Optische multiangulatorische Messung der Werkzeuglage beim inkrementellen Umformen

Beim inkrementellen Umformen (IBU) treten erhöhte geometrische Abweichungen auf. Zur Kompensation der Pfadabweichungen ist eine optische In-Prozess-Messung der Werkzeugspitzenposition oder der Werkzeughalterlage mit einer Unsicherheit von 50 µm bzw. 0.05° erforderlich.
Dazu wird ein Multi-Sensor-System aus schattenabbildenden Sensoren vorgeschlagen, die aus einer Maske mit transparenten und intransparenten Anteilen und einem Kamerachip bestehen. Die Sensoren messen die Position einer Lichtquelle, die den Schatten der Maske auf den Kamerachip projiziert. Das Schattenbild eines oder mehrerer Sensoren liefert die Position einer Leuchtdiode (LED) am Werkzeug. Zur Lagemessung werden drei LEDs erfasst.
Mithilfe synthetischer Schattenbilder wurde gezeigt, dass die Sensoren gegenüber einer abbildenden Optik bei der Erfassung eines einzelnen Merkmals eine deutlich geringere Unsicherheit ermöglichen.
Störlicht erhöht die erreichbare Messunsicherheit. Experimente zu Umgebungslicht, Reflexionen und anderen Lichtquellen belegen, dass die Messergebnisse durch optische Filter tolerierbar bleiben.
Bei der lateralen Positionsmessung sind systematische Abweichungen unter 26 µm erreichbar. Der genutzte Kalibrieransatz führt zu größeren einem Trend folgenden Abweichungen, die korrigierbar sind.
Um alle Positionskomponenten mit einer hinreichenden Unsicherheit zu erfassen, ist die Triangulation von zwei oder mehr Sensoren erforderlich ist. Die zufälligen Positionsmessabweichungen liegen dabei unter 5 µm.
Durch weitere Sensoren wurde der Messbereich auf 600 mm × 600 mm × 300 mm vergrößert, wobei die Sensoranordnung die Messunsicherheit stärker beeinflusst als die Sensoranzahl.
Bei der Lagemessung mit einem Minimalaufbau liegen die zufälligen Abweichungen bei etwa 5 µm. Die systematischen Messabweichungen sind auch ausreichend.
Die Lagemessung wurde zudem an einem statischen und bewegten Roboter demonstriert, was die Einsetzbarkeit des Multi-Sensor-Systems zur aktiven Korrektur beim IBU belegt.