild, von allen Kameas des OMS fest ausgeichtet aufgenommen (da D-Betachtung kann z=0 gesetzt weden) Duch die Kenntnisse de Abweichungen de Punkteveteilung und deen Duchmesse sowie konstuktives Einpflegen übe die Kalibiesoftwae (Kap. 4.6), wuden in Vesuchen diese vozeichenhafteten Abweichungen des Kalibieegebnisses und de Gütepaamete de Kalibieung (NCE) um % bis ca. 9 % vebessen. Das Kalibievefahen muss wie o.g. anfodeungsbedingt seh schnell duchlaufen weden (ca. 300 s). Eine manuelle Kalibieung ist dahe unmöglich. Damit wid auch die Anfodeung hochgenaue Hestellung vemindet. Die vollautomatische Vaiante setzt voaus, dass zu weiteen Veabeitung die Punkte nach de Binäisieung zweiachsig und eindeutig nummeiet sowie bezüglich Ihe age gespeichet weden. Dazu muss eine automatische Schwepunktekennung des Flächenschwepunkts, eine abweichungsminimale Zuodnung und eine Speicheung von vielen Punkten (hie: 5) in wenige als 300 s efolgen. In Bild 9 ist die Nummeieung de ealisieten Kalibieung, eingebettet in die beeitgestellte Messsoftwae ekennba (Kap. 4.6).

48 40 Realisieung eines optischen Multi-Senso-Messsstems zu Stangpofilmessung Bild 9: Visualisieung de emittelten Keismittelpunkte auf de detektieten Kalibieplatte Eine weitee Anfodeung ist, den Uspung des WKS in den Schwepunkt des Bauteils zu legen (auch Kap. 4.6). Nach de eigentlichen phsikalischen Kalibieung wid optional noch eine sstematische Koektu des SS duch eine zusätzliche Kalibieung an Meistewekstücken duchgefüht (diese Schitt muss nu fü eine Estkalibieung nach Wiedeaufbau des Messsstems duchgefüht weden). Dabei sind die eeichbaen Vebesseungen de Messegebnisse deutlich (Kap. 5..). Duch die Make auf de Kalibieplatte des ichtschnittsstems können vollautomatisch die Registieung, Nummeieung, Sotieung und Zuweisung de Punkte duchgefüht weden. Die Kalibiezeit kann damit von üblichen dutzenden Minuten ode wenigen Stunden auf in-line taugliche 5 min (300 s). eduziet weden (Kap. 5.3), [WECKENMANN 009c]. Eine Altenative zu Kalibieung mittels o.g. Kalibieplatte ist die Kalibieung mit Theodoliten (Bild 30), z.b. anhand eine Halteung welche mit feinen metallischen Dähten (< 0, mm Duchmesse) bestückt ist. Theodoliten sind Winkelmessinstumente, welche häufig auch in de Geodäsie eingesetzt weden. Sie efassen Hoizontalwinkel, Zenitwinkel und Vetikalwinkel und weden mittels eines Stativs lotecht aufgestellt. Mittels mehee ibellen können diese nivelliet weden. Ein Zielfenoh mit Stichkeuz dient zu Anvisieung des zu efassenden Objektes. Auf Basis von Winkeltigonometie im Raum können Otsbeziehungen zwischen den anvisieten Objekten eechnet weden. Bei Beleuchtung de Dähte mit beeits justieten asefächen weden feine ichtpunkte im Raum ezeugt, welche dann als Kalibiepunkte ekennba weden und im Weiteen dazu zu dienen, agepunkte im Raum zu makieen. Jedoch disqualifizieen veschiedene o.g. Randbedingungen dieses Vefahen fü viele Abeiten in de Fetigung. Die Theodoliten sind zu unhandlich, zu goß und die ichtvehältnisse vo Ot zu kitisch. Die sich eechnende Gesamtunsicheheit de Kalibieung ist duch Abweichungen in Positionieung und Wämevezug innehalb de Optiken mit eeichten 50 µm fü eine technische Machbakeit genzwetig geing, insbesondee wenn das kalibiete Messvefahen insgesamt nu Messunsicheheiten von 00 µm eeichen soll [BARTSCH 00]. Die Kalibieung mi Dähten ist wegen de phsikalisch defomiebaen und leicht in uftschwingungen zu vesetzenden Dähte lediglich labotauglich und kann zudem mit den beengten Platzvehältnisse und notwendigen Rundumsichtbeeichen häufig nicht adäquat duchgefüht weden. Dafü liegen ohne weitee Umechnung etinsische Weltkoodina-

49 Realisieung eines optischen Multi-Senso-Messsstems zu Stangpofilmessung 4 ten im Bezug auf ein otsfestes Koodinatensstem vo. Duch das dabei aufgespannte Deieck gemäß Gleichungen 4. bis 4.4 kann die age in einem WKS festgelegt und als Nullpunkt fü weitee Messungen auf dem Kameachip heangezogen sowie fü die Skalieung übenommen weden (Bild 3). Eine otsfeste änge muss hiezu bekannt sein. ase Gespannte Daht ichtpunkte Kameas Theodolit Theodolit Bild 30: Kalibievefahen mittels otsfeste Beobachtung von Punkten im Raum duch Theodoliten α = 80 γ 80 (4.) IA γ IIA und β = γ IB γ IIB = sin α a a b = und = sin γ sin γ sin β sin γ = IIA IA IIB b sin γ IB (4.3) Mit den mittels de Theodoliten bestimmten Winkeln α, β, γ n und den Gößen a, a, b, b aus Gleichung 4.3 egibt sich nach einigen Umfomungen die änge AB duch: ( AB ) = a ( AB ) = a + + b b a b a b cos( γ IA γ ) (4.4) IB cos( γ IIB γ IIA ) Zc A α AB β B a Yc a b Dei ichtpunkte auf dem Kameabild Oc Theodolit (I) b γ γ IA IB Xc γ IIB γ IIA Theodolit (II) Bild 3: links: Detektion deie ichtpunkte im Raum; echts: Aufspannung eines vituellen Deiecks fü die Kalibieung des SS innehalb des OMS, Eechnung des WKS [PAPUA 000] Im weiteen Velauf diese Abeit und fü die Messsoftwae wid jene Kalibieung untestützt, welche aus o.g. Günden mittels de binäisieten Kalibieplatte mit chaakteistische Punktveteilung duchgefüht wid. Hegestellt wude dieses individualisiete und mit

