Praktische Ausbildung und Training. Optische Koordinatenmesstechnik

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1 Master Studiengang Laser- & Optotechnologien Praktikum Optische Koordinatenmesstechnik University of Applied Sciences Jena Praktikumsverantwortlicher: Dipl.-Ing. Konrad Friedrich Praktische Ausbildung und Training Optische Koordinatenmesstechnik Absicherung der Qualitätsfähigkeit durch die Analyse von Fehlereinflüssen bei optischen Längen- und Durchmesserbestimmungen

2 Versuch 3 Baugruppenabweichung Seite 2 von 26 0 Gliederung 0 Gliederung Ausbildungs- und Trainingsziel Aufgabenstellungen Einfluss der Beleuchtungsstärke auf den Kantenort Untersuchungen zu den Objektivfehlern Telezentrie und Verzeichnung Objektivfehler: Telezentrie Objektivfehler: Verzeichnung Messobjekte Versuchsaufbauten Hardware Optisches Koordinatenmessgerät UNI-VIS Optisches Koordinatenmessgerät ACCURE Software Messsoftware OSPREY CAD - Anbindungs- und Auswertesoftware HAWK Versuchsdurchführung Einfluss der Beleuchtungsstärke auf den Kantenort Einfluss von Objektivfehlern auf die Messgenauigkeit Objektivfehler: Telezentrie Objektivfehler: Verzeichnung Versuchsauswertung... 26

3 1. Versuch 3 Baugruppenabweichung Seite 3 von 26 1 Ausbildungs- und Trainingsziel 1. Kennenlernen der optischen Messung zur Ermittlung von Längen und Winkeln an Teilen und Werkzeugen. 2. Erkennen der möglichen Fehler und Grenzen bei der optischen Messung. 3. Verstehen von Zusammenhängen und Auswirkungen von optischen Fehlereinflüssen und deren Vermeidung. 4. Können: Beurteilung von Herstellerangaben zu Wechsel- und Zoom- Objektiven für optische Koordinatenmessgeräte und Zuordnung von geeigneten Messmitteln zu Messaufgaben aufgrund der einzuhaltenden Toleranzanforderungen. 2 Aufgabenstellungen 2.1 Einfluss der Beleuchtungsstärke auf den Kantenort An der Kalibrierschablone, rund (Abb. 1) soll der Durchmesser an einem vorgegebenen Kreis, Solldurchmesser bekannt, bei unterschiedlichen Beleuchtungsstärken ermittelt werden. Die Lichtregelung soll in 0,4 % Schritten erfolgen bis die Abbildung 2% überstrahlt ist. Dabei soll für jede Lichteinstellung der Grauwert aufgenommen werden. Hierfür wird die Erstellung eines Makros über die Funktion [CNC-Messprogramm lernen] in der Messsoftware OSPREY empfohlen, weil jede Messung mindestens 3x wiederholt werden muss, um verlässliche Aussagen über den optimalen Messbereich treffen zu können. 2.2 Untersuchungen zu den Objektivfehlern Telezentrie und Verzeichnung Objektivfehler: Telezentrie An der Kalibrierschablone, rund (Abb. 1) soll an einem vorgegebenen Kreis, wo der Solldurchmesser bekannt ist, unter Berücksichtigung unterschiedlicher Einstellungen der Z-Fokus Positionen der Kreisdurchmesser ermittelt werden. Die Schrittweite für die

