Messtechnologie OptoInspect3D für die optische Qualitätsprüfung

Schnelligkeit, Robustheit, Automatisierbarkeit und ein geeignetes Messprinzip sind die zentralen Eigenschaften einer inline-fähigen Messtechnik. Mit dem am Fraunhofer IFF entwickelten Technologiepaket OptoInspect3D steht Ihnen ein modularer Werkzeugkasten für die Realisierung von anwendungsspezifischen 3D-Messsystemen zur Verfügung.

OptoInspect3D beinhaltet Methoden und Werkzeuge, um optische Messsysteme zu entwerfen, auszulegen und zu simulieren. Funktionen zur schnellen, taktgebundenen und automatischen 3D-Messdatenauswertung und Geometriebestimmung sind ein weiterer zentraler Bestandteil. OptoInspect3D enthält darüber hinaus Werkzeuge, um anwendungsspezifisch konfigurierte Systeme aus mehreren Sensoren und Sensorbewegungskomponenten zu kalibrieren und zu justieren.

Unsere Messtechnologie OptoInspect3D ist branchenunabhängig einsetzbar und eignet sich für vielfältige Aufgaben der Prozesssteuerung und Qualitätsprüfung, wie die dimensionelle Prüfung geometrischer Toleranzen für Maß, Form und Lage sowie die Montagekontrolle und die Vollständigkeitsprüfung. OptoInspect3D ist seit über 10 Jahren im Einsatz und wird kontinuierlich weiterentwickelt.

Funktionsumfang von OptoInspect3D Inline

Registrierung und Ausrichtung

Bevor ein Vergleich der Messdaten mit einem CAD-Modell oder einer Referenzmessung (Golden Sample) durchgeführt werden kann, müssen die Daten üblicherweise zueinander ausgerichtet, d.h. registriert werden. Alle dafür notwendigen Funktionen sind in der OptoInspect3D-Inline-Bibliothek enthalten. Die Registrierung kann zwischen zwei Punktwolken oder zwischen einer Punktwolke und einem CAD-Modell in Form eines Dreiecksnetzes berechnet werden. Auch das gleichzeitige Ausrichten und Zusammenfügen mehrerer Punktwolken zu einem Objekt ist möglich. Eine anschließende Abstandsberechnung zwischen Scan- und Modelldaten zeigt dann, ob die Datensätze zueinander passen.

Filterung und Vorverarbeitung

Um eine anspruchsvolle Analyse zu ermöglichen, müssen die messtechnisch erfassten Punktwolken häufig vorverarbeitet bzw. gefiltert werden. Die dafür bereitgestellten Funktionen ermöglichen eine Ausreißerentfernung aus den Scandaten, eine räumliche Segmentierung innerhalb der Punktwolke sowie diese zu glätten und zu homogenisieren. Auch die Bestimmung von Merkmalen wie Krümmungen oder Punktdichten ist möglich, sowie die Bestimmung von Normalenvektoren der Messdaten für eine realitätsnahe visuelle Präsentation.

Best-Fit geometrischer Primitive

Eine häufige Aufgabe in der anspruchsvollen 3D-Datenverarbeitung ist die Einpassung geometrischer Primitive in Messdaten und die anschließende Auswertung vorhandener Abweichungen. Die OptoInspect3D Inline Bibliothek unterstützt eine Vielzahl dieser Primitive. Dazu gehören Linien, Ebenen, Kreise, Ellipsen, Kugeln, Zylinder, Kegel und Tori. Die Approximationen können nach verschiedenen Minimierungskriterien ermittelt werden. Neben der Methode der kleinsten Abstandsquadrate (Gauß) stehen auch die Approximationen Minimum Zone (Chebyshev), Minimum Bounding (Hüllgeometrie) und Maximum Inscribing (Pferch) zur Verfügung.

Leistungsmerkmale der Bibliothek OptoInspect3D Inline

• Zahlreiche Algorithmen für die Analyse von 3D-Messdaten und den CAD-Abgleich
• Unterstützt verschiedene Betriebssysteme (Windows, Linux) und Architekturen (x86_64, ARM)
• Lauffähig auf SoC-Systemen wie Raspberry Pi und NVIDIA Jetson
• Universelle C-konforme Schnittstelle ohne externe Abhängigkeiten
• Höchste Performance durch effiziente Datenstrukturen und Multicore-Unterstützung
• Verarbeitung großer Punktmengen
• PTB-zertifizierte Genauigkeit
• Entwicklungs- und Testumgebung mit OpenGL-basierter Visualisierung

Sensorsimulation zur Erzeugung synthetischer Referenzdaten

Basierend auf einem modellbasierten Ansatz ermöglicht OptoInspect3D Sim die Planung und Realisierung unterschiedlichster Prüfaufgaben mit optischen Sensoren. Während konventionelle optische Prüfsysteme für den Soll-Ist-Vergleich in der Regel auf vorab definierte Referenzdaten und darauf abgestimmte Prüfalgorithmen zurückgreifen, ist der modellbasierte Ansatz wesentlich flexibler, wenn es darum geht, auf häufige Änderungen der Prüfanforderungen zu reagieren. Durch die konsequente Nutzung der CAD-Daten des Prüflings und einer Modellbeschreibung für das Prüfsystem können die im Sollzustand zu erwartenden Messergebnisse in Form von synthetischen Messdaten präzise vorhergesagt werden. Dies können Bild- oder 3D-Daten sein, die sich automatisch jeder Konstruktionsänderung des Prüflings anpassen.

