Maßprüfung von Verbindungselementen: Einsatz telezentrischer Beleuchtungen für hochpräzise Schrauben

Maßprüfung von Verbindungselementen mit telezentrischen Beleuchtungen

• Kollimiertes Durchlicht liefert scharfe Silhouettenkanten mit Subpixel-Genauigkeit.
• Telezentrische Optiken eliminieren vergrößerungsbedingte Höhenfehler.
• Gewinde, Kopf und Länge mit hoher Genauigkeit gemessen.
• Koaxial- und Dunkelfeldbeleuchtung prüfen die Werkzeugaufnahme.
• Abgedeckt durch die Beleuchtungen RODER BL3, DC6, DL5 und DL6.

Die hochpräzise Messung von Verbindungselementen beginnt beim Licht. Die Kantenerkennung im Subpixel-Bereich erfordert eine scharfe, klar definierte Kante an der Bauteilgrenze. Daher muss das Durchlicht gleichmäßig, intensiv und sorgfältig diffus sein. Jeder Kompromiss beim Licht führt direkt zu Messunsicherheit. Diese Seite erklärt die Anforderungen und listet die passenden RODER Vision Beleuchtungen auf.

Warum Durchlichtbeleuchtung essenziell ist

Die Messung von Verbindungselementen stützt sich auf die Silhouette des Bauteils. Die Kamera erfasst den Schatten vor einem hellen Hintergrund. Anschließend erkennt der Algorithmus die Silhouettenkanten. Schließlich berechnet er die Abmessungen aus den Pixelkoordinaten dieser Kanten.

Dieser Ansatz erfordert einen gleichmäßigen, hellen Hintergrund. Hotspots, dunkle Stellen und Verläufe dürfen nicht vorhanden sein. Andernfalls verschiebt die Hintergrundhelligkeit die Kantenschwelle je nach Position. Infolgedessen wandert die scheinbare Kante und ein systematischer Fehler entsteht. Ein solcher Fehler lässt sich durch Kalibrierung nur schwer korrigieren.

Durchlichtbeleuchtungen der RODER Vision BL-Serie sind für die Metrologie konstruiert. Die Uniformität ihrer aktiven Fläche liegt bei 95 % oder besser über die gesamte Oberfläche. Daher bleibt die Kantenschwelle an jedem Punkt im Bildfeld konstant. Im Gegenzug misst das System an jeder Position präzise.

Telezentrische Optik und Beleuchtung

Bei Standardoptiken hängt die Objektgröße im Bild vom Abstand ab. Ein Bauteil, das näher am Objektiv liegt, erscheint größer, während ein weiter entferntes Bauteil kleiner erscheint. Daher führt jede Höhenvariation zu einem Messfehler. Vibrationen und Toleranzen der Werkstückaufnahme verursachen dasselbe Problem.

Telezentrische Objektive lösen dies auf elegante Weise. Sie erfassen nur die Strahlen, die parallel zur optischen Achse verlaufen. Infolgedessen ändert das Verschieben des Bauteils auf die Kamera zu oder von ihr weg den Abbildungsmaßstab innerhalb der Schärfentiefe nicht. Aus diesem Grund sind telezentrische Optiken der Standard für hochgenaue Messungen.

Telezentrische Systeme stellen eine spezifische Anforderung an das Licht. Das Durchlicht muss im Wesentlichen kollimiert sein, mit parallel zur Achse verlaufenden Strahlen. Ein nicht kollimiertes Durchlicht erzeugt einen Halbschatten an der Kante. Dieser Halbschatten ist ein unscharfer Übergang zwischen Hintergrund und Silhouette. Daher bestimmt seine Breite die minimale Kantenunsicherheit.

Gewindeprofil- und Steigungsmessung

Die Gewindeprüfung ist die komplexeste Aufgabe bei Verbindungselementen. Das Profil umfasst Steigung, Flankenwinkel sowie Außen- und Kerndurchmesser. Es beinhaltet auch die Gewindeform. Alle diese Parameter müssen innerhalb der Spezifikation liegen, um die korrekte Funktion im Gegenstück zu gewährleisten.

Dazu steht die Schraubenachse senkrecht zur Kameraachse. Das Durchlicht beleuchtet die Schraube dann von hinten. Infolgedessen erscheinen Gewindespitzen und -gründe als periodische Höhen und Täler im Kantenprofil. Der Abbildungsmaßstab muss diese Merkmale auflösen. Für eine M3-Schraube mit 0,5 mm Steigung werden mindestens 20 Pixel pro Steigung benötigt. Ein höherer Wert von 40 bis 80 Pixeln pro Steigung verbessert die Präzision.

Ausrichtung und Wellenlänge spielen hierbei eine entscheidende Rolle. Das Durchlicht muss exakt hinter der Messzone sitzen. Jeder Winkelversatz beleuchtet die Flanken von vorne und verschmiert die Kante des Gewindegrunds. Zudem schärfen kürzere Wellenlängen die Beugungskante. Daher liefert Blau bei 470 nm oder Grün bei 525 nm schärfere Kanten als Rot bei 617 nm. Für anspruchsvollste Gewinde wird monochromatisches blaues oder grünes Durchlicht bevorzugt.

Kopfgeometrie und Prüfung der Werkzeugaufnahme

Die Kopfprüfung umfasst Durchmesser, Höhe und die Werkzeugaufnahme. Vertiefungen wie Phillips, Torx, Innensechskant und Schlitz müssen in der Tiefe maßhaltig und unbeschädigt sein. Eine beschädigte Werkzeugaufnahme führt zu Montagefehlern. Sie kann zudem die Schraubenklinge beim automatisierten Verschrauben beschädigen.

