Catalogue : Details

Maryna Galovska

Data fusion in the measurement of the geometry of rotationally symmetric workpieces

ISBN:

978-3-8440-2183-7

Series:

Schriftenreihe des Instituts für Produktionsmesstechnik
Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Rainer Tutsch
Braunschweig

Volume:

Keywords:

Data fusion; registration; point cloud; measurement uncertainty

Type of publication:

Thesis

Language:

English

Pages:

182 pages

Figures:

104 figures

Weight:

269 g

Format:

21 x 14,8 cm

Bindung:

Paperback

Price:

48,80 € / 61,00 SFr

Published:

September 2013

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Abstract:

Im Rahmen der Qualitätssicherung ist die Erfassung der Geometrie von rotationssymmetrischen Werkstücken eine weit verbreitete Aufgabe. Die Anforderungen an die Messsysteme hinsichtlich Messzeit, Punktdichte, Kosten und Messunsicherheit steigen stetig. Gleichzeitig machen Aspekte wie besondere Werkstückeigenschaften oder In-Prozess-Messungen die Verfahren mit traditionellen Messgeräten mit sequentieller Antastung, wie z.B. Formtester und Koordinatenmessgeräte, nicht immer geeignet.

Eine mögliche Lösung stellt die Datenfusion, als Prozess der Zusammenführung von Daten aus verschiedenen Quellen, dar. Sie ermöglicht die Entwicklung einer effizienten und flexiblen Messstrategie. Die wesentlichen Ziele dieser Arbeit bestanden daher darin, zunächst ein auf flächenhaft antastenden optischen Messsystemen basierendes Messverfahren zu entwickeln, des Weiteren nach Wegen zu suchen, um das Messverfahren unter Verwendung der Datenfusion umzusetzen und zu verbessern sowie die Realisierung der Datenfusion und deren Qualität abschließend zu analysieren.

Der wesentliche Beitrag dieser Arbeit ist eine Methodik zur Entwicklung von Verfahren der Datenfusion für die flächenhafte Messung der Geometrie von rotationssymmetrischen Werkstücken. Die Anwendung der flächenhaften Antastung wird anhand eigenentwickelter Routinen zur Verarbeitung von Punktewolken für zylindrische und konische Objekte untersucht. Hierzu werden Modelle der Objekte erzeugt und für eine Simulation verwendet, sowie Experimente an Musterwerkstücken durchgeführt. Der Kern des verwendeten Messaufbaus für die Experimente ist das Messsystem ATOS der Firma GOM, die erzielten Ergebnisse können jedoch auch auf andere 2.5D Messsysteme übertragen werden.Der starke Einfluss der optischen und geometrischen Eigenschaften des Werkstücks auf das Messergebnis wird gezeigt.

Im weiteren Verlauf wird ein Ansatz zur Datenfusion unter Verwendung einer kalibrierten Vorrichtung vorgeschlagen, mit dem der aus den Formabweichungen des Messobjekts resultierende systematische Effekt korrigiert werden kann. Gemäß diesem Ansatz wird ein Messobjekt in einer Zentriervorrichtung auf Präzisionskugeln gelagert. Mittels der Daten der Kugelpositionen, die im Rahmen eines Einmessprozesses bestimmt werden, können auftretende systematische Effekte und damit die Messunsicherheit reduziert werden. Die Datenfusion wird dabei auf der Basis von multikriterieller Optimierung und der Methode der kleinsten Quadrate durchgeführt.

Um die komplette Topographie der Oberfläche eines Messobjektes zu erfassen, werden Mehransichtsmessungen durchgeführt. Die Zuverlässigkeit und Qualität des endgültigen Messergebnisses hängt in diesem Fall nicht nur von der Qualität der einzelnen Messung, sondern auch von der Umsetzung des Verfahrens zur Datenfusion ab. Verschiedene Ansätze zur Registrierung der einzelnen Patches, d.h. der Transformation von Punktwolken in ein gemeinsames Koordinatensystem, werden angewendet und diskutiert, wie z.B. kreisförmige Marker mit photogrammetrischer Auswertung, stochastische Muster und digitale Bildkorrelation sowie das flächenbezogene Matching von Punktewolken. Für diese Ansätze benötigt man in der Überlappzone eine hinreichende Anzahl an Merkmalen. Ein weiterführender Ansatz zur Registrierung wurde vorgestellt und implementiert, der auf dem externen photogrammetrischen Tracking der Objektsposition basiert. Als Grundlage dafür dient eine Beobachtung der Stirnfläche des rotationssymmetrischen Messobjekts, wodurch kein Überlappen mehr notwendig ist, und eine komplette Messung mit weniger Patches auskommt.

Die Datenfusion von Koordinatenmessungen, welche verschiedene Operationen der Datenverarbeitung enthält, ist ein kompliziertes mehrstufiges Verfahren, was eine Herausforderung für die Auswertung der Messunsicherheit darstellt. In dieser Arbeit wird daher auch eine Analyse der Messunsicherheit gemäß dem "Guide to the expression of uncertainty in measurement " (GUM) durchgeführt. Basierend auf der Unsicherheitsermittlung mit statistischer Auswertungen (Typ A) werden zufällige Effekte aus den Punktwolken abgeschätzt und die Unsicherheitsfortpflanzung mit Hilfe der Monte-Carlo-Methode analysiert. Die Simulation des Registrierungsvorgangs in Kombination mit dieser Analyse ermöglicht die Quantifizierung des Einflusses der Registrierung auf die Unsicherheit der Messergebnisse und die Optimierung des Verfahrens für die Mehransichtsmessung.