Groß, mutig, schnell: Fortschrittliche optische Messtechnik für Großindustrien

Geschrieben von Cliff Bliss, 3D Optical Sensor Commercial Operations Manager bei Hexagon Manufacturing Intelligence

Betritt man die Welt der optischen Messtechnik, wird eines klar: Dieser lebendige Geschäftssektor innoviert kontinuierlich neue Designs von tragbaren Koordinatenmessmaschinen (PCMMs) für die Inspektion großer Komponenten und Vorrichtungen. Großindustrien suchen weiterhin nach aktualisierten optischen Methoden für die in-situ 3D-Messung über große Flächen in Luft- und Raumfahrt, Schiffbau, Automobil und anderen Branchen. Die Notwendigkeit, Oberflächen detailliert zu analysieren, treibt den Trend zu besseren optischen Messwerkzeugen voran, die größere Datensätze liefern – im Gegensatz zu alten Prüfdornen mit Hartmessmitteln.

Neue kamerabasierte optische Photogrammetriesysteme führen neue Designs ein, die große Abweichungen von älteren Versionen traditioneller optischer Werkzeugsätze darstellen. Da diese Systeme in rauen Industrieumgebungen oder abgelegenen Außenbereichen eingesetzt werden, legen Ingenieure besonderen Wert auf Robustheit und Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Belastungen wie Vibrationen oder Stöße. Während der Forschungs- und Entwicklungsphase werden protrahierte Tests verwendet, um die Systemgenauigkeit über einen gesamten Messvolumen zu prüfen. Neuere Systeme betten zwei Hochleistungskameras in ein robustes Gehäuse ein, was Inspektion, Tracking und Positionierung selbst in rauen Produktionsumgebungen mit Staub und Vibrationen ermöglicht.

Neue Designs, schnelle Amortisation

Moderne optische Systeme basierend auf Photogrammetrie gibt es in vielen Konfigurationen. Ein neueres Design enthält zwei hochauflösende 8-Megapixel-Digitalkameras in einem geschlossenen Kamerabalken. Diese integrierten Digitalkameras können jede Art von Targets, die auf dem zu messenden Bauteil oder an einem handgeführten Tastgerät angebracht sind, schnell erfassen. Die erzeugten Bilder werden automatisch verarbeitet und 3D-Koordinatendaten in Echtzeit berechnet. Probleme wie Vibration, Rauschen und Positionsänderungen, die Metrologen seit Jahren plagten, sind nicht mehr problematisch. Es gibt optische Systeme auf dem Markt, die eine neue Technologie namens dynamisches Referenzieren bieten, die es dem System ermöglicht, Umgebungsstörungen durch optisches Tracking automatisch zu erkennen und zu kompensieren. Diese Funktionalität garantiert konstante Prozessstabilität, selbst wenn das System während einer Messsitzung bewegt wird.

Weitere Fortschritte

Die Technologie hat auch in puncto Genauigkeit Fortschritte gemacht. Es gibt optische Messsysteme auf dem Markt, die Objekte bis zu fünf Metern Volumen mit einem Genauigkeitsbereich von 40 bis 80 Mikrometern messen können. Eine neue Fähigkeit für kamerabasierte Lösungen ist die gleichzeitige Erfassung mehrerer Punkte und die Erweiterung ihres Einsatzes in Belastungs- und Ermüdungstests in Laborumgebungen sowie andere statische und dynamische Anwendungen. Kombiniert man diese Fortschritte mit dynamischem Referenzieren, verfügt der Anwender über ein Werkzeugset, das geometrische Bedingungen präzise erfassen kann und in einer hochaktiven industriellen Umgebung mit minimalen oder keinen Ausfallzeiten eingesetzt werden kann.

Schnelle Arbeit machen

Jeder Techniker, der jemals versucht hat, ein Bauteil schnell und präzise auszurichten, kann die Komplexität der Aufgabe schätzen. Ein gutes Beispiel ist das Positionieren einer Autotür in einer Seitenwand. Das ist kein leichter Job, sondern eine Aufgabe, mit der Automobilhersteller täglich im Prototyping-Prozess kämpfen. Jedes Mal, wenn eine Schraube auf einer Seite der Tür justiert und dann auf der anderen Seite geprüft wird, verzieht sie sich. Dieser Vorgang kann ein langwieriger, mühsamer Prozess sein, der normalerweise bis zu 30 Minuten für die Ausrichtung einer Tür basierend auf ihren CAD-Daten und Passung dauert. Dieses Szenario setzt auch voraus, dass niemand während des Vorgangs etwas berührt.

