Universelle optische Dehnungsmesstechnik für Serienprüfungen ...

Versuchsanordnung - Messsysteme
Trigg.
Dehnungs-Messsystem
GOM-ARAMIS
Steuergerät
D
A
AD 0 | AD 1
AD 2 | AD 3
Ergebnisaufbereitung Einzelprobe - GOM ARAMIS Standardfunktionalitäten | Erweiterungen für Serienprüfbetrieb (Python-Scripte)
Standardfunktionalitäten / manuell
Bildaufnahme
Projektparameter definieren
Auswertebereich
(Berechnungsmaske) definieren
Stufen zur Berechnung auswählen
Startpunktsuche /
Berechnung-Facettenfeld aktivieren
Definition diskreter Punkte oder
Schnitte für Auswertung von
Default-Ergebnisgrößen
Export von Messreports
(Diagramme etc.)
Export der Ergebnisdaten
Rückverformungsmessung
Dehnungsmessung
mit freundlicher Unterstützung
im Bereich Messtechnik
Labor für Angewandte Kunststofftechnik
Prof. Dr.-Ing. Thomas Seul
Labor für Tribologie
Prof. Dr.-Ing. Bernd Oertel
Universelle optische Dehnungsmesstechnik
für Serienprüfungen der Materialkennwertermittlung
Andreas Dietzel, Bernd Bellair, Martin Zimmermann und Hendrike Raßbach
Zug-Druck-Prüfmaschine
H2O D
A
F
Messfeld
Probe
Klima-
Aggregat
S
automatisiert für Serienprüfbetrieb
Steuerung
D
A
max
berechnet
m 1
Datenaufbereitung | Berechnung von USER-Ergebnisgrößen / automatisiert
f 1
Signalverlauf
bilineare Approximation
signifikante Bereiche
Abfrage von Projektparametern /
Überprüfung Probenausrichtung,
Messebene, Dehnungsfeld
Kontakt
Filterung Stufendaten
gespeichert
Auswertung Stufendaten
m 2
f2
gelöscht
t 1
Signalverlauf max
fallende
Flanke
max
Übersicht relevanter Prozesskenngrößen
Dipl.-Ing.(FH) Andreas Dietzel
Tel.: 03683 688-2211
Fax: 03683 688-982211
email: a.dietzel@fh-sm.de
web: www.fem-baukasten.eu
Messbedingungen | Kalibrierung
Das Messsystem kann durch eine Sensorkalibrierung
unterschiedlichsten Umgebungsbedingungen sowie
Messfeldgrößen (Auflösung) angepasst werden. Mit
Hilfe dieser Kalibrierung wird ein Rechenmodell für die
Bildkorrelation abgeglichen, sodass Abbildungsfehler
etc. bei der Berechnung der Probenoberfläche
berücksichtigt werden. Berührungslose Messungen
durch/in verschiedene(n) optische(n) Medien sind somit
möglich (z.B. Glas, Wasser, ...).
t 1
Messreport - Messung i.O.
t2
t1t2 t3
t 2
t
steigende
Flanke
t
Stufe = ARAMIS Datensatz mit Dehnungsdaten
und Daten externer Sensorik
Auf Grund hoher Datendichte werden nur
ca. 20 Stufen für eine LIVE-Auswertung und
Identifikation signifikanter Bereiche und
Tendenzen genutzt, zusätzlich gespeicherte
Stufen stehen für nachgelagerte, detaillierte
Bewertungen dieser Bereiche zur Verfügung.
fi - Zeitintervalle mit fester Aufzeichnungsfrequenz
(1-niedrig / 2-hoch)
t1 - Zeit letzte aufgezeichnete Stufe vor Bruch /
maximal aufgezeichnete Dehnung ( )
t2 - Zeit erste aufgezeichnete Stufe nach Bruch
t3 - Zeit erste aufgezeichnete Stufe mit
übergebenem Maximalkraftsignal (F max)
t1
- Zeitintervall vor Bruch, alle aufgezeichneten
Informationen werden gespeichert
(Beurteilung Rissfortschritt)
t2
- Zeitintervall für Auswertung und Übergabe
von Maximalkraft F (Zwick→Aramis)
- Zugspannung
max-
maximale Zugspannung
mi - Koeffizient der linearen Regression
(Bereich 1 / Bereich 2)
Messreport - Messung n.i.O.