4 Versuch 3 Baugruppenabweichung Seite 4 von 26 unterschiedlichen der unterschiedlichen Z- Fokus Positionen beträgt für das Objektiv 1fach 0,25 mm. Dabei ist darauf zu achten, dass das Bild in XY Richtung nicht verschoben wird. Hierfür wird die Erstellung eines Makros über die Funktion [CNC-Messprogramm lernen] in der Messsoftware OSPREY empfohlen. Jede Messung muss mindestens 3 mal für jede Z-Position wiederholt werden, um verlässliche Aussagen über den realen Fehler bei der Ausnutzung des telezentrischen Bereichs von 250µm zu treffen. Des weiteren soll eine Aussage getroffen werden, in welchen Bereich eine Verschiebung in Z-Richtung erfolgen kann ohne das der Fehler > 1 µm wird Objektivfehler: Verzeichnung An der Kalibrierschablone, eckig (Abb. 2) soll eine Gerade (Kante) in verschiedenen XY- Positionen gemessen werden. Für diese Untersuchung wurde ein Messauftrag (unter folgenden Pfad C:/Praktikum/Verzeichnung...) für die CAD - Anbindungs- und Auswertesoftware HAWK hinterlegt. Anhand der Formabweichung der Gerade soll die Verzeichnung des verwendeten Objektivs berechnet werden. 3 Messobjekte Abb. 1 Kalibrierschablone, rund Abb. 2 Kalibrierschablone, eckig

5 Versuch 3 Baugruppenabweichung Seite 5 von 26 4 Versuchsaufbauten 4.1 Hardware Optisches Koordinatenmessgerät UNI-VIS Messkopfsystem mit CCD-Kamera 2 Telezentrisches Messobjektiv 3 X-,Y- Koord.-Tisch mit Durchlichtbeleuchtung 4 PC-System 5 Joystick Optisches Koordinatenmessgerät ACCURE Messkopfsystem mit CCD-Kamera 2 Telezentrisches Messobjektiv 3 PC-System 4 Joystick 5 Winkelsteuereinheit (Dreh-Achse, Option)

6 Versuch 3 Baugruppenabweichung Seite 6 von 26 Detailaufnahme der ACCURE 400 für Praktikum V3 Bei hochgesetzten Messköpfen wird ein Zusatztisch mit einer Glasplatte zur Messung von nichtzentrierten Messobjekten verwendet. Dieser Zusatztisch wird zwischen den Spitzen des Universalspitzenbockes aufgenommen. Wenn zum Versuch als Gerät die ACCURE 400 zur Verfügung steht, dann werden die einzelnen Schablonen mit diesem Zusatztisch aufgenommen. Abb. 3 Zusatztisch für hochgesetzte Messköpfe 4.2 Software Messsoftware OSPREY Das hauseigene Softwaremodul OSPREY ist eine eigenständige Messsoftware und kann als offene Kommunikationsplattform zwischen der optischen Koordinatenmessmaschine und dem Softwaremodul HAWK eingesetzt werden. Die Software OSPREY umfaßt eine hochgenaue Bildverarbeitung durch Subpixeling sowie die Fähigkeit mit Multisensoriksystemen zu arbeiten. Durch eine klar strukturierte Bedieneroberfläche ist OSPREY einfach durch den Anwender zu bedienen. Abb.4 OSPREY Bedienoberfläche

7 Versuch 3 Baugruppenabweichung Seite 7 von CAD - Anbindungs- und Auswertesoftware HAWK Das Softwaremodul HAWK von der Fa. esco bietet für die fertigungsorientierte Koordinatenmesstechnik ein universelles Programmier-, Auswerte- und Dokumentationstool. Das Erstellen von erforderlichen Vergleichsgeometrien (Solldaten, Prüfzeichnung) ist sehr einfach. Eine Vielzahl von Teilen / Teilefamilien kann interaktiv parametriert werden. Zum Import beliebiger Geometrien stehen Standard CAD- Schnittstellen zur Verfügung. Die Mess- und Auswerteaufgaben werden durch ein einfaches Setzen von Maßen in der Prüfzeichnung definiert. Wählbare Funktionen, wie Best-Fist, Filterfunktionen sowie fertigungsorientierte Auswerteverfahren sind wesentliche Voraussetzungen für eine prozessintegrierte Qualitätskontrolle.

