In den Bereichen Design, CAD-Konstruktion, NC-Fertigung und Qualitätssicherung ist eine effiziente, flächenhafte 3D-Vermessung von Objekten gefordert, um die Beziehung zwischen realem Bauteil bzw. Modell und numerischer Beschreibung im Rechner herzustellen. Mit dem optischen Digitalisiersystem ATOS (Advanced Topometric Sensor) bietet GOM – Gesellschaft für Optische Messtechnik – eine leistungsfähige Lösung, mit der sich Objekte schnell und mit bis zu 1,3 Millionen Datenpunkten vermessen lassen. Das System besteht aus zwei Kameras und einer Projektionseinheit, die zusammen in einem kompakten Messkopf integriert sind, sowie einem portablen Industriecomputer, dem Tetra 2 von Logic Instrument.
Der Tetra 2 basiert auf einem schnellen Single-Board-Computer mit 1 GByte Hauptspeicher sowie einer mit 800 MHz getakteten Pentium-III-CPU. Er ist Dual-Boot-fähig und läuft unter den Betriebssystemen LINUX sowie Windows NT 4.0. Das modular aufgebaute Gerät verfügt über ein 14,1 Zoll großes TFT-Farb-Display und eine passive Backplane mit sechs PCI-bridged Steckplätzen. Der implementierte 69000-Grafikchipsatz von Chips & Technologies sowie ein Videospeicher mit 2,5 MByte VRAM sorgen für eine brillante Farbdarstellung mit einer XGA-Auflösung von 1024 u 768 Bildpunkten intern und bis 1280 x 1024 Bildpunkten extern. Die Peripherieanbindung erfolgt über zwei serielle und eine parallele Schnittstelle. Zudem ist ein VGA-Interface für den Anschluss eines externen Monitors vorhanden. Weitere Merkmale sind ein 29160-SCSI-Controller von Adaptec, ein 1,44 MByte großes 3,5-Zoll-Floppy-Laufwerk, eine Festplatte mit 36 GByte Kapazität, ein CD-RW-Laufwerk und ein PC-Card-Steckplatz. Der IPC hat eine große Windows-Tastatur mit 107 Tasten und eingebautem Logitech-Touchpad. Dazu Oliver Husmann, Geschäftsführer der Logic Instrument Deutschland GmbH: „Mit dieser Ausstattung ist der Tetra 2 für die anspruchsvollsten Applikationen bestens gerüstet und meistert selbst rechenintensive Testanwendungen problemlos. Die intelligente Konstruktion und die saubere Verarbeitung gewährleisten eine hohe Zuverlässigkeit des Gerätes. Zusammen mit gutem Support und langjährigem Know-how im Rechnerbau können wir ein rundes Paket für Hersteller von High-end-Bildverarbeitungslösungen anbieten.“
„Für die Einsatzbandbreite portabler Industrie-PCs sind aber nicht nur die technischen Features, sondern auch der Formfaktor des Gehäuses entscheidend. Der Tetra 2 besitzt ein etwa 41 x 27 x 25 cm (B x H x T) großes Gehäuse, das in einer aufwendigen Mehrschichttechnik aufgebaut ist. Es besteht aus einer schlagfesten Kunststoffschale aus schlagzähem ABS-Kunststoff mit geschlossenem Aluminium-Innengehäuse aus hartem, kaltgewalztem Aluminium (AG312/10e). Das Gehäuse bietet eine hohe Biegefestigkeit bei vergleichbar geringem Gewicht. Der Tetra 2 erfüllt nationale sowie internationale Zulassungsbedingungen wie CE, CSA und FCC. Durch die kompakte Bauweise und robuste Ausführung eignet sich der IPC besonders für den mobilen Einsatz,“ ergänzt O. Husmann.
