製造業における構造化されたビジョン

プロバイダーは、業界ユーザーのニーズと予算に合わせてさまざまなセンサーを提供しています。価格が下がり、機能が増えるにつれて、問題は次善のアプリケーションは何かということです。

構造化照明システムは、フリンジのパターンを投影し、カメラと高度なソフトウェアを使用してそれらを計測データの点群に変換することにより、表面を測定します。精度は、数百万ポイントを超える1桁のミクロンに達する可能性があります。一部の新しい機器のキャプチャレートはミリ秒単位で測定されます。これらのセンサーの間で、手頃な価格と選択肢が増えています。ほとんどが2台のカメラのステレオセットアップのままですが、特に生産ラインの近くで、より柔軟な展開のために1台のカメラのセットアップを使用しているものもあります。より多くの展開とより多くのアプリケーションが業界の特徴です。

この分野のパイオニアの1つはGOMでした。これは、現在、構造化照明システムのATOSラインのオプションを拡大している会社です。 「これまで、誰もがATOSセンサーをハイエンドで高価なスキャナーと見なしていました。しかし現在、[GOM]は構造化光スキャナーの全製品ラインを提供しています」とATOSセンサーの付加価値再販業者であるカリフォルニア州サンタアナのCapture3DInc.の全国セールスエンジニアリングマネージャーであるフランクストーンは述べています。 「彼らは、市場を拡大するために、さまざまな顧客に提供する必要があることを認識しました。すべての人が他の人ほど厳しい許容範囲と精度を必要とするわけではありません。
」と彼は言いました。

同社が多様性を提供する方法の良い例は、エントリーレベルのシステムであるATOSコアです。
所有者のニーズに合わせて機能を拡張できます。 Capture3Dによると、リバースエンジニアリングやラピッドプロトタイピングなどのエントリーレベルのアプリケーションでは、高度な検査機能なしでスキャンする必要があります。完全な「エントリーレベル」キットには、点群データをSTL形式のポリゴンメッシュに変換するソフトウェアが含まれています。 Coreは、手動操作から半自動操作へのアップグレードパスを提供します。これには、タッチプローブの追加や、より高品質の計測検査のための写真測量が含まれる場合があります。同じデバイスを最終的に完全自動化にアップグレードして、産業品質管理検査を行うこともできます。

しかし、GOMはハイエンドシステムの改善も止めていません。最新のものはATOS5およびATOS5X製品であり、産業用および生産ラインへの測定の統合用に設計されています。過酷な環境で構造化照明を使用するための鍵の1つは、収集時間を短縮し、振動やノイズの影響を受けにくくすることです。同社によれば、ATOS 5は毎秒100フレームで0.2秒（200ミリ秒）でスキャンをキャプチャします。 ATOS Scanbox自動化システムと組み合わせると、自動車のボディクロージャー、インストルメントパネル、エンジンタービンブレード、または鋳造部品の測定に使用できます。カスタム統合でロボットに搭載され、自動車製造で一般的な完全なボディインホワイトを測定できます。

さまざまなプロジェクションソース

ユーティリティをさらに拡張するために、より高度なATOS5Xははるかに明るい光源を使用します。 「ATOS5Xは、統合されたレーザー光コンプレッサーを使用して、より明るい光源を提供し、測定ボリュームを拡大します」とStone氏は説明します。 「以前は700mmしか測定できませんでしたが、この新しいソースを使用すると、同時に最大1,000mmを測定できるようになりました。スキャンごとにわずか0.2秒かかります。」技術的には、これは依然として構造化光であり、干渉法を行うためにレーザーで利用可能なコヒーレンスを使用しません。これは非常に明るいですが、それでも標準的な構造化光デバイスです。

ロードアイランド州ノースキングスタウンのヘキサゴンマニュファクチャリングインテリジェンスも、近年、さまざまな構造化光走査装置を開発しました。それらは、単一のスライド投影を使用する技術と複数のフリンジ投影を使用する技術の2つの基本技術にグループ化されています。シングルスライドセンサーは、速度と過酷な条件での使用を強調し、HexagonのWLS qFLASH、BLAZE 600、WLS400を含みます。

「これらのセンサーは、高速な画像取得を強調しています」と、HexagonのテクニカルプログラムマネージャーであるAmirGrinboim氏は述べています。これらは、平均して0.015秒、つまり15ミリ秒でデータを収集します。収集の速度は重要です—それはそれらを工場の製造現場の設定で理想的にするものです。 「哲学は「好きな場所で測定する」ことです」とGrinboim氏は述べています。

