Modifikationsfreie Drehwinkel- und Drehmomenterfassung

Das Forschungsvorhaben „Modimo“

Am IPH – Institut für Integrierte Produktion Hannover wird bereits seit 2014 an berührungslosen Messmethoden geforscht, welche eine integrierte Messung von Drehzahl und Drehmoment erlauben. Im Rahmen der Forschungsprojekte IntegrAD (IGF-Vorhaben 18200 N) und MiniVib (IGF-Vorhaben 20891 N) wurden exakte Muster auf Stahlwellen graviert, wodurch der aktuelle Drehwinkel einer Stelle an der Welle optisch erfassbar wurde. Im Rahmen des Forschungsprojekts Modimo (IGF-Vorhaben 01IF23006N) wird derzeit auf diesen Forschungsergebnissen aufgebaut und eine Methode entwickelt, bei welcher keine Modifikation der Wellenoberfläche erforderlich ist. Das dafür konzeptionierte Messprinzip ist in Abbildung 1 dargestellt.

Die zugrundeliegende Annahme ist, dass die Oberfläche einer Stahlwelle bereits lokale charakteristische Merkmale aufweist. Diese können beispielsweise Riefen oder Fehlstellen sein, und als erkennbare Muster dienen. Die Muster können dann mit einem zuvor aufgenommenen 360°-Panorama der Wellenoberfläche verglichen und der absoluten Winkelposition φ zugeordnet werden. Das anliegende Drehmoment M wird dann durch die erfasste Phasenverschiebung Δφ bestimmt.

Panoramaaufnahme der Wellenoberfläche 

Das erste Teilziel des Forschungsprojekts war demnach, eine Methode zu entwickeln, um die 360°-Panoramen der Wellenoberfläche aufzunehmen. Dabei müssen messtechnische Probleme wie Helligkeitsschwankungen und Verzerrungen der Kamera oder Wellenkrümmung berücksichtigt werden. Um eine Echtzeitfähigkeit der Methode zu ermöglichen, muss die Methode möglichst effektiv und effizient das Panorama berechnen. Diese Anforderungen konnten durch einen Ansatz realisiert werden, welcher mittels Kreuzkorrelation Überschneidungen zwischen aufeinanderfolgenden Bildern bestimmt. 
Das prinzipielle Vorgehen für zwei aufeinanderfolgende Bilder wird im Schaubild (Abb. 2) ersichtlich. Darin sind Bild 1 (rot) und Bild 2 (grün) dargestellt, welche beide jeweils einen Teil der Wellenoberfläche mit den markanten Oberflächencharakteristika der Stahlwelle zeigen. In der Zeit zwischen den Aufnahmen wurde die Welle um einige Grad weitergedreht. Dennoch ist ein identischer Bereich der Wellenoberfläche in beiden Bildern abgelichtet. Dieser ist in Bild 1 und Bild 2 jeweils in Gelb umrahmt. Dieser übereinstimmende Bildbereich wird genutzt, um die aufeinanderfolgenden Bilder zueinander auszurichten und zu überlappen. Dies geschieht nun so oft bis eine gesamte Wellenumdrehung erreicht ist und das Ende des Panoramas mit dem Panoramaanfang zusammengefügt werden kann. Das ganze Panorama entspricht somit 360° und den Oberflächenmerkmalen kann ein bestimmter Drehwinkel zugeordnet werden.

Drehwinkelbestimmung mittels Mustererkennung und Evaluation im Laborumfeld 

Neben dem Teilziel der Panoramaaufnahme wurden zwei weitere Teilziele gesetzt. Diese sind die Untersuchung und Implementierung einer Methode zur Drehwinkelbestimmung mittels Mustererkennung. Zuletzt soll das entwickelte System im Laborumfeld evaluiert werden. Für die Drehwinkelbestimmung mittels Mustererkennung wird zunächst ein Feature-basierter Ansatz gewählt. Um die Oberflächencharakteristika unter unterschiedlichen Bedingungen robust zu erkennen, werden Merkmalsdetektoren wie beispielsweise der „Scale-Invariant Feature Transform“-Algorithmus (SIFT) und der „Oriented FAST and rotated BRIEF“-Algorithmus (ORB) getestet und verglichen. Aufgrund des relativ kleinen Datensatzes wird zunächst ein Brute-Force-Matcher eingesetzt, um Übereinstimmungen zwischen einem Einzelbild und dem zuvor erstellten 360°-Referenzpanorama der Wellenoberfläche zu erkennen.
Als verbleibendes Teilziel werden abschließend die Grenzen des entwickelten Gesamtsystems erforscht. Bei der Evaluierung im Laborumfeld werden dazu Parameter, wie beispielsweise Drehmoment oder Drehzahl variiert. Zudem sollen Umweltbedingungen, wie unterschiedliche Lichtverhältnisse, Verschmutzungsgrad oder Lagerschäden, am Versuchsstand simuliert werden, um deren Einfluss auf die Genauigkeit des Messsystems zu quantifizieren.