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Komplex gebogene Rohre dreidimensional vermessen
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Mehrfach gebogene dünne Rohrleitungen mussten bislang in aufwendigen Lehren manuell geprüft werden. Die moderne 3D Bildverarbeitung automatisiert auch diesen Bereich. Die prozessorientierte Qualitätskontrolle wird wesentlich schneller, flexibler und billiger.

Dipl.-Ing. Kamillo WeißFachjournalistLeinfelden-Echterdingen

Im Maschinen- und Anlagenbau, der Automobilindustrie, Flugzeugbau, der Chemieindustrie bis hin zur Möbelindustrie, sind vielfach gebogene Rohre in kleinen bis sehr großen Stückzahlen mit Rohrbiegemaschinen automatisch zu fertigen. In der Vergangenheit musste z. B. für jede Serie einer Bremsleitung eine eigene manuell tastende Messlehre angefertigt werden. Lange vielfach gebogene Bremsleitungen bedingten entsprechend große aufwendige Lehren. Wurde bei einem Serientyp als neue Variante auch nur ein Winkel unter den vielen Biegungen verändert, konnte dies bereits eine neue teure Messlehre erfordern. In der Vergangenheit benötigte man 20 Minuten für die manuelle tastende Prüfung nur einer etwas komplizierteren Bremsleitung. Der Einsatz moderner Bildverarbeitung mit gleichzeitig 12 bzw. 16 CCD-Kameras kann die gleiche Aufgabe in nur etwa einer halben Minute erledigen. Diese Applikation steht im Grunde stellvertretend für viele weitere neue Anwendungsfelder, bei denen durch entsprechend leistungsfähige Framegrabber die Bilder vieler preiswerter CCD-Kameras gleichzeitig aufgenommen und verarbeitet werden können. Mit dem berührungslosen Optischen Rohrleitungs-Messsystem OLM können unterschiedliche Bremsleitungen schnell und automatisiert hintereinander vermessen werden. Für eine geringfügig veränderte Bremsleitung muss keine neue Lehre mehr angefertigt werden, sondern es ist nur das Messprogramm an neue Werte anzupassen. Der beeindruckend einfache Ablauf der Rohrprüfung mittels Bildverarbeitung und PC verdeckt, dass in dieser Messanlage erhebliches technologisches Know-how unterschiedlicher Disziplinen steckt. Es ist das Ergebnis einer Partnerschaft des schwäbischen Unternehmens ‚PULZER BIEGETECHNIK‘ mit der AICON GmbH. Ein wichtiger Teil dieser komplexen und erfolgreichen Bildverarbeitung ist die optimal aufeinander abgestimmte Hardware.
Zeitgleicher Bildeinzug von 16 Kameras
Durch drei zueinander genau justierte Videokameras, geometrische Referenzpunkte und entsprechende mathematischen Algorithmen kann die Lage und Länge eines Stabes im dreidimensionalen Raum genau bestimmt werden. Stellt man sich ein gebogenes Rohr zusammengesetzt aus geraden Rohrstücken vor, so kann die Position der Rohrschnittpunkte durch X/Y/Z-Koordinaten beschrieben werden. Aus der Verlängerung der Rohrgeraden zum Schnittpunkt wird auch der Biegeradius erkannt. Die AICON GmbH, spezialisiert auf Industriephotogrammetrie und Bildverarbeitung, hat ein Messverfahren entwickelt, um die theoretischen Schnittpunkte rechnerisch zu ermitteln und mit den CAD-Daten aus der Konstruktion bzw. der Masterleitung zu vergleichen. Mit einer entsprechend hohen Anzahl von exakt zueinander justierten Videokameras wird ein definierter Raum mit scharfer Abbildung erfasst. Das Messvolumen der OLM Anlage beträgt 2500 x 1000 x 700 mm. Die Rohrleitungen werden in diesen gleichmäßig ausgeleuchteten Messraum entweder direkt auf dem Boden oder in ein aufgespanntes Gumminetz eingelegt.
„Um Messfehler durch kleine Bewegungen im Gumminetz oder Verformungen dünner langer Bremsleitungen während der Prüfung auszuschließen müssen die Bilder aller Kameras im gleichen Moment eingezogen werden. Mit INSPECTA hatten wir einen dementsprechend leistungsfähigen Framegrabber gefunden.“ – bemerkt Dr. Werner Bösemann, Geschäftsführer der AICON GmbH, zu einer der vielen Schwierigkeiten. Diese Anforderung mußte die gesamte Hardware der Bildverarbeitung natürlich auch möglichst preiswert gewährleisten. Gesucht wurde deshalb ein Framegrabber, so dass mit nur einem PC der enorme Datenstrom von bis zu 20 Videokameras gleichzeitig eingezogen und verarbeitet werden kann.
