Messsoftware WinWerth®

In der Praxis sollen oft „mal schnell“ einige wenige Maße an Fertigungsteilen bestimmt werden. Diese Aufgabe wird auch von Mitarbeitern ausgeführt, die sich nicht ständig mit der Bedienung von Koordinatenmessgeräten befassen. Um in diesem Umfeld ein effektives Arbeiten zu ermöglichen, wird die Bedienung auf das Notwendigste beschränkt. Die „Intelligenz“ der Messsoftware WinWerth® übernimmt dann z. B. die exakte Bestimmung des zu erfassenden Objektbereichs, die Auswahl des zu messenden Geometrieelements (z. B. Gerade, Kreis, Eckpunkt) sowie der Verknüpfungsalgorithmen zum Ermitteln von geometrischen Eigenschaften wie Distanzen, Winkel und Durchmesser.

Bei komplizierteren Messaufgaben kann der Bediener Teile der eigentlich automatisch ablaufenden Vorgänge (Fenster setzen, Element auswählen) selbst übernehmen und sich schrittweise in die detailliertere Steuerung der Messabläufe einarbeiten. Zur Unterstützung werden unter Berücksichtigung der notwendigen Umfahrwege automatisch Messpunkte oder Scanspuren auf den zu messenden Geometrieelementen verteilt, z. B. als Kreise, Mantellinien, Sterne oder Spiralen. So erstellt man zunächst den kompletten Messablauf inklusive Auswertung offline mithilfe des CAD-Modells oder online mit den Mindestpunktzahlen für das jeweilige Geometrieelement. Messpunkte und Scanspuren lassen sich nachträglich mit der Maus oder über einen Dialog verschieben, löschen oder hinzufügen. Auf diese Weise vorgegebene Messabläufe können gespeichert und im Wiederholungsfall als automatischer Ablauf aufgerufen werden.

Mit TomoSim wird erstmals in einer Koordinatenmesssoftware der Tomografieprozess anhand von CAD-Daten oder einer Punktwolke im STL-Format offline simuliert. Die realitätsnahe Simulation unter Berücksichtigung der eingestellten CT-Parameter ermöglicht die Berechnung eines Volumens einschließlich aller wesentlichen Artefakte. So kann beispielsweise ein Erstmusterprüfprogramm parallel zur Fertigung des ersten Werkstücks und der Durchführung anderer Messungen am Gerät mit der Messsoftware WinWerth® an einem Offline-Arbeitsplatz eingelernt werden. Damit ermöglicht TomoSim eine Prozessbeschleunigung und eine Reduzierung von Stillstandszeiten, z. B. für TomoScope® Geräte im Mehrschichtbetrieb.

Neben einer abgeschlossenen Programmerstellung und Machbarkeitsprüfung pünktlich zur Fertigstellung des ersten Werkstücks erlaubt die Simulation des Tomografieprozesses das Testen und Optimieren von CT-Parametern. Mithilfe des simulierten Volumens können wesentliche Artefakte, z. B. aufgrund von Strahlaufhärtung oder zu wenigen Drehschritten, erkannt und falls notwendig eine entsprechende Artefaktkorrektur gewählt werden. Neu ist auch die vollständige Offline-Programmierung von volumenbasierten Auswertungen wie Graterkennung, Lunkeranalyse, Porositätsanalyse, Texterkennung, SurfaceScan Predefined oder in Volumenschnitten.

Ein weiterer Vorteil des in WinWerth® integrierten CAD-Moduls ist, dass sich die CAD-Information zum Positionieren des Koordinatenmessgeräts nutzen lässt. Diese Technik stellte Werth, wohl als erster Hersteller von Koordinatenmessgeräten, bereits Mitte der 1990er Jahre unter dem Begriff CAD-Online® vor. Der gesamte Messablauf kann durch Anwählen der geometrischen Merkmale am CAD-Modell gesteuert werden. Das Messgerät fährt automatisch die generierten Messpositionen an und misst mit der gewählten Sensorik.
Auf diese Weise können z. B. mit Tastern automatisch Messpunkte als Punktewolken erfasst oder größere Flächen mit dem Werth 3D-Patch oder konfokalen Sensoren durch automatisches Aneinandersetzen der Einzelmessungen in hoher Auflösung gemessen werden. Technologieparameter wie die Beleuchtungseinstellung für den Bildverarbeitungssensor können durch direkte Bedienung am Messgerät unter Berücksichtigung der Wechselwirkung zwischen Beleuchtung, Messobjekt und Abbildungssystem eingestellt werden. Durch automatische Modifikation der Bewegungsabläufe auf der Grundlage der Werkstück- und Geräte- bzw. Sensorgeometrie werden Kollisionen vermieden.

