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 09.05.1979 in Neuhaus am Rennweg Ilmenau, den 7. Juli 2008
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 19 1.1 Untersuchungen zum Stand der Technik optisch-taktiler Präzisionskoordinatenmessgeräte - PKMG 19 1.2 Entwicklungsstand von Navigationssystemen in der Literatur 21 1.1.1 Begriffsklärung Navigation 22 1.2.1 Navigationssysteme im Alltag 23 1.3 Patentrecherche zum aktuellen Entwicklungsstand von Navigationssystemen in der Präzisionskoordinatenmesstechnik 26 1.3.1 Multisensorielle Systeme als Navigationssystem 26 1.3.2 Verfahren zur Erzeugung von großflächigen Bildern aus Einzelbildaufnahmen- virtuelles Übersichtsbild 27 1.3.3 Navigation auf Messobjekten mit Hilfe eines zusammengesetzten Bildes und aktueller Sensorposition 28 1.3.4 Zusammenfassung der Patentrecherche, Fazit und Forschungsziele 28 1.4 Aktueller Entwicklungsstand von Navigationssystemen in der Präzisionskoordinatenmesstechnik 30 1.5 Aktuelle Navigationsverfahren während der Prüfplanerstellung für PKMG 31 1.5.1 Prüfplanerstellung mit Hilfe von CAD-Daten 31 1.5.2 Prüfplanerstellung ohne CAD - Daten 32
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 36 2.1.1 Grundlegende Begriffsdefinitionen 36 2.1.2 Anwendung des Navigationsbegriffes in der Präzisionskoordinatenmesstechnik 37 2.1.3 Theoretisches Modell eines Navigationssystems für die Präzisionskoordinatenmesstechnik 38 2 Notwendigkeit und Anwendung für Navigationssysteme in der PKMG 41 2.2.1 Neue Anforderungen an die messtechnische Erfassung von Mikrobauteilen 41 2.2.2 Messung mit hochauflösenden Sensoren 42 2.2.3 Grob- Feinnavigation 46 2.2.4 Navigierter Sensor 47 2.2.5 Anforderungen an das Navigationssystem 48-3 Konzept eines neuartigen Navigationssystems für optisch-taktile Präzisionskoordinatenmessgeräte 49 2.3.1 Konzept und Anordnung der Sensoren des Navigationssystems 49 2.3.2 Analyse der notwendigen optischen Auflösungsüberdeckung der Navigationssensoren in der x-y-richtung 59 2.3.3 Analyse der notwendigen Auflösungsüberdeckung der Navigationssensoren in z-richtung 60 2.3.4 Verfahren zur Erhöhung der Ortsauflösung in z-richtung bei optischen Sensoren hoher Schärfentiefe 62 2.3.5 Analyse möglicher Aufnahmesysteme des Navigationssystems und Applikationsbedingungen in PKMG 67 2.3.6 Optisches Abbildungssystem für das Navigationssystem 68 2.3.7 Analyse lichtresistiver Sensoren für das Navigationssystem 82 2.3.8 Analyse von Beleuchtungseinrichtungen für das Navigationssystem 84 2.3.9 Zusammenfassung und Richtlinien für die Konstruktion des Navigationssystems für optisch-taktile PKMG 89 5
Inhaltsverzeichnis 6 3 Theoretische Analyse zu Navigationsstrategien und Softwarekonzept für das Navigationssystem 91 3.1 Theoretische Untersuchungen zu möglichen Navigations-verfahren des neuartigen Navigationssystems für optisch-taktile PKMG 91 3.1.1 Navigation und Positionierung im quasi-dreidimensionalen Raum 91 3.1.2 Navigation und Positionierung im dreidimensionalen Raum 94 3.1.3 Kombiniertes Navigationsverfahren mit Grobnavigationssensor - GNS und Feinnavigationssensor - FNS 96 3.2 Softwarekonzept des neuartigen Navigationssystems für die optisch-taktile Präzisionskoordinatenmesstechnik.". 