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HERAUSFORDERUNGEN FÜR DIE MESSTECHNIK Im industriellen Alltag sind die Pannen glücklicherweise weniger spektakulär und werden in der Regel nicht publik gemacht. Dennoch sei die Aussage erlaubt: Die Messtechnik ist im industriellen Produktionsprozess zwar nicht direkt wertschöpfend, fehlende oder falsch angewandte Messtechnik kann jedoch in hohem Maße wertvernichtend sein. Die Messtechnik wird durch die Fortschritte in der Fertigungstechnik vor immer neue Herausforderungen gestellt. So sind die typischen Toleranzen in der spanenden Bearbeitung seit 1900 um mehr als eine Größenordnung kleiner geworden. Heutige Massenprodukte wie Videorecorder oder Computerfestplattenlaufwerke enthalten Bauteile als preiswerte Großserienteile, die vor 50 Jahren nur im wissenschaftlichen Gerätebau in Einzelstücken und vor 100 Jahren überhaupt nicht hätten gefertigt werden können. Aber auch andere Charakteristika der modernen Produktion wirken sich auf die industrielle Messtechnik aus: ■ Die Produkte werden immer individueller auf Kundenwünsche zugeschnitten. Aus einer steigenden Variantenvielfalt bei immer kleineren Losgrößen folgt eine wachsende Anforderung an die Flexibilität der Messmittel. ■ Mit der Erhöhung der Produktionstakte muss die Geschwindigkeit von Messsystemen steigen. ■ Dem wachsenden Kostendruck im Fertigungsprozess muss die Messtechnik durch kostengünstige Messsysteme gerecht werden. ■ Die Fertigungstiefe vieler Unternehmen wurde in den 90er-Jahren wesentlich reduziert. Lieferantennetzwerke über Landesgrenzen hinweg sind keine Seltenheit. Daraus resultiert die Forderung, dass die Rückführbarkeit der in verschiedenen Unternehmen – auch in verschiedenen Ländern – verwendeten Messmittel auf gemeinsame Normale gesichert sein muss. Standards für die Protokollierung und Übermittlung von Messergebnissen müssen ebenfalls vorhanden sein. Somit besteht Handlungsbedarf, die Messtechnik für industrielle Produktionsprozesse weiterzuentwickeln. Das TU-Institut für Produktionsmesstechnik (IPROM) nimmt diese Herausforderung an. Im Folgenden 2/2002 Carolo-Wilhelmina werden aktuelle und für die nahe Zukunft geplante Arbeiten des Instituts vorgestellt. Diese lassen sich den Themenfeldern ■ optische 3-D-Messtechnik, das heißt Messung der dreidimensionalen Gestalt von Werkstücken mit optischen Verfahren, ■ Mikro- und Oberflächenmesstechnik, ■ akustische Messtechnik und ■ Qualitätsmanagement zuordnen. 3-D-MESSVERFAHREN – EIN WACHSTUMSMARKT Im Vergleich mit »klassischen« Koordinatenmessgeräten mit berührend arbeitenden Tastern haben optische 3-D-Messverfahren den Vorteil der berührungslosen, rückwirkungsfreien Messtechnik und der hohen Datenrate. Es existiert eine Fülle unterschiedlicher optoelektronischer Systeme zur Messung der dreidimensionalen Geometrie von Werkstücken. Die meisten lassen sich auf zwei grundlegende Messverfahren zurückführen, zu deren Entwicklung das TU-Institut unter Professor Dr. Reinhold Ritter in den vergangenen zehn Jahren Beiträge geleistet hat: die Photogrammetrie und die Anwendung strukturierter Beleuchtung. ABBILDUNG 1 Prinzip der Photogrammetrie (links) und ein Beispiel eines photogrammetrischen Messsystems (rechts). ABBILDUNG 2 a) Prinzip der strukturierten Beleuchtung; b) Werkstück mit projiziertem Linienmuster; c) Punktwolke als Ergebnis einer Messung; d) realitätsnahe Darstellung des Messdatensatzes. Carolo-Wilhelmina Die Photogrammetrie basiert auf der Aufnahme mehrerer zweidimensionaler Bilder des Objekts aus verschiedenen Richtungen (Abb. 1). Im einfachsten Fall sind dies zwei Richtungen. Das entspricht dem stereoskopischen Sehen mit zwei Augen. In technischen Messsystemen wird häufig mit einer größeren Zahl von Einzelbildern gearbeitet, die entweder gleichzeitig von einer entsprechend großen Zahl von Kameras aufgenommen werden oder nacheinander von einer Kamera, die um das Objekt herum bewegt wird. Zur Auswertung der Bilder müssen Punkte der Objektoberfläche in mehreren Einzelbildern identifiziert und einander zugeordnet werden. Da die verfügbaren Bildverarbeitungsalgorithmen bei weitem nicht die Leistungsfähigkeit des menschlichen Mustererkennungsvermögens haben, werden die Objektoberflächen häufig mit Mustern versehen, die eine automatisierte Erkennung vereinfachen. Das können Punkte, Gitter oder unregelmäßige, stochastische Strukturen sein. Bei der Anwendung strukturierter Beleuchtung (Abb. 2) wird der Effekt genutzt, dass bei der Projektion eines Musters auf eine Objektoberfläche und bei Betrachtung des Objekts aus einer anderen Richtung als der Projektionsrichtung das Muster entsprechend der dreidimensionalen Oberflächenform verzerrt wahrgenommen wird (Abb. 2b). In der praktischen Anwendung 41
