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Sitzungsübersicht
Sitzung
Messtechnik
Zeit:
Donnerstag, 03.02.2022:
9:00 - 10:30

Chair der Sitzung: Cornelia Eschelbach, Frankfurt University of Applied Sciences
Virtueller Veranstaltungsort: ZOOM-Meeting

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Präsentationen

Entwicklung eines automatischen photogrammetrischen Prüfverfahrens zur Oberflächeninspektion im Automobilbau

Max Hödel1,2, Ludwig Hoegner1, Uwe Stilla1

1Technische Universität München, Deutschland; 2BMW AG

Der moderne Automobilbau, insbesondere im Premiumsegment, setzt äußerst enge Toleranzen hinsichtlich der Oberflächengüte des Endproduktes voraus. Beginnend mit der Blechumformung im Presswerk, über den Karosseriebau, bis hin zur Lackierung und Endmontage, müssen etwaige Oberflächenfehler im teilweise einstelligen Mikrometerbereich detektiert, klassifiziert und lokalisiert werden können.

Diese Fehler können systematisch sein, wie beispielsweise Beulen und Dellen, oder auch unsystematisch, wie etwa Schmutzpickel und Spanabdrücke. Mit jedem erfolgten Arbeitsschritt steigen die assoziierten Nacharbeits- und Ausschusskosten, so dass eine frühzeitige Erkennung unumgänglich ist. Zusätzlich kann mit einer lückenlosen Verfolgung dieser Fehler über die gesamte Produktionskette hinweg die Gesamtproduktion auf datengetriebener Basis nachhaltig gesichert und kontinuierlich optimiert werden.

Hier wird durch die Nahbereichsphotogrammetrie große Abhilfe geschaffen, da hierdurch eine robuste, kontakt- und zerstörungsfreie Prüfung ermöglicht wird. Allerdings stellen Faktoren wie: Vibrationen, Beölung, Lichtverhältnisse und Bauteilbewegung eine große Herausforderung dar, so dass manche klassische photogrammetrische Verfahren in dieser harten Produktionsumgebung scheitern. Darüberhinaus ändern sich die Reflektanteigenschaften der Komponenten während der Produktion, beginnend mit diffusem (unlackiertem) Blech und endend mit einer spekularen (glänzenden) Oberfläche.

In diesem Vortrag werden die der Automobilindustrie zur Verfügung stehenden Technologien wie Lasertriangulation, Streifenprojektion und Deflektometrie hinsichtlich ihrer Eignung in jedem Produktionsschritt gegenübergestellt, unter Berücksichtigung der obigen Faktoren. Hierfür wird ein neu entwickeltes standardiertes Prüfverfahren vorgestellt, das die aus der manuellen Inspektion definierten Fehlermerkmale auf eine automatisierte Inspektion überträgt. Zur Evaluierung der verschiedenen Aufnahmesysteme werden vordefinierte, reproduzierbarre Fehler in Pressteilen erzeugt. Basierend auf bestehenden Verfahren des Maschinellen Lernens wird ein neuer Ansatz zur Fehlerdetektion und Klassifikation basierend auf Deep Learning vorgestellt und evaluiert.

Hödel-Entwicklung eines automatischen photogrammetrischen Prüfverfahrens_b.pptx


Aus der Praxis: 3D Bauwerkerfassung unter + über Wasser

Stefan Somann1, Christian Hesse1,2

1HydroMapper GmbH, Deutschland; 2Dr. Hesse und Partner Ingenieure - dhpi

Unter Wasser sind ganzheitliche und flächige Schadensdetektionen, Bauwerksprüfungen, Erstellungen von Planungsunterlagen oder ein Bauwerks-Monitoring oft nur grobe Annäherungen.

In diesem Vortrag werden verschiedene Verfahren für die hochauflösende und schnelle Erfassung von Unterwasserbauwerken anhand von konkreten Projekten vorgestellt. Zum einen die als HydroScanning bekannte lineare Erfassung, als auch die Erfassung sehr tiefer Baugruben mittels 360° Unterwasserscan.

Betreiber, Planer oder Bauwerksprüfer von Häfen und Wasserstraßen, sowie Wasserbauwerken oder gefluteten Baustellen erhalten auf diese Weise saubere Planungsgrundlagen für eine effizientere Projektsteuerung. Die entstehende Punktwolke ist die Basis für vielfältige Auswertungen und der mögliche Beginn eines Lebenszyklus-Monitorings bis hin zu einer Methode zur Approximation der real nachgewiesenen Biegelinie einer Spundwand.



