3D Präzision in Linie
Effiziente Inline-Bauteilprüfung für die Fertigungsindustrie
Qualitätssicherung nimmt in produzierenden Unternehmen einen sehr hohen Stellenwert ein. Sie ist ein wichtiges Instrument zur Schaffung von Effizienz und Transparenz. In der Fabrik der Zukunft wird hierzu eine immer größer werdende Menge an Messdaten erzeugt. Komplexe Zusammenhänge können damit immer schneller erkannt, wertvolle Qualitätsdaten gewonnen und verarbeitet werden, um beispielsweise erkannte Fehler künftig zu vermeiden. Mit dieser Entwicklung in der Fabrik 4.0 wachsen aber auch die Anforderungen, die in der Fertigungsindustrie an Qualitätsstandards gestellt werden.
Anwendung
Das Technologie-Unternehmen 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 enorme Zeit- und Kostenersparnis. Die wichtigsten Komponenten der inline Inspektionszellen: Ensenso Stereo-3D-Kameras. Diese nehmen mit höchster Genauigkeit äußerst komplexe Bauteile sprichwörtlich unter die Lupe. Und das in weniger als 30 Sekunden. 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.
„Bei der Entwicklung der 3D Inspektionszelle val-IT Flex haben wir die Vorteile der 3D-Messtechnik optimal umgesetzt. Dafür haben wir drei Ensenso Stereo-3D-Kameras implementiert. Dank der 3D-Technologie von Ensenso sind wir in der Lage, Abweichungen innerhalb eines Zehntelmillimeters zu erkennen. Das ist mehr, als das menschliche Auge kann“, erklärt Anouar Manders, Software Ingenieur senseIT.
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 440mm und 240mm 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.
„Dank der 3D-Technologie von Ensenso sind wir in der Lage, Abweichungen innerhalb eines Zehntelmillimeters zu erkennen. Das ist mehr, als das menschliche Auge kann“
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-IDS-Kameras, um die Szene aus unterschiedlichen Positionen betrachten zu können. Obwohl der Bildinhalt beider Kamerabilder identisch scheint, weisen sie Unterschiede in der Lage der betrachteten Objekte auf. 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 bzw. 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 erzielt. Alle gefundenen Punkte werden zu einer kompletten, hochaufgelösten 3D-Darstellung in Form einer sogenannten Punktewolke des Bauteils zusammengefügt.
Innerhalb der val-IT Flex Inspektionszelle wird diese dann mit einem CAD-Referenzmodell und Projektionen des Produkts verglichen. Für die Erfassung und Verarbeitung der Punktewolke 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 Sekunden liegt.
Abschließend werden sämtliche Daten des erfassten Bauteiles 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 bspw. 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. 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.
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. Die inline Inspektionszellen von senseIT stellen eine Diagnose mit Hilfe der Ensenso 3D Vision-Technologie und der MVTec HALCON-Software - direkt am Ort des Geschehens, platzsparend und auf dem kürzesten Weg.
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 MVTec HALCON-Schnittstelle sowie objektorientierter API (C++, C#/ .NET) 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.
Fazit
Durch die Ensenso-Technologie (StereoVision Verfahren) wird das Inline-Processing sehr viel schneller und genauer, als es bisher möglich war. Eine derartige Optimierung des Qualitätssicherungsprozesses trägt damit in erheblichem Maße zur Senkung der Qualitätskosten in der Fabrik der Zukunft bei: Qualitätssicherung 4.0 heißt intelligente Automatisierung mit SenseIT und Ensenso Stereo-3D-Kameras.
Ensenso N35 im Überblick. 3D-Vision, schnell und präzise.
- Mit GigE Schnittstelle – universell und flexibel einsetzbar
- Kompaktes, robustes Aluminiumgehäuse
- IP65/67
- Global-Shutter CMOS-Sensoren und Musterprojektor, wahlweise blaue oder Infrarot-LEDs
- Max. fps (3D): 10 (2x Binning: 30) und 64 Disparitätsstufen
- Max. fps (offline processing): 30 (2x Binning: 70) und 64 Disparitätsstufen
- Konzipiert für Arbeitsabstände bis 3000 mm (N35) und variable Bildfelder
- Ausgabe einer einzigen 3D-Punktewolke aller im Mehrkamerabetrieb eingesetzten Kameras
- Live-Komposition der 3D-Punktwolken aus mehreren Blickrichtungen
- Integrierte FlexView Technik für eine noch höhere Genauigkeit der Punktwolke und Robustheit der 3D Daten von schwierigen Oberflächen
- "Projected Texture Stereo Vision“-Verfahren für Aufnahmen texturloser Oberflächen
- Erfassung sowohl stehender als auch bewegter Objekte
- Mitgeliefertes Softwarepaket mit Treiber und API für Windows und Linux
- Ein Softwarepaket unterstützt sowohl USB als auch GigE Modelle
- Beispielprogramme mit Quellcode für HALCON, C, C++, C#
- Vorkalibriert und somit einfach einzurichten
- Integrierte Funktion für die Roboter-Hand-Auge-Kalibrierung mittels Kalibrierplatte
- Softwareseitige Einbindung von uEye Industriekameras, bspw. um zusätzliche Farbinformationen oder Barcodes zu erfassen
- Subsampling und Binning für flexible Daten- und Frameraten
SenseIT
Das niederländische Technologie-Unternehmen senseIT ist spezialisiert auf die Entwicklung und Lieferung von vollautomatischen 3D-Inspektionszellen. Die Systeme führen inline 3-dimensionelle Qualitätsprüfungen und/oder Messungen am Arbeitsplatz durch.
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