50 4 Realisieung eines optischen Multi-Senso-Messsstems zu Stangpofilmessung einem optischen Koodinatenmessgeät efeenziete Nomal auf einem hochauflösenden Monochom-aseducke (Duckauflösung 400 DPI). De vohandene Punktabstand und die Punktgöße sind jeweils vaiabel zwischen mm und 4 mm (mit den o.g. besten Egebnissen fü mm) hegestellt woden. Zu Kalibieung müssen mindestens 9 Punkte vewendet weden, um die 8 Feiheitsgade (DOF) aus de Kalibieung zu definieen. Eine gößee Anzahl von Punkten ist wegen des gößeen Aussagegehaltes theoetisch besse, wobei mit zunehmende Zahl das Vefahen ab ca. 00 Punkten eine Sättigung de Kalibiegüte (NCE) efäht. De NCE sollte jedoch höchstens ode kleine sein [PROSIICA 009]. Danach steigen lediglich de Zeitaufwand und die Wahscheinlichkeit von Auseißen ode Bedienfehlen übepopotional an. Zudem weden die Punkte dann dimensionell klein (< mm Duchmesse d) und eng geeiht (< mm Abstand a). Wegen de begenzten phsikalischen Kameaauflösung hat dies technische Nachteile de Detektion zu Folge. Alle zu Kalibieung heangezogenen Punkte sollten gleichmäßig veteilt und dennoch im schafen Beeich de Kameas liegen [WECKENMANN 009a]. Die Festlegung eines Koodinatensstems efolgt gemäß Bild 3 paallel zu den Abstandsminima de Punkteihen anhand von Randmaken (nachstehend auch in Bild 7). 7a 5a 3a a a 3a 5a 7a Bild 3: Festlegung eines zweiachsigen Koodinatensstems fü die Messung (nach Kalibieung) Abweichungsbehaftete Abstandsdiffeenzen, die pinzipbedingt unvemeidba vom vewendeten Pintgeät veusacht weden, wuden in Vesuchen mit dem o.g. Refeenzmessgeät Videocheck UA (Weth Messtechnik GmbH) efeenziet. Die dabei emittelten Abweichungen liegen bei Punktduchmesse und -abstand im Beeich von 0-3 µm und sind teilweise sstematisch veteilt. Die Anteile zufällige Abweichungen sind um ca. eine Gößenodnung geinge und liegen damit im Vogabebeeich de Goldenen Regel nach Bendt [MASING 007], [WECKENMANN 995]. Die bekannten sstematischen Abweichungen weden dann hinsichtlich eine sinkenden Kalibieabweichung u kal in de eigens dafü estellten Kalibiesoftwae konstuktiv vewendet (auch Kap. 4.6), um die Gesamtunsicheheit de Kalibieung zu veingen. Die gesamte Kalibiesoftwae fü das optische Messvefahen ist in de Hochspache Visual Basic.NET modula ealisiet, wie es häufig empfohlen wid [KOFER 008]. Die Kalibieung des SWS efolgt sepaat in einem Untepogamm und wid duch die in Kap. 4.6 vogestellte gafische Benutzeobefläche de

51 Realisieung eines optischen Multi-Senso-Messsstems zu Stangpofilmessung 43 Messsoftwae untestützt. Aufgund de pinzipbedingten Robustheitsanfodeungen escheint eine Rekalibieung de Kalibieplatte lediglich im Rahmen von Übewachungsmessungen notwendig und muss nicht vo jede Messung duchgefüht weden. De softwaegestützte Ablauf de kontinuielichen Selbstkalibieung am SWS ist in Bild 33 skizziet. Statwet suchen Einlesen Speichen Nutzwetetaktion Stat Visualisieung He.-Zahlen Dez.-Zahlen Mittelwet Median/ aithm. Sstematische Koektu Bild 33: Kontinuieliche Kalibieung am Schattenwufvefahen, Zeitbedaf < 50 ms Fü das SWS wid eine Zweistufenkalibieung mit mindestens zwei Meistewekstücken duchgefüht. Die damit ehaltenen Stützstellen (z.b. 0 mm und 50 mm fü einen Messbeeich bis 00 mm), können auch duch höhee Odnungen mit einem Polnom vom Gad n modelliet weden, was dann eine gößee Zahl von Stützstellen voaussetzt. Gundsätzlich müssen die Kalibieköpe zuvo efeenziet weden, um die unweigelich vohandenen Abweichungen de Refeenzwekstücke beücksichtigen zu können und die Kalibieunsicheheit u kal zu minimieen (Bild 34). Abweichung in µm 0,4 0-0, ,05-0,6-0,4 0,5 0,4 90 0, ,09 Kalibieabweichungen in mm Nennmaß in mm -0,46-0,8-0,75 -, -,4 Bild 34: Übehöhte Abweichungsdastellung de vewendeten Meistewekstücke nach Kalibieschein in 0 mm-schitten [PTB 009], echts unten: eigens estellte Püfköpe veschiedene Pofilfomen und unteschiedliche Gößen von 0 mm bis 00 mm (auf Montageplatte)

52 44 Realisieung eines optischen Multi-Senso-Messsstems zu Stangpofilmessung Das Kalibievefahen, die Koektu und de Ehalt de kalibieten Kennlinie des Schattenwufvefahens sind pinzipiell in Bild 35 skizziet. Individuell estellte Kalibieköpe zu sstematischen Koektu weden daübe hinaus vewendet, um einzelne geometische Mekmale de Gesamtkalibieung gesondet zu püfen. Sie bestehen aus Edelstahl und sind in vielfältigen Pofilfomen estellt woden, z.b. in den Fomen Rund, Viekant, Sechskant, Achtkant. Ausgabe/ Messwet Kennlinie (vo Kalibieung) X Ausgabe/ Messwet Kennlinie (nach Kalibieung) X Koektion um f( m, t) X Refeenzwet 0 mm 50 mm ineae Betachtung X Refeenzwet 0 mm 50 mm Optionale Polnomische Betachtung Fom: X SWS = m + t (im voliegenden Fall ): X SWS =,0434 +,508; Bild 35: Kalibievefahen des SWS; mit eigens estellten Püfköpen emittelte sstematische Koektugeade de Fom = m + t; chaakteistische Kalibiekennwete m und t (lineaisiet) Die gesamte Kalibieung de Messeinichtung muss aus Zeitgünden vollautomatisch funktionieen, was eine vollständig softwaebasiete ösung voaussetzt. In wiedekehenden Abständen können Übewachungsmessungen mit bekannten Wekstücken duchgefüht weden, um die Kalibieung zu veifizieen und ggf. zu wiedeholen [DIN ISO ]. Fü die Steigung m de Koektugeade lagen bei dem vewendeten SWS die festgestellten Wete um,043 mm und fü t bei,508 mm. ängenmessabweichung in mm 0,0 0,0 0-0, SWS im ObiMS Pol. (SWS im ObiMS) inea (SWS im ObiMS) änge (Sollwet) in mm -0,0 Bild 36: Messabweichungen mit dem SWS unte äußeen Einflüssen nach Kalibieung, emittelt in Schitten von 0 mm (auch wiedeholte Messung) Die dann vebleibenden, eeichten Messunsicheheiten bei äußeen Einflüssen (welche ealistisch sind und auch in de späteen Evaluation heschen, wie Schwingung,

