Um eine schnelle geometrische Messung von Objekten in allen drei Dimensionen zu ermöglichen, kombiniert ein neues Messsystem von Faro die 3D-Erfassung mittels strukturiertem Licht mit dem Stereo-Vision-Verfahren.
Produktivität, Produktqualität, Kosten und Flexibilität – das sind die Kenngrößen für moderne Produktionsanlagen. Für viele Branchen wie etwa die Automobilindustrie, die Luft- und Raumfahrt und den Maschinenbau liegt die Lösung in einer verstärkten Automatisierung der Fertigung und Qualitätssicherung. Dabei müssen nicht nur gefertigte Bauteile, sondern auch die dazu gehörigen Werkzeuge überprüft werden.
Für jede dieser Anwendungen braucht es eine geometrische Messung der Objekte in allen drei Dimensionen mit einer Präzision von nur einigen Mikrometern. Die Qualitätsinspektion darf jedoch die Produktion keinesfalls verlangsamen. Messsysteme, die hier zum Einsatz kommen, müssen also zuverlässig, schnell, präzise und flexibel sein – sowohl in der dreidimensionalen geometrischen Qualitätsinspektion als auch im Reverse-Engineering. Seit einiger Zeit haben sich die optische Messtechnik und die maschinelle Bildverarbeitung in diesen Bereichen etabliert. Jedoch waren bis jetzt solche Lösungen meist sehr komplex und auf bestimmte Anwendungsszenarien beschränkt.
Jede gewöhnliche Kamera nutzt einen zweidimensionalen Bildsensor, um dreidimensionale Szenen aufzunehmen. Dabei geht naturgemäß die Tiefeninformation verloren. Um dennoch mithilfe von solchen Kameras eine 3D-Messung vornehmen zu können, haben sich zwei Methoden in der Praxis durchgesetzt: die Projektion von strukturiertem Licht und Stereo-Vision.
Das Prinzip des Stereo-Vision orientiert sich am menschlichen Sehen: Eine Szene wird aus zwei unterschiedlichen Blickwinkeln aufgenommen, dabei treten in den beiden Bildern Merkmale wie etwa Objekte leicht versetzt auf. Auf dieser Basis lässt sich die Position der Objekte im Raum berechnen. Stereo-Vision funktioniert umso besser, je zahlreicher und charakteristischer die Merkmale eines Messobjektes sind. Speziell bei großflächigen, polierten oder gar lackierten Blechteilen kann das zum Problem werden. Wird jedoch strukturiertes Licht auf die Oberfläche projiziert, lässt sich über die Deformation der Struktur die 3D-Form des Objekts erfassen und der Stereo-Vision-Ansatz findet die Menge an korrespondierenden Punkten, die zur detaillierten 3D-Messung notwendig sind.
Andererseits kann es bei komplexen Bauteilen passieren, dass das strukturierte Licht auf einen Bereich fällt, der für die Kamera nicht sichtbar ist. Hier ist es vorteilhaft, wenn eine zweite Kamera zur Verfügung steht, die aus einer anderen Richtung auf die Projektion blickt. Werden also beide 3D-Messmethoden miteinander verknüpft, kompensieren sie gegenseitig ihre jeweiligen Schwachstellen.
Kombination zweier Verfahren
Das neue optische 3D-Messsystem Cobalt 3D-Imager von Faro (Halle 3, Stand 3404) nimmt diesen Ansatz auf, kombiniert die beiden Verfahren und ergänzt sie um eine leistungsstarke 3D-Signalverarbeitung. So ist ein hochflexibles Messsystem entstanden, das innerhalb von Sekunden mehrere Millionen 3D-Koordinaten von Bauteiloberflächen misst und verrechnet – unabhängig von Farbe, Textur, Reflektionsgrad und dem Umgebungslicht.
Der Cobalt 3D Imager arbeitet mit Blue-Light-Technologie. Es hat sich gezeigt, dass helles, blaues LED-Licht sowie die entsprechenden optischen Filter auf den Kameraobjektiven jene Lichtqualität gewährleisten, die die optischen Systeme für das zuverlässige Scannen benötigen. Zudem passen die Kameras ihre Belichtungszeit vollautomatisch an die Lichtstärke an und verfügen über eine hohe Dynamik, um sowohl sehr helle als auch dunkle Bereiche eines Objektes kontrastreich erfassen zu können.
Neben der Bildaufnahme sind bei 3D-Imagern insbesondere die hochkomplexen und rechenintensiven Bildverarbeitungs-Algorithmen ein entscheidender Zeitfaktor. Jede der zahlreichen Bildaufnahmen pro Sekunde liefert Tausende von 3D-Koordinaten. Die Ergebnisse aller Aufnahmen müssen anschließend zu einer Punktwolke mit Millionen von Koordinaten verrechnet werden. Mit der On-Board-Verarbeitung kann der Cobalt 3D Imager innerhalb weniger Sekunden diese Aufgabe bewältigen. Das reduziert die Datenmenge und bietet die Möglichkeit, beliebig viele Cobalt 3D Imager zu einem Messsystem mit großem und individuell gestaltbarem Sichtfeld zusammenzuschließen, um etwa große Bauteile schnell zu erfassen. Ein weiterer Pluspunkt: Es braucht nur einen Computer, um alle Imager zu steuern. Damit erfüllt das System alle technischen und wirtschaftlichen Anforderungen an ein modernes Messsystem für die industrielle Fertigung und unterstützt effizient den automatisierten Workflow.
Durch sein Gehäuse-Design mit variablen Montagemöglichkeiten lässt sich das Messsystem zudem in verschiedenen Szenarien einsetzen: Die Objektive der Kameras sind einfach austauschbar, um unterschiedliche Arbeitsabstände mit entsprechenden Projektions- und Sichtfeldern zu erhalten. Dank der leicht zu benutzenden Software-API und der mechanischen Robustheit ist es einfach und kostengünstig in eine Produktionsstraße zu integrieren – sei es auf einem Stativ, einem Roboterarm oder mit einem automatisierten Drehteller. ■
Der Autor
Dr. Ronald Müller
Vision Markets
im Auftrag von Faro
Webhinweis
In diesem Video zeigt Faro die Vorteile von Cobalt 3D: https://goo.gl/D1KN8Q
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