Strukturierte Vision in der Fertigung

Anbieter liefern verschiedene Sensoren, um den Anforderungen und Budgets der Industrieanwender gerecht zu werden. Da die Preise sinken und die Leistungsfähigkeit wächst, stellt sich die Frage, was die nächstbeste Anwendung ist?

Systeme mit strukturiertem Licht messen Oberflächen, indem sie ein Streifenmuster projizieren und sie dann mithilfe von Kameras und hochentwickelter Software in Punktwolken aus Messdaten umwandeln. Die Genauigkeit kann über Millionen von Punkten den einstelligen Mikrometerbereich erreichen. Die Erfassungsraten einiger neuerer Geräte werden in Millisekunden gemessen. Erschwinglichkeit und Auswahl unter diesen Sensoren nehmen zu. Während die meisten Zwei-Kamera-Stereo-Setups bleiben, verwenden einige Einzelkamera-Setups für einen flexibleren Einsatz, insbesondere in der Nähe von Produktionslinien. Mehr Bereitstellungen und mehr Anwendungen sind die Markenzeichen der Branche.

Einer der Pioniere auf diesem Gebiet war GOM, ein Unternehmen, das jetzt die Möglichkeiten seiner ATOS-Linie von strukturierten Lichtsystemen erweitert. „In der Vergangenheit betrachteten alle ATOS-Sensoren als High-End-, aber teure Scanner. Aber jetzt bietet [GOM] eine ganze Reihe von Streifenlichtscannern an“, sagte Frank Stone, National Sales Engineering Manager bei Capture 3D Inc., Santa Ana, Kalifornien, einem Value-Added-Reseller von ATOS-Sensoren. „Sie haben erkannt, dass man zur Erweiterung des Marktes eine Vielzahl von Kunden beliefern muss – nicht jeder braucht so enge Toleranzen und Genauigkeiten wie andere
“, sagte er.

Ein gutes Beispiel für die Vielfalt des Unternehmens ist das Einsteigersystem ATOS Core. Es
kann zusammen mit den Bedürfnissen des Eigentümers in seiner Leistungsfähigkeit wachsen. Einstiegsanwendungen wie Reverse Engineering oder Rapid Prototyping erfordern laut Capture3D das Scannen ohne erweiterte Inspektionsfunktionen. Ein komplettes „Einsteiger“-Kit enthält Software, die Punktwolkendaten in Polygonnetze im STL-Format umwandelt. Der Core bietet einen Upgrade-Pfad vom manuellen Betrieb zum halbautomatischen Betrieb, der das Hinzufügen von Messtastern und Photogrammetrie für qualitativ hochwertigere messtechnische Inspektionen umfassen könnte. Dasselbe Gerät kann schließlich auch zur Vollautomatisierung für industrielle Qualitätskontrollen aufgerüstet werden.

Aber GOM hat auch nicht aufgehört, seine High-End-Systeme zu verbessern. Die neuesten Angebote sind die Angebote ATOS 5 und ATOS 5X, die für den industriellen Einsatz und die Integration von Messungen in Produktionslinien konzipiert sind. Einer der Schlüssel zur Verwendung von strukturiertem Licht in rauen Umgebungen besteht darin, die Erfassungszeit zu verkürzen, wodurch es weniger empfindlich gegenüber Vibrationen und Geräuschen wird. Nach Angaben des Unternehmens erfasst der ATOS 5 Scans in 0,2 Sekunden (200 Millisekunden) bei 100 Bildern pro Sekunde. In Kombination mit dem Automatisierungssystem ATOS Scanbox könnte es zur Messung von Karosserieverschlüssen, Instrumententafeln, Triebwerksturbinenschaufeln oder Gussteilen eingesetzt werden. An Robotern in kundenspezifischen Integrationen montiert, kann es komplette Rohkarosserien messen, wie sie in der Automobilherstellung üblich sind.

Vielfalt der Projektionsquellen

Um den Nutzen noch weiter zu steigern, verwendet der fortschrittlichere ATOS 5X eine viel hellere Lichtquelle. „Der ATOS 5X verwendet einen integrierten Laserlichtkompressor, um diese hellere Lichtquelle bereitzustellen, die das Messvolumen erweitert“, erklärte Stone. „Wo wir vorher nur 700 mm messen konnten, können wir mit dieser neuen Quelle jetzt bis zu 1.000 mm in der gleichen Zeit messen. Es dauert nur 0,2 Sekunden pro Scan.“ Technisch gesehen ist dies immer noch strukturiertes Licht und nutzt nicht die in einem Laser verfügbare Kohärenz für die Interferometrie – es ist ein sehr helles, aber immer noch standardmäßiges strukturiertes Lichtgerät.

