Das grundlegende Funktionsprinzip einer Videomessmaschine (VMM) besteht darin, ein Bild des Werkstücks mittels eines optischen Bildgebungssystems zu erfassen, anschließend mithilfe einer Software Kantenkonturen aus dem Bild zu extrahieren und anhand der Kantenpositionen Maße zu berechnen. Die Genauigkeit der Kantenerkennung bestimmt daher direkt die Zuverlässigkeit der Messergebnisse. Innerhalb der Messkette ist die Beleuchtungsmethode einer der wichtigsten Faktoren, die die Kantenerkennung beeinflussen.
1. Grundprinzipien der Kantendetektion
Die von einem VMM gemessene „Kante“ ist im Wesentlichen die Stelle im Bild, an der der Hell-Dunkel-Kontrast einen abrupten Wechsel erfährt. Die Software ermittelt diesen Wendepunkt mithilfe von Algorithmen und definiert ihn als die physikalische Grenze des Merkmals. Die Position dieses Wendepunkts ist jedoch nicht fix – sie hängt von der Helligkeitsverteilung ab, die beim Auftreffen von Licht auf das Werkstück entsteht. Unterschiedliche Beleuchtungsmethoden erzeugen deutlich unterschiedliche Helligkeitsverteilungen, wodurch dasselbe Merkmal unterschiedliche Messabmessungen aufweist.
2. Anwendbarkeit und Grenzen verschiedener Beleuchtungsmethoden
Zu den üblicherweise in VMMs verwendeten Beleuchtungsmethoden gehören hauptsächlich Ringlicht, Hintergrundbeleuchtung (Konturlicht) und Oberflächenlicht, die jeweils für unterschiedliche Messszenarien geeignet sind.
Ringlicht beleuchtet die Werkstückoberfläche aus einem bestimmten Winkel von der Linse aus und eignet sich daher für die allgemeine Dimensionsmessung ebener Merkmale und die Untersuchung von Oberflächenfehlern. Bei Merkmalen mit Fasen oder Abschrägungen erzeugen die schrägen Lichtstrahlen des Ringlichts jedoch Reflexionen an der Fasenfläche, wodurch sich die Kantenposition verschiebt. Am Beispiel der Messung des Durchmessers einer abgeschrägten Bohrung lässt sich dies verdeutlichen: Leuchtet das Ringlicht direkt von oben, führen Reflexionen an der Fasenfläche zu einer Vergrößerung der Bohrungskante nach außen. Die vom Programm ermittelte Kantenposition ist somit größer als der tatsächliche Bohrungsdurchmesser.
Die Konturbeleuchtung (auch als Hintergrundbeleuchtung bezeichnet) leuchtet das Werkstück von unten nach oben aus, und die Linse erfasst dessen projizierte Silhouette. Die Kante entspricht dabei der tatsächlichen physikalischen Projektionsgrenze des Werkstücks und liefert so präzisere Messergebnisse – besonders geeignet für Durchgangsbohrungen, Außenkonturen und ähnliche Merkmale. Die Konturbeleuchtung kann jedoch keine Informationen über die Oberseite des Werkstücks erfassen und ist daher ungeeignet für Sacklöcher, Vertiefungen und andere Merkmale, die eine Oberflächenabbildung erfordern.
Flächenlicht (Flachlicht) beleuchtet die Werkstückoberfläche in einem flachen Winkel und eignet sich daher zur Kontrastverstärkung feiner Oberflächenstrukturen wie gravierter Linien und mikrogefräster Schrift. Bei hochglänzenden, polierten Oberflächen erzeugt Ringlicht große helle Flecken, wodurch Kanten nicht optimal dargestellt werden. In solchen Fällen kann Flachlicht oder die Verwendung von Polarisationsfiltern zur Unterdrückung spiegelnder Reflexionen den Kantenkontrast effektiv verbessern.
3. Einfluss des Beleuchtungsmodulzustands auf die Konsistenz
Neben der Wahl der Beleuchtungsmethode beeinflusst auch der Betriebszustand des Beleuchtungsmoduls selbst die Messgenauigkeit. Vertikalmessgeräte (VMMs) verwenden üblicherweise LED-Lichtquellen. Mit zunehmender Betriebsdauer kann es bei einzelnen LEDs zu Helligkeitsverlusten oder -ausfällen kommen, was eine ungleichmäßige Helligkeitsverteilung im Sichtfeld zur Folge hat. Diese Ungleichmäßigkeit führt dazu, dass dasselbe Objekt in unterschiedlichen Ausrichtungen unterschiedliche Messergebnisse liefert und ist oft schwer direkt zu erkennen – sie wird leicht fälschlicherweise der Geradheit der Führungsschiene oder Problemen im optischen System zugeschrieben.
Einige Modelle verfügen über gezielte Designs zur Lichtquellensteuerung. Das JATEN JTDIM beispielsweise ist mit einem integrierten Helligkeitssensor ausgestattet, der die Leuchtdichte der Lichtquelle in Echtzeit überwacht und automatisch kompensiert. Dadurch wird die durch LED-Alterung bedingte Helligkeitsdrift bis zu einem gewissen Grad reduziert. Darüber hinaus verfügt dasJATEN JTDIM über ein selbstentwickeltes, programmierbares LED-Lichtquellensteuerungssystem. Dieses ermöglicht die Voreinstellung und Anpassung von Beleuchtungsparametern wie der Helligkeit für verschiedene Messszenarien und trägt so zu einer stabilen Kantenerkennung bei unterschiedlichen Werkstücken bei. Das JTDIM-200 nutzt ein LED-Beleuchtungsdesign mit mehreren Abstrahlwinkeln. Durch die Verwendung von Lichtstrahlen aus verschiedenen Winkeln werden Oberflächenreflexionen reduziert und die Kontursichtbarkeit verbessert. Es eignet sich für Werkstücke aus unterschiedlichen Materialien und mit verschiedenen Oberflächenbeschaffenheiten.
4. Anwendungsempfehlungen
In der Praxis sollte die Beleuchtungsmethode entsprechend der Art des zu messenden Merkmals ausgewählt werden: Gegenlicht ist die erste Wahl für Durchgangslöcher und Außenkonturen; Ringlicht für Oberflächenmerkmale und planare Abmessungen; und Flachlicht oder Polarisationsfilter für stark reflektierende Oberflächen. Darüber hinaus sollte der Betriebszustand des Lichtquellenmoduls regelmäßig überprüft und gealterte oder defekte LEDs umgehend ausgetauscht werden, um durch ungleichmäßige Ausleuchtung verursachte, versteckte Messabweichungen zu vermeiden. Die standardisierte Erfassung der Beleuchtungsparameter trägt außerdem dazu bei, die Vergleichbarkeit der Messergebnisse über verschiedene Chargen und Zeiträume hinweg zu verbessern.
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