Über eine ganze Reihe patentierte Funktionen verfügen diese Smartscope Video-Messmikroskope. Sie sind überwiegend darauf ausgerichtet, ein breites Spektrum von Messaufgaben mit industriegerechter Sicherheit zu lösen: hochgradig automatisiert, produktiv, selbstkalibrierend, selbstoptimierend und selbstlernend. Circa 7 000 verkaufte Anlagen weltweit sind eine beachtliche Fangemeinde für diese Produktphilosophie und Grund genug, hinter die Kulissen zu sehen.
Für die intelligente Video-Messtechnik sind immer komplexere Messobjekte, immer engere Toleranzen und häufige, fertigungsbegleitende Messungen mit kürzesten Taktzeiten ein ideales Einsatzgebiet. Durch ihre programmgesteuerte, berührungslose Arbeitsweise, durch elektronische statt mechanische Vorgänge kann sie besonders viel vom schnellen IT-Fortschritt profitieren.
Optimierte Bildanalysemethoden und die immer weiter verfeinerte Nutzung des Messmittels Licht können mit selbstlernenden und selbstoptimierenden Messprogrammen zu sehr produktiven und fehlertoleranten Anlagen werden.
Der Hersteller hat darüber hinaus den industriellen Alltag im Visier und konzentriert sich mit seinen Weiterentwicklungen eindeutig auf Produktivität und Verfahrenssicherheit. Unter diesem Gesichtspunkt sollen hier Methoden beschrieben werden. Einige davon haben sich mittlerweile zu etablierten Standards entwickelt.
Grauwert-Bildanalyse erkennt problematische Kanten
Die wesentlichste technologische Eigenschaft der Messmikroskope ist in der hochentwickelten Bildanalyse zu sehen. Der Hersteller vertraut nicht auf die einfachere Schwellwerterkennung, sondern setzt zur Kantenantastung eine differenzierte Grauwertanalyse der Videobilder ein. Dabei baut das Verfahren nicht einfach auf einen festen Tonwertumfang von zum Beispiel 256 Schritten, um irgendwo darin das Messobjekt und die zu bewertenden Kanten zu finden.
Die Smartscopes setzen das dynamische Histogramm des eingelesenen Bildes auf die möglichen Tonwertschritte um und können Kontraste damit deutlich herausarbeiten. Jede einzelne Messung wird so „on the fly“ optimiert. Das eingelesene Video-Urbild muss dagegen unverändert bleiben. Mit der geeigneten Beleuchtung führt allein dieser Kniff schon dazu, dass in der anschließenden mathematischen Aufbereitung des Bildes Kanten mit sehr geringem Tonwertunterschied zum Umfeld sicher erkannt werden.
Besonders bewährt sich die Grauwertanalyse bei schwierigen Oberflächen mit starken Lichtstreuungen oder Reflexen, bei der sicheren Erkennung von Nuten oder Taschen.
Das richtige Licht für jede Messaufgabe
Für viele Messaufgaben ist der richtige Einsatz des Lichts entscheidend. Äusserste Variabilität ist ein klarer Vorteil für die sichere und schnelle Messung. Besonders komplexe Formteile aus Kunststoff wie zum Beispiel Spritzguss sind problematisch. Im Gegensatz zu spanend bearbeiteten Teilen sind hier senkrecht „gemeinte“ Kanten um einige Grad abgeschrägt, damit die gefertigten Teile problemlos aus der Form genommen werden können. Störende Reflexionen können aus jedem Winkel kommen und variieren von Werkstück zu Werkstück. Bei solchen Messproblemen muss häufig auf eine höhere Vergrösserung geschaltet werden. Dies behindert den Arbeitsfluss, erfordert Kalibrierung, engt die Tiefenschärfe ein oder verschiebt schlimmstenfalls die betreffende Kante aus dem kleineren Sichtfeld. Kompensation über das Licht ist hier die bessere Wahl. Winkelsteuerbare Ringlichtquellen schalten Reflexe aus, vermeiden Tischbewegungen und beschleunigen den Messprozess.