Kalibrierung eines auf strukturierter Beleuchtung basierenden Unterwasser-Stereo-Scanners für hochgenaue 3D-Messungen

Christian Bräuer-Burchardt1, Christoph Munkelt1, Matthias Heinze1, Stefan Heist1, Peter Kühmstedt1, Gunther Notni2,1

1Fraunhofer Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF, Deutschland; 2Technische Universität Ilmenau, Deutschland

Dreidimensionale Messungen an Unterwasser- (UW) Strukturen bekommen vor dem Hintergrund von Inspektionsaufgaben zur frühen Erkennung potenzieller Schadstellen durch mechanische Kräfte oder Korrosion immer größere Bedeutung. Die am Markt befindlichen Lasermess-Systeme besitzen große Reichweiten und eine relativ hohe Messgenauigkeit, liefern bei Detailmessungen aber häufig zu ungenaue Ergebnisse.

Stereo-Systeme auf Basis strukturierter Beleuchtung besitzen ein hohes Genauigkeitspotenzial, spielten im Unterwasserbereich aber aufgrund ihrer eingeschränkten Reichweite und ihres kleinen Messvolumens bisher kaum eine Rolle. Neue Hardware-Entwicklungen verbessern jedoch das Einsatzpotenzial dieser 3D-Scanner für Unterwasser-Anwendungen.

Im Rahmen eines vom BMWi geförderten Verbundvorhabens wurde durch mehrere Partner ein UW-Sensor für Inspektionsaufgaben an UW-Strukturen für den Tiefseeeinsatz (bis 1000 m) entwickelt . Zentraler Teil des Sensors ist ein auf strukturierter Beleuchtung basierender 3D-Stereo-Scanner, bestehend aus zwei monochromen Messkameras und einer Projektionseinheit, die mittels eines GOBO-Rades aperiodische Streifenmuster erzeugt.

Um das hohe Genauigkeitspotenzial dieses Scanners auch bei den UW-Messungen nutzen zu können, muss eine möglichst fehlerfreie Kalibrierung erfolgen. Da eine genaue UW-Kalibrierung sehr aufwändig ist, der Scanner aber typischerweise schnell einsatzbereit sein soll, steht man hier vor der Herausforderung eines guten Kompromisses zwischen High-End-Messgenauigkeit und praktikabler Anwendbarkeit. Hierzu gehört z.B. auch die Verwendung verfügbarer Kalibriersoftware.

Theoretische Voruntersuchungen ergaben, dass sich das klassische Lochkameramodell in Abhängigkeit bestimmter Einflussgrößen und geometrischer Eigenschaften durchaus anwenden lässt, ohne dabei signifikante systematische Fehler zu verursachen. Dabei spielen u.a. der Abstand der Kameras vom Sichtglas sowie sein Material und seine Dicke eine Rolle. Restfehler, die durch die Refraktion herrühren können durch entsprechende Korrekturfunktionen reduziert oder komplett kompensiert werden.

Für die Kalibrierung des Stereo-Sensors wurden verschiedene Kalibrieransätze entwickelt, untersucht, angewendet und verglichen. Erster Ansatz war eine Transformation der Luft-Kalibrierung in eine UW-Kalibrierung unter Verwendung einer neuen Kamera-Modellierung mit variabler Kamerakonstante und Annahme bestimmter Voraussetzungen wie Orthogonalität der Ausrichtung der Kameras zu den planaren Sichtfenstern. Bei praktischen UW-Messungen lieferte dieser Ansatz zwar verwertbare Messergebnisse, es zeigte sich aber, dass z.B. die Verletzung der Orthogonalitäts-Annahme um wenige Zehntel Grad bereits zu signifikanten Messfehlern führte.

Zweiter Kalibrieransatz war eine klassische unter Wasser durchgeführte Lochkamera-Kalibrierung. Dieser Ansatz lieferte gute Messergebnisse, allerdings mit wesentlichen größeren Ungenauigkeiten als in Luft. Diese Ungenauigkeiten können in einem nachfolgenden Kalibrierschritt reduziert werden. Dieser nachfolgende Kalibrierschritt kann alternativ aus einer Optimierung der Kalibrierparameter erfolgen oder aber mittels Konstruktion einer 3D-Korrekturfunktion.

Hierfür wurde eine klassische Lochkamera-Kalibrierung im Wasserbecken unter Verwendung von Aruco-Markern und der BINGO-Software und zusätzliche Messungen von Kugelhantel und Ebenheitsnormal durchgeführt.

