Vertical Focus Probing

Optisches Messverfahren ermöglicht seitliches Antasten von Bauteilen

Bisher waren Geometrien wie Bohrungen von z.B. Einspritzventilen aus der Automobilindustrie optisch kaum messbar. Das seitliche Antasten von Bauteilen mit vertikalen Flächen beschränkte sich auf taktile Messsysteme, CT Lösungen oder komplexe Sonderlösungen. Das ändert sich mit Vertical Focus Probing, einer Erweiterung der Fokus-Variation. Erstmals werden Bauteile auch optisch seitlich und vollflächig angetastet.

Unterschiedliche optische Messverfahren ermöglichen die Messung von Bauteilen mit unterschiedlichen Neigungen. Das Spektrum messbarer Flanken bzw. Neigungen umfasste bisher 0° - 85°, wobei sich in der industriellen Praxis bei steilen Flanken die Fokus-Variation als das geeignetste Verfahren etabliert hat. Bei Bauteilen, die stärker als 85° geneigt sind, stieß auch diese Technologie an ihre Grenzen. Gleichwohl wird die Fokus-Variation von Bruker Alicona seit 15 Jahren konstant weiterentwickelt und nun durch das Verfahren von Vertical Focus Probing ergänzt. Auch Oberflächen mit einer Neigung von mehr als 90° können jetzt optisch angetastet und flächenhaft in 3D gemessen werden.

Vertical Focus Probing

Unterschiedliche Technologien ermöglichen die Messung von Bauteilen mit unterschiedlichen Neigungen

Oberflächenmessung bei Neigung mit mehr als 90°

Vertical Focus Probing basiert auf der Nutzung eines partiellen Lichtkegels. Das heißt, zusätzlich zum koaxialen Licht wird Licht aus unterschiedlichen Richtungen genutzt. Das führt dazu, dass einzelne von vertikalen Flächen diffus reflektierte Lichtstrahlen wieder vom Objektiv erfasst werden, was Flanken mit mehr als 90° hochauflösend, rückführbar und wiederholgenau messbar macht.

Wie hoch der Anteil der reflektierten Lichtstrahlen ist, hängt sowohl von der Geometrie und Rauheit der zu messenden Oberfläche als auch von der genutzten Lichtquelle ab. Auch das Objektiv spielt eine Rolle, denn je nach Durchmesser kann das Objektiv auch noch reflektiertes Licht von Oberflächen erfassen, die mehr als 90° geneigt sind. Hier kommt die numerische Apertur (AN) zum Tragen, die über den Objektivdurchmesser und den Arbeitsabstand definiert ist. Sie beeinflusst, wie stark die messbare Neigung einer Oberfläche über die 90° Marke noch hinausgehen kann. 

Vertical Focus Probing

Reflektiertes Licht kann auch durch das Objektiv erkannt werden, wenn die Neigung steiler als 90° ist.

Unterschied zwischen Fokus-Variation und Vertical Focus Probing

Vertical Focus Probing basiert wie die Fokus-Variation auf dem vertikalen Scan der zu messenden Oberfläche. Dabei wird für jede Position die Fokus-Informationskurve ausgewertet. Der Unterschied zur Fokus-Variation besteht darin, dass bei Vertical Focus Probing pro Messpunkt (XY) nicht nur ein einzelner, sondern mehrere Z-Werte berechnet werden. Diese Z-Werte bilden die vertikale Fläche ab.

Verifizierung nach ISO 10360

Koordinatenmessgeräte werden mittels EN ISO 10360 geprüft. Teil dieser Prüfung ist u.a. die Messung des bidirektionalen Längenmessfehlers von z.B. Kugelbalken. Typischerweise sind taktile Verfahren hierfür sehr gut geeignet, da sie die Kugel seitlich antasten können. Für optische Verfahren war das bis dato nicht möglich. Mit Vertical Focus Probing ändert sich das jetzt: Kugeln können am Äquator angetastet werden, was es möglich macht, den Abstand zu bestimmen.

