Neuartige dreidimensiona­le Formmesstechnik für schnell rotierende Objekte

Die Zielsetzung ist, eine neuartige dreidimensionale Formmesstechnik für schnell bewegte Objekte, beispielsweise rotierende Werkstücke in Bearbeitungsmaschinen, zu untersuchen. Mit einem Vergleich des Soll- und Istwertes von Werkstücken kann die Bearbeitungsqualität deutlich verbessert werden. Als Messtechnik kommen taktile Verfahren zum Einsatz. Aufgrund der in der Regel erforderlichen Aus- und Einspannung des Bauteils treten unerwünschte Toleranzen auf. Optische in-situ Messungen können dieses Problem beseitigen. Allerdings werden üblicherweise zwei Distanzsensoren benötigt, um den Durchmesser und die Form des Werkstücks zu messen. Stattdessen soll in diesem Vorhaben nur ein einzelner Sensor genutzt werden, der eine gleichzeitige Distanz- und Geschwindigkeitsmessung vornimmt. Hieraus ergibt sich die zweidimensionale Form rotierender Objekte.
Eingesetzt wird ein phasenauswertender Laser-Doppler-Distanzsensor (P-LDDS), der die Phasendifferenz zweier verkippter Interferenzstreifensysteme auswertet. Die neuartige symmetrische Detektion des Streulichtes erlaubt die Reduzierung der Distanzmessunsicherheit um mehr als eine Größenordnung prinzipiell bis in Nanometerbereich. Ein wichtiger Vorteil ist, dass die Distanzmessunsicherheit des P-LDDS von der lateralen Geschwindigkeit näherungsweise unabhängig ist. Um diesen weltweit einzigartigen Sensor für die Formvermessung schnell rotierender Objekte verfügbar zu machen, sind grundlegende Untersuchungen zum Messunsicherheitsbudget und zur Rückführung auf die SI-Einheiten notwendig. Hierbei sollen die Einflüsse der Mikrogeometrie (Rauheit, Welligkeit, Riefen) und der Makrogeometrie (Krümmung, Strukturierung) auf die Messunsicherheit der Distanz und Geschwindigkeit in Bezug zum optischen System und zur digitalen Signalverarbeitung untersucht werden.
Die dreidimensionale Formvermessung erfolgt zum einen mit dem automatischen Vorschub in einer Bearbeitungsmachine. Zum anderen soll ohne mechanisch zu bewegende Elemente die 3D-Messung mit einer Zeilenkamera vorgenommen werden. Dabei gibt es in Anbetracht der limitierten Messfrequenz der Kamera Forschungsbedarf zur Signalverarbeitung. Mit einer adaptierten Heterodyntechnik soll die Unterabtastung des schmalbandigen hochfrequenten Signals vorgenommen werden.
In Zusammenarbeit mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt erfolgen in-situ Formmessungen schnell rotierender Objekte in einer Präzisionsbearbeitungsmaschine. Unter Einbezug von taktilen Referenzmesstechniken werden die Messeigenschaften des P-LDDS grundlegend untersucht, bewertet und auf die SI-Einheiten rückgeführt. Im Falle des Erfolges, steht für die Prozesstechnik ein neuartiges Verfahren für dreidimensionale Formvermessungen von schnell rotierenden Objekten mit Submikrometerunsicherheit zur Verfügung.

Bearbeiter:H. Zhang, R. Kuschmierz

Zeitraum:   08/16 – 07/19

 R. Kuschmierz, A. Davids, S. Metschke, F. Löffler, H. Bosse , J. Czarske, A. Fischer “Optical, in situ, three-dimensional, absolute shape measurements in CNC metal working lathes“, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Volume 84, Issue 9, pp 2739-2749 (June 2016).

H. Zhang, R. Kuschmierz, J. Czarske, “Miniaturized interferometric 3-D shape sensor using coherent fiber bundles”, Optics and Lasers in Engineering, 107, 364-369 (2018).