Geavanceerde Gestructureerde Visieoplossingen voor Precieze Productie

Leveranciers leveren gevarieerde sensoren om aan de behoeften en budgetten van industriële gebruikers te voldoen. Naarmate prijzen dalen en capaciteiten groeien, is de vraag wat de volgende beste applicatie is?

Gestructureerde licht systemen meten oppervlakken door een patroon van franjes te projecteren, daarna camera's en gesofisticeerde software te gebruiken om ze om te zetten in puntenwolken van metrologische data. Nauwkeurigheid kan de enkele-digit micron bereiken over miljoenen punten. Opnamesnelheden op nieuwere apparatuur worden gemeten in milliseconden. Betaalbaarheid en keuze groeien onder deze sensoren. Terwijl de meeste twee-camera stereo opstellingen blijven, gebruiken sommigen single-camera opstellingen voor flexibelere implementatie, met name nabij 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 opties in zijn ATOS-lijn van gestructureerde licht systemen uitbreidt. "In het verleden keek iedereen naar ATOS-sensoren als de high-end maar dure scanner. Maar nu biedt [GOM] een volledige lijn van gestructureerde-licht scanners," zei Frank Stone, national sales engineering manager voor Capture 3D Inc., Santa Ana, Calif., een value-added reseller van ATOS-sensoren. "Ze herkenden dat om de markt uit te breiden, je moet leveren aan een brede verscheidenheid aan klanten - niet iedereen heeft zo strakke toleranties en nauwkeurigheden als anderen," zei hij.

Een goed voorbeeld van hoe het bedrijf verscheidenheid biedt is zijn ATOS Core, een entry-level systeem. Het kan in capaciteit groeien samen met de behoeften van de eigenaar. Entry-level applicaties zoals reverse engineering of rapid prototyping, volgens Capture3D, hebben scannen nodig zonder geavanceerde inspectiefunctionaliteit. Een complete "entry level" kit omvat software die puntenwolkdata omzet in STL-geformatteerde polygonale meshes. De Core biedt een upgrade-pad van handmatige operatie naar semi-geautomatiseerde operatie die het toevoegen van tasttasters en fotogrammetrie voor hogere kwaliteit metrologie-inspecties kan omvatten. Hetzelfde apparaat kan ook uiteindelijk geüpgraded worden tot volledige automatisering voor industriële kwaliteitscontrole-inspecties.

Maar GOM heeft niet gestopt met het verbeteren van zijn high-end systemen. De nieuwste zijn de ATOS 5 en ATOS 5X aanbiedingen, ontworpen voor industriële gebruik en integratie van metingen in productielijnen. Een van de sleutels om gestructureerde licht in harde omgevingen te gebruiken is het verkorten van de verzameltijd, wat het minder gevoelig maakt voor trillingen en ruis. Volgens het bedrijf, captureert de ATOS 5 scans in 0,2 seconden (200 milliseconden) bij 100 frames per seconde. Gecombineerd met het ATOS Scanbox automatiseringssysteem, kan het gebruikt worden om automotive carrosserie-afsluitingen, instrumentenpanelen, motorturbinenschaufels of gegoten delen te meten. Gemonteerd op robots in custom integraties, kan het complete body-in-whites meten, wat algemeen is in automotive productie.

Verscheidenheid in Projectiebronnen

Om de nut nog verder uit te breiden, gebruikt de geavanceerdere ATOS 5X een veel helderder lichtbron. "De ATOS 5X gebruikt een geïntegreerde laser licht compressor om die heldere lichtbron te bieden, wat het meetvolume uitbreidt," legde Stone uit. "Waar we eerst alleen 700 mm konden meten, kunnen we met deze nieuwe bron nu tot 1.000 mm meten in dezelfde tijd. Het duurt nog steeds slechts 0,2 seconden per scan." Technisch gezien is dit nog steeds gestructureerde licht en gebruikt het niet de coherentie beschikbaar in een laser om interferometrie te doen - het is een erg helder maar nog steeds standaard gestructureerd licht apparaat.

Hexagon Manufacturing Intelligence, North Kingstown, R.I., heeft in de afgelopen jaren ook een breed scala aan gestructureerde licht scandevices ontwikkeld. Ze zijn gegroepeerd in twee basistechnologieën, die single slide projecties gebruiken en die meerdere franjeprojecties gebruiken. Single slide sensoren benadrukken snelheid en gebruik in harde omstandigheden en omvatten Hexagon's WLS qFLASH, de BLAZE 600 en WLS 400.

"Deze sensoren benadrukken snelle beeldacquisitie," zei Amir Grinboim, technical program manager voor Hexagon. Deze verzamelen data gemiddeld in 0,015 seconden, of 15 milliseconden. De snelheid van verzameling is belangrijk - het is wat ze ideaal maakt in fabrieks shopfloor instellingen. "De filosofie is 'meten waar je wilt'," zei Grinboim.

