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12-Megapixel-Kameras optimieren 3D-Scanner

01 Der optische 3D-Scanner Flex-3A von Otto Vision: Zwei als Stereokameras eingesetzte 12-Megapixel-Kameras der CX-Serie von Baumer liefern die Aufnahmen zur Erzeugung der 3D-Bilder. Eine drehbare Wendehalterung erlaubt einen kompletten 3D-Scan von Ober- und Unterseite (Bild: Otto Vision)

01 Der optische 3D-Scanner Flex-3A von Otto Vision: Zwei als Stereokameras eingesetzte 12-Megapixel-Kameras der CX-Serie von Baumer liefern die Aufnahmen zur Erzeugung der 3D-Bilder. Eine drehbare Wendehalterung erlaubt einen kompletten 3D-Scan von Ober- und Unterseite (Bild: Otto Vision)

02 Dank des patentierten Aufnahmeverfahrens mit drei Kameras kann bei den neuen Flex-3A-Scannern auf das Kleben von Passmarken komplett verzichtet werden

02 Dank des patentierten Aufnahmeverfahrens mit drei Kameras kann bei den neuen Flex-3A-Scannern auf das Kleben von Passmarken komplett verzichtet werden

03 Mit mehr als 80 Modellen bietet die CX-Serie von Baumer-GigE- und -USB-3.0-Kameras mit Global- und Rolling-Shutter-CMOS-Sensoren für branchenübergreifende Applikationen

03 Mit mehr als 80 Modellen bietet die CX-Serie von Baumer-GigE- und -USB-3.0-Kameras mit Global- und Rolling-Shutter-CMOS-Sensoren für branchenübergreifende Applikationen

