3D-Vision So lassen sich Fremdkörper in automatisierter Montage zuverlässig detektieren

Von Matthias Fiedler und Andreas Redekop*

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Während automatisierter Montageprozesse können unerwünschte Fremdkörper erhebliche Störungen verursachen. Jetzt verspricht VMT mit einer neuen 3D-Visionlösung Abhilfe. Denn sie soll sogar kleinste Fremdkörper sicher detektieren können.

Einstellungsdialog in MSS für die Detektion von Fremdkörpern
Einstellungsdialog in MSS für die Detektion von Fremdkörpern
(Bild: VMT)

Unerwünschte Fremdkörper in automatisierten industriellen Montageprozessen können zu einer Zerstörung von Werkstücken, Greifern oder Werkzeugen führen und im schlimmsten Fall, bei kontinuierlicher Fließfertigung, einen Produktionsstillstand hervorrufen. Um dies sicher zu vermeiden, hat die VMT Vision Machine Technic Bildverarbeitungssysteme GmbH eine zuverlässige 3D-Visionlösung entwickelt, die sogar kleinste Fremdkörper sicher detektieren kann. Das Bildverarbeitungssystem VMT Clear Space 3D ist – wie auch viele andere Visionlösungen von VMT – so ausgelegt, dass es sowohl mit eigenen 3D-Sensoren wie dem VMT Deep Scan als auch mit 3D-Sensoren anderer Hersteller und Technologien, beispielsweise Lasertriangulationssensoren, ausgerüstet werden kann. Dabei ist die richtige Auswahl von geeigneter Sensorik ein wesentlicher erster Schritt, um einen hohen Deckungsgrad zwischen der Technik und der Lösungsanforderung zu erreichen.

Damit das gelingt, erfolgen Voruntersuchungen, Machbarkeitsstudien oder Konzeptevaluierungen, die VMT in eigenen Versuchslabors durchführen kann. Die Auswertung der Messergebnisse im späteren Betrieb erfolgt in der VMT-Softwareplattform VMT MSS, die unter anderem eine Vielzahl von Konfigurations-, Auswertungs-, Analyse- und Konnektivitätsoptionen bietet.

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Zweistufiges Auswerteverfahren

In bisher umgesetzten Applikationen ermöglicht es das zweistufige Auswerteverfahren, zunächst größere Fremdkörper mit Abmessungen ab 10 mm zu detektieren und im Folgenden durch eine nachgelagerte Feindetektion Objekte mit Abmessungen ab 5 mm zu erkennen. Je nach gewählter Sensorik, lässt sich diese Raster allerdings in beide Richtungen skalieren, sodass sehr große und auch mikroskopisch kleine Objekte auf die gleiche Weise zuverlässig untersucht werden können.

Insgesamt überzeugt VMT Clear Space 3D durch eine hohe Abbildungsgüte und Genauigkeit, die bereits kleinste Gegenstände wie Schrauben, Muttern, vergessene Werkzeuge, Absplitterungen oder andere Kleinteile erkennt und so dazu beiträgt, Störungen im Montageprozess zu vermeiden.

Aus der Praxis: Objektaufnahme per Stereovision

In einem kritischen Fügeprozess der automobilen Hochvolttechnologie werden Batteriemodule von Robotern in Schutzgehäuse eingesetzt. Hierfür hat VMT ein Lösungskonzept auf der Basis von zwei Stereo-Visionsensoren VMT Deep Scan mit integrierter Projektoreinheit entwickelt. Mit der Systemlösung ist es möglich, statische Szenen schnell und mit hoher Genauigkeit in 3D zu scannen. Die Szene wird mit bis zu drei Millionen Bildpunkten in Form einer 3D Punktewolke mit einer Tiefenauflösung von 100 µm abgetastet. Die Stereosensoren verfügen über ausreichend Lichtleistung, um von der Objektoberseite genügend auswertbare Remissionen zurückzuerhalten, Fremdlichteinflüsse zu kompensieren und so eine hohe Abbildungsgüte und Messgenauigkeit sicherzustellen.

