Hohe Datendichte

Dr. Ron Gershon, Dr. Meny Benady, CogniTens 3D Vision Systems Ltd., Israel

3D-Messungen, die in kurzer Zeit große Datensätze erwerben, diese Daten analysieren und visuell darstellen, erhalten wachsende Aufmerksamkeit seitens Prozessingenieuren, die verstehen, dass diese Systeme eine immer größere Rolle in der Automobiltechnik spielen werden, um die Ziele zu erreichen, die von den neuen Markttrends gesetzt werden. CogniTens 3D Vision Systems Ltd. hat eine Technologie kontaktfreier 3D-Messungen entwickelt, die unempfindlich ist gegen Vibrationen und die meisten industriellen Beleuchtungsarten, und die für den Einsatz unter schwierigsten industriellen Arbeitsbedingungen in einer umfassenden Produktionsumgebung geeignet ist.

Auf Kontakt beruhende Techniken wie Koordinaten-Mess-Maschinen (CMM), haben die manuellen Messmethoden weitgehend ersetzt. Sie basieren in der Regel auf dem Vergleich zwischen Teilen und präzise gefertigten Schablonen und verwenden handgehaltenes Werkzeug. Im Großen und Ganzen können kontaktbasierte Techniken hohe Genauigkeitsraten erreichen und sind für einen großen Bereich von Messanwendungen geeignet. Doch diese Methoden verfügen über einen notorisch geringen Messdurchsatz, da sie von einer Position zum nächsten Messpunkt eine mechanische Bewegung erfordern. Infolgedessen sammeln sie nur wenige Daten und lassen so zahlreiche kritische Bereiche unverifiziert. CMMs, die in der Lage sind, große Objekte abzudecken, sind selbst sehr groß und unhandlich in der Produktionsumgebung. Zudem müssen sie in Räumen mit besonderem, kontrolliertem Umfeld untergebracht werden, wo die Temperatur stabil ist und keine Vibration die Messung beeinflusst. Zu den traditionellen kontaktfreien optischen Methoden zählen strukturiertes Licht unter Verwendung von Moiré-Mustern, Laserscannern und -trackern sowie fotogrammetriebasierte Techniken. Diese Methoden erreichen in der Regel höhere Durchsätze als Kontaktmethoden. Sie erreichen jedoch in der Regel geringere Genauigkeitsraten, und jede Methode hat bestimmte Nachteile, die ihre Einsatzfähigkeit einschränkt.

Lösungen auf der Grundlage von Lasertrackern, bei denen spiegelnde Halbkugeln vom Operator um eine Abweichung herum gescannt werden, um so einen Laserstrahl zurück zum Messinstrument zu leiten, erreichen an manchen Oberflächentypen eine höhere Genauigkeit, sind jedoch operatorabhängig. Sie erfordern eine hohe Anzahl von Anhängen je nach Art der Abweichung, sie bieten Daten von nicht ausreichender Dichte und beruhen letztlich auf Kontakt.

Laserscanner und strukturierte Lichttechnologien, die z.B. Moirémuster verwenden, erfordern mehrfache aufeinanderfolgende Aufnahmen und bleiben somit auf Anwendungen beschränkt, bei denen nur minimale zeitabhängige Änderungen eintreten. Daher sind sie nicht für Bereiche geeignet, in denen Vibrationen auftreten, wie auf Böden von Produktionsbändern. Fotogrammetriebasierte Systeme, insbesondere diejenigen, die erfordern, dass auf die gemessenen Teile Ziele (besondere Markierungen) platziert werden, können hohe Genauigkeitsstufen erreichen, sind jedoch nur für die Messung bestimmter Zielpunkte geeignet. Sie sind nicht geeignet für dichtes Oberflächenscanning und erfordern in der Regel intensive manuelle Eingriffe der Benutzer.

Die von CogniTens 3D Vision Systems Ltd. entwickelte Technologie verbindet hohe Datenerwerbsgeschwindigkeiten durch hochauflösende CCD-Kameras mit indirekter Fotogrammetrie, wobei Ziele an festen Positionen im Hintergrund platziert werden, und den fortschrittlichsten 3D-Rekonstruktionsalgorithmen. Dieser Vorgang wird durch die Fähigkeit erreicht, die Ziele genau zu erkennen und zu messen, Abbildungen der Objekte zu erwerben und sie schnell und genau zu rekonstruieren, sowie „Einzelbilder“ (Tiles) miteinander zu „vernähen“. Darüber hinaus handelt es sich um eine robuste Technologie, welche die Messung unbehandelter glänzender Metall- und Kunststoffteile in unterschiedlichen Arbeitsumfeldern, wie schwierigste industrielle Arbeitsbedingungen in Produktionshallen, ermöglicht.