Viele CAD-Systeme bieten mittlerweile die Möglichkeit, PMI-Daten (Product and Manufacturing Information) zu integrieren. Die hieraus resultierenden CAD-Datensätze enthalten zusätzlich zur Geometriebeschreibung der CAD-Elemente auch die vom Konstrukteur festgelegten Bemaßungen. Bei Auswahl der geometrischen Eigenschaften werden von der Messsoftware WinWerth® Messpunkte oder Scanspuren auf allen Geometrieelementen verteilt, die zur Lösungsfindung zu verknüpfen sind, und der Messablauf zumindest teilweise automatisch erstellt. Aufgrund der erhöhten Anforderungen bei der Erstellung des CAD-Modells ist diese Lösung leider noch wenig verbreitet.

Soll der komplette Messablauf vollautomatisch generiert werden, müssen sämtliche notwendigen Parameter in den PMI-Daten hinterlegt sein oder durch die Messoftware automatisch bestimmt werden. Sind diese Voraussetzungen erfüllt, können beispielsweise die kompletten Messabläufe für die Messung eng tolerierter Metallwerkzeuge zur Herstellung der Spritzgussformen für Kontaktlinsen vollautomatisch in WinWerth® erstellt werden. Die Messung erfolgt mit einem Multisensor-Koordinatenmessgerät durch eine Kombination optischer Abstandssensorik mit Bildverarbeitung und unter Zuhilfenahme einer automatischen Dreh-Schwenk-Achse für das Werkstück.

Konturen größer als das Sehfeld des jeweiligen Objektivs können durch automatische Konturverfolgung in Verbindung mit den CNC-Achsen des Koordinatenmessgeräts als Ganzes erfasst werden (Konturscanning). Dieses Scanningverfahren eignet sich gut, um wenige relativ große Konturen z. B. an Stanzwerkzeugen zu überprüfen.
Eine weitere Methode, um größere Bereiche des Werkstücks zu erfassen, ist das „Rasterscanning HD“ (Patent). Hierbei nimmt der Bildverarbeitungssensor während der Bewegung mit hoher Frequenz Bilder des Werkstücks auf. Diese werden durch Resampling zu einem Gesamtbild mit bis zu 20.000  Megapixeln Auflösung überlagert. So werden z. B. 100.000 kleine Bohrungen an großen Faserkopplern in nur 35 Minuteb statt 7 Stunden gemessen. Durch das Messen auch großer Bereiche mit hoher Vergrößerung und die Mittelung über mehrere Bilder, die das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert, wird die Genauigkeit ebenfalls erhöht. Das Verfahren kann an die Anforderungen der Messaufgabe angepasst werden.
Beim Rasterscanning HD P ergibt die Bildaufnahme ausschließlich an interessierenden Bereichen mithilfe einer Vorgabebahn eine erneute Reduzierung der Messzeit und Datenmenge gegenüber dem Rechteckrastern des gesamten Werkstücks mit Rasterscanning HD N. An Drehachsgeräten ermöglicht Rasterscanning HD Rotary die Bildaufnahme während der Drehung mit Messungen am „abgewickelten“ Gesamtbild der Mantelfläche rotationssymmetrischer Werkstücke.

Mit der 2D-Konturbildverarbeitung und den zugehörigen Bildverarbeitungsfiltern kann auch in beliebigen Schnitten des CT-Volumens oder der Punktewolke gemessen werden. Damit ist unter anderem das Messen von Werkstücken aus mehreren Materialien besonders einfach. Neben planaren Schnitten sind auch zylinderförmige CT-Volumenschnitte für prozesssichere Messungen mit dem Volumenschnittsensor oder die Inspektion mit WinWerth® VolumeCheck möglich. Die Grundfläche des Zylinders ist hierbei nicht auf Kreise beschränkt und kann beliebige Formen annehmen. Als Ergebnis wird dabei sowohl eine 3D-Ansicht der Schnittfläche als auch die abgewickelte 2D-Mantelfläche des Schnittzylinders angezeigt.