8 Versuch 3 Baugruppenabweichung Seite 8 von 26 5 Versuchsdurchführung Nachdem alle vorbereitenden Aktivitäten (siehe Anlage für einzelne OKM Praktikumsunterlagen) in den Programmen OSPREY und HAWK abgeschlossen sind ist mit den eigentlichen Messaufgaben zu beginnen. 5.1 Einfluss der Beleuchtungsstärke auf den Kantenort Um den Einfluss der Beleuchtungsstärke auf den Kantenort zu ermitteln, ist der Durchmesser an einem vorgegebenen Kreis der Kalibrierschablone, rund, bei unterschiedlichen Beleuchtungsstärken zu messen Für jede Lichteinstellung ist es notwendig den entsprechenden Grauwert aufzunehmen. Um Wiederholmessungen bei gleichen Einstellungen garantieren zu können muss ein CNC-Messprogramm in OSPREY (analog zu Pkt. 6.2 in Anlage für einzelne OKM Praktikumsunterlagen) erstellt werden. Jede Messung wird als *.csv Datei für den Kreisdurchmesser und dem entsprechenden Grauwert abgespeichert. Anhand dieser Daten ist der Mittelwert des Kreisradius für die einzelnen Beleuchtungsstärkeneinstellungen zu berechnen. Die grafische Auswertung der virtuellen Radien soll die formale Abhängigkeit einer virtuellen Kantenverschiebung von den eingestellten Grauwerten zeigen. Ausrüstung 1 Auswahl der Objektivvergrößerung 1fach 2 Verwendung von Vorbereitende Aktivitäten in OSPREY Durchlicht 3 Manuell grobe 4 Fokussierung mittels Joysticks Feinfokussierung über Icon [Kantenfokus] 5 Optimale Lichteinstellung über Registerkarte [Optionen] mit Icon

9 Versuch 3 Baugruppenabweichung Seite 9 von 26 [Referenz lesen] wird der Grauwertverlauf entlang dieser Linie aufgenommen. 6 Über das Icon [Referenzkante setzen] in Registerkarte [Option] wird der Grauwertverlauf der Referenzkante angezeigt Der Grauwert muss < 200 sein! 7 Erstellen eines WKS analog zu Pkt. 6.2 in Anlage für einzelne OKM Praktikumsunterlagen 8 In Registerkarte [Position] auf die Positionen X=Y=Z=0 fahren! Erstellen eines CNC-Messprogramm 9 Start des CNC-Messprogramms in Registerkarte [Messung] über Icon [CNC-Messprogramm Lernen - ], Abfrage, ob wirklich ein neues CNC- Messprogramm erstellt werden soll. 10 Einstellung der Beleuchtungsstärke in Registerkarte [Licht] über den Schleifer. Es soll die dunkelste Beleuchtungseinstellung erfolgen, wo

10 Versuch 3 Baugruppenabweichung Seite 10 von 26 eine Messung noch möglich ist. Dies ist die erste Einstellung für das CNC- Messprogramm. 11 Ermittlung des Grauwertes für die eingestellte Beleuchtung über Icon [Schwellwert lernen im CNC-Messprogramm] in Registerkarte [Messung] 12 Messung des vorgegebenen Kreisdurchmesser in Registerkarte [Messung] mit den Icons [Kreisbogen] und Kreisbogenmessfeld]

11 Versuch 3 Baugruppenabweichung Seite 11 von Für jede Messung soll die Beleuchtungsstärke um 0,4 % steigen bis das Bild um 2% überstrahlt ist. Hierfür ist eine Wiederholung der Schritte 9 bis 11 erforderlich! 14 In Registerkarte [Messung] mit Icon [Ende CNC- Messprogramm Lernen] beenden. 15 In Registerkarte [Datei/- Druck] mit Icon [CNC- Messprogramm Speichern] das gelernte CNC-Messprogramm abspeichern. 16 Das CNC-Programm für den automatisierten Messablauf erhält für das Messobjekt den Namen ***.mtx 17 Das CNC-Programm muss Messablauf unter folgenden Pfad abgespeichert werden: C:\Praktikum\ Beleuchtung\...*.mtx 18 In Registerkarte [Datenbank] alle Daten löschen außer Werkstückkoordinatensystem