Hier kommt das kamerabasierte optische Trackingsystem ins Spiel. Diese Photogrammetrielösungen sind intrinsisch einfach einzurichten – ähnlich wie ein Fotograf sein Equipment für ein Fotoshooting aufbaut. Ein einzelner Bediener montiert einen Kamerabalken auf einem Stativ und ist startklar. Rollen können am Stativ befestigt werden, für leichtere Bewegung im Shopfloor. Das Photogrammetriesystem wird in die beste Position für Sichtlinienmessung gebracht, und der Sensor wird auf das zu messende Objekt ausgerichtet. Der gesamte Aufbau ist in Minuten erledigt. Neue Systeme verfügen über temperaturkontrollierte Sensoren, sodass der Sensor seine eigene thermische Stabilität regeln kann.

Zurück zur Aufgabe, die Autotür in der Seitenwand mit einer optischen Technik zu positionieren. Zunächst würde ein Bediener die Tür mit einfachen Targets markieren. Anschließend würden kritische Merkmale der Tür mit einem handgeführten Taster für das Pre-Alignment-Verfahren erfasst. Derselbe Prozess würde auf die Seitenwand angewendet. Beide Komponenten sind nun in ihre jeweiligen Koordinatensysteme erfasst.

Die kamerabasierte Technologie ermöglicht die simultane Messung mehrerer Punkte an diesen Komponenten und verfolgt 6-DoF-Körper dynamisch. Die Messsoftware zeigt den Fortschritt des Ausrichtungsprozesses in Echtzeit mit visuellen Abweichungsflaggen auf dem Bildschirm zur Führung. Der Bediener kann die Daten nutzen, um eine Schraube zu drehen und justieren, dann verifizieren, wenn die Zielposition erreicht ist. Kurz gesagt: Die Abweichungsflaggen fungieren als Indikatoren für die schnelle Ausrichtung der Komponenten innerhalb weniger Minuten.

Raue Umgebung – kein Problem

Eine klassische Überlegung jedes Metrologen ist, ob eine industrielle Umgebung stabil genug für Messungen ist. Basierend auf der Größe des Objekts oder der Baugruppe besteht ein weiteres Bedenken, ob das Messtechniksystem während einer Sitzung bewegt werden muss. Diese beiden anhaltenden Probleme wurden mit dynamischem Referenzieren adressiert, wie zuvor besprochen. Mithilfe von Targets an der Fahrzeugseitenwand als Referenzpunkte kann ein Photogrammetriesystem Bewegungen des Sensors kompensieren. Dieselbe Technologie kann auch Messungen eines Objekts in einem Bereich kompensieren, in dem Vibrationen oder andere Faktoren für eine instabile Umgebung sorgen.

Da die Sichtlinienbereiche des Objekts oder der Baugruppe simultan gemessen werden, wird jeder Schuss direkt in ein globales Koordinatensystem transformiert. Messungen werden zuverlässig durchgeführt, selbst wenn ein Arbeiter das Teil berührt oder eine Vorrichtung erschüttert. Keine manuelle Neuausrichtung ist nötig, da das photogrammetrische System online bleibt und Daten akquiriert, während tägliche Arbeitsplatzaktivitäten während der Sitzung stattfinden.

Die aufstrebende Alternative

Die Anbieter optischer Messtechniklösungen folgen sicherlich den Haupttrends der Branche: einfachere Hardware-Bedienung, intelligentere Software, schnellere Datenerfassung. Diese Merkmale, gekoppelt mit zuverlässigen und stabilen Messergebnissen neuerer kamerabasierter PCMMs, bieten eine Alternative zu traditionellen Messmitteln oder reinen Tastkopf-Lösungen. Neben Präzisionsinspektion können diese Systeme auch Montageprozesse überwachen und vereinfachen und einen Bediener durch Positionierungs- und Ausrichtungsarbeiten mit sofortigem Feedback führen. Neben der Beschleunigung des Messprozesses arbeiten heutige kamerabasierten optischen Systeme in vielen anderen statischen und dynamischen Anwendungen signifikant schneller – was Zeit- und Kostenvorteile für diejenigen bringt, die das neue Paradigma nutzen.

Zuvor in Quality Magazine vorgestellt.