Neue Fertigungstechnologien ermöglichen die Herstellung zunehmend komplexerer Bauteile bei häufig reduzierter Taktzeit und minimiertem Ressourcenbedarf. Um die dadurch generierten wirtschaftlichen Vorteile voll auszuschöpfen, bedarf es möglichst prozessnaher Messsystemlösungen. Auf diese Weise können relevante Merkmale stichprobenartig bereits kurz nach deren Herstellung erfasst und gleichzeitig hierfür notwendige Werkstückhandhabungszeiten minimiert werden. Insbesondere die präzise, ganzheitliche Erfassung von Merkmalen variierender Größe und Form in einer fertigungsnahen Umgebung stellt die aktuelle Messtechnik vor Herausforderungen.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden daher die grundlagenwissenschaftlichen Erkenntnisse für die fertigungsnahe Auslegung eines Multisensor-Messsystems zur holistischen, mehrskaligen Messung am Beispiel komplexer Bauteile der neuen Fertigungstechnologie „Blechmassivumformung“ erarbeitet. Eine eingehende Untersuchung der messtechnisch relevanten Bauteileigenschaften und möglicher Umweltfaktoren bildete die Basis für eine detaillierte Anforderungsanalyse zur Konzeption und Realisierung eines Messsystemaufbaus. Durch die Entwicklung eines Multisensor-Kalibrierverfahrens konnte die Kombination von Sensordatensätzen, ohne auf eine Überlappung der Sensormessbereiche angewiesen zu sein, realisiert werden. Hierzu wurde ein Kalibrierkörper geschaffen, der flexibel an unterschiedliche Messaufgaben angepasst werden kann. Mit der Digitalisierung des Kalibrierkörpers steht ein Referenzdatensatz für die Ausrichtung der Datensätze der Einzelsensoren zur Verfügung. Hierdurch wird die Bestimmung von sensorspezifischen Transformationsmatrizen als notwendige Voraussetzung zur Ausrichtung der Datensätze in einem einheitlichen Koordinatensystem möglich.
In einer Leistungsevaluation des prototypischen Messsystems erfolgte nicht nur der Funktionsnachweis für das Kalibrierverfahren, sondern vielmehr wurden in beispielhaften Messreihen die Vorteile mehrskaliger Multisensor-Messungen gegenüber Messung mit einzelnen Sensoren aufgezeigt. Als Merkmale kamen Radien, Winkel und Stufenhöhen des PTB-Mikrokonturnormals zum Einsatz. Für Merkmale, die bei mehrskaligen Messungen über den Messbereich eines Sensors hinausreichen, wie dies bei Abstandsmessungen der Fall ist, konnte eine Abhängigkeit zur Genauigkeit der Kalibrierung nachgewiesen werden. Dabei ist das Messsystem zur Erzeugung des Kalibrierkörper-Referenzdatensatzes der limitierende Faktor. Im Rahmen einer abschließenden Messreihe an einem, einer Kugelhantel angenäherten, Zweikugelkörper, fand eine kurze Betrachtung der erreichbaren Messunsicherheit nach dem Prinzip der Substitutionsmessung statt.New production technologies facilitate the production of increasingly complex workpieces with often reduced cycle times and minimized resource requirements. To ensure the economic benefits generated by process control measuring solutions are required to be as close to the process as possible. In this way relevant features can be measured randomly shortly after their production. At the same time a reduction of necessary workpiece handling time can be achieved. Current measuring technologies are challenged by the precise and holistic detection of relevant features varying in size and shape in a production-related environment.
This work presents the basic scientific knowledge framework for a production-related design of a multi-scale multi-sensor measuring system to conduct a holistic measuring data acquisition using example workpieces of the new production technology “sheet-bulk metal forming”. Based on a detailed analysis of possible measuring object properties and tasks, resulting from the characteristics of the sheet-bulk metal forming, a prototypical measuring setup is realized. A calibration procedure, adapted on the setup, enables the combination of the several sensor datasets to a multi-scale multi-sensor dataset without the need of overlapping sensor measuring ranges. For this purpose, a calibration artefact was developed which can be adapted flexibly to different measuring tasks. By digitalizing the calibration artefact, a reference dataset is available for the alignment of the several sensor datasets. Thereby sensor-specific transformation matrices can be determined. These are required for the dataset alignment in a common coordinate system.
With a detailed performance evaluation of the prototypical measuring system not only the correct functionality of the calibration procedure could be proven, but also the advantages and opportunities of multi-scale multi-sensor measurements over measurements with separate sensors were identified. Thereby radii, angels and step heights of the PTB micro contour normal were used as measuring objects. For multi-scale multi-sensor measurements of features, which reach out of the measuring range of one sensor, such as distance measurements, a dependence to the calibration accuracy was shown. In this case the limiting factor is the measuring system used for generating the digital reference dataset of the calibration artefact. In a concluding series of measurements using a two-spheres-artefact, similar to a dumbbell-artefact, the achievable measurement uncertainty, determined with the principle of substitution measurements was considered briefly
