3D Bewegungsanalyse mit Optischer 3D-Messtechnik
Was ist eine 3D Bewegungsanalyse?
Bei einer 3D Bewegungsanalyse werden Bewegungen von Objekten, Maschinenkomponenten oder (menschlichen) Körpern über Sensoren durch Stereo-Kameras im zeitlichen Verlauf erfasst. Die gesammelten Daten können anschließend analysiert und für Optimierungsmaßnahmen verwendet werden. Bei einer 3D Bewegungsanalyse werden je nach Einsatzzweck unterschiedlichste kinematische Parameter erfasst, beispielsweise Beschleunigungen, Rotationsgeschwindigkeiten oder Auslenkungen von Führungen oder Antrieben.
Wie funktioniert eine 3D Bewegungsanalyse?
Für die 3D Bewegungsanalyse werden in der Regel Systeme aus Stereokameras, Hard- und Software für die Datenverarbeitung und sogenannte Messmarker verwendet. Diese Messmarker, die je nach Einsatzzweck selbstklebend oder auch temperaturstabil ausgeführt sein können, werden vor dem Messvorgang auf die zu messenden Stellen am Objekt angebracht. Anschließend wird die Stereokamera – auch als Messkopf bezeichnet – auf einem Stativ vor dem Messobjekt positioniert. Das Messobjekt mit den Messmarkern wird in Bewegung versetzt und die Kamera beginnt mit der Bildaufnahme. Bei modernen Systemen erfolgt diese Bildaufnahme flexibel getriggert für einen oder mehrere Lastzustände – die Leistung der Kamera passt sich somit automatisch den Gegebenheiten des aufzunehmenden Objektes an. Der große Vorteil der 3D Bewegungsanalyse: Dank der Stereokameratechnik können beliebig viele Messmarken im Raum zeitgleich bestimmt werden – und dies mit einer Genauigkeit von 30 – 40 μm/m.
In welchen Bereichen findet die 3D-Bewegungsanalyse Anwendung?
Moderne Messgeräte für die 3D Bewegungsanalyse basieren auf optischen Messverfahren. Die Einsatzmöglichkeiten der optischen Messtechnik sind sehr vielfältig – das spiegelt sich auch in den Anwendungsgebieten der 3D Bewegungsanalyse wider. Die optische Messtechnik lässt sich für unterschiedliche Probengrößen von einigen Millimetern bis zu mehreren Metern skalieren und an die Messaufgaben und Umgebungsbedingungen anpassen.
Daher werden heute 3D-Bewegungsanalysen mithilfe optischer Messsysteme in vielen Industriezweigen durchgeführt, darunter:
- Automobilbau
- Luft- und Raumfahrt
- Konsumgüterindustrie
- Biomechanik
- Maschinenfähigkeitsanalyse, Prozessüberwachung, Optimierung von Fertigungsprozessen
Die 3D Bewegungsanalyse in der Fertigungstechnik
In der umformenden oder spanabhebenden Fertigung erfordern manche Prozesse weiterführende Analysemethoden. Denn trotz größter Erfahrung kann es vorkommen, dass im Rahmen eines Tool-Try-Outs keine Fehler am Werkzeug erkennbar sind – und dennoch keine Fehler an den Werkzeugen erkennbar sind. Hier bieten 3D Bewegungsanalyse-Systeme probate Unterstützung, genau wie bei der zielführenden Analyse von dynamischen Prozessen, wie sie bei der Umformung oder Spanabnahme mittels Werkzeugen Alltag sind. Immer dann, wenn präzise Aussagen zu Winkellagen, Maschinensteifigkeit oder Zentrierungen gefordert sind, eignet sich die 3D Bewegungsanalyse zur Gewinnung von Datensätzen – mit denen sich in der Folge Fertigungsprozesse optimieren und Kosten senken lassen.
Kann die 3D Bewegungsanalyse auch verdeckte Teile erfassen?
Nicht alle Teile innerhalb eines Arbeitsraumes können von einer Stereokamera unmittelbar erfasst werden. Wenn durch den Werkzeugträger verdeckte Rohlinge oder Werkzeugspitzen analysiert werden sollen, kommen Adapter zum Einsatz. Auf diesen Adaptern werden beliebige Punktegruppen vorab definiert und der Adapter entsprechend kalibriert. Durch diesen „Umweg“ wird auch die Analyse verdeckter, komplexer Teile und Baugruppen problemlos möglich.
Kann die 3D Bewegungsanalyse auch zur Echtzeit-Auswertung verwendet werden?
In Verbindung mit entsprechender Software und bei Verfügbarkeit einer ausreichend schnellen Datenleitung kann die 3D Bewegungsanalyse auch im Rahmen einer Echtzeit-Analyse eingesetzt werden. Ein typisches Beispiel für diesen Anwendungsfall ist eine Verformungsanalyse an Blechumformmaschinen. Über 3D-Verschiebungsvektoren und Diagramme lassen sich in Echtzeit Verformungen, beispielsweise Auslenkungen, Torsion oder Biegung verfolgen und Beschleunigungen, Geschwindigkeiten oder Strukturschwingungen untersuchen. Je nach Bedarf erfolgt die Reportausgabe bei diesen Systemen in Form von Bildern, Videos, Tabellen, Diagrammen oder als praktische Pdf-Datei.
Ist ein Aufbau für eine 3D Bewegungsanalyse aufwändig?
Nein, im Gegenteil: Der Aufbau eines Systems wie das PONTOS System von GOM beschränkt sich inklusive der Anbringung von Messmarken auf einen Zeitraum von unter einer Stunde! Moderne Systeme lassen sich schnell und überaus flexibel an verschiedene Messfeldgrößen anpassen – von kleinsten Objekten in Postkartengröße bis hin zu ausgewachsenen Windkraftturbinen. Mit Systemen wie PONTOS lassen sich nicht nur präzise Messungen bewegter Teile durchführen, die Systeme können darüber hinaus auch Wegmesssysteme und Beschleunigungssensoren ersetzen.
Kann die 3D Bewegungsanalyse auch zur Bewegungserfassung menschlicher Körper genutzt werden?
Die 3D Bewegungsanalyse ist eine gängige Anwendung in der Orthopädie oder der Unfallchirurgie. Durch die Bewegungsanalysen werden ganzheitliche Betrachtungen des menschlichen Körpers in der Bewegung ermöglicht – was zu neuen Therapieansätzen oder dem Erkennen von Haltungsschäden führt. Auch in der Sportmedizin ist die 3D Bewegungsanalyse weit verbreitet.
