Gestructureerde visie in productie

Aanbieders leveren verschillende sensoren om te voldoen aan de behoeften en het budget van industriële gebruikers. Naarmate de prijzen dalen en de capaciteit groeit, is de vraag wat de volgende beste toepassing is?

Gestructureerde lichtsystemen meten oppervlakken door een patroon van franjes te projecteren en vervolgens camera's en geavanceerde software te gebruiken om ze om te zetten in puntenwolken van metrologische gegevens. Nauwkeurigheid kan de eencijferige micron bereiken over miljoenen punten. Opnamesnelheden op sommige nieuwere apparatuur worden gemeten in milliseconden. Betaalbaarheid en keuze worden steeds groter bij deze sensoren. Hoewel de meeste stereo-opstellingen met twee camera's blijven, gebruiken sommige opstellingen met één camera voor een flexibelere inzet, vooral in de buurt van productielijnen. Meer implementaties en meer applicaties zijn de kenmerken van de industrie.

Een van de pioniers in het veld was GOM, een bedrijf dat nu de mogelijkheden in zijn ATOS-lijn van gestructureerde lichtsystemen uitbreidt. “Vroeger zag iedereen ATOS-sensoren als de high-end maar dure scanner. Maar nu biedt [GOM] een hele lijn scanners met gestructureerd licht”, zegt Frank Stone, National Sales Engineering Manager voor Capture 3D Inc., Santa Ana, Californië, een wederverkoper van ATOS-sensoren met toegevoegde waarde. "Ze erkenden dat je, om de markt uit te breiden, aan een breed scala aan klanten moet leveren - niet iedereen heeft zo strakke toleranties en nauwkeurigheid nodig als anderen
doen," zei hij.

Een goed voorbeeld van hoe het bedrijf afwisseling biedt, is de ATOS Core, een instapsysteem. Het
kan groeien in capaciteit samen met de behoeften van de eigenaar. Toepassingen op instapniveau, zoals reverse engineering of rapid prototyping, moeten volgens Capture3D worden gescand zonder geavanceerde inspectiefunctionaliteit. Een complete "instap"-kit bevat software die puntenwolkgegevens omzet in STL-geformatteerde veelhoekige meshes. De Core biedt een upgradepad van handmatige bediening naar semi-automatische bediening, inclusief het toevoegen van tastsondes en fotogrammetrie voor metrologische inspecties van hogere kwaliteit. Hetzelfde apparaat kan uiteindelijk ook worden geüpgraded naar volledige automatisering voor industriële kwaliteitscontrole-inspecties.

Maar GOM is ook niet gestopt met het verbeteren van zijn high-end systemen. De nieuwste zijn de ATOS 5 en ATOS 5X producten, ontworpen voor industrieel gebruik en integratie van metingen in productielijnen. Een van de sleutels tot het gebruik van gestructureerd licht in ruwe omgevingen is het verkorten van de verzameltijd, waardoor het minder gevoelig wordt voor trillingen en geluid. Volgens het bedrijf legt de ATOS 5 scans vast in 0,2 seconden (200 milliseconden) bij 100 frames per seconde. In combinatie met het ATOS Scanbox-automatiseringssysteem kan het worden gebruikt voor het meten van carrosseriesluitingen, instrumentenpanelen, motorturbinebladen of gegoten onderdelen. Gemonteerd op robots in aangepaste integraties, kan het complete body-in-whites meten, die gebruikelijk zijn in de automobielindustrie.

Verscheidenheid in projectiebronnen

Om de bruikbaarheid nog verder uit te breiden, gebruikt de meer geavanceerde ATOS 5X een veel helderdere lichtbron. "De ATOS 5X gebruikt een geïntegreerde laserlichtcompressor om die helderdere lichtbron te leveren, waardoor het meetvolume groter wordt", legt Stone uit. “Waar we voorheen slechts 700 mm konden meten, kunnen we met deze nieuwe bron nu tot 1.000 mm in dezelfde tijd meten. Het duurt slechts 0,2 seconden per scan.” Technisch gezien is dit nog steeds gestructureerd licht en wordt de coherentie die beschikbaar is in een laser niet gebruikt om interferometrie uit te voeren - het is een zeer helder maar nog steeds standaard gestructureerd lichtapparaat.