Fachhochschule Schmalkalden
Fakultät Maschinenbau
Blechhammer
98574 Schmalkalden
y
Prinzip Deformationsberechnung
unverformter Zustand
Kamerabild der Probenoberfläche
(Auswertebereich maskiert)
max
y’
p u
x’
logisches Gitter von Messpunkten (3x3)
x
Einheitsquadrat und verformtes Viereck
x-y: globales Koordinatensystem pu
Koordinaten unverformter Punkt
x’-y’: lokales KS unverformt p Koordinaten verformter Punkt
v
x’’-y’’: lokales KS verformt
u Starrkörpertranslation
= Dehnungsrichtungen
Verschiebungsfeld/Verzerrungszustand 2D
max
u
Bildausschnitt facettiert (Facetten
15x15 Px, Überlappung 2 Px)
Benutzerführung
Überwachung Stufenfilterung
Steuerung Auswertung
Datenexport nach Überprüfung
Beurteilung durch Prüfingenieur
Durch spezifische Softwareerweiterungen für
Serienprüfungen werden dem Prüfingenieur fehlerinduzierende
Routineaufgaben abgenommen. Datenaufbereitung
und übersichtliche Darstellung erlauben
die Vorabauswertung im Prüfbetrieb. Mit Hilfe dieser
Daten und entsprechendem Prozesswissen kann die
Stabilität des Prüfprozesses überwacht werden, was
umfangreiche, zuverlässige Kennfeldprüfungen mit
photogrammetrischer Messtechnik erst ermöglicht.
p v
y’’
x’’
verformter Zustand
Labor
Forschung
StrukturmechanikLFS

Universelle optische Dehnungsmesstechnik
für Serienprüfungen der
Materialkennwertermittlung
Datenaufbereitung und Prozessüberwachung
A. Dietzel, B. Bellair, M. Zimmermann, Prof. Dr.-Ing. H. Raßbach
1 Prüfaufgabe
FH Schmalkalden, 98574 Schmalkalden, a.dietzel@fh-sm.de
Holz als nachwachsender Rohstoff besticht durch seine besonderen
haptischen und optisch ansprechenden Eigenschaften. Insbesondere im
Innenraumbereich trägt er zudem durch feuchtigkeitsregulierende Eigenschaften
zu angenehmem und gesundem Wohnklima bei. Holz zeigt aber auch gute
Festigkeitseigenschaften, welche durch intelligente Verarbeitung, z.B. in
Form von Sperr- und Lagenhölzern, zu effizientem Leichtbau genutzt werden.
Die Erweiterung des Einsatzgebietes dieser, aus einzelnen Furnierlagen
bestehenden, Werkstoffe durch neue formgebende Fertigungstechnologien ist
Gegenstand intensiver Forschungsaktivitäten (Furnier = dünnes Blatt aus Holz,
0,05-7 mm dick). Die Vorausberechnung des Formgebungsprozesses, bedingt
in erster Linie praxistaugliche Materialbeschreibungen. Die versuchstechnische
Ermittlung hierfür notwendiger, strukturmechanischer Kennwerte (z.B. Last-
Verformungs-Kennlinien) ist essentiell. Für Furnier relevante Einflussgrößen
stellen hier neben Holzart, Faserausrichtung und Furnierdicke auch Holzfeuchte,
Temperatur, Jahrringbreiten, Herstellungsverfahren, Position im Stamm u.a.
dar. Das daraus resultierende teilweise sehr fragile Verhalten einer einzelnen
Furnierschicht bedingt eine berührungslose Dehnungsmesstechnik. Auf
Grund dieser Vielfalt signifikanter Einflussparameter und der zu erwartenden
natürlichen Streubreite der Materialkennwerte bei Holz sind für einen ersten
aussagefähigen Parametersatz zur Materialmodellbildung uniaxiale Zugversuche
mit einem Probenumfang von 1500 Stck. vorgesehen (30 Proben/Parameterset).
