Hoe een boost van 20 dB in dynamisch bereik industrieel 3D-scannen transformeert

Normaal gesproken geldt:hoe verder u scant, hoe vager het wordt.

Industrieel 3D-scannen stuit op een muur:u kunt nauwkeurig scannen of ver scannen. De PhoXi 3D Scanner Gen3 doorbreekt deze beperking echter dankzij een overvloed aan verbeteringen, zoals blauwe lasertechnologie of een groter dynamisch bereik.

Dankzij de nieuwste verbeteringen kunt u nu het laden van vrachtwagens, diep palletiseren en grootschalige assemblage automatiseren. 

Maar wat is eigenlijk het dynamisch bereik? 

Wat is dynamisch bereik bij 3D-scannen

Dynamisch bereik bij 3D-scannen vertegenwoordigt de verhouding tussen de sterkste en zwakste lichtsignalen die een sensor effectief kan opvangen en verwerken. 

Gemeten in decibel (dB) bepaalt deze specificatie rechtstreeks het vermogen van een scanner om betekenisvolle 3D-gegevens uit uitdagende scènes te extraheren, vooral op grotere afstanden.

In 3D-scanapparaten met gestructureerd licht, zoals de PhoXi 3D-scanner, creëert een laserprojector patronen op doelobjecten, terwijl camera's het gereflecteerde licht opvangen om 3D-coördinaten te berekenen. 

De uitdaging ligt in de natuurkunde. Naarmate de afstand groter wordt, verspreidt het geprojecteerde licht zich en verzwakt het volgens de omgekeerde kwadratenwet, terwijl gereflecteerde signalen steeds zwakker worden.

Objecten van diverse materialen en texturen, kleurrijke puntenwolk Objecten van diverse materialen en texturen, normalen

Het afstandsprobleem

De fundamentele fysica die 3D-scannen op grote afstand tegengaat, zijn onder meer:

• Signaalverslechtering: De lichtintensiteit neemt af met het kwadraat van de afstand.
• Geluidsinterferentie: Omgevingslichtbronnen concurreren met de gestructureerde lichtpatronen.
• Blootstellingsuitdagingen: Voorwerpen op afstand vereisen langere belichtingen, waardoor het risico op bewegingsonscherpte toeneemt.
• Afname signaal-ruisverhouding: Zwakke signalen gaan verloren in achtergrondgeluid.

Dit creëert wat ingenieurs het ‘overbelichting versus onderbelichtingsdilemma’ noemen:instellingen die verre objecten vastleggen, oververzadigen vaak nabijgelegen oppervlakken, terwijl instellingen die zijn geoptimaliseerd voor nabije objecten er niet in slagen verre kenmerken te detecteren.

Hoe PhoXi 3D Scanner Gen3 een verbeterd dynamisch bereik bereikt

De PhoXi 3D Scanner Gen3 bereikt een verbetering in de uitbreiding van het dynamisch bereik door middel van een uit meerdere componenten bestaande technische aanpak die elk aspect van de signaalvangst- en verwerkingsketen aanpakt.

Technische aanpak met meerdere componenten

1. Blauwe laserprojectietechnologie

De overgang van rode naar blauwe laserprojectie levert meerdere op fysica gebaseerde voordelen op:

• Voordelen van kortere golflengte: Blauw laserlicht heeft een kortere golflengte dan rood, waardoor er minder ruis ontstaat door fijnere spikkelstructuren en spectrale ruispatronen die de vastgelegde gegevens minder verstoren.
• Verbeterde verstrooiing: Kortere golflengten verspreiden zich effectiever op een grotere verscheidenheid aan oppervlakken, waardoor de leesbaarheid van patronen op diverse materialen wordt verbeterd
• 50% projectie-energieboost: De opnieuw ontworpen generatie met blauwe laserprojectie-eenheid levert 50% meer lichtenergie binnen dezelfde laserveiligheidsklasse, waardoor de signaalsterkte op afstand wordt verbeterd

Het gestructureerde lichtpatroon van Blue Laser

2. Geavanceerde 5,1 MP-sensortechnologie

De nieuwe sensorarchitectuur bevat verschillende kritische verbeteringen:

• Verbeterde gevoeligheid: Betere signaalopnamecapaciteit voor zwakke reflecties van verre objecten
• Verbeterde signaal-ruisverhouding: Geavanceerd pixelontwerp vermindert ruisinterferentie
• Vergroot dynamisch bereik: Ondersteuning op hardwareniveau voor het verwerken van signalen over een veel breder intensiteitsbereik

