Navigationssystem für optisch- taktile Präzisionskoordinatenmessgeräte. Dissertation. Doktoringenieur (Dr.-Ing.)

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1 Navigationssystem für optisch- taktile Präzisionskoordinatenmessgeräte Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doktoringenieur (Dr.-Ing.) vorgelegt an der Fakultät für Maschinenbau an der Technischen Universität Ilmenau von Dipl.-Ing. Maik Rosenberger geboren am in Neuhaus am Rennweg Ilmenau, den 7. Juli 2008

2 Inhaltsverzeichnis 4 Inhaltsverzeichnis Kurzfassung 2 Abstract 3 Inhaltsverzeichnis 4 Abbildungsverzeichnis 9 Tabellenverzeichnis 13 Tabellenverzeichnis 13 Abkürzungsverzeichnis 14 Vorwort 16 Einleitung 17 1 Untersuchungen zum aktuellen Entwicklungsstand von Navigationssystemen für die optisch-taktile Präzisionskoordinatenmesstechnik Untersuchungen zum Stand der Technik optisch-taktiler Präzisionskoordinatenmessgeräte - PKMG Entwicklungsstand von Navigationssystemen in der Literatur Begriffsklärung Navigation Navigationssysteme im Alltag Patentrecherche zum aktuellen Entwicklungsstand von Navigationssystemen in der Präzisionskoordinatenmesstechnik Multisensorielle Systeme als Navigationssystem Verfahren zur Erzeugung von großflächigen Bildern aus Einzelbildaufnahmen- virtuelles Übersichtsbild Navigation auf Messobjekten mit Hilfe eines zusammengesetzten Bildes und aktueller Sensorposition Zusammenfassung der Patentrecherche, Fazit und Forschungsziele Aktueller Entwicklungsstand von Navigationssystemen in der Präzisionskoordinatenmesstechnik Aktuelle Navigationsverfahren während der Prüfplanerstellung für PKMG Prüfplanerstellung mit Hilfe von CAD-Daten Prüfplanerstellung ohne CAD - Daten 32

3 1.5.3 Navigationselemente in Softwareoberflächen 32 6 Schlussfolgerungen für die Realisierung eines Navigationssystems für die Präzisionskoordinatenmesstechnik - Präzisierung der Aufgabenstellung 33 Theoretische Voruntersuchungen von Sensorsystemen für die Navigation in der Präzisionskoordinatenmesstechnik 36 1 Theoretische Untersuchungen zu Navigationssystemen für optisch-taktile PKMG Grundlegende Begriffsdefinitionen Anwendung des Navigationsbegriffes in der Präzisionskoordinatenmesstechnik Theoretisches Modell eines Navigationssystems für die Präzisionskoordinatenmesstechnik 38 2 Notwendigkeit und Anwendung für Navigationssysteme in der PKMG Neue Anforderungen an die messtechnische Erfassung von Mikrobauteilen Messung mit hochauflösenden Sensoren Grob- Feinnavigation Navigierter Sensor Anforderungen an das Navigationssystem 48-3 Konzept eines neuartigen Navigationssystems für optisch-taktile Präzisionskoordinatenmessgeräte Konzept und Anordnung der Sensoren des Navigationssystems Analyse der notwendigen optischen Auflösungsüberdeckung der Navigationssensoren in der x-y-richtung Analyse der notwendigen Auflösungsüberdeckung der Navigationssensoren in z-richtung Verfahren zur Erhöhung der Ortsauflösung in z-richtung bei optischen Sensoren hoher Schärfentiefe Analyse möglicher Aufnahmesysteme des Navigationssystems und Applikationsbedingungen in PKMG Optisches Abbildungssystem für das Navigationssystem Analyse lichtresistiver Sensoren für das Navigationssystem Analyse von Beleuchtungseinrichtungen für das Navigationssystem Zusammenfassung und Richtlinien für die Konstruktion des Navigationssystems für optisch-taktile PKMG 89 5