97 3.2.1 Verfahren zur Übersichtsbilderstellung 97 3.2.2 Algorithmus für die Erstellung der virtuellen Übersichtskarte 100 3.2.3 Optimierung des Algorithmus zur Erstellung der digitalen Übersichtskarte 102 3.2.4 Interaktive Sensorpositionsanzeige - Positionierung des zu navigierenden Sensors 103 3.2.5 Spezielle Softwarefunktionen für die Übersichtskartenerstellung 104 3.3 Navigationsunsicherheit des Navigationssystems für die optisch-taktile Präzisionskoordinatenmesstechnik 105 3.3.1 Positionierunsicherheit der optischen Sensoren GNS und FNS 105 3.3.2 Positionierunsicherheit im Übersichtsbild 106 3.3.3 Abschätzung der Gesamtunsicherheit des Navigationssystems 107 3.3.4 Zusammenfassung zu theoretischer Analyse zu Navigationsstrategien und Softwarekonzept für das Navigationssystem 108 4 Demonstrator für ein neuartiges Navigationssystem für die optischtaktile Präzisionskoordinatenmesstechnik 109 4.1 Konstruktive Anforderungen für die Geräteplattform zur Aufnahme der Sensoren 110 4.2 Konstruktion des Feinnavigationssensors - FNS 111 4.2.1 Elektronische Interfacebaugruppe zur Datenaufnahme für den FNS 111 4.2.2 Optisches Abbildungssystem für den FNS 112 4.2.3 Beleuchtungssystem für den FNS 114 4.2.4 Synthese der Einzelsysteme des FNS 117 4.3 Konstruktion des Grobnavigationssensors - GNS 118 4.3.1 Elektronische Interfacebaugruppe zur Datenaufnahme für den GNS 118
7 4.3.2 Optisches Abbildungssystem für den GNS 119 4.3.3 Beleuchtungssystem für den GNS 120 4.4 Durchlichtbeleuchtung für das Navigationssystem 121 4.4.1 Konstruktion eines aktiv gekühlten LED-Durchlichtisches 121 4.4.2 Elektronische Interfaceeinheit zur Steuerung des LED- Durchlichttisches 123 4.5 Integrierter Sensor Controller - ISC für das Navigationssystem 124 4.5.1 Anforderungen an das Gerätekonzept des ISC 124 4.5.2 Elektronikbaugruppen des ISC 125 4.5.3 Firmware und Funktionen des ISC 125 4.6 Synthese der optoelektronischen und mechanischen Baugruppen zu einem neuartigen Navigationssystem 127 4.6.1 Demonstrator des neuartigen Navigationssystems 127 4.6.2 Inbetriebnahme, Justage und Kalibrierung des neuartigen Navigationssystems 128 4.6.3 Zusammenfassung zu Demonstrator für ein neuartiges Navigationssystem für die optisch-taktile Prazisionskoordinatenmesstechnik 130 Experimentelle Untersuchungen der Systemeigenschaften des neuartigen Navigationssystems für optisch-taktile PKMG 131 5.1 Experimentelle Untersuchungen zur Positionierunsicherheit des neuartigen Navigationssystems 131 5.1.1 Experimentelle Untersuchungen zur Positionierunsicherheit des GNS 131 5.1.2 Experimentelle Untersuchungen zur Positionierunsicherheit des FNS 135 5.1.3 Experimentelle Untersuchungen zur Positionierunsicherheit des Navigationssystems 137 5.2 Verifizierung des Konzeptes des neuartigen Navigationssystems 138 5.2.1 Bedienung eines optisch-taktilen PKMG ohne Navigationssystem 139 5.2.2 Bedienung eines optisch-taktilen PKMG mit neuartigem Navigationssystem 140 5.2.3 Erweiterte Applikationsmöglichkeiten an PKMG mit neuartigem Navigationssystem 143 5.2.4 Zusammenfassung zu Experimentellen Untersuchungen der Sensor eigenschaften des neuartigen Navigationssystems für optisch-taktile PKMG 145
Inhaltsverzeichnis 8 6 Zusammenfassung und Ausblick 146 Literaturverzeichnis 148 Anhang 155 Thesen der Dissertation 157 Erklärung 159