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tm - Technisches Messen

Plattform für Methoden, Systeme und Anwendungen der Messtechnik

[TM - Technical Measurement: A Platform for Methods, Systems, and Applications of Measurement Technology
]

Editor-in-Chief: Puente León, Fernando / Zagar, Bernhard


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ISSN
2196-7113
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Volume 84, Issue 9

Issues

In-Prozess-Charakterisierung spiegelnder Oberflächen mit Laserstreulicht und leistungsfähiger Hardware

In-process characterization of specular surfaces with scattered laser light and hardware acceleration

Stefan Patzelt
  • Corresponding author
  • Universität Bremen, Bremer Institut für Messtechnik, Automatisierung und Qualitätswissenschaft (BIMAQ), Linzer Str. 13, D-28359 Bremen Germany
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/ Christian Stehno / Dirk Stöbener
  • Universität Bremen, Bremer Institut für Messtechnik, Automatisierung und Qualitätswissenschaft (BIMAQ), Linzer Str. 13, D-28359 Bremen Germany
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/ Gerald Ströbel
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/ Andreas Fischer
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Published Online: 2017-02-24 | DOI: https://doi.org/10.1515/teme-2016-0075

Zusammenfassung

Laserstreulichtmessungen auf der Basis von Specklekorrelationsverfahren charakterisieren Gestaltabweichung opaker, technischer Oberflächen auf der Mikro- und Nanometerskala. Anhand eines einzigen Streulichtbildes lässt sich die Rauheit eines mit Laserlicht beleuchteten Oberflächenbereiches mit mehreren Millimetern Durchmesser quantitativ bewerten. Mit hohen Laser-Lichtleistungen, kurzen Belichtungszeiten und einer Kamera mit hoher Bildrate lassen sich in laufenden Fertigungsprozessen „scharfe“ Bilder erzeugen, die für die rauheitsbezogene Bildauswertung geeignet sind. Die Bildauswertealgorithmen lassen sich für die Implementierung auf einer leistungsfähigen Hardware (FPGA – Field Programmable Gate Array) anpassen. Dies ermöglicht fertigungsnahe und In-Prozess-Rauheitsmessungen an technischen Oberflächen in Echtzeit mit einer Messrate von über 1,3 kHz und einer lückenlosen Oberflächenabdeckung von nahezu 4 m2/min bei einer Bewegungsgeschwindigkeit von 1600 m/min. Der vorliegende Beitrag beschreibt den Aufbau und die Funktionsweise eines In-Prozess-Laserstreulichtmesssystems für die Charakterisierung schnell bewegter, spiegelnder Oberflächen und stellt erste Messergebnisse vor.

Abstract

Scattered laser light measurements based on speckle correlation methods characterize form deviations of opaque technical surfaces in the micrometer and nanometer scale. A single scattered light image of a laser illuminated surface area with several millimeters in diameter enables a quantitative assessment of the surface roughness. High power laser modules, short exposure times and a digital camera with a high frame rate produce “sharp” images in running productions processes, which are suitable for a roughness based image evaluation. The image processing algorithms will be adapted for the implementation on a high-performance hardware (FPGA – Field Programmable Gate Array). This allows near to the process and in-process real time roughness measurements with a measuring rate exceeding 1.3 kHz and a complete surface coverage of nearly 4 m2/min at a moving velocity of 1600 m/min. This contribution describes the set-up and the operating mode of an in-process scattered laser light measuring system for the characterization of fast moving, specular surfaces, and presents first measuring results.

Schlagwörter: Oberflächen; Rauheit; Messtechnik; Laser; Streulicht; Speckle; Hardwarebeschleunigung; FPGA

Keywords: Surface; roughness; metrology; laser; scattered light; speckle; hardware acceleration; FPGA

About the article

Stefan Patzelt

Stefan Patzelt studierte Physik an der Carl von Ossietzky Universität Oldenburg und promovierte am Fachbereich Produktionstechnik der Universität Bremen. Er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Bremer Institut für Messtechnik, Automatisierung und Qualitätswissenschaft (BIMAQ), Arbeitsgruppe „In-Prozess Messtechnik und Optik“. Sein Forschungsinteresse auf dem Gebiet der geometrischen Messtechnik gilt innovativen optischen Messverfahren für den Einsatz im Produktionsumfeld.

