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Optische (große, fette, schnelle) Messtechnik

Geschrieben von Cliff Bliss, Commercial Operations Manager für optische 3D-Sensoren bei Hexagon Manufacturing Intelligence

Treten Sie ein in die Welt der optischen Messtechnik und eines ist klar. Dieser pulsierende Geschäftsbereich entwickelt weiterhin neue Designs von tragbaren Koordinatenmessgeräten (PCMMs) für die Inspektion großer Komponenten und Vorrichtungen. Große Hersteller sind immer noch auf der Suche nach aktualisierten optischen Methoden, um die In-situ-3D-Messung über große Oberflächenbereiche in der Luft- und Raumfahrt, im Schiffbau, in der Automobilindustrie und anderen Industrien zu ermöglichen. Die Notwendigkeit, Oberflächen sorgfältig im Detail zu analysieren, treibt den Trend zu besseren optischen Messwerkzeugen voran, die größere Datensätze liefern, im Gegensatz zu den alten Prüfvorrichtungen mit harter Messung.

Neue kamerabasierte optische Photogrammetriesysteme führen neue Designs ein, die große Abweichungen von älteren Versionen der traditionellen optischen Toolsets darstellen. Da diese Systeme in rauer Industrieumgebung oder in abgelegenen Outdoor-Umgebungen eingesetzt werden, legen Ingenieure bei der Konstruktion besonderen Wert auf die Robustheit und Widerstandsfähigkeit dieser Systeme gegenüber mechanischen Belastungen wie Vibrationen oder Schock. Während der Forschungs- und Entwicklungsphase wird die Genauigkeit des Systems in langwierigen Tests über ein gesamtes Messvolumen überprüft. Neuere Systeme betten zwei Hochleistungskameras in ein robustes Gehäuse ein und ermöglichen die Inspektion, Verfolgung und Positionierung auch in rauen Produktionsumgebungen mit Staub und Vibrationen.

Neue Designs, schnelle Rückgabe

Moderne optische Systeme, die auf Photogrammetrie basieren, gibt es in vielen verschiedenen Konfigurationen. Ein neueres Design wird zwei hochauflösende 8-Megapixel-Digitalkameras in einem geschlossenen Kamerabalken enthalten. Diese integrierten Digitalkameras sind in der Lage, jede Art von Messobjekt schnell zu erfassen, das auf dem zu messenden Bauteil oder auf einem Handmessgerät platziert ist. Die generierten Bilder werden automatisch verarbeitet und 3D-Koordinatendaten in Echtzeit berechnet. Probleme wie Vibrationen, Geräusche und Positionsänderungen, die Messtechniker seit Jahren plagen, sind kein Problem mehr. Es gibt optische Systeme auf dem Markt, die eine neue Technologie namens dynamische Referenzierung anbieten, die es dem System ermöglicht, diese Umgebungsstörungen durch optisches Tracking automatisch zu erkennen und zu kompensieren. Diese Funktionalität garantiert eine konstante Prozessstabilität, auch wenn das System während einer Messsitzung bewegt wird.

Weitere Fortschritte

Auch in Sachen Genauigkeit hat sich die Technologienadel nach vorne bewegt. Es gibt jetzt optische Messsysteme auf dem Markt, die Objekte mit einem Volumen von bis zu fünf Metern mit einem Genauigkeitsbereich von 40 bis 80 Mikrometern messen können. Eine neue Fähigkeit für kamerabasierte Lösungen ist die Fähigkeit, mehrere Punkte gleichzeitig zu erfassen und ihre Verwendung auf Belastungstests und Ermüdungstests in Laborumgebungen sowie auf andere statische und dynamische Anwendungen auszudehnen. Kombinieren Sie diese Fortschritte mit dynamischer Referenzierung, und der Benutzer verfügt jetzt über ein Toolset, das geometrische Bedingungen präzise erkennen und in einer hochaktiven industriellen Umgebung mit minimaler oder keiner Ausfallzeit verwendet werden kann.

Schnell arbeiten

Jeder Techniker, der jemals versucht hat, ein Bauteil schnell und genau auszurichten, weiß, wie komplex die Aufgabe ist. Ein gutes Beispiel ist die Positionierung einer Autotür in einer Seitenwand. Das ist keine leichte Aufgabe, aber ein Unterfangen, mit dem Automobilhersteller tagtäglich im Prototyping-Prozess zu kämpfen haben. Jedes Mal, wenn eine Schraube auf einer Seite der Tür eingestellt und dann auf der anderen Seite überprüft wird, ist sie verzogen. Diese Übung kann ein langwieriger, mühsamer Prozess sein, der normalerweise bis zu 30 Minuten dauert, um eine Tür basierend auf ihren CAD-Daten und ihrer Passform auszurichten. Dieses Szenario setzt auch voraus, dass während des Verfahrens niemand etwas berührt.

