Entwicklung eines berührungslosen Tastsystems für den Einsatz an Koordinatenmeßgeräten

116 Pages·1987·4.165 MB·German

by  Ms. of Sc. Hie-Sik Kim (auth.)

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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
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© Springer-VerlagBerlinHeidelberg1987
UrsprünglicherschienenbeiSpringer-VerlagBerlinHeidelbergNewYork1987
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gebenenfallsfürdieeigenenArbeiten dievollständigenVorschriften oderRichtlinieninder
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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