Schnell und genau

MESSEN UND PRÜFEN
Optische Techniken
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S E N S O R E N F Ü R O PTI SCHE 3D -VER M ESSUNG
Schnell und genau
Bei der optischen Oberflächeninspektion von Bauteilen
Martin Schaffer und Marcus Große, Jena
müssen sich Anwender bisher zwischen schnellen und ungenauen oder genauen, aber langsamen 3D-Messsystemen
entscheiden. Nun hat EnShape, Jena, Projektionssysteme
für die schnelle und genaue optische 3D-Vermessung
entwickelt. Diese erlauben eine hochfrequente Musterprojektion und nahezu beliebige Messraten.
I
n vielen Bereichen sind schnell messende optische 3D-Messsysteme erforderlich. So werden zur Analyse von AirbagEntfaltungen, Schäden von Unfallszenarien und Fahrzeugcrashs bereits optische
Verfahren eingesetzt. Dabei werden ent-
weder wenige 3D-Punkte (üblicherweise
ein Punkt pro Zielmarke) der Szene erfasst oder bei Verfahren höherer Messpunktdichte viele, aber nur sehr ungenaue
3D-Punkte gewonnen. Für die optische
Qualitätskontrolle der Oberfläche von
Bauteilen am Fließband sind eine hohe
Messrate sowie die Toleranz gegenüber
Objektbewegungen entscheidend. Auch
für viele Aufgaben in der Robotik sind
3D-Sensoren mit einer hohen Messrate
bei gleichzeitig hoher Genauigkeit Vor-
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QZ Jahrgang 59 (2014) 7
Optische Techniken
aussetzung für eine optimale Problemlösung. Hochgenaue Verfahren zur 3D-Vermessung wie die Streifenprojektion konnten für diese Messaufgaben bisher nicht
eingesetzt werden, da die geforderten kurzen Messzeiten technisch nicht realisierbar waren. Schnell messende 3D-Sensoren
liefern zwar bereits 3D-Daten mit bis zu
60 Hz, sind aber sehr unpräzise (± 5 mm)
und weisen zudem teils erhebliche systematische Fehler auf, die beispielsweise für
Greifaufgaben in der industriellen Robotik inakzeptabel sind. In all diesen Anwendungsfeldern müssen sich Anwender
bisher zwischen schnellen und ungenauen
oder genauen, aber langsamen 3D-Messsystemen entscheiden.
Die genauen optischen 3D-Messtechniken können in vergleichsweise kurzer
Zeit große Mengen an 3D-Punkten präzise rekonstruieren, ohne dabei die Oberfläche zeitaufwendig antasten zu müssen.
Dabei werden Messobjekte üblicherweise
mit Mustersequenzen beleuchtet und mit
Digitalkameras synchron aus verschiedenen Richtungen aufgenommen. Anschließend werden die Bilddaten ausgewertet
und eine dreidimensionale RekonstruktiJahrgang 59 (2014) 7
on des Messobjekts erstellt. Zahlreiche
Messtechnikfirmen bieten derartige Systeme bereits erfolgreich für die industrielle
Inspektion an. Die Messrate ist dabei
meist auf rund 1 Hz beschränkt, da die für
die Auswertung notwendigen Muster
nicht schnell genug projiziert werden können. Diese Projektionsmuster (üblicherweise Streifen) verlangen die Verwendung
von Digitalprojektoren, die prinzipbedingt den Nachteil aufweisen, dass sie mit
maximal 250 Hz Graustufenmuster wechseln und damit projizieren können. Im
Resultat können diese Systeme meist nicht
mehr als eine 3D-Messung pro Sekunde
durchführen.
Die Ideengeber des Unternehmens
EnShape, Jena, beschäftigen sich seit mehreren Jahren mit der schnellen und genauen optischen 3D-Vermessung. Im Rahmen ihrer Forschungstätigkeit haben sie
in den letzten fünf Jahren zahlreiche Konzepte zur hochfrequenten Musterprojektion entwickelt, die nahezu beliebige Messraten erlauben. In Testmessungen wurde
bereits eine 3D-Messrate von 1 000 Hz demonstriert, die lediglich durch die vorhandene Kameratechnik begrenzt war U
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Bild 1. Stereoansicht eines Bauteils (links) und rekonstruierte Punktwolke mit dem Ergebnis des Punktwolken-CAD-Vergleichs (rechts)
– nicht wie bisher üblich durch die Pro­
jektionstechnik. Mit diesen Konzepten
können derzeit Projektionsraten bis
200 000 Hz unterstützt und damit potenziell 3D-Messdatenaufnahmeraten von
Kooperationspartner gesucht
EnShape mit Sitz in Jena ist ein Start-up
der Friedrich-Schiller-Universität Jena und
wird seit Januar mit einem Exist-Gründerstipendium gefördert. Die Ideengeber des
Unternehmens haben in den letzten fünf
Jahren Projektionssysteme für die schnelle und genaue optische 3D-Vermessung
entwickelt und patentieren lassen.
