Objektivierung und vereinheitlichung der optischen koordinatenmesstechnik
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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. Lernziele. 1.

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Objektivierung und Vereinheitlichung der optischen Koordinatenmesstechnik

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Objektivierung und vereinheitlichung der optischen koordinatenmesstechnik

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


Lernziele

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


Gliederung

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?


1 was bedeutet objektivierung der optischen antastung

1. Was bedeutet Objektivierung der optischen Antastung?

Die Reduzierung von subjektiven Einflüssen im Messprozess birgt das höchste Potenzial zur Verringerung der Messunsicherheit !


1 1 welchen einfluss hat der bediener von okm auf das messergebnis

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


1 2 welche probleme und zielstellungen gibt es bei der optischen antastung

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


1 3 wie kann die objektivierung der okm bei der messwertgewinnung erreicht werden

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


1 4 wie kann die objektivierung der okm bei der messwertverarbeitung erreicht werden

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


1 5 welche unterschiede bestehen zwischen mensch und maschine

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


1 5 1 wie unterschiedlich ist die menschliche wahrnehmung gleicher intensit tsunterschiede

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


1 5 2 welche unterschiede bestehen zwischen den menschen und der maschine

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


Objektivierung und vereinheitlichung der optischen koordinatenmesstechnik

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.


2 1 2 wie wirkt auflicht hellfeld

2.1.2 Wie wirkt Auflicht-Hellfeld?

Auflicht Hellfeld

nach Schröder, G.: Technische Optik. 8. Auflage. Würzburg: Vogel Verlag, 1998


2 1 3 wie wirkt auflicht dunkelfeld

2.1.3 Wie wirkt Auflicht Dunkelfeld?

Auflicht Dunkelfeld

nach Schröder, G.: Technische Optik. 8. Auflage. Würzburg: Vogel Verlag, 1998


2 1 4 wie wirkt durchlicht hellfeld

2.1.4 Wie wirkt Durchlicht Hellfeld?

Durchlicht Hellfeld

nach Schröder, G.: Technische Optik. 8. Auflage. Würzburg: Vogel Verlag, 1998


2 2 wie erscheinen verschiedene strukturen in abh ngigkeit der beleuchtungsart

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


2 3 wie k nnen die einfl sse der beleuchtung auf den antastort charakterisiert werden

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 iInput

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


2 4 wie wird die wechselwirkung zwischen mess objekt und beleuchtung erfasst und gesteuert

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


2 5 wie wird der beleuchtungseinfluss in der antastumgebung charakterisiert

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


2 5 wie wird der beleuchtungseinfluss in der antastumgebung charakterisiert1

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


2 6 wie kann die beleuchtungsoptimierung realisiert werden

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)


2 7 welche ergebnisse liefert die automatische beleuchtungseinstellung

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


3 wie k nnen adaptive antastverfahren realisiert werden 3 1 was versteht man unter antaststrategie

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


3 2 wie kann eine automatische konturverfolgung entlang des messobjekts durchgef hrt werden

3.2 Wie kann eine automatische Konturverfolgung entlang des Messobjekts durchgeführt werden?

Richtung

Start

Ende

Konturverfolgung der Padkontur

Padkontur und eingepasstes Rechteck


3 3 wie muss die antaststrategie festgelegt werden

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


3 4 wie k nnen 3d k rperkanten im bild hervorgehoben und angetastet werden

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


Objektivierung und vereinheitlichung der optischen koordinatenmesstechnik

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


5 was bedeutet der osis standard

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


5 1 wie erfolgt der einheitliche datenaustausch ber die osis schnittstelle

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


6 was versteht man unter i dme

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


6 1 wie kann man die einheitliche steuerung von koordinatenmessger ten realisieren

6.1 Wie kann man die einheitliche Steuerung von Koordinatenmessgeräten realisieren?

Quelle: Zeiss. http://www.zeiss.de . 2003


6 2 wie kann okm ber i dme in den industriellen qualit tsregelkreises eingebunden werden

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


6 3 wie funktioniert die automatisierte cad basierte qualit tspr fung ber i dme

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


6 4 wie wird das client server prinzip in dme angewendet

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)


6 5 welche typischen befehle unterst tzt i dme

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


Vielen dank f r die objektive erfassung und einheitliche verarbeitung der bilder

Vielen Dank für die objektive Erfassungund einheitlicheVerarbeitungder Bilder


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