Entwicklung eines berührungslosen Tastsystems für den Einsatz an Koordinatenmeßgeräten PDF
Preview Entwicklung eines berührungslosen Tastsystems für den Einsatz an Koordinatenmeßgeräten
6[}JDJ = 6[TIU] Forschung und Praxis Band 112 Berichte aus dem Fraunhoter-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA),Stuttgart, Fraunhoter-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation (IAO),Stuttgart, und Institutfür Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb derUniversität Stuttgart Herausgeber: H.J.Warnecke und H.-J.Bullinger Hie-Sik Kim Entwicklung eines berührungslosen Tastsystems für den Einsatz an Koordinatenmeßgeräten Mit62Abbildungenund 4Tabellen Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1987 Ms.ofSc.Hie-SikKim Fraunhofer-InstitutfOrProduktionstechnikundAutomatisierung(lPA),Stultgart Or.-Ing.H.J.Wamecke o.ProfessoranderUniversitätStultgart Fraunhofer-InstitutfOrProduktionstechnikundAutomatisierung(lPA),Stultgart Or.-Ing.habil.H.-J.Bullinger o.ProfessoranderUniversitätStultgart Fraunhofer-InstitutfOrArbeitswirtschaftundOrganisation(IAO),Stultgart 093 ISBN978-3-540-18578-9 ISBN978-3-662-07045-1 (eBook) DOI 10.1007/978-3-662-07045-1 DiesesWerkisturheberrechtliehgeschOtzt.DiedadurchbegründetenRechte,insbesondere die der Übersetzung,des Nachdrucks,des Vortrags,der Entnahmevon Abbildungen und Tabellen.derFunksendung,derMikroverfilmungoderderVervielfältigungaufanderenWegen und der Speicherung inDatenverarbeitungsanlagen,bleiben,auch bei nurauszugsweiser Verwertung,vorbehalten.EineVerfielfältigungdiesesWerkesodervonTeilendiesesWerkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheber rechtsgesetzesderBundesrepublikDeutschlandvom9.September1965inderFassungvom 24.Juni1985zulässig.Sieistgrundsätzlichvergütungspflichtig.Zuwiderhandlungenunter liegendenStrafbestimmungendesUrheberrechtsgesetzes. © Springer-VerlagBerlinHeidelberg1987 UrsprünglicherschienenbeiSpringer-VerlagBerlinHeidelbergNewYork1987 DieWiedergabevonGebrauchsnamen,Handelsnamen,Warenbezeichnungenusw.indiesem Werkberechtigtauch ohne besondere Kennzeichnung nichtzuderAnnahme,daßsolche NamenimSinnederWarenzeichen-undMarkenschutz-Gesetzgebungalsfreizubetrachten wärenunddahervonjedermannbenutzt werdendür!1en. Sollte indiesem Werkdirekt oder indirektaufGesetze,Vorschriften oder Richtlinien (z.B. DIN,VDI,VDE)Bezuggenommenoderausihnenzitiertwordensein,sokannderVerlagkeine Gewähr für Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualitätübernehmen. Esempfiehlt sich, ge gebenenfallsfürdieeigenenArbeiten dievollständigenVorschriften oderRichtlinieninder jeweilsgültigen Fassunghinzuzuziehen. 2362/3020-543210 Geleitwort der Herausgeber Futuristische Bilder werden heute entworfen: o Roboter bauen Roboter, o Breitbandinformationssysterre transferieren riesige DateI1lTl2l1gen in Sekunden umdie ganzeW=lt. Von der "rrenschenleeren Fabrik" wird da gesprochen und vom "papierlo sen Büro". Wörtlich genorrrnen mußman beides als Utopie bezeichnen, aber der Entwicklungstrend geht sicher zur "automatischen Fertigung" und zum "rechnerunterstützten Büro". Forschung bedarf der Perspektive, Forschung benötigt aber auch die Rückkopplung zur Praxis - insbeson dere im Bereich der Produktionstechnik und der Arbeitswissenschaft. Für eine Industriegesellschaft hat die Produktionstechnik eine SChlüs selstellung. M=chanisierung und Automatisierung haben es uns in den letzten Jahren erlaubt, die Produktivität unserer Wirtschaft ständig zu verbessern. In der Vergangenheit stand dabei die Leistungssteigerung einzelner Maschinen und Verfahren im Vordergrund. Heute wissen wir, daß wir das Zusannenspiel der verschiedenen Unternehmensbereiche stärket' beachten müssen. In der Fertigung selbst konzipieren wir flexible Fer tigungssysterre, die viele verkettete Einzelmaschinen beinhalten. Dort, wo