Das Unternehmen möchte in den folgenden Jahren Echtzeit-3D-Sensoren höchster Präzision und Messrate anbieten, die
für verschiedene Anwendungen 3D-Daten
liefern. Weiterhin bietet das Unternehmen
anwenderspezifische Sensorkonzeption
für anspruchsvolle Messaufgaben an.
Derzeit sucht EnShape Kooperations­
partner.
Autoren
Dr. rer. nat. Martin Schaffer, geb. 1985,
und Dr. rer. nat. Marcus Große, geb.
1981, sind Geschäftsführer der EnShape
GmbH, Jena.
Kontakt
Martin Schaffer
[email protected]
T 03641 947671
QZ-Archiv
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mehr als 10 000 Hz realisiert werden. Diese Beschleunigung der Projektionsrate
wird durch die Verwendung statistischer
Mustersequenzen in Verbindung mit eigens entworfenen Projektionsgeräten erreicht. Die Nutzung dieser Muster erlaubt
dabei zahlreiche neuartige Ansätze zur
Generierung der Musterstrukturen und
ermöglicht eine hochflexible Anpassung
des Sensorkonzepts an spezifische Messprobleme.
3D-Erfassung hochdynamischer
Vor­gänge
Üblicherweise eignen sich 3D-Verfahren
unter Verwendung von strukturierten Beleuchtungssequenzen nicht zur Vermessung bewegter Szenen, da mehrere Bildaufnahmen pro 3D-Zustand notwendig
sind. Wird jedoch die Messzeit so weit reduziert, dass das bewegte Objekt während
der Messzeit nahezu steht, können die
Verfahren ohne Modifikation auch zur Erfassung bewegter Szenen genutzt werden.
Mit den Projektionskonzepten von EnShape werden Aufnahmeraten von bis zu
200 000 Hz unterstützt, sodass sich für
extremste Anforderungen an die Messzeit
bis zu 20 000 3D-Messungen pro Sekunde
mit höchster Präzision und Punktdichte
realisieren lassen.
Hochgenauer 3D-Datenstrom
Das Unternehmen hat zudem Sensoren
(PointCloud-Streamer) konzipiert, die einen 3D-Datenstrom mit bis zu 50 Hz mit
jeweils 300 000 Punkten liefern. Im Gegensatz zu Technologien wie beispielsweise der Time-of-Flight-Technologie, die
ähnliche Messraten und Punktmengen
zur Verfügung stellen, ist die Präzision der
Messpunkte der Sensorik von EnShape
nach eigenen Angaben um einen Faktor
10 bis 30 höher.
Insbesondere können systematische
Messfehler kalibriert werden, sodass
hochgenaue und gleichzeitig sehr schnelle
Sensorik zur Generierung eines kontinuierlichen 3D-Datenstroms verfügbar ist.
Anwendungen für diese Sensorik liegen
beispielsweise im Bereich der industriellen Robotik (Pick-&-Place-Systeme, Bin
Picking, Palettiersysteme, automatisierte
Inspektion) und im Forschungsfeld der
Computer-Vision.
Lückenlose 100-Prozent-Inspektion
Insbesondere in der automobilen Fertigung werden zahlreiche Bauteile in großer
Stückzahl produziert. Diese unterliegen
strengen Qualitätskriterien, die derzeit oft
noch stichprobenartig kontrolliert wird.
EnShape will künftig mit schneller 3DSensorik eine lückenlose 100-ProzentInspektion von Bauteilen ermöglichen.
Aufgrund der kurzen Messzeit kann
ein sich in Bewegung befindlicher Prüfling in seiner Form erfasst und in einem
nächsten Schritt einem automatisierten
Soll-Ist-Vergleich unterzogen werden
(Bild 1). In Bruchteilen einer Sekunde
kann entschieden werden, ob der Prüfling
die gewünschte Form aufweist.
Die statistische Musterprojektion
dient als Grundlage für die präzise Erfassung der Form aus der Aufnahmesequenz
(Messzeit: 25 ms). Die aus den Messdaten
extrahierte Punktwolke wird nun im Anschluss mit dem vorhandenen CAD-Modell in Übereinstimmung gebracht und
gemäß den spezifizierten Toleranzen
überprüft (100 ms). q
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