Alle Bilder gleichzeitig verarbeiten
Die absolut zuverlässige Verknüpfung aller Hardwarekomponenten ist für ein derartiges umfangreiches Visionsystem von großer Bedeutung. Der eingesetzte PCI-Multikanal Framegrabber INSPECTA3 von Mikrotron verfügt nicht nur über die notwendige hohe Transferrate von bis zu 100 MByte/s, sondern neben der hohen Taktfrequenz können auch bis zu 8 Videokameras gleichzeitig an einem Framegrabber betrieben werden.
Das groß dimensionierte interne RAM verwaltet bis zu 32.000 beliebig lange Zeilen, die auf ein oder mehrere Bilder aufgeteilt werden können.
Gerade für Anwendungen mit dem Einsatz vieler gleichzeitiger Videoquellen ist die Treibersoftware durch Optimierungen besonders zuverlässig. Dies berücksichtigt insbesondere auch Videokameratypen, die in einem besonders günstigen Preisrahmen liegen, so dass die gesamten Vision-Systemkosten reduziert werden können.
Mit vier Framegrabbern in einem PC können somit die Bilder von bis zu 32 CCD Kameras gleichzeitig erfasst und verarbeitet werden. Die zuverlässige Treibersoftware gewährleistet eine lückenlose gleichzeitige Bildaufnahme aller Kameras bei selbst unterschiedlichen Parametern sowie alle Steuerfunktionen 16/32 Bit DLL für Windows95 und NT. Das Multikanal-Kamerainterface verfügt über sechs analoge Eingänge von 8Bit und 60 MHz sowie einen digitalen Eingang, welcher auf vier Kanäle aufgeteilt werden kann. Der INSPECTA Framegrabber stellt zusätzlich vier Eingänge mit High-speed Optokoppler und vier programmierbare Ausgänge mit Darlington-Optokopplern zur Verfügung. Trotz der hohen Komplexität dieses Vision-systems in der OLM-Anlage und den vielen dabei ablaufenden umfangreichen mathematischen Algorithmen läuft dieses Visionsystem auf nur einem Standard-PC unter dem Windows Betriebsystem.
Wachsende 3D Bildverarbeitung
Viele Planungen von dreidimensionalen Visionanwendungen wurden noch vor wenigen Jahren als zu komplex und zu teuer abgelehnt.
Die technologische Entwicklung hat aber inzwischen derartig rasante Fortschritte gemacht, dass es sich lohnt, neue Wege und Anwendungen gründlich zu prüfen und zu realisieren.
Die Integration des Visionsystems von Aicon in die serienmäßig gefertigte OLM Anlage von Pulzer ist bezeichnend für einen zunehmenden Trend von Anwendungen in der berührungslosen 3D-Vermessung.
Durch preiswertere und leistungsfähigere Hardware von CCD-Kameras, Framegrabbern und PCs, sowie von neuen Softwarealgorithmen werden ständig neue Anwendungen erschlossen. Ob nun in der Spritzgusstechnik oder im Drahtbiegebereich, im ganzen Umfeld von dreidimensional geformten Teilen können neue Ansätze gefunden werden.
Hohe Wiederholgenauigkeit
Diese hier vorgestellte 3D-Anwendung für die Rohrvermessung bis 20 mm Durchmesser erzielt vom Verfahren her eine maximale Wiederholgenauigkeit von 0,1 Grad (bezogen auf den Biegewinkel), und von 0,1 mm auf die Geradenstücklänge (Vorschub). In der geometrisch anderen Welt der Biegetechnik gibt es keine kartesischen Werte, sondern nur Vorschub, Biegeradius, Biegewinkel und Ebenenverdrehwinkel.
„Man könnte sagen, dass mit der Einsparung von 10 großen manuellen Messlehren für längere Bremsleitungen sich der Aufwand für das automatische Optische Rohrleistungs-Messsystem bezahlt gemacht hat. Hinzu kommen noch weitere wirtschaftliche Vorteile wie große Flexibilität, schnellere Reaktionszeiten für Änderungen im Fertigungsprozess, Einsparung von Platz für Lagerung der bisher großen Messlehren und die prozessbegleitende Qualitätssicherung“, bemerkt Dipl.-Ing. Andreas Finke, verantwortlich für das Projekt OLM der Pulzer Biegetechnik, zur Wirtschaftlichkeit und Amortisation der Anlage.
Die neuen Messanlagen verfügen darüber hinaus über spezielle brandneue Fähigkeiten. Die Vermessung von Rohren ohne Geradenzwischenstücke war bislang auch im manuellen Sinne ein kaum gelöstes Problem. Mit der 3D-Bildverarbeitung können nun auch die Geometrien von ‚Bogen-in-Bogen‘ Rohren vermessen werden. Zudem sieht man in dieser Anlage noch ein erhebliches Ausbaupotential für die Zukunft. So kann unter anderem auch durch den Einsatz neuer preiswerterer Megapixel CCD-Kameras die Messgenauigkeit weiter gesteigert werden.
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