Optisches 3D-Messsystem für die Echtzeit-Qualitätskontrolle mittels GOBO-Projektion

Systeme für die industrielle Inline-Qualitätssicherung und -Prozessregelung sind ständig wachsenden Anforderungen ausgesetzt. Erforderlich sind 3D-Sensorprinzipien, die sich vor allem durch sehr kurze Aufnahmezeiten, sehr kleine Latenz und Irritationsfreiheit auszeichnen müssen. Am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena wurde daher auf Basis schneller Projektion und Detektion von Mustern bei einer Wellenlänge von 850 nm ein neuer 3D-Sensor entwickelt, der sowohl eine Echtzeit-Datenerfassung mit geringer Latenz (< 150 ms) als auch eine Echtzeit-Datenverarbeitung realisiert. Damit stehen unmittelbar nach der Bildaufnahme 3D-Messdaten zur Verfügung, mit denen je nach Anwendungsfall eine Geometriedatenauswertung, Lageanalyse oder Qualitätskontrolle in Form eines Soll-Ist-Vergleichs durchgeführt werden kann.

Ist der Mensch am Prozess der Qualitätssicherung aktiv beteiligt, kann eine irritationsfreie Projektion erwünscht sein und durch Verwendung des vom Menschen nicht sichtbaren Spektralbereichs im nahen Infrarot (NIR) erreicht werden. Das heißt, dass das Anwendungsgebiet des Messsystems nicht auf die industrielle Qualitätskontrolle beschränkt ist, sondern sich speziell für die messtechnische 3D-Erfassung von Szenen eignet, in denen der Mensch mit Maschinen und Produkten interagiert. Mit Hilfe einer zusätzlichen Farbkamera können parallel dazu Farbinformationen gewonnen und den 3D-Daten zugeordnet werden. Das Messsystem kann daher auch zur Erfassung von Körperhaltung, Gestik und Mimik für die Mensch-Maschine-Interaktion eingesetzt werden.

GOBO-Projektion: Live-Messung mit 36 Hz 3D-Rate
© Fraunhofer IOF

Live-Messung mit 36 Hz 3D-Rate

Als Projektionseinheit besitzt das Messsystem einen NIR-GOBO-Projektor, um dreidimensionale Szenen schnell und irritationsfrei erfassen zu können. Dabei wird eine Folge von Mustern, in diesem Fall aperiodische Sinusmuster, auf die Szene projiziert und von einem kalibrierten Stereokamerasystem erfasst. Durch Korrelation der Kamerabildpunkte und anschließender Triangulation können hochgenaue 3D-Punktwolken generiert werden. Diese werden auf einem Monitor dargestellt und gleichzeitig einer Datenverarbeitung unterzogen, aus der z.B. die Art des Messobjekts erkannt wird sowie eine Echtzeit-Vermessung erfolgen kann (Geometrie, Maßableitung, Soll-Ist-Vergleich).

Als Beispielkonfiguration wird ein Messsystem mit den nachfolgenden Kenngrößen vorgestellt. Die Größe des Messvolumens beträgt bei variablem Messabstand vom Sensorsystem mindestens 500 mm x 500 mm x 300 mm. Das Messsystem selbst hat die Abmessungen von ca. 300 mm x 200 mm x 100 mm. Es wird eine 3D-Messrate von 36 Hz erreicht. Die Latenzzeit bis zum Vorliegen der 3D-Messdaten beträgt etwa 150 ms. Damit ist das Messsystem für die Echtzeit-Qualitätskontrolle und die Überwachung und Auswertung von Interaktionsaufgaben geeignet.