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Messsystem Mit Licht justiert

| Autor / Redakteur: Heiko Seitz / Udo Schnell

Ein kameragestütztes Ausricht- und Messsystem misst präzise Geradheit und Ebenheit. Dabei werden Messlängen bis über 100 m mit einer Genauigkeit bei der Geradheitsmessung von 0,5 µm/m erreicht.

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Der Elwi-Ger 3000 ermöglicht eine einfache Messung, Justage und Protokollierung der Ergebnisse für unterschiedlichste Anwendungen.
Der Elwi-Ger 3000 ermöglicht eine einfache Messung, Justage und Protokollierung der Ergebnisse für unterschiedlichste Anwendungen.
(Bild: IDS Imaging Development Systems GmbH)

Geradheit und Flucht sind besonders bei großen Maschinenbauteilen und Schienenkonstruktionen essenziell für den störungsfreien Anlagenbetrieb. Schon kleine Abweichungen können zu erhöhtem Verschleiß führen und ein komplettes System lahmlegen.

Eine präzise Ausrichtung beziehungsweise Vermessung zum Beispiel von Linearführungen ist daher im Vorfeld entscheidend für die Qualität und die Lebensdauer einer Anlage. Mit dem Elwi-Ger 3000 gibt Hofbauer Optik Mess- & Prüftechnik dem Maschinen- und Sondermaschinenbau das passende Instrument an die Hand. Das optische Ausricht- und Messsystem arbeitet mithilfe von Ueye-Industriekameras präzise und schnell und ist auch für lange Messstrecken bis 100 m geeignet.

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Elektronische Autokollimatoren nutzen die absolute Geradheit des Lichts für berührungslose Hochpräzisionsmessungen. Kleinste Geradheitsabweichungen einer Oberfläche oder einer Führung lassen sich über Winkeländerungen nachweisen. Dazu verlässt ein kollimiertes Lichtbündel, also ein Lichtpaket mit parallel verlaufenden Einzelstrahlen, ein optisches System und wird durch einen Planspiegel wieder in dieses zurückgeworfen.

Der elektronische Autokollimator Elwi-Ger 3000 ermöglicht auf diese Weise eine 2-dimensionale präzise und schnelle Vermessung von Geradheit und Ebenheit. Das flexible System ist sowohl an technischen Oberflächen zur Ausrichtung und Kontrolle von Linearführungen als auch zur Krümmungsvermessung an großen Bauteilen und Schienensystemen nutzbar. Damit ist es für den Anlagenbau ebenso geeignet wie für den Gleis- und Tunnelbau. Aber auch für Aufgabenstellungen wie die Prüfung von Steinlinealen als Geradheitsnormal ist es anwendbar. Ein Granitlineal mit einer Länge von 160 cm lässt sich beispielsweise in weniger als 5 min mit einer Genauigkeit < 0,5 µm/m vermessen.

Kleine, kompakte Prüfvorrichtung

Die optische Prüfvorrichtung erfasst dabei die Geradheit in X- und Y-Richtung gleichzeitig und ermöglicht den Einsatz in jeder beliebigen Lage (Raumachse). Das System beinhaltet den Messkopf sowie umfangreiches Zubehör wie eine justierbare Halterung, einen Messspiegel, einen Vorsatzlaser sowie die zugehörige USB-Verbindung zur Anzeigeeinheit. Dennoch ist es klein und kompakt und arbeitet im Akkubetrieb bis zu 8 Stunden – ideal für Service-Einsätze.

Die Bedienung erfolgt direkt am robusten IP65-kompatiblen Tablet mit intuitivem Touch-Screen – anwendungs- und praxisnah. Datenübertragung und Fernbedienung des Messsystems können aber auch per Smartphone erfolgen. Die Geradheitsauswertung ist direkt ohne zusätzlichen PC möglich. Ein automatisches Protokoll mit Dokumentenverfolgung steht im Anschluss an jede Messung als Report im PDF-Format zur Verfügung.

Schnell und präzise durch Kameratechnik

„Mit dem Elwi-Ger 3000 setzen wir die konsequente Entwicklung in Sachen Präzisionsmesstechnik im Maschinenbau weiter fort. Die integrierte Ueye-Industriekamera von IDS Imaging Development Systems trägt in hohem Maße dazu bei“, erklärt Dr. Engelbert Hofbauer, Inhaber und Entwicklungsleiter bei Hofbauer Optik Mess- & Prüftechnik.

Sie sieht ein Fadenkreuz oder eine vignettiert abgebildete Leuchtfläche – das heißt mit Abschattung zum Bildrand – in einfarbigem LED-Licht. Diese ergeben sich mathematisch aus der Korrelationsfunktion zweier Kreisflächen gleichen Durchmessers. Letztere wiederum entstehen bei der Autokollimation, wie oben erwähnt, durch Reflexion des abgestrahlten Lichtkegels an einem entfernten Spiegel. Die Intensitätsverteilung im Bild beziehungsweise auf der Kamera ergibt einen regelmäßigen Kreiskegel, wobei bei verschiedenen Anwendungen auch mehrere sogenannte V-Spots sichtbar sein können. Die präzise Lage der/des V-Spots wird mit Subpixelgenauigkeit (< 1/50 Pixel Peak-to-Valley und 1/100 Abweichung vom quadratischen Mittelwert) berechnet. Darauf basierend werden korrespondierend Winkel in bis zu drei Dimensionen (Freiheitsgraden) und gleichzeitig bis zu drei Positionsfreiheitsgraden ermittelt.

