Bildverarbeitung

Präzision in drei Freiheitsgraden

Exakte Bauteilpositionierung bei CT-Messungen ohne zusätzliche Antriebe

19.05.2015 -

Die präzise und reproduzierbare Ausrichtung von Messobjekten im CT ist eine wesentliche Voraussetzung für die Erzeugung vollständiger und genauer Datensätze. Mit einer universellen Positioniereinheit für industrielle Computertomographen (CT), die vollständig von den im Gerät vorhandenen Achsen angetrieben wird und dabei eine Ausrichtung von Messobjekten in drei Freiheitsgraden ermöglicht, wird dies in Zukunft einfacher zu realisieren sein.

Seitdem moderne industrielle Computertomographen den Sprung aus der Materialforschung in die angewandte Messtechnik gemeistert haben, investieren mehr und mehr Unternehmen in diese Technologie. Die Gründe dafür sind vielfältig, da mit einer einzigen CT-Aufnahme enorme Mengen an Informationen über die Fertigungsqualität eines Bauteils bereitgestellt werden. Zum einen wird die komplette dreidimensionale Geometrie inklusive aller Hinterschneidungen, Bohrungen und Kanten erfasst. Zum anderen gibt eine CT-Untersuchung Aufschluss über materialspezifischen Eigenschaften eines Prüfobjekts. Lufteinschlüsse, Risse oder eingeschlossene Fremdkörper macht ein Computertomograph zerstörungsfrei sichtbar.

Die Erfahrung des Bedieners
Der breite Anwendungsbereich der CT spiegelt sich in einem kurzweiligen aber anspruchsvollen Arbeitsalltag des Bedienpersonals wider. Verschiedenste Bauteile aus unterschiedlichen Abteilungen eines Unternehmens sollen einmalig oder auch öfter gemessen werden. Der Bediener muss dabei zwangsläufig für jedes neue Prüfobjekt eine Aufspannung anfertigen. Hierfür wird beispielsweise leicht zu durchstrahlender Schaumstoff verwendet, damit das Aufspannmaterial keine störenden Bildartefakte im CT-Bild verursacht.
Eine Schwierigkeit bei der Vorbereitung einer CT-Aufnahme liegt in der optimalen Positionierung der Probe auf der Dreheinheit. Anders als bei einer zweidimensionalen Messung wie etwa unter einem Mikroskop, bei der das Bauteil lediglich auf dem Messtisch positioniert und die Optik in Fokusabstand gefahren wird, werden an die Positionierung und Orientierung von Prüfobjekten im Strahlengang des Tomographen höhere Ansprüche gestellt. Das Objekt dreht sich während der CT-Messung einmal um die eigene Achse und darf dabei nicht aus dem strahlungssensitiven Detektorbereich herauswandern. Eine schlechte Positionierung, wie in Abbildung 1 dokumentiert, kann dazu führen, dass Bereiche des Prüfobjekts während der CT Messung „abgeschnitten" werden. Der CT-Datensatz wird unbrauchbar und eine Wiederholmessung ist erforderlich. Aus diesem Grund ist es wichtig, das Prüfobjekt, wie in Abbildung 3 dargestellt, zentriert auf dem Drehteller zu platzieren, um einen vollständigen Datensatz zu erzeugen, wie ihn Abbildung 2 zeigt.
Die Bestimmung der optimalen Positionierung des Prüfobjekts auf dem Drehteller erfolgt durch eine experimentelle Vorgehensweise. Nachdem der Bediener das Bauteil aufgespannt und positioniert hat, das Gehäuse des Tomographen geschlossen und die Röntgenstrahlung eingeschalten hat, überprüft er seine Arbeit, indem er das Prüfobjekt einmal um die eigene Achse rotieren lässt. Allzu oft kommt es dabei vor, dass bei dieser Überprüfung ein Teil des Bauteils den Bildbereich verlässt, wie in Abbildung 4 dargestellt. Der Bediener muss diesen Vorgang dann wiederholen. Zwei bis drei Iterationsschleifen sind dabei keine Seltenheit.

