Integration von Gestaltungsprinzipien der Industrie 4.0 bei der Montage optischer Systeme

• Integration of industry 4.0 design principles for the assembly of optical systems

Prochnau, Marcel Sebastian; Loosen, Peter (Thesis advisor); Schmitt, Robert H. (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2020, 2021)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Kurzfassung

Die Verzahnung von Produktionsprozessen und Betriebsabläufen mit intelligenter Informations- sowie Kommunikationstechnologie revolutioniert die Industrie entscheidend. Auch für die Photonik eröffnen Entwicklungen im Kontext der vierten industriellen Revolution maßgebliche Potentiale - insbesondere hinsichtlich der Verbesserung genauster Montageprozesse optischer Komponenten sowie des Ausgleichs von Fertigungstoleranzen. Die vorliegende Arbeit fokussiert die zentrale Forschungsfrage, wie die Gestaltungsprinzipien der Industrie 4.0 gewinnbringend auf den Bereich der Montage optischer Systeme übertragen werden können. Mit dem Anspruch der exakten Abbildung physischer Systemzustände geht das Ziel der Bestimmung eines digitalen Zwillings einher, welcher durch die so geschaffene Informationstransparenz die Grundlage für dezentrale Entscheidungsfindungen legt. Vor dem Hintergrund des Ziels der Vernetzung einerseits sowie Realisierung einer digitalen technischen Assistenz einer optischen Montagezelle andererseits zeigt die Arbeit zunächst den aktuellen Stand von Wissenschaft und Technik auf. Auf Grundlage der daraus abgeleiteten Defizite werden die Forschungsfragen nach einem Konzept zur technischen Realisierung der Vernetzung sowie digitalen technischen Assistenz einer optischen Montagezelle unter Berücksichtigung erforderlicher Messgrößen sowie der Möglichkeit des geräteübergreifenden Austauschs von Sensordaten beantwortet. Ferner werden die Implementierung und Validierung des erarbeiteten Sensorsystemkonzepts sowie die technisch assistierende Darstellung der erhobenen Messdaten realisiert. Die Darstellung erhobener Messdaten über die Zeit erfolgt in Diagrammen, wobei qualitätsrelevante Schwellenwerte vorgegeben und überwacht werden können. Durch die digitale technische Assistenz ist es dem Anwender ebenso möglich, Aussagen hinsichtlich der Qualität des Montageprozesses, möglicher Stör- bzw. Fehlerquellen und ggf. erforderlicher Wartungsmaßnahmen treffen zu können. Die Arbeit schafft eine Definition des Konzepts des digitalen optischen Zwillings (Digital Optical Twin - DOT). Basierend auf dem in dieser Definition festgelegten Geltungsbereich des DOT werden Untersuchungen zu geeigneten optischen Charakterisierungsgrößen sowie Messverfahren für die Bestimmung des DOT ermittelt. Mittels eines im Rahmen der Arbeit entwickelten Ansatzes wird die durch Zemax OpticStudio errechnete Rückführung von erhobenen Messdaten auf den optischen Systemzustand (Bestimmung der Bauteil- und/oder Lageabweichungen) untersucht und bei erfolgreicher Validierung eine Lösung des inversen Problems geschaffen. Im Anschluss an die Identifikation eines geeigneten Messverfahrens zur Erfassung der Charakterisierungsgrößen erlaubt die experimentelle Untersuchung des Messverfahrens die Formulierung einer geeigneten Messstrategie. Diese erzielt unter der Verwendung von 22 Zernike Koeffizienten sowie zwei Messwellenlängen die höchste Genauigkeit zur Bestimmung des DOT. Praktische Untersuchungen demonstrieren die messtechnische Umsetzung zur Bestimmung des DOT unter Einsatz einer bichromatischen Messung für die exakte Bestimmung des Krümmungsradius einer Linse.