53 Realisieung eines optischen Multi-Senso-Messsstems zu Stangpofilmessung 45 Femdlicht, Schmutz) des singuläen SWS sind in Bild 36 dagestellt. Dabei ist das Vehalten des Messsstems nach Kalibieung dagestellt sowie zwei Fälle: die linea und die polnomisch (n = ) modelliete Abweichungskennlinie des singuläen Messsstems, wie sie wahlweise fü die sstematische Koektu des optischen Multi-Senso- Messsvefahens eingesetzt weden. 4.. Messdatenfusion Auf Basis de gemeinsamen Kalibieung kann die weit vebeitete RANSAC/NURBS ode ICP-Datenfusion (iteative closest point) vewendet weden um die Fusion de Messdaten auf Basis de Gob- und Feinegistieung vozunehmen, welche heute die üblichen Vefahen dastellen [FISCHER 98]. Zunächst weden die o.g. a pioi Schitte zu Datenvoveabeitung wie Auslesen und Sotieen duchgefüht. Zu Segmentieung de Pofile in übelappende und nicht übelappende Beeiche eignet sich die Vogehensweise, die auf dem RANSAC-Algoithmus basiet [NÜCHTER 006]. Dieses Vefahen eechnet aus dem Datensatz jeweils gesuchte Esatzfomelemente und wendet den Algoithmus auf diese an. Zu Beechnung eines Keises weden z.b. mindestens dei beliebige Punkte aus den Messdaten heausgenommen um den Mittelpunkt sowie den Radius zu konstuieen. Dabei wid aus einem Datensatz nach dem Registieen de Zugehöigkeiten auf Basis des beschiebenen Sotievefahens Fomelementzonen (z.b. Keis ode inienabschnitte) als Consensus Set festgelegt und iteativ auf Abstandminima unteeinande gepüft. Als Nächstes wid de Abstand zu den andeen Messpunkten eechnet und dabei übepüft, wie viele in einem vogegebenen Steuband liegen. Wenn genügend Punkte (einstellbae Wet) gefunden wuden, die diese Bedingung efüllen, egibt dies das lokale Ausgleichselement (Keis ode Geade), [ROGERS 000]. Die eläutete Methode macht den gesamten Algoithmus besondes schnell und gleichzeitig obust gegen Auseiße, was in de vogestellten Messaufgabe essentiell ist und in den späteen Fusionstests vedeutlicht wid. Ein weitee Voteil diese Methode besteht dain, dass die Messdaten vo de Weiteveabeitung nicht sotiet weden müssen, sonden diekt in die Kalkulation einfließen können. Eine eemplaische Auswetung deie Datensätze mit dem altenativ vewendbaen ICP-Algoithmus ist in Bild 37 dagestellt. Im Einzelfall kann optional entschieden weden, ob die ehöhte aufzuwendende Zeit hiefü adäquat escheint ode nicht. In dem vogestellten, bekanntemaßen seh zeitkitischen, in-line Messvefahen kann auch nu eine Feinegistieung auseichen und Übegang in Ausgleichsfomelemente, da nu D- Betachtungen voliegen. Dann bietet sich auch de o.g. RANSAC-Ansatz zu Festlegung de inienfomelemente (aus den Punktfomelementen fü D-Kontuen) an, um schnell zu ösungen zu gelangen (Regession mit üblichen Methoden mit Umwegen des o.g. Koodinatenachsentauschs ist auch möglich). Dies wid iteativ solange wiedeholt, bis ein Abbuchkiteium efüllt ist. Dieses basiet auf dem Vehältnis de letzten Iteation und de

54 46 Realisieung eines optischen Multi-Senso-Messsstems zu Stangpofilmessung aktuellen. Dahe muss ein lokales Optimum nicht automatisch das globale absolute Optimum sein. In Epeimenten und softwaegestützten Simulationen stellte sich heaus, dass die klassische Regessionsechnung und ggf. de RANSAC fü die voliegenden Aufgaben eheblich schnelle abeitet als de ICP, wenige Rechneauslastung veusacht und teils mit geingeen Restabweichungen funktionieen, weshalb diese Ansatz im Rahmen de Abeit vewendet wude. Kamea Kamea Kamea 3 S S S d S.3 S 3 d S.4 S 4 S d S.3 S 3 d Kamea S.5 d S.5 d S3.4 S 4 S 3 S S d.3 d.3 S 5 Kamea S 5 S 4 S 5 d.4 d.5 d.4 d.5 S k,f : Schwepunkt des Fomelements d Fa.Fb : Abstand zweie Fomelemente Bild 37: Datenfusion deie Kameabilde mit dem OMS duch Feinegistieung im Übelappbeeich und Fusion; pinzipielles Vogehen de Feinegistieung (hie: am Beispiel Sechskantpofil) Jedoch sind duch Voeinstellung, von fü die Auswetung zu vewendende Punktzahl und veschiedenen Auseißekiteien, in Simulationen ehebliche Zeitespanisse bis Fakto 30 im Vegleich zum ICP-Vefahen ezielt woden. Dazu ist die Robustheit gegen Auseiße in softwaegestützten-simulationen als besse emittelt und im Messbetieb bestätigt woden. Die Ausichtung kann jedoch auch mit einem optionalen ICP- Algoithmus ealisiet weden, welche entspechend de Vogehensweise aus [PUI 999] die Elemente wiedeum iteativ aneinande annähet (Bild 37, oben). Hiebei wid Kamea und Kamea 3 an Kamea mit Hilfe des ICP-Algoithmus ausgeichtet, gobegistiet und feinegistiet. Daaufhin wid übepüft, zwischen welchem Übelapp die gößte und die kleinste Abweichung besteht. Das Segment, an dem beide anliegen, wid iteativ eneut ausgeichtet, so dass die Abweichung sich auf beide Abschnitte gleichemaßen aufteilt. De Vogang wid so oft wiedeholt, bis die Restabweichung sich den Vogaben entspechend gleichmäßig auf die unteschiedlichen Segmente veteilt hat. Ein Abbuch des Algoithmus titt ein, sobald die Vebesseung in de Iteationsfolge gegen ein vohe veeinbates, fei wählbaes, Abbuchkiteium konvegiet.

