Vorlesung am IPG der ETH Zürich, 23. Oktober 2009

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1 Vorlesung am IPG der ETH Zürich, 23. Oktober 2009 Optische Messtechnik für Testing und Inspection - Trends und Stand der Technik Timo Kahlmann AICON 3D Systems GmbH Biberweg 30 C D Braunschweig Germany

2 Optische Messtechnik für Testing und Inspection Übersicht Einführung Optische Messtechnik und AICON Technische Randbedingungen Testing - neue Anforderungen und Lösungen Inspection - Aufgaben und Werkzeuge Zusammenfassung

3 Optische Messtechnik für Testing und Inspection Optische 3D Messtechnik: Kameras

4 Optische Messtechnik für Testing und Inspection Optische 3D Messtechnik: Verfahren Räumlicher Vorwärtsschnitt κ Räumlicher Rückwärtsschnitt Bündelausgleichung ω ϕ Korrespondenzproblem (Matching) codierte Marken Epipolargeometrie codierter Lichtansatz Range Imaging...

5 Optische Messtechnik für Testing und Inspection Optische 3D Messtechnik: Software

6 AICON Portrait Unser Tätigkeitsfeld Design, Herstellung und Vertrieb von optischen 3D Messsystemen Anwendung : Testing Inspection Automobilindustrie und deren Zulieferer (70%) Aerospace (20%) Sonstige Industriezweige (10%)

7 AICON Portrait AICON Fakten Gegründet im Jahr 1990 in Braunschweig Eigene Firmengebäude (800m² Bürofläche, 600m² Laborfläche) Geführt durch Gesellschafter 45 Mitarbeiter EN ISO 9001:2000 zertifiziert Beteiligungen an den Firmen Etalon and Axios 3D Services

8 AICON Portrait AICON Produkte für Testing & Inspection Stationäre Messtechnik Portable Messtechnik TubeInspect DPAPro MoveInspect TubeInspect S / TubeInspect HS DPS WheelWatch ProCam TubeInspect HD Leica Absolute Tracker

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11 Technische Randbedingungen Charakterisierung Messaufgabe Räumliche Auflösung hoch (flächenhaft) Zeitliche Dauer langfristig (Tage, Monate, Jahre) niedrig (einzelne Punkte, Starrkörper (6DOF)) kurzfristig (< n sec) niedrig (<1Hz) Zeitliche Auflösung hoch (> 500Hz)

12 Technische Randbedingungen Kameratechnik Vollformatsensoren mit hoher Auflösung (24mm x 36mm, bis 24 Megapixel) integrierte Hardware zur Berechnung (FPGA, DSP) im High-Speed Speed-Bereich bis zu 4 Megapixel bei über 1000Hz Sensoren hoher Lichtempfindlichkeit bei guter Bildqualität hilfreiche Features (WLAN, schnelle Bildfolgen) zunehmende Verfügbarkeit hochauflösender Optiken

13 Technische Randbedingungen Kameratechnik Kritische Features bei Anwendungen in der Messtechnik automatische Bildausrichtung Sensor Shifting zum Ausgleich von Bewegungsunschärfen automatische Sensorreinigung Bildvorverarbeitung

14 Technische Randbedingungen Rechnertechnik Gigabit-Ethernet setzt sich als Kameraschnittstelle durch allgemeine Verfügbarkeit von MultiCore-Rechnern mit 64bit Betriebssystem große Datenmengen und hohe Verarbeitungsgeschwindigkeiten auch auf Standardrechnern verfügbar Solid-State State-Festplatten ermöglichen hohe Datenraten auch im rauhen Umfeld Hocheffiziente Datenverarbeitung auf Grafikboards (GPU) wird einfacher durch Schaffung von neuen Standards (OpenCL) Nutzung von Cell-Prozessoren für schnelle Bildverarbeitung

