Vollautomatisch und effizient

SenseIT hat sich auf die Entwicklung von vollautomatischen 3D-Inspektionszellen spezialisiert, die direkt an der Fertigungsanlage eingesetzt werden können. Das erhöht die Autonomie und sorgt für Zeit- und Kostenersparnis. Die wichtigsten Komponenten der Inline-Inspektionszellen sind Stereo-3D-Kameras von IDS. Diese prüfen sehr komplexe Bauteile in weniger als 30 s.

„Bei der Entwicklung der 3D-Inspektionszelle Val-IT Flex haben wir die Vorteile der 3D-Messtechnik optimal umgesetzt. Dafür haben wir drei Ensenso 3D-Kameras implementiert. Dank deren 3D-Technologie sind wir in der Lage, Abweichungen innerhalb eines Zehntelmillimeters zu erkennen. Das ist mehr, als das menschliche Auge kann“, erklärt Anouar Manders, Mitbegründer von SenseIT mit Sitz im niederländischen Delft.

Das System prüft und validiert die Vollständigkeit zusammengesetzter Produkte bis zur Größe eines Schuhkartons und ist bei der Fehlererkennung außergewöhnlich präzise: die Software signalisiert Abweichungen im Zehntelmillimeterbereich. Dies betrifft alle Arten von Fehlern, die während der Produktion oder des Transports auftreten können: gebrochene oder fehlende Teile, Verformungen, Zerspanungsmaterial, Vertiefungen oder übermäßige Grate.

Die Val-IT Flex-Zelle besteht aus einem Drehtisch und drei Ensenso N35 3D Kameras. Das zu prüfende Bauteil wird auf den zylindrischen Drehtisch mit einem Durchmesser von 440 mm und 240 mm Höhe gelegt und von allen Seiten aufgenommen. Während einer vorprogrammierten, vollständigen 360° Drehung erzeugen die Kameras eine hochauflösende Punktewolke des Bauteils. Das Objekt wird dabei mit unterschiedlichen Integrationszeiten aufgenommen, um der Varianz der Bauteileigenschaften gerecht zu werden.

Die Ensenso 3D Kameras arbeiten dabei nach dem Prinzip des räumlichen Sehens (Stereo Vision), das dem menschlichen Sehvermögen nachempfunden ist. In jeder Ensenso befinden sich zwei 2D-Kameras von IDS, um die Szene aus unterschiedlichen Positionen betrachten zu können. Durch die Unterschiede in der Lage der betrachteten Objekte können Tiefeninformationen errechnet werden. In einem Bildvergleich suchen spezielle Algorithmen durch Matching nach identischen Bildpunkten und visualisieren ihre Verschiebung mit allen gefundenen Unterschieden in einer Disparity-Map. Diese wird anschließend für die Berechnungen von Tiefeninformationen für die resultierende Punktewolke verwendet.

Der lichtstarke Projektor der Ensenso Kameras sorgt für die möglichst genaue, schnelle und zuverlässige Erfassung des zu prüfenden Bauteiles. Eine Textur-Projektion ermöglicht, dass auch bei schwierigen Lichtverhältnissen, glatte oder spiegelnde Objekte beziehungsweise Objekte mit nur schwach vorhandenen Strukturen kontrastreich abgebildet werden, was wiederum beim Matching die Genauigkeit erhöht.

Die integrierte Flexview-Technik ermöglicht zudem minimale Verschiebungen der projizierten Textur auf der Objektoberfläche des Bauteiles, wodurch die Hilfsstrukturen variieren. Zur Verschiebung der Textur wird ein Piezo-Element verwendet, das die Patternmaske im Lichtstrahl verschieben kann. Die Kombination mehrerer Bilder derselben Szene, aufgenommen mit unterschiedlichen Strukturen, erhöht die Anzahl von Bildpunkten. Dadurch wird eine größere Auflösung und somit eine bessere Genauigkeit erzielt. Alle gefundenen Punkte werden zu einer kompletten, hochaufgelösten 3D-Darstellung in Form einer sogenannten Punktewolke des Bauteils zusammengefügt.