3. Verwerking met hoog dynamisch bereik

Geavanceerde algoritmen die rechtstreeks in het apparaat zijn ingebouwd, bieden:

• Realtime HDR-verwerking: Geavanceerde software en verwerking op sensorniveau die extreme signaalvariaties verwerkt
• HDR met meerdere belichtingen: Eén enkel gedetailleerd beeld voor complexe scènes met gemengde afstanden.
• Ruisonderdrukking: Geavanceerde filtertechnieken die zwakke signalen behouden en interferentie elimineren

4. Geoptimaliseerd optisch systeem

Volledig herontwerp van optische componenten omvat:

• Verbeterde lenzen: Verbeterde efficiëntie van de lichtverzameling en betere focus over een groter bereik
• Geavanceerde optische filters: Geoptimaliseerde filtering voor blauwe lasergolflengten en onderdrukking van omgevingslicht
• Betere lichttransmissie: Verminderde optische verliezen over het gehele lichtpad

Prestaties in de echte wereld:tot meer dan 6 meter afstand

De vorige generatie PhoXi 3D-scanner heeft industriële benchmarks gevestigd met betrouwbaar scannen tot meer dan 4 meter. 

De Gen3 breidt deze mogelijkheid uit tot meer dan 6 meter met experimentele demonstraties die enkele tientallen meters bereiken wanneer de scanvolumes worden geopend.

Vraagt u zich af hoe u het scanvolume opent? Hier is de korte handleiding van Tomas Michalik:

Experimentele resultaten

Het openen van het scanvolume is niet alleen een theoretisch concept. We hebben al toepassingen in de echte wereld gedemonstreerd met deze techniek: 

• 17 meter trailerscannen: Geautomatiseerde vrachtwagenlaadsystemen detecteren met succes vreemde voorwerpen over de volledige lengte van transporttrailers
• Dieppalletiseerwerkzaamheden: Systemen die werken vanaf een hoogte van 5,2 meter en tegelijkertijd de precisie behouden voor stapels van 2,6 meter hoog
• Toepassingen met groot gezichtsveld: Oplossingen met één sensor ter vervanging van complexe configuraties met meerdere sensoren

3D-scan van een vrachtwagen vanaf een afstand van 16 meter

Hoe kan uw toepassing profiteren van een groter dynamisch bereik

1. Vereenvoudigde systeemarchitectuur

Traditionele benadering met meerdere sensoren:

• Meerdere 3D-scanners die nauwkeurige kalibratie vereisen
• Complexe algoritmen voor het samenvoegen van gegevens
• Toegenomen faalpunten en onderhoudsvereisten
• Hogere initiële kosten en complexiteit van de integratie

PhoXi Gen3 oplossing met één sensor:

• Volledige dekking met één apparaat
• Geëlimineerde kalibratiecomplexiteit tussen sensoren
• Verlaagde hardwarekosten en installatietijd
• Vereenvoudigde onderhoudsprocedures

2. Verbeterde applicatieflexibiliteit

Logistieke toepassingen:

• Geautomatiseerde inspectie van het laden van vrachtwagens: De mogelijkheid om het interieur van trailers van meer dan 17 meter te scannen maakt volledige detectie van vreemde voorwerpen mogelijk vóór het laden, waardoor de noodzaak voor meerdere sensoren of handmatige inspectieprocessen wordt geëlimineerd.
• Dieppalletiseersystemen: Sensoren die 5,2 meter boven de werkvloer zijn gemonteerd, kunnen collaboratieve robots nauwkeurig door complexe palletiseertaken op stapels van 2,6 meter leiden, waardoor volledig geautomatiseerde magazijnoperaties mogelijk worden.
• Behandeling van grote containers: KLT-manipulatiesystemen (bakken) profiteren van het scannen met een groter bereik van dunne randen, waardoor grote industriële robots meerdere lagen efficiënt kunnen verwerken met behoud van precisie.