Hexagon Manufacturing Intelligence, North Kingstown, R.I., heeft de afgelopen jaren ook een breed scala aan gestructureerde lichtscanapparatuur ontwikkeld. Ze zijn gegroepeerd in twee basistechnologieën, die welke enkelvoudige diaprojecties gebruiken en die welke meerdere randprojecties gebruiken. Enkele schuifsensoren benadrukken snelheid en gebruik onder zware omstandigheden en omvatten Hexagon's WLS qFLASH, de BLAZE 600 en WLS 400.

"Deze sensoren benadrukken snelle beeldacquisitie", zegt Amir Grinboim, technisch programmamanager voor Hexagon. Deze verzamelen gegevens gemiddeld in 0,015 seconden of 15 milliseconden. De snelheid van verzamelen is belangrijk - het is wat ze ideaal maakt op de werkvloer van de fabriek. "De filosofie is 'meet waar je maar wilt'," zei Grinboim.

De meervoudige randprojectietechnologie is daarentegen langzamer maar met een betere resolutie. Deze omvatten het AICON-aanbod van Hexagon. “Als we een opname maken, wordt het beeld opgebouwd uit een opeenvolging van projecties. En die projecties zijn lijnen die op het onderdeel worden geprojecteerd, en die lijnen worden verplaatst en veranderen van richting samen met het beeldacquisitieproces. Dat is een relatief lang proces”, legt Grinboim uit, die gemiddeld 2 seconden nodig heeft voor een enkele collectie. "Het doel is niet snelheid, maar de kwaliteit van de puntenwolk."

Hexagon gebruikt ook een rood/groen/blauw (RGB) DLP-projector in zijn nieuwste sensor, de AICON StereoScan neo. Ook heeft de sensor een breed scala aan meetvelden, van 75 mm tot 1100 mm. Dit wordt gedaan door de cameralenzen of de basislengte te veranderen. De acquisitietijd is ongeveer 2 seconden en het apparaat kan worden uitgerust met een 8- of 16-megapixelcamera.

Waar de RGB DLP-projector ideaal voor is, zijn toepassingen waarbij de metingen kunnen worden omgezet in een kleurenkaart van afwijkingen in vergelijking met CAD-nominale waarden. Deze worden vervolgens terug geprojecteerd op het onderdeel dat zojuist is gemeten.

"[Dit is] ideaal voor ontwerpwerk, bewerking voor gereedschap en het tonen van overstock of understock-materiaal bij het gieten. Dit alles kan voor de monteur direct op het onderdeel zichtbaar zijn, zonder verwijzing naar een computerscherm of een pdf”, legt Grinboim uit.

Hexagon noemt dit See What You Measure of SWYM. “Dit is ideaal bij het meten en werken met gietstukken, smeedstukken of injectiekunststoffen. Als je een groot geometrieonderdeel hebt, zal onze software automatisch meerdere collecties aan elkaar naaien zonder dat er referentiedoelen op het onderdeel nodig zijn,” zei hij.

Industrialisatie en automatisering

“Populaire toepassingen [voor scanners met gestructureerd licht] zijn onder meer legacy-tooling voor reverse engineering en ruimtevaarttoepassingen. Beide vereisen doorgaans hogere precisietoleranties die geschikt zijn voor de gestructureerde lichte hardware”, legt Greg Groth, divisiemanager voor Exact Metrology, Brookfield, Wis uit. Exact Metrology biedt contractmeet- en scandiensten, metrologische apparatuuroplossingen en verhuur van hardware en software. Het biedt of gebruikt meetapparatuur, variërend van draagbare arm-CMM's tot hoogwaardige CT-scanners.

Het bedrijf maakt ook gebruik van GOM ATOS gestructureerde lichtsystemen. Dit zijn onder meer de ATOS II Triple Scan en ATOS III Triple scan, die Exact in haar contractwerk gebruikt. Exact distribueert ook de AICON PrimeScan van Hexagon Manufacturing Intelligence.

