Was bedeutet dynamische Videoprojektion in der Industrie?

Die Videoprojektion kommt in einer Vielzahl an Industriebranchen überall dort zum Einsatz, wo komplexe 3D-Informationen auf Bauteilen visualisiert werden sollen. Mittels eines kalibrierten Videoprojektors beziehungsweise Beamers werden Produktions- oder CAD-Daten aus dem Produktionssystem präzise selbst auf bewegte Bauteile projiziert und je nach Arbeitsschritt als animierte Schritt-für-Schritt-Abfolge oder zeitgleich über den Arbeitsvorgang hinweg dem Werker angezeigt. Auf diese Weise lassen sich manuelle Arbeiten, die auch heute noch etwa in der Montage oder in der Qualitätssicherung ausgeführt werden müssen, schneller, präziser und zuverlässiger erledigen. Die Videoprojektion unterstützt somit die flexible Fertigung innerhalb einer modernen, von einer hohen Variantenvielfalt bei stetig kürzeren Produktionszyklen geprägten Produktion. Sie dient aber auch als Kommunikationsmittel bei der Fehleranalyse. Hier zeigt sie die durch optische oder taktile Messgeräte ermittelten Messdaten als Falschfarben- oder Abweichungskarten beziehungsweise als einzelne Punktmesswerte auf der Bauteiloberfläche an.

Auch Designprozesse werden Dank ihr stark erleichtert, denn Mitarbeiter können damit über verschiedene Teams hinweg mögliche Störquellen schnell identifizieren und folglich lässt sich die Nachvollziehbarkeit für alle Beteiligten verbessern.

Durch Nutzung von Bildverarbeitung und Werkzeugtracking können diese Anwendungen sinnvoll erweitert werden – etwa durch Gestensteuerung, Kontrolle von Anbauteilen sowie automatischer Weiterschaltung von Projektionsinhalten. Damit können analoge Prozessdaten unmittelbar während des Bearbeitungsprozesses direkt erfasst werden und automatisiert wieder zurück in den digitalen Zwilling fließen.

Welche generellen Vorteile bietet die Videoprojektion für Anwendungen in der Industrie beziehungsweise Fertigung?

Die dynamische 3D-Videoprojektion unterstützt die Fertigung, indem sie komplexe Informationen im Kontext von Bauteilen oder Werkstücken visualisiert. Sie ist kostengünstig installierbar und bietet einen hohen Mehrwert, denn sie macht Baupläne, Schablonen, Prüfmittel beziehungsweise auch zeitaufwendige manuelle Markierungen mit punktuell arbeitenden Anreißmaschinen beziehungsweise Aufmaßsystemen überflüssig. Auch physische Mockups werden dank der Augmented-Reality-Projektion reduziert. Dies führt zu kürzeren Entscheidungswegen in der Fertigung, die auf klaren und genauen Informationen basieren.

Auch Arbeitsprozesse verlaufen effizienter, denn die Werker an der Produktionslinie erhalten dank Videoprojektion nicht nur genaue Arbeitsanweisungen, wie und wo ein Bauteil montiert oder bearbeitet werden muss. Sie vermittelt ihnen auch anschaulich neue Arbeitsvorgänge und Handgriffe, sodass der Schulungsaufwand deutlich verringert wird und gleichzeitig die Transparenz und Kontinuität in händischen Prozessen gesteigert wird. In der Qualitätssicherung und im Design hilft die 3D-Videoprojektion Produktionsteams dabei, Messergebnisse und weitere komplexe Inhalte über Abteilungsgrenzen hinweg verständlich und fassbar zu vermitteln. Dies legt die Grundlage für eine durchgehend hohe Qualität und damit einhergehend höhere Kundenzufriedenheit.

Vorteil: Videoprojektoren visualisieren 3D-Informationen lagerichtig auf Bauteilen

Wie wird dies in der Fertigung integriert?

Dynamische Videoprojektion erleichtert und optimiert Prozesse, indem sie komplexe 3D-Informationen im Kontext eines Bauteils visualisiert. Oftmals muss eine solche Lösung bei Serienprozessen in die Prozessautomatisierungslogik der Fertigung integriert werden. Über eine plattformunabhängige Web-Schnittstelle kann WERKLICHT seine Befehle beispielsweise vom Leitrechner, einem MES (Manufacturing Execution System) oder einem anderen Steuersystem erhalten. Hervorzuheben ist auch die OPC UA-Schnittstelle (Open Platform Communications Unified Architecture), welche besondere Flexibilität beim Datenaustausch bietet und die geeignetste Lösung für die Anbindung der Leittechnik beziehungsweise Fördertechnik ist, welche typischerweise von speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) koordiniert werden. Mithilfe dieses international anerkannten Standards lassen sich die EXTEND3D-Lösungen noch besser in die Fertigungslinie integrieren. Der Aufwand für die Anpassung an Drittsysteme wird auf ein Minimum reduziert.

