Sensor zur optischen Abstand- und Winkelmessung an sphärisch gekrümmten Oberflächen

Bei der Bearbeitung von Werkstücken, z.B. beim Bohren oder Fräsen, ist es oft wünschenswert, den Bearbeitungskopf im Prozess auch bei höheren Achsgeschwindigkeiten den vorhandenen Wölbungen der Werkstück-Oberflächen anzupassen.

Der hier beschriebene Sensor stellt sich dieser Aufgabe. Er misst die momentanen Abstände und Winkel des über der Oberfläche bewegten Bearbeitungskopfes. Daraus werden die aktuellen Abstands- und Winkelkorrekturen des Bearbeitungskopfes über der sphärisch gekrümmten Oberfläche berechnet, welche den Achsen zur Verfügung gestellt werden.

Bearbeitungskopf - sphärisch gekrümmte Oberfläche
© Fraunhofer IWU

Bearbeitungskopf an sphärisch gekrümmter Oberfläche

Damit wird ein konstanter Abstand des Bearbeitungskopfes zur Oberfläche erreicht. Zugleich wird dessen genaue Ausrichtung in beiden Winkel-Normalen αx/z senkrecht zur Oberfläche auch über sphärisch gekrümmten Oberflächen (sieh Bild 1, grüne Linie) gewährleistet.

Die Messungen erfolgen kontinuierlich in situ während der Bewegung und zugleich nicht invasiv nach einem Verfahren der Aktiven Triangulation. Der Sensor wird eingehaust und befindet sich an der Spitze des Bearbeitungskopfes.

Der Sensor besteht aus folgenden Komponenten:

  • 1x Miniatur-Kreuzlinien-Laser der Fa. Laser 2000, optische Leistung 0,9 mW bei 25°C,
    λ= 635 nm, Focusabstand 80 mm, Länge 29 mm, Durchmesser 8 mm
  • 1x uEye USB2.0 Kamera UI-1220SE-M-HQ, 1/3“ CMOS Monochrom Sensor, 752x480
    Pixel, Global Shutter, C-Mount, Grauwerttiefe 8 Bit
  • 1x Objektiv, f = 16 mm, C-Mount, Fixierschrauben incl. Zwischenring

 

Ergebnisse

Die drei Messgrößen besitzen über den gesamten Messbereich ein lineares Verhalten, es werden dabei folgende charakteristische Kennwerte erreicht:

Geometrische Parameter

  • Arbeitsabstand: ca. 60 … 80 mm
  • Grösse des Messfeld: ca. 20 x 20 mm²
  • Erfasster Winkelbereich: - 10° … + 10°
  • Anzahl der Abtastungen innerhalb der Laserlinie: 2 … 100
  • Anzahl der Stützstellen innerhalb der Abtastungen: 2 … 100
  • Empfindlichkeit der Winkel-Messung (2x): 18’/Pixel
  • Empfindlichkeit der Abstandsmessung: 0,1 mm/Pixel

Systemparameter

  • Belichtungszeit: ≥ 1,7 ms bei 0,9 mW Output des Lasers
  • Benötigte Zeit für Messwert-Ausgabe : ≥ 3,5 ms
  • Bildfrequenz: ca. 83 fps
  • Pixeltakt: 38 MHz