Automatisering wordt een mainstream gebruik van gestructureerde lichtapparaten. “Momenteel past de automatiseringswereld de [gestructureerde licht]-technologie toe. Naarmate robotcellen veiliger en kosteneffectiever worden, terwijl de hardware goedkoper wordt, neemt de populariteit van in-line automatisering toe", aldus Groth. "Naarmate de acquisitiesnelheid toeneemt tot subseconde, gaat er een nieuwe wereld van doorvoerefficiëntie open."

Hij is ook van mening dat de huidige industriële modewoorden, zoals AI, Internet of Things en Big Data Analytics, van invloed zijn op de adoptie van gestructureerde lichtsystemen. “Een grote verandering is de dynamische feedback, oftewel een lussysteem. Bijvoorbeeld door het onderdeel te scannen, te vergelijken met de ontworpen CAD-gegevens, die discrepanties terug te koppelen naar het fabricageproces en de adaptieve wijzigingen aan te brengen in de tooling om de juiste onderdelen te maken,” zei hij.

Ian Scribner, salesmanager draagbare 3D-scanproducten voor Carl Zeiss Industrial Metrology LLC, Brighton, Michigan, herhaalde deze focus op automatisering in zijn observaties. "[Automatisering is] waar de afgelopen jaren de meeste aandacht is uitgegaan naar het verbeteren van [onze] software om de hardware te automatiseren," legde hij uit.

De geschiedenis van de gestructureerde lichtsystemen die Zeiss aanbiedt, gaat ook terug naar een van de vroege grondleggers van het vakgebied, het bedrijf Steinbichler. Zeiss heeft het bedrijf en zijn technologie een paar jaar geleden overgenomen. De Zeiss COMET-lijn van gestructureerde lichtsystemen komt uit dit erfgoed, maar vertoont nu enkele verbeteringen die uniek zijn voor Zeiss. Een voorbeeld is het Zeiss ABIS II-systeem dat wordt gebruikt voor het detecteren van oppervlaktedefecten. Het is vooral handig bij het meten van carrosserie-oppervlakken van klasse A in de automobielindustrie, opnieuw ontworpen voor gebruik op of nabij de productielijn.

Een ander recenter aanbod van Zeiss is de COMET Pro AE. Het apparaat wordt gebruikt in de voorverpakte automatiseringsoplossingen van het bedrijf, AIBox en AIBox flex-systemen. Het illustreert ook een andere trend in gestructureerde lichtsystemen door alle aanbieders:het combineren van verschillende metrologietechnologieën om de automatisering en nauwkeurigheid te verbeteren.

“De COMET Pro AE is strikt toegewijd aan automatisering. Het heeft een paar extra functies, waaronder fotogrammetrie, "zei Scribner. “Dit helpt om grotere componenten sneller en nauwkeuriger vast te leggen. Het heeft ook lichtringen, waarmee gebruikers plaatmetaal kunnen scannen en betere details kunnen geven over gaten of stroppen of uitsnijdingen van het plaatwerk."

Ophaaltijden van de COMET Pro AE zijn afhankelijk van de grootte van het onderdeel. Een carrosserie van plaatstaal duurt bijvoorbeeld een paar minuten. Het resultaat is volgens Scribner tientallen miljoenen punten met een nauwkeurigheid van 25 tot 35 µm. Zijn grootste succesverhalen in de recente geschiedenis waren in feite het automatiseren van het meten van plaatwerkonderdelen.

Terwijl de COMET Pro AE wordt aangeboden als een "at-line" apparaat dat handig is voor monsterpartijinspecties, biedt Zeiss ook een gestructureerde lichte oplossing voor in-line inspectie met zijn AIMax Inline- en BestFit-aanbiedingen. Het bedrijf adverteert deze als goed voor kwaliteitsborging, locatieherkenning en productiecontrole, inclusief robotbegeleiding.

