Groot, grootmoedig, snel: Geavanceerde optische metrologie voor grootschalige industrieën

Geschreven door Cliff Bliss, 3D Optical Sensor Commercial Operations Manager bij Hexagon Manufacturing Intelligence

Stap in de optische metrologie wereld en één ding is duidelijk. Deze levendige bedrijfstak blijft innoveren met nieuwe ontwerpen van portable coordinate measuring machines (PCMMs) voor de inspectie van grote componenten en vastzettingsgereedschappen. Grootschalige fabrikanten zijn nog steeds op zoek naar geactualiseerde optische methoden om in situ 3D meting over grote oppervlaktegebieden aan te pakken zoals in luchtvaart, scheepsbouw, automotive en andere industrieën. De behoefte om oppervlakken in detail te analyseren drijft de trend voor betere optische meettools die grotere datasets leveren, in tegenstelling tot de oude check fixtures met harde meetgereedschappen.

Nieuwe camera-gebaseerde optische fotogrammetrie systemen introduceren nieuwe ontwerpen die grote afwijkingen zijn van oudere versies van de traditionele optische toolsets. Aangezien deze systemen gebruikt worden in harde industriële omgevingen of in afgelegen buitenomstandigheden, leggen ingenieurs een speciaal ontwerpfocus op de robuustheid en weerstand van deze systemen tegen de impact van mechanische stress zoals trillingen of schokken. Tijdens de onderzoek- en ontwikkelingsfase wordt uitgebreide testing gebruikt om systeem nauwkeurigheid over een heel meetvolume te controleren. Nieuwere systemen sluiten twee high-performance camera's in een robuuste behuizing in, wat inspectie, tracking en positionering zelfs in ruwe productieomgevingen met stof en trillingen toestaat.

Nieuwe ontwerpen, snelle rendementen

Moderne optische systemen gebaseerd op fotogrammetrie komen in veel verschillende configuraties. Een nieuwer ontwerp zal twee high-resolution, 8-megapixel digitale camera's in een gesloten camera-balk bevatten. Deze geïntegreerde digitale camera's zijn in staat om snel elk type target geplaatst op het te meten onderdeel of op een handgehouden tastapparaat vast te leggen. De gegenereerde afbeeldingen worden automatisch verwerkt en 3D coördinaten data wordt in real-time berekend. Issues zoals trilling, ruis en positieveranderingen die metrologen jarenlang hebben geplaagd, zijn niet meer problematisch. Er zijn optische systemen op de markt die een nieuwe technologie bieden genaamd dynamische referentie, wat het systeem in staat stelt om deze omgevingsstoringen automatisch te detecteren en te compenseren door optische tracking. Deze functionaliteit garandeert constante processtabiliteit, zelfs als het systeem tijdens een meetsessie verplaatst wordt.

Meer vooruitgang

De technologische naald is ook vooruitgeschoven in termen van nauwkeurigheid. Er zijn optische metingssystemen op de markt nu die objecten tot vijf meter in volume kunnen meten met een nauwkeurigheidsbereik van 40 tot 80 micron. Een nieuwe mogelijkheid voor camera-gebaseerde oplossingen is de capaciteit om meerdere punten simultaan vast te leggen, en hun gebruik uit te breiden naar belastingstests en vermoeidingstests in laboratoriuminstellingen, alsmede andere statische en dynamische toepassingen. Combineer deze vooruitgang met dynamische referentie, en de gebruiker heeft nu een toolset dat geometrische condities met precisie kan detecteren, en gebruikt kan worden in een high-activiteit industriële setting met minimale of geen downtime.

Snel werk maken

Elke technicus die ooit geprobeerd heeft een component snel en nauwkeurig te aligneren kan de complexiteit van de taak appreciëren. Een goed voorbeeld is het positioneren van een autodeur in een zijpaneel. Dit is geen makkelijke klus, maar een onderneming waar autofabrikanten elke dag in het prototyperingsproces mee worstelen. Elke keer dat een schroef aan de ene kant van de deur aangepast wordt, en daarna gecontroleerd aan de andere kant, is het vervormd. Deze oefening kan een langdurig, tedereus proces zijn, normaal duurt tot 30 minuten om een deur te aligneren op basis van zijn CAD-data en pasvorm. Dit scenario veronderstelt ook dat niets tijdens de procedure aangeraakt wordt.

