Optische Messtechnik für industrielle Anwendungen

Die optische Messtechnik ist heute so weit fortgeschritten, dass sie die taktile Messtechnik in vielen Bereichen ersetzen kann. Daraus ergeben sich große Vorteile in der Messgeschwindigkeit.

Durch optisches Messen von Bauteilen in Sekunden wird eine 100% Kontrolle von Serienprodukten möglich. Das rückt eine zuverlässige Null-Fehler-Lieferung zu minimalen Kosten in greifbare Nähe.

Besonders leistungsstark ist in diesem Zusammenhang die räumliche Erfassung und Vermessung von seriell hergestellten Bauteilen. Mit der automatisierten 3D Messtechnik durch optischen Verfahren werden Toleranzabweichungen sofort detektiert und entsprechend aussortiert.

Geschichte vom optischen Messen

Die moderne optische Messtechnik hat ihren Anfang in der chemischen Fotografie. Mit ihrer Hilfe ließen sich von Beginn an valide Messungen an Gebäuden und Landschaftsreliefs durchführen.

Dazu war lediglich eine Referenzstrecke erforderlich, welche aus praktischen Gründen gleich mitfotografiert wurde. Meistens wurden dazu kontrastreiche, geeichte Messstäbe mit einer geeigneten Länge in die unmittelbare Nähe des zu vermessenden Bauteils gehalten.

Anschließend ließ sich nach dem Abzug der Fotografien praktisch jede Distanz über den Abgleich mit den mit fotografierten Messstäben und ihrer Triangulation ermitteln. Das vereinfachte das Vermessen von großen Gebäuden erheblich. Mit dem Einsatz von Fotoapparaten auf Flugzeugen wurde damit auch die exakte Vermessung von Topografien möglich.

Für den industriellen Kontext war die optische Messung von Beginn an ein praktisches Verfahren zur Validierung von Bauteilen. Solange keine automatisierten und elektronischen Messverfahren zur Verfügung standen, war die serielle optische Vermessung jedoch nur im eingeschränkten Umfang möglich.

Im Wesentlichen beschränkte sie sich auf den Einsatz von Schablonen, die Maßabweichungen durch einen verräterischen Lichteinfall detektieren ließen. Die Schablonenprüfung war zwar sehr wirkungsvoll, beschränkte sich aber auf besonders flache Bauteile wie Dichtungen oder unverformte Dünnbleche.

Für die Validierung komplexer Geometrien war daher bis heute vor allem die taktile Messtechnik der Standard. Im Moment findet an dieser Stelle ein Technologiewandel statt, welcher die Messtechnik der seriellen Qualitätskontrolle für optische Messverfahren öffnet. Hier kann vor allem das vergleichsweise günstige Verfahren der optischen 2D Messtechnik punkten.

Grundprinzip der 3D Messtechnik durch optische Messverfahren

Beim 3D Messen wird ein Bauteil in seiner Gänze erfasst und als elektronisches Abbild generiert. Beim Generieren wird das Bauteil vermessen.

Dabei findet ein Abgleich zwischen den ermittelten IST-Werten und den eingespeicherten SOLL-Werten statt. Im Gegensatz zur Erfassung von wenigen Messpunkten durch die traditionelle taktile Messtechnik bietet die vollständige Erfassung des Bauteils durch die optische Messtechnik damit einen erheblichen Vorteil: Formabweichungen werden auch dann erkannt, wenn sie an unerwarteter Stelle auftreten.

Optische Messverfahren

Bei der optischen 3D Messtechnik denken viele nur an die Laserscan-Systeme. Diese stellen jedoch nur einen kleinen Teil der Auswahl für optische Messgeräte. Tatsächlich sind sie längst nicht immer die beste Wahl.

Der abtastende Laserstrahl benötigt stets eine gewisse Zeit, bis er das Objekt vollständig erfasst hat. Für das serielle 3D Messen von Produkten sind deshalb andere optische Messgeräte vorteilhafter.