Diese Anzahl an Einzelversuchen bedingt eine Versuchsführung mit sehr kleinen
Ausfallraten um gezielt abgegrenzte Parameterabhängigkeiten sicher erfassen zu
können (fehlgeschlagene Parameterserien können nicht ohne Datenverlust mit
neuen Proben wiederholt werden). Somit ist eine teilautomatisierte Auswertung
insbesondere auch zur Überwachung des Prüfprozesses unumgänglich und
muss im laufenden Prüfprozess ohne signifikanten Zeitverlust möglich
sein. Bedienerfehler, Fehl- oder Nichteingaben bei der Erfassung aller
relevanten Probendaten müssen softwaregestützt minimiert werden (z.B.
Bezeichnungskonventionen gemäß Prüfserie, fehlender Probenquerschnitt etc.).
Fachhochschule Schmalkalden 1

2 Prinzip photogrammetrische Dehnungsmessung
Ein zu untersuchendes Objekt wird unter Last von zwei CCD-Kameras verfolgt.
Auf der Oberfläche der Probe ist ein zufälliges oder regelmäßiges Grauwertmuster
mit gutem Kontrast aufgetragen, welches sich zusammen mit dem Objekt verformt.
Die Verformung dieser Struktur bei verschiedenen Lastzuständen wird durch
die Kameras aufgezeichnet und mit Hilfe digitaler Bildverarbeitungsverfahren
ausgewertet. Eine erste Auswertung der aufgenommenen Bilder definiert eine
Reihe von eindeutigen Korrelations-bereichen, sog. Facetten - typischerweise
5-20 Pixel groß. Diese werden über alle aufgezeichneten Bilder mit Sub-Pixel-
Genauigkeit verfolgt. Mit Hilfe photogrammetrischer Methoden kann aus
den aufgezeichneten Stereo-Bildpaaren aus jeder Facette ein Stützpunkt der
Probenoberfläche berechnet werden. Die Ergebnisse sind die 3D-Kontur des
untersuchten Objektes, die Verschiebung sowie der ebene Verzerrungstensor.
3 Datenerfassung/-aufbereitung
Die Versuchsführung und Spannungsaufzeichnung erfolgt mit einer Universal-
Zug-Druck-Prüfmaschine der Fa. Zwick/Roell (Software TestXpert II) mit
verschiedenen Einrichtungen zur Klimatisierung des Prüfraumes sowie zur Prüfung
der Proben bei verschiedenen Temperaturen oberhalb des Fasersättigungspunktes
des Holzes. Ein externer, digitaler Klimasensor ist zur Erfassung und Regelung
des Prüfraumklimas notwendig. Zur Dehnungsmessung kommt das System
ARAMIS der Fa. GOM mbH, Braunschweig (Software ARAMIS v6.1.1)
zum Einsatz. Die ARAMIS-Software bietet auf Grund der Vielseitigkeit des
Messsystems (Messfeld, je nach geforderter Auflösung mm² bis > m²) einen
auf ein breites Spektrum an Prüfaufgaben abgestimmten Funktionsumfang,
sowie die Möglichkeit diesen zu erweitern. Dies ist sehr anwenderfreundlich
auf Basis von Python (objektorientierte Skriptsprache) realisierbar. TestXpert II
bietet ebenfalls eine Möglichkeit für benutzerdefinierte Anpassungen, die
softwareeigene Skriptsprache ZIMT. Die genannten Anpassungsmöglichkeiten
sind von entscheidender Bedeutung für die vorliegende Messaufgabe, da diese
eine Kopplung der o.g. Messsysteme bedingt. Die synchrone Zusammenführung
der Messdaten wurde in ARAMIS vorgesehen, um die Software für nachgelagerte
Auswertungen (z.B. lokale Verzerrungsphänomene) in vollem Umfang nutzen
zu können. Der Datenaustausch wird über Analogsignale sowie entsprechende
Trigger realisiert. Die folgenden Ausführungen sind in Abbildung 1 visualisiert.
Prinzipbedingt ergeben sich pro Messpunkt = Stufe etwa 4MB an Daten, im
Wesentlichen ein Stereobildpaar (2 x 2Megapixel) und 4 synchron zugeordnete
digitalisierte Analogsignalwerte (Kraft, Maximalkraft, Temperatur, Feuchte).