Sektorales Ringlicht schöpft alle Einstellmöglichkeiten aus
Die Grundidee des Ringlichts ist die variable Beleuchtung des Messobjekts mit allseits gleichmässigem Licht aus unterschiedlichen Winkeln zur Z-Achse. Dabei können mehrere, konzentrische Ringlichter einzeln geschaltet werden, bis die bestdifferenzierende Einstellung gefunden ist.
LED-Ringanordnungen sind geeignete Vorrichtungen dafür. Sie vermeiden Überstrahlungen, emittieren wenig störende Wärme und erlauben schnelle Lichtwinkeländerungen ohne Verfahren der Lichtquelle oder der Optik.
Der Hersteller verwendet auch hier ein eigenes Patent, das die Variationsmöglichkeiten noch wesentlich erweitert.
Das SmartRing genannte Produkt arbeitet mit acht konzentrischen LED-Ringen. In der Horizontalausführung zusätzlich noch mit acht senkrecht übereinander angeordneten Ringen. Mit dem untersten Ring kann nahezu waagerechtes Licht an das Messobjekt geführt werden.
Der Kern des Patents liegt aber in der sektoralen Einteilung, was das Ringlicht auch in der x/y-Achse einstellbar macht.
Damit kann jede Kante korrekt beleuchtet werden. Gleichzeitig wird mit den begleitenden Nachteilen der herkömmlichen Arbeitsweise aufgeräumt. Besonders bei schwierigen Messprozessen entfallen Arbeitsschritte und Unsicherheiten.
Selbstkalibrierende Optik schaltet Bewegungsrisiken aus
Zoomlinsen erweitern die Einsatzmöglichkeiten eines optischen Geräts erheblich. Sie stellen als bewegte Teile einer Messeinrichtung aber immer eine mögliche Fehlerquelle dar.
Die Sicherheit einer ständig kalibrierten Messanlage ist ein gutes Ruhekissen und auch leicht zu realisieren.
Das OGP-Patent Accucentric stellt eine automatisch gesteuerte Zommlinse dar, die nach jeder Bewegung erneut kalibriert wird. Um keinen Zeitverlust im Messvorgang zu erzeugen, wird elektronisch kalibriert: Über ein stehendes Prisma wird ein Schablonennormal auf eine in der Optik eingebaute CCD-Fläche projiziert. Das Abbild erzeugt einen genauen Korrekturfakto, der in die Bildberechnungen einfliesst. Diese elektronische Methode ist wesentlich schneller und genauer, als es ein mechanisches Nachfahren der Zoomoptik sein könnte.
Schnell lernen statt lange programmieren
In vielen hochproduktiven Computeranwendungen und in der Robotik haben sich in den letzten Jahren Teach In-Funktionalitäten etabliert. Mit diesen Fähigkeiten lernt das Maschinenprogramm, indem es den durch den Menschen vorgemachten Ablauf mitprotokolliert. Die so entstandenen Arbeitsprogramme sind klein, die Anzahl der reproduzierbaren Vorgänge ist daher nahezu unbegrenzt.
An die Teach-In-Funktion der Video-Messmikroskope ist eine automatische Optimierungsroutine angeschlossen. Damit stellt die Messanlage sicher, dass möglichst wenige und möglichst kurze Tischbewegungen ausgeführt werden müssen. Denn prinzipiell birgt jede Bewegung des Tisches die Möglichkeit, dass auch das Messobjekt aus seiner ordnungsgemässen Position bewegt wird.
Eine Wegeoptimierung mindert dieses Risiko und spart Messzeit.
Ausblick und Stand
Produktive optische Meßsysteme sind heute auf die Betriebsabläufe konfigurierbar und stehen in Verbindung mit CAD/CAM/CAQ. Ihre Meßsoftware ist in der Lage, automatisch Fehlbedienungen zu verhindern, Messabläufe flexibel zu organisieren und beispielsweise Tastsysteme zu integrieren und vollautomatisch zu steuern.
Zuverlässigkeit und Genauigkeit sind in steter Weiterentwicklung und neue konstruktive Verfahren erlauben inzwischen, Bruchteile von µ in Angriff zu nehmen.
Weitere Informationen A QE 406
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