Hexagon Manufacturing Intelligence, North Kingstown, R.I., hat in den letzten Jahren auch eine breite Palette von Abtastgeräten mit strukturiertem Licht entwickelt. Sie werden in zwei grundlegende Technologien eingeteilt, diejenigen, die Einzelbildprojektionen verwenden, und diejenigen, die Mehrfachstreifenprojektionen verwenden. Single-Slide-Sensoren betonen Geschwindigkeit und Einsatz unter rauen Bedingungen und umfassen Hexagons WLS qFLASH, BLAZE 600 und WLS 400.

„Diese Sensoren betonen die schnelle Bilderfassung“, sagte Amir Grinboim, technischer Programmmanager bei Hexagon. Diese sammeln Daten im Durchschnitt in 0,015 Sekunden oder 15 Millisekunden. Die Geschwindigkeit der Abholung ist wichtig – das macht sie ideal für den Einsatz in Werkshallen. „Die Philosophie lautet ‚Messen, wo immer Sie wollen‘“, sagt Grinboim.

Die Multiple-Streifen-Projektionstechnologie hingegen ist langsamer, aber mit besserer Auflösung. Dazu gehören die AICON-Angebote von Hexagon. „Wenn wir eine Aufnahme machen, wird das Bild aus einer Folge von Projektionen aufgebaut. Und diese Projektionen sind Linien, die auf das Teil projiziert werden, und diese Linien werden bewegt und ändern die Ausrichtung zusammen mit dem Bilderfassungsprozess. Das ist ein relativ langer Prozess“, erklärt Grinboim, der durchschnittlich 2 Sekunden für eine einzelne Sammlung benötigt. „Das Ziel ist nicht Geschwindigkeit, sondern die Qualität der Punktwolke.“

Hexagon verwendet auch einen Rot/Grün/Blau (RGB) DLP-Projektor in seinem neuesten Sensor, dem AICON StereoScan neo. Der Sensor verfügt außerdem über ein breites Spektrum an Messfeldern von 75 mm bis 1.100 mm. Dies geschieht durch Wechseln der Kameraobjektive oder der Basislänge. Die Erfassungszeit beträgt ca. 2 Sekunden und das Gerät kann entweder mit einer 8- oder 16-Megapixel-Kamera ausgestattet werden.

Wofür der RGB-DLP-Projektor ideal ist, sind Anwendungen, bei denen die Messungen in eine Farbkarte der Abweichungen im Vergleich zu den CAD-Nennwerten umgewandelt werden können. Diese werden dann auf den gerade gemessenen Teil zurückprojiziert.

„[Dies ist] ideal für Designarbeiten, Nacharbeiten für Werkzeuge und das Zeigen von Über- oder Untermaterial beim Gießen. All dies kann für den Ingenieur direkt auf dem Teil sichtbar sein, ohne Bezugnahme auf einen Computerbildschirm oder eine PDF-Datei“, erklärt Grinboim.

Hexagon nennt dies See What You Measure oder SWYM. „Das ist ideal zum Messen und Bearbeiten von Guss-, Schmiede- oder Spritzgusskunststoffen. Wenn Sie ein großes Geometrieteil haben, fügt unsere Software automatisch mehrere Sammlungen zusammen, ohne dass Referenzziele auf dem Teil erforderlich sind“, sagte er.

Industrialisierung und Automatisierung

„Beliebte Anwendungen [für Scanner mit strukturiertem Licht] umfassen Legacy-Werkzeuge für Reverse Engineering und Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt. Beide erfordern im Allgemeinen höhere Präzisionstoleranzen, die der strukturierten Lichthardware gerecht werden“, erklärte Greg Groth, Bereichsleiter für Exact Metrology, Brookfield, Wisconsin. Exact Metrology bietet Mess- und Scandienste auf Vertragsbasis, Lösungen für Messtechnik sowie Hardware- und Softwaremiete an. Es bietet oder verwendet Messgeräte, die von tragbaren Arm-KMGs bis hin zu High-End-CT-Scannern reichen.

