Einzigartiges Lasertrackingsystem mit 6 Dimensionen

BMBF-Verbund I-OMEGA entwickelt portables optisches 6D-Messsystem, das Raumposition eines Körpers und dessen Orientierung im Raum berührungslos misst.
Ein Roboterarm (Achsen ABC) stahlt einen Laser auf ein Lasertracker (XYZ), der als weißer "Tank" erkennbar ist.

Bild 1: Funktionstest des Lasertracker bei der Firma Zeiss © Verbundprojekt I-OMEGA

Zwei Bilder von silberneren, T-förmigen Messköpfen. Sie sehen aus, als hätte man ein kuzes Stück von einem silbernen Rohr auf ein anderes gelegt.

Bild 2: Lasertracker und aktiver Reflektor mit Luftlagerung und Invaraufbau für höhere Auflösungen © Verbundprojekt I-OMEGA

08.08.14

BMBF-Verbundprojekt I-OMEGA

Die Herstellung und Charakterisierung hochpräziser Komponenten, wie beispielsweise optischer Elemente, erfordert Bearbeitungsmaschinen, deren Kinematik mit extrem hoher Präzision geführt werden muss. Genauigkeiten von 1 µm sind typische Anforderungen im vorgegebenen Bearbeitungsvolumen. Dafür werden optimierte und oftmals sehr kostenintensive Spezialmaschinen eingesetzt, deren Aufbau durch konstruktive Maßnahmen und eine geeignete Materialauswahl (i. Allg. Granitaufbauten) ausreichend steif wird. Die hohen Massen führen aber zu einer reduzierten Dynamik (Schnittgeschwindigkeit) und zu langen Bearbeitungszeiten.

So wird in vielen mechatronischen Systemen der Eingriffspunkt (Tool Center Point, TCP) nur indirekt bestimmt. Durch kinematische und messtechnische Effekte kommt es dabei zu einem nicht mehr tolerierbaren Positionsfehler und somit zu Ungenauigkeiten in der Bearbeitung.

Genau diese Einflüsse zu minimieren war das Ziel des nun abgeschlossenen Projektes I-OMEGA. Unter Koordination der PI miCos GmbH (Eschbach) waren die LT-Ultra Precision Technology GmbH (Herdwangen-Schönach) sowie die Universität Freiburg (IMTEK, Lehrstuhl für Prozesstechnologie) an dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Initiative "KMU-innovativ: Photonik / Optische Technologien" geförderten Verbundprojekt beteiligt.

Der Verbund entwickelte ein portables, berührungslos messendes, optisches System, das explizit für den Nahbereich (bis zu 3 m) optimiert ist. Mit diesem 6D-Messsystem kann nicht nur die Raumposition eines Körpers, sondern zusätzlich auch dessen Orientierung im Raum berührungslos erfasst werden.

Bereits im Rahmen des Meilensteintreffens am 9.7.2013 bei der Firma Pi miCos GmbH erfolgte der Nachweis der Meilensteinspezifikationen an einem Demonstrationsgerät. Damit konnte gezeigt werden, dass das Verfahren funktioniert und die benötigten Genauigkeiten eingehalten werden können.

Der 6D-Demonstrator besteht dabei aus zwei Teilen, einem 3D-Lasertracker und einem aktiven Reflektor (Bild 1), deren Funktion im Labor erfolgreich gezeigt wurde. Der Lasertracker vermisst die Raumpositionen (X, Y, Z), der aktive Reflektor liefert zusätzlich die Orientierungsinformation (Roll-, Nick-, Gierwinkel). Darüber hinaus wurden Experimente an einem Roboter des assoziierten Partners Carl Zeiss Jena durchgeführt.

Für die Positionsbestimmung des Werkzeugs am Roboter werden durch den Tracker eine Länge und zwei Winkel gemessen, die über eine Transformationsvorschrift in einen Raumpunkt (X,Y,Z) umgerechnet werden. Hier konnten Genauigkeiten für die Länge von ±1 μm/m und für den Winkel von besser als ± 1 μrad erreicht werden.

Um auch die Orientierung des Werkzeugs im Raum zu erfassen, ist eine Zusatzoptik notwendig: anstelle eines normalen Reflektors wird ein aktiver Reflektor am Roboter befestigt. Der Laserstrahl des Trackers wird auf den Reflektor ausgerichtet und danach über einen Sensor vollautomatisch der Bewegung des aktiven Reflektors nachgeführt. Der aktive Reflektor ist mit Sensorelementen ausgerüstet, die die Strahllage des einfallen Laserstrahls erfassen. Somit sind alle 6 Koordinaten einer Raumbahn in einem Messschritt erfassbar.

Bis zum Projektende wurden der Lasertracker und der aktive Reflektor aus Invar mit einer Luftlagerung aufgebaut, um noch höhere Auflösungen und Genauigkeiten zu erreichen (Bild 2).

Nach dem erfolgreichen Projektabschluss erfolgt nun die gemeinsame Weiterentwicklung des 6D-Messsystems. Das System ist eines der genausten Lasertrackersysteme weltweit und in vielen Punkten einzigartig, so dass sich vielfältige Anwendungen nicht nur für die Regelung von Robotern, sondern z. B. auch für die Vermessung von Bauteilen ergeben.

Weitere Informationen

Download Steckbrief BMBF-Verbundprojekt I-OMEGA (PDF)

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