16 Testing neue Anforderungen und Lösungen Aktuelle Anforderungen Im Sicherheitsversuch erfordern neue Richtlinien neue Messverfahren Problemstellungen werden komplexer Rauhe Umgebungsbedingungen Integration verschiedenster Sensoren dynamische Messungen hohe Punktdichten, große Datenmengen teilweise sehr hohe Genauigkeitsanforderungen zahlreiche Aufgaben sind ausschließlich optisch zu lösen

17 Testing neue Anforderungen und Lösungen Neue Richtlinien z. B. Euro NCAP 2008 Dynamic assessment of car seats for neck injury protection testing protocol Umsetzung durch angepasste Messabläufe in der Messsoftware AICON DPS zur optimalen Unterstützung des Anwenders

18 Testing neue Anforderungen und Lösungen Neue Richtlinien z. B. Fußgängerschutz und FMH (Free Motion Headform) Umsetzung durch angepasste Messabläufe zur optimalen Unterstützung des Anwenders

19 Testing neue Anforderungen und Lösungen AICON WheelWatch Bestimmung von Position (X, Y, Z) and Orientierung (Alpha, Beta, Gamma) eines Starrkörpers im 3D Raum (6 Degree of Freedom, 6DOF) große Datenmengen bei Verwendung von Bildern: z. B. 4 Kameras mit 1.3Mpixel 500 Hz Aufnahmefrequenz Messfahrt 1min 156GByte und 2,6Gbyte / s

20 Testing neue Anforderungen und Lösungen Funktionsweise TraceCamF: Highspeed-Kamera mit bis zu 1000Hz Aufnahmefrequenz integrierte Bildverarbeitung mit FPGA integrierte Hochleistungs- LED- Beleuchtung Übertragung der Bildkoordinaten über TCP/IP Stromversorgung mit 12 V Verarbeitung auf Standard-Laptop

21 Testing neue Anforderungen und Lösungen Funktionsweise von TraceCamF Rechner Beleuchtung digitale Kamera 485 Bilder/s Bildmessung im FPGA Gigabit Ethernet Photogrammetrie F Vorteile: unbegrenzte Aufnahmedauer on-line Auswertung kurze Latenzzeit Synchronisierung mehrer Kameras und mit externen Signalen 3D-Daten 6 DOF Daten

22 Testing neue Anforderungen und Lösungen Sensorintegration Kombinierte Anwendung AICON WheelWatch und EngineWatch Kombination und Synchronisation mit zahlreichen anderen Sensoren Datenrate bis zu 1000Hz offline und 100Hz realtime (Latenzzeit 10ms) Datentransfer analog oder digital über TCP/IP, CAN- oder FlexRay

23 Testing neue Anforderungen und Lösungen Messdaten

24 Testing neue Anforderungen und Lösungen K&C Testing mit WheelWatch Kinematics and Complience Testing Hochgenaue Messung langsamer Bewegungen Integration von WheelWatch in einen K&C- Prüfstand der Firma Moog Gleichzeitige Messung von Radbewegung, Fahrzeugbewegung und Hexapoden Realtime-Messung und Auswertung mit 100Hz, Latenzzeit 10ms Regelkreis zur Steuerung der Hexapoden durch die WheelWatch Messung Messungen über mehrere Stunden

25 Testing neue Anforderungen und Lösungen Systemkonfiguration TraceCam F

26 Testing neue Anforderungen und Lösungen Dynamische Messung eines Flussmodells Bestimmung der Sedimentfracht mit AICON MoveInspect / ProSurf Aufnahmedauer 11h Aufnahmefrequenz 0,1Hz Messungen etwa Punkte pro Messung 400 Mio. Punkte insgesamt entspricht 6 Jahren in der Natur

27 Testing neue Anforderungen und Lösungen Dynamische Messung eines Flussmodells Bestimmung der Sedimentfracht mit AICON MoveInspect / ProSurf Aufnahmedauer 11h Aufnahmefrequenz 0,1Hz Messungen etwa Punkte pro Messung 400 Mio. Punkte insgesamt entspricht 6 Jahren in der Natur

28 Testing neue Anforderungen und Lösungen MoveInspect HF für Materialprüfungen Test von Asphaltproben zur Materialoptimierung verschiedene Temperaturen zwischen 50 C und +50 C Messung der Deformationen bei äußerer Belastung Periodische Änderung zwischen Zug und Druck

