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Laserscanner 3D-Daten, IR-Messdaten sowie Bildinformationen

| Autor / Redakteur: Klaus Vollrath / Anne Richter

Der neu entwickelte Laserscanner BLK 360 vom Präzisionsgeräte-Hersteller Leica Geosystems bietet eine einmalige Kombination von Eigenschaften. Einen wichtigen Beitrag zur Realisierung des neu konzipierten Messgerätes leistete der Hochpräzisionsbearbeitungsspezialist Polymeca.

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Kombiniertes Bild aus Laserscan und Fotos als Hilfsmittel für die Architektur.
Kombiniertes Bild aus Laserscan und Fotos als Hilfsmittel für die Architektur.
(Bild: Leica Geosystems)

«Unser Auftrag lautete, einen neuartigen Jedermann-Laserscanner zu entwickeln, der auch neuen Anwendergruppen den Einsatz dieser faszinierenden Technologie ermöglichen würde», erläutert Simon Mark, Leiter Strategische Innovationen bei Leica Geosystems AG in Heerbrugg. Laserscanner, welche ihre Umgebung mithilfe von Laserimpulsen abtasten und aus der Zeit zwischen Aussenden und Empfang der Pulse die exakten Koordinaten der Messpunkte ermitteln, werden in zahlreichen Bereichen der Architektur, des Vermessungs- und Bauwesens, der Archäologie oder der Filmbranche bereits seit Jahrzehnten mit grossem Erfolg eingesetzt. Sie ermöglichen die grossräumige Erfassung von Räumen und Objekten in Form von Punktwolken mit hoher Auflösung. Mithilfe ausgefeilter Software können im Computer daraus 3D-Darstellungen erzeugt und für unterschiedlichste Einsatzzwecke genutzt werden. Die bisher am Markt verfügbaren Geräte waren jedoch preislich deutlich höher angesiedelt, aufwendig zu transportieren und erforderten speziell ausgebildetes Personal. Vom Entwicklungsteam wurden jetzt Verbesserungen in einem Umfang gefordert, die im Vergleich zum Stand der Technik geradezu einem Quantensprung entsprachen. Die Neuentwicklung sollte klein, leicht und handlich sein, auf Knopfdruck funktionieren, zusätzlich zu Raumkoordinaten auch noch farbige Bild- sowie Infrarotinformationen liefern und erheblich günstiger sein als alles, was sonst auf dem Markt verfügbar war. Und – last, but not least – sollte das Gerät uneingeschränkt den Qualitätsanforderungen von Leica Geosystems entsprechen. Projektstart war Juni 2015, verlangt wurde, so S. Mark, «das fast Unmögliche».

Vollständige Raumerfassung in drei Minuten mit einer Genauigkeit von 4 mm/10 m

«Das anfangs aus knapp zehn Mitarbeitern bestehende Team wuchs im Lauf der Entwicklung auf zeitweise bis zu 40 Personen an», erinnert sich S. Mark. Es umfasste Fachleute aus vielen unterschiedlichen Bereichen wie Elektronik, Optik, Mechanik, Bildverarbeitung, Software, Produktionsplanung oder Supply-Chain-Management. Dank ihres Engagements gelang es den Mitarbeitern, die gesamte, äusserst komplexe Aufgabe in knapp anderthalb Jahren zu bewältigen: Bereits im November 2016 konnte das Gerät angekündigt werden, und schon im Frühjahr/Sommer 2017 erfolgten die ersten Auslieferungen. Das kleine, handliche Gerät in Form einer mittig geteilten Kuppel wiegt nur 1 kg, kann sowohl mit einem Stativ als auch direkt auf einer Unterlage stehend eingesetzt werden und wird mit einem einzigen Knopfdruck gestartet. Danach läuft die gesamte Messsequenz vollautomatisch ab, die Daten werden auf einem Tablet gespeichert und können sofort verarbeitet und angesehen werden. Die Reichweite liegt bei 60 Metern, die Genauigkeit bei 4 mm/10 m und die Messrate bei 360 000 Punkten/Sekunde. Eine vollständige Raumerfassung ist in nur drei Minuten erledigt, wobei jedem Messpunkt zugleich Farb- und Infrarotinformationen zugeordnet sind. Dies ermöglicht auch die Verknüpfung von Raumkoordinaten mit Bildinformationen z. B. für Virtual-Reality-Anwendungen. Das Gerät erfreut sich grosser Beliebtheit bei Architekten, Tunnelbauern, Filmschaffenden, Raumausstattern oder Fabrikplanern, die z. B. in einer Werkshalle zusätzliche Ausrüstung zwischen vorhandenen Installationen unterbringen müssen. Dank der Infrarotkamera lassen sich teils sogar unter der Oberfläche verlaufende Leitungen erkennen.

