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Ein Vergleich zwischen taktilem Messsystem und Laserscannen macht die Unterschiede in der Merkmalsprüfung verständlich

nikon metrology discover tactile vs laserGewöhnlich werden Laserstreifenscanner eingesetzt, um digitale Kopien von Objekten (im Allgemeinen von Freiformflächen) zu erstellen. Die hohe Datenrate, die optische Systeme im Vergleich zu traditionellen taktilen Messsystemen erzielen, macht diese Technologie besonders für die Erfassung der vielen Messpunkte geeignet, die für die Erfassung komplexer (nicht prismatischer) Geometrieformen erforderlich sind.

Laserstreifenscanner wurden in den letzten paar Jahren bis zu einem Punkt weiterentwickelt, der sie zur gleichwertigen Alternative zur taktilen Messung von geometrischen Grundformen macht. Verbesserungen bezüglich der Auflösung, der Qualität der Optiken, Bildverarbeitung und Datenanalyse haben das Laserstreifenscannen zu einem hinreichend genauen, aber weitaus produktiveren Ersatz für die taktile Messung – selbst bei der Prüfung von Merkmalen – werden lassen. In der Praxis gibt es viele Beispiele, wo optische Systeme dank der höheren Messdichte repräsentativere (wirklichkeitsgetreuere) Ergebnisse liefern als taktile Messsysteme.

In der aktuellen Situation, in der sich die Laserscantechnik auf Messgenauigkeiten entwickelt hat, die der Genauigkeit von taktilen Messtastern sehr nahekommen, stellt die größere Datendichte, die mit Laserscannern erzielt wird, einen wesentlichen Vorteil bei der Merkmalseinpassung dar. Die Genauigkeit taktiler Messsysteme für eine gute Passungsfähigkeit von Merkmalen beruht vor allem auf der Annahme einer perfekten Geometrie. Aufgrund der niedrigen Abtastrate sind taktile Messdaten aber sehr empfindlich für Ungenauigkeiten eines Geometriemerkmals.

Die Rundheitstoleranz eines Stanzlochs in einem Blechelement ist in der Regel weitaus größer als die Messgenauigkeit eines Koordinatenmessgeräts (KMG) mit einem taktilen Messsystem. Wird diese Bohrung nur anhand von drei bis fünf Messpunkten identifiziert, kann der Rundheitsfehler zu einer Messunsicherheit führen, die deutlich über der KMG-Genauigkeit liegt.

Optische Messsysteme erfassen weitaus größere Datenmengen in der gleichen oder einer kürzeren Zeit, sodass Geometriefehler besser gehandhabt werden können. Die einzelnen Messpunkte in einer optischen Punktewolke sind möglicherweise weniger sauber, aufgrund der höheren Punktdichte wird das tatsächliche Geometriemerkmal jedoch besser dargestellt.

Ein Laserscanner erfasst die gesamte Teilegeometrie für Messanwendungen oder Reverse-Engineering-Zwecke. Er misst sowohl Freiformflächen als auch Geometriemerkmale. Laserscanner werden an Koordinatenmessgeräten (KMG), Gelenkmessarmen, optischen KMG oder sogar Robotern eingesetzt. Die daraus resultierende 3D-Kopie bildet das Rückgrat des digitalen Prüfprozesses. So können Qualitätskontrollen rationalisiert, die Zeit bis zur Produkteinführung verkürzt und Entwicklungskosten gesenkt werden. Ein Laserscanner erfasst mehrere Tausend Punkte in der Zeit, die ein Messtaster benötigt, um einen Punkt aufzunehmen. Er ist daher die produktivere und kostengünstigere Messlösung.

Bei der Laserscantechnik wird ein präziser Laserstreifen auf ein Werkstück projiziert, während die integrierte Digitalkamera die projizierte Laserlinie aus einem vorgegebenen Winkel erfasst. Die heutigen digitalen Linienscanner, die mit modernster CMOS-Kameratechnik ausgestattet sind, bieten eine beeindruckende Punktauflösung und hohe Genauigkeit. Sie können Zehn- bis Hunderttausende nicht interpolierte Punkte pro Sekunde aufnehmen. Da sie Punktewolken von sehr hohe Dichte mit unglaublicher Geschwindigkeit erfassen, ist eine sehr schnelle und präzise Digitalisierung von Freiformflächen und geometrischen Merkmalen möglich.

 

Grenzen der taktilen Inspektion

In diesem Abschnitt werden die Probleme erläutert, die während der taktilen Merkmalsprüfung auftreten. Sie treten im Allgemeinen an fehlerhaften Teilen mit Ebenheits- und Rundheitsfehlern, Kanten außerhalb vorgegebener Bereiche, Graten etc. auf, die allgemein als „geometrieähnliche“ Merkmale bezeichnet werden könnten. Aufgrund der „Unterabtastung“ der taktilen Inspektion sind die Ergebnisse sehr empfindlich für derartige Einflüsse. Laserscanner dagegen erfassen viel größere Datenmengen, sodass diese Einflüsse ausgeschlossen oder reduziert werden können.