Het apparaat kan ook scanpunten uitvoeren die zijn geconverteerd naar STL-geformatteerde oppervlakken. "Vaak is de COMET AIMax geprogrammeerd om te zoeken naar specifieke functies voor in-line gaging," zei hij. Omdat het programmeerbaar is, vermijdt het de valkuilen van hard gaging, tegen een steeds betaalbare prijs.

"Elk jaar hebben we gestructureerde lichtsystemen als groep zien dalen in prijs en in capaciteit zien stijgen, waardoor nieuwe toepassingen werden geopend", zei Scribner. Het compacte formaat van de BestFit wordt mogelijk gemaakt door de technologie met één camera. Beide sensoren herkennen ook de ruwe omgeving waarvoor ze zijn ontworpen en vertonen stabiliteit bij hoge temperaturen door actieve compensatie.

Betaalbaarheid en toepassingen

Er komen grote veranderingen op de markt voor vision-systemen, volgens Scott Green, directeur software voor 3D Systems Inc., Rock Hill, S.C. "Er gaat een enorme verschuiving plaatsvinden in de markt voor gestructureerde lichtsystemen met hoge resolutie", zei.

Het bedrijf biedt een breed scala aan producten, van 3D-printers tot haptische forcefeedback
apparaten, waaronder een reeks gestructureerde lichte metrologiesystemen. De verschuiving in gestructureerde lichtsystemen zal tot stand komen door dalende apparaatprijzen, zelfs terwijl de kwaliteit en het scanbereik toenemen, volgens Green.

"Dit zijn [systemen] die binnenkort met een creditcard kunnen worden gekocht. Tegenwoordig zijn er zelfs zeer goedkope, hoogwaardige gestructureerde lichtsensoren die voor minder dan $ 10.000 worden verkocht, "zei hij - een verre schreeuw van de oorspronkelijke $ 100.000 plus systemen die oorspronkelijk op de markt werden geïntroduceerd. 3D Systems biedt wat het een scanner van industriële kwaliteit noemt:de Capture en een kleinere versie, de Capture Mini. Een ander handapparaat maakt ook gebruik van gestructureerd licht voor snelle metingen van kleine voorwerpen.

Hoe is dit mogelijk? Deze systemen hebben hoogwaardige en nauwkeurige lichtbronnen en nauwkeurige projectiepatronen nodig. De camera's moeten scherpe beelden tot 16 megapixels kunnen vastleggen. Er is veel geavanceerde software en wiskunde nodig om de gegevens uit die componenten te halen. Decennia van verfijning maken de software en algoritmen geavanceerder. Toch beweert hij dat de systemen in wezen … eenvoudig zijn. "Een gestructureerd lichtsysteem is in feite twee camera's en een projector", zei hij, met een computer en software.

De algemene consumentenmarkt stuurt de kosten- en kwaliteitscurve in die componenten. Computeren op dit niveau wordt bijna gratis. In massa geproduceerde smartphones en camera's van consumentenkwaliteit maken digitale camera's en lichtbronnen een snelle opmars.

"De functionele componenten, de eigenlijke componenten van het bouwen van een gestructureerde lichtsensor, worden veel betaalbaarder", zei Green. "Dus je ziet een neerwaartse verschuiving in de eigendomskosten voor dat soort gestructureerd licht van hoge kwaliteit, omdat de componenten erin gemakkelijker verkrijgbaar en goedkoper worden."

Zodra de kosten van hardware omlaag gaan, zal de prijsdruk op de bijbehorende software toenemen. Nu de totale eigendomskosten dalen, wordt dat volgens Green mogelijk met behulp van de nu goedkope gestructureerde lichtsystemen voor specifiek gebruik. Denk aan het meten van gap-and-flush in autocarrosserie-in-wit of 100 procent inspectie van individuele kenmerken in een bewerkingscel door individuele sensoren.

"Voor de juiste toepassingen zullen we veel slimmere sensoren hebben die veel dichter bij de plaats van productie staan", zei hij. "De rol in desktopsoftware voor die applicaties zal veel meer lijken op een informatie-aggregator."