55 Realisieung eines optischen Multi-Senso-Messsstems zu Stangpofilmessung 47 Oft wid die Bedingung vewendet, dass die Optimieung fünfmal hinteeinande unte einem bestimmen Näheungswet bleiben muss, um als final konvegiet zu gelten. Dies ist ein gewählte Wet und dient als Anhaltspunkt. Daaus folgt alledings, dass diese Schitt meh Rechenzeit benötigen wid, da gleich zwei iteative Vefahen ineinande veschachtelt sind. Diese Algoithmus und die endgültige Fusion sind nicht zwingend notwendig, sonden dienen Optimieungszwecken. Die gößten Heausfodeungen bestehen in zeitkitischen Anwendungen wie hie eineseits dain, dass die Messpunkte auf Gund de unteschiedlichen Abstände und Beobachtungswinkel nicht äquidistant, d.h. im gleichen Abstand zueinande, auf dem Pofil veteilt sind. Dies füht zusätzlich zu eine unteschiedlichen Anzahl de Messpunkte, z.b. auf den Seiten S, S (Bild 37). Andeeseits kann es vokommen, dass bei Abundungen an den Kanten eine Kamea eventuell die Seite etwas länge efasst als die andee. All das macht einen Punkt-basieten Ansatz wie den ICP-Algoithmus unpaktisch, da diese eine gleiche Punktanzahl von beiden Patneelementen fodet, wobei je zwei Punkte koelieen müssen [SHIBA 004]. Zudem ist diese Vaiante eheblich langsame als sog. featue-basiete Ansätze, bei denen meist lediglich die einzelnen Fommekmale fusioniet weden. Die zeitliche Kitikalität de Datenfusion folgt dabei ähnlichen Kompleitäten, wie sie in ese-, Sotie- und Auswetealgoithmen vokommen. In gute Näheung kann etwa von eine Kompleität K ~ n ausgegangen weden [MARESCH 006] wie in Kap Die Kompleität entspicht dabei pinzipiell de Veabeitungszeit t V und ist nahezu diekt popotional zu Punktzahl n. Folglich füht dies fü goße n zu goßem Zeitbedaf und damit vebundenen Einschänkungen in in-line Messvefahen, auch fü die Selbstkalibieung (Bild 5). Geschwindigkeitsmesssstem Messebene ichtschnittsstem Messebene Schattenwufsstem v v e z Messobjekt z Bild 38: Zeitliche Vezögeung bei z-pofilbewegung zwischen beiden Subsstemen; dnamische Koektu des Vesatzes; Abhängigkeit von dem Integal de mittleen Objektgeschwindigkeit v, dem Abkühlgadienten und de damit vebundenen Schwindung de Pofillegieung K Schwindung De äumliche Vesatz in Ausbingungsichtung (Bild 38) ist als zeitliche Unteschied zu beücksichtigen, wobei de aus dem konstuktiven Aufbau bekannte Wegunteschied z dem Integal de ebenso bekannten Ausbingungsgeschwindigkeit v z_pofil entspicht (optische Messung auf Basis de Koelation von Obeflächensegmenten):

56 48 Realisieung eines optischen Multi-Senso-Messsstems zu Stangpofilmessung z = const; v( t Z ) = s& ( gemessen duch Geschwindigkeitsmesssstem); (4.5) Duch ineaisieung dieses Zusammenhangs was aufgund des tägen und gleichfömig bewegten Pofilstanges zulässig ist kann fü seh kleine v z_ lineaisiet und nach t (fü damit auch kleine z) umgestellt weden zu: v M mit ( t t z t Z ) = z M z ma z 0 z 0; und v ( z ) z v + v e (4.6) v( z ) ds M v e M v M = z v M (4.7) Diese Zeitunteschied wid im Messvefahen als Vezögeungszeit de Messdatenveabeitung (Kap. 4..3) beücksichtigt und kontinuielich zusammen mit de Ausbingungsgeschwindigkeit aktualisiet [BERNSTEIN 00a]. = k (4.8) t0 t z Schwindung( t ) Daübe hinaus kann ein Fakto k Schwindung beücksichtigt weden, de dem Abkühlgadienten und de Schwindung de Pofillegieung wähend diese Zwischenzeit von 0,05 s bis 0,5 s bei einem z von und 0,5 m entspicht und somit die Fusionsunsicheheit weite senkt. Diese Fakto k Schwindung kann bis zu einem t von ca. 00 ms venachlässigt weden, was duch vegleichsweise hohe Messaten des eingesetzten Geschwindigkeitsmessstems von göße 0 Hz eeicht wid (Bild 38). Die Mindestpunktanzahl des o.g. RANSAC-Algoithmus po Datensatz ist die Anzahl an Punkten, welche benötigt wid, um eine Fom als gültig zu ekennen. Diese hängt von de ewateten Messpunktanzahl (po Fom) und den zu ewatenden Auseißen ab. Mit de Auswahl wenige Punkte kann de Zeitbedaf eduziet weden [CANTZER 98]. Eine Möglichkeit ist dann, die Kuve mit einem Non-Unifom Rational B-Spline (NURBS) zu beechnen, da hiebei jede einzelne Knotenpunkt eigens gewichtet weden kann. Besondee Eignung egibt sich fü Feifomflächen, welche im Rahmen de Abeit keine zentale Rolle spielten. Folglich können die Messpunkte von Kamea (von links nach echts) wenige gewichtet und bei Kamea umgekeht beücksichtigt weden. NURBS sind Kuven, die auf Gund von beweteten Knotenpunkten Fomen appoimieen. Diese beuhen auf B-Splines, welche vewendet weden um beliebig viele Kontollpunkte fü die Kuve zu vewenden und gleichzeitig den Gad des Splines beschänken zu können [MIAN 006a]. De Begiff Non-Unifom beinhaltet, dass die Datenpunkte nicht äquidistant veteilt sein müssen und das Rational, dass die einzelnen Punkte gewichtet weden können. Ein weitee Voteil diese Methode ist, dass de Einfluss von jedem Messpunkt auf die Kuve nu lokal ist [ROGERS 000] und es kein Übeschwingen wie bei eine polnomischen ösung gibt. Die Gewichtung de Messpunkte efolgt übe den Fakto i w. Wenn