Universität Bremen, Bremer Institut für Messtechnik, Automatisierung und Qualitätswissenschaft (BIMAQ), Linzer Str. 13, D-28359 Bremen

Christian Stehno

Christian Stehno hat Informatik an der Universität Oldenburg studiert und dort 2000 das Diplom bekommen. Im Anschluss hat er in unterschiedlichen Bereichen der Informatik gearbeitet. Zu Beginn als Wissenschaftlicher Mitarbeiter der Universität Oldenburg in der Theoretischen Informatik, Lehrstuhl für Parallele Systeme. Anschließend wechselte er ans OFFIS Institut für Informationstechnologie und beschäftigte sich mit Entwurfsmethodik für Eingebettete Systeme. 2010 gründete er mit zwei Kollegen vom Institut die Firma CoSynth, die Eingebettete Systeme und intelligente Kameras für die Industrieautomation entwickelt. Dort ist er primär für die Bildverarbeitung und die Hardwarenahe Softwareentwicklung zuständig.

CoSynth GmbH & Co. KG, Marie-Curie-Str. 1, D-26129 Oldenburg

Dirk Stöbener

Dirk Stöbener absolvierte ein Physik-Studium an der Universität Bremen und ist dort auch im Fachbereich Produktionstechnik als Leiter der Arbeitsgruppe „In-prozess Messtechnik und Optik“ am Bremer Institut für Messtechnik, Automatisierung und Qualitätswissenschaft (BIMAQ) tätig. Seine Forschungsinteressen umfassen fertigungsnahe Messverfahren z. B. zur Positionsbestimmung und zur Charakterisierung von (geometrischen) Werkstückeigenschaften.

Universität Bremen, Bremer Institut für Messtechnik, Automatisierung und Qualitätswissenschaft (BIMAQ), Linzer Str. 13, D-28359 Bremen

Gerald Ströbel

Gerald Ströbel ist Oberingenieur am Bremer Institut für Messtechnik, Automatisierung und Qualitätswissenschaft (BIMAQ). Neben der Automatisierungstechnik gilt sein Forschungsinteresse der optischen In-Prozess-Messtechnik. Er leitet die Forschungsarbeiten des BIMAQ innerhalb des Verbundprojekts „Optische Oberflächen-Charakterisierung im Fertigungsprozess mittels leistungsfähiger Hardware (OptOCHar)“ (BMBF, Förderkennzeichen 13N13535).

Universität Bremen, Bremer Institut für Messtechnik, Automatisierung und Qualitätswissenschaft (BIMAQ), Linzer Str. 13, D-28359 Bremen

Andreas Fischer

Prof. Dr.-Ing. habil. Andreas Fischer übernahm am 1. August 2016 die Leitung des Bremer Instituts für Messtechnik, Automatisierung und Qualitätswissenschaft (BIMAQ) am Fachbereich Produktionstechnik der Universität Bremen. Nach dem Studium der Elektrotechnik und der daran anschließenden Promotion, für die er u. a. 2010 mit dem Messtechnik-Preis der AHMT e. V. ausgezeichnet wurde, habilitierte er sich auf dem Gebiet der Messtechnik am Institut für Mess- und Sensorsystemtechnik der Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik an der Technischen Universität Dresden. Zu seinen Forschungsinteressen zählen laseroptische Messsysteme für hochdynamische Strömungs-, Fertigungs- und Materialprüfungsprozesse sowie messsystemtheoretische Ansätze zur Beschreibung von Messbarkeitsgrenzen.

Universität Bremen, Bremer Institut für Messtechnik, Automatisierung und Qualitätswissenschaft (BIMAQ), Linzer Str. 13, D-28359 Bremen


Revised: 2017-01-24

Accepted: 2017-02-01

Received: 2016-11-30

Published Online: 2017-02-24

Published in Print: 2017-09-26


Citation Information: tm - Technisches Messen, Volume 84, Issue 9, Pages 557–567, ISSN (Online) 2196-7113, ISSN (Print) 0171-8096, DOI: https://doi.org/10.1515/teme-2016-0075.

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[1]
Stefan Patzelt, Dirk Stöbener, and Andreas Fischer
Applied Optics, 2019, Volume 58, Number 23, Page 6436

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