Seit der Erfindung der in drei Achsen messenden Koordinatenmessgeräte (KMG) mit berührenden Messtastern und den 2-Achsen-Video-KMGs hat jede Maschine seine eigene Nische gefunden. Berührend messende KMG´s waren die ideale Lösung um Formen, Werkzeuge und andere maschinell hergestellte Teile zu überwachen. Der schaltende Taster oder das Tastsystem übertrugen x-, y-, z-Punkte, die dazu verwendet wurden, Strecken und Radien zu berechnen. Üblicherweise werden diese Punkte einer nach dem anderen erfasst, so dass die Datenerfassung eines komplexen Teiles Stunden oder sogar Tage dauern kann.
Jack Kane, Acu-Gage Systems, Manchester, New Hampshire
Nachdem die Teile ziemlich schwer werden können, werden die meisten berührend arbeitenden KMGs aus haltbarem Material hergestellt, wie zum Beispiel Granit oder sonstige verschleißfeste Stoffe, die das Teilegewicht aushalten, ohne den Tisch der Messmaschine zu beschädigen.
Die typische Form einer KMM war eine Arm- oder Brückenbauweise, die das Messinterface über einen feststehenden Tisch transportiert. Messvorrichtungen wurden verwendet, um sicherzustellen, dass das Teil sich während der Messung nicht bewegt, oder um Serienmessungen durchzuführen. In der Fertigungsumgebung, wo dreidimensionale Messungen kritisch sind, war die KMM ein wertvolles Messwerkzeug.
Jedoch gibt es auch andere Herstellungsmethoden, die keine Messmöglichkeiten für komplex geformt Teile brauchten. Man musste nicht in der Z-Achse messen. Diese Hersteller produzieren flache Teile, wie zum Beispiel Stanzteile, Elektronikboards, Aufkleber und Dichtungen. Hier werden Materialien verwendet (Papier, Gummi, Plastik, usw.), die nicht soviel wiegen wie zum Beispiel Gußeisen oder sonstige bearbeitete Teile und sind empfindlicher als Stahl und wo man berührende Messtaster nicht verwenden kann. Um diese zweidimensionale Messungen zu ermöglichen, werden Videomesssysteme mit integrierter Videokamera anstelle des berührenden Messtasters eingesetzt. Üblicherweise werden, weil Sie keine Lasten wie Ihre berührend arbeitenden Kontrahenten aushalten müssen, Video-KMGs aus Aluminium oder Stahl hergestellt. Viele Video-Systeme sind freitragende Systeme, mit kleinen x-,y-Verfahrachsen, die das Teil zur Kameraposition bringen. Als die Videotechnik entstand, integrierten viele Video-KMG Hersteller eine erweiterte Frame-Grabber Technik, welche es erlaubte, den Punktesammelprozess zu automatisieren. Diese automatische Kantenerkennung erzeugt viele Punkte entlang einer Kante oder Form, welche es den Video-KMGs erlaubt, gute Wiederholbarkeiten zu erlangen, sowie deutlich mehr Datenpunkte für die Kalkulation verwendet werden können und deutlich schneller in der Antastung sind.
Video KMGs verwenden manchmal Lasertriangulation oder Autofokussysteme, um eine eingeschränkte 3-Achsen-Messmöglichkeit zu erreichen. Aber während das Videosystem effektiv in Messungen von Höhenunterschieden bei Ebenen (eine ebene Oberfläche zur anderen) war, sind Videomesssyteme für komplexe 3D-Formen nicht genau oder effizient genug im Vergleich zu den tastenden KMGs.
Jede Art von KMG, berührend oder mit Video, hat ihre eigenen Stärken wie auch Schwächen. Wie wäre es, diese zwei Maschinen in eine Plattform zu bringen? Könnte dieses eine „Allvarianten“ Maschine werden, die die 3D-Möglichkeiten mit den verbesserten Leistungen von Video-KMGs verbindet? Der erste Versuch ist, die zwei Typen von KMGs zu verbinden, indem den berührend messenden Systemen zusätzlich eine Videokamera verpasst wird.
