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Kleines Werkzeug mit großem Potential

Es gibt keinen Zweifel, dass Henry Ford die Fertigungsindustrie revolutioniert hat. War es doch die Ford Motor Company, die erstmalig Automobile in großen Mengen am Fließband hergestellt hat. Fast hundert Jahre nach dem ersten Modell T stehen die heutigen Automobilproduzenten noch immer Herausforderungen hinsichtlich Design und Produktion gegenüber.

Die Firma Perceptron (Plymouth, Michigan) hat die heutigen Erfordernisse der Fahrzeugindustrie erkannt. Die 1981 gegründete Firma war ein Pionier auf dem Gebiet der industriellen Bildverarbeitung und hat seitdem eine Reihe von technischen Innovationen entwickelt, die von den größten Automobilherstellern angewendet werden. ScanWorks®, ein vielseitig einsetzbares 3-D-Scanning-Werkzeug, das 2000 auf den Markt kam, ist ein Beispiel dafür. ScanWorks® besteht aus einem mechanischen Arm, der mit einem V4i Sensor mit einem speziellen Laser bestückt ist, aus Kamera und Steuerungselektronik in Verbindung mit einem handelsüblichen Industriecomputer. ScanWorks® vereinfacht das Reverse Engineering, Abgleiche zwischen Punktwolke und CAD, 3-D-Visualisierungen und Prüfanwendungen.

"Die Menschen leben in einer materiellen dreidimensionalen Welt", sagt Rhex Edwards, Verkaufs- und Marketingdirektor der Technology Components Group. "Aber Computer existieren in zwei Dimensionen." Seit den Anfängen der Datenverarbeitung hat es den Ingenieuren und Programmierern Kopfzerbrechen bereitet, menschliche Vorstellungen in ein computergestütztes 2-D-System zu übertragen, denn Algorithmen, die 3-D-Daten generieren, benötigen umfangreiche Verarbeitungskapazitäten. Die dreidimensionale Visualisierung wurde erst mit leistungsstärkeren Prozessorchipsets möglich. Mit der heutigen Technologie können Computer als 3-D-Systeme "funktionieren". "Darüber hinaus ist es jetzt möglich, Daten zu sammeln und diese sofort mit Kollegen und Lieferanten auf der ganzen Welt auszutauschen, was noch vor einigen Jahren unvorstellbar war", fügt Edwards hinzu. Treten Probleme auf, entstehen durch die bessere Kommunikation weniger Fragen, denn alle Beteiligten verfügen über die gleichen Information des 3-D-Bildes.

Ein "All-in-one"-Werkzeug

"ScanWorks® wurde als komplettes Subsystem entworfen", erläutert Mike Morris, Manager Produktentwicklung bei ScanWorks®. "Es enthält sowohl die benötigte Hardware als auch die Software, um die Daten zu erfassen und diese für den Kunden aufzubereiten."

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Matrox 4Sight M steuert die Kamera und führt die Bildverarbeitung und mathematischen Transformationen des ScanWorks® Sensors durch.

Der Perceptron ScanWorks® Sensor erfasst mittels Triangulation die Profile, die durch die überschneidung eines projizierten Laserfeldes und der Zieltopografie erzeugt werden. Die Bilder der Reflektionen des Laserstrahls werden von einer vom Industriecomputer Matrox 4Sight-M gesteuerten Kamera erfasst. Matrox 4Sight M führt dann eine Reihe von Bildverarbeitungsoperationen und mathematischen Transformationen aus und erzeugt einen Rohdatenstrom. Dieser Datenstrom, der aus Tausenden einzelner Punkte pro Sekunde besteht, wird über ein Standard-Ethernetkabel zum PC/Laptop des Anwenders für Live Display und die weitere Verarbeitung übertragen. Ein Techniker bedient den mechanischen Arm mit dem ScanWorks® Sensor, um die Profile aller Oberflächen des Objektes im Koordinatenrahmen zu erfassen. Die ScanWorks® Software fügt die Daten - bis zu mehreren Millionen von Punkten - zusammen, um eine präzise digitale 3-D-Topographie des Teiles zu erstellen.

Die Daten werden gemäß den Vorgaben des Nutzers durch die ScanWorks®-Software verarbeitet. Dabei wird eine Punktwolke erzeugt, die für Reverse Engineering, Prototyping oder Prüfungen verwendet werden kann. Viele der direkten Kunden von Perceptron sind Hersteller von Automobilen oder von Komponenten dafür. Damit ist ScanWorks® das Werkzeug der Wahl für unzählige Fahrzeugfertigungen, Design- und Produktionsanwendungen. Ein Kunde konnte sogar eine Planungsschwachstelle bei einem Zierplastikteil für die Karosserieverkleidung beseitigen. Nach dem Scannen des Teiles und dem Vergleich mit der originalen CAD-Zeichnung konnte er feststellen, dass das Teil korrekt gefertigt wurde. Weitere Nachprüfungen ergaben aber, dass die Teile noch warm waren, als sie in die Versandverpackung gelegt wurden. "ScanWorks® hat dem Kunden geholfen, Probleme bei Versand- und Fertigungsabläufen zu erkennen", erinnert sich Edwards. "Das verhinderte möglicherweise kostenintensive Nachbesserungen." In einer Prototyping- und Designanwendung formt ein Designingenieur aus Lehm ein Karosserieteil mit komplexen Kurven für ein neues Modell. "Mit der von ScanWorks® generierten Punktwolke können die Algorithmen den Kurvenausgleich in einem Bruchteil der Zeit vornehmen, die ein Entwickler dazu benötigen würde" erläutert Morris.

