Optischer 3D-Scanner

Andreas Mühlbauer,

Mit dem dritten Auge sieht man besser

Zur berührungslosen 3D-Vermessung in der Qualitätskontrolle hat Otto Vision einen optischen 3D-Scanner entwickelt. Mithilfe zweier Kameras von Baumer kann dieser die produzierten Teile präzise vermessen. Eine dritte Kamera sorgt für die Positionskontrolle.

Der Flex-3A nutzt die phasenmessende Streifenprojektion mit Triangulation und Phasogrammetrie zur Erzeugung der 3D-Bilder. (Bilder: Otto Vision Technology) © Otto Vision Technology

Otto Vision Technology bietet mit dem Flex-3A einen optischen 3D-Scanner im High-End-Bereich zur berührungslosen Form- und Koordinatenvermessung in der automatisierten Qualitätskontrolle. Durch die Weiterentwicklung des Bildverarbeitungssystems und die Integration von zwei als Stereokameras eingesetzten 12-Megapixel-Kameras von Baumer genügt nun ein Gerät für die Erfassung hochgenauer 3D-Daten zur Prüfung auf Maß, Form und Lage bei Messfeldern von 20 mm bis 200 mm.

Die berührungslose 3D-Vermesssung und Geometrieprüfung komplexer Objekte lässt sich in allen Fertigungsphasen – von der Erstinbetriebnahme über die Optimierungs- und Bemusterungsphase bis hin zur Serienproduktion – durchführen, um Abweichungen schnell zu identifizieren, Fehlerquellen zu erkennen und Korrekturmaßnahmen einzuleiten. Zum vollflächigen Soll-Ist-Vergleich gewinnt der Flex-3A 3D-Oberflächendaten in hoher Punktdichte. Vor allem in der Stanzindustrie verwenden viele Hersteller das System aus Jena. „Auch andere Branchen sind im Wachstum begriffen. Vor allem sehen wir in der Kunststoffindustrie vielfältige neue Einsatzmöglichkeiten“, sagt Gunter Otto, Geschäftsführer von Otto Vision.

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Zwei als Stereokameras eingesetzte 12-MP-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. © Otto Vision Technology

Mit der Weiterentwicklung hat das Unternehmen sein Portfolio gestrafft und kann nun Messfeldbereiche von 20 bis 200 mm mit nur einem Gerät realisieren. Besonders anspruchsvoll dabei war die Lösung des optischen Systems. Denn auch bei festen Messabständen sollten, wie auch bei den bisherigen Geräten, die verschiedenen Messfelder nur durch den Wechsel der Objektive erreicht werden.

Passmarken ade

Der 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 1440 x 1080 Pixel ausgestattet. Eine dritte Kamera stellt die Mehrbildregistrierung sicher. Die zu inspizierenden Teile lassen sich entsprechend ihrer Komplexität aus mehreren Richtungen beleuchten und aufnehmen. Ein kompletter 3D-Scan wird durch eine zusätzliche motorisierte Wendehalterung erreicht.

Flexibler Soll-Ist-Vergleich

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 Prüfobjektes. So lassen sich die Teilansichten hochgenau photogrammetrisch zu einem globalen 3D-Modell zusammenfügen – ohne Passmarken kleben zu müssen, was zusätzliche Zeit und Kosten spart“, erklärt Otto. Mit der optionalen Erweiterung um eine motorisierte Wendehalterung lassen sich zudem Ober- und Unterseite vollautomatisch vermessen. Dank der flexiblen Gestaltung eignet sich das System für die Erstbemusterung von Prototypen, für fertigungsbegleitende Stichprobenprüfungen wie auch für Wareneingangskontrollen gefertigter Teile.

Die Aufnahme aller Bilddaten und deren Zusammensetzung zu einem Gesamtmodell inklusive Berechnung und Auswertung ist automatisiert und wird über eine leistungsfähige Software realisiert. Die digitalisierten Daten lassen sich dabei als Punktwolken oder als vernetzte STL-Fläche zum Koordinatensystem des Referenzmodells ausrichten. Der grafische Soll-Ist-Vergleich beispielsweise zwischen produzierten Teilen und dem entsprechenden CAD-Modell lässt sich so schnell und einfach durchführen, um Formabweichungen wie Verzug, Schrumpfung, Versatz oder auch Werkzeugverschleiß leicht zu lokalisieren.

Beim Aufnahmeverfahren mit drei Kameras sind keine Passmarken notwendig. © Otto Vision Technology

Die intuitive Nutzeroberfläche erlaubt das direkte und schnelle Anlegen beliebig vieler Messpläne, die einfache Einstellung teilespezifischer Messparameter, das Festlegen von Automatisierungsabläufen und die leichte Anpassung und Optimierung des Streifencodes. Die Kalibrierung nach einem Messfeldwechsel ist sehr einfach.

Die automatisierte berührungslose 3D-Prüfung auf Maß, Form und Lage mit variabler Messfeldgröße erfolgt mit dem Flex-3A einfach und schnell. Eine sehr hohe Punktdichte erlaubt einen äußerst 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 vorhandenen Kugelhanteln sind auch zur Überwachung sowie anschließenden Dokumentation der Messgenauigkeit geeignet.

Mit dem neuen 3D-Scanner setzt Otto Vision das erste Mal USB-Kameras ein. „Wir nutzen im Kamerabereich schon seit vielen Jahren erfolgreich Kameras von Baumer. Aufgrund der guten Zusammenarbeit und Zuverlässigkeit war es für uns klar, dass wir auch für die Weiterentwicklung des Flex-3A auf diese Kameras setzen“, sagt Otto.

Abweichungen zwischen digitalem Referenzmodell und produziertem Teil lassen sich in der farblichen 3D-Darstellung schnell lokalisieren. © Otto Vision Technology

Mit der Kombination aus hoher Auflösung von 12 Megapixel bei 30 Bilder/s und kleinem Formfaktor von 29 mm x 29 mm passten die VCXU-124 Modelle der CX-Serie optimal zu den Anforderungen des Systemdesigns. Der eingesetzte Sony Pregius CMOS-Sensor IMX304 liefert für die 3D-Aufnahmen zudem eine ausgezeichnete Bildqualität. Mit der USB-3.0-kompatiblen Schnittstelle profitiert Otto außerdem von einer zuverlässigen Ein-Kabel-Lösung mit Plug-&-Play-Funktionalität und spart Zeit sowie Kosten bei der Integration. Dank der umlaufenden M3-Befestigung ließen sich die Kameras mechanisch einfach integrieren. Mit der optimalen Synchronisation der Kameras und digitalem Projektor gelang es den Bildverarbeitungsspezialisten, die volle Geschwindigkeit der Kameras auszunutzen.

Die vollständige Automatisierung von 3D-Vermessungen ermög-licht 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 uns zukünftig nicht nur auf Offline-Geräte, sondern immer stärker auch auf die 3D-Inlineprüfung“, sagt Otto.

Nicole Marofsky, Marketing Communication im Vision Competence Center bei Baumer/ am

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