Wie kommen Anwender von den Daten zur Projektion?

Beim Generieren der eigentlichen Projektionsinhalte ist Flexibilität entscheidend. Aus diesem Grund unterstützt WERKLICHT unter anderem sämtliche in der Industrie gängigen CAD- beziehungsweise 3D-Formate. Auch aufgabenspezifische Formate lassen sich über eine generische 

CSV-Austauschschnittstelle einfach integrieren. Aus ihnen können von Hand oder automatisiert die entsprechenden Projektionsinhalte erzeugt werden. Sind die Quellen angebunden, müssen Nutzer in der Software nur noch die benötigten Daten beziehungsweise die von der Arbeitsvorbereitung bereits hinterlegten Jobfiles auswählen – mit Anbindung an die automatisierte Fördertechnik beziehungsweise Erfassung der Bauteile durch Barcodescanner funktioniert dies wahlweise auch vollautomatisiert.

Daten aus der manuellen Verarbeitung fließen zurück in das digitale Modell

Das Zusammenspiel aus dynamischer Videoprojektion und Tooltracking (Deutsch: Werkzeugtracking) beziehungsweise 2D/3D-Bildverarbeitung ermöglicht es, analoge und digitale Prozesse nahtlos zu verknüpfen. Der Videoprojektor bringt digitale Informationen in die analoge Welt. Über 2D/3D-Bildverarbeitung beziehungsweise Tooltracking fließen Daten aus der manuellen Bearbeitung dann wieder zurück in das digitale Modell, den sogenannten Digitalen Zwilling. So weiß der Projektor, dass ein Arbeitsschritt erledigt ist, blendet ihn aus beziehungsweise schaltet um zum nächsten Arbeitsschritt. Dadurch lässt sich der Fertigungsprozess vom Entwurf bis zur Qualitätssicherung komplett digital darstellen und eine zu 100 Prozent digitale Prozesskette erreichen.

Wie funktioniert die skalierbare, dynamische 3D-Videoprojektion?

Die Grundlage der WERKLICHT-Videoprojektionssysteme sind handelsübliche Videoprojektoren, die mobil oder statisch in der Produktionsumgebung fixiert sind und durch die WERKLICHT 3D-Software einzeln oder im Verbund angesteuert werden. Im ersten Schritt prüfen Kunden zunächst, ob der Einsatz von Videoprojektoren für die betreffenden Bauteile geeignet ist. Denn am besten funktioniert die Videoprojektion auf matten und hellen Oberflächen. Auch die Bedingungen in der Fertigungshalle spielen eine Rolle. Für sehr dunkle oder spiegelnde Oberflächen beziehungsweise in sehr hellen Umgebungen ist die Laserprojektion möglicherweise besser geeignet.

Für die Auswahl der Projektoren sind die folgenden Parameter ausschlaggebend:

  • Größe des auszuleuchtenden Bereichs: Bei mobilen Systemen können relevante Bereiche durch ein Bewegen des Projektors auf dem Stativ sequenziell bearbeitet werden, was insbesondere bei komplex geformten Bauteilen oder generell bei längeren Taktzeiten Sinn macht. Bei statischen Systemen hingegen muss der gesamte Arbeitsbereich in Betracht gezogen werden. Die benötigte Anzahl an Projektoren kann im Rahmen einer einfachen Simulation ermittelt werden.
  • Umgebungshelligkeit: Die klare Darstellung der Projektion hängt von der Umgebungshelligkeit ab. Typische Arbeitsplatzbeleuchtung von ca. 500 Lux ist meist unproblematisch; insbesondere Sonnenlicht im betreffenden Bereich sollte jedoch minimiert werden. Auch künstliche Beleuchtung lässt sich in den relevanten Bereichen dimmen oder abschalten, um den Kontrast der Darstellung zu verbessern. Die Beleuchtung erfolgt in diesem Fall durch den Projektor selbst: Er projiziert die anzuzeigenden Informationen invers, das heißt dunkel vor weißem Hintergrund. Dies ist in der Regel die kostengünstigere Lösung, denn lichtstarke Projektoren sind teurer.
  • Geforderte Präzision: Die Videoprojektion arbeitet mathematisch gesehen mit Sub-Pixel-Genauigkeit. Dennoch ist die Darstellungsgenauigkeit von der Größe eines einzelnen Pixels abhängig, das entweder leuchtet oder nicht. Demnach lässt sich die Präzision der Darstellung erhöhen, indem entweder eine höhere Auflösung verwendet wird oder alternativ mehr Projektoren mit entsprechend kleineren Arbeitsbereichen eingesetzt werden.
  • Mögliche Arbeitsabstände: Die räumliche Situation ist ausschlaggebend für die Installation des Videoprojektionssystems. Beispielsweise beschränken zusätzliche Installationen wie etwa Kranbahnen oder niedrige Hallendecken den Platz, an dem Projektoren 