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Entwicklungszusammenarbeit mit Polymeca

«Zu den entscheidenden Komponenten des Geräts gehören auch die mechanisch bearbeiteten Metallkomponenten wie das Chassis oder die Kuppelhälften», ergänzt Heinz Staub, Verkaufsleiter bei Polymeca, einem Hersteller von mechanischen Präzisionskomponenten in der Dreiländerecke D-A-CH. Bei der Entwicklung kam es zu einer intensiven Zusammenarbeit mit dem Team von Leica Geosystems. Zwar gehören beide Unternehmen inzwischen zum gleichen Konzern, doch musste Polymeca ungeachtet dessen zunächst ein kritisches Auswahlverfahren durchlaufen, bevor sie als Lieferant akzeptiert wurde. Ausschlaggebend für den Zuschlag waren das spezielle Know-how sowie die umfassende Erfahrung, die bei Polymeca aufgrund der jahrzehntelangen Zusammenarbeit mit führenden Firmen innerhalb und ausserhalb des Mutterkonzerns Hexagon vorhanden sind. Zudem ist das Unternehmen sehr breitbandig aufgestellt, nicht nur mit Blick auf die mechanische Bearbeitung mit höchster Präzision, sondern auch was anspruchsvolle Oberflächenveredelungen angeht. Ein wesentlicher Pluspunkt ist darüber hinaus, dass dies alles aus einer Hand durchgeführt wird, so dass keine aufwendige Lieferkette mit zahlreichen Unterlieferanten nebst dazwischengeschalteten Transport-, Handling- und Prüfabläufen aufgebaut werden muss. Zudem konnte Polymeca dank der eigenen Labors und technischen Einrichtungen auch beim Entwicklungsprozess schnell und effizient komplexe Prozesslösungen passend zu den Wünschen der Designmannschaft konzipieren, optimieren und validieren. Diese One-Stop-Shop-Befähigung ist auf dem Markt der Präzisionsbearbeitung nicht allzu häufig zu finden.

Äusserst genaue und zugleich langzeitstabile Orientierung der Kameras

«Als Beispiel für die geforderte Präzision kann die Kuppelteilschale mit den Kameramodulen dienen», sagt H. Staub. Diese sind zusammen in unterschiedlichen Winkeln im Gehäuse angeordnet. Aus den Bildern wird per Software durch Überlagerung ein einziges erzeugt, dessen Pixeldaten anschliessend mit den Entfernungsinformationen des Laserscanners und den Infrarotdaten des IR-Sensors verknüpft werden. Dazu müssen die 15-Megapixel-Kameras sowohl von der Orientierung her als auch bezüglich ihrer Farbeigenschaft gemeinsam kalibriert werden. Voraussetzung hierfür ist eine äus­serst genaue und zugleich langzeitstabile Orientierung der Kameras samt der dazugehörigen Hilfslichtquellen sowie der IR-Kamera. Diese Schale sowie weitere metallische Komponenten wie der Batteriefachdeckel werden von Polymeca mechanisch bearbeitet und oberflächenveredelt. An­schliessend wird das gesamte Subsystem mit Zubehörteilen, Kamera- und Sensorausstattung sowie zugehöriger Elektronik komplett montiert, getestet und einbaufertig ausgeliefert. Zu den Besonderheiten der Kameraausstattung gehört ihr High-Dynamic-Range(HDR)-Modus. Dabei werden schnell hintereinander mehrere Aufnahmen mit stark unterschiedlicher Lichtempfindlichkeitseinstellung gemacht. Die Verrechnung der entsprechenden Bildinformationen ergibt ein Bild mit deutlich erhöhter Informationstiefe in Bit, so dass Über- oder Unterbelichtung auch bei stark wechselnden Helligkeiten vermieden werden können.

Speziell entwickelte Oberflächenbehandlung

«Zu den wichtigen Aspekten bei der Entwicklung des Geräts gehörten auch seine Optik und Haptik», sagt S. Mark. Hier wurde gerade angesichts des günstigen Preises grösster Wert darauf gelegt, dass der Scanner auch von diesen Eigenschaften her dem hochwertigen Markenimage von Leica Geosystems entspricht. Eine einfache Eloxalbeschichtung, auf der jeder Fingerabdruck sofort zu sehen wäre, kam daher von vornherein nicht in Frage. Da Polymeca auch die Beschichtungen seiner Produkte selbst entwickelt und mit eigenen Anlagen aufbringt, wurde dort für die Geräte eine ganz spezielle Oberflächenbehandlung kreiert, wozu auch eine besondere Oberflächenstruktur gehört. Diese führt in Verbindung mit der Beschichtung zu einer samtigen, mattschwarzen Oberfläche, die hohen ästhetischen Ansprüchen genügt und leicht zu reinigen ist. Diese Entwicklung, die dem Gerät ein Quasi-Alleinstellungsmerkmal verleiht, war für Polymeca trotz der vorhandenen Erfahrung eine echte Herausforderung, die umfassende Tests und Versuchsreihen erforderte, bis die hohen Anforderungen vollumfänglich erfüllt werden konnten. Die Strenge der Vorgaben lässt sich auch daran ermessen, dass der gebogene Deckel des Batteriefachs, der sich seitlich im unteren Bereich des kuppelförmigen Gehäuses befindet, auch von der Oberflächenstruktur her exakt der Optik des übrigen Gehäuses entsprechen musste.

Bearbeiter als Systempartner

«Polymeca war bei diesem Projekt die richtige Wahl. Im Laufe der Zusammenarbeit erwiesen sich deren Mitarbeiter als kompetente Mitstreiter bei der Entwicklung, die wichtige Beiträge und Ideen einbrachten», fasst S. Mark seine Erfahrung zusammen. Gestützt auf ihre umfassende Erfahrung und Ausstattung in Bereichen wie mechanische Bearbeitung, Messtechnik, Oberflächenveredelung, Baugruppenmontage und Qualitätssicherung habe Polymeca massgebliche Beiträge zum Gelingen des Projekts geleistet. Dies betraf auch die zur Umsetzung erforderlichen Produktionsprozesse. Deren Auslegung und Optimierung seien in enger Zusammenarbeit zwischen Polymeca und seinem Entwicklungsteam realisiert worden. SMM

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