Neuartiges optisches Messprinzip zur dreidimensionalen Messung der Fassungsnut von Brillenfassungen

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1 Neuartiges optisches Messprinzip zur dreidimensionalen Messung der Fassungsnut von Brillenfassungen Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doktoringenieur (Dr.-Ing.) vorgelegt der Fakultät für Maschinenbau der Technische Universität Ilmenau von Herrn Dipl.-Ing. Andre Göpfert geboren am in Bad Salzungen/Deutschland sowie von Herrn Dipl.-Ing. Matthias Rückwardt geboren am in Schleiz/Deutschland

2 Inhaltsverzeichnis Kurzfassung 2 Abstract 3 Inhaltsverzeichnis 4 Abbildungsverzeichnis 12 Tabellenverzeichnis 21 Danksagung 24 1 Einleitung und Motivation 25 A. Stand der Technik von Messprinzipen zur dreidimensionalen Messung der Fassungsnut von Brillenfassungen 27 2 Untersuchungen zum aktuellen Entwicklungsstand von Brillentracern Stand der Technik von Brillentracern Patentrecherche zu berührungslos messenden Brillentracern Marktrecherche zu taktilen und berührungslosen Brillentracern Untersuchung, Klassifizierung und Richtlinien des Messobjekts Brillenfassung Aufbau einer Brillenfassung Maßsystem und Begriffe von Brillenfassungen Richtlinien und Vorschriften für das Design einer Brillenfassung Funktionstechnische und messtechnische Analyse des Marktführers Nidek LT Erläuterung des Fassungsmessmodus Erläuterung des Patternmessmodus Zusammenfassung der Eigenschaften des Brillentracers der Firma Nidek Co., Ltd Begrenzende Nutzungsmöglichkeiten eines taktilen Brillentracers Kundenbefragung von Benutzern der taktilen Brillentracer Übersicht des Marktanteils der Gerätehersteller mit zugehörigem Problemaufkommen bei taktilen Brillentracern Untersuchung der auftretenden Probleme in Bezug auf die Art der Brillenfassung Analyse der Probleme in Bezug auf nachfolgende Herstellungsfehler durch taktile Brillentracer 48

3 2.4.4 Aktuelle Verbesserungswünsche und -ansätze der Benutzer Zusammenfassung der Anforderungen aus den Rechercheergebnissen zu taktilen Brillentracern Präzisierung der Aufgabenstellung Messtechnische und gerätetechnische Anforderungen an einen optischen Brillentracer 53 3 Taktile Referenzmessungen zur dreidimensionalen Messung der Fassungsnut von Brillenfassungen mit Koordinatenmessgeräten Eigenschaften und Möglichkeiten von Multisensor-Koordinatenmessgeräten Erstellung von Messabläufen und Prüfplänen mit Koordinatenmessgeräten Umsetzung von Messabläufen mit Koordinatenmessgeräten Erstellung eines Kalibriernormals zur Erreichung der Vergleichbarkeit zwischen den Messsystemen Ergebnisse der messtechnischen Untersuchung mit taktilen Koordinatenmessgeräten 62 В. Theoretische Untersuchungen zur dreidimensionalen Messung der Fassungsnut von Brillenfassungen 64 4 Analyse des Messobjekts und Auswahl eines geeigneten Messprinzips zur dreidimensionalen Messung der Fassungsnut von Brillenfassungen Klassifizierung und Eigenschaften des Messobjekts Brillenfassung Klassifizierung der Brillenfassungen nach dem Brillenfassungsmaterialien Klassifizierung der Brillenfassungen nach Anbauteilen an der Brücke von Brillenfassungen Klassifizierung der Brillenfassungen nach Kriterien der Brillenglashersteller Zusammenfassung der Klassifizierung und Eigenschaften des Messobjekts Brillenfassung Erläuterung und Bewertung optischer Messprinzipe zur dreidimensionalen Messung der Fassungsnut von Brillenfassungen Autofokussensor Deflektometrie Bildverarbeitungsprinzip Fotogrammetrie Interferometrie Konfokal-Chromatischer Sensor Streifenprojektion Triangulationssensor 73 5