Der Rekonstruktionsprozess basiert auf dem Prinzip „Struktur-aus-Bewegung“, wobei unter Verwendung eines Lochkameramodells 3D-Formen aus mehrfachen 2D-Projektionen extrahiert werden (3D-aus-2D-Geometrie). Wenn zwei oder mehr Ansichten eines Satzes von 3D-Abweichungen vorliegen, werden die entsprechenden 2D-Abweichungen zunächst einmal kurz miteinander zur Übereinstimmung gebracht, sodann werden die jeweiligen Positionen der Kamera von diesen Abstimmungen gewonnen, und letztendlich wird die Position der 3D-Abweichungen durch Triangulation gewonnen. Mit anderen Worten, der Umkehrprozess, der von 2D-Abweichungspositionen ausgehend über multiple Ansichten zu den entsprechenden 3D-Abweichungpositionen führt, erfordert zwei grundlegende Bestandteile. Der erste ist die Fähigkeit, Abbildungsabweichungen von der lokalen Helligkeitsverteilung jeder Abbildung zu lokalisieren und diese Abweichungen über multiple Abbildungen miteinander in Übereinstimmung zu bringen. Dies wird als Angleichungsvorgang bezeichnet. Der zweite ist die Fähigkeit, die relativen Positionen der Kameras von den übereinstimmenden 2D-Punkten aus zu extrahieren. Dieser Vorgang bietet zwei Herausforderungen. Zunächst wird der Angleichungsvorgang durch die Geometrie eingeschränkt, weil die Abbildungen nicht zufällig sind, sondern vom selben 3D-Objekt erstellt werden. Daher ermöglicht die Verknüpfung von fotometrischen Grundlagen (modellieren der Änderung in der Helligkeitsverteilung über Abbildungen hinweg) und geometrischer Einschränkungen eine genauere Berechnung des Angleichungsvorgangs. Zweitens, zwei Arten von Parametern beherrschen die relativen Kamerapositionen: die internen Kameraparameter und die externen Parameter, welche die Drehung und Übertragung zwischen den Koordinatensystemen der Kamera im dreidimensionalen Raum beschreiben.

Der vorstehend beschriebene Vorgang erzeugt aus einer Aufnahme (von drei Kameras) eine Punktewolke (Cloud of points); sie wird auch als „Einzelbild“ (Tile) bezeichnet. Da das von einem einzelnen Tile repräsentierte Gesichtsfeld in der Regel kleiner ist als ein Objekt, wird der Vorgang für so viele Tiles wiederholt, wie nötig sind, um das Objekt abzudecken. Die Verbindung der Tiles wird durch die Existenz besonderer Ziele unterstützt, die im Voraus abgebildet werden, um die Angleichung sämtlicher Tiles zu ermöglichen. Diese Verknüpfung wird in einem Angleichungsprozess mit den gemessenen Zielen verbunden, der die Einrichtung eines einfachen Koordinatensystems zwischen verschiedenen Datenteilen ermöglicht, wie die Tiles untereinander oder die Angleichung an einem vordefinierten CAD-Modell des fraglichen Objektes, oder an ein beliebiges anderes Koordinatensystem, das vom Hersteller verwendet wird.

Auf der Grundlage der vorstehend beschriebenen Technologie hat CogniTens Optigo kontaktfreie 3D-Messsysteme entwickelt, die eine umfassende Lösung zur Erfüllung der Anforderungen unter schwierigsten industriellen Arbeitsbedingungen bieten. Die Systeme messen und rekonstruieren freie Formen unterschiedlicher Größen und aus unterschiedlichen Materialien (Tonmodelle, Kunststoff- und Metallteile) in einer einzigen Operation auf Knopfdruck. Die digitalisierten Daten, die von 2D-Abbildungssätzen gesammelt werden, werden in Echtzeit und mit einer Genauigkeit von bis zu 20 Mikron genauestens in ein 3D-Modell verarbeitet. Dies wiederum liefert mit einer einzigen Aufnahme sehr umfangreiche Datensätze mit Hunderttausenden von Punkten. Analysen der 3D-Messungen umfassen hochdichte Koordinaten der Oberfläche eines Objektes, Querschnitte, Abmessungen von Merkmalen wie Löcher sowie Objektkanten. Verschiedene Genauigkeitsgrade sind auf einer einzigen Plattform verfügbar, mit einfach und während des Arbeitsprozesses austauschbaren Linsen. Die Technologie des Systems besitzt einige wichtige Charakteristiken, die die Messleistung erheblich steigern:

lRobuster Bilderwerb und Verarbeitungsmechanismus, der den Erwerb glänzender Oberflächen, wie polierte metallene Oberflächen, ohne Vorbehandlung mit Mattfarben oder Abstumpfungsspray ermöglicht.