Eine manuelle Anpassung der Prüfalgorithmen ist nicht erforderlich, da die Messdaten des Prüflings mit den durch die Simulation erzeugten Daten anhand geeigneter Metriken verglichen werden. Die Simulation wird so optimiert, dass sie bereits geeignete Daten liefert.

Durch die Anwendung von Kantenfiltern kann beispielsweise der Informationsgehalt von synthetischen und realen Kamerabildern verglichen werden. In beiden Bildern werden die zu prüfenden Objekte segmentiert, extrahiert und verglichen. Unser modellbasierter Ansatz erlaubt dabei eine präzise Segmentierung des zu untersuchenden Bildbereichs, eine direkte Simulation der zu erwartenden Kanten und damit eine robuste Entscheidung.

Sensorsimulation für die Ansichtenplanung

Für flexible, z.B. roboterbasierte Prüfsysteme besteht eine wichtige Aufgabe darin, die ideale Sensorposition für die präzise Erfassung der gesuchten Qualitätsmerkmale zu finden. Dabei ist neben der Sichtbarkeit der Merkmale für den eingesetzten optischen Sensor auch dessen Ausrichtung zur Produktoberfläche entscheidend. Nur so können die Messbedingungen eingehalten und Störungen durch ungünstige Reflexionseigenschaften vermieden werden.

OptoInspect3D Sim bietet eine flexible und automatisierbare Planung der Ansichten. Die zugehörigen Bewegungspfade können automatisch angepasst oder neu erstellt werden, wenn sich die Prüfaufgabe ändert oder neue Bauteile hinzukommen.

Unterschiedlichste Konfigurationen des Prüfsystems können durch Variation der Sensorposition zum Produkt in Abhängigkeit von den verfügbaren Freiheitsgraden, dem zulässigen Sensormessbereich und ggf. weiteren Bedingungen wie Kollisionsfreiheit sehr schnell analysiert werden. Die Auswahl einer prozesssicheren Konfiguration ermöglicht eine automatisierte Qualitätsbewertung der generierten synthetischen Messdaten anhand vordefinierter Kriterien. Ein manuelles Einlernen (Teach-In) der Sensorpositionen ist nicht mehr erforderlich.

Sowohl bei der Auslegung von Prüfsystemen als auch im späteren Betrieb ist es meist nicht zu leisten, für jede Produktvariante umfangreiche praktische Versuche durchzuführen. Unser modellbasierter Ansatz in OptoInspect3D Sim liefert unabhängig vom physischen Aufbau synthetische Messdaten des Produkts. Damit können Aussagen über die Eignung des Prüfsystems für den geplanten Anwendungsfall getroffen werden. So kann das Prüfsystem bereits entworfen und anhand der Simulationsdaten bewertet werden, auch wenn das zu prüfende Objekt noch nicht produziert wurde.

Leistungsmerkmale der Bibliothek OptoInspect 3D Sim

• Softwarebibliothek zur Simulation synthetischer Messdaten, um auf der Basis von CAD-Daten und Sensorparametern geeignete Sensorpositionen zu berechnen (View Planning, Viewpoint Selection)
• Geometrisch korrekte Erzeugung synthetischer Messdaten für optische 2D-, 2.5D- und 3D-Sensoren (z.B. Kamera, PMD, Lichtschnittverfahren, Streifenprojektion) inkl. Shading
• Simulation und Datenauswertung mit verschiedenen Metriken und Strategien
• Input: Beschreibung der Sensorfunktion in Form von geometrischen und optischen Parametern, Messobjekt in Form eines CAD-Modells
• Output: Synthetische Messdaten, ortsabhängige Bewertung der Datenqualität bezogen auf Oberflächeneigenschaften und Reflexionsverhalten
• Höchste Performance durch vollständige Berechnung auf Grafikprozessor (GPU) und Einsatz moderner Renderingverfahren
• Erhältlich als Bibliothek und als Testumgebung mit grafischer Benutzeroberfläche

Unsere Softwarebibliothek OptoInspect3D Calib bietet Systemintegratoren sowie Sensor- und Geräteherstellern eine Methode und Softwarefunktionen zur automatischen Bestimmung der Sensorpositionen und der Bewegungsachsen (Sensorzustellung und Scanning) für anwendungsspezifisch konfigurierte Systeme.

Die Grundlage der Einmessverfahrens basiert auf einer Modellbeschreibung der Messaufbaus und der Bestimmung der Modellparameter durch Messungen an einem Kalibrierkörper.

Leistungsmerkmale der Bibliothek OptoInspect3D Calib

• Flexibles Verfahren zur Kalibrierung optischer Sensoren und Bewegungsachsen eines Messaufbaus
• Transformation der Daten der Einzelsensoren in ein gemeinsames Koordinatensystem für Absolutmessungen
• Rückführbarkeit der Messung auf ein nationales Längennormal durch Referenzmessung an einem entsprechenden Kalibrierkörper
• Kalibrierung ersetzt Feinjustage der Bauteile (z.B. bei Sensortausch)
• Ein reproduzierbares Einspannen der Bauteile ist nicht mehr erforderlich. Der Kalibriervorgang kann vollständig automatisiert werden.
• Geeignet für Laser-Distanzsensoren, Laser-Lichtschnitt- oder Streifenlichtprojektionssensoren sowie Kamerasensoren