12 Versuch 3 Baugruppenabweichung Seite 12 von In Registerkarte [Daten] alle Einträge löschen 20 Abgespeichertes CNC- Messprogramm starten 21 Nach Ablauf der Messung muss die Datenbank [Kreis] unter einem vorher festgelegten Pfad abgespeichert werden Pfad mit Icon [Datenbank Pfad setzen] auswählen Mit Icon [Datenbanken konvertieren] Auswahl der zu speichernden Daten DB Kreis

13 Versuch 3 Baugruppenabweichung Seite 13 von Das Datenblatt aus der Registerkarte [Daten] muss mit den Grauwerteinträgen unter einen vorher festgelegten Pfad gespeichert werden. Mit Icon [Daten speichern] wird ein Pfad festgelegt wo das Datenblatt gespeichert werden kann 23 Umbenennen der gespeicherten circle.csv und grauwert.csv Daten, sonst werden diese bei der nächsten Speicherung überschrieben!

14 Versuch 3 Baugruppenabweichung Seite 14 von 26 Auswertung der Messergebnisse 24 Starten der Statistik.exe 25 Erstellen einer Statistikdatei 26 Auswahl der erstellten *.csv Datei 27 Übernahme der Messwerte in MS Excel 28 Berechnung und grafische Auswertung der Anforderungen

15 Versuch 3 Baugruppenabweichung Seite 15 von Einfluss von Objektivfehlern auf die Messgenauigkeit Objektivfehler: Telezentrie Um Aussagen über den realen Fehler bei Ausnutzung des telezentrischen Bereichs von 250 µm machen zu können, ist der Durchmesser eines vorgegebenen Kreises an der Kalibrierschablone, rund, bei unterschiedlichen Z-Fokus Positionen mindestens 3mal zu messen. Die Schrittweite für die unterschiedlichen Z-Fokus Positionen beträgt für das Objektiv 1fach 0,25 mm Um Wiederholmessungen mit den gleichen Einstellungen zu garantieren muss ein CNC- Messprogramm in OSPREY (analog zu Pkt. 6.2 in Anlage für einzelne OKM Praktikumsunterlagen) erstellt werden. Jede Messung wird als *.csv Datei für den Kreisdurchmesser mit den entsprechenden Z- Fokus Positionen abgespeichert. Mit diesen Daten soll der Mittelwert des Kreisradius für die einzelnen Positionen berechnet werden. Die grafische Auswertung der virtuellen Radien zeigt die formale Abhängigkeit der virtuellen Kantenverschiebung von den eingestellten Z-Höhen. Ausrüstung 1 Auswahl der Objektivvergrößerung 1fach 2 Verwendung von Durchlicht Vorbereitende Aktivitäten 3 Manuell grobe Fokussierung mittels Joysticks 4 Feinfokussierung über Icon [Kantenfokus] in Registerkarte [Messung] 5 Optimale Lichteinstellung über Registerkarte [Optionen] mit Icon [Referenz lesen] wird der Grauwertverlauf entlang dieser Linie aufgenommen.

16 Versuch 3 Baugruppenabweichung Seite 16 von 26 6 Über das Icon [Referenzkante setzen] in Registerkarte [Option] wird der Grauwertverlauf der Referenzkante angezeigt. Der Grauwert muss < 200 sein! 7 Erstellen eines WKS (analog zu Pkt. 6.2 in Anlage für einzelne OKM Praktikumsunterlagen) Erstellen eines CNC-Messprogramm 8 In Registerkarte [Position] auf die Positionen X=Y=Z=0 fahren! 9 Start des CNC- Messprogramms in Registerkarte [Messung] über Icon [CNC-Messprogramm Lernen - ]

17 Versuch 3 Baugruppenabweichung Seite 17 von Einstellung der Z-Fokusposition in Registerkarte [Position] Das Bild darf in X-Y-Richtung nicht verschoben werden! 11 Messung des vorgegebenen Kreisdurchmessers in Registerkarte [Messung] mit den Icons [Kreisbogen] und [Kreisbogenmessfeld] 12 Für jede Messung soll die Z- Fokusposition in 0,25 mm Schritten verschoben werden. Hierfür ist die Wiederholung der Schritte 10 und 11 erforderlich!

