Objektivierung und Vereinheitlichung der optischen Koordinatenmesstechnik

1. 5. Vorlesung Objektivierung und Vereinheitlichung der optischen Koordinatenmesstechnik Prof. Dr. Dietrich Hofmann, STZ QQ Jena Dr. Olaf Kühn, TU Ilmenau Dr. Uwe Nehse, OKM Jena

2. Lernziele 1. Kennenlernen der Einfüsse auf den optischen Antastprozessund der Mensch als Haupteinflussfaktor für uneinheitliche Messungen und unsichere Messergebnisse 2. Kennenlernen von Methoden und Verfahren, um die optische Antastung zu objektivieren 3. Verstehen des Einflusses der Beleuchtung auf die Erzielung von Messergebnissen mit geringerer Messunsicherheit Typ A 4. Verstehen, des Einflusses einheitlicher Schnittstellen in der optischen Koordinatenmesstechnik für die Einheitlichkeit und Vergleichbarkeit von Messergebnissen. 5. Können: Berechnung von Kenngrößen zur Beurteilung der Bildqualität in der Antastumgebung

3. Gliederung 1. Was bedeutet Objektivierung der optischen Antastung? 2. Wie kann der Einfluss der Beleuchtung auf das Messergebnis reduziert werden? 3. Wie können adaptive Antastverfahren realisiert werden? 4. Wie kann OKM einheitlich und vergleichbar messen? 5. Was bedeutet der OSIS-Standard? 6. Was versteht man unter I++DME?

4. 1. Was bedeutet Objektivierung der optischen Antastung? Die Reduzierung von subjektiven Einflüssen im Messprozess birgt das höchste Potenzial zur Verringerung der Messunsicherheit !

5. 1.1 Welchen Einfluss hat der Bediener von OKM auf das Messergebnis? Einstellungen durch den Bediener Antastung Antaststrategie Messstrategie Auswertestrategie Beleuchtung Fokussierung Antastverfahren Kantenkriterien Antastpunkte Lage Anzahl Formelement Störunterdrückung Kontur-/ Profilfilter Ausgleichsbedingung Verknüpfung Winkel, Abstände... quantitative Merkmale Maß, Form, und Lage qualitative Merkmale Defekte, Vorhandensein... Anteil antastspezifischer Informationen Anteil messaufgabenspezifischern Informationen

6. starke Streuung der Antastpunkte minimale Streuung der Antastpunkte 1.2 Welche Probleme und Zielstellungen gibt es bei der optischen Antastung? Was ist das Problem? schwierige Beleuchtungsverhältnisse nicht definierte Kantenübergänge Antaststrategie ist von Konturform abhängig Einfluss von Oberflächenstrukturen und Verunreinigungen Was ist das Ziel? objektive und vergleichbare Beleuchtungsverhältnisse definierte Kantenübergänge einheitlicher Kantenort mit geringer Messunsicherheit Unabhängigkeit von Oberflächenstrukturen und Verunreinigungen Antaststrategie ist von Konturform abhängig Einfluss von Oberflächenstrukturen und Verunreinigungen

7. 1.3 Wie kann die Objektivierung der OKM bei der Messwertgewinnung erreicht werden? Mit welchen Methoden? Mit welchen Verfahren? durch automatische Einstellung der sensornahen Parameter Beleuchtung Intensität, Richtung, Apertur, Spektrum Beleuchtungsoptimierung Fokusoptimierung Fokus Strukturart, Fokussierbereich, Auflösung Antastverfahren Strukturart, Schwellwerte, Korrekturwerte adaptive Antastung

8. 1.4 Wie kann die Objektivierung der OKM bei der Messwertverarbeitung erreicht werden? Mit welchen Methoden? Mit welchen Verfahren? durch einheitliche Mess- und Auswertestrategie Messwertfilter Formelemente Verknüpfungen Mit Hilfe von einheitlicher Definition und Vorgabe über standardisierte Schnittstellen durch Eliminierung von untypischen Messwerten Verfahren zur Ausreißerkorrektur

9. 1.5 Welche Unterschiede bestehen zwischen Mensch und Maschine? Kanizsa-Figur Es erscheint neben den vier Kreissegmenten für das menschliche Auge ein Rechteck in einem anderen Farbton, obwohl keines vorhanden ist. Quelle Neumann H. Mechanismen der Helligkeitsverarbeitung in der biologischen Informationsverarbeitung Vortrag auf dem 11. Heidelberger Bildverarbeitungsforum 1999 Maschine: erkennt keinen Zusammenhang Mensch: schließt aus Erfahrung auf ein „virtuelles“ Rechteck