4 Inhaltsverzeichnis 6 3 Theoretische Analyse zu Navigationsstrategien und Softwarekonzept für das Navigationssystem Theoretische Untersuchungen zu möglichen Navigations-verfahren des neuartigen Navigationssystems für optisch-taktile PKMG Navigation und Positionierung im quasi-dreidimensionalen Raum Navigation und Positionierung im dreidimensionalen Raum Kombiniertes Navigationsverfahren mit Grobnavigationssensor - GNS und Feinnavigationssensor - FNS Softwarekonzept des neuartigen Navigationssystems für die optisch-taktile Präzisionskoordinatenmesstechnik." Verfahren zur Übersichtsbilderstellung Algorithmus für die Erstellung der virtuellen Übersichtskarte Optimierung des Algorithmus zur Erstellung der digitalen Übersichtskarte Interaktive Sensorpositionsanzeige - Positionierung des zu navigierenden Sensors Spezielle Softwarefunktionen für die Übersichtskartenerstellung Navigationsunsicherheit des Navigationssystems für die optisch-taktile Präzisionskoordinatenmesstechnik Positionierunsicherheit der optischen Sensoren GNS und FNS Positionierunsicherheit im Übersichtsbild Abschätzung der Gesamtunsicherheit des Navigationssystems Zusammenfassung zu theoretischer Analyse zu Navigationsstrategien und Softwarekonzept für das Navigationssystem Demonstrator für ein neuartiges Navigationssystem für die optischtaktile Präzisionskoordinatenmesstechnik Konstruktive Anforderungen für die Geräteplattform zur Aufnahme der Sensoren Konstruktion des Feinnavigationssensors - FNS Elektronische Interfacebaugruppe zur Datenaufnahme für den FNS Optisches Abbildungssystem für den FNS Beleuchtungssystem für den FNS Synthese der Einzelsysteme des FNS Konstruktion des Grobnavigationssensors - GNS Elektronische Interfacebaugruppe zur Datenaufnahme für den GNS 118

5 Optisches Abbildungssystem für den GNS Beleuchtungssystem für den GNS Durchlichtbeleuchtung für das Navigationssystem Konstruktion eines aktiv gekühlten LED-Durchlichtisches Elektronische Interfaceeinheit zur Steuerung des LED- Durchlichttisches Integrierter Sensor Controller - ISC für das Navigationssystem Anforderungen an das Gerätekonzept des ISC Elektronikbaugruppen des ISC Firmware und Funktionen des ISC Synthese der optoelektronischen und mechanischen Baugruppen zu einem neuartigen Navigationssystem Demonstrator des neuartigen Navigationssystems Inbetriebnahme, Justage und Kalibrierung des neuartigen Navigationssystems Zusammenfassung zu Demonstrator für ein neuartiges Navigationssystem für die optisch-taktile Prazisionskoordinatenmesstechnik 130 Experimentelle Untersuchungen der Systemeigenschaften des neuartigen Navigationssystems für optisch-taktile PKMG Experimentelle Untersuchungen zur Positionierunsicherheit des neuartigen Navigationssystems Experimentelle Untersuchungen zur Positionierunsicherheit des GNS Experimentelle Untersuchungen zur Positionierunsicherheit des FNS Experimentelle Untersuchungen zur Positionierunsicherheit des Navigationssystems Verifizierung des Konzeptes des neuartigen Navigationssystems Bedienung eines optisch-taktilen PKMG ohne Navigationssystem Bedienung eines optisch-taktilen PKMG mit neuartigem Navigationssystem Erweiterte Applikationsmöglichkeiten an PKMG mit neuartigem Navigationssystem Zusammenfassung zu Experimentellen Untersuchungen der Sensor eigenschaften des neuartigen Navigationssystems für optisch-taktile PKMG 145

6 Inhaltsverzeichnis 8 6 Zusammenfassung und Ausblick 146 Literaturverzeichnis 148 Anhang 155 Thesen der Dissertation 157 Erklärung 159