18 Versuch 3 Baugruppenabweichung Seite 18 von In Registerkarte [Messung] mit Icon [Ende CNC- Messprogramm Lernen] beenden. 14 In Registerkarte [Datei/Druck] mit Icon [CNC-Messprogramm Speichern] das gelernte CNC-Messprogramm abspeichern. 15 Das CNC-Programm für den automatisierten Messablauf erhält für das Messobjekt den Namen ***.mtx 16 Das CNC-Programm muss unter folgenden Pfad abgespeichert werden: C:\Praktikum\ Telezentrie\...*.mtx Messablauf 17 In Registerkarte [Datenbank] alle Daten löschen außer Werkstückkoordinatensystem 18 Abgespeichertes CNC- Messprogramm starten

19 Versuch 3 Baugruppenabweichung Seite 19 von Nach Ablauf der Messung muss die Datenbank [Kreis] mit den unterschiedlichen Z-Fokuspositionen unter einen vorher festgelegten Pfad gespeichert werden. 20 Mit Icon [Daten speichern] wird ein Pfad festgelegt wo das Datenblatt gespeichert werden kann 21 Mit Icon [Datenbanken konvertieren] Auswahl der zu speichernden Daten DB Kreis 22 Umbenennen der gespeicherten circle.csv Daten, sonst werden diese bei der nächsten Speicherung überschrieben!

20 Versuch 3 Baugruppenabweichung Seite 20 von 26 Auswertung der Messergebnisse 23 Starten der Statistik.exe 24 Erstellen einer Statistikdatei 25 Auswahl der erstellten *.csv Datei 26 Übernahme der Messwerte in MS Excel 27 Berechnen und grafisches Auswerten der Anforderungen

21 Versuch 3 Baugruppenabweichung Seite 21 von Objektivfehler: Verzeichnung Um die Verzeichnung des verwendeten Objektivs aus der Formabweichung einer Geraden berechnen zu können, ist es erforderlich eine Gerade in verschiedenen x-y-positionen innerhalb des Kamerabildes zu messen. Hier wird neben der Messsoftware OSPREY auch mit der CAD-Anbindungs- u. Auswertesoftware HAWK gearbeitet. Um diesen Praktikumsteil Verzeichnung zu erleichtern ist ein HAWK-Messauftrag mit allen notwendigen Einstellungen für die Messung vorgegeben. Eine Messung umfasst drei Messanforderungen, diese sind wie folgt aufgebaut: Messanforderung 1: Die zu messende Gerade befindet sich in Bildmitte; in Registerkarte [Position] in OSPREY muss folgender Eintrag erfolgen: x=+3 mm y= 0 mm Danach sind in HAWK Messpunkte anzufordern und die einzelnen Messungen abzuspeichern. Messanforderung 2: Die zu messende Gerade muss nach oben verschoben werden, in Registerkarte [Position] in OSPREY muss folgender Eintrag erfolgen: x=+3 mm y= -3 mm Danach sind in HAWK Messpunkte anzufordern und die einzelnen Messungen abzuspeichern. Messanforderung 3: Die zu messende Gerade muss nach unten verschoben werden, in Registerkarte [Position] in OSPREY muss folgender Eintrag erfolgen: x=+3 mm y= +3 mm Danach sind in HAWK Messpunkte anzufordern und die einzelnen Messungen abzuspeichern. Jede Messung soll mindestens 3mal durchgeführt werden, um aus den Mittelwerten die auftretende Verzeichnung durch das Objektiv berechnen zu können.