29 Testing neue Anforderungen und Lösungen MoveInspect HF für Materialprüfungen

30 Testing neue Anforderungen und Lösungen MoveInspect HR für Prozesskontrolle

31 Testing neue Anforderungen und Lösungen MoveInspect HR für Bewegungsanalysen Measurement cameras Check points Support structure Reference points Retroreflective markers

32 Testing neue Anforderungen und Lösungen DPAPro - 3D Prozessanalyse bei Verformung und Bewegung Hochauflösende Digitalkamera, Messmarken, Maßstäbe Software AICON 3D Studio, Notebook Anwendung auch unter extremen Bedingungen, z.b. in einer Klimakammer

33 Testing neue Anforderungen und Lösungen Umfassende Deformationsanalysen bei Fahrzeugentwicklung Typischer Anwendungsfall: 4000 Punkte im Innen- und Außenraum Aufnahme mit Nikon D3 / WLAN 500 Bilder zur vollständigen Erfassung mehrere Epochen unter verschiedenen Klimabedingungen Algorithmisch: Gleichungssystem mit Unbekannten Lösung mit AICON DPAPro Pro Version 9 / 64bit

34 Testing neue Anforderungen und Lösungen NVH Sensor Positionsbestimmung?

36 Inspection Aufgaben und Werkzeuge Auswahlkriterien (Auswahl) Genauigkeit Punktdichte Anzahl / Art zu prüfender Merkmale Objektbeschaffenheit Größe Reflexionsverhalten Komplexität Eigenstabilität Schnelligkeit Vorbereitung Einspannen Signalisieren Einsprühen Durchführung Umgebungsbedingungen

37 Inspection Aufgaben und Werkzeuge Optische Verfahren Photogrammetrie (Einzelpunkte, Adapter, Features) Weißlichtscanner (Punktewolken) Laserscanner (Punktewolken)

38 Funktionsprinzip DPA Für dreidimensionale Objektpunkte Z 5 4 Y X 1 2 3

39 Funktionsprinzip DPA berechnet AICONs DPA aus hochauflösenden Messbildern Z 5 4 Y X 1 2 3

40 Funktionsprinzip DPA hochpräzise 3D Koordinaten. Z 5 4 Y X 1 2 3

41 Arbeitsablauf DPA Schritt 1: Signalisierung des Objekts mit Messmarken

42 Arbeitsablauf DPA Schritt 2: Signalisierung des Objekts mit Adaptern (DPAInspect)

43 Arbeitsablauf DPA Schritt 3: Anbringen von codierten Messmarken, Referenzkreuz und Referenzmaßstäben codierte Messmarken Referenzkreuz Referenz- Maßstäbe

44 Arbeitsablauf DPA Schritt 4: Aufnahme des Objekts aus verschiedenen Richtungen

50 Arbeitsablauf DPA Schritt 5: Verarbeitung der digitalen Messbilder im Auswerterechner W-Lan Transfer

51 Arbeitsablauf DPA Schritt 6: 3D Datenanalyse und Ergebnispräsentation DPAInspect: Vergleich der erhaltenen 3D Koordinaten mit CAD-Daten DPAPro: Versetzen des Objekts in einen anderen Zustand, z.b. durch Belastung. Anschließend neue Bildaufnahme, Berechnung der neuen 3D Koordinaten und Vergleich der verschiedenen Zustände

52 Komponenten Spezifikation DPAPro und DPAInspect

53 Komponenten Spezifikation DPAPro und DPAInspect DPAPro DPAInspect Hardware Standardzubehör hochauflösende Digitalkamera, Notebook, kalibrierte Referenz- Maßstäbe, codierte und uncodierte Messmarken Hardware Optionales Sonderzubehör hier: Würfeladapter Kopplung des Systems mit Weißlichtscannern / Oberflächenscannern Integrierbar in gängige Messsoftwarepakete nein nein integriert in AICON 3D Studio Würfeladapter zur Geometriemessung ja: Steinbichler, Breuckmann, Cognitens, ViALUX, handyscan, nub 3d, Solutionix, Konica Minolta ja: z.b. PolyWorks, Rapidform, Metrolog, Geomagic

