Entwickeln und Evaluieren neuartiger retro-reflektierender Referenzelemente für den industriellen Einsatz

Dauer der Arbeit: 6 Monate
Abschluss: Februar 2019
Betreuer: Dr. Rolf Heidemann (Faro Europe GmbH & Co. KG)
Prüfer: Prof. Dr.-Ing. Norbert Haala

Photogrammetrische Aufgabenstellungen im Nahbereich erfordern eine präzise Bestimmung der Orts- und Lageinformationen, für die entsprechend genaue Referenzelement notwendig sind, die eine exakte Orientierung sicherstellen. Mit Hilfe dieser Referenzelemente und einem 3D-Messsensor ist es möglich einzelne Bauteile oder den Zusammenbau von Baugruppen zu prüfen. Des Weiteren kann die Objektlage, unter Verwendung von CAD-Modellen und der 3D-Sensorinformationen, automatisch ermittelt werden, um geeignete Greifpunkte für die Entnahme von Bauteilen auf Paletten oder aus Gitterboxen mit Roboter (bin picking, pick and place, etc.) zu identifizieren.

Im Rahmen der Masterthesis wurden unterschiedliche Referenzelemente, siehe dazu Bild 1 und 2, hinsichtlich ihrer Genauigkeit und Verschleißverhalten untersucht.

Es stellte sich heraus, dass die Produkte für den Einsatz in einer industriellen Umgebung nicht geeignet sind. Hierbei sind die primären Anforderungen eine hohe Genauigkeit bei gleichzeitig hoher Widerstandsfähigkeit gegenüber dem Reinigungsverfahren mit Trockeneis. Das Trockeneisstrahlen basiert auf den in Bild 3 aufgezeigten Effekten, hierbei wird die Deckschicht stark unterkühlt, sodass diese versprödet und durch das auftreffen der nachströmenden Trockeneispellets Risse entstehen. Der Abtrag der Deckschicht erfolgt einerseits durch den mechanischen Effekt und andererseits durch den Sublimationseffekt.   

Bei unzureichender Haftung der retro-reflektierenden Beschichtung wird diese beim Trockeneisstrahlen abgetragen, sodass die Funktionalität der Referenzmarke zerstört wird, siehe Bild 4.

Da keine geeigneten Referenzelemente auf dem Markt vorhanden sind, wurde zum einen ein Fertigungsprozess zur Herstellung von retro-reflektierenden Kugelmarken erarbeitet und zum anderen eine retro-reflektierenden Flachmarke entwickelt. Diese Referenzmarken sind robust gegenüber dem Trockeneisstrahlen und können daher auch in industrieller Umgebung eingesetzt werden. Außerdem weisen diese eine Positionsgenauigkeit von 25,5µm bzw. 16,6µm auf, wie im Diagramm 1 zu sehen ist.

Das Resultat der Masterarbeit ist eine Entwicklung von sphärische und flache retro-reflektierenden Referenzelementen. Dabei ist je nach Anwendungsfall abzuschätzen, ob eine Kugelmarke oder eine Flachmarke zum Einsatz kommen soll. Zwar ist die Kugelmarke um ca. 9µm ungenauer als die Flachmarke, hat aber den Vorteil, dass bei ihrer Ablichtung, aus nahezu jedem Beobachtungswinkel, eine Kreis-Abbildung entsteht, wodurch eine höhere Flexibilität in der Anwendung resultiert.  

Kretzschmar, M. (2016): CO2-Schneeentstehung und deren Wirkung auf die Effekte beim CO2-Schneestrahlen. Dissertation. Fraunhofer Verlag, Stuttgart.