Damit tritt das kamerabasierte optische Trackingsystem ein. Diese Photogrammetrie-Lösungen sind von Natur aus einfach einzurichten, genauso wie ein Fotograf seine Ausrüstung für ein Fotoshooting aufbaut. Ein einzelner Bediener montiert eine Kamerastange auf einem Stativ und ist einsatzbereit. Am Stativ können auch Rollen angebracht werden, um die Bewegung in der Werkstatt zu erleichtern. Das Photogrammetriesystem wird in die beste Position für die Sichtlinienmessung gebracht und der Sensor auf das zu messende Objekt ausgerichtet. Der gesamte Einrichtungsvorgang ist in wenigen Minuten abgeschlossen. Neue Systeme beinhalten Sensoren, die temperaturgesteuert sind, was bedeutet, dass der Sensor seine eigene thermische Stabilität regulieren kann.

Nun zurück zur Aufgabe, die Autotür optisch in der Seitenwand zu positionieren. Zuerst würde ein Bediener die Tür mit einigen einfachen Zielen signalisieren. Als Nächstes würden kritische Merkmale der Tür mit einer Handsonde für die Vorausrichtungsprozedur erfasst werden. Das gleiche Verfahren würde auf die Seitenwand angewendet werden. Beide Komponenten werden nun in ihr jeweiliges Koordinatensystem eingefangen.

Die kamerabasierte Technologie ermöglicht die gleichzeitige Messung mehrerer Punkte an diesen Komponenten und verfolgt auch 6DoF-Körper dynamisch. Die Messsoftware zeigt den Fortschritt des Ausrichtungsprozesses in Echtzeit mit Hilfe von visuellen Abweichungsmarkierungen auf dem Computerbildschirm zur Orientierung. Der Bediener kann die Daten verwenden, um eine Schraube zu drehen und einzustellen, und dann überprüfen, wann die Zielposition erreicht ist. Kurz gesagt, die Abweichungsfahnen dienen als Indikatoren für eine schnelle Ausrichtung der Komponenten innerhalb weniger Minuten.

Harte Umgebung, kein Problem

Eine klassische Überlegung eines jeden Messtechnikers ist, ob eine industrielle Umgebung stabil genug für Messungen ist oder nicht. Basierend auf der Größe des Objekts oder der Baugruppe besteht eine weitere Sorge darin, ob das Messsystem während einer Sitzung bewegt werden muss. Diese beiden verbleibenden Probleme wurden, wie zuvor besprochen, mit dynamischer Referenzierung angegangen. Unter Verwendung von Zielen auf der Seitenverkleidung des Automobils als Referenzpunkte kann ein Photogrammetriesystem die Bewegung des Sensors kompensieren. Dieselbe Technologie kann auch die Messung eines Objekts in einem Bereich kompensieren, in dem Vibrationen oder andere Faktoren zu einer instabilen Umgebung beitragen.

Da die Sichtlinienbereiche des Objekts oder der Baugruppe gleichzeitig gemessen werden, wird jede Aufnahme direkt in ein globales Koordinatensystem transformiert. Messungen werden zuverlässig durchgeführt, selbst wenn ein Arbeiter das Teil berührt oder an einer Vorrichtung rüttelt. Es ist keine manuelle Neuausrichtung erforderlich, da das photogrammetrische System online bleibt und weiterhin Daten erfasst, während die täglichen Aktivitäten am Arbeitsplatz während der Sitzung stattfinden.

Die neue Alternative 

Die Anbieter von optischen Messlösungen folgen sicherlich den wichtigsten Trends der Branche:einfachere Bedienung der Hardware, intelligentere Software und schnellere Datenerfassung. Diese Merkmale, gepaart mit zuverlässigen und stabilen Messergebnissen neuerer kamerabasierter PCMMs, bieten eine Alternative zu herkömmlichen Messgeräten oder reinen Touch-Probe-Lösungen. Neben der Präzisionsprüfung können diese Systeme auch Montageprozesse überwachen und vereinfachen und helfen, einen Bediener mit sofortigem Feedback durch die Positionierungs- und Ausrichtungsarbeiten zu führen. Abgesehen von der Beschleunigung des Messvorgangs arbeiten die heutigen kamerabasierten optischen Systeme in vielen anderen statischen und dynamischen Anwendungen erheblich schneller, was zu Zeiteinsparungen und Kostenvorteilen für diejenigen führt, die sich das neue Paradigma zunutze machen.

Zuvor im Quality Magazine vorgestellt.


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