Draufsicht-Beleuchtung für die Werkzeugaufnahme

Die Prüfung der Werkzeugaufnahme nutzt eine Draufsicht-Kamera über dem Kopf. Koaxiale Beleuchtung ist hierbei die effektivste Technik. Das koaxiale Licht verläuft entlang der Achse und tritt in die Vertiefung ein. Anschließend reflektiert es an den Wänden und dem Boden der Vertiefung. Infolgedessen erscheint die Werkzeugaufnahme als charakteristisches Muster aus hellen und dunklen Bereichen.

Dunkelfeldlicht in flachen Winkeln fügt eine weitere Prüfung hinzu. Es erkennt Verformungen oder Beschädigungen am Rand der Werkzeugaufnahme. Grate und eingerollte Kanten streuen das Licht. Daher erscheinen sie als helle Anomalien auf der dunklen Kopfoberfläche.

Ringbeleuchtung für Kopfmerkmale

Ringbeleuchtung von oben leuchtet den Kopfumfang gleichmäßig aus. Daher eignet sie sich für Flanschdurchmesser, das Vorhandensein von Unterlegscheiben und Oberflächenmarkierungen. Ein moderater Winkel sorgt für eine helle, gleichmäßige Oberseite. Infolgedessen unterstützt sie das Lesen von Markierungen und die Umfangsmessung.

Längen-, Schaftdurchmesser- und Spitzenmessung

Länge, Schaftdurchmesser und Spitzengeometrie sind die verbleibenden Schlüsselparameter. Alle drei werden aus der Seitensicht-Silhouette unter Durchlicht gemessen. Die Gesamtlänge reicht von der Oberseite des Kopfes bis zur Spitze. Daher hängt ihre Genauigkeit von der Kalibrierung des Abbildungsmaßstabs und der Gleichmäßigkeit des Durchlichts ab.

Der Schaftdurchmesser wird an mehreren Positionen entlang des Schafts gemessen. Dies prüft auf Konizität, Ovalität und Durchmesserabweichungen. Die Spitzengeometrie umfasst den Verjüngungswinkel, die Spitzenlänge und die Symmetrie. Das Bauteil muss exakt rechtwinklig zur Kameraachse ausgerichtet sein. Andernfalls verkürzt eine Neigung die Silhouette und erzeugt Fehler. Daher müssen Vorrichtungen den Winkel für eine hohe Genauigkeit innerhalb von 0,1° begrenzen.

Integration für die Inline-Inspektion

Inline-Systeme verarbeiten Bauteile aus Wendelförderern, Schwingförderern oder Förderbändern. Die Durchsatzraten sind hoch. Daher muss die Beleuchtung zu diesen Zuführmechanismen passen. Sie muss zudem den Trigger-Anforderungen des Bildverarbeitungssystems entsprechen. RODER-Beleuchtungen unterstützen zu diesem Zweck Stroboskop- und externe Trigger.

RODER Vision Beleuchtungsfamilien für die Prüfung von Verbindungselementen

Die folgenden Familien decken die Metrologie von Verbindungselementen und die Prüfung von Werkzeugaufnahmen ab. Jede bietet hohe Gleichmäßigkeit, stabile Ausgangsleistung und robuste Gehäuse. Daher richtet sich die richtige Wahl nach der Aufgabe und der Perspektive.

Serie BL3 — Hochgleichmäßige Durchlichtbeleuchtungen

Durchlichtbeleuchtung in Metrologie-Qualität mit einer Uniformität der aktiven Fläche von 95 % oder besser. Daher liefert sie scharfe, konsistente Silhouettenkanten für Messungen im Subpixel-Bereich. Erhältlich in Blau und Grün für schärfste Gewindekanten.

Serie DC6 — Hochdichte Ringbeleuchtungen

Hochdichte Ringbeleuchtung mit gleichmäßiger Frontbeleuchtung. Daher eignet sie sich für die Prüfung von Kopfumfang, Flansch und Markierung. Ein flacher Winkel fügt Dunkelfeldlicht zur Erkennung von Beschädigungen am Rand der Werkzeugaufnahme hinzu.

Serie DL5 — Hochintensive Matrix-Beleuchtungen

Hochintensive Matrix mit niedrigem Profil und hoher Gleichmäßigkeit. Daher bietet sie helles Frontlicht für koaxiale Prüfungen und Draufsicht-Kopfprüfungen. Geeignet für die schnelle Inline-Inspektion.

Serie DL6 — Matrixbeleuchtungen mit hoher Dichte

Hochdichte Matrix mit MCCD©-Treiber und HTTM©-Wärmemanagement. Infolgedessen behält sie eine stabile Ausgangsleistung für wiederholbare Messungen über lange Betriebszeiten bei.

Die richtige Wahl richtet sich nach der Messaufgabe. Für die Silhouetten-Metrologie führt die Durchlichtbeleuchtung BL3 mit Blau oder Grün für schärfste Kanten. Kopf- und Werkzeugaufnahmenprüfungen eignen sich stattdessen für die Ringbeleuchtung DC6 und das Frontlicht DL5. Eine stabile Leistung über lange Betriebszeiten spricht für die DL6 als starke Wahl. In jedem Fall bietet RODER Vision ingenieurtechnische Unterstützung bei der telezentrischen und Inline-Integration. Definieren Sie daher zuerst die Parameter, die Optik und die Zuführung und wählen Sie dann die passende Beleuchtung.

Häufig gestellte Fragen

Möchten Sie Hilfe bei der Auswahl des richtigen Produkts?

Sprechen Sie mit einem Ingenieur