Für die optische Messtechnik steht heute eine ganze Reihe von bewährten Verfahren zur Auswahl:

• Streifen- und Musterprojektion
• Konfokale Messtechnik
• Weißlichtinterferometrie
• Laserscanning
• Lichtlaufzeit
• Fokus-Variation
• Stereo-Fotografie

Und einige mehr.

Streifen- und Musterprojektion

Die Streifen- und Musterprojektion ist im handwerklichen Bereich vor allem im Karosseriebau und in der Instandsetzung von kleineren Blechschäden wohlbekannt. Bei diesem Verfahren wird auf einer Ebene ein Muster projiziert.

Die so aufgetragenen Streifen oder Quadrate verziehen sich auch bei kleinsten Störungen in der Oberfläche deutlich. Damit sind Beulen und Dellen leicht zu entdecken und entsprechend zu behandeln. Erkennbar werden die Toleranzabweichungen durch Oberflächenmessungen.

Im handwerklichen Bereich kommen dann die Ausbeulwerkzeuge zum Einsatz. Im industriellen Kontext wird ein so geprüftes Bauteil ausgesondert und zur Nacharbeit übergeben.

Für die Streifen und Musterprojektion sind folgende Elemente erforderlich:

• Musterprojektor
• Erfassungskamera
• Auswertungsprogramm
• Kalibrierfläche

Zum Start dieser 3D Messtechnik wird die Erfassungskamera mit einem Referenzmuster auf der Kalibrierfläche eingestellt. Diese Kalibrierung trianguliert das Auswertungsprogramm und macht es damit bereit für das 3D Messen.

Nach Abschluss der Kalibrierung wird die Kalibrierfläche durch das zu vermessende Objekt ersetzt. Die Krümmung des aufprojizierten Musters wird über eine Kantenerkennung von der Kamera erfasst und vom Auswertungsprogramm in eine 3D Grafik umgesetzt.

Das Objekt wird durch Drehung aus mehreren Perspektiven erfasst. Die dabei entstehenden Punktwolken werden schließlich vom Auswertungsprogramm zu einer frei drehbaren und voll bemaßten Animation zusammengesetzt. Mit industrieller Computertomographie können so auch innenliegende Geometrien und Strukturen erkannt werden, die beispielsweise über Oberflächenrückführung als CAD Modell rekonstruiert werden können.

Die Vorteile der Streifen- und Musterprojektion sind ihr einfacher Aufbau, ihre vollständige Erfassung des Produkts und ihre hohe Geschwindigkeit. Sie eignet sich gut zur Überprüfung von Form- und Lagetoleranzen.

Konfokale Messtechnik und Weißlichtinterferometrie

Bei der konfokalen Messtechnik wird ein Objekt über eine sehr kleine Blende angestrahlt. Die Blende befindet sich auf einem schräg angeordneten Spiegel. Das reflektierte Licht wird über den Spiegel umgeleitet und durch eine weitere, gerade angeordnete Blende geleitet.

Dahinter befindet sich ein empfindlicher Lichtsensor. Beim Führen des Objekts durch den Strahlengang der Lichtquelle entsteht die höchste Lichtintensität, wenn der Brennpunkt des Lichts auf die Oberfläche trifft.

Befindet sich der Brennpunkt darüber oder darunter, nimmt die Intensität der Reflexion ab. Diese Lichtschwankungen werden vom Sensor erfasst und in einen Messwert umgerechnet. Die konfokale 3D Messtechnik und die ähnliche Weißlichtinterferometrie eignen sich besonders gut für die Erfassung von Toleranzen im Mikrometerbereich.

Laserscanning

Das Laserscanning hat aufgrund seines häufigen Einsatzes in fiktionalen Film- und Fernsehproduktionen einen hohen Bekanntheitsgrad. Tatsächlich nimmt es im Bereich der 3D Messtechnik nur einen geringen Stellenwert ein.

