Entwicklung und messtechnische Untersuchung eines taktil-optischen 3D-Tasters

Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung eines taktil-optischen 3D-Tasters für Koordinatenmessgeräte zur dimensionellen Messung von vorrangig empfindlichen, mikrotechnischen Prüfobjekten mit kleinen Fertigungstoleranzen. Die Messung mit besonders kleinen Tastelementen bei gleichzeitig niedrigen Antastkräften ermöglicht das taktil-optische Prinzip. Mehrere Messanordnungen zur Weiterentwicklung eines 3D-Tasters dieser Art wurden in der Vergangenheit untersucht, diese wiesen jedoch verschiedene Nachteile auf, die einer weiten Verbreitung entgegenstanden. Der Aufbau des taktil-optischen 3D-Tasters basiert auf dem entsprechenden 2D-Taster. Abweichend zu diesem wird in den Messkopf ein optischer Abstandssensor zur axialen Signalgewinnung integriert. Der Tasterschaft wird gerade ausgeführt und bildet am Schaftende eine Fläche zur Abstandsmessung. Der Taster wird durch eine Federaufhängung getragen und ist rotatorisch auslenkbar. Durch Dimensionierung des Tastersystems bestehend aus Federaufhängung und Tasterschaft können die laterale und axiale Steifigkeit des Tasters ausgeglichen und damit ein isotropes Auslenkverhalten des Tasters erzielt werden. Die axiale Steifigkeit der Federaufhängung kann als Dimensionierungsgröße vorgegeben werden: Sie bestimmt die Antastkräfte eines isotropen Tastersystems und sollte für Mikrotaster klein sein. Zur Überwindung der Oberflächenkräfte und Verringerung von Stick-Slip-Effekten sind jedoch ausreichende Rückstellkräfte zu erzeugen. Das Verhältnis von axialer zu rotatorischer Steifigkeit der Federaufhängung ist von der geometrischen Form der Federaufhängung abhängig und bestimmt die Länge des idealen, isotropen Tasterschafts. Tasterschäfte werden zur Realisierung von senkrechten Eintauchtiefen mit einem verjüngten Schaft abgesetzt. Sehr kleine Tastelemente werden dadurch besonders nachgiebig, sodass die abgesetzten Schaftlängen kurz gehalten werden müssen. Das Modell der lateralen Signalerfassung basiert auf der linearen Interpolation eines Kantenortes. Die Kontur des Tasters besteht jedoch aus vielen einzelnen Kantenorten, welche zur Positionsbestimmung des Tasters beitragen. Die Unsicherheit der gemessenen Position wird daher durch Mittelwertbildung aller Kantenorte verringert. Als Rauschquelle wird das vorherrschende Fotoelektronenrauschen berücksichtigt. Das Sensorrauschen in lateraler Richtung steigt mit der Größe des Sensorelementes (Pixelgröße) und sinkt mit dem Abbildungsmaßstab, der Tastkugelgröße und der Bestrahlung des Sensorelementes (generierte Ladungsträgermenge). Die rauschbedingte Unsicherheit wird experimentell in Abhängigkeit der Bestrahlung, des Tastkugeldurchmessers und des Abbildungsmaßstabes nachgewiesen. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit den exponentiellen Abhängigkeiten. Der Abstandssensor wird als Triangulationssensor, der mit dem Öffnungswinkel des Objektivs arbeitet, modelliert. Zwischen einer axialen Abstandsänderung und der lateralen Signalverschiebung in der Empfängerebene lässt sich ein optischer Übertragungsfaktor berechnen. Der auftreffende Laserstrahl wird im Modell vereinfacht, in dem das Intensitätsprofil als konstant über die Breite angenommen wird. Das Ergebnis zeigt, dass die Steigung der Sensorkennlinie (Empfindlichkeit) proportional zum Quadrat des Öffnungsverhältnisses des Objektivs ist, wohingegen der Messbereich proportional zum Quadrat der Blendenzahl des Objektivs ist (Kehrwert). Demnach ist ein Kompromiss aus Empfindlichkeit und Messbereich des Sensors zu finden. Die im Experiment ermittelte Kennlinie stimmt mit dem theoretischen Modell gut überein. Abweichungen treten am Rand des Messbereichs aufgrund der Vereinfachung des Intensitätsprofils auf und können durch Verwendung eines Profils mit Gaußscher Normalverteilung verringert werden. Für das Sensorrauschen in axialer Richtung wird das Fotoelektronenrauschen als wichtigste Rauschquelle untersucht. Die rauschbedingte Unsicherheit steigt mit der Blendenzahl des Objektivs und sinkt mit der Bestrahlung der Differenzfotodiode (generierte Ladungsträgermenge). Der theoretische Zusammenhang wird für Objektive mit verschiedenen Blendenzahlen experimentell nachgewiesen. Das konventionelle, auf einem Kugelmodell basierende Einmessverfahren, berücksichtigt nicht die gestreckte Form der Tastkugel. Dies führt im Ergebnis zu einer fehlerhaften Tastermatrix und damit zu auslenkungsabhängigen Fehlern. Das Ellipsoid stimmt mit der realen Tastkugelform gut überein. In einem Ausgleichsverfahren werden Tastermatrix und ellipsoide Tastkugelform gleichzeitig ermittelt. Das experimentelle Ergebnis zeigt, dass die Tastermatrix näher an den Einmesswerten des Bildverarbeitungs- und Abstandssensors liegt und keine auslenkungsabhängigen Messfehler entstehen.
Die Genauigkeit des Tastersystems wurde normgerecht durch die Ermittlung der Antastabweichung mit Einzelpunkten und im Scanningbetrieb nachgewiesen. Die ermittelten Kennwerte beschreiben das Abweichungsverhalten des Gesamtsystems aus Taster und Koordinatenmessgerät in einem kleinen Messvolumen. Bei der Prüfung an einem kalibrierten Kugelnormal wurden die Durchmesserabweichung PSTU, die gemessene Antastabweichung der Form PFTU und die Scanning-Antastabweichung THN bestimmt. Die in Tabelle 9 1 geprüften Taster messen mit kleiner werdendem Tastelement zunehmend ungenauer, wobei die für Einzelpunkte ermittelten Kennwerte alle unter 0,3 µm liegen. Für den großen Taster liegen die gemessenen Werte in der Größenordnung der Rundheitsabweichung des verwendeten Kugelnormals und der im Rahmen der Wiederholpräzision gemessenen Drift. Die ermittelte Scanning-Antastabweichung ist jeweils um den Faktor 2- bis 2,5-mal größer als die Antastabweichung von Einzelpunkten.