57 Realisieung eines optischen Multi-Senso-Messsstems zu Stangpofilmessung 49 diese Wet göße ist, wid die Kuve nähe an den Messpunkt heangefüht. Fü einen Wet zwischen 0 und vemindet sich de Einfluss des Punktes [FONTANEI 007]. Im voliegenden Fall wüde man die Punkte von Kamea von links aus mit eine absteigenden Gewichtung belegen. und die de Kamea von echts aus (Bild 37). Damit gehen die Punkte mit gößee Messabweichung wenige in den Kuvenvelauf ein als die mit eine geingeen Abweichung. Welche Kamea von welche Seite gewichtet wid, muss vohe festgelegt weden. Damit ehält de genaueste Messpunkt den Wet und die andeen Punkte jeweils eine geingee Gewichtung. Theoetisch ist möglich, noch stäkee Gewichtungen zu vegeben [MIAN 006b] und auch die Vegabe abhängig vom Beobachtungswinkel und de Pofilgöße zu machen. Dies vegößet jedoch die Rechenzeit und fühte in Tests nu zu bedingt besseen Egebnissen [GOCH 008]. Danach weden die Messdaten de Kameas in einem Vekto zusammengefasst. An Stellen, an denen kein Übelapp vohanden ist, wid genau so vogegangen, nu die Kombination de Datenmengen entfällt. Nun müssen noch die Daten alle Kameas zu einem Kontollpunkt-Vekto zusammengefasst weden. Dafü weden alle sotiet und die gewichteten Vektoen mit u zwischen den definieten Schanken a und b aneinande gefügt. Danach muss zu keinem Zeitpunkt meh sotiet weden. Ein NURB-Spline (NURBS) vom Gad p ist gundsätzlich definiet als: C ( u ) = n i = 0 n i = 0 N i, p N ( u ) i, p w ( u ) i w P i i a u b (4.9) P i sind dabei Kontollpunkte, im voliegenden Fall Messpunkte. Die Gewichtungen w i und die Basis-Spline Funktion N i, auf welche de Knotenvekto U definiet ist [KURAZUME 00], müssen hiefü est noch estellt weden. U = 3 a,..., a, u p+ p+,..., u m p, 3 b,..., b mit u [ a, b]; p+ (4.0) Nun kann duch Substitution mit: R i, p ( u ) = n N j = 0 i, p N ( u ) j, p w ( u ) w j i (4.) Und den Gewichtungen w i die NURBS-Kuve gundlegend veeinfacht weden zu: n C, i =0 ( u) = R i p ( u) P i (4.) Die Basisfunktion egibt sich dann fü die Bedingungen:

58 50 Realisieung eines optischen Multi-Senso-Messsstems zu Stangpofilmessung N i,0 ( u) = falls ti t ti + 0 sonst Nach einigen tivialen Umfomungen egibt sich: N i, p ( u ) = ( t t ) N ( u ) ( t ) N ( u ) t i i + p i, p t i + i + p t i + p i +, p t i + (4.3) (4.4) Hiebei sind t die Knotenpunkte aus dem Knotenvekto U. Angegeben muss de Gad des NURBS sein, welche in de Regel kubisch gewählt wid (3. Gad). Höhee Gade fühen zu steigende Rechenzeit und nu bedingt genaueen Kuvenveläufen fü einfache Fomelemente. Daübe hinaus weden die Messpunkte mit ihen zugehöigen Gewichtungen benötigt [ROGERS 000]. Duch eine sstematische Koektu und eine Feinkalibieung kann fü viele Mekmale wie o.g. auf die endgültige Fusion teilweise ode ganz vezichtet weden. Die Datenfusion muss einen Übelappbeeich von mindestens 8-0 % des Umfangs zwischen meheen Datensätzen eeichen um die Efodenis von optimalen Sensoeinstellungen (Kap. 4..), die Auswetung de geometischen Mekmale (Kap. 4..3) und die Visualisieung zu leisten. Die Fusion des ichtschnittvefahens und des Schattenwufvefahens efolgt duch Esetzen des Hauptlängenmaßes und sstematische, kontinuieliche Koektu des Mekmalswetes Gesamtlänge um den vozeichenbehafteten Betag b [VDI/VDE 67-8]. Zudem können die dazwischenliegenden Beeiche pofilspezifisch linea ode polnomisch appoimiet koigiet weden, was im Rahmen de Abeit nicht weite vetieft weden soll, da de Ansatz aus Günden de echnegestützten Veabeitungszeiten dezeit nicht ealisieba ist. Die Koektu um den Festwet, bzw. linea intepoliet, füht beeits zu eheblich vebesseten Egebnissen und eicht in den meisten Fällen vollkommen aus. Duch Reduktion de zu Vefügung stehenden Messpunkte fü die Datenfusion kann so die Rechenzeit eheblich veküzt weden. Im nächsten Schitt wid de fusioniete Datensatz metologisch koekt auf die ängeneinheit Mete ückgefüht um belastbae Egebnisse in Bauteilkoodinaten zu ehalten Auswetevefahen Die Auswetung efolgt pofilfomgeecht mit individuelle Visualisieung, woduch fü jedes Pofil auch eigene Einstellungen vozusehen sind. Die Option das Messvefahen, an eine kontinuieliche Visualisieung angebunden weden zu können, ist eine Kundenanfodeung (Kap. und Kap. ). Es können divese wissenschaftliche Kiteien angelegt weden, um Fomelemente ückzufühen [DIN 39-]. Fü die Duchmesseemittlung von Rundpofilen sind die Auswetekiteien: Gauß, Hüll- und Pfechkiteium implementiet. Dies entspicht dem, was in de Fetigungsmesstechnik in den meisten Fällen auseicht, um auch funktionsbezogene Toleanzen und Spezifikationen zu püfen [DIN EN ISO 0]. Daübe hinaus kann die Winkligkeit, die Geadheit und die Paallelität ausgewetet und ausgegeben weden. Die diesbezüglich gültigen Nomen und Stan-

