Optische Messtechnik

Mit dem Einsatz optischer Messtechnik im Speziellen der 3D-Digitalisierung mittels Streifenlichtprojektion lassen sich Objektoberflächen vollflächig erfassen. Anwendung findet die optische Messtechnik beispielsweise bei der Betreibung des klassischen Soll-Ist-Vergleichs, bei der Beschleunigung des Formfindungsprozesses bei der Erfassung von Designmustern oder bei der Flächenrückführung zur digitalen Darstellung als CAD-File bei „alten“ Bauteile, wozu keine CAD-Daten (mehr) existieren. Durch das berührungslose Antasten können auch leicht verformbare Materialien (z.B. geschäumte Objekte) vermessen werden, die konventionell über KMG´s nicht prozesssicher messbar sind.

Funktionsweise des Streifenprojektionsverfahrens

Eine Projektionseinheit projiziert ein Streifenmuster, welches über ein spezielles Verfahren codiert ist, auf das zu messende Objekt. Durch die Topographie des Objekts werden die Streifen deformiert bzw. abgelenkt und machen so die Oberfläche des Objekts für die Kamerasysteme (eine oder mehrere Kameras), die den zweiten, wesentlichen Part eines Streifenlichtscanners darstellen, in 3D erkennbar. Um die einzelne 3D Punktkoordinate berechnen zu können, wird aus jedem Kamerapixel heraus über Strahlverschneidung ( Projektor – Kamera(s) ) und die Codierung eine Triangulationsberechnung (Beziehungen im rechtwinkligen Dreieck) durchgeführt.

Die Praxis für den Anwender

Optische Messtechnik mit Hilfe der Streifenlichtprojektion und/oder eines handgeführten Laserscanners

Der Ansatz beim optischen Messen ist im Vergleich zur taktilen Messtechnik ein anderer:

Zuerst werden alle Bereiche, die vermessen werden sollen, gescannt, im Idealfall das gesamte Objekt. Dafür werden, vergleichbar eines Panoramafotos, die einzelnen Bildaufnahmen über sogenannte Überlappbereiche (in beiden Bildern erfasste, markante Regionen) aneinander gereiht. Diesen Vorgang nennt man „Matchen“. Die Einzelscans können auch über aufgeklebte Marken (Punkte) gematched werden. Dies hängt von der vorliegenden Applikation und vom System ab. Manche Systeme benötigen zwingend immer Marken für das richtige Matching, andere nicht. Wenn alle zu prüfenden Regionen erfasst sind, wird die so erzeugte Punktewolke zum sogenannten Dreiecksnetz (STL oder Mesh) gerechnet. Dieses Format ist das einfachste Flächenformat, ist aber nicht zu verwechseln mit einem modellierten CAD-Datensatz, der parametrisiert ist. Dieses STL-Modell kann dann im Folgenden für den Soll-Ist-Vergleich über das CAD-File herangezogen werden.

Die Vorteile dieser Art der 3D Messtechnik:

1. Schnelle, gesamtheitliche Objekt- bzw. Prozessbewertung
2. Messtechnische Information auch in bisher nicht geprüften Bereichen
3. Nachträgliche, zusätzliche Auswertungen sind einfach möglich
4. Automation in verschiedenen Stufen möglich
5. Raumunabhängiges Messen ohne teure Aufspannsysteme

Schnelligkeit der Messergebnisse

Dank der heute verfügbaren, sehr leistungsfähigen Rechner ist die Scandatenerfassung meist sehr schnell abgeschlossen. Die Scanzeit an sich hängt stark vom Objekt und davon ab, welche Features auf dem Objekt hinterher ausgewertet werden sollen.

Qualität und Genauigkeit der optischen Messsysteme

Die Ergebnisse aus hochklassigen Digitalisiersystemen sind mittlerweile mit konventionellen KMG’s durchaus vergleichbar. Digitalisiersysteme stellen daher eine ideale Ergänzung zu den klassischen, taktilen Messmaschinen dar.

Einsatzmöglichkeiten optischer Messtechnik

Überblick über mögliche Einsatzgebiete:

1. Qualitätsprüfung / Inspektion

• Soll-/Ist-Vergleich der Messdaten zum CAD-Datensatz
• Bemaßung- und Berandungsmessung (z.B. bei der Bleichteilvermessung)
• Serienprüfung in der Fertigung (manuell/automatisiert)

1. Werkzeug- und Formenbau

• Werkzeugrekonstruktion
• Scandatenerzeugung zur Generierung von Fräsbahnen
• Ist-Standerfassung nach Werkzeugfreigabe
• Verschleißprüfung nach „X“ Zyklen

1. Design

• Scannen von Designmodellen im Formfindungsprozess als Schnittstelle ins CAD
• Erzeugen von Fräsbahnen zur Erzeugung von z.B. skalierten Modellen
• Dokumentation der Designsteps

1. Rapid Manufacturing

• Erfassung von 3D-Daten für Rapid-Prototyping Verfahren
• Soll-Ist-Vergleiche

1. Reverese Engineering

• Generierung von CAD-Datensätzen aus gescannten STL-Modellen

1. Sonstige Anwendungen

• Erfassung kunsthistorischer Gegenstände
• Archäologie
• Medizintechnische Anwendungen z.B. Hautscanning

Die Limits der Systeme und deren Umgehung

Die Streifenprojektion ist ein kontrastbasiertes Messverfahren. Damit dieses Prinzip funktioniert, ist es Voraussetzung, dass die Oberfläche des zu messenden Objekts „kooperativ“ ist. Das heißt, das Streifenmuster muss auf der Oberfläche abgebildet werden können und für die Kamera(s) auch sichtbar sein (heller Streifen-dunkler Streifen-usw.). Im Grenzbereich bewegt man sich immer dann, wenn dies aufgrund der Objektoberfläche nicht mehr gegeben ist, z.B. bei spiegelnden (polierter Stahl) oder transparenten Oberflächen (Glas).

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