Schnell und flexibel messen mit dem Laser

Licht zeigt Profil

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In vielen industriellen Fertigungsprozessen hat seit einigen Jahren die dimensionelle Lasermesstechnik breiten Einzug gehalten. Im Gegensatz zu taktilen Methoden oder manuellen Messwerkzeugen und Lehren zeichnen sich optische Lösungen durch hohe Geschwindigkeit, hohe Datendichte und hohe Flexibilität aus. Mögliche Anwendungen reichen von stationären Messanlagen zur hochgenauen Vermessung komplexer 3D-Objekte über in Fertigungslinien integrierte Systeme bis zu portablen handgeführten Systemen für die schnelle Kontrolle vor Ort.

DI Dr. Albert Niel, Institutsleiter bei JOANNEUM RESEARCH Forschungsges.m.b.H., Graz DI Edwin Deutschl, Projektleiter

Seit vielen Jahren beschäftigt sich das Institut für digitale Bildverarbeitung der JOANNEUM RESEARCH mit technologischen Weiterentwicklungen des Laserlichtschnittverfahrens für unterschiedlichste Anwendungen und Szenarien. Ein besonderer Schwerpunkt der Arbeiten liegt dabei auf die Realisierung solcher Lösungen in industrieller Umgebung, vom Labor über Werkstätten bis hin zu rauen Walzwerksumgebungen. Basierend auf einem Baukastensystem von Soft- und Hardwarekomponenten können so in kurzer Zeit kundenspezifische Speziallösungen für unterschiedlichste Aufgabenstellungen realisiert werden.
Die zugrunde liegende Technologie ist einfach erklärt: Ein Linienlaser projiziert eine Laserlinie auf das Messobjekt, welche wiederum von einer Kamera aufgezeichnet wird. Aus Form und Lage der Laserlinie im aufgenommenen Bild können geometrische Größen des Prüfobjektes errechnet werden. In den meisten Fällen ist es jedoch nicht möglich, mit einem einzigen Messsystem aus einer Aufnahmeposition alle benötigten Informationen zu gewinnen. So sind für eine einfache Dickenmessung im Normalfall zumindest 2 Messsysteme notwendig, deren relative Lage zueinander beispielsweise durch Montage auf einem starren Messrahmen exakt konstant gehalten werden muss. Für komplexere Aufgaben wie z.B. die Profilvermessung von Langprodukten wie Baustahlträger oder Schienen direkt im Produktionsprozess sind auch Anordnungen aus 4 oder mehr Kameras möglich (Abb. 1). Der mechanische Aufwand, um den Messrahmen auch bei Schwankungen der Umgebungstemperatur geometrisch stabil zu halten, kann hier erheblich sein, insbesondere wenn das Messsystem relativ zum Messobjekt noch bewegt werden muss wie etwa bei noch komplexeren 3D-Objekten wie beispielsweise Formschmiedeteilen. Abhilfe können hier andere Lösungen schaffen.
Komplexe 3D-Objekte
Abb. 2 zeigt eine Messanlage zur Vermessung von gesenkgeschmiedeten Turbinenschaufeln. Das Blatt wird in der Mitte des Systems senkrecht in einen Fußadapter gestellt und von oben gespannt. Zwei Messschlitten mit je zwei Kameras und zwei Lasern scannen den Prüfling von unten nach oben. Die Lage der Kameras auf einem Messschlitten ist relativ einfach konstant zu halten. Die geometrische Zuordnung der Messergebnisse der zwei Messschlitten zueinander wird über Passbolzen erreicht die links und rechts der Turbinenschaufel angebracht sind und von jedem Teilsystem eingesehen werden können. Anhand der bekannten Zylinderform dieser Bolzen können die Teilmessungen der beiden Messschlitten exakt zusammengesetzt werden. Die Auswertesoftware findet in den Rohdaten automatisch die Referenzpunkte am Fuß der Turbinenschaufel, nach denen das Bezugskoordinatensystem der Messung ausgerichtet wird. Ist dieses festgelegt, so kann das Messergebnis automatisch mit einem CAD-Modell der Schaufel verglichen und Abweichungen davon visualisiert werden (Abb. 3). Ebenso können charakteristische Messwerte wie Blattdicken, Achsenverkrümmungen und dergleichen berechnet werden.
Ebenheit von Langprodukten