Die Exzentrische Tomografie erlaubt es, das Werkstück beliebig auf dem Drehtisch zu platzieren (Patent). Ein aufwendiges und zeitintensives Ausrichten des Werkstücks entfällt, der Bedienkomfort wird gesteigert. Mit Hilfe der Ausschnittstomografie oder auch ROI-Tomografie (ROI: Region of Interest) werden Teilbereiche des Messobjekts mit hoher Auflösung gemessen, ohne das gesamte Messobjekt z. B. mit Rastertomografie vollständig hochauflösend und damit zeit- und speicheraufwendig zu erfassen. Die Multi-ROI-Tomografie bietet eine Kombination der Vorteile aus Exzentrischer und Ausschnittstomografie. Auch mehrere hoch aufzulösende Teilbereiche können an beliebigen Positionen im Messobjekt gewählt werden.

Bei der röntgentomografischen Messung von Metall-Kunststoff-Komponenten wie z. B. bestückten Steckverbindern verursachen die Metallpins häufig Artefakte durch Strahlaufhärtung und Streustrahlung, die die Messungen am Kunststoffgehäuse erschweren. In der Zwei-Spektren-Tomografie verknüpft die Messsoftware zwei CT-Messungen bei unterschiedlicher Kathodenspannung zu einem Volumen. Die Strahlungsspektren sind auf die beiden Materialien abgestimmt. Durch die entsprechende Reduzierung der Artefakte im Volumen sinkt die Messunsicherheit bei der Ermittlung von Maßen zwischen den verschiedenen Materialien. Hierfür ermöglicht der WinWerth® MultiMaterialScan mithilfe des patentierten Subvoxeling-Verfahrens auch für mehrere verschiedene Metallkomponenten die automatische Berechnung von separaten STL-Punktewolken je Material aus den CT-Volumendaten.

Für in der Messgerätebedienung ungeschulte Anwender bietet WinWerth® die Möglichkeit, lediglich die Teilenummer auszuwählen und mit ihr einen automatischen Programmablauf zu starten. Dies kann alternativ durch Scannen eines Strichcodes auf dem Fertigungsauftrag erfolgen. Eine automatische Störungsbehandlung hilft z. B. bei nicht sachgerechtem Einlegen der Teile.

Alternativ lässt sich ein Werkstückwechselsystem ohne weitere Vorkehrungen für den Strahlenschutz in das Gehäuse der TomoScope® Koordinatenmessgeräte integrieren. Mit mehreren fertig bestückten Paletten sind so Messungen über Nacht und am Wochenende möglich.

Auch eine automatische Bestückung durch Zuführeinrichtungen ist integrierbar. Hierfür können die Messprogramme maschinenfern an Offline-Arbeitsplätzen vorbereitet werden. Die Werkstücke werden über eine Schleuse in den Sicherheitsbereich des Roboters eingebracht. Bei Werkstücken wie zum Beispiel Ventilblöcken, Gehäuse- und Gussteilen werden so nahezu im Halbminutentakt die geometrischen Eigenschaften ermittelt, ein Soll-Ist-Vergleich mit der Messpunktewolke eines Meisterteils durchgeführt und die Werkstücke auf Defekte wie Grate geprüft. Die Messergebnisse lassen sich mit Hilfe parallel arbeitender Auswerterechner ermitteln und in einem gemeinsamen Protokoll zusammenführen, auch mit den Messergebnissen verketteter Multisensorgeräte.