Das Unternehmen verwendet auch GOM ATOS Streifenlichtsysteme. Dazu gehören der ATOS II Triple Scan und der ATOS III Triple Scan, die Exact für seine Auftragsarbeiten verwendet. Exact vertreibt auch den AICON PrimeScan von Hexagon Manufacturing Intelligence.

Die Automatisierung entwickelt sich zu einem Mainstream-Einsatz von strukturierten Lichtgeräten. „Derzeit übernimmt die Automatisierungswelt die Technologie [des strukturierten Lichts]. Da Roboterzellen sicherer und kostengünstiger werden und gleichzeitig die Hardware billiger wird, steigt die Popularität der Inline-Automatisierung“, sagte Groth. „Wenn die Erfassungsgeschwindigkeiten auf den Untersekundenbereich steigen, eröffnet dies eine neue Welt der Durchsatzeffizienz.“

Er glaubt auch, dass aktuelle Schlagworte der Industrie – wie KI, Internet der Dinge und Big Data Analytics – einen Einfluss auf die Einführung von strukturierten Lichtsystemen haben. „Eine große Änderung ist das dynamische Feedback oder ein Schleifensystem. Beispielsweise das Scannen des Bauteils, das Vergleichen mit den entworfenen CAD-Daten, das Zurückgeben dieser Abweichungen an den Herstellungsprozess und das Vornehmen der adaptiven Änderungen an den Werkzeugen, um korrekte Teile herzustellen“, sagte er.

Ian Scribner, Produktverkaufsleiter für tragbare 3D-Scanner bei Carl Zeiss Industrial Metrology LLC, Brighton, Mich., wiederholte diesen Fokus auf die Automatisierung in seinen Beobachtungen. „[Automatisierung ist] der Schwerpunkt in den letzten Jahren darauf, [unsere] Software zu verbessern, um die Hardware zu automatisieren“, erklärte er.

Die Geschichte der Streifenlichtsysteme, die Zeiss anbietet, geht ebenfalls auf einen der frühen Begründer des Feldes, die Firma Steinbichler, zurück. Zeiss hat das Unternehmen und seine Technologie vor einigen Jahren übernommen. Die Zeiss COMET-Linie strukturierter Lichtsysteme stammt aus diesem Erbe, zeigt aber jetzt einige Verbesserungen, die nur Zeiss bietet. Ein Beispiel ist das System Zeiss ABIS II zur Erkennung von Oberflächenfehlern. Es ist besonders nützlich bei der Messung von Klasse-A-Karosserieoberflächen in der Automobilherstellung – wiederum für den Einsatz an oder in der Nähe der Produktionslinie konzipiert.

Ein weiteres neueres Angebot von Zeiss ist der COMET Pro AE. Das Gerät wird in den vorgefertigten Automatisierungslösungen des Unternehmens, den AIBox- und AIBox-Flex-Systemen, verwendet. Es veranschaulicht auch einen weiteren Trend, der bei strukturierten Lichtsystemen aller Anbieter vorherrscht – die Kombination verschiedener Messtechnologien zur Verbesserung der Automatisierung und Genauigkeit.

„Der COMET Pro AE ist konsequent auf Automatisierung ausgerichtet. Es hat ein paar zusätzliche Funktionen – einschließlich Photogrammetrie“, sagte Scribner. „Damit lassen sich größere Bauteile schneller und genauer erfassen. Es hat auch Lichtringe, die es Benutzern ermöglichen, Bleche zu scannen und bessere Detaildetails an Löchern oder Streichriemen oder Ausschnitten des Blechs bereitzustellen.“

Die Erfassungszeiten des COMET Pro AE sind abhängig von der Teilegröße. Eine Blechkarosserie beispielsweise dauert wenige Minuten. Das Ergebnis sind laut Scribner mehrere zehn Millionen Punkte mit einer Genauigkeit von 25 bis 35 µm. Tatsächlich waren seine größten Erfolgsgeschichten in der jüngeren Geschichte die Automatisierung der Messung von Blechteilen.

Während der COMET Pro AE als „at-line“-Gerät angeboten wird, das für die Inspektion von Stichproben nützlich ist, bietet Zeiss mit seinen AIMax Inline- und BestFit-Angeboten auch eine strukturierte Lichtlösung für die Inline-Inspektion. Das Unternehmen bewirbt diese als gut für Qualitätssicherungs-, Standorterkennungs- und Produktionssteuerungsaufgaben, einschließlich Roboterführung.