Probleme der klassischen Autokollimationsmethode überwinden

Dank der patentierten Vignettierungsmethode ist Hofbauer als einziges Unternehmen der Welt in der Lage, die Probleme der klassischen Autokollimationsmethode zu überwinden und Messlängen bis über 100 m auch bei extrem großen Winkeln (1000 sec = 17 mm/m) mit Winkelsekunden-Genauigkeit zu erfassen und nach der Neigungsmethode auszuwerten. Zwei mögliche Messmethoden stehen dem Anwender zur Verfügung: Bei der Neigungsmethode wird ein Messspiegel auf einer Spiegelbasis oder am Führungsschlitten einer Linearführung in gleich großen Schritten über den Prüfling geführt und die Neigungsänderung gemessen. Durch Summation (Integration) der Höhendifferenzen aus den Teilabschnitten wird die Geradheit ermittelt und dargestellt.

Hohe Genauigkeit bei geringster Messunsicherheit

Mit der Methode lässt sich die höchste Genauigkeit bei geringster Messunsicherheit erzielen. Alternativ kann je nach Anwendung aber auch die Höhenmethode zur Messung eingesetzt werden. Dabei wird der Reflektor ebenfalls über eine geeignete Basis beziehungsweise am Linearschlitten oder der beweglichen Achse (Maschinentisch, Traverse et cetera) befestigt und kann an beliebiger Stelle der Bahn positioniert werden. Die Abweichung zur idealen Geraden (optische Achse) wird unmittelbar und direkt gemessen und angezeigt. Vorteil dabei: Justageprozesse können direkt durchgeführt werden.

Der Elwimat-Ger 3000 enthält jeweils eine Industriekamera aus der Kamerafamilie Ueye, in Abhängigkeit von der Kundenanwendung. Zur Wahl stehen verschiedene Modelle mit GigE oder USB 3.1 Gen 1 Schnittstelle, als Boardlevel-Variante oder mit Gehäuse. Egal, ob kostengünstige Projektkamera oder kompaktes Kraftpaket, sie alle stehen für besonders einfache Handhabung, hohe Lebensdauer und langfristige Verfügbarkeit. Alle Modelle sind 100 % qualitätsgeprüft und vorkalibriert. Dank der umfangreichen IDS Software sowie IDS-typischem Plug & Play, lassen sie sich einfach integrieren und sind somit besonders wirtschaftlich.

Machine Vision Anwendungen visualisieren

Konkret zum Einsatz kommt zum Beispiel die UI-3272LE-M-VU, eine Projektkamera aus der Serie Ueye LE USB 3.1 Gen 1 mit zukunftsweisendem, verdrehsicherem USB-Type-C-Anschluss. Über USB Power Delivery ist es möglich, eine variable Peripherie-Spannungsversorgung am I/O-Port anzubieten. Sie ist mit dem Flächensensor Sony IMX265 ausgestattet – einem der besten Bildsensoren in der 3 MP Pixelklasse. Die 1/1.8" Größe des Global Shutter CMOS Sensors sorgt für eine große Auswahl an passenden Objektiven. Die Industriekamera liefert Bildraten bis zu 57 fps bei voller Auflösung (3,2 MP: 2056 × 1542 px) und 80 fps bei Full HD Auflösung. Daher ist die USB 3.1 Gen 1 Kamera perfekt geeignet für Visualisierungsaufgaben in Machine Vision Anwendungen. Die Boardlevel-Varianten sind mit stehender (-VU) – wie im Elwimat – oder liegender USB-Type-C-Ausrichtung erhältlich und verfügen zudem über einen 10-poligen I/O-SMD-Stecker für GPIO, Trigger und Blitz.

Durch die schnelle Technologie USB 3.1 Gen 1 konnte die Datenübertragsrate von 480 Mbit/s auf 5 Gbit/s erhöht werden, bei gleicher oder höherer Kabellänge. Die Messfrequenz im Vollbildmodus stieg von bisher knapp 12 Frames/Sekunde auf 57 fps. Für spezielle Anwendungen in der Schwingungs- und Frequenzanlayse lassen sich mithilfe der AOI-Technologie sowie über Subsampling- und Binning-Verfahren die Taktraten bis in den Kiloherz-Bereich erweitern.

Zur Integration der Industriekamera in ihr System nutzt Hofbauer das IDS Software Development Kit. „Mit dem IDS SDK haben wir den Vorteil einer einheitlichen Programmierschnittstelle für alle IDS-Kameras. Die Programmierung ist also unabhängig von der Anbindung des Modells – egal, ob USB 2, USB 3.1 Gen 1 oder GigE“, erläutert Hofbauer und ergänzt: „Außerdem werden neue Kameramodelle ohne Softwareänderung unterstützt. Das passt zu unserem Ziel, höchste Anforderungen an die Messtechnik und eine benutzerfreundliche Bedienbarkeit in Einklang zu bringen.“

Ein weiterer Grund für den Einsatz der IDS-Software war die einfache Verwendung von Zusatzfunktionen wie EEPROM und GPIOs. Das SDK ist kompatibel mit Windows und Linux.

Einfache Messung, Justage und Protokollierung

Geradheit und Flucht sind im Maschinen- und Anlagenbau unerlässlich. Der Elwi-Ger 3000 ermöglicht eine einfache Messung, Justage und Protokollierung der Ergebnisse für unterschiedlichste Anwendungen.

Selbst kleinste Winkelveränderungen entgehen ihm nicht. Im Unterschied zum Wettbewerb erreicht das kameragestützte Ausricht- und Messsystem Messlängen bis über 100 m mit einer Genauigkeit bei der Geradheitsmessung von 0,5 μm/m, also 0,05 mm bei 100 m Messstrecke. Kameragestützt und nur mit Licht sorgt das System damit berührungslos für ebene Verhältnisse.

* Heiko Seitz ist technischer Autor bei der IDS Imaging Development Systems GmbH in 74182 Obersulm, Tel. (0 17 34) 9 61 96-0, h.seitz@ids-imaging.de

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