Boodschappenmand met transparante materialen

Automobieltoepassingen:

• Hooggemonteerde opslag van bakken: Grote industriële robots kunnen nu met diepe bakken werken, terwijl sensoren veilige afstanden aanhouden, waardoor botsingsrisico's worden geëlimineerd en de operationele veiligheid wordt verbeterd.
• Detectie van zijpaneel: Volledige dekking van het gezichtsveld maakt lokalisatie van montagegaten en gelijktijdige inspectie mogelijk, waardoor complexe assemblageprocessen worden vereenvoudigd waarvoor voorheen meerdere zichtsystemen nodig waren.
• Onderdelen verzamelen na het stempelen: Sensoren kunnen op veilige afstand van stempelbewerkingen worden geplaatst, terwijl het gezichtsveld behouden blijft dat nodig is om verschillende onderdeelgeometrieën vanaf één stempellijn te verwerken.
• Inspectie van groot subframe: Giga Press en hypercast auto-onderdelen vereisen scannen vanuit meerdere perspectieven voor kwaliteitscontrole, braamdetectie en dimensionale verificatie – toepassingen die nu mogelijk worden gemaakt door uitgebreide mogelijkheden.

Voor meer informatie over de toepassing die onze 3D-sensoren in de auto-industrie bestrijken, kunt u het 3D Vision &AI Robotics-webinar bekijken dat we in samenwerking met inVISION Days hebben gedaan:

Klik om on demand te bekijken

3. Operationele voordelen

Het uitgebreide dynamische bereik vertaalt zich in aanzienlijke operationele verbeteringen:

• Flexibele sensorpositionering: Veiligheidsafstanden van robotsystemen brengen het scanvermogen niet langer in gevaar.
• Gemengde objectverwerking: Enkelvoudige systemen kunnen zowel kleine precisieonderdelen als grote samenstellingen verwerken.
• Verkorte cyclustijden: Het elimineren van de coördinatie tussen meerdere sensoren vermindert de scantijd.
• Verbeterde betrouwbaarheid: Minder systeemcomponenten betekenen minder potentiële storingspunten.

De natuurkunde achter de uitvoering

Laten we eens kijken hoe we dit kunnen bereiken. 

Signaalsterkte

De verbetering van het dynamisch bereik met 20 dB vertegenwoordigt een dramatische verbetering van de signaalverwerkingscapaciteit. 

In praktische termen vertaalt dit zich in ongeveer 100 keer verbetering in het vermogen van de sensor om nuttige signalen te onderscheiden van achtergrondgeluid.

Deze verbetering heeft directe gevolgen voor de praktijk:

• Afstandsmogelijkheden: Betrouwbaar scannen reikt van 4 meter tot 6+ meter
• Signaalrobuustheid: Behoud van precisie over het gehele uitgebreide bereik
• Veelzijdigheid van het materiaal: Verbeterde prestaties op uitdagende oppervlakken op afstand

Integratie van omgevingslichtonderdrukking

Het uitgebreide dynamische bereik werkt synergetisch met Photoneo's Ambient Light Suppression (ALS) 3.0-technologie. De combinatie maakt het volgende mogelijk:

• Scanmogelijkheden buitenshuis: Direct zonlicht staat betrouwbare 3D-gegevensregistratie niet langer in de weg
• Variabele verlichtingstolerantie: Systemen blijven presteren terwijl de omgevingsomstandigheden tijdens operationele perioden veranderen
• Flexibiliteit voor meerdere omgevingen: Afzonderlijke configuraties werken betrouwbaar in diverse verlichtingsscenario's

De technische implementatie maakt gebruik van slimme sensorbedieningstechnieken en verwerkingsalgoritmen om de invloed van omgevingslicht met verschillende ordes van grootte te elimineren.

Het schakelt effectief omgevingslichtinterferentie uit.

