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 16.11.1983 in Bad Salzungen/Deutschland sowie von Herrn Dipl.-Ing. Matthias Rückwardt geboren am 02.07.1982 in Schleiz/Deutschland
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 27 2.1 Stand der Technik von Brillentracern 27 2.1.1 Patentrecherche zu berührungslos messenden Brillentracern 28 2.1.2 Marktrecherche zu taktilen und berührungslosen Brillentracern 30 2.2 Untersuchung, Klassifizierung und Richtlinien des Messobjekts Brillenfassung 31 2.2.1 Aufbau einer Brillenfassung 31 2.2.2 Maßsystem und Begriffe von Brillenfassungen 34 2.2.3 Richtlinien und Vorschriften für das Design einer Brillenfassung 38 2.3 Funktionstechnische und messtechnische Analyse des Marktführers Nidek LT-900 39 2.3.1 Erläuterung des Fassungsmessmodus 39 2.3.2 Erläuterung des Patternmessmodus 40 2.3.3 Zusammenfassung der Eigenschaften des Brillentracers der Firma Nidek Co., Ltd 42 2.3.4 Begrenzende Nutzungsmöglichkeiten eines taktilen Brillentracers 43 2.4 Kundenbefragung von Benutzern der taktilen Brillentracer 44 2.4.1 Übersicht des Marktanteils der Gerätehersteller mit zugehörigem Problemaufkommen bei taktilen Brillentracern 45 2.4.2 Untersuchung der auftretenden Probleme in Bezug auf die Art der Brillenfassung 47 2.4.3 Analyse der Probleme in Bezug auf nachfolgende Herstellungsfehler durch taktile Brillentracer 48
2.4.4 Aktuelle Verbesserungswünsche und -ansätze der Benutzer 50 2.5 Zusammenfassung der Anforderungen aus den Rechercheergebnissen zu taktilen Brillentracern 52 2.6 Präzisierung der Aufgabenstellung 52 2.7 Messtechnische und gerätetechnische Anforderungen an einen optischen Brillentracer 53 3 Taktile Referenzmessungen zur dreidimensionalen Messung der Fassungsnut von Brillenfassungen mit Koordinatenmessgeräten 56 3.1 Eigenschaften und Möglichkeiten von Multisensor-Koordinatenmessgeräten... 56 3.2 Erstellung von Messabläufen und Prüfplänen mit Koordinatenmessgeräten 58 3.3 Umsetzung von Messabläufen mit Koordinatenmessgeräten 60 3.4 Erstellung eines Kalibriernormals zur Erreichung der Vergleichbarkeit zwischen den Messsystemen 61 3.5 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 64 4.1 Klassifizierung und Eigenschaften des Messobjekts Brillenfassung 64 4.1.1 Klassifizierung der Brillenfassungen nach dem Brillenfassungsmaterialien 64 4.1.2 Klassifizierung der Brillenfassungen nach Anbauteilen an der Brücke von Brillenfassungen 65 4.1.3 Klassifizierung der Brillenfassungen nach Kriterien der Brillenglashersteller... 66 4.1.4 Zusammenfassung der Klassifizierung und Eigenschaften des Messobjekts Brillenfassung 66 4.2 Erläuterung und Bewertung optischer Messprinzipe zur dreidimensionalen Messung der Fassungsnut von Brillenfassungen 67 4.2.1 Autofokussensor 67 4.2.2 Deflektometrie 68 4.2.3 Bildverarbeitungsprinzip 69 4.2.4 Fotogrammetrie 70 4.2.5 Interferometrie 70 4.2.6 Konfokal-Chromatischer Sensor 72 4.2.7 Streifenprojektion 73 4.2.8 Triangulationssensor 73 5
4.2.9 Weißlichtinterferometrie 74 4.2.10 Messbereich und Auflösung der einzelnen optischen Messprinzipe 75 4.3 Bewertungskriterien und Auswahl der optischen Messprinzipe zur dreidimensionalen Messung der Fassungsnut von Brillenfassungen 75 4.4 Theoretische Grundlagen für das Bildverarbeitungsprinzip zur dreidimensionalen Messung der Fassungsnut von Brillenfassungen 79 4.4.1 Übersicht der Operationen der Bildverarbeitung 79 4.4.2 Grundlagen der Operation der Bildverarbeitung zur Kantendetektion 81 4.4.2.1 AOI-basierte Kantenkriterien zur Kantenpunktdetektion 81 4.4.2.2Gradientenfilter als Kantenpunktdetektoren 82 4.4.2.3 Nachbearbeitung von Kantenpunkten 84 4.4.2.4Extrahieren von Objekten durch Zusammenfassen von Kantenpunkten und Konturverfolgungsalgorithmen 87 4.4.3 Grundlagen der Operatoren der Bildverarbeitung zur Fokussuche 90 4.4.3.1 Mathematische Erläuterungen der eingesetzten Fokuskriterien 92 4.4.3.2Fehlereinflüsse der Fokussuche und Auswahl des optimalen Fokuskriteriums.. 