es Produkt und Produktionsprogramm zulassen, denken wir intensiv über die Verknüpfung von Konstruktion, ArbaLt.svorbere.ttunq, Fertigung und Qualitätskontrolle nach. Rechnerunterstützte Informationssysterre helfen dabei und sollen zumCIM (Corrputer Integrated Ma.r:ufacturing) führen und CAD (Computer Aided Design) und CAM (Computer Aided Manu facturing) vereinen. Auch die Büroarbeit wird neu durchdacht und mit Hilfe vernetzter COmputersysterre teih..eise automatisiert und mit den anderen Unternehmensfunktionen verbunden. Information ist zu einem Produktionsfaktor geworden, und die Art und Weise, wie man damit umgeht, wird mit über den Unternehrrenserfolg entscheiden. Der Erfolg in unseren Unternehmen hängt auch in der Zukunft entschei dend von den dort arbeitenden Menschen ab. Rationalisierung und Auto rratisierung müssen deshalb im Zusamrenhang mit Fragen der Arbeitsgestal tung betrieben werden, unter Berücksichtigung der Bedürfnisse der Mit arbeiter und unter Beachtung der erforderlichen Qualifikationen. Inve stitionen in Maschinen und Anlagen müssen deshalb in der Produktion wie im Büro durch Investitionen in die Qualifikation der Mitarbeiter be gleitet werden. Bereits Im Planungsstadium müssen Technik, Organisation und Soziales integrativ betrachtet und mit gleichrangigen Gestaltungs zielen belegt werden. Von wissenschaftlicher Seite mußdieses Bemühen durch die Entwicklung von Methoden und Vorgehensweisen zur systematischen Analyse und Ver besserung des Systems Produktionsbetrieb einschließlich der erforder lichen Dienstleistungsfunktionen unterstützt werden. Die Ingenieure sind hier gefordert, in enger Zusarmenarbeit mit anderen Disziplinen, z, B. der Informatik, der Wirtschaftswissenschaften und der Arbeitswis senschaft, Lösungen zu erarbeiten, die den veränderten Randbedingungen Rechnung tragen. Beispielhaft sei hier an den großen Bereich der Informationsverarbei tung im Betrieb erinnert, der von der Angebotserstellung über Konstruk tion und Arbeitsvorbereitungr bis hin zur Fertigungssteuerung und Quali tätskontrolle reicht. Beim Materialfluß geht es umdie richtige Aus- wahl und den Einsatz von Fördermitteln sowie Anordnung und Ausstattung von Lagern. Große Aufrrerksarnkeit wird in nächster Zukunft auch der v.eiteren Automatisierung der Handhabung von Werkstücken und werkzeu gen sowie der M::>ntage von Produkten qescbenkt, v.erden. Von der Forschung muß in diesem Zusarrnrenhang ein Beitrag zumEinsatz fortschrittlicrer intelligenter Conputersysterre erfolgen. Planungs prozesse müssen durch Softwaresysterre unterstützt und Arbeitsbedingun gen wissenschaftlich analysiert und neu gestaltet werden. Die von den Herausgebern geleiteten Institute, das - Institut für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb der Universität Stuttgart (IFF), - Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Autonatisierung (IPA), - Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation (IAO) arbeiten in grundlegender und angewandter Forschung intensiv an den oben aufgezeigten Entwicklungen mit. Die Ausstattung der Labors und die Qualifikation der Mitarbeiter haben bereits in der Vergangenheit zu Forschungsergebnissen geführt, die für die Praxis von großem Wert waren. Zur Umsetzung ge\\lJl1I1enerErkenntnisse wird die SChriften reihe "IPA-IAO - Forschung und Praxis" herausqeqeben, Der vorliegende Band setzt diese Reihe fort. Eine Ubersicht über bisher erschienene Titel wird arnSChluß dieses Buches gegeben. Dem Verfasser sei für die geleistete Arbeit gedankt, dem Springer Verlag für die Aufnahme dieser SChriftenreihe in seine Angebotspa lette und der Druckerei für saubere und zügige Ausführung. Möge das Buch von der Fachwelt gut aufgenomrren v.erden. H. J. Wamecke . H.