Neuartige dreidimensionale Formmesstechnik für schnell rotierende Objekte

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jürgen W. Czarske
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 235791889

Die sub-mikrometer präzise Erfassung der Form und Lage schnell rotierender Bauteile erlaubt wichtige Fortschritte in der Fertigungstechnik. Im Rahmen der ersten Förderperiode wurde ein neuartiger phasenauswertender Laser-Doppler-Distanzsensor (P-LDD Sensor) systemisch untersucht. Das P-LDD-Messsystem nutzt die gleichzeitige Oberflächenpositions- und Geschwindigkeitsmessung, um die Bauteilform und -lage mit nur einem Schlüssellochzugang zu erfassen. Hierbei wurde ein wissenschaftlicher Durchbruch erreicht. Die Messunsicherheit des P-LDD-Sensors wurde mit einer Streulichtmessung aus zwei geometrischen Richtungen und einer neuartigen Signalauswertungsmethode um mehr als eine Größenordnung reduziert. Weiterhin wurde der P-LDD-Sensor in eine Bearbeitungsmaschine eingebaut (Kooperation mit der PTB in Braunschweig) und die Werkstückform erfolgreich erfasst. Dabei liegt die zufällige Messabweichung bei nur 300 nm (Standardabweichung) auch bei hohen lateralen Oberflächengeschwindigkeiten. Die erreichbare Gesamtmessunsicherheit mit dem weltweit einzigartigen Verfahren ist zurzeit jedoch durch den Speckle-Effekt und durch temperaturbedingte Abweichungen der Kalibrierkurven limitiert. Zusätzlich beschränkt die laterale Auflösung das Einsatzgebiet auf die Bestimmung makrogeometrischer Formmerkmale.Ziel der beantragten zweiten Förderperiode ist deshalb die Reduktion der Messabweichungen auf Grund des Speckle-Effektes sowie der systematischen Messabweichungen und eine Steigerung der lateralen Auflösung. Damit sollen sowohl makro- als auch mikrogeometrische Formmerkmale von rotierenden Bauteilen messbar gemacht werden. Hierfür wird anstelle eines Einzeldetektors eine Zeilen- bzw. Matrixkamera mit einer neuartigen Bildauswertung für die bewegten Speckle-Muster eingeführt und grundlegend untersucht. Die Bildauswertung ermöglicht eine getrennte Auswertung der Streulichtsignale einzelner Speckles und damit die Eliminierung bislang auftretender Phasensprünge im Detektorsignal. Numerische Voruntersuchungen zeigen eine Reduzierung der durch Speckles verursachten Messabweichungen auf. Mit der Verwendung einer Matrixkamera und einer erweiterten Bildauswertung lässt sich zudem eine in-situ Kalibrierung realisieren, die zur Reduzierung der systematischen Messabweichungen eingesetzt und charakterisiert werden soll. Zugleich gestattet die Erweiterung des Messsystems mit einer Kamera eine Steigerung der lateralen Auflösung, so dass mikrogeometrische Merkmale zusätzlich zur Form von Freiformflächen in-situ bestimmt werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Kooperationspartner: Professor Dr.-Ing. Harald Bosse