Beim Laserscanning wird eine Oberfläche mit einem Laserstrahl abgefahren und seine Reflexion über einen Fotosensor wieder aufgenommen. Für eine vollständige Erfassung müssen daher entweder das Objekt oder der Scanner bewegt werden.

Aus Gründen der Kalibrierung ist die Bewegung des Objekts dabei die bevorzugte Vorgehensweise. Das macht den Messprozess jedoch langsam. Das Laserscanning ist daher eine bevorzugte Messtechnik, bei der Zeit eine unkritische Größe ist.

Eines seiner Haupteinsatzgebiete ist das Einscannen von Objekten für das Reverse Engineering oder den Modelldruck mit additiven Verfahren.

Ein optisches Messgerät mit Laserscanning ist schon für den Consumer-Markt verfügbar. Teilweise werden optische Messverfahren per Laserscanning schon direkt in die 3D-Drucker eingebaut.

Lichtlaufzeit

Optisches Messen mit der Lichtlaufzeit hat ihren Ursprung in der Astronomie. Optische Messgeräte, welche die Laufzeit von Lichtstrahlen validieren können, werden zur Distanzmessung von Himmelskörpern eingesetzt.

Diese Messtechnik dringt jedoch allmählich in die wesentlich kleineren Maßstäbe der industriellen Anwendung vor. Ein optisches Messgerät, das mit der Lichtlaufzeit arbeitet, ist bislang aber noch nicht für die Bauteilkontrolle verfügbar.

Optische Messverfahren durch Fokus Variation

Die Fokus Variation ist vor allem aus der Kameratechnik bekannt. Sie sorgt über den „Autofokus“ dafür, dass sich die Objektive automatisch scharf stellen und dem Fotografen die Arbeit erleichtern.

Beim 3D Messen ist die Fokusvariation vor allem in der Oberflächenanalyse zum Einsatz. Optisches Messen von Rauheit und Profilen ist über diese Messtechnik besonders schnell und einfach möglich.

Der Vorteil der Fokus Variation ist, dass sie einen Messbereich auf einmal erfassen kann und ihn nicht abscannen muss. Das macht sie schneller als die taktile Messtechnik, die bei der Oberflächenanalyse noch eine große Rolle spielt. Optische Messgeräte mit Fokus Variation können taktile Messtechnik heute schon zu einem großen Teil ersetzen.

Stereofotografie

Das gleichzeitige Abfotografieren eines Werkstücks aus zwei nah beieinander liegenden Kameras ist eine besonders einfache 3D Messtechnik. Der angeschlossene Rechner setzt die aufgenommenen Digitalfotos in gerenderte Objekte um.

Durch die Aufnahme ausreichend vieler Bilder lässt sich so sehr schnell ein vollständiges virtuelles Objekt erzeugen. Die Stereofotografie ist damit der Streifenprojektion sehr ähnlich. Sie erreicht noch nicht die Präzision dieser Messtechnik.

Im Consumer Markt sind optische Messverfahren, die auf Stereofotografie basieren, aber schon weit verbreitet. Optische Messgeräte, die nach diesem Prinzip arbeiten, werden beispielsweise zur Vermessung von Gesichtern oder Körpern eingesetzt. Diese dienen zur Gesichtserkennung oder zum Anpassen maßgeschneiderter Kleidung.

Optische Messverfahren: Vorteile

Optische Messverfahren haben folgende Vorteile:

• Messtechnik mit hoher Geschwindigkeit
• Umfassendes 3D Messen möglich
• Berührungslose Messtechnik
• Einfache, automatisierungsfähige Messtechnik

Die schnelle, teilweise blitzartige Erfassung von Geometrien macht optische Messverfahren ideal zur seriellen Kontrolle in einer Produktionslinie. Sie können ohne jeden Zeitverzug die Toleranzen eines Werkstücks validieren und über automatisierte Entnahmesysteme die Fehlteile aussondern. Das senkt die Gefahr, fehlerhafte Produkte an den Kunden zu liefern, erheblich.