-J. Bullinger Vorwort Die vorliegende Abhandlung entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Indu strielle Fertigung und Fabrikbetrieb (IFF) der Universität Stuttgart. Herrn Prof. Dr.-Ing. H.-J. Warnecke danke ich für die groß zügige Unterstützung und Förderung meiner Arbeit; dem Mit berichter, Herrn Prof. Dr. Tiziani, für die gründliche Durchsicht und die sich daraus ergebenden wertvollen Hin weise. Bei Herrn Dr.-Ing. R.-J. Ahlers und Herrn Dipl.-Ing. H. Kampa bedanke ich mich sehr für die ergebnisreichen Diskus sionen und ihre Unterstützung, die diese Arbeit ermög lichten. Von den vielen Institutskollegen, die mich durch ihre Hilfe und anregende Kritik unterstützt haben, möchte ich mich namentlich bei den Herren Dr. K. Melchior, L. Schreiber, J . Kring, G. Kuhn, A. Rauba, S. Edel, T. Gar brecht, S. pauly, P. Willems und K.W. Hammes bedanken. Herrn Dr. Chung-Oh Lee und Herrn Dr.-Ing. Chun-Sik Lee vom KAIST/ Seoul und der koreanischen Regierung danke ich für die organisatorische und finanzielle Unterstützung. Meinen Eltern, die mich von Korea aus bei meiner Arbeit moralisch unterstützt haben, gilt mein ganz besonderer Dank. Stuttgart, im August 1987 Hie-Sik Kim Inhaltverzeichnis o Abkürzungen und Formelzeichen 12 1 Einleitung 15 1.1 Hinführung zum Thema 15 1.2 problemstellung und Vorgehensweise 18 2 stand der Technik 20 2.1 Definitionen 20 2.2 Berührungslose Tastsysteme für Koordinatenmeßgeräte 21 2.3 Berührungslose Meßgeräte 26 2.4 Marktübersicht 31 3 Konzeption eines optischen Tastsystems 33 3.1 Anforderungen 33 3.2 Lösungsvarianten und Bewertung 36 3.2.1 Berührungslose Antastprinzipien 36 3.2.2 Auswahl einer geeigneten Sensorarten 40 3.2.3 Auswertung optoelektronischer Sensoren 41 3.2.4 Auswahl eines optischen Verfahrens 44 3.2.5 Lichtwellenlänge-Verfahren 45 3.2.6 Triangulationsverfahren 46 3.3 Eigenschaften der Zeilenkameras 48 3.3.1 untersuchung der Sensoren 48 3.3.2 Räumliche Bewegungen des Lichtflecks 49 3.3.3 Analogvideoausgang 51 3.3.4 Vergleich der Eigenschaften der beiden Kamerasysteme 53 - 10 - 3.4 Beleuchtung 54 3.4.1 Beleuchtungsprinzipien 54 3.4.2 Eigenschaften der Laserröhren 56 3.4.3 Divergenz eines He-Ne-Laserstrahls 57 3.5 Optik 58 3.5.1 Abbildungen mit Optik 58 3.5.2 Beleuchtungsoptik 59 3.5.3 Auswahl einer Abbildungsoptik 60 3.5.4 Bildvergrößerung 61 3.5.5 Berechnung der Abbildung durch mehrere Linsen 62 3.5.6 Stigmatische Abbildung linearer Objekte 63 3.6 Versuchsaufbau 64 3.6.1 Versuchseinrichtung 64 3.6.2 Einfallswinkel und Position der Abbildungsoptik 66 3.6.3 Spiegel am Tastsystem 68 3.6.4 Konzeption für beliebige Antastrichtungen 69 4 Experimentelle Ergebnisse 70 4.1 Eigenschaften des Versuchsaufbaus 70 4.2 Einfluß der Oberflächenrauheit 72 4.2.1 Vergleich mit mechanischer Antastung 72 4.2.2 Lichtreflexion bei Oberflächenrauheiten 73 4.2.3 Unregelmäßige Bewegungen des Lichtflecks 74 4.2.4 Begriffe der Oberflächenrauheiten 75 4.2.5 Standardabweichungen bei mehrmaligen Antastungen 77 - 11 - 4.3 Ergebnisse 79 4.3.1 Auflösung und Abweichungen 79 4.3.2 Bearbeitungsrichtung auf der Oberfläche 81 4.3.3 Einfluß der Temperaturänderung 82 4.3.4 Verkippung der anzutastenden Oberfläche 83 5 Integration in Koordinatenmeßgerät 85 5.1 Verbindung des optischen Tastsystems 85 5.1.1 Mechanicher Anschluß 85 5.1.2 Elektronischer Anschluß 86 5.1.3 Schaltende Antastung 88 5.1.4 Optimierte Antastung 89 5.1.5 Justierung der Optik des Tastsystems 92 5.2 Meßergebnisse 93 5.2.1 Wiederholgenauigkeit 93 5.2.2 Dickenmessung der Parallelendmaße 95 5.2.3 Messung rauher Oberfläche 96 5.2.4 Höhenmessung der würfel aus unterschiedlichen Materialien 97 5.2.5 Messung der Außendurchmesser 98 5.3 Erfahrungen und Grenzen des Einsatzes 99 5.3.1 Grenzen des Einsatzes des Tastsystems 99 5.3.2 Vorteile des entwickelten Tastsystems 100 6 Zusammenfassung 102 7 Schrifttum 104
The list of books you might like
