Kameragestütztes Ausricht- und Messsystem

Sabine Terrasi,

Mit Licht justiert

Elektronische Autokollimatoren nutzen die absolute Geradheit des Lichts für berührungslose Hochpräzisionsmessungen. Das optische Ausricht- und Messsystem von Hofbauer Optik arbeitet mithilfe von uEye-Industriekameras von IDS.

Präzise Vermessung eines Steinlineals mit 160 Zentimter Länge mit 0,5 Mikrometer pro Meter. © IDS

Geradheit und Flucht sind besonders bei großen Maschinenbauteilen und Schienenkonstruktionen essentiell für den störungsfreien Anlagenbetrieb. Schon kleine Abweichungen können zu erhöhtem Verschleiß führen und ein komplettes System lahm legen. Eine präzise Ausrichtung oder Vermessung von Linearführungen ist daher im Vorfeld entscheidend für die Qualität und die Lebensdauer einer Anlage.

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 von Hofbauer Optik ermöglicht auf diese Weise eine zweidimensionale 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 der Prüfung von Steinlinealen als Geradheitsnormal ist es anwendbar. Ein Granitlineal mit einer Länge von 160 Zentimeter lässt sich beispielsweise in weniger als fünf Minuten mit einer Genauigkeit kleiner als 0,5 Mikrometer pro Meter vermessen.

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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 acht Stunden.

Die Bedienung erfolgt direkt am IP65-kompatiblen Tablet. 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 dank 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.

Der Elwi-Ger 3000 ermöglicht eine einfache Messung, Justage und Protokollierung der Ergebnisse. © IDS

Sie sieht ein Fadenkreuz oder eine vignettiert abgebildete Leuchtfläche, also mit Abschattung zum Bildrand, in einfarbigem LED-Licht. Diese ergeben sich mathematisch aus der Korrelationsfunktion zweier Kreisflächen gleichen Durchmessers. Letztere wiederrum entstehen bei der Autokollimation, wie oben erwähnt, durch Reflexion des abgestrahlten Lichtkegels an einem entfernten Spiegel.

Die Intensitätsverteilung im Bild oder auf der Kamera ergibt einen regelmäßigen Kreiskegel, wobei bei verschiedenen Anwendungen auch mehrere so genannte 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.

Dank der patentierten Vignettierungs-Methode ist Hofbauer als einziges Unternehmen der Welt in der Lage, die Probleme der klassischen Autokollimations-Methode zu überwinden und Messlängen bis über 100 Meter auch bei extrem großen Winkeln (1.000 Sekunden = 17 Millimeter pro Meter) mit Winkelsekunden-Genauigkeit zu erfassen und nach der Neigungsmethode auszuwerten.

Zwei mögliche Messmethoden
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 ermittelten Höhendifferenzen aus den Teilabschnitten wird die Geradheit ermittelt und dargestellt. 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 oder am Linearschlitten oder der beweglichen Achse (Maschinentisch, Traverse) 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 hierbei: Justageprozesse können direkt durchgeführt werden.

Kameramodelle
Der Elwimat-Ger 3000 enthält jeweils eine Industriekamera aus der uEye-Kamerafamilie, 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, alle Modelle sind qualitätsgeprüft und vorkalibriert. Mit der IDS Software sowie Plug & Play lassen sie sich schnell integrieren und sind somit besonders wirtschaftlich.

Die UI-3272LE-M-VU montiert am Zentralelement des Sensors. © IDS

Konkret zum Einsatz kommt die UI-3272LE-M-VU, eine kostengünstige und vielseitige Projektkamera aus der uEye LE USB 3.1 Gen 1 Serie mit 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 Auswahl an passenden Objektiven. Die Industriekamera liefert Bildraten bis zu 57 fps bei voller Auflösung (3,2 MP: 2056 x 1542 px) und 80 fps bei Full HD Auflösung. Daher ist die USB 3.1 Gen 1 Kamera 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 haben zudem einen zehnpoligen I/O SMD-Stecker für GPIO, Trigger und Blitz.

Mit der schnellen USB 3.1 Gen 1 -Technologie konnte die Datenübertragungsrate von 480 MBit/s auf fünf GBit/s erhöht werden, bei gleicher oder höherer Kabellänge. Die Messfrequenz im Vollbildmodus stieg um Faktor fünf von bisher knapp zwölf Frames pro Sekunde auf 57 fps. Für spezielle Anwendungen in der Schwingungs- und Frequenzanlayse lassen sich mit Hilfe der AOI-Technologie sowie über Subsampling- und Binning-Verfahren die Taktraten bis in den KHz-Bereich erweitern.

Software
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 Dr. Hofbauerund 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.“ Weitere Gründe für den Einsatz der IDS Software war die einfache Verwendung von Zusatzfunktionen wie EEPROM und GPIOs. Das SDK ist kompatibel mit Windows und Linux.

Ausblick
Geradheit und Flucht sind im Maschinen- und Anlagenbau unerlässlich. Der Elwi-Ger 3000 ermöglicht eine einfache Messung, Justage und Protokollierung der Ergebnisse für unterschiedliche Anwendungen. Selbst kleinste Winkelveränderungen entgehen ihm nicht. Im Unterschied zum Wettbewerb erreicht er dabei Messlängen bis über 100 Meter mit einer Genauigkeit bei der Geradheitsmessung von 0,5 Mikrometer pro Meter, also 0,05 Millimeter bei 100 Meter Messtrecke. Die flexible und auch mobile Einsetzbarkeit sowie das umfangreiche Zubehör sorgen zusätzlich für Kundennutzen. as

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