Das Gerät kann auch in STL-formatierte Oberflächen umgewandelte Scanpunkte ausgeben. „Oft ist der COMET AIMax so programmiert, dass er nach bestimmten Merkmalen für die Inline-Messung sucht“, sagte er. Da es programmierbar ist, vermeidet es die Fallstricke der harten Messung, und das zu einem immer erschwinglicheren Preis.

„Jedes Jahr haben wir gesehen, dass strukturierte Lichtsysteme als Gruppe im Preis gesunken sind und in der Leistungsfähigkeit gestiegen sind, was neue Anwendungen eröffnet“, sagte Scribner. Die kompakte Größe des BestFit wird durch seine Einzelkamera-Technologie ermöglicht. In Anbetracht der rauen Umgebung, für die sie entwickelt wurden, weisen beide Sensoren durch aktive Kompensation eine hohe Temperaturstabilität auf.

Erschwinglichkeit und Anwendungen

Laut Scott Green, Director of Software bei 3D Systems Inc., Rock Hill, S.C., stehen dem Markt für Bildverarbeitungssysteme große Veränderungen bevor gesagt.

Das Unternehmen bietet eine breite Produktpalette an, von 3D-Druckern bis hin zu haptischen Force-Feedback-Geräten,
einschließlich einer Reihe von Messsystemen mit strukturiertem Licht. Laut Green wird die Verschiebung bei Systemen mit strukturiertem Licht aufgrund sinkender Gerätepreise erfolgen, selbst wenn die Qualität und die Scanabdeckung steigen.

„Das sind [Systeme], die bald per Kreditkarte gekauft werden können. Heutzutage gibt es sogar sehr kostengünstige, hochwertige Streifenlichtsensoren, die für weniger als 10.000 US-Dollar verkauft werden“, sagte er – weit entfernt von den ursprünglich auf den Markt gebrachten Systemen von über 100.000 US-Dollar. 3D Systems bietet einen Scanner in Industriequalität an – den Capture und eine kleinere Version, den Capture Mini. Ein anderes Handgerät verwendet ebenfalls strukturiertes Licht für schnelle Messungen kleiner Gegenstände.

Wie ist das möglich? Diese Systeme benötigen qualitativ hochwertige und präzise Lichtquellen und präzise Projektionsmuster. Die Kameras müssen scharfe Bilder mit einer Größe von bis zu 16 Megapixeln aufnehmen. Es gibt sehr ausgefeilte Software und Mathematik, die dazu beitragen, die Daten aus diesen Komponenten herauszuholen. Jahrzehnte der Verfeinerung machen die Software und die Algorithmen immer ausgefeilter. Er behauptet jedoch, dass die Systeme im Wesentlichen … einfach sind. „Ein strukturiertes Lichtsystem besteht im Wesentlichen aus zwei Kameras und einem Projektor“, sagte er, mit einem Computer und Software.

Der allgemeine Verbrauchermarkt bestimmt die Kosten- und Qualitätskurve dieser Komponenten. Computing auf dieser Ebene wird fast kostenlos. Massenproduzierte Smartphones und Consumer-Kameras bedeuten, dass sich Digitalkameras und Lichtquellen schnell weiterentwickeln.

„Die funktionalen Komponenten, die eigentlichen Komponenten zum Bau eines Streifenlichtsensors, werden immer erschwinglicher“, sagte Green. „Sie sehen also eine Abwärtsbewegung der Betriebskosten für diese Art von hochwertigem strukturiertem Licht, da die darin enthaltenen Komponenten leichter verfügbar und billiger werden.“

Sobald die Kosten für Hardware gesenkt werden, wird der Preisdruck auf die begleitende Software zunehmen. Mit sinkenden Gesamtbetriebskosten eröffnet sich laut Green die Verwendung der jetzt kostengünstigen strukturierten Lichtsysteme für dedizierte Anwendungen. Denken Sie an die Spalt- und Bündigkeitsmessung in der Rohkarosserie von Kraftfahrzeugen oder die 100-Prozent-Prüfung einzelner Merkmale in einer Bearbeitungszelle durch einzelne Sensoren.

„Für die richtigen Anwendungen werden wir viel intelligentere Sensoren haben, die viel näher am Produktionsort sind“, sagte er. „Die Rolle der Desktop-Software für diese Anwendungen wird viel mehr die eines Informationsaggregators sein.“