Referenzebene als Maß der Dinge

Ausgehend von den in 3D gemessenen Distanzwerten errechnet die Softwareplattform VMT MSS (Multi Sensor System) zunächst ein 3D-Modell der Objektoberfläche als Grundebene – und legt danach eine virtuelle Referenzebene zunächst für größere Objekte darüber. Im nächsten Schritt vergleicht MSS die Werte der Soll-Punktwolke mit der gemessenen Ist-Punktwolke. Störobjekte, die in die Referenzfläche hineinragen und eine bestimmte flächige Ausdehnung aufweisen, werden als Fremdkörper detektiert und ein automatisch ablaufender Montageprozess gestoppt.

In der zweiten Auswertestufe werden die Kantenlängen – und damit die Grenzhöhe für die Detektion, noch einmal halbiert. Gleichzeitig wird die Punktwolke in ein Höhenprofil umgerechnet, wodurch jetzt auch filigranere Elemente zuverlässig erkannt werden können. In beiden Auswertestufen werden die erkannten Gegenstände sowohl in der MSS-Softwareplattform als auch auf dem Bedienterminal der Maschine visualisiert.

Auswahl der Sensortechnologie eine Frage der Abwägung

Bei der Fremdkörpererkennung mit VMT Clear Space 3D ist es wichtig, die applikations- und prozesstechnischen Rahmenbedingungen zu kennen, um das geeignete Sensorkonzept auszulegen.

Aktuell herrschen zwei Ansätze vor – zum einen die Triangulation mit Lasersensoren, zum anderen 3D-Sensoren wie VMT Deep Scan. Letztere sind in der Regel dann von Vorteil, wenn große Messabstände sowie eine hohe Scanqualität und Messauflösung erforderlich sind. 3D-Stereokamera bieten dabei noch überall dort deutliche Leistungsreserven, wo der Triangulationssensor aufgrund seiner Arbeitsweise – mögliche Hinterschneidungen, längere Aufnahmezeiten – an Grenzen stößt. Dafür sind diese exakter, mechanisch einfacher zu positionieren und erreichen durch den lichtintensiven Laserstahl eine höhere Fremdlichtsicherheit.

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Beide Technologien haben Ihre Daseinsberechtigung. Welche sich in der konkreten Applikation besser eignet, entscheidet sich während der Planungs- und Konzeptionierungsphase.

Stand alone oder Vision-integriert

Da die Visionlösung VMT Clear Space 3D auf der Software VMT MSS aufsetzt ist, kann sie zum einen als eigenständige Lösung zur Fremdkörpererkennung implementiert werden.

Alternativ bietet die Softwareplattform die Option, VMT Clear Space 3D als Add-on ergänzend zu anderen Visionlösungen von VMT zu betreiben – beispielsweise bei der Optimierung des Einsatzes von Gapfillern bei der Herstellung von Elektro- und Hybridfahrzeugbatterien. Hierbei werden Akkumodule in Batteriefächer integriert, deren Fachboden produktionsbedingte Toleranzen aufweisen kann. Sogenannte Gapfiller gleichen diese Toleranzen aus und sind zugleich für das Batteriewärmemanagement unerlässlich. Sie sind aber schwer und teuer – und sollen daher nur minimalst dosiert werden. Mit Hilfe des Visionssystems VMT Shape Fill 3D werden diese lokalen Leerräume ermittelt, damit der Gapfiller in der richtigen Menge eingebracht werden kann, um neben dem Ausgleich der Maßtoleranzen auch für eine flächige, wärmeleitende Verbindung zwischen Batteriefachboden und Akku-Unterseite zu sorgen.

In dieser Applikation wird parallel zur eigentlichen Messaufgabe mit VMT Clear Space 3D eine zuverlässige Fremdkörpererkennung im Batteriefach durchgeführt. Bereits kleine Objektgeometrien, beispielsweise die einer Schraube, werden zuverlässig detektiert und gemeldet. Dadurch können Havarien bei der Batteriemontage zuverlässig vermieden werden.  (in)

* Matthias Fiedler, Produktmanager, und Andreas Redekop, Senior Project Manager 3D Inspection, beide VMT Vision Machine Technic Bildverarbeitungssysteme GmbH, Mannheim

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