10. 1.5.1 Wie unterschiedlich ist die menschliche Wahrnehmung gleicher Intensitätsunterschiede? Die Intensitätsunter- schiede zwischen den linken und rechten Feldern der 5 Farbblöcke sind jeweils konstant. Die Maschine ermittelt jeweils gleich große Intensitätssprünge. Das menschliche Auge dagegen sieht keinen Intensitätsunterschied links oben und einen sehr großen Inten- sitätsunterschied rechts unten. Maschine Antastverfahren reagieren gleich Mensch vermutet unterschiedliche Intensitätssprünge

11. 1.5.2 Welche Unterschiede bestehen zwischen den Menschen und der Maschine? Simultankontrasteffekt Die inneren Rechtecke werden durch die unterschiedliche Umgebungshelligkeit als unterschiedlich hell empfunden, obwohl sie die gleiche Helligkeit haben. Quelle Neumann H. Mechanismen der Helligkeitsverarbeitung in der biologischen Informationsverarbeitung Vortrag auf 11. Heidelberger Bildverarbeitungsforum1999 Maschine bestimmt gleiche Intensität in den Rechtecken Mensch nimmt unterschiedliche Intensitäten in den Rechtecken wahr

12. Auflicht Hellfeld Dunkelfeld Winkel-bereich 0..45° 45..90° Physikali-scher Effekt Reflexion Streuung Objektebene Durchlicht Hellfeld Dunkelfeld Winkel-bereich 0..45° 45..90° Physikali-scher Effekt Trans-mission Streuung 2 Wie kann der Einfluss der Beleuchtung auf das Messergebnis reduziert werden? 2.1 Welche Beleuchtungsarten gibt es? Lichteinfallsrichtung und Beleuchtungsart nach: Haferkorn, H.: Optik Physikalisch-Technische Grundlagen und Anwendungen. 2. Auflage. Berlin: VEB Deutscher Verlag der Wissenschaft, 1984.

13. 2.1.2 Wie wirkt Auflicht-Hellfeld? Auflicht Hellfeld nach Schröder, G.: Technische Optik. 8. Auflage. Würzburg: Vogel Verlag, 1998

14. 2.1.3 Wie wirkt Auflicht Dunkelfeld? Auflicht Dunkelfeld nach Schröder, G.: Technische Optik. 8. Auflage. Würzburg: Vogel Verlag, 1998

15. 2.1.4 Wie wirkt Durchlicht Hellfeld? Durchlicht Hellfeld nach Schröder, G.: Technische Optik. 8. Auflage. Würzburg: Vogel Verlag, 1998

16. 2.2 Wie erscheinen verschiedene Strukturen in Abhängigkeit der Beleuchtungsart? Auflicht Durchlicht Strukturart Hellfeld Dunkelfeld Hellfeld Dunkelfeld hell dunkel nicht transparente ebene Oberfläche hell dunkel Strukturen und Störungen auf Oberfläche Körperkanten Streulicht an Kante Streulicht an Kante hoher geringer Kontrast Kontrast dunkel geringe Helligkeit geringe Dunkelheit hell Strukturen und Störungen auf transparentem Objekt

17. 2.3 Wie können die Einflüsse der Beleuchtung auf den Antastort charakterisiert werden? 1. Analyse der Reflexionsarten in der Umgebung des Antastortes E E E L ? L ? L ? Quelle: Baer, R.; Eckert, M. Riemann, A.: VEM-Handbuch Beleuchtungstechnik. Berlin: Verlag Technik, 1975 2. Aufstellen eines mathematischen Modells E Bestrahlungsstärke Lreflektierte Strahldichte  Raumwinkel  Deklinationswinkel  Azimutwinkel Index i Input Index o Output Ei Lo Quelle: Nehse, U.: Beleuchtungs- und Fokusregelungen für die objektivierte optische Präzisionsantastung in der Koordinatenmesstechnik. Dissertation, TU Ilmenau, Fakultät für Maschinenau, 2001

18. 2.4 Wie wird die Wechselwirkung zwischen Mess-objekt und Beleuchtung erfasst und gesteuert? Parametereinstellung des Beleuchtungssystems Erfassung der Wechselwirkung Lampenanzahl Lampenkennlinien Strahlrichtung (,) mit dem Doppelgoniophotometer Prinzipdarstellung Prinzipdarstellung