一方、マルチフリンジプロジェクションテクノロジーは低速ですが、解像度は高くなります。これらには、HexagonのAICON製品が含まれます。 「私たちが写真を撮るとき、画像は一連の投影から構築されます。そして、それらの投影はパーツに投影される線であり、それらの線は画像取得プロセスとともに移動され、方向を変更します。これは比較的長いプロセスです」とGrinboim氏は説明し、1回の収集に平均2秒かかりました。 「目標は速度ではなく、点群の品質です。」

Hexagonは、最新のセンサーであるAICON StereoScan neoで赤/緑/青（RGB）DLPプロジェクターも使用しています。センサーには、75mmから1,100mmまでの幅広い測定フィールドもあります。これは、カメラのレンズまたはベースの長さを変更することによって行われます。取得時間は約2秒で、デバイスには8メガピクセルまたは16メガピクセルのカメラを搭載できます。

RGB DLPプロジェクターが理想的なのは、CADの公称値と比較したときに測定値を偏差のカラーマップに変換できるアプリケーションです。次に、これらは測定されたばかりのパーツに投影されます。

「[これは]設計作業、工具の再加工、鋳造での在庫過剰または在庫不足の材料の表示に最適です。これらはすべて、コンピューターの画面やPDFを参照しなくても、エンジニアがその部分で直接見ることができます」とGrinboim氏は説明します。

六角形はこれをSeeWhatYou Measure、またはSWYMと呼んでいます。 「これは、鋳物、鍛造品、または射出プラスチックの測定と操作に最適です。大きなジオメトリパーツがある場合、当社のソフトウェアは、パーツに参照ターゲットを必要とせずに、複数のコレクションを自動的につなぎ合わせます。」と彼は言いました。

工業化と自動化

「[構造化光スキャナー用の]人気のあるアプリケーションには、リバースエンジニアリングおよび航空宇宙アプリケーション用のレガシーツールが含まれます。どちらも一般に、構造化照明ハードウェアに対応するより高い精度の許容誤差を必要とします」と、ウィスコンシン州ブルックフィールドのExactMetrologyの部門マネージャーであるGregGrothは説明します。ポータブルアームCMMからハイエンドCTスキャナーに至るまでの計測デバイスを提供または使用します。

同社はまた、GOMATOS構造化照明システムを使用しています。これらには、Exactが契約作業で使用するATOSIIトリプルスキャンおよびATOSIIIトリプルスキャンが含まれます。 Exactは、HexagonManufacturingIntelligenceからAICONPrimeScanも配布しています。

自動化は、構造化照明デバイスの主流の使用になりつつあります。 「現在、自動化の世界では[構造化光]テクノロジーが採用されています。ハードウェアが安くなるのと並行して、ロボットセルがより安全で費用効果が高くなるにつれて、インライン自動化の人気が高まっています」とGroth氏は述べています。 「取得速度が1秒未満に増加すると、スループット効率の新しい世界が開かれます。」

彼はまた、AI、モノのインターネット、ビッグデータ分析など、現在の産業の流行語が構造化照明システムの採用に影響を与えていると考えています。 「大きな変化の1つは、動的フィードバック、つまりループシステムです。たとえば、コンポーネントをスキャンし、設計されたインテントCADデータと比較し、それらの不一致を製造プロセスにフィードバックし、ツールに適応的な変更を加えて正しい部品を作成します。」と彼は言いました。

カールツァイスインダストリアルメトロロジーLLC（ブライトン、ミシシッピ州）のポータブル3Dスキャン製品販売マネージャーであるIan Scribnerは、彼の観察で自動化へのこの焦点を繰り返しました。 「[自動化とは]ハードウェアを自動化するために[私たちの]ソフトウェアを強化することに過去数年にわたって焦点が当てられてきた場所です」と彼は説明しました。

Zeissが提供する構造化照明システムの歴史は、この分野の初期の創設者の1人であるSteinbichler社にそのルーツをたどっています。 Zeissは数年前に会社とその技術を買収しました。構造化照明システムのZeissCOMETラインはこの遺産に由来しますが、現在Zeissに固有のいくつかの改善が見られます。一例として、表面欠陥の検出に使用されるZeissABISIIシステムがあります。これは、自動車製造におけるクラスAのボディ表面の測定に特に役立ちます。これも、生産ラインまたはその近くで使用するために設計されています。

Zeissの最近の製品のもう1つは、COMETProAEです。このデバイスは、同社のパッケージ済み自動化ソリューションであるAIBoxおよびAIBoxフレックスシステムで使用されています。また、すべてのプロバイダーが構造化照明システムで普及している別の傾向を示しています。さまざまな計測技術を組み合わせて自動化と精度を向上させています。

