16. November 2018 
 
26. Juni 2018

Sensor+Test: Kontinuierliche Messungen an Fließbändern

Mit der Entwicklung neuartiger Zeilensensorik haben Forscher der Universität Magdeburg ein System entwickelt, das Messzeiten von 200µs ermöglicht. „Bewegungs- und Schwingungsartefakte werden damit nahezu ausgeschlossen. Insbesondere sind dadurch kontinuierliche Messungen an Fließbändern möglich“, erklärt Erik Lilienblum im Gespräch mit DIE MESSE.

Foto: DAVIDCOHEN on UnsplashFoto: DAVIDCOHEN on Unsplash
Hochglanz-Wagen: Auch für die Inspektion großflächiger Karosserie-Teile eignet sich das Messsystem.
Herr Lilienblum, photogrammetrische 3D-Messsysteme mit Matrixkameras und aktiver Musterprojektion sind für industrielle Anwendungen oft ungeeignet. Warum?
Optische Messsysteme werden im Wesentlichen durch Faktoren wie Messgenauigkeit, Messauflösung und Messzeit charakterisiert. Darüber hinaus bestimmen spezielle Einschränkungen des Messverfahrens, ob eine Anwendung zur Lösung einer geforderten Messaufgabe möglich ist. Die entscheidende Einschränkung für Verfahren mit aktiver Musterprojektion ist die Forderung, dass die Messoberfläche während der Messung ruhen muss. Damit sind im Allgemeinen industrielle Anwendungen mit kontinuierlicher Messung an Fließbändern ausgeschlossen. Hinzu kommt, dass damit die Anforderungen bezüglich Geschwindigkeit und Lichtstärke der Musterprojektion und Bildaufnahme zunehmender Messfläche erheblich steigen. Große Messflächen lassen sich daher oft nur auf Kosten der Messzeit mit hinreichender Messgenauigkeit und Mess­auflösung erfassen. Durch diesen Zusammenhang können bei vielen industriellen Anwendungen die geforderten Taktzeiten nicht eingehalten werden.

Um diesem Problem zu begegnen, wurde an der Universität Magdeburg eine aktive Zeilensensorik zur schnellen und präzisen 3D-Oberflächenrekonstruktion entwickelt. Wie funktioniert das Messsystem?
Zunächst verwenden wir Zeilenkameras anstelle von Matrixkameras. Die Zeilenkameras werden so ausgerichtet, dass sie eine gemeinsame Sichtebene aufspannen. Die Messfläche wird dann nicht mehr im Ganzen erfasst, sondern Zeile für Zeile abgescannt wobei mit jeder neuen Zeile ein anderes Lichtmuster projiziert wird. Auf jedem Pixel der Zeilenkameras entsteht so eine spezifische Grauwertsequenz, die wir photogrammetrisch auswerten. Die besondere Herausforderung bei diesem Ansatz ist die Musterprojektion. Handelsübliche Musterprojektoren sind natürlich zu lichtschwach und langsam für unseren Ansatz. Wir entwickelten daher eine strukturierte Zeilenbeleuchtung. Dabei wird das homogene Licht einer LED-Zeilenbeleuchtung durch ein Zylinderlinsenfeld so strukturiert, dass orthogonal zur Zeile Streifenmuster mit hoher Lichtintensität entstehen. Durch das separate Ein- beziehungsweise Ausschalten beliebiger LEDs können hinreichend viele unterschiedliche Muster erzeugt werden, so dass der aktive Verfahrensansatz auch praktisch umgesetzt werden kann.

Wodurch zeichnet sich das neuartige Messsystem aus?
Das wichtigste Feature unseres Messsystems ist die Kürze der Einzelmessung. In unserem Fall ist das die 3D-Messung einer einzelnen Zeile. Bei einer Zeilenfrequenz von 40 kHz und der Projektion von 8 Mustern erreichen wir damit eine Messzeit von 200µs. Bewegungs- und Schwingungsartefakte werden damit nahezu ausgeschlossen. Insbesondere sind dadurch kontinuierliche Messungen an Fließbändern möglich. Darüber hinaus ist die Skalierbarkeit unseres Messverfahrens von Bedeutung. Durch Hinzunehmen weiterer Kameras und Beleuchtungsmodule kann die Scanbreite beliebig vergrößert werden. Durch Verringerung des Zeilenvorschubs, also durch langsameres Scannen, kann auch die Messgenauigkeit bis zu einem gewissen Grad angehoben werden.

Welche Einsatzszenarien sind für die aktive Zeilensensorik in der Industrie denkbar?
In erster Linie eignet sich die Zeilensensorik natürlich für eine kontinuierliche Messung von Endlosmaterialien am Fließband, wie zum Beispiel bei Walzstahl oder Bodenbelag. Aber auch die 3D-Oberflächenrekonstruktion von großflächigen Teilen, die auf einem Fließband kontinuierlich transportiert werden, ist eine Zielapplikation. Ein sehr anspruchsvolles Beispiel hierfür ist die Oberflächenforminspektion von Karosserieteilen direkt nach der Presse. Hierbei müssen bei einer Geschwindigkeit von bis zu 0,5 m/s Beulen und Dellen ab einer Höhe von circa 20 µm sicher detektiert werden. Und es gibt noch viele andere industrielle Applikationen von der Vermessung von Kleinteilen in großer Stückzahl über frei fallende Objekte – wie zum Beispiel Körner – bis hin zur schnellen Volumenmessung von Schüttgut.

Die Universität Magdeburg präsentiert das System auf der Sensor+Test in Halle 5 am Stand 209. Welche Erwartungen verbinden Sie damit?
Vor allem erhoffe ich mir, in Gesprächen und Diskussionen mit potentiellen Anwendern meinen eigenen Horizont für die Möglichkeiten und Grenzen unserer Technologie zu erweitern. Des Weiteren würde ich mich natürlich freuen, wenn Experten für optische 3D-Messtechnik gezielt unseren Stand aufsuchen würden und ich mit ihnen Detailprobleme diskutieren kann. Parallel zur Messe findet die Fachtagung „Sensoren und Messsysteme“ statt, auf der wir einen Beitrag zu unserem Messsystem präsentieren. Durch die Messe ergibt sich nun die seltene Möglichkeit, interessierten Tagungsteilnehmern das Messsystem live vorführen zu können.

Ein Ausblick: Wie sieht die weitere Roadmap für das Messsystem aus?
Das auf der Messe präsentierte Messsystem demonstriert zunächst nur die Idee und die prinzipielle Funktionsfähigkeit des Verfahrensansatzes. Für unsere Roadmap ergeben sich zwei unterschiedliche Richtungen. Zum einen sollte das Messsystem systematisch untersucht und hinsichtlich seiner allgemeinen Leistungsparameter optimiert werden. Daraus resultieren im Allgemeinen wissenschaftliche Veröffentlichungen und neue Ideen für weiterführende Arbeiten. Zum anderen würden wir gern auch in eine konkrete Applikationsentwicklung starten. Hierfür benötigen wir noch die passenden industriellen Partner, die gewillt sind, den Aufwand und das Risiko eines solchen Schrittes zu tragen. Als Universität sind wir dabei natürlich auf Drittmittel angewiesen. Nicht zuletzt hoffen wir durch unseren Messeauftritt, Kontakte zu neuen potentiellen Projektpartnern zu knüpfen.

http://www.iikt.ovgu.de/
https://www.sensor-test.de/

 

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