19. links rechts y Übergang x K 2.5 Wie wird der Beleuchtungseinfluss in der Antastumgebung charakterisiert? Die Antastumgebung: wird charakterisiert durch: Intensitätsverlauf senkrecht zum Übergang 1. mittlere Helligkeit I I(x) hell I 2. Kontrast K dunkel x

20. I(x,y) y Hre Hli x 2.5 Wie wird der Beleuchtungseinfluss in der Antastumgebung charakterisiert? 3. Homogenität H beidseitig entlang des Übergangs Intensitätsverlauf m = Anzahl der Messpunkte entlang des Übergangs

21. 2.6 Wie kann die Beleuchtungsoptimierung realisiert werden? 3. Entwicklung einer zu optimierenden Zielfunktion Z(P) unter Verwendung der charakteristischen Kenngrößen I, K, H : f = Wichtungsfaktor 4. Durchführung der Optimierungsoperation: Bestimmung der Parameter P der Zielfunktion Z(P) beispielsweise mit der Methode „predefined conjugate gradients“ nach Polak, E. 1971 iterative Annäherung: (stark vereinfachte Darstellung)

22. 2.7 Welche Ergebnisse liefert die automatische Beleuchtungseinstellung? Lichteinstellung durch Bediener Vergleich der Ergebnisse von manueller Lichteinstellung und der Ergebnisse der Optimierung anhand der Standardabweichung Quelle: Nehse, U.: Beleuchtungs- und Fokusregelungen für die objektivierte optische Präzisionsantastung in der Koordinatenmesstechnik. Dissertation, TU Ilmenau, Fakultät für Maschinenau, 2001 Beleuchtungsoptimierung

23. 3. Wie können adaptive Antastverfahren realisiert werden?3.1 Was versteht man unter Antaststrategie? Antaststrategie definiert die Lage und Anzahl der Antastpunkte mit Hilfe von Messfeldern. Die Antaststrategie muss an die Struktur angepasst sein. Einzel-suchstrahl Rechteck-Messfeld Kreisbogen-Messfeld Geraden-Messfeld

24. 3.2 Wie kann eine automatische Konturverfolgung entlang des Messobjekts durchgeführt werden? Richtung Start Ende Konturverfolgung der Padkontur Padkontur und eingepasstes Rechteck

25. 3.3 Wie muss die Antaststrategie festgelegt werden? Zuwenig Antastpunkte ergeben Abweichungen des Ausgleichselements Die Antastpunktanzahl n muss so groß sein, dass die Grenzwellenlänge c gemäß dem dem Shannonschen Abtasttheorem mit wenigstens zwei Abtastpunkten erfasst wird: mit L = Konturlänge

26. Durchkontaktierung Lot auf Pad 3.4 Wie können 3D-Körperkanten im Bild hervorgehoben und Angetastet werden? Bild einer Durchkontaktierung bei 0°-Beleuchtung und Antastung mit Auswertesoftware OSPREY Bild eines Lot-Pads bei 0°-Beleuchtung und Antastung mit Auswertesoftware OSPREY

27. 4. Wie kann OKM einheitlich und vergleichbar messen? 4.1 Was umfasst der geschlossene Qualitäts- regelkreis in der Fertigung? Der geschlosseneQUALITÄTSREGELKREIS Vernetzung von Konstruktion, Messmaschine und Fertigung Quelle: OKM Jena GmbH. http://www.okm-jena.de . 2003

28. 5. Was bedeutet der OSIS-Standard? OSIS ist die Abkürzung für Optical Sensor Interface Standard Ziel von OSIS ist eine einheitliche Hard- und Softwareschnittstelle, um den Aufwand der Systemintegration optischer Sensoren zu verringern und um die Vergleichbarkeit von optischen Sensoren zu gewährleisten OSIS wurde durch die IA.CMM (www.iacmm.org) Ende 2000 initiiert. An der Erarbeitung und Weiterentwicklung von OSIS wirken mit: 10KMG-Hersteller, beispielsweise Zeiss (BRD), OKM (BRD), DEA (Italien), Mitutoyo (Japan), LK (UK) 11Hersteller optischer Sensoren, beispielsweise Optimed (Israel), Perzeptron (USA), Steinbichler (BRD) 3sonstige Teilnehmer OSIS gliedert sich die 3 Arbeitsgruppen: Arbeitsgruppe 1: Elektro-mechanische Schnittstelle Arbeitsgruppe 2: Software-Schnittstelle Arbeitsgruppe 3: Kalibrierung, Spezifikation und Verifikation Quelle: Optical Sensor Interface Standard OSIS, Workgroup 2: Data integration Release V1.0, 06-August-2003