4 4.2.9 Weißlichtinterferometrie Messbereich und Auflösung der einzelnen optischen Messprinzipe Bewertungskriterien und Auswahl der optischen Messprinzipe zur dreidimensionalen Messung der Fassungsnut von Brillenfassungen Theoretische Grundlagen für das Bildverarbeitungsprinzip zur dreidimensionalen Messung der Fassungsnut von Brillenfassungen Übersicht der Operationen der Bildverarbeitung Grundlagen der Operation der Bildverarbeitung zur Kantendetektion AOI-basierte Kantenkriterien zur Kantenpunktdetektion Gradientenfilter als Kantenpunktdetektoren Nachbearbeitung von Kantenpunkten Extrahieren von Objekten durch Zusammenfassen von Kantenpunkten und Konturverfolgungsalgorithmen Grundlagen der Operatoren der Bildverarbeitung zur Fokussuche Mathematische Erläuterungen der eingesetzten Fokuskriterien Fehlereinflüsse der Fokussuche und Auswahl des optimalen Fokuskriteriums Theoretische Untersuchungen zu Messverfahren nach dem Bildverarbeitungsprinzip zur dreidimensionalen Messung der Fassungsnut von Brillenfassungen Messverfahren mit Planspiegel zur dreidimensionalen Messung der Fassungsnut von Brillenfassungen Entwurf und Aufbau des Messverfahrens mit Planspiegel Messablauf des Messverfahrens mit Planspiegel Messverfahren mit Kegelspiegel zur dreidimensionalen Messung der Fassungsnut von Brillenfassungen Entwurf imd Aufbau des Messverfahrens mit Kegelspiegel Messablauf des Messverfahrens mit Kegelspiegel Messverfahren mit Zwei-Tafel-Projektion zur dreidimensionalen Messimg der Fassungsnut von Brillenfassungen Entwurf und Aufbau des Messverfahrens mit Zwei-Tafel-Projektion Messablauf des Messverfahrens mit Zwei-Tafel-Projektion Notwendige Voraussetzungen für das Messverfahren mit Zwei-Tafel- Projektion Nachweis der konstanten Fassungsnuttiefe für den kompletten Umfang der Brillenfassung Nachweis der konstanten Fassungsnutform für den kompletten Umfang der Brillenfassung 111

5 Nachweis des konstanten Abstands des Fassungsnutgrunds zur vorderen und hinteren Fassungsnutkante inz-richtung Rückführung des Fassungsnutgrunds auf eine Raumkurve auf der Oberfläche einer Kugel Ergebnisse der Untersuchungen notwendiger Voraussetzungen für das Messverfahren mit Zwei-Tafel-Projektion Messverfahren zur Bestimmung der Fassungsnuttiefe zur dreidimensionalen Messung der Fassungsnut von Brillenfassungen Anforderungen an ein Messverfahren zur Bestimmung der Fassungsnuttiefe zur dreidimensionalen Messung der Fassungsnut von Brillenfassungen Entwurf und Aufbau eines Messverfallrens zur Bestimmimg der Fassungsnuttiefe Messablaufeines Messverfahren zur Bestimmung der Fassungsnuttiefe Berechnung der dreidimensionalen Koordinaten der Fassungsnut von Brillenfassungen Berechnung der Kugelparameter der Fassungsnut Berechnung der dreidimensionalen Koordinaten aus Frontansicht und Seitenansicht Bereclinung der Lage der Fassungsnut Analyse der Kenngrößen des Vision-Council of America- Kommunikationsprotokolls Messtechnische Analyse an ausgewählten Brillenfassungen mit optischen Sensoren an Multisensor-Koordinatenmessgeräten Voruntersuchung des Bildverarbeitungsprinzips mit optischen Sensoren an Segmenten von Brillenfassungen Aufbau und Versuchsreihenerstellung der Einflussmöglichkeiten auf das Bildverarbeitungsprinzip Ergebnisse der Versuchsreihen mit Parametervariation Auswertung der Versuchsreihen und Festlegung der geeigneten Parameter des Bildverarbeitungsprinzips Beleuchtungsanalyse und -Optimierung des Bildverarbeitungsprinzips an kompletten Brillenfassungen Verwendung einer koaxialen Auflichtbeleuchtung an kompletten Brillenfassungen Entwurf einer Beleuchtungseinrichtung für die Optimierung des Bildverarbeitungsprinzips mit einer Auflichtbeleuchtung an kompletten Brillenfassungen Messtechnische Untersuchung des Bildverarbeitungsprinzips mit Auflichtbeleuchtung an kompletten Brillenfassungen 140 7

