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Datenfusion optisch flächenhaft erfasster Mikrotopografien mit Bezugsebene (DFG)

In diesem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projekt wird am Institut für Mess- und Regelungstechnik (IMR) der Leibniz Universität Hannover (LUH) die Datenfusion von Mikroskopaufnahmen mittels bildverarbeitender Software untersucht. Im Projekt „Datenfusion optisch flächenhaft erfasster Mikrotopografien mit Bezugsebene“ wurden Methoden für eine abweichungsminimierte Datenfusion von überlappenden Messfeldern von bildverarbeitenden 3D-Mikroskopen (Stitching) untersucht. Das Ziel dieser Methode ist die Erstellung von hochauflösenden Messfeldern mit einer Ausdehnung im Bereich von mehreren mm Kantenlänge für die Rauheitsmessung technischer Oberflächen. Aufgrund von vielfältigen Abweichungsursachen wird die Messdatenfusion der Überlappungsbereiche er-schwert. Hierzu zählen optische Fehler (z.B. Verzeichnung), Messrauschen, fehlerhafte oder fehlende Messdaten, sowie Führungsabweichungen der Positioniersysteme, wie z.B. Rotati-onsabweichungen der Achsenausrichtung des CCD-Chips gegenüber den Translationsach-sen sowie mangelnde Wiederholgenauigkeit. Bei kommerziellen Systemen sind die Fehler-quellen häufig nur unzureichend korrigiert und erzeugen Ungenauigkeiten in den Überlap-pungsbereichen. Für die Rauheitsmesstechnik und Charakterisierung von technischen Ober-flächen stellen diese Fehler Probleme dar, welche untersucht und beseitigt werden müssen.

Im Rahmen des Projekts wurde das Verhalten von 3D-Oberfächenmikroskopen mit xy-Positioniereinheiten auf die oben aufgeführten Abweichungen untersucht und eine Software zur Charakterisierung und Korrektur der Verzeichnungen auf Basis von Messungen von schachbrettartigen Verzeichnungstestbildern entwickelt. Messungen mit Auflösungs-, Struk-tur- und Ebenennormalen wurden durchgeführt um Rotations-, Kipp- und Translationsfehler der Positioniereinheiten zu charakterisieren. Die Fehler der abbildenden, positionierenden und datenverarbeitenden Systeme wurden in eine modellbasierte Simulation von 3D-Oberflächenmikroskopen eingebunden um die Stitchingmethoden (Bildregistrierung, Daten-fusion) unter definierten Bedingungen zu untersuchen.

Da bei Messungen mit 3D-Oberflächenmikroskopen, wie Weißlichtinterferometern und Kon-fokalmikroskopen, häufig an Stellen mit hohen Oberflächengradienten fehlende Messwerte durch mangelnde Intensität auftreten, wurden Untersuchungen durchgeführt mit dem Ziel eine Interpolation der fehlenden Messbereiche zu erreichen die robust gegenüber Messrau-schen und Ausreißern in den Überlappungsbereichen ist. Es wurden triangulationsbasierte Verfahren mit pixelbasierten Verfahren verglichen. Die Korrelierbarkeit der wiederhergestell-ten Bereiche ist bei solchen Methoden am erfolgreichsten, die eine (gewichtete) Mittelung der Messwerte der 8-Nachbarschaft zur Interpolation nutzen.

Um die Bildregistrierung bei unbekanntem Überlapp zwischen zwei Messungen mit Positions- und Richtungsinformation zu ermöglichen wurde eine Korrelationsmethode auf Basis eindimensionaler Merkmalsfunktionen der Oberflächen entwickelt. Die Funktionen werden durch Ermittlung von statistischen Größen senkrecht zur Translationsrichtung erstellt. Durch Schätzung des Überlappbereichs kann eine auf wenige Pixel genaue Korrelation mittels Fou-riertransformation bei rauen Oberflächen für geringe Überlappbereiche (10% der Bildfläche, gegenüber 35% bis 20 % notwendigem Überlapp bei alleiniger Verwendung der Korrelation mittels Fourier-Transformation) erzielt werden. Eine subpixelgenaue Registrierung wurde anschließend mit der Fourier-Phasenkorrelation durchgeführt. Beide Methoden wurden mit-tels simulierter Messdaten von rauen Oberflächen eines virtuellen Weißlichtinterferometers getestet und auf ihre Genauigkeit untersucht.