Aber die Ergebniskombination erbrachte nicht die zentrale Forderung, die Datenpunktsammlung zu beschleunigen. Der berührend arbeitende Sensor misst immer noch Punkt für Punkt, oder scannt langsamer als das Videointerface von Duo-Sensor-Maschinen. Wie kann die 3D-Punktesammlung die Geschwindigkeit des Videointerfaces und gleichzeitig die Genauigkeit von tastenden Systemen erreichen?
Integration eines überlegenden Lasersensors.
Acu-Gage hat bereits ein Taster-System mit der Video-KMM vereinigt, wie viele andere KMG-Hersteller auch. Viele Hersteller experimentierten auch mit Lasertriangulations-systemen, entweder für Punkt für Punkt Erfassung, oder mit eingeschränkten Scanningmöglichkeiten.
Nach Prüfung der Funktionalität der Conoprobe von Optimet sah Acu-Gage Systems die Möglichkeit, die Performance Ihres eigenen Video-KMGs deutlich zu erhöhen. „Acu-Gage ist ein Systemintegrator und wir suchen nach den besten Komponenten, die sich finden lassen, um die Messprobleme unserer Kunden bestmöglichst lösen zu können“ sagt John Kane, Präsident der ACU-Gage Systems. „Bei Optimet, so glauben wir, haben wir den besten Laserscanner gefunden, der derzeit auf dem Markt verfügbar ist. Softwarehersteller, welche Datenwolken analysieren müssen, haben unsere Ansicht über Optimet bestätigt. Sie haben uns mitgeteilt, dass die Rohdaten des Optimet Laserscanners besser sind als die gefilterten Daten anderer Laser.“
Metronics hat erfolgreich das Conoprobeinterface in Ihre Quadra-Chek 5000 Software integriert, eine Windows NT basierte Software, welche von vielen OEMs durch die gesamte Messtechnik-Industrie verwendet wird. „Acu-Gage bat um die Hilfe von Metronics bei der Integration des Optimet Lasers,“ sagt Acu-Gage´s Kane. „Metronics ist ein kritischer Partner in diesem Bereich. Ohne die Hilfe von Metronics, wären wir nicht in der Lage gewesen, aus dem ConoVision System ein entwicklungsfähiges Produkt zu machen. Die Quadra Chek 5000 Software hat eine robuste Plattform, welche auf der einen Seite auf Punktewolke-Modus für das Reverseengeneering eingestellt werden kann, oder es kann über einen Punktefilter geschickt werden, welcher die aus dem Messbereich liegenden Punkte eliminiert, um nur die besten Punkte für die Kalkulation der 3D-Messungen zu verwenden.
Anwender können das Programm Quadra Chek 5000 dazu verwenden, um einfach Programme für Messabläufe zu erzeugen, die Daten in verschiedene Ausgabeformate zu transferieren um den Anforderungen des Kunden bestmöglich gerecht zu werden.
Im September 2002 auf der IMTS Messe, zeigte ACU Gage Systems das Modell Conovision, eine präzise 3D berührunslos messende KMG, welche einen hochgenauen und schnellen Laser, hergestellt von Optimet, mit Ihrer traditionellen Video Technologie, in die Quadra Chek 5000 Software von Metronics integrierte.
Das Conovision von Acu Gage kombiniert die 2D-Geschwindigkeit der Video-KMM mit der scanning Möglichkeit des conoskopisch holographischen Lasers. Um die Robustheit der Video/Laser Kombination sicherzustellen wurde das Conovision mit 0, 1 µm Heidenhain Maßstäben ausgerüstet, mit hoher Auflösung für eine überlegene Leistung. Die Anwender können umschalten zwischen Video und Laser Interface nur durch anklicken eines Icons in der Quadra Chek 5000 Software.
