Fraunhofer-Interview zur Zukunft optischer 3D-Messtechnik und -Objekterkennung

3D-Technik auf dem Vormarsch

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Welche Sensor- und Messprinzipien bieten sich überhaupt für welche konkreten Anwendungsfälle an und welche Auswahlkriterien sind hier maßgebend? Diese Frage beantwortet im Rahmen des Trendteils „Data & Communication“ der Fraunhofer-Experte Dr.-Ing. Dirk Berndt, der zudem – quasi als Blick in die Zukunft – auf aktuelle Entwicklungsdefizite bzw. Praxisanforderungen eingeht.

elektro Automation: Sehen Sie in der Praxis eine vermehrte Akzeptanz optischer 3D-Sensoren und für welche Anwendun-gen eignen diese sich besonders?

Berndt: Die Fraunhofer-Allianz Vision, in welcher ich als Koordinationsrat tätig bin, hat im Frühjahr 2010 die Marktstudie „3D-Messtechnik in der deutschen Automobil- und Zulieferindustrie“ veröffentlicht. Ungefähr 85 % der befragten Unternehmen setzen 3D-Messtechnik ein. Dabei kommen in rd. 40 % der Anwendungen berührungslos messende, optische Messverfahren bzw. eine Kombination aus taktil und optisch messenden Verfahren zu Einsatz. Vergleicht man diese Zahlen mit denen, die wir mit einer vergleichbaren Marktstudie im Jahr 2004 ermittelt haben, so ist festzustellen, dass der Einsatz von 3D-Messtechnik, insbesondere aber auch der Einsatz optischer 3D-Sensoren stark zugenommen hat. Das spricht für eine zunehmende Akzeptanz optischer 3D-Sensoren, die u.a. auch durch Standardisierungsbestrebungen bei der Erstellung von Richtlinien zur Abnahme und Überwachung von optischen 3D-Messsystemen und Betrachtungen zur Messunsicherheit im VDI-Fachausschuss 3.32 befördert wurde. Die optischen 3D-Sensoren werden aktuell besonders für Aufgaben in der Produktentwicklung, z.B. für das Digitalisieren von Prototypen, und in der Qualitätssicherung eingesetzt. Zukünftiges Potenzial sehe ich insbesondere für In-Line-Messaufgaben, um Maschinen und Fertigungsprozesse frühzeitig auf sich ändernde Rahmenbedingungen anpassen zu können, sowie für Assistenzsysteme in der Produktion.
elektro Automation: Welche Sensor- bzw. Messprinzipien bieten aus Ihrer Sicht im industriellen Produktionsumfeld die größten Vorteile?
Berndt: Die Beantwortung der Frage hängt im starken Maße von der Aufgabenstel- lung ab, also davon, welche geometrischen Merkmale zu erfassen sind, welche Abmessungen das Messobjekt hat, wie groß die zulässige Merkmalstoleranz ist und welche optischen Eigenschaften – z.B. Rauheit, Farbe und Transparenz – das zu messende Bauteil besitzt. Sie sehen, es ist ein umfangreiches Fachwissen erforderlich, um das geeignete Sensor- bzw. Messprinzip für die jeweilige industrielle Aufgabenstellung auszuwählen. Die größten Vorteile bieten all jene Messprinzipien, die einerseits die messtechnischen Anforderungen, wie Messbe-reich, Messunsicherheit und Messzeit, erfüllen und andererseits im industriellen Umfeld robust und zuverlässig arbeiten. Hier haben sich hauptsächlich die Verfahren der Laufzeitmessung und der Triangulation bewährt. Für beide Verfahren wird als Messsignal die Laserstrahlung benutzt, sodass sehr robuste Messanwendungen in industriellen Umgebungen möglich sind.
elektro Automation: Welche Kriterien müssen aus Applikationssicht bei der Sensorauswahl beachtet werden?
Berndt: Optische 3D-Sensoren messen primär zunächst Abstände zwischen Sensor und Messobjekt. Erst durch eine geeignete räumliche Konstellation von einem oder mehreren Sensoren relativ zum Messobjekt lassen sich mehr oder weniger komplexe Geometriemerkmale erfassen. Ein erstes wichtiges Kriterium bei der Sensorauswahl ist also zunächst der Abstand zwischen Sensor und Messobjekt. Sensoren nach dem Messprinzip der Triangulation eignen sich eher für kurze Entfernungen – also einige Millimeter bis Meter –, während Sensoren nach dem Messprinzip der Laufzeitmessung eher für große Entfernungen geeignet sind. Ein weiteres wichtiges Entscheidungskriterium ist die Art und Ausprägung sowie die Zugänglichkeit des zu erfassenden Geometriemerkmals, d.h. also, ob z.B. eine Freiformfläche zu messen ist, um eine Formabweichung zu bestimmen, oder die Tiefe einer Kavität erfasst werden soll. Wurde – unter Beachtung der zuvor genannten Kriterien – ein geeigneter Sensor ausgewählt, ist abhängig von der zulässigen Merkmalstoleranz des zu messenden Geometriemerkmals zu prüfen, welche Messunsicherheit der ausgewählte Sensor hat. Dabei sind weitere Einflussfaktoren auf die Gesamt-Messunsicherheit, wie Temperatur, Vibrationen und die Positionierunsicherheit bei bewegten Sensoren zu berücksichtigen.
elektro Automation: In welcher Hinsicht bestehen heute noch Entwicklungsdefizite bei optischen 3D-Sensoren bzw. Hemmnisse für den praktischen Einsatz?
Berndt: Optische 3D-Sensoren müssen inlinefähig sein, damit Prozessabweichungen frühzeitig zu erkennen sind. Dazu ist eine enge interdisziplinäre Zusammenarbeit von Herstellern von Maschinen und Anlagen mit Spezialisten der optischen Fertigungsmesstechnik erforderlich. Für einen robusten und zuverlässigen praktischen Einsatz, müssen die 3D-Sensoren adaptiv auf sich verändernde Um- gebungsbedingungen – wie Temperatur, Schwingungen oder optische Eigenschaften der Messobjekte – reagieren können. Lösungen der optischen dimensionellen 3D-Ferti-gungsmesstechnik, die optische 3D-Sensoren nutzen, müssen einfach rekonfigurierbar sein, um sie zukünftig flexibleren Produktionssystemen – bei zunehmend geringeren Losgrößen in der Fertigung – anzupassen. Dazu sind geeignete und benutzerfreundliche Verfahren und Werkzeuge zu entwickeln, die eine Messmittelfähigkeit stets sicherstellen. Zukunftsorientierte Lösungen erfordern eine vollautomatische und sehr schnelle Datenverarbeitung der erfassten Geometriedaten.
zg

der experte
Dr.-Ing. Dirk Berndt, Geschäftsfeldleiter Mess- und Prüftechnik an Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung (IFF; www.mpt.iff.fraunhofer.de) in Magdeburg sowie Mitglied des Koordinationsrates der Fraunhofer Allianz Vision ( www.vision.fraunhofer.de) in Erlangen

INFO-TIPP
Nähere Informationen zu der im Interview erwähnten Marktstudie „3D-Messtechnik in der deutschen Automobil- und Zulieferindustrie“ sowie Links zum Bestellformular und zum pdf-Download bietet die folgende Website:
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