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Dipl.-Phys. Markus Kästner 

Geometrieprüfung optisch nicht kooperativer Oberflächen (SFB 489, TP T5)

Endbearbeitete Bauteile weisen meist glänzende Oberfächen auf
Endbearbeitete Bauteile weisen meist glänzende Oberfächen auf

Optische Messsysteme liefern für die Geometriemessung technischer Bauteile schnelle und flexible Methoden, die in unterschiedlichen Bauteilstadien eingesetzt werden. Sie haben den Vorteil, dass sie nichtinvasiv sind und somit das Bauteil nicht beschädigen. Sie sichern eine schnelle Auswertung komplexer Bauteile mit einer hohen Datendichte. Zudem können mit verschiedenen optischen Messmethoden flächenhafte Messdaten gewonnen werden. Die Genauigkeiten optischer Messtechniken nähern sich je nach Anwendung zunehmend taktilen Messtechniken an.

Sie sind aus diesen Gründen für Messungen im industriellen Rahmen geeignet. Allerdings stellen optische Messmethoden spezielle Anforderungen an die Bauteiloberflächen, die unter Laborbedingungen leicht erfüllt werden können, im industriellen Fertigungsablauf aber selten anzutreffen sind.

Das Transferprojekt T5 „Geometrieprüfung optisch nicht kooperativer Oberflächen“ im Sonderforschungsbereich 489 „Prozesskette zur Herstellung präzisions-geschmiedeter Hochleistungsbauteile“ beschäftigt sich mit der Vorbereitung der Streifenprojektionsmesstechnik zur Messung unterschiedlicher Rundteile unter industriellen Bedingungen, in denen diese oft nicht optisch kooperative Oberflächen aufweisen.

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Omar Abo-Namous

Adaptronische Feinpositionierung (SFB 489, TP T4)

Die industrielle Nutzbarmachung der Grundlagenergebnisse des Sonderforschungsbereichs 489 „Prozesskette zur Herstellung präzisionsgeschmiedeter Bauteile“ ist die Zielsetzung des Transferbereiches. Das initiierte Teilprojekt T4 „Adaptronische Feinpositioniervorrichtung in Spannfuttern für Werkzeugmaschinen“  befasst sich mit der industriegerechten Feinpositionierung von Zahnrädern in automatisierten Fertigungsprozess. Die verwendete schnelle und hochgenaue Lasermesstechnik ermöglicht die optische Geometrieerfassung von Zahnrädern innerhalb von Werkzeugmaschinen. Verwendet werden hierfür konoskopische Punktsensoren, welche einen Stirnschnitt des eingespannten Zahnrades aufnehmen. Durch die effizienten Auswertealgorithmen können exzentrische Spannpositionen von Zahnrädern, welche durch Spannfehler entstehen können, schnell und sicher mit Standardabweichungen << 1μm detektiert werden. Ein errechneter Korrekturvektor ermöglicht eine anschließende Feinpositionierung, welche die bestmögliche Position für die folgende spanende Bearbeitung der Funktionsflächen sicherstellt.

Ansprechpartner: M.Sc. Dipl.-Ing. (BA) Achim Pahlke

WEMESURF

Das Projekt „WEMESURF“ ist ein durch die EU gefördertes Marie Curie Projekt mit 13 Partnern aus ganz Europa. Die Ziele des gesamten Projekts sind zum einen die Charakterisierung von Verschleißmechanismen und Oberflächenfunktionalitäten im Hinblick auf die Vorhersage der Lebensdauer und zum anderen die Erstellung von Qualitätskriterien zur Beschreibung von tribologischen Eigenschaften. Unter tribologischen Aspekten betrachtet spielen Bereiche in der Größenordnung von Mikro- bis Nanometern eine übergeordnete Rolle. Im Rahmen des Projekts arbeitet das IMR mit anderen Partnern zusammen, um eine oberflächenbezogene Verschleißanalyse durchzuführen. Eine strukturorientierte Rauheitscharakterisierung der AlSi-Zylinderlaufbahnoberflächen vor und nach dem Verschleiß steht im Zentrum der Forschungsarbeiten vom IMR. Außerdem unterstützt das Institut die anderen Partner bei den Verschleißmessungen mit optischen topographischen Sensoren.

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Qiang Hao

Aufmaßorientierte Feinpositionierung (SFB 489, TP A5)

Innerhalb des Teilprojekts A5 „Aufmaßorientierte Feinpositionierung“ im Sonderforschungsbereich 489 „Prozesskette zur Herstellung präzisionsgeschmiedeter Bauteile“ ermittelt eine prozessintegrierte Messung die optimale Lage der mit Aufmaß versehenen präzisions- geschmiedeten Ritzelwellen vor den qualitätsgebenden Hartfeinbearbeitungsschritten. So können Fehlpositionen der Funktionselemente Verzahnung und Wellenschaft aufgrund der auftretenden Form-, Maß- und Lageabweichungen detektiert und ausgeglichen werden. Eingesetzt werden hierfür konoskopische Punktsensoren, die mit Hilfe einer Linearachse dem zu messenden Bauteil innerhalb einer Werkzeugmaschine zugestellt werden. Durch die Auswertung der erfassten Daten, die sowohl Exzenter- als auch Taumelfehler detektiert, wird somit die bestmögliche Lage für die Bearbeitung der Funktionsflächen sichergestellt.