94 5 Theoretische Untersuchungen zu Messverfahren nach dem Bildverarbeitungsprinzip zur dreidimensionalen Messung der Fassungsnut von Brillenfassungen 96 5.1 Messverfahren mit Planspiegel zur dreidimensionalen Messung der Fassungsnut von Brillenfassungen 97 5.1.1 Entwurf und Aufbau des Messverfahrens mit Planspiegel 97 5.1.2 Messablauf des Messverfahrens mit Planspiegel 98 5.2 Messverfahren mit Kegelspiegel zur dreidimensionalen Messung der Fassungsnut von Brillenfassungen 100 5.2.1 Entwurf imd Aufbau des Messverfahrens mit Kegelspiegel 100 5.2.2 Messablauf des Messverfahrens mit Kegelspiegel 102 5.3 Messverfahren mit Zwei-Tafel-Projektion zur dreidimensionalen Messimg der Fassungsnut von Brillenfassungen 103 5.3.1 Entwurf und Aufbau des Messverfahrens mit Zwei-Tafel-Projektion 103 5.3.2 Messablauf des Messverfahrens mit Zwei-Tafel-Projektion 105 5.3.3 Notwendige Voraussetzungen für das Messverfahren mit Zwei-Tafel- Projektion 107 5.3.3.1 Nachweis der konstanten Fassungsnuttiefe für den kompletten Umfang der Brillenfassung 107 5.3.3.2Nachweis der konstanten Fassungsnutform für den kompletten Umfang der Brillenfassung 111
5.3.3.3Nachweis des konstanten Abstands des Fassungsnutgrunds zur vorderen und hinteren Fassungsnutkante inz-richtung 114 5.3.3.4Rückführung des Fassungsnutgrunds auf eine Raumkurve auf der Oberfläche einer Kugel 117 5.3.3.5Ergebnisse der Untersuchungen notwendiger Voraussetzungen für das Messverfahren mit Zwei-Tafel-Projektion 118 5.3.4 Messverfahren zur Bestimmung der Fassungsnuttiefe zur dreidimensionalen Messung der Fassungsnut von Brillenfassungen 119 5.3.4.1 Anforderungen an ein Messverfahren zur Bestimmung der Fassungsnuttiefe zur dreidimensionalen Messung der Fassungsnut von Brillenfassungen 119 5.3.4.2Entwurf und Aufbau eines Messverfallrens zur Bestimmimg der Fassungsnuttiefe 120 5.3.4.3 Messablaufeines Messverfahren zur Bestimmung der Fassungsnuttiefe 121 5.3.5 Berechnung der dreidimensionalen Koordinaten der Fassungsnut von Brillenfassungen 122 5.3.5.1 Berechnung der Kugelparameter der Fassungsnut 122 5.3.5.2Berechnung der dreidimensionalen Koordinaten aus Frontansicht und Seitenansicht 123 5.3.5.3Bereclinung der Lage der Fassungsnut 125 5.3.5.4 Analyse der Kenngrößen des Vision-Council of America- Kommunikationsprotokolls 128 6 Messtechnische Analyse an ausgewählten Brillenfassungen mit optischen Sensoren an Multisensor-Koordinatenmessgeräten 133 6.1 Voruntersuchung des Bildverarbeitungsprinzips mit optischen Sensoren an Segmenten von Brillenfassungen 133 6.1.1 Aufbau und Versuchsreihenerstellung der Einflussmöglichkeiten auf das Bildverarbeitungsprinzip 133 6.1.2 Ergebnisse der Versuchsreihen mit Parametervariation 134 6.1.3 Auswertung der Versuchsreihen und Festlegung der geeigneten Parameter des Bildverarbeitungsprinzips 136 6.2 Beleuchtungsanalyse und -Optimierung des Bildverarbeitungsprinzips an kompletten Brillenfassungen 137 6.2.1 Verwendung einer koaxialen Auflichtbeleuchtung an kompletten Brillenfassungen 137 6.2.2 Entwurf einer Beleuchtungseinrichtung für die Optimierung des Bildverarbeitungsprinzips mit einer Auflichtbeleuchtung an kompletten Brillenfassungen 138 6.2.3 Messtechnische Untersuchung des Bildverarbeitungsprinzips mit Auflichtbeleuchtung an kompletten Brillenfassungen 140 7
С. Experimentelle Untersuchungen der Bildverarbeitungsverfahren zur dreidimensionalen Messung der Fassungsnut von Brillenfassungen 143 7 Experimentelle Umsetzung von Messverfahren nach dem Bildverarbeitungsprinzip zur dreidimensionalen Messung der Fassungsnut von Brillenfassungen 143 7.1 Messverfahren mit Planspiegel zur dreidimensionalen Messung der Fassungsnut von Brillenfassungen 143 7.1.1 Umsetzung einer automatisierten Messwertaufnahme und -auswertung 143 7.1.1.1 Messpunktermittlung mittels Konturverfolgung 144 7.1.1.2Extrahieren von Merkmalen und Klassifizieren der ermittelten Messpunkte... 