Innerhalb der Inspektionszelle wird diese dann mit einem CAD-Referenzmodell und Projektionen des Produkts verglichen. Für die Erfassung und Verarbeitung der Punktwolke verwendet SenseIT die 3D-Machine-Vision-Algorithmen der Halcon Bildverarbeitungsbibliothek von MVTec. Darüber hinaus hat das Unternehmen spezifische Mess- und Verarbeitungsalgorithmen entwickelt und über Erweiterungspakete in Halcon integriert. Mit Hilfe von Hardwarebeschleunigung wird sichergestellt, dass die gesamte Verarbeitungszeit innerhalb von 30 s liegt.

Abschließend werden sämtliche Daten des erfassten Bauteils mit möglichen Abweichungen auf einer komfortablen Benutzeroberfläche dargestellt. Die Abweichungen können zum Beispiel pro Los, Artikelnummer oder Zeitraum angezeigt werden. Schnell und einfach wird veranschaulicht, ob die gescannten Bauteile wiederholte Fehler aufweisen und welche Fehler beziehungsweise bei der Fertigung oder beim Transport entstanden sind. Dadurch kann der Anwender schnell reagieren und den Fertigungs- oder Transportprozess nachjustieren.

Alle Informationen über individuell validierte Teile werden in einer großen Datenbank gespeichert. Auf diese Weise ist der Val-IT Flex in der Lage, statistische Analysen durchzuführen, die über wiederkehrende Fehler im Fertigungsprozess informieren. Die Ergebnisse der Analyse werden übersichtlich in einem gesicherten Online-Portal dargestellt. „In Echtzeit präsentierte Informationen über erkannte Fehler verringern die Rückmeldezeit und verbessern die Lieferqualität im Folgeprozess“, betont Manders. „Einblicke in diese sich wiederholenden Fehler helfen, den gesamten Fertigungsprozess zu optimieren. Qualitätskosten, Arbeitskosten oder Strafen für die Nichteinhaltung von Qualitätsstandards werden erheblich reduziert.“ Darüber hinaus können dem System vom Anwender selbst sehr einfach und intuitiv neue oder geänderte Bauteile beigebracht sowie Toleranzeinstellungen vorgenommen werden. „Umrüstzeiten reduzieren sich dadurch auf ein Minimum und ermöglichen eine effektive Auslastung der Anlage. Der Return of Investment wird in nur wenigen Jahren realisiert“, unterstreicht Manders.

Zeitersparnis und Produktivitätssteigerung durch
vollautomatisierte Inline-Prüfung

Ein weiterer Vorteil: Der Scan- und Validierungsprozess ist vollständig automatisiert und erfordert keine menschliche Interaktion. Dies eliminiert menschliche Interpretationsfehler, die durch Müdigkeit und Ablenkung verursacht werden. Die vollautomatisierte Inline-Prüfung spart durch erhöhte Messgeschwindigkeit Zeit und steigert durch die frühzeitige Erkennung von fehlerhaften Teilen die Produktivität. In den Fertigungsprozess kann rechtzeitig eingegriffen und Ausschuss vermieden werden. Gerade bei der Fertigung großer Serien ist dies von entscheidender Bedeutung.

Zur 3D-Erfassung stehender Objekte und für Arbeitsabstände bis 3.000 mm sind die Ensenso N35 Modelle besonders geeignet und mit Brennweiten von 6 bis 16 mm verfügbar. Die Kameras werden vorkalibriert und inklusive Halcon-Schnittstelle sowie objektorientierter API ausgeliefert. „Durch die hochpräzise Digitalisierung mit 3D-Kameras von Ensenso und die anschließende Bildverarbeitung zur Objektverifikation kann die Qualität der produzierten Objekte für die nachfolgenden Prozessschritte deutlich verbessert werden“, freut sich Manders. Sein Unternehmen will im nächsten Schritt Ensenso-Kameras der X-Serie integrieren. Deren hochauflösende 5 MP-Sensoren sorgen für noch größere Genauigkeit und ermöglichen durch die größere, variable Baseline der 2D-Kameras Arbeitsabstände bis über 5 m, wodurch sich Objekte mit Volumen von mehreren Kubikmetern erfassen lassen. ■