Ansprechpartner: Dipl.-Wirtsch.-Ing. Rüdiger Gillhaus

Vollständige fertigungsnahe Geometrieprüfung (SFB 489 B5)

Virtueller Versuchsstand

Abbildend hergestellte Bauteile weisen für das Fertigungsverfahren typische lokal begrenzte und individuell ausgeprägte Geometriefehler und Aufmaßschwankungen auf. Zur Kontrolle des Schmiedeprozesses mit integrierter Wärmebehandlung ist eine Erfassung und Bewertung dieser Fehlstellen notwendig. Der Kernpunkt des Teilprojektes B5 "Vollständige fertigungsnahe Geometrieprüfung" des SFB 489 "Prozesskette zur Herstellung präzisionsgeschmiedeter Bauteile" ist daher die Entwicklung von Mess- und Auswertemethoden zur schnellen und vollständigen Erfassung der Geometrie präzisionsgeschmiedeter Bauteile mittels optischer Multisensortechnik nach dem Schmiedeprozess und vor der abschließenden Hartfeinbearbeitung.

Im aktuellen Antragszeitraum ist die Erstellung eines virtuellen Multisensorsystems auf Basis der im Rahmen des Teilprojektes eingesetzten optischen Messtechniken geplant. Auf Grundlage der Simulation des gesamten Messvorganges mit dem virtuellen Multisensorsystem lässt sich die volle Leistungsfähigkeit des realen Messsystems ermitteln und nutzbar machen. So wird beispielsweise eine schnelle Auslegung der Messstrategie zur Geometrieprüfung beliebiger umformend hergestellter Bauteile ermöglicht. Des Weiteren sollen auf Grundlage von Simulationen Untersuchungen zur Messunsicherheit durchgeführt werden. Ziel ist hierbei das Aufstellen von Messunsicherheitsbudgets. Das virtuelle Multisensorsystem kann zudem, auf Basis simulierter Messungen am CAD-Modell, als wichtiges Werkzeug bei der Beurteilung der Messbarkeit bereits bei der Konstruktion eines Bauteils eingesetzt werden.

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Klaus Haskamp

Strukturorientierte Oberflächencharakterisierung auf Basis optischer Messtechnik (DFG FOR 576, TP 4)

Die Signalverarbeitungssoftware Strukturfinder mit in den rot markierten erkannten Strukturen
Die Signalverarbeitungssoftware Strukturfinder mit in den rot markierten erkannten Strukturen

Projektziel des Instituts für Mess- und Regelungstechnik (IMR) der Leibniz Universität Hannover ist, die Oberflächen der in den vorigen Teilprojekten des IFW und IW erstellten Proben zu charakterisieren und die funktionsrelevanten Strukturen zu bestimmen. Zunächst werden die Proben mit optischen Rauheitsmessgeräten flächenhaft gemessen. Dafür stehen dem IMR verschiedene Messgeräte wie ein Weißlichtinferometer, ein konfokales Mikroskop oder ein chromatischer Sensor zur Verfügung. Diese beleuchten die Oberfläche der Proben mit Weißlicht, bestimmen aus dem zurückreflektierten Licht die Höheninformationen der Probenoberfläche und ermöglichen somit eine 3D-Darstellung der Oberfläche. Diese Messdaten werden zusammen mit Messparametern wie Messgerät und Messgeräteobjektiv in einer Datenbank gespeichert. 

Danach werden diese Messdaten ausgewertet: Zunächst wird die in den Messdaten vorhandene Form durch eine einstellbare Bezugsflächenfilterung eliminiert (Bezugsflächenfilterung erster Ordnung bei Flachproben und Bezugsflächenfilterung zweiter Ordnung bei Rundproben). Hierfür wird ein selbstentwickeltes Software-Programm benutzt, das auch die weitere Charakterisierung vornimmt. Geeignete Algorithmen aus der morphologischen Bildverarbeitung und Regionenfindung untersuchen die Oberfläche. Eine erkannte Region unterscheidet sich von Ihrer Umgebung wesentlich durch bestimmte Eigenschaften: So hat beispielsweise ein Näpfchen im Vergleich zu seiner Umgebung eine geringere Höhe und eine geschlossene rundliche Form.