54 Komponenten Spezifikation DPAPro und DPAInspect Photogrammetrie-Software Software zur Steuerung der Datenverarbeitung und Protokoll-Erstellung DPAPro AICON 3D Studio DPAInspect Software-Modul DPA von AICON lauffähig unter Microsoft Windows XP und Vista PolyWorks, Rapidform, Metrolog, Geomagic u.a. Automatische Kalibrierung Automatische Referenzierung Merkmalserkennung Adapterkorrektur Verformungs- und Bewegungsanalyse CAD-Vergleich Zertifizierung Messgenauigkeit nein nein System zertifiziert gem. VDI 2634, Blatt 1 2µm + 5µm/m (RMS); 3µm + 7µm/m (3 Sigma)

55 Testing neue Anforderungen und Lösungen DPAPro / Inspect 7 Fallbeispiele

56 Inspection Aufgaben und Werkzeuge Erfassung großer Objekte mit hoher Genauigkeit Typischer Anwendungsfall: Fusionsreaktor Wendelstein 7X beim Max- Planck-Institut für Plasmaphysik in Greifswald Kontrolle der Einzelelemente Kontrolle der Ausrichtung RMS 0.2mm - 0.3mm

57 Inspection Aufgaben und Werkzeuge DPA Photogrammetrie Fallbeispiel: Cargo Door Aerospace

58 Inspection Aufgaben und Werkzeuge DPA Photogrammetrie Fallbeispiel: Railway Diesel Engine Block

59 Inspection Aufgaben und Werkzeuge DPA Photogrammetrie Fallbeispiel: Rolltreppen Steps Inspection Task: Parallelism of tracks Planarity of tracks Tracks Centre Line

60 Inspection Aufgaben und Werkzeuge DPA Photogrammetrie Fallbeispiel: Bauteilinspection

61 Inspection Aufgaben und Werkzeuge DPA Photogrammetrie Fallbeispiel: CERN

62 Inspection Aufgaben und Werkzeuge DPA Photogrammetrie Fallbeispiel: Windkraftanlagen / z.b. Rotornabengehäuse

63 Inspection Aufgaben und Werkzeuge Zusammenführen durch Targets Aufbringen von Targets am Objekt Photogrammetrische Einmessung der Targets mit hoher Genauigkeit im übergeordneten System, direkter Bezug zum Teilekoordinatensystem (Adapter) Targetmessung durch Scanner während des Scannvorgangs Transformation der Scannerdaten in das übergeordnete System Aufbringen von Marken notwendig Keine Volumenbegrenzung

64 Inspection Aufgaben und Werkzeuge Zusammenführen durch projizierte Targets Projektion von Kreismarken durch Scanner Bestimmung der 3D-Koordinaten der Kreismarken in übergeordnetem Koordinatensystem durch Online- Photogrammetriesystem Transformation der Scannerdaten in das übergeordnete System Kein Aufbringen von Marken notwendig Volumen begrenzt durch übergeordnetes System

65 Inspection Aufgaben und Werkzeuge Auswertung / GD&T Integrierte Mess- und Auswertesoftware (z. B. TubeInspect 4.5) Externe Auswertesoftware mit Schnittstellen zu allen gängigen Datenformaten InnovMetric Polyworks/Inspector Geomagic Qualify Inus Rapidform XOV/Verifier... Umfangreiche Funktionalität zur Ableitung relevanter Maße aus gemessener 3D Information Zunehmend Möglichkeiten der Nutzung im CAD hinterlegter GD&T - Informationen

66 Inspection Aufgaben und Werkzeuge Zusammenführen durch externe Navigation Direkte Navigation durch externes Messsystem Höchste Genauigkeit für Navigation erforderlich, da kleine Fehler sich ungünstig fortpflanzen Direkte Messung im übergeordneten System Kein Aufbringen von Marken notwendig Volumen begrenzt durch externes System Stabilität des externen Systems muss gegeben sein, keine Bewegungen / Vibrationen während des Scannens