Durch Parameterkonfigurationen, welche z.T. 240s pro Einzelversuch erfordern,
kann die maximale Aufzeichnungsrate des Systems von 6 Hz (schnelle Messung
RAM) nicht über die gesamte Versuchsdauer genutzt werden. Die Aufzeichnung
11. Nachwuchswissenschaftlerkonferenz 14. April 2010 2

erfolgt deshalb mit niedrigerer Frequenz (Aufzeichnungsfrequenz 1), nur im
Zeitbereich des zu erwartenden Material-versagens wird mit hoher Frequenz
gemessen (Aufzeichnungsfrequenz 2).
Abbildung 1
Aus der auf 6 Hz limitierten Aufzeichnungsfrequenz resultiert weiterhin die
Notwendigkeit das erreichte Kraftmaximum (vor Bruch) von TestXpert auswerten
zu lassen (Aufzeichnungsrate variabel Hz…KHz-Bereich). Die Übergabe an
ARAMIS als Analogsignal erfolgt damit allerdings um Dt 2 verzögert, in Bezug
auf die letzte vor Bruch aufgezeichnete Stufe. Diese Versuchsdaten werden nun
automatisiert ausgewertet und umgerechnet. Anhand der Spannungssignalverläufe
werden dann letzte Stufe vor Bruch (fallende Flanke) sowie Spannungsmaximum
Fachhochschule Schmalkalden 3

(steigende Flanke) identifiziert. Weiterhin werden die Stufen gefiltert, sodass nur
im Zeitintervall Dt 1 vor Bruch alle Stufen erhalten bleiben. Die verbleibenden
Stufen werden nun ebenfalls noch so reduziert, dass zur Grobauswertung
im Versuchsbetrieb in etwa die Rüstzeit der Maschine ausgenutzt wird, eine
Stufenanzahl von etwa 20 hat sich hier bewährt. Für diese Stufen werden in
ARAMIS die Dehnungsdaten berechnet und pro Stufe als gemittelte Werte,
über das berechnete Messfeld, in Belastungsrichtung und orthogonal hierzu
(Querdehnung) bereitgestellt. Diese Aufbereitung erfolgt durch entsprechend
parametrisierte Python-Scripte, wo notwendig GUI-geführt, nicht automatisch
erfass-/ableitbare Versuchsdaten werden abgefragt, somit fehlende Eingaben
vermieden. Zusammen mit den aufgezeichneten Spannungswerten, daraus
abgeleiteten Kenngrößen (E, n, s max ) sowie Prüf- und Probenparametern werden
diese dann in Form eines Reports (Abbildung 2) übersichtlich zusammengefasst
sowie in Form einer ASCII-Datei, für eine automatisierte Weiterverarbeitung
in externer Analysesoftware, ausgegeben. Anhand dieses Reports (ARAMIS -
Standardfunktionalität) kann jetzt
durch den Prüfer die Prozessstabilität
beurteilt werden. Weiterhin
lassen sich signifikante Bereiche
identifizieren. Diese können später,
unter Zuhilfenahme während der
Live-Auswertung deaktivierter,
zusätzlicher Stufen, näher untersucht
werden (vgl. Abbildung 1).
Abbildung 2
Literatur
[1] Bellair, B. ; Dietzel, A. ; rassBach, H.: 3D-verformtes Lagenholz -
durch Simulationsrechnungen neue Einsatzmöglichkeiten erschließen. In:
Tagungsband Fachhochschule Schmalkalden, fhS-prints, 2008 (Tag der
Forschung), S. 137–148
[2] gom: Technische Dokumentationen, Handbücher sowie verschiedene Artikel
veröffentlicht durch GOM mbH, Braunschweig, Germany. Weitere Infos www.
gom.com. 2010
[3] Python software founDation: Technische Dokumentationen, Handbücher
sowie verschiedene Artikel veröffentlicht durch Python Software Foundation.
Weitere Infos http://python.org. 2010
[4] tyson, J. ; schmiDt, T. ; galanulis, K.: Advanced Photogrammetry For
Robust Deformation And Strain Measurement. In: Proceedings of Society for
Experimental Mechanics (SEM) Annual Conference. Milwaukee, WI, jun 2002
11. Nachwuchswissenschaftlerkonferenz 14. April 2010 4