Eine andere Variante, Einzelmessungen in einem gemeinsamen Koordinatensystem zusammenzufügen ohne hohen mechanischen Aufwand zu betreiben zeigt Abb. 4. In diesem Beispiel ist die Geradheitsmessung von Langprodukten – beispielsweise Schienen – mit einer Genauigkeit von 0.03 mm gefordert. Ein auf einem Messschlitten montierter Messkopf wird mit ca. 3 m/sec entlang der Schiene verfahren und scannt in kurzen Abständen die Schiene über den geforderten Messbereich von 3m. Eine Lineareinheit mit der Präzision einer Werkzeugmaschine über diese Länge würde nur mit erheblichem Aufwand zu realisieren sein. Daher wurde eine Lösung gewählt, bei welcher der Schlitten mit Hilfe von zwei Referenzlasern getrackt wird. Diese Laser sind parallel zur Lineareinheit ausgerichtet und zwei auf dem Schlitten montierte Kameras dienen als Sensoren für die Laserposition relativ zum Schlitten. Mit diesen Messwerten können Ungenauigkeiten in der Linearführung bestimmt und rechnerisch kompensiert werden.
Integration in den Produktionsprozess
Diese Methode erlaubt es, die Messeinheit so schlank und kompakt zu bauen, dass sie beispielsweise nachträglich in eine Richtpresse integriert werden kann. In diesem Fall wird das Ergebnis, ein hochgenaues Längsprofile des vermessenen Stabes, dem Bediener der Richtpresse am Monitor angezeigt (Abb. 5) und liefert ihm die nötige Information, um den Richtvorgang schnell und effizient durchzuführen. Auch ein voll automatisierter Richtvorgang ist möglich. In diesem Fall wird die Presse mit genauen Weg- und Kraftaufnehmern bestückt, mit denen die Materialkenngrößen des Werkstücks online bestimmt werden. Aus Geradheitsinformation und Materialwerten berechnet die Steuerungssoftware automatisch Presspositionen und Kräfte und prüft nach dem Pressvorgang noch einmal das Endergebnis. Entspricht dieses nicht den Spezifikationen, so wird der Vorgang wiederholt.
Ebenheit im Durchlauf
Aber auch für nahezu endlose Produkte können Lösungen angeboten werden, um die Ebenheit im Durchlauf zu bestimmen. In diesem Fall werden typischerweise 5 statische Messköpfe auf einem Balken entlang der Linie montiert. Die exakte Ausrichtung der Systeme zueinander ist nicht notwendig und muss auch nicht mit anderen Hilfsmitteln bestimmt werden. Sie kann rechnerisch aus der mathematischen Überbestimmung des Messsystems errechnet werden.
Schnell und handlich – die optische Schablone
Eine sehr elegante Möglichkeit, Einzelmessungen zusammenzufügen, wird im System CALIPRI realisiert. Hier handelt es sich um einen leichten handgeführten Messkopf, mit welchem das Messobjekt freihändig gescannt wird. Die intelligente Auswertesoftware nutzt die Überlappungsbereiche dieser Einzelmessungen und setzt diese ähnlich einem Puzzle zum Gesamtergebnis zusammen (Abb. 7). Zur Auswertung und Darstellung der Ergebnisse reicht ein Laptop. Abb. 6 zeigt eine typischen Anwendung, die Verschleißmessung von Eisenbahnrädern. Während dies bisher meist mit aufwändigen mechanischen Messlehren und –systemen durchgeführt wird, erlaubt das System CALIPRI die berührungslose Erfassung der wichtigsten Schlüsselmasse wie Spurkranzhöhe und -breite und dergleichen in wenigen Sekunden.
Frei definierbare Messaufgaben
Bei vielen dieser Anwendungsfälle und auch innerhalb einer Anwendung sind die unterschiedlichsten geometrischen Maße (z.B. Höhe, Breite eines Stahlträgers, Konkavität eines Schienenfußes, diverse Winkel, Flächeninhalt von Profilen) zu messen. Die Messungen sind nach entsprechenden Vorschriften (z.B. definiert in DIN oder EN Normen als Messschablonen) durchzuführen. Um auf diese Vielfalt von Messvorschriften bei beliebigen Geometrien flexibel und schnell reagieren zu können steht eine eigene Software – der Messvorschrifteneditor (Abb. 8) – zur einfachen Definition von Messvorschriften zur Verfügung. Neu zu vermessende Geometrien können als CAD File importiert werden. Die Messvorschriften werden grafisch visualisiert und können auch mittels echten Messdaten von den Anlagen im Detail analysiert werden.
Joanneum Research, Graz
QE 512
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