59 Realisieung eines optischen Multi-Senso-Messsstems zu Stangpofilmessung 5 dads wie das Vocabulaie intenational des temes fondamentau et généau de métologie [VIM 008] sowie Anmekungen des Guide to the Epession of Uncetaint in Measuement (GUM) wuden hiebei konstuktiv beücksichtigt. Die Datenkontu wude mittels de zu Vefügung stehenden Bildpunkte von den Kameas als Koodinatenwete eingelesen und mittels o.g. Schwellwetvefahen in die Messsoftwae (Kap. 4.6) etahiet. Daaufhin müssen diese Messdaten sotiet und entspechend de beeits eläuteten Abläufe aufbeeitet weden. So findet z.b. auch eine bildbezogene Beeichseingenzung a pioi statt (Bild 39). Dabei wid eine elevante Zone um den phsikalischen Bildbeeich, die sog. egion of inteest gebildet, welche eklusiv fü die weitee Messung betachtet wid. a) b) c) d) P P P P P P P P P4 P3 P4 P3 P4 P3 P4 P3 Bild 39: Festgelegtes Messfeld; Reduktion de Kalibiezeit und de Messauswetung duch optimieten effektiven Bildbeeich fü die Auswetung; a) Sechskant-, b) Viekant-, c) Rund-, d) T-Pofil Duch den kleineen effektiven Bildbeeich wid Auslesezeit bis zu ms po Bild gespat (vgl. auch Bild ). Danach weden daaus vollautomatisch fusioniete Elemente (Bild 37, oben) und daaus geometische Einzelmekmale gebildet. Diese einzelnen geometischen Mekmale sind im wesentlichen Keissegmente und Teilgeaden (Stecken). Auf Ihe Basis weden dann duch ausschließliches Vebinden de Punkte ganze Pofilobjekte ückgefüht, die übe die o.g. Kalibieung in ihe Auspägung beeits de ängeneinheit Mete entspechen. Dieses Vogehen standadisiet die Messpozedu und entspicht einem zeitoptimalen, in de Koodinatenmesstechnik üblichen, Vogehen [WECKENMANN 99]. Soll- und Istkontu können sowohl gleichzeitig als auch einzeln visualisiet weden. Die zu messenden Mekmale können unabhängig voneinande dagestellt und automatisch abgespeichet weden. Die häufig benötigte Rundheit bestimmt sich mit dem Maimal- und Minimalduchmesse nach: D ma D min = ma min (4.5) Die Fomabweichung Ezentizität wid in % ausgewetet nach [DIN V ENV 3005]: s s s außen innen) + ( außen ma min innen) ma + s min = ( (4.6) außen innen Die gesamte Kalibie- und Auswetepozedu efolgt mittels Softwaeuntestützung (Kap. 4.6). Die Auswetung findet kontinuielich im laufenden Fetigungspozess statt. Dennoch können Messwete wahlweise in Histoien abgelegt sowie a posteioi nachbe-

60 5 Realisieung eines optischen Multi-Senso-Messsstems zu Stangpofilmessung eitet weden, um entwede zu einem späteen Zeitpunkt vewendet ode nachtäglich auf Basis neue Ekenntnisse analsiet zu weden (Visualisieung de Messegebnisse ist in Kap. 4.6 beschieben). Dazu weden vie Vektoen beechnet (Bild 39). P P (4.7) v = P P v 3 P3 P = P3 P (4.8) P P (4.9) 4 3 v34 = P4 P3 P P (4.30) 4 v4 = P P4 Daaus weden folgende, fü weitee Opeationen notwendige, Hilfsvektoen gebildet: v (4.3) n = v v3 (4.3) n3 = v3 v34 (4.33) n34 = v34 v4 (4.34) n4 = v4 P P (4.35) Eck Mess v P = Mess PEck PEck PMess Damit können die Distanzen emittelt weden und duch die Punkte sind die nachstehenden elementgebundenen Abstände festgelegt. d d d d = (4.36) PMessP vpmessp n = (4.37) PMessP vpmessp n3 = (4.38) PMessP3 vpmessp 3 n34 = (4.39) PMessP4 vpmessp 4 n4 De untesuchte Messpunkt liegt dann in dem Beeich, wenn fü alle vie gilt: d PMessPEck 0 (4.40) Daaufhin können die Punkte mittels von Auswetevefahen (Heapsot, Quicksot, Bubblesot, inesot u.a.) sotiet, segmentiet und dann softwaeuntestützt anhand von

61 Realisieung eines optischen Multi-Senso-Messsstems zu Stangpofilmessung 53 Regessionsgeaden als Fomelemente ausgewetet weden [MARESCH 006]. Voab wid anhand eines Toleanzbandes bestimmt, ob die Punkte gundsätzlich zugehöig sind ode nicht (Bild 40). Dabei sind z.b. die Koodinatenachsen zu tauschen, wenn beim lineaen Regessionskiteium ungünstige Abhängigkeiten zwischen - und - Achsenabschnitt emittelt weden. Sind wie in -, T-, H- ode andeen Pofilen wie dem Schlosspofil übelagende Stuktuen auszuweten, so weden die Auswetungen mehstufig vollzogen. Vewendete Messpunkte zu Bestimmung des Gundfomelements Gundfomelement: Keising Toleanzgenze Messpunkte innehalb de Toleanz Messpunkte außehalb de Toleanz Bild 40: Toleanzbeeich zu Anekennung detektiete Punkte fü die Messauswetung Zunächst weden in einem esten Schitt die umzeichnenden Eckpunkte um den Flächenschwepunkt als Randpunkte festgelegt, um die fü die Regession vewendeten Punktsegmente zu klassifizieen. Dies geschieht, indem in den duch die Spezifikation zu ewatenden Zonen fü diese Eckpunkte nach jenen am weitesten vom Flächenschwepunkt (Bild 4) des Messobjektes entfentesten Punkten gesucht wid. P.-N. 3 s s 3,5 s s 3 Bild 4: Beispielhafte Schwepunktbestimmung ( s, s ) de Messdaten an einem fiktiven Bauteil In einem zweiten Schitt weden dann die Zwischenstützpunkte in zu ewatenden Winkelbeeichen (Keiszeige um den Schwepunkt mit aufsteigendem Winkelwet gegen den Uhzeigesinn) emittelt. Duch Anwendung des Regessionkiteiums altenativ kann de o.g. RANSAC-Algoithmus vewendet weden auf diese Teilbeeiche und Veschneidung de einzelnen iniensegmente ode Teilkeise (Hüll-, Keis, Pfechkiteium), weden die den Messdatensatz chaakteisieenden Fomelemente gebildet. Diese we-

