Interferometrische Lasersensoren zur dreidimensionalen, in-situ-Formvermessung rotierender Körper

In der Fertigungs- und Prozesstechnik kommt der Messung der Geschwindigkeit, des Abstands, der dreidimensionalen Form und Deformation, der Schwingung und der Lage schnell rotierender Bauteile eine wachsende Bedeutung zu. Beispiele sind die Erfassung der last- und schädigungsbedingten Deformation von Rotoren oder der Exzentrizität und Form von Werkstücken in Bearbeitungsmaschinen. Neuartige interferometrische Laser-Doppler-Distanzsensoren mit Phasenauswertung (P-LDD Sensor) oder mit Frequenzauswertung (F-LDD Sensor) erscheinen für diese Aufgaben prädestiniert. Sie erlauben eine Messung der lateralen Geschwindigkeit und eine gleichzeitige Messung der axialen Position mit Mikrometer-Unsicherheit auch an schnell bewegten rauen Oberflächen.
Im Rahmen dieser Arbeit wird die Eignung beider Messverfahren zur In-situ-Form- und -Deformationsmessung mit Sub-Mikrometer-Messunsicherheit untersucht. Dazu wird die erreichbare Messunsicherheit des P-LDD Sensors analytisch, numerisch und experimentell betrachtet. Aufbauend auf diesen Untersuchungen wurde ein kompakter, passiver, fasergekoppelter Messkopf entwickelt und in einer CNC-Drehmaschine zur absoluten Messung der Werkstückform eingesetzt. Es wird gezeigt, dass ein modellbasierter Ansatz die Bestimmung des Werkstückdurchmessers mit nur einem Sensor und Sub-Mikrometer-Messunsicherheit sowie eine gleichzeitige Messung der Oberflächentopographie ermöglicht. Abschließend wird demonstriert, wie mit Hilfe einer kamera-basierten Streulichtdetektion die Speckle-bedingte Messunsicherheit interferometrischer Sensoren um bis zu zwei Größenordnungen reduziert und gleichzeitig eine In-situ-Kalibrierung durchgeführt werden kann.