22 Versuch 3 Baugruppenabweichung Seite 22 von 26 Ausrüstung 1 Auswahl der Objektivvergrößerung 1fach 2 Verwendung von Durchlicht Vorbereitende Aktivitäten in OSPREY 3 Manuell grobe Fokussierung 4 Feinfokussierung über Icon [Kantenfokus] in Registerkarte [Messung] 5 Optimale Lichteinstellung über Registerkarte [Optionen] mit Icon [Referenz lesen] wird der Grauwertverlauf entlang dieser Linie aufgenommen. 6 Über das Icon [Referenzkante setzen] in Registerkarte [Option] wird der Grauwertverlauf der Referenzkante angezeigt dieser muss < 200 sein! 7 Ablaufschema zum Festlegen eines Werkstückkoordinatensystem (WKS) an einer definierten Stelle in OSPREY (analog zu Pkt. 6.2 in Anlage für einzelne OKM Praktikumsunterlagen) Einmessen des WKS mit 2Punkte 2D entlang der in x grob ausgerichteten Kante. Vorbereitende Aktivitäten in HAWK 8 Ablaufschema zum Öffnen des HAWK - Auftrags Öffnen des vorgegebenen (analog zu Pkt. 7.2 in Anlage für einzelne OKM HAWK Auftrags Praktikumsunterlagen)

23 Versuch 3 Baugruppenabweichung Seite 23 von 26 Messablauf in HAWK 9 Bevor mit der Messung begonnen werden kann muss in OSPREY über die Registerkarte [Position] für die einzelnen Messanforderungen die einzelnen y- Werte eingetragen werden Gerade in Bildmitte y= 0 mm Gerade oben im Bild y= - 3,0 mm Gerade unten im Bild y= + 3,0 mm 10 Anforderung der Messpunkte, wenn sich die Gerade im oberen Teil des Bildes befindet. 11 Menüfenster [Messanweisung] wird geöffnet, folgende Auswahl muss erfolgen (siehe nebenstehende Abbildung)

24 Versuch 3 Baugruppenabweichung Seite 24 von Mit der Bestätigung durch die [OK] Taste erfolgt abschließend die automatisch Messauftragsausführung 13 Messauftrag in OSPREY auslösen, über Icon [Auftrag auslösen] in Registerkarte [Extra] 14 Der gesamte Messauftrag wird vollautomatisch ausgeführt. Es erfolgt ein lückenloses optisches Scannen der Kontur, festgelegt durch den Messbereich. Nach beendeter Messung wird automatisch in den Auswertemodus von HAWK geschaltet und es kann sofort mit der Auswertung der Messung begonnen werden.

25 Versuch 3 Baugruppenabweichung Seite 25 von Speichern des Messauftrags unter angegebenen Pfad 16 Um eine neue Messung beginnen zu können, muss [Messteil auswählen] erfolgen, Menüfenster [Teile Auswahl] wird geöffnet. 17 Wiederholung der Schritte 9 bis 16 für jede Messung

26 Versuch 3 Baugruppenabweichung Seite 26 von 26 Auswertung der Messergebnisse 18 Starten der Statistik.exe 19 Erstellen einer Statistikdatei 20 Auswahl der erstellten *.csv Datei 21 Übernahme der Messwerte in MS Excel 22 Verz % x 2 2 ( Bildfeld ) 2 2 Berechnung der 100 Verzeichnung 6 Versuchsauswertung Anhand der ermittelten Messreihen sowie der Praktikumsunterlage soll der Einfluss der Beleuchtungsstärke auf den Kantenort geklärt werden und es sind Aussagen zu möglichen Objektivfehlern wie Telezentrie und Verzeichnung zu treffen. Alle Ergebnisse sind in den entsprechenden Messprotokollen zu dokumentieren und kurz im Feld Bemerkung zu kommentieren.