und Kameras befestigt werden können. WERKLICHT 3D bietet eine Vielzahl an Optionen, die sich an die individuellen Anforderungen eines Arbeitsbereichs anpassen lassen.

Um eine präzise Darstellung zu erreichen, werden die handelsüblichen Videoprojektoren vor dem Einsatz mit einem speziellen mathematischen Verfahren intrinsisch 3D-kalibriert. In statischen Umgebungen muss dies nur einmalig im Rahmen der Montage vor Ort durchgeführt werden. Für dynamisch bewegte Bauteile beziehungsweise auch für automatisierte Qualitätsprüfung händischer Montageschritte werden zusätzlich Kameras in die Umgebung integriert. Für mobil einzusetzende Projektionssysteme wird der Projektor mit einem speziellen WERKLICHT Stereo-Kamerasystem kombiniert. Mittels der Kameras kann die intrinsische 3D-Kalibrierung des Systems jederzeit wiederholt werden, etwa wenn die Zoom- oder Fokuseinstellungen des Projektors verändert wurden. Bei mehreren Projektoren wird über die Kameras auch gleich die extrinsische Verbundkalibrierung automatisch durchgeführt. 

Für die dynamische Videoprojektion der relevanten Informationen werden die Projektoren auf vorab festgelegte Referenzpunkte am Bauteil eingemessen. Sowohl die Projektoren als auch das Bauteil lassen sich danach bewegen, denn die Projektion passt sich mittels markerbasiertem/markerlosem Tracking automatisch der veränderten Position an. Dies macht das System sehr mobil und flexibel. Als Grundlage für die Projektion am Bauteil dienen 3D-Daten. Hier können alle gängigen CAD-Formate benutzt werden, ebenso wie CSV-Dateien oder Mess- und Simulationsdaten. Diese Daten werden über eine Standard-Schnittstelle direkt aus dem Produktionssystem in eine spezielle Software importiert. Die WERKLICHT 3D-Software ist dabei in der Lage, die CAD-, Mess- oder Simulationsdaten auf einen Klick zu visualisieren. Damit können Anwender ihre Daten sofort in Projektionen umwandeln und Augmented Reality nutzen, ohne dass erst ein hoher Programmieraufwand nötig wird – dies funktioniert auch vollautomatisiert. 

Zusätzlich lassen sich 2D-Daten verwenden, beispielsweise, um auf dem Bauteil oder dem Arbeitstisch neben dem Bauteil zusätzliche Hinweise anzeigen zu lassen. Auf diese Weise lassen sich auch ad hoc Informationen beziehungsweise Inhalte ohne unmittelbaren räumlichen Bezug zum Bauteil hinzufügen.

Im Folgenden werden zwei typische Anwendungsszenarien gezeigt.

Dynamische Videoprojektion in der Praxis

Im Folgenden werden zwei typische Anwendungsszenarien gezeigt:

Die Videoprojektion macht direkt am Bauteil Positionierungen und Abmessungen sichtbar, die im Produktionssystem nur als Daten vorliegen. Die 3D-Visualisierung hilft Fertigungsteams, Fehler im Produktionsprozess zu vermeiden und selbst komplexe Aufgaben effizient durchzuführen. Zudem unterstützt sie schnellere Entscheidungen, etwa bei der Fehleranalyse. Da Messdaten und Abweichungen direkt am Bauteil sichtbar werden, wird der Sachverhalt für alle Beteiligten verständlich und die Diskussion im Team einfacher.