Positioniereinheit „Spidermover"
Neben der Möglichkeit, das Prüfobjekt in X/Y-Richtung zu bewegen, steht auch eine Kippfunktion zur Verfügung. Die verfügbaren Freiheitsgrade illustriert Abbildung 5. Da die zu durchstrahlende Länge eines Bauteils Einfluss auf die Bildqualität der CT-Messung haben kann, ist es oftmals sinnvoll, das Bauteil für die Messung leicht zu kippen. Auch diesen Eingriff kann der Bediener jetzt von außen vornehmen, ohne hierfür das Prüfobjekt aus dem Tomographen entnehmen zu müssen.
Um diesen Schritt zu vereinfachen, hat das Fraunhofer Anwendungszentrum CTMT die Positioniereinheit „Spidermover" entwickelt, die dem Bediener die nachträgliche Feinausrichtung des Prüfobjekts vollständig abnimmt. Bei der Entwicklung wurde großer Wert auf die Skalierbarkeit und die Portierbarkeit gelegt. Hierfür wurde die Positioniereinheit vollmechanisch ausgelegt, wobei auf die bestehenden Antriebsachsen des Tomographen zurückgegriffen wird. Da keine elektrische Verbindung benötigt wird, beschränkt sich der Aufwand zur Aufrüstung einer bestehenden CT auf das Anflanschen des Manipulators auf die Drehachse. Mittels Softwaresteuerung wird das Prüfobjekt automatisiert und definiert bewegt.
Über drei einfache, rastend schaltbare Kupplungen wird die Drehbewegung der Drehachse sequentiell auf die einzelnen Verfahrwege der Einheit geleitet. Steuerungstechnisch betrachtet genügt es, bei geschalteter Kupplung die positionsgesteuerte Drehachse auf einen Sollwert zu fahren, um die Positionierung des Prüfobjekts im gewählten Freiheitsgrad zu korrigieren.
Da die Einheit komplett auf eigene Antriebe verzichtet, konnten ihr Gewicht und der Bauraum klein gehalten werden. Gleichzeitig konnten durch die Auslegung als Parallelführungskinematik ein weiterer Verfahrweg und eine hohe Steifigkeit realisiert werden. Diese Eigenschaften sind wichtig, damit die Dynamik der Drehachse voll erhalten bleibt. Schließlich werden in der Mikro-CT die einzelnen Durchstrahlungsbilder nicht bei einer kontinuierlichen Drehbewegung sondern bei diskreten Winkelschritten aufgezeichnet. Dieser Stop-and-Go Betrieb der Drehachse erfordert eine Fixierung, die nicht durch etwaiges Nachschwingen die Lageregelung der Achse stört.

Automatisierbarkeit
Da die eigentliche Steuerung bereits auf der Ebene des Steuerrechners des Tomographen geschieht, ist der Weg für verschiedenste Automatisierungsaufgaben geebnet. Zum einen wurde am Fraunhofer Anwendungszentrum CTMT softwareseitig eine Stapelverarbeitung implementiert. Diese findet unter anderem bei forschungsorientierten Messreihen Anwendung. So ist es beispielsweise möglich, schrittweise den Kippwinkel zu variieren, um dessen Einfluss auf die CT-Datenqualität gezielt zu untersuchen. Zum anderen wurde ein Automatikmodus implementiert, bei dem im Durchstrahlungsbild die äußere Bauteilkontur ermittelt wird, um das Prüfobjekt automatisiert in die Mitte der Drehachse zu positionieren. Eine Demonstration dieses Arbeitsablaufs ist auf dem YouTube-Channel des Fraunhofer IIS zu finden.

Ausblick
Neben den oben beschriebenen Einsatzmöglichkeiten der entwickelten Positioniereinheit sind weitere Anwendungen denkbar. So kann die Positioniereinheit in Kombination mit sogenannten Region-of-Interest (ROI) Rekonstruktionsmethoden eingesetzt werden, um das zu tomographierende Bauteil in der Weise im Strahlengang des Tomographen zu positionieren, dass die im CAD-Modell ausgewählten Prüfmerkmale mit optimaler Abbildungsqualität erfasst und gemessen werden können.
Im Zuge der Anwendung von Rekonstruktionsverfahren, die im Gegensatz zur Standard-CT eine beliebige Trajektorie des Prüfobjekts erlauben, ließe sich auf die zu erfassenden Prüfmerkmale am Bauteil optimal abgestimmte Bahnkurve der Bauteilbewegung während der CT-Datenaufnahme realisieren. Hierbei könnte die CT-Aufnahmezeit bei gleicher bzw. verbesserter Bildqualität beträchtlich verkürzt werden.
Durch einen schnellen Testlauf, bei dem sich das in der Positioniereinheit eingespannte Bauteil auf dem Drehteller dreht und gleichzeitig translatorisch bewegt wird, können in kurzer Abfolge Durchstrahlungsbilder abgespeichert werden. Mittels Bilddatenanalysemethoden lassen sich im Anschluss aus diesen Informationen die kürzesten Durchstrahlungslängen ermitteln, so dass das Bauteil auf Basis dieses Kriteriums optimal positioniert und tomographiert werden kann.

 

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