Tactiele en optische meet-technologie

Omdat de kwaliteitseisen steeds hoger liggen, is de controle van geometrische afmetingen en begrijpelijke documentatie essentieel in het productieproces. Voordat je een nieuw 3D-meetsysteem aanschaft, rijst de fundamentele vraag: welke technologie is het meest geschikt voor mijn situatie? Is een tactiel 3D-meetsysteem nodig dat alle relevante meetpunten vastlegt met een meet-taster? Of is een optisch 3D-meetsysteem nodig dat contactloos hele oppervlakken digitaliseert? Dit artikel legt de basisfuncties van beide methoden uit en onderzoekt de voordelen, verschillen en toepassingsgebieden in de auto-industrie.

Op het gebied van dimensionale werkstuk-tests zijn coördinaten-meetmachines (CMM's) de meest bekende systemen in de traditionele meet-technologie. CMM's werken met tactiele of scannende meetsystemen. Voor de meting wordt de sonde op het gewenste meetpunt geplaatst. Optioneel kan een gecontroleerde rotatie-tafel worden gebruikt om een onderdeel te roteren. De aangesloten meet-software berekent de geometrische elementen uit de vastgelegde individuele punten en leidt hieruit de werkelijke waarden af voor het te inspecteren object.

De tactiele meet-technologie overtuigt vooral vanwege de zeer hoge, absolute nauwkeurigheid en is daarom de eerste keuze voor het meten met hoge precisie. Een stationair CMM kan punten meten met een nauwkeurigheid van een duizendste millimeter. Tot op heden kan een dergelijke hoge nauwkeurigheid nog niet worden bereikt met optische 3D meet-technologie.

Optische 3D meet-technologie is zeer geschikt als de nauwkeurigheidseisen binnen het bereik van een honderdste millimeter liggen. Als je een nieuw meetsysteem wilt aanschaffen en niet zeker weet of je een tactiel of optisch meetsysteem wilt, is stap één om uit te zoeken welke nauwkeurigheden je nodig hebt. Een vuistregel: de nauwkeurigheid van het meetsysteem moet altijd een factor vijf tot tien groter zijn dan de hoogst vereiste tolerantie die moet worden gemeten. Dit betekent: Als de tolerantie van een inspectie bijvoorbeeld 0,1 mm is, moet het meetapparaat een nauwkeurigheid van minstens 0,02 mm hebben.

In de auto-industrie zijn tandwielen, krukassen en motorblokken klassieke producten voor tactiele metingen: De toleranties en nauwkeurigheden waaraan deze onderdelen moeten voldoen, vereisen de hoogst mogelijke precisie. Een tandwiel uit de auto-industrie vereist normaal gesproken een nauwkeurigheid van 1 µ of hoger. Deze nauwkeurigheid wordt momenteel nauwelijks gehaald met optische meetsystemen.

Wat tegen tactiele meettechnologie pleit, is de hoge tijdsinvestering als er hogere gegevensdichtheden nodig zijn: Het aftasten van honderden meetpunten op een werkstuk kan veel tijd in beslag nemen. Soms meerdere uren. Daarom is een volledige productiecontrole nauwelijks mogelijk. Vanwege de tijdsinvestering en omdat veel CMM's vaak niet direct in de productie kunnen worden geplaatst. Om tijd te besparen, kan het aantal meetpunten worden verminderd. Maar dit gaat ten koste van de gegevensdichtheid. Hier moet de verhouding tussen tijdsinvestering en gegevensdichtheid altijd zorgvuldig worden afgewogen.

Het maakt niet uit hoeveel meetpunten onder de hoogste zorg worden geregistreerd: Het is niet mogelijk om het volledige oppervlak van het meet-object te meten. Dit is waar de optische meet-technologie om de hoek komt kijken: Optische meet-technologie is niet alleen sneller, maar creëert ook een digitaal beeld van het gehele meet-object. Daarom levert het meer gedetailleerde kwaliteitsinformatie dan tactiele meet-technologie.

De meetprocedure met optische 3D-meetsystemen is heel eenvoudig: Het meetobject wordt voor de sensor geplaatst, handmatig of robotgestuurd. Daarna begint de beeldregistratie: De meetsensor registreert stap voor stap elke zijde van het meetobject. Om het volledige oppervlak vast te leggen, wordt ofwel het werkstuk verplaatst, zodat de sensor alle gebieden kan registreren, ofwel wordt de sensor zelf rond het werkstuk verplaatst. Vervolgens zet de meetsoftware alle individuele metingen automatisch om in een gezamenlijk coördinatensysteem. Dit resulteert in een volledige 3D point cloud van het oppervlak. De gegenereerde meetgegevens maken diverse inspecties mogelijk, bijvoorbeeld een full-field nominale-actuele vergelijking van de object-geometrie of de controle van GD&T-elementen. Op basis van kleurafwijkingen kunnen probleemgebieden eenvoudig worden herkend en kan het productieproces gericht worden bijgestuurd. Op deze manier kunnen onnodige iteratielussen worden vermeden.

Een ander voordeel van optische 3D meet-technologie: De meetprocedure is extreem snel. Het digitaliseren van complexe werkstukken neemt slechts enkele minuten, soms slechts enkele seconden, in beslag.

In de auto-industrie wordt de optische 3D meet-technologie veel gebruikt: van procesplanning voor machine-capaciteitsanalyses tot geautomatiseerde kwaliteitscontrole in persfabrieken en carrosserieproductie, controle van gegoten, gesmede en kunststofonderdelen en bij de eindassemblage.

Inmiddels komen er steeds meer meetsystemen op de markt die beide meetmethoden combineren: Om de meting te versnellen en aanraakgevoelige oppervlakken te meten, kunnen CMM's worden uitgerust met een optische sensor. Aan de andere kant kunnen optische meetsystemen worden uitgebreid met een taster. Zo wordt het mogelijk om delen van een werkstuk te meten die optisch moeilijk te bereiken zijn, zoals diepe boorgaten, kamers of ondersnijdingen. In dit verband moet één belangrijk aspect in gedachten worden gehouden: De systeemnauwkeurigheid van optische 3D-meetsystemen kan niet worden verhoogd door een extra taster. Het is alleen mogelijk om extra inspectie-kenmerken vast te leggen op complexe structuren.

Voor optische 3D-maatcontroles heeft ZEISS de industriële 3D-scannerserie ATOS ontwikkeld: De optische 3D-scanners werken contactloos en leveren snel digitale beelden met hoge resolutie van het werkstuk. ATOS combineert daarvoor de nieuwste hardware met intelligente software.