Effiziente Messung komplexer Objekte
Mit dem optischen 3D-Digitalisierungssystem ATOS lassen sich Objekte schnell und örtlich hochaufgelöst mit bis zu 1,3 Millionen Datenpunkten je Aufnahme erfassen. Dabei können die einzelnen Messaufnahmen zusammengeführt und die Messdaten als eine Punktwolke, als Schnittdaten oder als STL-Daten bereitgestellt werden. Zusätzliche Hardware wie mechanische Messmaschinen, Verfahrtische oder Roboter sind nicht erforderlich. Die berührungslose und materialunabhängige 3D-Digitalisierung von beliebigen Objekten wie Werkstücken, Modellen, Formen, Plastiken, Körperteilen oder Bauteilschäden bietet eine breite Palette an Einsatzmöglichkeiten. Sie dient zum Beispiel zur Generierung von STL- oder CAD-Datensätzen, Übernahme von Modelländerungen ins CAD sowie zur Erstellung von Steuerungsdaten zum Fertigen oder Kopieren auf NC-Bearbeitungszentren und Rapid-Prototyping-Systemen. Hinzu kommt der Soll/Ist-Vergleich zwischen Messung und Rechnerdaten sowie die Qualitätskontrolle.
Das ATOS-System basiert auf dem Triangulationsprinzip. Bei diesem Verfahren werden zur Vermessung mittels einer Projektionseinheit unterschiedliche Streifenmuster auf das zu vermessende Objekt projiziert und mit Hilfe von zwei Kameras automatisch erfasst. Falls nötig, kann auf das Messobjekt eine feine Pulverschicht gesprüht werden, die den Kontrast der aufprojizierten Streifen erhöht. Aus diesen Aufnahmen berechnet die Software innerhalb von Sekunden die hochpräzisen 3D-Koordinaten für jeden einzelnen Bildpunkt.
Zur Rundumvermessung komplexer Objekte werden mehrere Teilansichten zusammengefügt. Das System bestimmt automatisch die aktuelle Sensorposition und transformiert die Teilmessungen in ein gemeinsames Objektkoordinatensystem. Dabei kann der Bediener den Fortschritt der Digitalisierung ständig am Bildschirm des Tetra 2 überwachen. Die Kalibrierung des Systems, die Objekt- oder Sensorbewegungen sowie der Einfluss von Fremdlicht werden bei jeder Messung kontrolliert, so dass auch unter rauhen Industriebedingungen sicher, präzise und schnell gemessen werden kann. Durch den Einsatz von zwei Kameras kann das System außerdem aus den Digitalisierungsdaten die Sensorposition berechnen und damit mehrere sich überschneidende Einzelmessungen automatisch in eine gemeinsame Punktwolke transformieren.
Dr.-Ing. Detlef Winter, einer der Geschäftsführer der GOM mbH, ergänzt: „Die dreidimensionale Vermessung von Objekten ist ein integraler Bestandteil des Reverse-Engineering und der Qualitätskontrolle. Für diese Zwecke werden in den letzten Jahren zunehmend Streifenprojektionssysteme benutzt. Sie bieten eine optische Methode zur schnellen und sicheren Berechnung hochdichter 3D-Punktwolken. Unser topometrisches System ATOS arbeitet dabei nach einem neuen Prinzip: Die projizierten Streifen werden mit zwei anstelle von einer CCD-Kamera erfasst und die Bilder auf einen Rechner überspielt. Moderne Algorithmen der digitalen Bildverarbeitung und der mathematischen Ausgleichsrechnung ermöglichen die automatische Berechnung der Objektkoordinaten. Für diese hochkomplexe Datenverarbeitung benötigen wir einen portablen, leistungsfähigen Industrie-PC. Aufgrund seiner kompakten Größe, der robusten Bauart und modernster Technologie ist der Tetra 2 von Logic Instrument für uns die ideale Lösung.“
Computer-Aided-Verification (CAV) eines Handygehäuses
Das folgende Applikationsbeispiel beschreibt die Überprüfung von Spritzgussteilen von Handygehäusen, die bei der Erstbemusterung und während der Produktion kontrolliert werden müssen. Die herkömmliche Prüfmethode besteht darin, eine Aufspannung sowie einige kritische Maße zu definieren und einen Qualitätsreport aufzustellen. Dann wird die Aufspannung gefertigt und die produzierten Teile darauf positioniert. Zur Prüfung werden mit einer Koordinatenmessmaschine etwa 10 bis 200 einzelne Durchmesser, Abstände oder Winkel bestimmt. Daraus lässt sich das Messprotokoll ableiten, das einen Ausdruck der Abweichungsgrößen in den Messpunkten enthält. Ist das kontrollierte Teil zu beanstanden, wird die Produktion benachrichtigt, der Qualitätsreport entsprechend überarbeitet und die Prüfung verstärkt.