Buiten 3D-scan van dozen uitgevoerd in direct zonlicht – PhoXi 3D Scanner Gen3

Industriële toepassingen en gebruiksscenario's

Logistiek en opslag

• Trailerinspectiesystemen: Geautomatiseerde laadoperaties voor vrachtwagens vereisen verificatie dat de opleggers leeg zijn voordat het laden begint. Het vermogen van de PhoXi Gen3 om de volledige lengte van 17 meter aan transporttrailers te scannen, elimineert de noodzaak van meerdere sensoren of handmatige inspectieprocessen, waardoor de operationele efficiëntie aanzienlijk wordt verbeterd.
• Geavanceerde palletiseerbewerkingen: Diepe palletiseersystemen profiteren aanzienlijk van de uitgebreide mogelijkheden. Sensoren die 5,2 meter boven de werkzaamheden zijn gemonteerd, kunnen collaboratieve robots door complexe stapeloperaties leiden, terwijl de precisie behouden blijft die nodig is voor een stabiele palletconstructie.
• Pakketverwerking: Snelle dimensionerings- en defectdetectiesystemen bij logistieke operaties met grote volumes vereisen de flexibiliteit om pakketten van dramatisch verschillende afmetingen binnen hetzelfde scanvolume te verwerken. Een groter dynamisch bereik maakt oplossingen met één sensor mogelijk voor operaties van verschillende omvang.
• Gemengd palletiseren: Multi-perspectief scanvereisten bij gemengde palletiseerbewerkingen profiteren van de mogelijkheid om tegelijkertijd rode en blauwe sensoren te gebruiken, waardoor de scantijd met 50% wordt verminderd terwijl de volledige dekking behouden blijft.

Kleurrijke 3D-scan van heldere en donkere objecten tot een diepte van 6 meter, puntenwolk Normalen

Automobielproductie

• Deep Bin Picking: Grote industriële robots die met diepe bakken werken, hebben sensoren nodig die op veilige afstanden zijn geplaatst. Dankzij het uitgebreide bereik blijft de precisie en het volledige gezichtsveld behouden, zelfs wanneer sensoren ver boven het werkgebied zijn gemonteerd.
• Kwaliteitsinspectie van grote componenten: Giga Press en hypercast auto-onderdelen vertegenwoordigen een nieuwe klasse van productie-uitdagingen. Deze grote gietstukken uit één stuk vereisen een uitgebreide inspectie op bramen, maatnauwkeurigheid en oppervlaktekwaliteit. Multi-perspectief scannen met sensoren met groter bereik maakt volledige kwaliteitsverificatie mogelijk.
• Complexe onderdeellokalisatie: Detectie van zijpanelen en soortgelijke toepassingen vereisen vaak lokalisatie van specifieke kenmerken (montagegaten) terwijl de volledige geometrie van de componenten behouden blijft. Het grotere bereik en de verbeterde volledigheid maken een uitgebreid begrip mogelijk dat voorheen onmogelijk was met afzonderlijke sensoren.
• Montageverificatie: Grote automobielassemblages vereisen verificatiesystemen die volledige geometrische relaties kunnen vastleggen en tegelijkertijd een veilige afstand tot actieve productieapparatuur kunnen handhaven.

Opkomende toepassingen

• Inspectie van zonnepanelen: De combinatie van een groter dynamisch bereik en onderdrukking van omgevingslicht maakt inspectietoepassingen buitenshuis mogelijk die voorheen onmogelijk waren met gestructureerde lichtsystemen.
• Toepassingen in de spoorwegindustrie: Treinwielinspectie- en stroomafnemerbewakingssystemen profiteren van de mogelijkheid om veilige afstanden aan te houden en tegelijkertijd nauwkeurige geometrische gegevens vast te leggen.

Hoe implementatie werkt 

Eenvoudige integratiefuncties

De PhoXi Gen3 maakt uitgebreide bereikmogelijkheden toegankelijk via gebruiksvriendelijke interfaces:

Kalibratievolume-extensie met één klik: Met de functionaliteit “Open kalibratievolume” kunnen gebruikers het scanbereik met één enkele klik uitbreiden tot buiten de standaardparameters, toegankelijk via:

• PhoXi Control grafische gebruikersinterface
• API-integratie
• GigE Vision-protocollen

Flexibele configuratieopties: Meerdere resolutieopties zorgen ervoor dat bestaande gebruikers van vorige generaties kunnen upgraden met behoud van vertrouwde operationele parameters. Nieuwe installaties kunnen volledig profiteren van uitgebreide mogelijkheden.

Voordelen van systeemontwerp

Montageflexibiliteit: Mogelijkheid tot groter bereik biedt aanzienlijke flexibiliteit bij het positioneren van de sensor, waardoor:

• Veilige vrije ruimte rond robotsystemen
• Verminderde mechanische complexiteit in sensormontagesystemen
• Verbeterde toegankelijkheid voor onderhoud en service

Schaalbare architectuur: Systemen kunnen voor de meeste toepassingen worden geconfigureerd met enkele sensoren, terwijl configuraties met meerdere sensoren beschikbaar zijn voor de meest veeleisende scenario's. De rode en blauwe laseropties maken echt gelijktijdig scannen zonder interferentie mogelijk.