29. 5.1 Wie erfolgt der einheitliche Datenaustausch über die OSIS-Schnittstelle? OSIS Integration Model Die Interface- Nummern sind im OSIS-Standard folgendermaßen definiert: 1 CAD – Daten 2 I++/DME 3, 7 OSIS -Daten 5 NC - Daten 4, 6 OSIS -Daten in Echtzeit Quelle: Optical Sensor Interface Standard OSIS, Workgroup 2: Data integration Release V1.0, 06-August-2003

30. 6 Was versteht man unter I++DME? I++ DME(Dimensional Measurement Equipment) ist die einheitliche Schnittstelle zur Steuerung von Koordinatenmessgeräten Aktueller Stand der Koordinatenmesstechnik in Messlabors und Indurtrie: Für jedes Koordinatenmessgerät ist eine spezielle Ausbildung notwendig Jedes Gerät benötigt einen speziell dafür ausgebildeten Bediener Geräte sind Maschine ohne Anwesenheit von Experten nicht zu nutzen Ein Austausch von Messprogrammen zwischen einzelnen Gerärten ist nicht möglich Gleichartige Messaufgaben werden mehrfache wiederholt neu programmiert Ziele des DME-Interfaces: Neutralität Herstellung der Kompatibilität verschiedener Messmaschinen zu einem Prüfplanungs- bzw. Auswerteprogramm Anforderungen an das DME-Interface: Skalierbarkeit Erweiterbarkeit Kapselung selbsterklärend, konsistenz und vollständig Quelle: I++/DME: I++/DME-Interface - Release 1 http://www.iacmm.org/. 2003

31. 6.1 Wie kann man die einheitliche Steuerung von Koordinatenmessgeräten realisieren? Quelle: Zeiss. http://www.zeiss.de . 2003

32. 6.2 Wie kann OKM über I++/DME in den industriellen Qualitätsregelkreises eingebunden werden? Dezentrale Aufgabenbearbeitung über I++DME Konstruktionslabor beim Anwender PE-Inspect Modul Auswerte- Software 1 CAD-System Pro- engineer Calypso I++ DME TCP/IP ortsfeste Koordinatenmessmaschine Auswerte- software 2 I++ DME Mess- software I++ DME . . . 4 Auswerte- software n I++ DME Bedien-PC CMM Quelle: TU Ilmenau, 1. Statusseminar des Sonderforschungsbereiches 622, November 2003

33. 6.3 Wie funktioniert die automatisierte CAD-basierte Qualitätsprüfung über I++DME? Zu messendes Werkstück Werkstücknull (WKS) festlegen Maschinenkoordinaten- system (MKS) CAD-System Konstruktions- zeichnung erzeugen R1 W1 y z A1 x Werkstückkoordinaten- system (WKS) Prüfplan erzeugen und auswerten Auswerte- software I++/ DME KMM Messsoftware Messobjekt in der KMM fixieren Bezug zwischen WKS und MKS herstellen Messung mit der KMM im Werkstückkoordinatensystem (WKS) Quelle: TU Ilmenau, 1. Statusseminar des Sonderforschungsbereiches 622, November 2003

34. 6.4 Wie wird das Client-Server-Prinzip in DME angewendet? Typisches Sequenzdiagramm eines DME-Interfaces Client z.B. Aus- wertetool Server z.B. Osprey an KMM Warteliste für Operationen ChangeTool( ) AlignTool( ) PtMeas(...) .... Punkt Messen Die vom Client angeforderten Operationen werden gemäß einer Warteschlange im Server abgearbeitet Messpunkt (x,y,z)

35. 6.5 Welche typischen Befehle unterstützt I++/DME? I++/DME-Beispiel zum Toolhandling Auszug aus der Befehlsliste • Home() • IsHomed() • EnableUser() • DisableUser() • Get() • GoTo() • PtMeas() • Tool() • FindTool() • GoToPar() • GetMachineClass() • GetErrStatus() • SetCoordSystem() • StartSession() • StopDaemon() . . . Client: Welche Tools sind vorhanden? Der Server antwortet: Tool 1 und Tool 2 sind vorhanden. Client: Kann Tool 1 einen Kreis scannen? Der Server antwortet: Das Tool beherrscht dieses Feature. Client: Scanne einen Kreis (x,y,z,...). Quelle: I++/DME: I++/DME-Interface - Release 1 http://www.iacmm.org/. 2003

36. Vielen Dank für die objektive Erfassungund einheitlicheVerarbeitungder Bilder