Optische (groot, vet, snel) metrologie

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

Stap in de wereld van optische metrologie en één ding is duidelijk. Deze levendige bedrijfssector blijft innoveren met nieuwe ontwerpen van draagbare coördinatenmeetmachines (PCMM's) voor de inspectie van grote componenten en armaturen. Grootschalige fabrikanten zijn nog steeds op zoek naar bijgewerkte optische methoden om in-situ 3D-metingen aan te pakken over grote oppervlakten in de lucht- en ruimtevaart, de scheepsbouw, de auto-industrie en andere industrieën. De noodzaak om oppervlakken zorgvuldig in detail te analyseren, drijft de trend naar betere optische meetinstrumenten die grotere datasets bieden, in tegenstelling tot de ouderwetse controle-armaturen met harde meetinstrumenten.

Nieuwe op camera's gebaseerde optische fotogrammetriesystemen introduceren nieuwe ontwerpen die sterk afwijken van oudere versies van de traditionele optische toolsets. Omdat deze systemen worden gebruikt in ruwe industriële omgevingen of in afgelegen buitenomgevingen, leggen ingenieurs een speciale focus bij het ontwerp op de robuustheid en weerstand van deze systemen tegen de impact van mechanische belasting zoals trillingen of schokken. Tijdens de onderzoeks- en ontwikkelingsfase wordt langdurig testen gebruikt om de systeemnauwkeurigheid over een volledig meetvolume te controleren. Nieuwere systemen bevatten twee hoogwaardige camera's in een robuuste behuizing, waardoor inspectie, tracking en positionering mogelijk is, zelfs in ruwe productieomgevingen met stof en trillingen.

Nieuwe ontwerpen, snelle retouren

Moderne optische systemen op basis van fotogrammetrie zijn er in veel verschillende configuraties. Een nieuwer ontwerp zal twee hoge resolutie, 8-megapixel digitale camera's bevatten in een gesloten camerastraal. Deze geïntegreerde digitale camera's zijn in staat om snel elk type doel vast te leggen dat op het te meten onderdeel of op een handheld sondeerapparaat is geplaatst. De gegenereerde afbeeldingen worden automatisch verwerkt en 3D-coördinaatgegevens worden in realtime berekend. Kwesties als trillingen, geluid en positieveranderingen waar metrologen al jaren last van hebben, zijn niet langer problematisch. Er zijn optische systemen op de markt die een nieuwe technologie bieden, dynamische referentie genoemd, waarmee het systeem deze omgevingsstoringen automatisch kan detecteren en compenseren door optische tracking. Deze functionaliteit garandeert een constante processtabiliteit, zelfs als het systeem tijdens een meetsessie wordt verplaatst.

Meer voorschotten

De technologienaald is ook vooruitgegaan in termen van nauwkeurigheid. Er zijn nu optische meetsystemen op de markt die objecten tot vijf meter in volume kunnen meten met een nauwkeurigheidsbereik van 40 tot 80 micron. Een nieuwe mogelijkheid voor op camera's gebaseerde oplossingen is de mogelijkheid om meerdere punten tegelijkertijd vast te leggen en hun gebruik uit te breiden naar belastingstests en vermoeidheidstests in laboratoriumomgevingen, evenals andere statische en dynamische toepassingen. Combineer deze verbeteringen met dynamische referenties en de gebruiker heeft nu een toolset die geometrische omstandigheden met precisie kan detecteren en kan worden gebruikt in een industriële omgeving met hoge activiteit met minimale of geen downtime.

Snel werken

Elke technicus die ooit heeft geprobeerd een onderdeel snel en nauwkeurig uit te lijnen, kan de complexiteit van de taak waarderen. Een goed voorbeeld is het plaatsen van een autodeur in een zijpaneel. Dit is geen gemakkelijke klus, maar een onderneming waar autofabrikanten elke dag mee worstelen in het prototypingproces. Elke keer dat een schroef aan de ene kant van de deur wordt afgesteld en vervolgens aan de andere kant wordt gecontroleerd, is deze kromgetrokken. Deze oefening kan een langdurig, vervelend proces zijn, waarbij het normaal gesproken tot 30 minuten kan duren om een ​​deur uit te lijnen op basis van de CAD-gegevens en pasvorm. Dit scenario veronderstelt ook dat niemand iets aanraakt tijdens de procedure.