Die taktile Messtechnik erfasst stets nur ausgewählte Punkte oder Bereiche an einem Produkt. Optische Messverfahren betrachten ein Bauteil aber stets als Ganzes.

Mit einem Soll-Ist-Abgleich des Oberflächenprofils werden so alle Abweichungen in der Toleranz erkennbar. Das schließt vor allem die Bereiche ein, bei denen man eine Abweichung nicht erwartet hätte.

Die Berührungslosigkeit senkt den Verschleiß und reduziert die Störgrößen während der Messwertaufnahme. Außerdem senken optische Messverfahren damit die Gefahr von Bedienfehlern.

Die optische Messtechnik, vor allem die schnellen Streifenprojektionen oder stereo-fotografischen Verfahren, eignen sich damit besonders gut für die integrierte Qualitätskontrolle.

Mit ihrer Hilfe können Produktionsmaschinen durch optische Messverfahren erweitert werden. Sie führen dann selbstständig eine Eingangs- und Ausgangskontrolle durch und senken damit die Gefahr der Produktion von Fehlteilen.

Optische Messverfahren: Nachteile

Optische Messverfahren haben durchaus auch Nachteile. Diese Messtechnik unterliegt noch einem hohen Innovationsdruck, so dass sich diese allmählich aufheben werden.

Gegenwärtig sind optische Messverfahren aber noch nicht vollständig so weit entwickelt, dass sie die taktile Messtechnik in allen Bereichen ersetzen kann. Zu den Nachteilen, mit welchen optische Messverfahren heute noch kämpfen müssen, gehören folgende:

• Hoher technischer Aufwand
• hoher Kalibrierungsbedarf
• hohe Ansprüche an die Umgebungsbedingungen
• schnelle Störung der Messaufnahme
• Bei Fehlmessungen schnell hoher Ausschuss möglich

Der technische Aufwand für optische Messverfahren ist immer noch beträchtlich. Die Geräte werden zwar günstiger. Der Rechenaufwand für ein serielles optisches Messen ist aber sehr hoch.

Das macht diese Messtechnik schlussendlich dann doch wieder hochpreisig. Dies gilt vor allem dann, wenn die optische Messtechnik zur Kontrolle immer feinerer Toleranzen herangezogen werden soll.

Je schneller und gleichzeitig präziser optische Messverfahren arbeiten sollen, desto anspruchsvoller ist ihre Kalibrierung. Kleinste Abweichungen und Ungenauigkeiten bei der Kalibrierung führen zwangsläufig zu Fehlmessungen.

Das kann sich vor allem bei der Kontrolle einer Serienproduktion schnell zu einer großen Anzahl von Fehlteilen führen.

Optische Messtechnik reagiert auf bestimmte Umweltparameter sehr empfindlich. Eine zu hohe Luftfeuchtigkeit kann beispielsweise den Strahlengang von Lichtstrahlen und ihre Reflexion beeinflussen. Ab einer bestimmten Empfindlichkeit wird diese Messtechnik nicht mehr ohne kontrollierte Umweltbedingungen funktionieren können.

Störungen können auch während der Messaufnahme auftreten, selbst wenn die Kalibrierung vormals perfekt durchgeführt wurde.

Vibrationen, Temperaturschwankungen oder andere Einflussfaktoren können sich negativ auf optische Messgeräteauswirken. Die Folge ist auch hier eine hohe Anzahl an Fehlmessungen, bevor die Störung in der Messtechnik bemerkt und korrigiert wird.

Die Zukunft heißt optisches Messen

Trotz der Gefahren, die mit dem 3D Messen über optische Messverfahren einhergehen, überwiegen doch deutlich die Vorteile.

Die 3D Messtechnik über optische Messgeräte ist die Antwort auf die effiziente Produktion fehlerloser Chargen.