Eine sehr viel effizientere Methode basiert auf der Kombination aus einem hochgenauen, schnellen Digitalisierer und einer Prüfsoftware. Bei dieser Technik werden keine speziellen Aufspannungen benötigt und die Form des kompletten Teils lässt sich inklusive aller kritischen Maße mit dem CAD-Modell vergleichen. Das Einschwenken der Koordinatensysteme der digitalisierten sowie der CAD-Daten erfolgt entweder über eine „Feature“- oder „Best-Fit“-Registrierung. Im Anschluss wird ein kommentiertes Nadeldiagramm mit farbig dargestellten Abweichungen erzeugt. Dieses Diagramm veranschaulicht grafisch die Abstände der Bauteilform zum CAD und vermittelt einen sofortigen Eindruck der Abweichungen und ihrer Ursachen. Es werden sowohl die generellen als auch die lokalen Abweichungen dargestellt. Verwölbungen, Schrumpfungen und Änderungen der Prozessparameter sind gut erkennbar, so dass eine bessere Prozesskontrolle und somit höhere Produktqualität realisiert werden kann.
Mit Hilfe dieser Methode erstellte Road Ahead Technologies innerhalb von nur einem Tag einen CAV-Report. Um das zu prüfende Objekt komplett zu erfassen, wurde der Messbereich des ATOS-Systems binnen kurzer Zeit auf ein Messfeld von 100 x 80 x 80 mm umgerüstet. Im Anschluss wurden vier Referenzpunkte an den Seiten des Objektes aufgebracht, das Teil flach auf einem schwarzen Untergrund befestigt und zusätzlich einige Referenzmarken um das Teil herum platziert. Um die Außenseite zu erfassen, benötigt man üblicherweise zwölf Aufnahmen. Dies dauert etwa eine Stunde. Danach wird das Objekt umgedreht und wieder auf dem Untergrund befestigt. Zur Erfassung der inneren Form werden typischerweise etwa 20 Aufnahmen benötigt. Anschließend werden beide Messungen mit Hilfe der vier Referenzmarken auf dem Objekt kombiniert, wobei eine Transformationsgenauigkeit von etwa 10 Mikrometern erreicht wird. Das ATOS-Programm berechnet dann in etwa einer halben Stunde einen dichten Punktdatensatz von üblicherweise 800000 Datenpunkten. Die so generierten Daten werden zu einer Prüfsoftware exportiert, in diesem Fall Verdict von Imageware, SDRC, welche die Messdaten in Bezug zu ihren CAD-Daten setzt und die Abweichungen berechnet. Dies dauert etwa eine Stunde. Sind die Digitalisierungsdaten vorhanden, erzeugt die Software daraus kommentierte Nadeldiagramme mit grafischer Darstellung. Diese enthalten weit mehr Informationen und sind sehr viel einfacher zu verstehen.
Die meiste Zeit wird dazu verwendet, um die Ansichten auszuwählen, die Farbskala abzustimmen, die Gebiete, in denen der Anwender Punktinformationen benötigt, zu definieren, falls notwendig Schnitte zu erzeugen und um die grafischen Darstellungen auszudrucken. Abhängig vom Messbereich kann das Bauteil mit einer Genauigkeit von 20 bis 40 Mikrometer digitalisiert werden. Im vorliegenden Beispiel wurde eine Genauigkeit von 30 Mikrometer erreicht.
Vorteile des Digitalisierungsystems ATOS: Einfache Bedienung: Der Benutzer kann sich ganz auf den Digitalisierungsprozess konzentrieren, da alle Transformationen automatisch durch das System erfolgen.
Große Flexibilität: Sowohl kleine als auch große Objekte (von 10mm bis zu 10 m) können mit dem gleichen Sensor effizient vermessen werden.
Hohe Detailauflösung: Aufgrund der hohen Punktdichte werden Bauteildetails exakt wiedergegeben. Die Präzision der Messdaten entspricht der von Einständer-Koordinatenmessmaschinen.
Hohe Mobilität: Das System lässt sich in den mitgelieferten Flight-Cases einfach unterbringen und problemlos transportieren.
Weitere Informationen A QE 302
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