Wie erste von uns präsentierte Messergebnisse zeigen, kann die klassische Lochkamera-Kalibrierung durchaus im UW-Fall angewendet werden, wenn die refraktiven Eigenschaften der Strahlgeometrie berücksichtigt werden. Wir zeigen eine a-priori Abschätzung des zu erwartenden Messfehlers, der mit geeigneten Mitteln weiter reduziert werden kann.

Bräuer-Burchardt-Kalibrierung eines auf strukturierter Beleuchtung basierenden Unterwasser-Stereo-Scanners _b.pdf


PhoTo3D - 3D-Digitalisierung von Industrieanlagen zur Herstellung passgenauer Dämmlösungen

Lukas Hart1, Stefan Knoblach1, Michael Möser2

1Hochschule Würzburg-Schweinfurt (FHWS); 2TU Dresden

Industrieisolierer benötigen zur Fertigung von passgenauen Dämmungen für Rohrleitungen deren Geometriedaten, wobei das Aufmaß bisher noch in Handarbeit mittels Zollstock und Maßband erfolgt. Zur Digitalisierung der Arbeitsprozesse wurde im Rahmen des Projekts „PhoTo3D“ ein Mehrkameramesssystem entwickelt, mit dem die Rohre sowie die zugehörigen Armaturen, Flansche, … photogrammetrisch erfasst werden können, sodass die Daten anschließend in digitaler Form an die Fertigungsmaschine für die Dämmung übergeben werden können.

Das Messsystem besteht aus drei Industriekameras, kombiniert mit eigens entwickelten Ringleuchten, die in dreieckiger Anordnung auf einem Halter montiert sind. Die Ringleuchten sorgen für eine gleichmäßige Ausleuchtung ohne Schattenwurf. Aufgrund der geringen Oberflächentextur der Rohre ist die Zuordnung korrespondierender Punkte nicht sichergestellt, sodass punktwolkenbasierte Berechnungsverfahren wenig zielführend sind. Stattdessen erfolgt die Rekonstruktion ausschließlich anhand der Objektkanten. Durch die spezielle Anordnung der drei Kameras lassen sich Objekte in beliebiger Konfiguration rekonstruieren. Insbesondere auch bei glänzenden Oberflächen, die beim Laserscanning unter Umständen zu Falschmessungen führen, ist eine sichere Berechnung der Rohrgeometrien auf Basis der Objektkanten möglich.

Das Messsystem wird vorab kalibriert. Der Anwender erspart sich damit im Feld die Ermittlung der Inneren und Äußeren Orientierung. Neben der daraus resultierenden Zeitersparnis besticht das System durch seine einfache Handhabung, sodass es auch vom Isolierer ohne umfangreicheres photogrammetrisches Hintergrundwissen bedient werden kann.

Der eigentliche Rekonstruktionsprozess gestaltet sich zweistufig: Im ersten Schritt erfolgt auf Basis der Objektkanten eine rein geometrische Rekonstruktion, wobei hierfür als Vorabinformation auch genormte Bauteilmaße (sofern es sich um Standard-Komponenten handelt) integriert werden können. Im zweiten Schritt werden dann die zunächst einzeln rekonstruierten Elemente zu einer Rohrleitung zusammengefügt. Zu diesem Zweck werden Richtungs- und Positionsdifferenzen an benachbarten Rohrendpunkten analysiert und durch eine optimierte Anordnung der einzelnen Rohrkomponenten behoben. Hierzu wird ein Ausgleichungsverfahren verwendet, in dem sowohl die Objektkanten in den Bildern als auch die „Modellvorstellungen“ (im Sinne einer Idealgeometrie) einer Rohrleitung als Beobachtungen verwendet werden.

Der Rekonstruktionsprozess und die benötigten Objektparameter sind speziell auf den Rohrleitungsbau und die Anforderungen des Isolierers an das Aufmaß abgestimmt. Auf Basis der 3D-Geometrie wird die Dämmung dann als Hülle unter Berücksichtigung der entsprechenden Dämmmaterialstärke geplant und der Entwurf einer CNC-Schneidanlage übergeben. Die Anlage schneidet einzelne Blechsegmente zu, aus denen anschließend eine Blechhülle gefertigt wird. Dies wird dann an den Rohren, welche zuvor mit dem eigentlichen Dämmmaterial ummantelt werden, angebracht. Auf Basis der generierten 3D-Daten der Rohrleitung und der Dämmung lassen sich zukünftig anfallende Revisionsarbeiten an der Dämmung ohne ein Neuaufmaß einfach durchführen.

Hart-PhoTo3D - 3D-Digitalisierung von Industrieanlagen_b.pdf


 
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