67 Inspection Aufgaben und Werkzeuge Inspection: optische Rohrvermessung Spezielle Herausforderungen bei der Vermessung von gebogenen Rohren

68 Inspection Aufgaben und Werkzeuge Inspection: optische Rohrvermessung Definierte Punkte Rohrverlauf Biegedaten Koordinaten

69 Inspection Aufgaben und Werkzeuge Inspection: optische Rohrvermessung Lehren Vergleich mit Musterrohren Abwicklungen Messmaschinen (optisch, taktil) Messarme

70 Inspection Aufgaben und Werkzeuge TubeInspect Systemkomponenten hochauflösende Digitalkameras erfassen detailgenau jedes Rohr

71 Inspection Aufgaben und Werkzeuge TubeInspect Systemkomponenten die Durchlichtbeleuchtung sorgt für gleichmäßige Helligkeitsverhältnisse

72 Inspection Aufgaben und Werkzeuge TubeInspect Systemkomponenten hochpräzise Referenzpunkte gewährleisten zuverlässige Messergebnisse auch im robusten Produktionsumfeld

73 Inspection Aufgaben und Werkzeuge TubeInspect Systemkomponenten i.o. n.i.o. Einsatz in der Produktion einfache Bedienbarkeit Rückführung der Korrekturen an Biegemaschine

74 Inspection Aufgaben und Werkzeuge Optische Messung in Messzelle AICON TubeInspect Direkte Messung von Formen und Features Schnelle und genaue Messung durch kalibrierten Setup und angepasste Algorithmik Messung von Objekten in wenigen Sekunden Keine Aufspannung erforderlich Rückf ckführbarkeit durch hochgenaue Referenz

75 Inspection Aufgaben und Werkzeuge TubeInspect Anwendungsbeispiele thin brake lines coils free form tubes brackets and fittings exhaust pipes engine tubes

76 Inspection Aufgaben und Werkzeuge Was ist ein geeigneter Prüfprozess für Rohre? Wie wird eine Messmittelfähigkeit für Rohre festgestellt? Frage des Prüfmerkmals Biegekoordinaten XYZ Biegeelemente PRB Manteltoleranzen End-zu-End Abstand Welche Auswerteverfahren sind sinnvoll? Wie kann die Streuung reduziert werden? Was bringen Mehrfachmessungen? Wie sollten bzw. müssen Messungen ausgewertet werden?

77 Inspection Aufgaben und Werkzeuge Prüfmerkmal Biegekoordinaten Bei der Konstruktion von Leitungen werden Biegekoordinaten benötigt Biegekoordinaten können aber bei Rohren nicht explizit gemessen werden, da diese aus dem Rohrverlauf berechnet werden Biegekoordinaten sind abgeleitetes Merkmal Annahme von konstanten Fehlertoleranzen für alle Biegepunkte ist problematisch

78 Inspection Aufgaben und Werkzeuge Prüfmerkmal Manteltoleranz Manteltoleranzen werden gemessen Vergleich des tatsächlichen Rohrverlaufs mit Solldaten möglich Entspricht einer verbesserten Lehrenprüfung (gesamter Bereich und alle Richtungen werden geprüft) Fehlertoleranzen gemäß Anforderungen Einbaulage wird repräsentiert

80 Optische Messtechnik für Testing und Inspection Zusammenfassung Optische Messtechnik ist mittlerweile bei den Anwendern weit verbreitet und akzeptiert Zahlreiche Aufgabenstellungen aus dem Bereich Testing und Inspection lassen sich nur mit optischen Techniken angemessen lösen. allgemeiner Fortschritt in der Entwicklung von Kamera- und Rechnertechnik führt zusammen mit innovativen Ideen der unterschiedlichen Hersteller zu leistungsfähigeren Systemen. Neue Aufgabenstellungen und Herausforderungen von Anwenderseite treiben weitere Entwicklungen ebenfalls voran.