6 С. Experimentelle Untersuchungen der Bildverarbeitungsverfahren zur dreidimensionalen Messung der Fassungsnut von Brillenfassungen Experimentelle Umsetzung von Messverfahren nach dem Bildverarbeitungsprinzip zur dreidimensionalen Messung der Fassungsnut von Brillenfassungen Messverfahren mit Planspiegel zur dreidimensionalen Messung der Fassungsnut von Brillenfassungen Umsetzung einer automatisierten Messwertaufnahme und -auswertung Messpunktermittlung mittels Konturverfolgung Extrahieren von Merkmalen und Klassifizieren der ermittelten Messpunkte Polynomapproximation der gefilterten Messwerte und Berechnung der AOI für die Fokussuche ptimierungdes umlaufenden Messablaufs des Messverfahrens mit Planspiegel Zusammenfassung der praktischen Umsetzung des Messverfahren mit Planspiegel Messverfahren mit Kegelspiegel zur dreidimensionalen Messung der Fassungsnut von Brillenfassungen Umsetzung einer automatisierten Messwertaufnahme und -auswertung Berechnung der messtechnischen Grenzen des Messverfahrens mit Kegelspiegel Zusammenfassung der praktischen Umsetzung des Messverfahrens mit Kegelspiegel Messverfahrens mit Zwei-Tafel-Projektion zur dreidimensionalen Messung der Fassungsnut von Brillenfassungen Umsetzung einer automatisierten Messwertaufnahme des Messverfahren mit Zwei-Tafel-Projektion Umsetzung der Ausrichtung der Brillenfassung für das Messverfahren mit Zwei-Tafel-Projektion Umsetzung der Messwertermittlung der Seitenansicht und Frontansicht des Messverfahrens mit Zwei-Tafel-Projektion Auswertung der Messwerte des Messverfahrens mit Zwei-Tafel-Projektion Auswertung der Messwerte der Seitenansicht des Messverfahrens mit Zwei- Tafel-Projektion Auswertung der Messwerte der Frontansicht des Messverfahrens mit Zwei- Tafel-Projektion Ermittlung der Fassungsnuttiefe für das Messverfahren mit Zwei-Tafel-Projektion 165