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Ein Teil wird mit der Sonde gescannt.

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Kundenspezifische Komponenten

Mit Ausnahme der Matrox 4Sight M wurden alle V4i Sensorkomponenten für ScanWorks® speziell für Perceptron gefertigt: Kamera, Linsen, Laser und Steuerungselektronik. Der V4i Sensor projiziert einen optischen Strahl mit einer Genauigkeit von 24 Mikrometern (bei 2 sigma). Die Kamera erfasst die Bilddaten mit einer Rate von 456 000 Punkten/Sekunde. Das Schlüsselwort für ScanWorks® ist Beweglichkeit und Morris sagt, dass die kompakte Matrox 4Sight M Plattform zu den Leistungsanforderungen von Perceptron passt. Die Software für ScanWorks® wurde firmenintern entwickelt. "Perceptron befasst sich seit 25 Jahren mit der industriellen Bildverarbeitung, und wir haben unsere Algorithmen einfach auf die Matrox [4Sight M] Hardwareplattform übertragen" sagt Morris.

Alles miteinander verbinden

Als ScanWorks® noch in den Kinderschuhen steckte, war es das wichtigste Entwurfsziel des Ingenieurteams von Perceptron, eine tragbare Ausrüstung zu entwickeln, die schnell und mit wenigen zusätzlichen Werkzeugen justiert werden kann, denn die Kunden müssen sie mit minimalen Verzögerungen zum Einsatzort transportieren können. Die Ingenieure mussten einige Herausforderungen beim Zusammenbau der Komponenten meistern, sagt Edwards. "Laser, Kamera, Linsen und Aufhängung mussten so zusammenfügt werden, dass wir unsere Leistungsvorgaben auch einhalten konnten." Und Genauigkeiten im Mikrometerbereich zu erreichen, war keine einfache ingenieurtechnische Aufgabe. Edwards sagt, dass die Ingenieure ausdauernd gearbeitet haben und nicht nur ein, sondern eine ganze Familie von ScanWorks®-Produkten entwickelt haben, die den unterschiedlichen Voraussetzungen der Kunden von Perceptron gerecht werden. "Dadurch haben unsere Kunden größere Auswahlmöglichkeiten, es gibt weniger standardisierte Teile und somit für den einzelnen Anwender ein robuste Lösung ", sagt er.

Auch die Bewältigung der Bildverarbeitungsaufgaben stellte eine Herausforderung dar. Angesichts der enormen Datenmenge, die der Sensor generieren kann, hat Morris richtig vorausgesehen, dass der PC/Laptop des Anwenders von den Bildverarbeitungsaufgaben entlastet werden muss. "Das zu verarbeitende Datenvolumen kann jede CPU überschwemmen." bemerkt Morris. "Während der Entwicklungsphase haben wir die Kamera und den Laser an deren Grenzen getrieben und dabei konnten wir beobachten, wie viele CPU Takte wir mit unseren Algorithmen verbraten haben." ScanWorks® verwendet deshalb für so viele Bildverarbeitungsaufgaben wie möglich eine Matrox 4Sight-M. Für die Verbesserung des Datendurchsatzes hat das Team von Morris ein geeignetes 10/100 Ethernettransfer-Protokoll gewählt. Nach der Optimierung der Netzwerkparameter und der Thread-Priorität gelangen die Ergebnisse schnell zum Laptop oder Desktop-PC des Anwenders. Aufgrund der großen Datenmengen, die ScanWorks® liefert, müssen die Anwender High-End-Computer verwenden.

Gegenwart und Zukunft

Die Anwendungslösungen von ScanWorks® bieten Tragbarkeit, Flexibilität und Genauigkeit für so ziemlich jede technische Anwendung, bei der Information über Form und Größe eines Objektes eine Rolle spielen. Diese Daten können schnell vom Ursprungsobjekt erfasst und verwendet werden, um sachkundige Entscheidungen über das Produkt, Werkzeugbereitstellungen oder den Herstellungsprozess des Produktes zu treffen. Allgemeine Risiken, die durch die unzureichende Bereitstellung von Daten oder Information entstehen, entfallen somit, was wiederum zur Einsparung von Zeit und Kosten führt. Das System selbst ist auch eine kostengünstige Lösung, da es durch Softwareupgrades an viele verschiedene Funktionen angepasst werden kann. Weltweit angesehene Automobilhersteller wie Audi, BMW, Ford, GM, Mercedes-Benz, Toyota und Volkswagen wissen dies nur allzu gut. Für die Lieferanten von Laser, Kamera und Verarbeitungshardware innerhalb dieser besonderen Marktnische ist Perceptron zu einem der größten Kunden geworden.

Alle Bilder mit freundlicher Genehmigung von Perceptron.

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