42 Carolo-Wilhelmina werden meist nacheinander mehrere unterschiedliche Liniengitter projiziert. Weite Verbreitung haben Auswertealgorithmen nach dem Phasenschiebeverfahren oder dem von Professor Dr. Friedrich Wahl, TU-Institut für Robotik und Prozessinformatik, erfundenen binären Graycode-Algorithmus beziehungsweise einer Kombination beider Ansätze gefunden. Ergebnis ist eine aus mehreren 1.000 Messpunkten bestehende Punktwolke (Abb. 2c), die durch so genannte Flächenrückführungs- und Renderingsoftware in eine realitätsnahe graphische Darstellung des Objektes überführt werden kann (Abb. 2d). Optische 3-D-Messtechnik ist ein derzeit stark wachsender Markt mit zuletzt circa 30 Prozent Umsatzplus. Nach einer Schätzung des Verbandes der Investitionsgüterindustrie (VDMA) sind erst 15 bis 20 Prozent des Marktes erschlossen. Weiterer Forschungsbedarf vorhanden Es gibt bereits zahlreiche marktreife kommerzielle Lösungen, nicht zuletzt von mehreren Braunschweiger Unternehmen. Dennoch besteht für viele mögliche Anwendungsfälle noch Forschungsbedarf. Drei Beispiele aus aktuellen Projekten des IPROM sollen dies belegen: ABBILDUNG 5 Komponente eines Mikromotors und Kopf eines Hundeflohs als Beispiele für Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen. ■ Für Werkstücke mit spiegelnder Oberfläche sind die vorab beschriebenen Verfahren nicht anzuwenden, da weder Strukturen auf der Oberfläche sichtbar sind noch Muster auf die Oberfläche projiziert werden können. Bei einem am IPROM entwickelten Messsystem wird die Verzerrung eines Musters bei Spiegelung an der gekrümmten Oberfläche ausgewertet. Das Ergebnis der Messung an einem Kaffeelöffel ist in Abbildung 3 dargestellt. ■ Um die Positioniergenauigkeit von Industrierobotern zu erhöhen und um Toleranzen bei der Darbietung von Werkstücken zuzulassen, werden mittlerweile in vielen Fällen elektronische Sichtsysteme eingesetzt. Werden zwei Kameras genutzt, so kann der Roboter im dreidimensionalen Raum geführt werden. Das Auflösungsvermögen eines optischen 3-D-Messsystems ist umso besser, je kleiner das Messvolumen ist. Daher ist es vorteilhaft, mit den beiden Kameras nicht den gesamten Arbeitsbereich des Roboters auszuwerten, sondern sie an der Roboterhand zu befestigen und mitzuführen. Im Rahmen des Sonderforschungsbereiches »Aktive Mikrosysteme« soll eine derartige optische 3-D-Regelung für einen Mikromontageroboter entwickelt werden. Eine konventionelle Lösung mit zwei Kameras ist für diesen Anwendungsfall zu groß und zu schwer. Daher wird ein miniaturisierter photogrammetrischer 3-D-Sensor entwickelt, der die ABBILDUNG 3 Beispiel für die optische Messung der Gestalt eines spiegelnden Objekts. ABBILDUNG 4 Miniaturisierter 3-D-Bildsensor. Integration in den kleinen Einbauraum ermöglicht (Abb. 4). Durch eine spezielle Strahlteileroptik gelingt die gleichzeitige Abbildung zweier Ansichten des Objekts auf den Bildsensor einer Miniaturkamera. Ein Funktionsmuster dieses Sensors wurde erfolgreich getestet, nun folgt der Bau eines Prototypen. ■ Das Rasterelektronenmikroskop (REM) wurde 1939 von Manfred von Ardenne erfunden und ist heute ein äußerst leistungsfähiges Instrument zur Untersuchung mikroskopischer und nanoskopischer Strukturen. Typische REM-Bilder (Abb. 5) erwecken einen plastischen Eindruck, der allerdings durch die im Vergleich mit optischen Mikroskopen große Schärfentiefe lediglich vorgetäuscht ist. Auch REM-Bilder sind zweidimensional. Allerdings lässt sich das Prinzip der photogrammetrischen Auswertung auf das Rasterelektronenmikroskop übertragen. Natürlich ist es nicht sinnvoll, das Mikroskop um das Objekt herum zu bewegen, stattdessen wird die Probe auf einem Kipp-/Schwenktisch in unterschiedliche Orientierungen relativ zum abtastenden Elektronenstrahl gebracht. Der photogrammetrische Ansatz konnte am IPROM anhand mehrerer Messreihen verifiziert werden. Zurzeit wird die erreichbare Genauigkeit analysiert, und es werden spezifische Kalibrieralgorithmen erarbeitet. Ziel ist die hochaufgelöste 3-D-Messung an Mikrobauteilen. Carolo-Wilhelmina 2/2002
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