1. Ebenheitsfehler, die um ein Merkmal auftreten können

Materialverformungen um ein Stanzloch führen zu einem Ebenheitsfehler in der Umgebungsebene. In solchen Fällen können die Positionen, an denen die begrenzte Anzahl taktiler Messpunkte aufgenommen wird (um die Bezugsebene der Bohrung zu ermitteln) das Ergebnis stark beeinflussen.

nikon metrology discover tactile vs laser flatness errors around featureEbenheitsfehler in der Umgebung eines Merkmal

2. Kein rechter Winkel zwischen dem Merkmal und der Merkmalsebene

Wenn die gemessene Bezugsebene nicht rechtwinklig zu den Seitenwänden der Bohrung verläuft, werden die an der Seitenwand gemessenen Punkte in einer Richtung projiziert, die nicht parallel zum Mittelpunkt der Bohrung ist. Daraus ergibt sich ein Positionsfehler in der Mitte der Bohrung. Dieses Problem tritt gewöhnlich dann auf, wenn sich die Bohrung auf einer (leicht) gekrümmten Fläche befindet.
Beim Laserscannen werden dagegen genügend Punkte an der Innenwand der Bohrung gemessen, sodass Position und Ausrichtung genau ermittelt werden können. Auf der Bezugsebene wird darüber hinaus eine deutlich größere Punktemenge aufgenommen, die weitaus bessere Bedingungen für die Passungsfähigkeit der Ebene herstellt. .

nikon metrology discover tactile vs laser non orthogonality between feature and relative planeKeine Rechtwinkligkeit zwischen Merkmal und Bezugsebene (manchmal die Folge einer Verformung des Werkstücks

3. Rundheitsfehler von Bohrungen

Der Rundheitsfehler einer Bohrung hat großen Einfluss auf den erfassten Mittelpunkt einer Bohrung. Der Unterschied zwischen der Position des gelben und blauen Kreises in den folgenden Abbildungen ist ziemlich groß. Er ergibt sich aus unterschiedlichen Antastpunkten an einer Bohrung mit dieser Rundheitsproblematik.

nikon metrology laser scanning discover laser vs tacile hole roundness errorsRundheitsfehler von Bohrungen

4. Glänzende, gefaste oder außerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegende Kanten führen je nach Antastpunkt des taktilen Messtasters zu Messunsicherheiten (Antastproblematik)

Bohrung mit einer gekrümmten Kante gemessen wird, gibt die Position des Messtasters auf dieser Kante die Position der Kante vor. Im Bild unten rechts stellt die schwarzgestrichelte Linie die erkannte Kante dar, die abhängig davon ist, in welcher Tiefe die Messpunkte vom taktilen Messtaster aufgenommen wurden. Besonders bei dünnem Material kann nur schwer sichergestellt werden, dass der Messtaster das Material am äußersten Punkt des Krümmungsprofils berührt. Für die Messung gefaster Merkmale wird eine sehr hohe Punktedichte benötigt, um feststellen zu können, in welcher Richtung die Radiuskompensation für den Messtaster zu berechnen ist.

nikon metrology laser scanning discover laser vs tacile probing problemKeine Gewissheit darüber, wo der taktile Messtaster das Prüfobjekt berührt (Antastproblematik)

5. Radiuskompensationsfehler (Berechnungsproblem, das sich aus der Messunsicherheit der Oberflächennormalen ergibt)

Berührt ein Messtaster das Material wie im folgenden Bild dargestellt, kann die Radiuskompensation unerwartete Messpunkte zur Folge haben, wenn die benachbarte Oberfläche zuerst angetastet wird. Zur Bestimmung der horizontalen Ebenen könnte beispielsweise anstatt des blauen Punkts der grüne Punkt einbezogen werden..

nikon metrology laser scanning discover laser vs tacile radius compensation errorRadiuskompensationsfehler

 


Messergebnisse an echten Blechteilen

nikon metrology laser scanning discover laser vs tacile cmm lc15dxEin Blechteil (A-Säule) wurde mit einem taktilen Messtaster gemessen, der drei Punkte auf der Umgebungsebene und fünf Punkte am Innenmantel aller Bohrungen aufgenommen hat. Dieselben Bohrlöcher wurden auch mit einem Nikon Metrology LC15Dx Scanner abgetastet. Die Messunsicherheit des LC15Dx Laserscanners für die Merkmalsprüfung unterscheidet sich nur geringfügig von der taktiler Messsysteme. Der Unterschied in der Messzeit ist dagegen beachtlich (35 %). Bei beiden Messverfahren liegen die Durchmesser- und Positionsabweichungen deutlich innerhalb der erforderlichen Toleranzen für Blechteilanwendungen. Die Ergebnisse dieser Messungen werden auf verschiedenen Konferenzen vorgestellt und sind auf Anfrage erhältlich.

 


Fazit

Analysen und Praxistests zeigen, dass Laserstreifenscanner bei der Merkmalsprüfung eine Genauigkeit erzielen, die der Genauigkeit taktiler Messsysteme in nichts nachsteht. Aufgrund der höheren Datendichte der optischen Systeme können jene lokalen Fehler am Werkstück ausgeräumt werden, die bei der taktilen Inspektion zur fehlerhaften Ergebnisse führen. Optische Laserstreifenscanner sind dank einer vergleichbaren Genauigkeit, aber weitaus höheren Produktivität eine interessante Möglichkeit, den Durchsatz von traditionellen Koordinatenmessgeräten zu steigern.

Quellen

Das hier vorgestellte Projekt wird von IDIFIX unterstützt