62 54 Realisieung eines optischen Multi-Senso-Messsstems zu Stangpofilmessung den dann fü die Bestimmung de geometischen Mekmale (änge, ängentoleanz, Geadheit, Paallelität, Rechtwinkligkeit und Eckenadien) vewendet. Auf Basis diese Egebnisse efolgen die Visualisieung, de Soll-/Ist-Vegleich und die Bewetung de Messegebnisse hinsichtlich Konfomität. Anhand des o.g. Regessionskoeffizienten b wid entschieden, ob die Regession nach Bildung de zugehöigen Umkehfunktion die Funktionalität getauscht, ausgewetet und mittels Rücktausch zuückgegeben weden muss. Dies ist de Fall, sofen die age de Ausgleichsgeaden quasi-paallel zu eine Achse ist und folglich die Regessionsgüte nicht auseichend ist. v Detektionsichtung u CCD- Chip Visualisieung des Egebnis-Aas CCD- Chip v u Detektionsichtung Wet Datenfeld: Entspicht Bildkoodinate v Inde Datenfeld: Entspicht Bildkoodinate u Visualisieung Egebnis-Aa Bild 4: Doppeltes Auslesen (zeilen-/spaltenweise) de SS-Bilde zu Infomationsmaimieung Wete deutlich abweichend von fü b sind aus Günden de dann schlechten echneischen Güte zu vemeiden. Das Pinzip folgt de lineaen Regessionsechnung mit de Option von Paametetausch fü Genzwetpobleme, welche bei Quasipaallelität zu eine Hauptachse aufteten können. Die Güte nimmt somit von 45 aus hin zu Quasi- Paallelen de Achsen des Koodinatensstems nichtlinea und asmmetisch zu abhängigen Achse de hintelegten Funktion seine asmptotischen Genzen ab [BRONSTEIN 008]. Dies wid duch Tausch de Achsen, bzw. Bildung de Umkehfunktion bestmöglich begenzt. Fü beide Fälle wid die Quadatsumme de Residuen e (Gleichung.8) minimiet und de bessee Fall vewendet. Dann efolgt de Rücktausch. Die Beechnung de ängen efolgt mittels otpunkten othogonale Vektoen von eine Geaden auf die Gegenübeliegende, bzw. gemäß den gängigen Vefahen zu Bestimmung von Paallelität und Geadheit. 9,00E ,00E ,00E ,00E ,00E ,00E ,00E+05 3,00E+05,00E+05 0,00E Punkte n Anzahl de Möglichkeiten M 0 5 Bild 43: Nichtlineae Anstieg de Kompleität bei steigende Punktzahl n duch die eponentiell steigende Zahl de entstehenden kombinatoischen Möglichkeiten M (hie: Anwendung im OMS)

63 Realisieung eines optischen Multi-Senso-Messsstems zu Stangpofilmessung 55 Zu Klassifizieung de Punkte in einzelne Elemente müssen diese vosotiet weden, wofü geeignete Sotievefahen notwendig sind (auch Kap. 5.4). De Quicksot- Algoithmus bildet fü die voliegenden Anfodeungen des Messvefahens den besten Kompomiss aus Schnelligkeit, Eindeutigkeit, Stabilität und Zuvelässigkeit. Das WKS de Messdaten sollte aus Kundensicht mit dem des Bauteils übeeinstimmen (Bild 4), [DEMANT 00]. Das Auslesen des Kameachips ist duch zeilen- und spaltenweises Selektieen und aithmetisches Mitteln (speziell bei quasipaallelen Messobjektkontuen zu eine Matieihe) genaue möglich (Bild 4). Daneben fühen Effekte wie z.b. Blooming häufig zu schlechten Bilden. Fü alle Pofiltpen sind die vogestellten Veabeitungsschitte gültig, wobei fü einige die Kompleität M deutlich göße aufgund goße n wid (Bild 43). Die Zahl vewendete Punkte eine Einstellung ist nichtlinea popotional zu benötigten Auswetezeit, von de in diese Applikation wie o.g. mit und s (po Bild) wenig zu Vefügung steht. Diese Zusammenhänge wuden in vegleichbaen Fagestellungen beeits untesucht [NÜCHTER 006]. So ist das H-Pofil z.b. das anspuchsvollste Standadpofil, u.a. wegen de multiplen Hinteschneidungen und de goßen Umfangswinkligkeit von 70 (8 90 ), (späte auch Bild 6). De theoetische Zeitbedaf des Auswetevefahens ist in Bild 43 zu ekennen. Ab ca. 50 Punkten/Bild steigt folglich die Kompleität (äquivalent de Zeitbedaf) übepopotional. Messaufgabe Stangpofil SS SS SS 3 SWS Funktionen und Algoithmen aus Active MI in VB.Net Matab Schnittstelle Tansfomation in gemeinsames Weltkoodinatensstem, Datenfusion und Datenaufbeeitung Integiet in Matab Schnittstelle Datenfeld mit Messdaten Messwet in.tt-datei Integation in Use Inteface Einfache Übegabe Matlab Inteface in VB.Net zum Ausfühen und Auslesen aus de.tt-datei Vohandene Benutzeumgebung mit integieten Auswetealgoithmen in VB.Net Messegebnis Konfomitätspüfung Mechanische und elektische Komponenten Schnittstelle Datenauslesen Datenaufbeeitung Datenbeeitstellung Schnittstelle Datenübegabe Inteface Bild 44: Ablauf de Messdatenveabeitung mit dem OMS: Messaufgabe zum Messegebnis (teilweise veeinfacht, Messfequenz 5 Hz); SS: ichtschnittsstem, SWS: Schattenwufsstem Die eigentliche Datenveabeitung folgt dem Pinzip de Rückfühung von Einzelpunkten in Fomelemente anhand dee die Messauswetung duchgefüht wid. Dabei weden alle Punktewolken auf Keise, Teilkeise, Stecken und Geaden ückgefüht und auf Basis