De multiple franjeprojectie technologie, aan de andere kant, is langzamer maar met betere resolutie. Deze omvatten de AICON-aanbiedingen van Hexagon. "Wanneer we een shot nemen, wordt de afbeelding opgebouwd uit een sequentie van projecties. En die projecties zijn lijnen die op het deel geprojecteerd worden, en die lijnen veranderen oriëntatie samen met het beeldacquisitieproces. Dat is een relatief lang proces," legde Grinboim uit, nemend gemiddeld 2 seconden voor een enkele verzameling. "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. De sensor heeft ook een breed bereik aan meetvelden, van 75 mm tot 1.100 mm. Dit wordt gedaan door de camera-lensen of de basislengte te veranderen. De acquisitietijd is ongeveer 2 seconden en het apparaat kan uitgerust worden met een 8- of 16-megapixel camera.

Wat de RGB DLP-projector ideaal is voor zijn applicaties waar de metingen omgezet kunnen worden in een kleurenkaart van afwijkingen vergeleken met CAD-nominalen. Deze worden dan teruggeprojecteerd op het deel dat net gemeten is.

"[Dit is] ideaal voor ontwerpwerk, herwerken voor tooling, en tonen van over- of ondermateriaal in gieten. Al dit kan zichtbaar zijn voor de ingenieur recht op het deel, zonder verwijzing naar een computerscherm of PDF," legde Grinboim uit.

Hexagon noemt dit See What You Measure, of SWYM. "Dit is ideaal in meten en werken met gietingen, smedewerk of injectieplastieken. Als je een grote geometrie deel hebt, zal onze software automatisch meerdere verzamelingen samenstiksen zonder de noodzaak voor referentiedoelen op het deel," zei hij.

Industrialisatie en Automatisering

"Populaire applicaties [voor gestructureerde licht scanners] omvatten legacy tooling voor reverse engineering en luchtvaartapplicaties. Beide vereisen gemeenschappelijk hogere precisie toleranties die uitkomen bij de gestructureerde licht hardware," legde Greg Groth, divisiemanager voor Exact Metrology, Brookfield, Wis. uit. Exact Metrology biedt contractmeting en scanningsdiensten, metrologie apparatuuroplossingen, alsook hardware en software verhuur. Het biedt of gebruikt metrologie apparaten variërend van Portable Arm CMMs tot high-end CT scanners.

Het bedrijf gebruikt ook GOM ATOS gestructureerde licht systemen. Deze omvatten de ATOS II Triple Scan en ATOS III Triple scan, die Exact gebruikt in zijn contractwerk. Exact distribueert ook de AICON PrimeScan van Hexagon Manufacturing Intelligence.

Automatisering wordt een mainstream gebruik van gestructureerde licht apparaten. "Momenteel adopteert de automatiseringswereld de [gestructureerde licht] technologie. Naarmate robocellen veiliger en kosteneffectiever worden parallel aan de hardware goedkoper wordend, stijgt de populariteit van in-line automatisering," zei Groth. "Naarmate acquisitiesnelheden stijgen naar subseconde, opent dat een nieuwe wereld van doorvoerefficiëntie."

Hij gelooft ook dat huidige industriële buzzwoorden van de dag - zoals AI, Internet of Things en Big Data Analytics - een effect hebben op de adoptie van gestructureerde licht systemen. "Eén grote verandering is de dynamische terugkoppeling, of een geluste systeem. Bijvoorbeeld, het scannen van het component, vergelijken met de ontworpen intentie CAD-data, die discrepanties terugvoeden naar het productieproces, en de adaptieve veranderingen aan de tooling aanbrengen om correcte delen te maken," zei hij.

Ian Scribner, portable 3D scanning product sales manager voor Carl Zeiss Industrial Metrology LLC, Brighton, Mich., herhaalde deze focus op automatisering in zijn observaties. "[Automatisering is] waar de meeste focus de afgelopen paar jaar is geweest in het verbeteren van [onze] software om de hardware te automatiseren," legde hij uit.

De geschiedenis van de gestructureerde licht systemen die Zeiss aanbiedt, traceert ook zijn wortels naar een van de vroege stichters van het veld, het Steinbichler-bedrijf. Zeiss heeft het bedrijf en zijn technologie een paar jaar geleden overgenomen. De Zeiss COMET-lijn van gestructureerde licht systemen komt uit deze erfgoed maar toont nu enkele verbeteringen uniek voor Zeiss. Een voorbeeld is het Zeiss ABIS II systeem gebruikt voor detectie van oppervlakte defecten. Het is met name nuttig in het meten van Klasse A carrosserie-oppervlakken in automotive productie - weer ontworpen voor gebruik op of nabij de productielijn.