Beispiel für eine statische Videoprojektionslösung: Positionierung und Verkabelung von Kabelsträngen

Ein Beispiel für eine statische Lösung ist die richtige Positionierung und Verkabelung von Kabelsträngen an Dachhimmeln. Dabei liegt der Dachhimmel in einer Vorrichtung reproduzierbar auf einem Tisch und oberhalb sind zwei Projektoren statisch an einer Traverse befestigt. Die Video-Projektoren sind so ausgerichtet, dass keine Bewegung oder manuelle Ausrichtung seitens der Werker erfolgen muss, da diese das gesamte Bauteil ausleuchten. Über einen Barcode am Dachhimmel, den der zuständige Werker einscannt, erkennt die WERKLICHT 3D-Software, welche Variante des Werkstücks vorliegt, sodass entsprechende Projektion unmittelbar angezeigt werden kann. Für jede neue Produktvariante müssen hierfür einmalig die entsprechenden Projektionsinhalte im Projekt hinterlegt werden. Bei sehr vielen Produktvarianten kann sogar dieser einmalige Teaching-Vorgang vollautomatisiert werden, sofern die CAD-Daten sinnvoll über den Strukturbaum beziehungsweise Layer gegliedert sind. Die Mitarbeiter orientieren sich für ihre Arbeitsschritte vor allem an audiovisuellen Hinweisen. Zusätzliche Kameras sorgen gleich für eine automatische Dokumentation der manuellen Montageschritte für Qualitätszwecke. Die Referenzierung der langlebigen und für den 24/7-Betrieb ausgelegten Projektoren erfolgt über jeweils sechs Merkmale, die im Vorfeld während der Arbeits- und Datenvorbereitung für den jeweiligen Dachhimmel anhand des CAD-Modells festgelegt wurden und mittels projizierter Fadenkreuze angepeilt werden können. 

Die Referenzierung lässt sich jederzeit leicht durch ein Verschieben der Fadenkreuze per Fernbedienung korrigieren, sollte sich die Lage der WERKLICHT-Projektoren etwa durch Temperaturschwankungen im Jahresverlauf leicht verändern.
Die Lösung kommt bereits bei einem japanischen Autohersteller zum Einsatz.

Beispiel für eine dynamische Videoprojektionslösung: Die Messdatenvisualisierung am Meisterbock

In der Automobilproduktion ist es üblich, die einzelnen Bauteile eines Fahrzeugs zunächst auf dem sogenannten Meisterbock passgenau aufeinander abzustimmen. Dabei geht es um Maßgenauigkeiten im Zehntelmillimeterbereich. Mit der WERKLICHT-Lösung lassen sich etwaige Abweichungen, welche zuvor durch taktile oder photogrammetrische Koordinatenmesstechnik ermittelt wurden, unmittelbar und intuitiv visualisieren. Die Messdaten werden hierfür einfach im CSV-Format beziehungsweise als Netzdaten aus der Messsoftware exportiert und in WERKLICHT3D importiert. Die Videoprojektionslösung ist in diesem Fall mobil auf einem Stativ beziehungsweise an einem Schwenkarm angebracht und wird dynamisch um das Bauteil bewegt. Als Grundlage für die Referenzierung können bereits eingemessene codierte oder uncodierte Marker unmittelbar herangezogen werden. Ihre Koordinaten werden wie die Messdaten selbst einfach aus der Messsoftware übernommen. Alternativ bietet sich aber auch eine RPS-Ausrichtung über Regelgeometrien an, welche in WERKLICHT3D einfach auf Basis der CAD-Daten konfiguriert werden kann. Um die Baugruppe zu auditieren, projiziert das System entweder großflächige Messprotokolle als Falschfarben, oder punktuelle Abweichungsdaten beziehungsweise Partikelmesswerte. Die Visualisierung hängt hierbei vom Anwendungsfall ab. Bei Spaltbündigkeit werden beispielsweise einzelne Zahlenwerte entlang des Spalts dargestellt. Auch die CAD-Daten der Bauteile lassen sich projizieren, sodass der ideale Zustand für alle Beteiligten sichtbar und anschaulich wird. Dank dynamischer Referenzierung bleibt die Projektion immer in der richtigen Lage und passt sich der Bauteilposition fortlaufend an.

 

FAQs

Häufig gestellte Fragen zu Videoprojektion in der Industrie

Was unterscheidet die dynamische 3D-Videoprojektion vom Einsatz von Beamern in der Industrie?
Gibt es einen Unterschied zwischen einem Beamer und einem Videoprojektor?
Sind Laser-Beamer die Zukunft der Videoprojektion?
Müssen Beamer beziehungsweise Videoprojektoren kalibriert werden?
Wie werden Videoprojektionsysteme kalibriert?
Wie reif ist Augmented Reality für die Industrie wirklich?
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