64 56 Realisieung eines optischen Multi-Senso-Messsstems zu Stangpofilmessung diese die Konfomitäten festgestellt ode anhand ihes Schwepunkts (Bild 37). In Anlehnung an Bild 37 ist in Bild 44 esichtlich, wie die Veabeitungsschitte und die Funktionsweise daauf aufbauen. 4. Konzeption des Vesuchstäges Insgesamt sind mindestens acht optische Sensokomponenten, bestehend aus sechs Einzelkomponenten (dei Kameas, dei asefäche) des ichtschnitt-subsstems und zwei (ichtsende und optische Detekto) des Schattenwuf-Subsstems vohanden. Diese müssen positionieba und mechanisch steif vebunden, gleichzeitig jedoch in Rotation und Tanslation fein vestellba sein. Die Kabelfühungen und die Rechneanbindung sind im Sinne eine vaiablen Einstellung des Messvefahens anwendegeecht vozusehen (auch Kap. 4..). Wegen de zu vemeidenden fetigungstechnischen Beeintächtigungen und de themischen Wämestahlung de Messobjekte müssen kleine äumliche Abmessungen und auseichende optische Abstände kombiniet weden. Dennoch efodet die o.g. efodeliche Messunsicheheit, dass die Sensoen, pinzipbedingt duch Stahlengang und effektive Auflösung im Messfeld, nicht zu weit vom Messobjekt entfent sein düfen [ASER COMPONENTS 00]. Deen age muss ebenso in Abstand und Winkel epoduzieba sowie mechanisch päzise eingehalten weden (Kap. 4..). De pototpische Vesuchstäge wude am ehstuhl Qualitätsmanagement und Fetigungsmesstechnik de Univesität Elangen-Nünbeg im Zeitaum von 007 bis 00 ealisiet (Bild 45). z asefäche SS z Fleibles Gestell Rechne Kameas SS SWS Sende SWS Empfänge Aktoik Anzeige Gundplatte z Bild 45: Konstuktive Realisieung fü das optische Multi-Senso-Messvefahen mit aufgelegtem T- Pofilstück von,5 m änge; Dastellung in dei Ansichten; echts unten: isometische Dastellung

65 Realisieung eines optischen Multi-Senso-Messsstems zu Stangpofilmessung Konstuktive Eigenschaften De zu Vefügung stehende Bauaum fü das optische Multi-Senso-Messsstem (OMS) betägt in den tpischen Anwendungen ma. m 3 (Beite: 0,8 m und Tiefe sind mit m sind begenzt, die Höhe meist nicht). Die mechanischen Steifigkeiten bei gleichzeitigen minimalen wekstoffseitigen Tempeatugadienten im Aufbau und nichtostende Eigenschaften efüllen Aluminiumlegieungen. Aus witschaftlichen Günden und wegen de Fleibilität wude fü den Vefahenspototp ein Standadbaukasten modulae Rahmenpofile gewählt. Diese zeichnen sich duch schnelle Montage, einfache Vestellung und steife Vebindungen in veschiedene Raumichtungen aus, was de Ausichtungsqualität de ichtquellen zu Gute kommt (Bild 46 und Bild 47), [SCHÄFTER+KIRCHHOFF 00]. Bild 46: Pototp des OMS; oben: Seitenansicht, unten links und echts: Schägansichten Ein fü spätee Evaluationen (Kap. 5.3) notwendiges Kühlvefahen des OMS muss so beschaffen sein, dass die feiwedenden Enegiemengen duch die Stahlung de Messobjekte abgefüht weden können. Dabei ist zu jedoch sichezustellen, dass die

66 58 Realisieung eines optischen Multi-Senso-Messsstems zu Stangpofilmessung Stahlengänge nicht abgeschattet weden und dennoch ehebliche Wämeanteile (insbesondee duch Stahlung) mittels Kühlköpen diekt abgeschimt weden. Vefahenskonzepte mit uftkühlung fühen die zu Wämemengen nicht auseichend ab, woduch eine Fluidkühlung efodelich wid [PROFOS 99]. Wegen de einfachen Vefügbakeit und de goßen Wämekapazität ist Wasse andeen Medien, wie z.b. Öl, vozuziehen. Ein geschlossenes Kühlvefahen zum Messvefahen mit etenen Wämetauschen kann fü seiennahen Betieb aus Günden de geingeen Kosten empfohlen weden, (Kap ), [BA-MESSTECHNIK 00]. Um ealistische Vehältnisse im aboatoium zu ezeugen, kann eine Aktoik das Pofil zweiachsig mit Hz - 5 Hz und meheen mm Amplitude bewegen [WECKENMANN 008]. 4.. Fleibilität und Vaiabilität des Messvefahens Alle Beleuchtungen und Sensoen de ichtschnittssteme sind in vie Feiheitsgaden (dei Winkeln und dem Objektabstand) einstellba vogesehen, da sonst viele Pofiltpen nicht gemessen weden können ode im andeen Fall weite Teile des effektiven Beobachtungsbeeichs ungenutzt bleiben (Bild 47) z4 z5 z3 4 z Bild 47: Einstellbaes pototpisches Gestell zum OMS mit den geometischen Geäteachsen, und z und Komponentenvestellbeeichen,, n ; Konzept adaptieba fü andee Anwendungen Das SWS muss zumindest im Ganzen fei um das Messobjekt otieba und aetieba sein (Bild 48). Die Kabelfühungen müssen sämtliche Sensobewegungen am Gestell zulassen. Die o.g. Schäfentiefenbeeiche de optischen Ssteme sind bestmöglich auszunutzen. Alle Ssteme müssen fei pe Hand einstellba sein, mit de Option, zu einem späteen Zeitpunkt motoische Vestellungen bedafsoientiet nachzuüsten. Ein Mindestabstand, ein Maimalabstand, sowie divese Paamete sind bestmöglich einzuhalten (Kap. 4.5). Die Kabelfühungen müssen die Bewegungen zulassen, düfen abe zu keinem Zeitpunkt den Messbeeich abschatten ode die Pofilbewegung behinden. Dabei