Zo komt het op camera's gebaseerde optische volgsysteem binnen. Deze fotogrammetrie-oplossingen zijn intrinsiek eenvoudig in te stellen, op dezelfde manier waarop een fotograaf zijn uitrusting instelt voor een fotoshoot. Een enkele operator monteert een camerabalk op een statief en is klaar om te gaan. Er kunnen ook rollen aan het statief worden bevestigd om gemakkelijker over de winkelvloer te kunnen bewegen. Het fotogrammetriesysteem wordt in de beste positie geplaatst voor meting van de zichtlijn en de sensor is gericht op het te meten object. Het hele installatieproces is binnen enkele minuten voltooid. Nieuwe systemen bevatten sensoren die temperatuurgestuurd zijn, wat betekent dat de sensor zijn eigen thermische stabiliteit kan regelen.

Nu terug naar de taak om de autodeur met optische techniek in het zijpaneel te positioneren. Ten eerste zou een operator de deur signaleren met enkele eenvoudige doelen. Vervolgens zouden kritische kenmerken van de deur worden vastgelegd met behulp van een handsonde voor de pre-uitlijningsprocedure. Hetzelfde proces zou worden toegepast op het zijpaneel. Beide componenten worden nu vastgelegd in hun respectievelijke coördinatensysteem.

De op camera's gebaseerde technologie maakt gelijktijdige meting van meerdere punten op die componenten mogelijk en volgt ook dynamisch 6DoF-lichamen. Meetsoftware toont de voortgang van het uitlijningsproces in realtime met behulp van visuele afwijkingsvlaggen op het computerscherm voor begeleiding. De operator kan de gegevens gebruiken om een ​​schroef te draaien en af ​​te stellen en vervolgens te controleren wanneer de beoogde positie is bereikt. Kortom, de afwijkingsvlaggen fungeren als indicatoren voor een snelle uitlijning van de componenten binnen enkele minuten.

Harde omgeving, geen probleem

Een klassieke overweging van elke metroloog is of een industriële omgeving stabiel genoeg is voor metingen. Op basis van de grootte van het object of samenstel is een andere zorg of het metrologiesysteem tijdens een sessie moet worden verplaatst. Die twee slepende problemen zijn aangepakt met dynamische verwijzingen, zoals eerder besproken. Door doelen op het zijpaneel van de auto als referentiepunten te gebruiken, kan een fotogrammetriesysteem de beweging van de sensor compenseren. Dezelfde technologie kan ook compenseren voor het meten van een object in een gebied waar trillingen of andere factoren zijn die bijdragen aan een onstabiele omgeving.

Omdat de zichtlijnen van het object of de assemblage gelijktijdig worden gemeten, wordt elke opname direct omgezet in een globaal coördinatensysteem. Metingen worden betrouwbaar uitgevoerd, zelfs als een arbeider het onderdeel aanraakt of een armatuur schudt. Er is geen handmatige herschikking nodig omdat het fotogrammetrische systeem online blijft en gegevens blijft verzamelen terwijl de dagelijkse werkzaamheden op de werkplek tijdens de sessie plaatsvinden.

Het opkomende alternatief 

De aanbieders van optische metrologieoplossingen volgen zeker de belangrijkste trends in de branche:eenvoudigere bediening van de hardware, slimmere software en snellere data-acquisitie. Deze functies, in combinatie met betrouwbare en stabiele meetresultaten van nieuwere op camera's gebaseerde PCMM's, bieden een alternatief voor traditionele meetinstrumenten of oplossingen met alleen aanraaksensoren. Naast precisie-inspectie kunnen deze systemen ook assemblageprocessen bewaken en vereenvoudigen, en een operator helpen bij het positioneren en uitlijnen met onmiddellijke feedback. Afgezien van het versnellen van het meetproces, werken de huidige op camera's gebaseerde optische systemen aanzienlijk sneller in veel andere statische en dynamische toepassingen, wat resulteert in tijdbesparingen en kostenvoordelen voor degenen die gebruik maken van het nieuwe paradigma.

Eerder verschenen in Quality Magazine.