Diese Maschine hat keine Messtaster, welche man Physikalisch umschalten muss und es besteht auch keine Notwendigkeit einer Rekalibrierung nach dem Umschalten zwischen Video und Laserinterface. Das ConoVision ist eine zweifach sensorberührungslos messende Maschine mit vollständiger 3D-Messmöglichkeit in der Messsensorik. Das Conovision repräsentiert einen großen Fortschritt für berührungslos messende Video-KMGs in der Welt von höchster Präzision und höchstem Ausstoß bei dreidimensionalen Inspektionen.
Prinzip der conoskopischen Holographie
Die kritische Komponente in dieser Konfiguration ist Optimets Conoprobe Laser interface. Eine der großen Vorteile der Conoprobe ist die Möglichkeit, den Laserbeam durch die Videooptik hindurchzuleiten, um Abstände unter Benutzung der Videolinse zu messen. Die kolineare Geometrie entfernt viele Artefakte, welche von Triagulationssensoren bekannt sind. Conoscopische Holographie ist eine holographische Technik, basiert auf der Lichtausbreitung in einem einachsigen Kristall. Seit der Entdeckung 1985 im Kalifornischen Instiute of Technology war es das Ziel, daraus einen allgemein einsetzbaren dreidimensionellen optischen Lasersensors zu machen. Conoscopie ist eine einfache Implementation einer bestimmten Art polarisierenden Lichtes im Interferometerprozess und basiert auf optischen Kristallen. Im Interferometer wird ein Lichtpunkt auf diffuser Basis erzeugt. Dieser Punkt erzeugt einen Lichtpunkt, der Licht in alle Richtungen streut. Im conoscopischen System wird der Winkel des diffusen Lichtes analysiert. Der Messprozess korrespondiert mit der Wiederherstellung des Abstandes des Lichtpunktes von einer festen Referenzebene.
Um die Systemfunktionalität besser begreifen zu können, muss das Verhalten eines einzelnen Strahles erst verstanden werden. Ein einzelner Strahl, bei einem vorgegebenen Winkel, ausgestrahlt durch einen Lichtpunkt, trifft auf das erste Ende des Kristalles. Er wird in zwei Strahlen aufgespalten, die sich innerhalb des Kristalles entlang unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreiten, entlang desselben geometrischen Pfades.
Die Geschwindigkeit des einen ist isotropisch (diesen Strahl nennt man ordentlichen Strahl), während der andere eine anisotropische Geschwindigkeit hat (dieser Strahl wird außerordentlicher Strahl genannt). Diese zwei Strahlen treten aus dem Kristall mit einer Phasendifferenz bei orthogonalen Polarisationen aus. Damit beide Strahlen ein Interferometerbild ergeben, wird ein Analyser (Polariser) verwendet, der die Richtungen des elektrischen Feldes ausrichtet.
Für einen komplett festen Winkel hat jeder austretender Strahl einen unterschiedlichen Phasenunterschied zwischen dem ordentlichen und dem außerordentlichen Teil. Auf einer vorgegebenen Ebene wird durch die Sammlung der Strahlen das conoskopische Bild erzeugt. Die Parameter diese Bildes sind abhängig von der Winkelverteilung der Strahlen innerhalb des Kristalles.
Diese sind abhängig von der Position des Punktes im Raum. Aufzeichnen und Analyse des Bildes ermöglichen die Wiederherstellung der geometrischen Parameter des Punktes. Verschiedene Darstellungen lassen sich auswählen in Abhängigkeit des Polarizers und des Analysers, und der Richtung der optischen Achse.
Nutzen der conoskopischen Holographie
Diese neue Technologie hat einige Beeinträchtigungen der Holgraphie des inkoherenten Lichtes, aber viele Vorteile gegenüber der klassischen Holographie
- 1. Bedeutend größere Stabilität
- 2. Ein interferometischer Abstand, der mit Standard-CCD-Sensoren eingestellt werden kann und der das Verbinden zu Computersystemen erleichtert.
- 3. Licht braucht nur quasi monochromatisch (in der Praxis ist eine 10 nm spektrale Bandbreite ausreichend), aber nicht räumlich zusammenhängend zu sein.