7 7.3.3 Zusammenfassung der praktischen Umsetzung des Messverfahrens mit Zwei-Tafel-Projektion Konstruktive Umsetzung und Inbetriebnahme eines Demonstrators zur dreidimensionalen Messung der Fassungsnut von Brillenfassungen nach dem Messverfahren mit Zwei-Tafel-Projektion Konstruktive Umsetzung des Demonstrators nach dem Messverfahren mit Zwei-Tafel-Projektion Anforderungsliste an die konstruktive Umsetzung für den Demonstrator Auslegung des Bildverarbeitungssystems für den Demonstrator Kameraauswahl für den Demonstrator bjektivauswahl für den Demonstrator Beleuchtungsauswahl für den Demonstrator Auslegung des Bewegungssystems für den Demonstrator Rotatorisches Bewegungssystems für den Demonstrator Translatorisches Bewegungssystems für den Demonstrator Auslegung der Ansteuerung für die Beleuchtungseinrichtung und das Bewegungssystem für den Demonstrator Erstellung und konstruktive Umsetzung eines Designentwurfs des Messverfahrens mit Zwei-Tafel-Projektion Programmtechnische Umsetzung für den Demonstrator nach dem Messverfahren mit Zwei-Tafel-Projektion Programmtechnisches Konzept zur Umsetzung für den Demonstrator Konzept zur Umsetzung der Messmodi für den Demonstrator Umsetzung der Verknüpfung von Messdatenerfassung und -Verarbeitung für den Demonstrator Optimierung der automatisierten Messwertaufnahme und -auswertung fiir den Demonstrator nach dem Messverfahren mit Zwei-Tafel-Projektion Ermittlung von Formdaten von Brillenfassungen mit Bildverarbeitungsalgorithnien zur Kantendetektion Optimierung des Canny-Kantenfilter zur Kantenpunktdetektion Klassifikation des Messobjekts Brillenfassung zur Ermittlung der Formdaten Strategie der Messpunktauswahl der detektieren Kantenpunkte für Brillenfassungen mit Seitenstegeinheit Strategie der Messpunktauswahl der detektieren Kantenpunkte für Brillenfassungen mit Seitensteg Verifizierung und experimentelle Untersuchung für den Demonstrator nach dem Messverfahren mit Zwei-Tafel-Projektion Nachweis der Messmittelfähigkeit für den Demonstrator 201

8 8.4.2 Verifizieren der ermittelten Messdaten des Demonstrators durch Fertigen der zugehörigen Brillengläser Zusammenfassung 206 Literaturverzeichnis 208 Anhang 216 A. 1 Ergebnisse der Bestimmung von Fassungsnutform und -tiefe 216 A. 1.1 Bestimmung der Fassungsnuttiefe und -form mit Lichtschnittsensor - SmartRay A.1.2 Bestimmung der Fassungsnuttiefe und -form mit konfokal chromatischen Sensor-IFS A.1.3 Bestimmung der Lage des Fassungsnutgrunds mit Negatiwerfahren 222 A.2 Ergebnisse der Bestimmung der Raumlage der Fassungsnut mit Planspiegel 225 A.3 Aufgliederung des VCA-Datenprotokolls (Jahr 2010) 228 A.4 Aufbau des entwickelten Lab View-Tool zur Analyse VCA-Datenprotokolls 230 A.5 Ergebnisse der messtechnischen Untersuchung des Messdatensatzes von Brillenfassungen mit dem taktilen Brillentracer LT-900 der Firma Nidek Co., Ltd 231 A.6 Ergebnisse der messtechnischen Voruntersuchung des Bildverarbeitungsprinzips mit optischen Sensoren an Segmenten von Brillenfassungen 232 A.7 Forderungsliste für den Demonstrator des Messverfahrens mit Zwei-Tafel-Projektion 234 A.8 Schaltplan, Bestückung und Routing der Beleuchtungs- und Motorsteuerung für den Demonstrator 236 A. 9 Designentwurf für den Demonstrator des Messverfahrens mit Zwei-Tafel- Projektion 240 A. 10 Beispiel der Verknüpfung von MFC-Anwendung und Matlab an Hand der Funktion ausgleichswinkel.cpp" 242 A. 11 Kurzbeschreibung der Matlab-Funktionen zur beidseitigen Messdatenauswertung für das Messverfahren mit Zwei-Tafel-Projektion 244 A. 12 Ergebnis und Parameter der Optimierung des Canny-Filter-Schwellwertes und Parameter zur Klassifizierung 247 A. 13 Ergebnisse der messtechnischen Untersuchung des Messdatensatzes von Brillenfassungen mit dem optischen Brillentracer OptoTracer

9 A. 14 Empfangsbestätigung des Patentantrags Anordnung und Verfahren zum berülirungslosen Ermitteln der Raumkurve von Hinterschneidung aufweisenden dreidimensionalen Konturen" 252 Thesen der Dissertation 253 Erklärungen gemäß Promotionsordnung 255 li