「COMETProAEは、自動化に厳密に専念しています。写真測量など、いくつかの追加機能があります」とScribner氏は述べています。 「これにより、より大きなコンポーネントをより速く、より正確にキャプチャできます。また、ライトリングが付いているため、ユーザーは板金をスキャンして、板金の穴や支柱、切り欠きの特徴をより詳細に把握できます。」

COMET Pro AEの収集時間は、パーツのサイズによって異なります。たとえば、板金の車体は数分かかります。 Scribnerによると、結果は25〜35 µmの精度で数千万のポイントになります。実際、最近の歴史における彼の最大のサクセスストーリーは、板金部品の測定の自動化にあります。

COMET Pro AEは、サンプルロット検査に役立つ「アットライン」デバイスとして提供されますが、Zeissは、AIMaxインラインおよびBestFit製品を使用して、インライン検査用の構造化照明ソリューションも提供します。同社は、これらを品質保証、位置認識、ロボットガイダンスを含む生産管理の仕事に適していると宣伝しています。

デバイスは、STL形式のサーフェスに変換されたスキャンポイントを出力することもできます。 「多くの場合、COMET AIMaxは、インラインゲージングを行うための特定の機能を探すようにプログラムされています」と彼は言いました。プログラム可能であるため、ハードゲージの落とし穴を回避し、ますます手頃な価格で提供します。

「毎年、構造化照明システムは、グループとして価格が下がり、機能が上がり、新しいアプリケーションが開かれるのを見てきました」とScribner氏は述べています。 BestFitのコンパクトなサイズは、そのシングルカメラテクノロジーによって可能になります。また、設計された過酷な環境を認識し、両方のセンサーはアクティブな補償を通じて高温安定性を示します。

手頃な価格とアプリケーション

サウスカロライナ州ロックヒルの3DSystemsInc.のソフトウェアディレクターであるScottGreen氏によると、ビジョンシステム市場には大きな変化が訪れています。「高解像度の構造化照明システムの市場には大きな変化があります」と彼は言います。言った。

同社は、3Dプリンターから、構造化光計測システムのラインを含む触覚フォースフィードバックデバイスまで、幅広い製品を提供しています。 Green氏によると、構造化照明システムの変化は、品質とスキャン範囲が拡大しているにもかかわらず、デバイスの価格が下がったために起こります。

「これらは、すぐにクレジットカードで購入できる[システム]です。今日でも、1万ドル未満で販売される非常に低コストで高品質の構造化光センサーがあります」と彼は言いました。最初に市場に導入された元の10万ドル以上のシステムとはかけ離れています。 3D Systemsは、インダストリアルグレードのスキャナーと呼ばれるものを提供します。Captureとそれよりも小さいバージョンのCaptureMiniです。別のハンドヘルドデバイスも、構造化照明を使用して小物をすばやく測定します。

これはどのように可能ですか？これらのシステムには、高品質で高精度の光源と正確な投影パターンが必要です。カメラは、最大16メガピクセルのサイズの鮮明な画像をキャプチャする必要があります。これらのコンポーネントからデータを取得するための非常に洗練されたソフトウェアと数学があります。何十年にもわたる改良により、ソフトウェアとアルゴリズムはより洗練されたものになっています。それでも、彼はシステムが本質的に…単純であると主張します。 「構造化照明システムは、基本的に2台のカメラと1台のプロジェクターです」と、コンピューターとソフトウェアを使用して彼は言いました。

一般消費者市場は、これらのコンポーネントのコストと品質の曲線を推進しています。このレベルでのコンピューティングはほぼ無料になりつつあります。大量生産されたスマートフォンと消費者向けカメラは、デジタルカメラと光源が急速に進歩していることを意味します。

「構造化光センサーを構築するための実際のコンポーネントである機能コンポーネントは、はるかに手頃な価格になりつつあります」とGreen氏は述べています。 「そのため、そのような高品質の構造化照明の所有コストは、内部のコンポーネントがより簡単に入手できて安価になるにつれて、下向きにシフトすることがわかります。」

ハードウェアのコストが下がると、付属のソフトウェアに対する価格圧力が高まると彼は述べた。 Green氏によると、総所有コストが減少することで、今では安価な構造化照明システムを専用用途に使用できるようになります。自動車のボディインホワイトのギャップアンドフラッシュの測定、または個々のセンサーによるマシニングセルの個々の機能の100％検査を考えてみてください。

「適切なアプリケーションのために、生産場所にはるかに近い、はるかにスマートなセンサーがあります」と彼は言いました。 「これらのアプリケーションのデスクトップソフトウェアでの役割は、情報アグリゲーターのようなものになります。」