145 7.1.1.3Polynomapproximation der gefilterten Messwerte und Berechnung der AOI für die Fokussuche 150 7.1.1.40ptimierungdes umlaufenden Messablaufs des Messverfahrens mit Planspiegel 151 7.1.2 Zusammenfassung der praktischen Umsetzung des Messverfahren mit Planspiegel 152 7.2 Messverfahren mit Kegelspiegel zur dreidimensionalen Messung der Fassungsnut von Brillenfassungen 153 7.2.1 Umsetzung einer automatisierten Messwertaufnahme und -auswertung 153 7.2.2 Berechnung der messtechnischen Grenzen des Messverfahrens mit Kegelspiegel 156 7.2.3 Zusammenfassung der praktischen Umsetzung des Messverfahrens mit Kegelspiegel 157 7.3 Messverfahrens mit Zwei-Tafel-Projektion zur dreidimensionalen Messung der Fassungsnut von Brillenfassungen 158 7.3.1 Umsetzung einer automatisierten Messwertaufnahme des Messverfahren mit Zwei-Tafel-Projektion 158 7.3.1.1 Umsetzung der Ausrichtung der Brillenfassung für das Messverfahren mit Zwei-Tafel-Projektion 158 7.3.1.2Umsetzung der Messwertermittlung der Seitenansicht und Frontansicht des Messverfahrens mit Zwei-Tafel-Projektion 160 7.3.2 Auswertung der Messwerte des Messverfahrens mit Zwei-Tafel-Projektion... 162 7.3.2.1 Auswertung der Messwerte der Seitenansicht des Messverfahrens mit Zwei- Tafel-Projektion 162 7.3.2.2 Auswertung der Messwerte der Frontansicht des Messverfahrens mit Zwei- Tafel-Projektion 164 7.3.2.3Ermittlung der Fassungsnuttiefe für das Messverfahren mit Zwei-Tafel-Projektion 165
7.3.3 Zusammenfassung der praktischen Umsetzung des Messverfahrens mit Zwei-Tafel-Projektion 167 8 Konstruktive Umsetzung und Inbetriebnahme eines Demonstrators zur dreidimensionalen Messung der Fassungsnut von Brillenfassungen nach dem Messverfahren mit Zwei-Tafel-Projektion 168 8.1 Konstruktive Umsetzung des Demonstrators nach dem Messverfahren mit Zwei-Tafel-Projektion 169 8.1.1 Anforderungsliste an die konstruktive Umsetzung für den Demonstrator 169 8.1.2 Auslegung des Bildverarbeitungssystems für den Demonstrator 170 8.1.2.1 Kameraauswahl für den Demonstrator 170 8.1.2.20bjektivauswahl für den Demonstrator 173 8.1.2.3 Beleuchtungsauswahl für den Demonstrator 173 8.1.3 Auslegung des Bewegungssystems für den Demonstrator 174 8.1.3.1 Rotatorisches Bewegungssystems für den Demonstrator 174 8.1.3.2Translatorisches Bewegungssystems für den Demonstrator 175 8.1.4 Auslegung der Ansteuerung für die Beleuchtungseinrichtung und das Bewegungssystem für den Demonstrator 176 8.1.5 Erstellung und konstruktive Umsetzung eines Designentwurfs des Messverfahrens mit Zwei-Tafel-Projektion 178 8.2 Programmtechnische Umsetzung für den Demonstrator nach dem Messverfahren mit Zwei-Tafel-Projektion 181 8.2.1 Programmtechnisches Konzept zur Umsetzung für den Demonstrator 181 8.2.2 Konzept zur Umsetzung der Messmodi für den Demonstrator 182 8.2.3 Umsetzung der Verknüpfung von Messdatenerfassung und -Verarbeitung für den Demonstrator 185 8.3 Optimierung der automatisierten Messwertaufnahme und -auswertung fiir den Demonstrator nach dem Messverfahren mit Zwei-Tafel-Projektion 187 8.3.1 Ermittlung von Formdaten von Brillenfassungen mit Bildverarbeitungsalgorithnien zur Kantendetektion 188 8.3.2 Optimierung des Canny-Kantenfilter zur Kantenpunktdetektion 190 8.3.3 Klassifikation des Messobjekts Brillenfassung zur Ermittlung der Formdaten 192 8.3.4 Strategie der Messpunktauswahl der detektieren Kantenpunkte für Brillenfassungen mit Seitenstegeinheit 195 8.3.5 Strategie der Messpunktauswahl der detektieren Kantenpunkte für Brillenfassungen mit Seitensteg 197 8.4 Verifizierung und experimentelle Untersuchung für den Demonstrator nach dem Messverfahren mit Zwei-Tafel-Projektion 201 8.4.1 Nachweis der Messmittelfähigkeit für den Demonstrator 201
8.4.2 Verifizieren der ermittelten Messdaten des Demonstrators durch Fertigen der zugehörigen Brillengläser 203 9 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 1400 216 A.1.2 Bestimmung der Fassungsnuttiefe und -form mit konfokal chromatischen Sensor-IFS2401-3 219 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 251 10
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