- 4. Einfaches Einrichten
- 5. Erhöhte Stabilität: der geometrische Weg der beiden aufgespalteten Wellen ist fast identisch
- 6. Die Möglichkeit der Erhaltung des ergänzenden Interferogrammes ohne bewegliche Teile, so dass ein Teil des optischen Rauschens eliminiert werden kann.
Der prinzipielle Unterschied zwischen der Triangulation und optischen Systemen ist, dass die Triangulation nur einen Winkel eines einzelnen Strahles misst, während das conoskopischen System den Winkel eines jeden Strahles erfasst. Das typische conoskopische System misst 1400 Winkel und das globale Verhalten von allen Strahlen wird analysiert. Diese Prozedur ist viel stabiler und robuster, aber auch computerintensiver.
Unterschiede der Conoprobe zur Lasertriangulation
Die Conoprobe hat folgende Unterschiede zu konventionellen Triangulationssystemen:
- 1. Dynamischer Messbereich: Die Conoprobe beinhaltet hohe Präzision und Reproduzierbarkeit über einen großen Messbereich. In den meisten Fällen ist die Präzision und Reproduzierbarkeit besser als 1/8000stel des Messbereiches. Dies ist eine Verbesserung um Faktor 5 bis 10 von Standard-Systemen, ausgelöst durch höhere Auflösung.
- 2. Oberflächen quasi unabhängig: Die Conoprobe misst einen weiten Bereich unterschiedlicher Oberflächen, welche vorher nur unter großen Schwierigkeiten mit anderen berührungslosen Messsystemen gemessen werden konnten, wie z.B. bearbeitetes Metall, oder andere relativ glänzende Teile und lichtdurchlässige Materialien.
- 3. Messungen nahe der Senkrechten: Der Conoprobe Messkopf kann Winkel bis nahezu in die Senkrechte messen. Die Begrenzung liegt bei nur5° in allen Richtungen. Dieses sind nochmals die großen Unterschiede zur herkömmlichen Triangulation
- 4. Ein Messkopf, mehrere Anwendungen:Von Nanometer bis Meter, die Bewältigung der verschiedenen Aufgaben ist mit nur einem Messkopf durch Wechseln der Linsen durchführbar. Anstelle des Einkaufes von verschiedenen Messköpfen wird nur einer mit verschiedenen Linsen benötigt.
- 5. Bohrungen, Nuten und andere schwierig zu messende Geometrien: Das System Conoprobe erlaubt die Messung von Nuten und tiefen Bohrungen. Da die Conoprobe colinear arbeitet, ist es auch möglich, durch Umlenkoptiken einfach „blinde Ecken und Kanten“ zu messen.
Ergebnis
Die Innovation des Optimet Conoprobe Lasers ist die Realisation eines hochgenauen Messinterfaces, basierend auf der conoskopischen Holographie. Die Integration der conoskopischen Holographie mit der Video-Technologie öffnet neue Möglichkeiten für berührungslose Messköpfe, die bisher die Domäne von berührend messenden KMGs waren. „Optimets Aufgabe ist es, Firmen zu finden, wie Acu-Gage und deren Parntner Metronics, welche den enormen Nutzen des Optimet Lasers erkennen“, ist die Aussage von Michael Doherty, Manager of Applications Engineering bei Optimet Metrology, „beide Firmen haben Optimet geholfen, in neue Bereiche und Märkte vorzustoßen.“ Das Kombigerät Conovision kombiniert die besten Eigenschaften von Video- und Lasertechnologie und ist ein starkes Messinstrument für die Überwachung von verschiedensten Teilen wie Turbinenschaufeln, Zahnrädern und Werkzeugen genauso wie wulstige Dichtungen, Schalter-Membranen, Gummi und komplexe Spritzgussteile. Berührungslos arbeitende KMGs kombinieren nun hohe Genauigkeit in 3-Achsen mit hoher Messfrequenz und sind für viele Anwendungen die schnellere Messalternative als KMGs mit tastenden Messköpfen.
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