Um die Abweichung der Werkstückgeometrie gegenüber den Sollwerten zu veranschaulichen, ist ein Vergleich zu den CAD-Daten mit einer farbcodierten Darstellung der Abweichungen in WinWerth® geeignet. Zwingend erforderlich ist dieses Verfahren zur Prüfung von Freiformflächen. Zum Messen werden die interessierenden Bereiche des Objekts gescannt oder als Punktewolke erfasst. Anschließend vergleicht WinWerth® die gemessenen Werte mit dem CAD-Modell. Das Ergebnis wird jeweils durch vektorielle oder farbcodierte Darstellung der Abweichungen vom CAD-Modell dokumentiert. Diese Auswertung kann als Bestandteil des Messablaufs am Gerät oder im Offline-Modus an einem separaten Auswerteplatz erfolgen. Die Farben der Messpunkte verdeutlichen die Abweichung zwischen Soll und Ist. Zur Einbeziehung der Teiletoleranzen in die Darstellung erfolgt eine Unterteilung in vier Basisklassen:

• positiv innerhalb Toleranz
• negativ innerhalb Toleranz
• positiv außerhalb Toleranz
• negativ außerhalb Toleranz

Der Betrag der Abweichung wird über die Farbe kodiert dargestellt. Alternativ kann der Anwender Farbcodierungen entsprechend seinen Wünschen konfigurieren.

Um die gemessenen bzw. berechneten Abweichungen in den Fertigungsprozess einfließen zu lassen, können die Vorgabedaten mit WinWerth® FormCorrect weitgehend automatisch modifiziert werden. Hierfür werden die Abweichungen zwischen dem ursprünglichen CAD-Modell und den Messdaten eines Musterwerkstücks ermittelt und am Modell gespiegelt. Daraus generiert die Messsoftware ein korrigiertes CAD-Modell, mit dem sich systematische Fertigungsabweichungen des Kunststoffspritzgussprozesses und des 3D-Drucks kompensieren lassen. Im Gegensatz zur üblichen Flächenrückführung wird die Anwendung wesentlich vereinfacht. Aufgrund der hohen Präzision ist häufig nur eine Korrekturschleife erforderlich, sodass die Kosten des Entwicklungsprozesses deutlich reduziert werden können. Für hochauflösende Korrekturen und zur Modifikation auch innenliegender Flächen empfiehlt sich der Einsatz von Koordinatenmessgeräten mit Röntgen-Computertomografie. Ein ähnliches Vorgehen ist mit der 2D-BestFit Software möglich. Die Werkzeugkorrektur kann sowohl beim Einfahren neuer Schneidwerkzeuge (Profilschleifen, Formfräsen) als auch beim Drahterodieren zur Korrektur von Positionierabweichungen eingesetzt werden.

Liegen keine CAD-Daten vor, kann die Auswahl der Messpunkte durch den Bediener interaktiv erfolgen. In WinWerth® ist sowohl das direkte Anwählen mit der Maus als auch die automatische Zerlegung in Regelgeometrieelemente möglich. Dazu werden ausgehend von einem Startpunkt so lange automatisch weitere Punkte rundum hinzugenommen, bis sich die Formabweichung des gewählten Elements (z. B. Zylinder) merklich vergrößert. Dies signalisiert, dass die Grenzen des Elements erreicht sind, und der Vorgang wird abgeschlossen.

Effektiver ist es, die Messabläufe unter Hinzuziehung von 3D-CAD-Daten festzulegen. Durch einfaches Anwählen von CAD-Elementen erfolgt automatisch die Auswahl der notwendigen Messpunkte (Patent). Hierbei werden ausgehend von der Anwahl von CAD-Patches unter Berücksichtigung von vorgegebenen Randabständen alle Messpunkte des gemessenen Objekts selektiert, die diesem Patch geometrisch zuzuordnen sind. Dadurch erfolgt eine komplette Erfassung der Form des entsprechenden Elements mit der maximalen Punkteanzahl.

In der Praxis ist es üblich, Zeichnungsmaße in 2D-Ansichten und Schnitten zu definieren. Diesem Sachverhalt muss auch bei der Auswertung von tomografisch erzeugten Messdaten Rechnung getragen werden. Hierfür können Ebenen im Werkstückkoordinatensystem definiert und sowohl mit den CAD-Solldaten als auch mit der Istpunktewolke geschnitten werden. WinWerth® extrahiert automatisch Konturen, die die Solldaten und die Istkonturen repräsentieren. Zum Auswerten der 2D-Maße in derart erstellten Schnittkonturen werden die gleichen Softwarefunktionen herangezogen, die auch zum Auswerten von mit einer Bildverarbeitung oder einem Taster gescannten Konturen verfügbar sind.