Objektivierung und Vereinheitlichung der optischen Koordinatenmesstechnik

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Objektivierung und Vereinheitlichung der
optischen Koordinatenmesstechnik
5. Vorlesung
Prof. Dr. Dietrich Hofmann, STZ QQ Jena Dr. Olaf
Kühn, TU Ilmenau Dr. Uwe Nehse, OKM Jena
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Lernziele
Kennenlernen der Einfüsse auf den optischen
Antastprozess und der Mensch als
Haupteinflussfaktor für uneinheitliche Messungen
und unsichere Messergebnisse
1.
Kennenlernen von Methoden und Verfahren, um die
optische Antastung zu objektivieren
2.
Verstehen des Einflusses der Beleuchtung auf die
Erzielung von Messergebnissen mit geringerer
Messunsicherheit Typ A
3.
Verstehen, des Einflusses einheitlicher
Schnittstellen in der optischen
Koordinatenmesstechnik für die Einheitlichkeit
und Vergleichbarkeit von Messergebnissen.
4.
5.
Können Berechnung von Kenngrößen zur Beurteilung
der Bildqualität in der Antastumgebung
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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 IDME?

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1. Was bedeutet Objektivierung der optischen
Antastung?
Die Reduzierung von subjektiven Einflüssen im
Messprozess birgt das höchste Potenzial zur
Verringerung der Messunsicherheit !
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1.1 Welchen Einfluss hat der Bediener von OKM
auf das Messergebnis?
Einstellungen durch den Bediener
Auswertestrategie
Messstrategie
Antaststrategie
Antastung
Verknüpfung Winkel, Abstände... quantitative
Merkmale Maß, Form, und Lage qualitative
Merkmale Defekte, Vorhandensein...
Antastpunkte Lage Anzahl
Beleuchtung Fokussierung Antastverfahren
Kantenkriterien
Formelement Störunterdrückung Kontur-/
Profilfilter Ausgleichsbedingung
Anteil antastspezifischer Informationen

Anteil messaufgabenspezifischern
Informationen
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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 Beleuchtungsverhältnis
  se
• definierte Kantenübergänge
• einheitlicher Kantenort mit geringer
  Messunsicherheit
• Unabhängigkeit von Oberflächenstrukturen und
• Verunreinigungen
• Antaststrategie ist von Konturform abhängig
• Einfluss von Oberflächenstrukturen und
  Verunreinigungen

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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
Beleuchtungsoptimierung
Beleuchtung Intensität, Richtung, Apertur,
Spektrum
Fokusoptimierung
Fokus Strukturart, Fokussierbereich, Auflösung
Antastverfahren Strukturart, Schwellwerte,
Korrekturwerte
adaptive Antastung
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1.4 Wie kann die Objektivierung der OKM bei der
Messwertverarbeitung erreicht werden?
Mit welchen Methoden?
Mit welchen Verfahren?
durch einheitliche Mess- und Auswertestrategie Mes
swertfilter Formelemente Verknüpfungen
Mit Hilfe von einheitlicher Definition und
Vorgabe über standardisierte Schnittstellen
durch Eliminierung von untypischen Messwerten
Verfahren zur Ausreißerkorrektur
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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
Mensch schließt aus Erfahrung auf ein
virtuelles Rechteck
Maschine erkennt keinen Zusammenhang
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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.
Mensch vermutet
unterschiedliche Intensitätssprünge
Maschine Antastverfahren
reagieren gleich
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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
Mensch nimmt
unterschiedliche Intensitäten in den Rechtecken
wahr
Maschine bestimmt gleiche
Intensität in den Rechtecken
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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.
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2.1.2 Wie wirkt Auflicht-Hellfeld?
Auflicht Hellfeld
nach Schröder, G. Technische Optik. 8. Auflage.
Würzburg Vogel Verlag, 1998
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2.1.3 Wie wirkt Auflicht Dunkelfeld?
Auflicht Dunkelfeld
nach Schröder, G. Technische Optik. 8. Auflage.
Würzburg Vogel Verlag, 1998
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2.1.4 Wie wirkt Durchlicht Hellfeld?
Durchlicht Hellfeld
nach Schröder, G. Technische Optik. 8. Auflage.
Würzburg Vogel Verlag, 1998
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2.2 Wie erscheinen verschiedene Strukturen in
Abhängigkeit der Beleuchtungsart?
Auflicht
Durchlicht
Dunkelfeld
Hellfeld
Strukturart
Dunkelfeld
Hellfeld
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
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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 L reflektierte
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
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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
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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
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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
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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)
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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
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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
Geraden-Messfeld
Kreisbogen-Messfeld
Rechteck-Messfeld
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3.2 Wie kann eine automatische Konturverfolgung
entlang des Messobjekts durchgeführt werden?
Richtung
Start
Ende
Konturverfolgung der Padkontur
Padkontur und eingepasstes Rechteck
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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
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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
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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
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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 10 KMG-Hersteller, beispielsweise
Zeiss (BRD), OKM (BRD), DEA (Italien), Mitutoyo
(Japan), LK (UK) 11 Hersteller optischer
Sensoren, beispielsweise Optimed (Israel),
Perzeptron (USA), Steinbichler (BRD) 3 sonstige
Teilnehmer
OSIS gliedert sich die 3 Arbeitsgruppen Arbeitsgr
uppe 1 Elektro-mechanische Schnittstelle Arbeitsg
ruppe 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
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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
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6 Was versteht man unter IDME?
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
Anforderungen an das DME-Interface
Skalierbarkeit Erweiterbarkeit Kapselung selbster
klärend, konsistenz und vollständig
Ziele des DME-Interfaces Neutralität Herstellung
der Kompatibilität verschiedener Messmaschinen
zu einem Prüfplanungs- bzw. Auswerteprogramm
Quelle I/DME I/DME-Interface - Release 1
http//www.iacmm.org/. 2003
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6.1 Wie kann man die einheitliche Steuerung von
Koordinatenmessgeräten realisieren?
Quelle Zeiss. http//www.zeiss.de . 2003
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6.2 Wie kann OKM über I/DME in den
industriellen Qualitätsregelkreises eingebunden
werden?
Dezentrale Aufgabenbearbeitung über IDME
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
CMM
Bedien-PC
Quelle TU Ilmenau, 1. Statusseminar des
Sonderforschungsbereiches 622, November 2003
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6.3 Wie funktioniert die automatisierte
CAD-basierte Qualitätsprüfung über IDME?
Zu messendes Werkstück
Werkstücknull (WKS) festlegen
Maschinenkoordinaten- system (MKS)
CAD-System
Konstruktions- zeichnung erzeugen
R1
z
y
W1
x
A1
Werkstückkoordinaten- system (WKS)
Prüfplan erzeugen und auswerten
Auswerte- software
I/ DME
Messsoftware
KMM
Messung mit der KMM im Werkstückkoordinatensystem
(WKS)
Messobjekt in der KMM fixieren
Bezug zwischen WKS und MKS herstellen
Quelle TU Ilmenau, 1. Statusseminar des
Sonderforschungsbereiches 622, November 2003
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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)
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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
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Vielen Dank für die objektive Erfassungund
einheitlicheVerarbeitungder Bilder