Dus komt het camera-gebaseerde optische tracking systeem. Deze fotogrammetrie oplossingen zijn intrinsiek gemakkelijk in te stellen, op dezelfde manier als een fotograaf hun gear voor een fotoshoot instelt. Een enkele operator monteert een camerabalk op een statief en is klaar om te gaan. Rollen kunnen ook aan het statief bevestigd worden voor gemakkelijkere beweging over de werkvloer. Het fotogrammetrie systeem wordt in de beste positie voor line-of-sight meting geplaatst, en de sensor georiënteerd naar het te meten object. Het hele setup-proces is in minuten voltooid. Nieuwe systemen incorporeren sensoren die temperatuurgecontroleerd zijn, wat betekent dat de sensor zijn eigen thermische stabiliteit kan regelen.

Nu terug naar de taak van het positioneren van de autodeur in het zijpaneel met een optische techniek. Eerst zou een operator de deur signaleren met een paar eenvoudige targets. Vervolgens zouden kritieke kenmerken van de deur vastgelegd worden met een handgehouden tastapparaat voor de pre-aligneringsprocedure. Hetzelfde proces zou op het zijpaneel toegepast worden. Beide componenten zijn nu vastgelegd in hun respectieve coördinatensysteem.

De camera-gebaseerde technologie stelt simultane meting van meerdere punten op die componenten in staat en volgt 6DoF lichamen dynamisch. Meetsoftware toont de voortgang van het aligneringsproces in real-time met het gebruik van visuele afwijkingsvlaggen op het computerscherm voor begeleiding. De operator kan de data gebruiken om een schroef te draaien en aan te passen, dan te verifiëren wanneer de getargete positie bereikt is. Kortom, de afwijkingsvlaggen fungeren als indicatoren voor snelle alignering van de componenten binnen een paar minuten.

Harde omgeving, geen probleem

Een klassieke overweging van elke metrologist is of een industriële omgeving stabiel genoeg is voor meting. Gebaseerd op de grootte van het object of de assemblage, is een andere zorgen of het metrologie systeem tijdens een sessie verplaatst moet worden. Die twee aanhoudende issues zijn aangepakt met dynamische referentie, zoals eerder besproken. Met behulp van targets op het zijpaneel van de auto als referentiepunten, kan een fotogrammetrie systeem compenseren voor beweging van de sensor. Dezelfde technologie kan ook compenseren voor het meten van een object in een gebied waar trilling of andere factoren bijdragen aan een onstabiele omgeving.

Omdat de line-of-sight gebieden van het object of de assemblage simultaan gemeten worden, is elke opname direct getransformeerd in een globaal coördinatensysteem. Metingen worden betrouwbaar genomen, zelfs als een werknemer het deel aanraakt of een fixture schudt. Geen handmatige realignment is nodig aangezien het fotogrammetrische systeem online blijft en doorgaat met data verwerven terwijl dagelijkse werkplekactiviteiten plaatsvinden tijdens de sessie.

De opkomende alternatief

De aanbieders van optische metrologie oplossingen volgen zeker de hoofdtrajecten in de industrie: makkelijkere bediening van de hardware, slimme software, en snellere data-acquisitie. Deze kenmerken, gecombineerd met betrouwbare en stabiele meetresultaten van nieuwere camera-gebaseerde PCMM's, bieden een alternatief voor traditionele meetgereedschappen of tastvoel-only oplossingen. Naast precisie-inspectie, kunnen deze systemen ook monitoren en assemblageprocessen vereenvoudigen, en een operator helpen door positionering en aligneringswerk met directe feedback. Naast het versnellen van het meetproces, opereren de hedendaagse camera-gebaseerde optische systemen significant sneller in veel andere statische en dynamische toepassingen, wat resulteert in tijdsbesparing en kostenvoordelen voor wie in het nieuwe paradigmataapt.

Eerder gepubliceerd in Quality Magazine.