Een ander van Zeiss' meer recente aanbiedingen is de COMET Pro AE. Het apparaat wordt gebruikt in het bedrijf's pre-packaged automatiseringsoplossingen, AIBox en AIBox flex systemen. Het illustreert ook een ander trend prevalent in gestructureerde licht systemen door alle aanbieders - het combineren van verschillende metrologie technologieën om automatisering en nauwkeurigheid te verbeteren.

"De COMET Pro AE is strikt toegewijd aan automatisering. Het heeft een paar additionele functies - inclusief fotogrammetrie," zei Scribner. "Dit helpt grotere componenten sneller en met betere nauwkeurigheid vast te leggen. Het heeft ook lichtringen, die gebruikers in staat stellen om plaatmetaal te scannen en betere kenmerkdetails op gaten of stroken of uitschneidingen van het plaatmetaal te bieden."

Verzameltijden van de COMET Pro AE zijn afhankelijk van de grootte van het deel. Een plaatmetaal autocarrosserie, bijvoorbeeld, duurt een paar minuten. Het resultaat is tientallen miljoenen punten bij 25 tot 35 µm nauwkeurigheid, volgens Scribner. Feitelijk zijn zijn grootste succesverhalen in recente geschiedenis in het automatiseren van meting van plaatmetaaldelen.

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

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

"Elk jaar hebben we gestructureerde licht systemen als groep zien dalen in prijs en stijgen in capaciteit, wat nieuwe applicaties opent," zei Scribner. De compacte grootte van de BestFit wordt mogelijk gemaakt door zijn single-camera technologie. Ook, erkennend de harde omgeving waar ze voor ontworpen zijn, vertonen beide sensoren hoge-temperatuurstabiliteit door actieve compensatie.

Betaalbaarheid en Applicaties

Grote veranderingen komen op de visiesystemenmark, volgens Scott Green, director of software voor 3D Systems Inc., Rock Hill, S.C. "Er gaat een enorme shift in de markt voor hoge-resolutie gestructureerde licht systemen komen," zei hij.

Het bedrijf biedt een breed scala aan producten, van 3D-printers tot haptische kracht-terugkoppelingsapparaten, inclusief een lijn gestructureerde licht metrologiesystemen. De shift in gestructureerde licht systemen zal komen door dalende apparaatprijzen zelfs terwijl kwaliteit en scandecking toeneemt, volgens Green.

"Dit zijn [systemen] die binnenkort op een creditcard gekocht kunnen worden. Vandaag de dag, zelfs, zijn er erg goedkope, hoge-kwaliteit gestructureerde licht sensoren die voor minder dan $10.000 verkopen," zei hij - een ver streken van de oorspronkelijke $100.000 plus systemen oorspronkelijk geïntroduceerd in de markt. 3D Systems biedt wat het een industriële-gradaties scanner noemt - de Capture en een kleinere versie, de Capture Mini. Een ander handgehouden apparaat gebruikt ook gestructureerde licht voor snelle metingen van kleine items.

Hoe is dit mogelijk? Deze systemen hebben hoge kwaliteit en precisie lichtbronnen en precieze projectiepatronen nodig. De camera's moeten scherpe beelden tot 16 megapixels vastleggen. Er zit veel gesofisticeerde software en wiskunde in het halen van de data uit die componenten. Decennia van verfijning maken de software en algoritmes gesofisticerder. Toch houdt hij vol dat de systemen in essentie... simpel zijn. "Een gestructureerd licht systeem is basically twee camera's en een projector," zei hij, met een computer en software.

De algemene consumentenmarkt drijft de kosten- en kwaliteitscurve in die componenten. Computing op dit niveau wordt bijna gratis. Massageproduceerde smartphones en consumenten-camera's betekenen dat digitale camera's en lichtbronnen snel vorderen.

"De functionele componenten, de echte componenten van het bouwen van een gestructureerde licht sensor worden veel meer betaalbaar," zei Green. "Dus je ziet een neerwaartse shift in de eigendomskosten voor die soort hoge-kwaliteit gestructureerde licht naarmate de componenten erin meer beschikbaar en goedkoop worden."

Eenmaal de hardwarekosten gedreven zijn, zei hij, zal de prijsdruk op de bijbehorende software toenemen. Met dalende totale eigendomskosten, opent dat het gebruik van de nu goedkope gestructureerde licht systemen in toegewijde toepassingen, volgens Green. Denk aan het meten van gap-and-flush in automotive body-in-white of 100 procent inspectie van individuele kenmerken in een bewerkingscel door individuele sensoren.

"Voor de juiste applicaties, zullen we veel slimmere sensoren hebben die veel dichter bij de productieplaats zijn," zei hij. "De rol in desktop software voor die applicaties zal veel meer zijn als een informatie-aggregator."