lAusgeklügelte Ausleuchtung ermöglicht den Erwerb homogener, strukturfreier Oberflächen wie Autodächer in einer einzigen Aufnahme und liefert gleichzeitig die für den Rekonstruktionsprozess erforderlichen Daten.

l3D-Messung unter Verwendung eines einzelnen frei beweglichen optischen Kopfes, der leichten Betrieb und einfaches Abdecken des Objektes ermöglicht. Dieser Vorgang wird durch die „Vernähung“ von Tiles vervollständigt, um komplette Modelle eines Objektes zu erzeugen.

lDas System ist widerstandsfähig gegen Schwankungen in der Arbeitsumgebung, wie sie im industriellen Umfeld bestehen. Es kann unter variierenden Temperaturen, unter den meisten industriellen Beleuchtungsbedingungen (Leuchtstoffröhren, Natriumdampf-, Metallhalogen- oder Quecksilberdampflampen) und in vibrierendem Umfeld arbeiten.

Zwei mechanische Plattformen wurden entwickelt, um die unterschiedlichen Anforderungen industrieller Produktion zu erfüllen:

Einige der zahlreichen Anwendungen, bei denen Optigo eingesetzt werden kann, sind nachstehend angeführt, um einige Beispiele für die Fähigkeiten des Systems in industriellen Anwendungen vorzustellen.

1. Montage von Kraftfahrzeugkarosserien

Hersteller möchten stets wiederkehrende Probleme an den Montagebändern, wie z.B. Abweichungen vom Entwurf, während der Produktionsphase korrigieren. Darüber hinaus besteht angesichts der langwierigen Anfahrzeit eines Montagebandes der Bedarf für eine Kürzung dieses Vorgangs, um ein Band bereits nach kürzerer Zeit einzurichten und in Betrieb zu nehmen. Optigo ermöglicht dem Benutzer die punktuelle Ortung problematischer Schweißstationen oder Pressen und zeigt den genauen Standort an, wo die Abweichung vom ursprünglichen Entwurf auftritt. Auf Grund raschen Erwerbs und schneller Analyse bietet das System eine schnelle Lösung für bestehende oder zu erwartende Probleme und verkürzt so die Anfahrzeit für unterschiedliche Montagebänder.

2. QA von Blechteilen während der Herstellung

Verschiedene QA-Vorgänge werden innerhalb des Produktionsablaufs eingesetzt. Darüber hinaus werden, wenn während der Produktion Probleme auftauchen, Änderungen im Werkzeugbau erforderlich, die oft die Verifizierung der eingetretenen Änderungen erfordern. Optigo ermöglicht die Messung von Teilen im Produktionsbetrieb, sobald sie den Produktionsprozess verlassen und bietet somit schnelle Hinweise auf ihre Qualität und auf die Qualität der Werkzeuge, mit welchen sie hergestellt wurden.

3. Entwicklung von Werkzeugen und Formen in der Produktionstechnik

Produktionstechnik erfordert oft die Überprüfung und Verifizierung von Formen und Werkzeugen. Diese Tests nehmen sehr viel Zeit in Anspruch und erstrecken sich zuweilen über Wochen, da sie auf einer großen Anzahl von Korrekturzyklen beruhen. Optigo hilft, Problemquellen bereits beim ersten Mal zu identifizieren, wenn es die gesamte Oberfläche eines bestimmten Teils abdeckt. Diese Abdeckung ermöglicht eine schnelle Messung von Teilen und senkt damit die Anzahl der erforderlichen Korrekturzyklen auf eine sehr geringe Anzahl, und es werden manchmal 6 bis 8 Wochen in der Formen- und Werkzeugentwicklung in der Produktionstechnik eingespart.

4. Design-Scannen von 1:1 Modellen

Wenn es um den Entwurf von Modellen von Teilen geht, ist das dichte Scannen kompletter Karosserieoberflächen erforderlich, damit die Designer aus erster Hand sehen können, wie die Teile, die sie entwerfen, aussehen. Dies erfordert die dichte und exakte Messung der Teile, wie sie traditionsgemäß mittels Kontakttechniken ausgeführt wird. Das Optigo System liefert dichte Daten von höchster Qualität schneller als kontaktbasierte Systeme und automatisiert das Scannen von Modellen derart, dass die Notwendigkeit leichter Korrekturen ausgeschaltet und zugleich die Genauigkeit und Geschwindigkeit des Entwurfsprozesses erhöht werden. Beginnt mit einem gegebenen CAD-Modell eines Blechteils, auf dem Messpunkte bestimmt wurden. Der Import verschiedener CAD-Dateiformate ist ein integrales Merkmal des Systems.

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