Vertical Focus Probing

Anwendungsbereiche, Vorteile und Genauigkeit

Die Einsatzgebiete von Vertical Focus Probing in der dimensionellen Messtechnik sind vielfältig. Die neue Messtechnologie eröffnet neue Anwendungen in sämtlichen Bereichen der fertigenden Industrie bzw. Produktion. Besonders profitiert u.a. die Werkzeugindustrie, die Präzisionsfertigung sowie die Automobilindustrie und Luftfahrt von neuen Applikationen. Überall, wo es gilt Bauteile mit vertikalen Flächen zu messen, ist Vertical Focus Probing ein geeignetes Verfahren. Bauteilmerkmale wie Löcher, Bohrungen, Referenzflächen, Konturen, Längen etc. sind damit in hoher Genauigkeit, hoher Auflösung und kurzer Messzeit optisch messbar.

3D-Datensätze von Wendeschneidplatte und Einspritzventil

PMI Verifizierungen (Product and Manufacturing Information bzw. Produkt- und Fertigungsinformationen) inklusive Form- und Lagetoleranzen (GD&T Merkmale) werden wie bei taktilen Systemen durch die Messung von mehreren Positionen aus nur einer Messrichtung realisiert. Dabei ist es nicht notwendig, Bauteile umzuspannen um Geometrieparameter wie Durchmesser, laterale Distanzen etc. zu erfassen. Durch das flächenbasierte Messprinzip und der damit einhergehenden hohen Messpunktdichte kann bei der Auswertung von bspw. Formabweichungen auf eine große Zahl von Messpunkten zurückgegriffen werden, was eine robuste Bestimmung von vor allem kleinen Geometrien ermöglicht.

Optische Lochmessung

Ein typischer Anwendungsbereich ist die Messung von Mikrobohrlöchern in Einspritzdüsen oder zur Qualitätssicherung von Kühllochgeometrien. Das ermöglicht die Messung von Löchern bzw. Bohrungen mit einem Durchmesser-Tiefen-Verhältnis von 1:3 bis 1:10. Der messbare Durchmesser beträgt 0.1 mm bis 2 mm. Gemessen werden Parameter wie Außen- und Innendurchmesser sowie der Öffnungswinkel.

Messung mehrere Löcher

In Kombination mit der automatischen Dreh- und Schwenkachse „µCMM Real3D“, die aus einem 3-Achs- ein 5-Achssystem macht, werden auch mehrere Löcher inklusive ihrer Orientierung zueinander gemessen. Eine mögliche Anwendung ist die Messung von Einspritzdüsen inklusive Durchmesser, K-Faktor, Einspritzwinkel und Seitenwinkel.


R&D Paper: Vertical Focus Probing and the use in Dimensional Metrology

Diese neue Technologie ist eine Erweiterung der Fokus-Variation und somit eine rein optische Messtechnik. Es ermöglicht die direkte Messung von vertikalen Flanken und Mikrobohrungen, ohne die Probe während der Messung zu drehen.

Lesen Sie in dieser kürzlich veröffentlichten F&E Publikation mehr über das Messprinzip Vertical Focus Probing und die Auswirkungen dieses Verfahrens auf die Mikrolochmessung und die 3D-Messung von steilen Flanken mit einem Steigungswinkel von mehr als 90°. Für alle Messungen, die in der Publikation präsentiert werden, wird die optische Koordinatenmessmaschine µCMM eingesetzt.

Alicona optical measurement of a calibrated pin

Bruker Alicona präsentierte auf der Control 2019 sein neues optisches Mikrokoordinatenmessgerät µCMM und in diesem Zusammenhang die neue Technologie "Vertical Focus Probing",  eine Erweiterung der Fokus-Variation Technologie. "Vertical Focus Probing" ermöglicht das seitliche Antasten von vertikalen Flächen. Mit nur einem Sensor werden Flanken mit mehr als 90° seitlich angetastet und optisch gemessen... 

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Erfahren Sie mehr zum Alicona µCMM