Geht es um die berührungslose Form- und Koordinatenvermessung in der automatisierten Qualitätskontrolle, eignen sich unter anderem optische 3D-Scanner, wie sie Otto Vision Technology produziert. Durch die Weiterentwicklung des Bildverarbeitungssystems und die Integration zweier Baumer-Kameras ermöglicht das Unternehmen nun, mit einem Gerät hochgenau 3D-Daten zur Prüfung auf Maß, Form und Lage bei Messfeldern von 20 mm bis 200 mm zu erfassen.
Die Otto Vision Technology GmbH fertigt optische Mess- und Prüfsysteme auf Basis industrieller Bildverarbeitung. Dazu zählt auch der Flex-3A, ein optischer 3D-Scanner für die automatisierte Inspektion (Bild 1). Aufgrund ihrer Automatisierung kommen die 3D-Scanner von der Erstmuster- und Prototypenvermessung bis hin zur automatisierten Stichprobenkontrolle in der Fertigung zum Einsatz.
Zum vollflächigen Soll-Ist-Vergleich gewinnt der Scanner dazu 3D-Oberflächendaten in hoher Punktdichte. Vor allem in der Stanzindustrie vertrauen viele Hersteller auf das System der Bildverarbeitungsspezialisten aus Jena. „Aber auch andere Branchen sind im Wachstum begriffen. Vor allem sehen wir in der Kunststoffindustrie vielfältige neue Einsatzmöglichkeiten“, erklärt Gunter Otto, Geschäftsführer von Otto Vision.
Vor einiger Zeit entschied sich das Unternehmen zur Weiterentwicklung seiner 3D-Scanner-Baureihe. Damit einher ging die Straffung des Portfolios: Mit der neuen Generation sind nun Messfeldbereiche von 20 mm bis 200 mm mit einem Gerät realisierbar. Die optische Herausforderung dabei: Auch bei festen Messabständen sollten, wie auch bei den bisherigen Geräten, die verschiedenen Messfelder nur durch den Wechsel der Objektive erreicht werden.
Kleben von Passmarken entfällt
Flex-3A arbeitet als vollautomatisches Multiview-System auf Basis der phasenmessenden Streifenprojektion mit Triangulation und Phasogrammetrie. Der 3D-Messkopf ist mit zwei 12-Megapixel-USB-3.0-Kameras und einem LED-Streifenprojektor mit einer Auflösung von 1 440 × 1 080 Pixel ausgestattet. Eine dritte Kamera stellt die Mehrbildregistrierung sicher. Die zu inspizierenden Teile können entsprechend ihrer Komplexität aus mehreren Richtungen beleuchtet und aufgenommen werden. Ein kompletter 3D-Scan wird durch eine zusätzliche motorisierte Wendehalterung erreicht.
Das Aufnahmeverfahren mit drei Kameras aus unterschiedlichen Blickwinkeln ist patentiert: „Wir verwenden zu den zwei Kameras am 3D-Messkopf zusätzlich noch eine objektfeste Referenzkamera zur Positionsbestimmung des Prüfobjekts. So können die Teilansichten hochgenau photogrammetrisch zu einem globalen 3D-Modell zusammengefügt werden – komplett ohne Kleben von Passmarken, was zusätzliche Zeit und Kosten spart (Bild 2)“, erklärt G. Otto. Mit der optionalen Erweiterung um eine motorisierte Wendehalterung lassen sich zudem auch Ober- und Unterseite vollautomatisch vermessen. Dank der flexiblen Gestaltung kann das System so für die Erstbemusterung von Prototypen, für fertigungsbegleitende Stichprobenprüfungen wie auch für Wareneingangskontrollen gefertigter Teile variabel eingesetzt werden.
Flexibler Soll-Ist-Vergleich
Die Aufnahme aller Bilddaten, deren Zusammensetzung zu einem Gesamtmodell inklusive Berechnung und Auswertung ist automatisiert und wird über eine Software realisiert. Die digitalisierten Daten können dabei als Punktwolken oder als vernetzte STL-Fläche zum Koordinatensystem des Referenzmodells ausgerichtet werden. Der grafische Soll-Ist-Vergleich zwischen zum Beispiel produzierten Teilen und dem entsprechenden CAD-Modell ist so einfach durchführbar, um Formabweichungen, wie Verzug, Schrumpfung, Versatz oder auch Werkzeugverschleiß, zu lokalisieren. Die intuitive Nutzeroberfläche erlaubt das direkte und schnelle Anlegen beliebig vieler Messpläne, die einfache Einstellung teilespezifischer Messparameter, das Festlegen von Automatisierungsabläufen sowie die leichte Anpassung und Optimierung des Streifencodes. Auch die Kalibrierung nach einem Messfeldwechsel ist einfach möglich.
Die automatisierte berührungslose 3D-Prüfung auf Maß, Form und Lage mit variabler Messfeldgröße erfolgt mit Flex-3A schnell. Eine hohe Punktdichte erlaubt einen präzisen Vergleich – auch für Messaufgaben an kleinen Objekten, die taktil schwierig zu erfassen wären. Für einen Messfeldwechsel ist ein Tausch der Objektive mit anschließender, vom System unterstützter Neukalibrierung mittels Kugelnormalen ausreichend. Diese im Lieferumfang enthaltenen Kugelhanteln können auch jederzeit zur Überwachung und zur anschließenden Dokumentation der Messgenauigkeit eingesetzt werden.
Umstieg auf USB 3.0
Mit dem neuen 3D-Scanner setzt Otto Vision das erste Mal USB-Kameras ein. „Wir nutzen im Kamerabereich schon seit vielen Jahren erfolgreich Baumer-Kameras. Aufgrund der guten Zusammenarbeit und Zuverlässigkeit war es für uns klar, dass wir auch für die Weiterentwicklung des Flex-3A auf diese Kameras setzen“, erläutert G. Otto. Mit der Kombination aus hoher Auflösung von 12 Megapixel bei 30 Bilder/s und kleinem Formfaktor von 29 mm × 29 mm passten die VCXU-124-Modelle der CX-Serie (Bild 3) optimal zu den Anforderungen des Systemdesigns. Der eingesetzte Sony-Pregius-CMOS-Sensor IMX304 liefert für die 3D-Aufnahmen zudem eine hohe Bildqualität. Mit der USB-3.0-kompatiblen Schnittstelle profitiert Otto Vision außerdem von einer zu verlässigen Ein-Kabel-Lösung mit Plug-and-play-Funktionalität und spart Zeit sowie Kosten bei der Integration. Dank der umlaufenden M3-Befestigung konnten die Kameras mechanisch einfach und flexibel integriert werden. Mit der optimalen Synchronisation der Kameras und digitalem Projektor gelang es den Bildverarbeitungsspezialisten, die volle Geschwindigkeit der Kameras auszunutzen.
Wachstumsmarkt 3D-Inline-Prüfungen
Die vollständige Automatisierung von 3D-Vermessungen ermöglicht einen schnellen und prozessstabilen Einsatz unter Produktionsbedingungen und bietet gegenüber taktilen Messverfahren eine höhere Informationsdichte. Für Otto Vision ist dies deswegen ein Bereich mit großem Wachstumspotenzial. „Dabei fokussieren wir zukünftig nicht nur auf Offline-Geräte, sondern immer stärker auch auf die 3D-Inline-Prüfung“, blickt G. Otto in die Zukunft. (ih)

Nicole Marofsky ist im Bereich Marketing Communication im Vision Competence Center bei Baumer tätig. NMarofsky@baumer.com

Nicole Marofsky ist im Bereich Marketing Communication im Vision Competence Center bei Baumer tätig. NMarofsky@baumer.com