Weitere interessante Eigenschaften sind zum Beispiel Breite, Fläche, Volumen, Form, projizierte Form und Vorzugsrichtung einer Region oder Verteilung, Verteilungsdichte und Abstände mehrerer Regionen untereinander. Da selbst bei den optischen Rauheitsmessgeräten die erfasste Fläche kleiner als ein Quadratmillimeter ist, gilt es herauszufinden, ob sich bereits aus einer Messung stabile Kennwerte ermitteln lassen oder ob der Messbereich durch Aneinanderfügen von mehreren Messungen, das sogenannte Stitchen, vergrößert werden muss.

Auch diese Kennwerte werden zu weiteren Auswertungen in der gleichen Datenbank abgelegt. In einem Vergleich jener mit den Tribologieuntersuchungen der vorherigen Teilprojekte gilt es, die funktionsrelevanten Kenngrößen herauszufinden. Mit diesen Kenntnissen werden wiederum Proben auf Grundlage der ermittelten Ergebnisse mit optimierten Oberflächen in den vorherigen Teilprojekten hergestellt und wiederum zur Charakterisierung diesem Projekt übergeben, um die Verbesserungen nachzuweisen.

Ansprechpartner: EngelkeDipl.-Phys. Florian Engelke

Multiskalenmethoden für die dimensionelle Charakterisierung von Oberflächen und Grenzschichten(MARIO)

In der Automobilindustrie befassen sich neue Forschungsansätze im Bereich plasmagespritzter Oberflächenbeschichtungen für flüssigkeitsgeschmierte Hochleistungskontaktpaarungen, wie beispielsweise Zylinderlaufbahnen von Verbrennungsmotoren, mit porösen Materialschichtsystemen zur Optimierung des tribologischen Verhaltens und der Schmierung im Hinblick auf Treibstoffeffizienz.

Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung und Erforschung von Methoden zur dimensionellen Charakterisierung dieser porösen Oberflächenbeschichtungen mit Hilfe von Multiskalenmethoden zur Datenerfassung und Auswertung. Für eine verlässliche Messung der Form, Oberflächenmikrotopographie und der volumetrischen Geometrieinformationen der porösen Materialschichten ist es notwendig, geeignete Kalibrier- und Messstrategien, basierend auf einer Kombination aus Oberflächenmesstechnik und Mikrocomputertomographie, zu entwickeln. Auf Grundlage eines volumetrischen Messdatenmodells sollen Kenngrößen zur quantitativen Beschreibung der dimensionellen Parameter der Geometrieelemente auf bzw. innerhalb der porösen Oberflächenbeschichtung entwickelt werden. Die Korrelation dieser Parameter mit dem tribologischen Verhalten der jeweiligen beschichteten Oberfläche kann entscheidende Information für eine Optimierungder Parameter des Plasmaspritzprozesses liefern.

Ansprechpartner: M.Sc. Yibo Zou

Endoskopische Geometrieprüfung durch modulare faseroptische Sensorköpfe (SFB/TR 73, TP B6)

Eine fertigungsnahe Qualitätsprüfung von Bauteil- und Werkzeugoberflächen wird in Zeiten des erweiterten Qualitätsmanagements immer wichtiger. Der Trend geht bei vielen Bauteilen zu einer 100% Prüfung im laufenden Fertigungsprozess. Angewandte Messmethoden müssen hierbei vor allem schnell und umfassend sein um die Produktion nicht zu verlangsamen. Großflächige Aufnahmen von Geometrien mit Hilfe von Streifenprojektionssystemen sind heutzutage mit kommerziell erhältlichen Systemen hochgenau möglich. Diese Systeme stoßen allerdings bei Messobjekten komplexerer Baustruktur aufgrund von Abschattungseffekten und schwer zugänglichen Bauteilgeometrien an ihre Grenzen.

Im Rahmen des von der deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Sonderforschungsbereiches Transregio 73 (SFB/TR73) wird daher ein neuartiges Mikrostreifenprojektionssystem entwickelt. Mit diesem wird es möglich mit Hilfe faseroptischer Bildleiter filigrane und schwer erreichbare Bauteilgeometrien zeitoptimiert und vollständig ohne Neupositionierung des Bauteils zu erfassen. Systematische Messfehler werden hierbei reduziert. Die gewonnenen Datensätze können für ein eigenes Modell genutzt werden oder Daten eines großflächig arbeitenden Systems komplettieren. Solche Modelle können für die direkte und unmittelbare Analyse und Optimierung von Fertigungsabläufen genutzt werden und somit Ausschussraten reduzieren. Ebenso können Daten von Funktionsflächen mit Daten aus der Einzelpunktmessung von Mehrkoordinatenmesssystemen kombiniert werden. Auf diese Weise können in der losgrößenbasierten Einzelteilprüfung komplexe Bauteile schnell und vollständig überprüft werden.

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. (FH) Christoph Ohrt