Präzise 2D-/3D-Messung mit Laser-Profil-Scannern

Moderne Dreiecksbeziehung

Abstände mit einer Messgenauigkeit im Submikrometerbereich erfassen – kein Problem für moderne Laserlicht-Sensoren, die das Prinzip der Winkelbeziehungen im Dreieck nutzen. Dehnt man das Messprinzip auf zwei Dimensionen aus, wird ein Laser zu einer Linie statt zu einem Punkt fokussiert: man spricht von der Laser-Linien-Triangulation.

 

Das Prinzip Dreiecksbeziehung

Das Prinzip der Triangulation – die geometrische Vermessung mit Hilfe von Dreiecksbeziehungen – ist bereits seit der Antike bekannt. Im 18. Jahrhundert hat sich diese Methode zur Landvermessung in Europa durchgesetzt. Aber auch in deutlich kleinerem Maßstab ist das Verfahren anwendbar. Mit der Laserlinien-Triangulation können Geometrien auf unterschiedlichen Oberflächen sehr präzise vermessen werden.

 

Triangulation mit Laserlicht

Um einen Triangulations-Sensor mit Laserlicht zu realisieren, wird ein Laserstrahl auf ein Messobjekt fokussiert. Eine unter einem festen Winkel zum Laserstrahl geneigte, ortsauflösende Sensorzeile detektiert die diffuse Reflexion an der Oberfläche. Ändert sich der Abstand zwischen Sensor und Messobjekt, so ändert sich auch der Winkel, unter dem das reflektierte Licht auf die Sensorzeile fällt, und damit auch die Position des reflektierten Lichts auf der Sensorzeile.

Über die Winkelbeziehungen im Dreieck lässt sich der Abstand zwischen Sensor und Oberfläche des Messobjekts berechnen. Mit diesem Messverfahren können Messgenauigkeiten bis in den Submikrometerbereich erreicht werden.

 

In der dritten Dimension

Das Messprinzip kann auch auf zwei Dimensionen ausgedehnt werden, indem der Laser zu einer Linie statt zu einem Punkt fokussiert wird – das Verfahren heißt dann Laser-Linien-Triangulation. Als Sensor dient dabei ein zweidimensionales Sensorelement statt einer Sensorzeile. Unter dem Winkel, aus dem das Sensorelement die Oberfläche betrachtet, wird aus der geraden Laser-Linie ein Profil der Oberfläche – man spricht daher auch von Laser-Profil-Sensoren.

Dieses Oberflächenprofil kann aus den Intensitätswerten des reflektierten Lichts, das auf das ortsempfindliche Sensorelement trifft, berechnet werden.

Will man noch die dritte Dimension hinzunehmen, so kann das Messobjekt senkrecht zur Laserlinie beziehungsweise der Profilsensor über das Messobjekt bewegt werden. Der Sensor wird zum 3D-Laser-Profil-Scanner und kann auf diese Weise ein dreidimensionales Bild der Oberfläche erstellen.

 

Einflussfaktoren bei der Laser-Triangulation

Die Leistungsfähigkeit eines Laser-Profil-Scanners ist von vielen Faktoren abhängig. Optimal ist es, wenn alle wesentlichen Komponenten – also die Laserquelle, die Optik zum Fokussieren der Laserlinie, die Empfangsoptik, und das Sensorelement – in einem Gehäuse untergebracht sind. Die thermische und mechanische Stabilität des Laser-Profil-Scanners kann dadurch einfacher kontrolliert werden. Auch der Abstand zwischen Sensor und Messobjekt sowie das Umgebungslicht haben einen Einfluss auf die Qualität des Messergebnisses.

Um Störlicht zu unterdrücken, ist ein Filter vor der Empfangsoptik installiert, der nur für die Wellenlänge des eingesetzten Lasers durchlässig ist. Neben diesen Einflussfaktoren spielen auch weitere technische Merkmale des Laser-Profil-Scanners eine Rolle. Die Qualität der Optik und der eingesetzten Laserdiode sind entscheidend dafür, wie gut die Linie auf das Messobjekt fokussiert werden kann.

Die Ortsauflösung der Sensormatrix und die Leistungsfähigkeit des eingesetzten Prozessors sind maßgeblich dafür, wie präzise und wie schnell aus dem reflektierten Licht ein Oberflächenprofil berechnet werden kann. Auch die Wellenlänge des Laserlichts spielt eine Rolle für die Präzision des Messergebnisses. Die Laserlinie einer blauen Laserdiode lässt sich deutlich schärfer auf das Messobjekt fokussieren als bei den üblicherweise verwendeten roten Laserdioden. Blaues Laserlicht dringt nicht so weit in die Oberfläche ein, was zu einer weiteren Verbesserung beiträgt.

Gerade Oberflächen, die mit herkömmlichen Laser-Profil-Scannern schwierig zu vermessen sind – etwa organische Materialien, wie Holz oder Lebensmittel, und semitransparente Materialien –, lassen sich mit Laser-Profil-Scannern, die auf blauen Laserdioden basieren, deutlich besser vermessen.

 

Leistungsfähige Scanner

Micro-Epsilon bietet ein großes Spektrum an Laser-Profil-Scannern an, die nach dem Prinzip der Laser-Linien-Triangulation arbeiten. Dazu gehört unter anderem die scanCONTROL Produktfamilie leistungsfähiger Profilsensoren. Die Scanner arbeiten mit einer CMOS-Sensormatrix, welche eine Auflösung entlang der x-Richtung – das ist die Richtung der Laserlinie auf der Oberfläche – von bis zu 1.280 Punkten haben.

Einen neuen Maßstab in der Profilauflösung setzt das Modell scanCONTROL 29xx-10 BL mit einer Länge der Laserlinie von 10 mm. Daraus ergibt sich ein Punktabstand von nur 7,8 µm, wodurch dieser Laser-Profil-Scanner mehr als doppelt so hoch auflöst, wie die bisherigen Laserscanner mit 25 mm Messbereich. Die Auflösung in z-Richtung kann je nach Modell sogar bis zu 1 µm betragen.

Mit dieser hohen Genauigkeit sind die Laser-Profil-Scanner in der Lage, auch kleinste Teile mit höchster Präzision zu vermessen. Die Auflösung entlang der y-Achse hängt im Wesentlichen davon ab, wie präzise das Messobjekt relativ zum Scanner bewegt werden kann. Mit Messraten von bis zu 4.000 Hz lassen sich so Oberflächen nicht nur präzise, sondern auch schnell vermessen.

 

Integrierter Controller

Die Laser-Profil-Scanner der Produktserie verfügen über einen Controller, der bereits im Gehäuse integriert ist. Dieser berechnet aus den Intensitätswerten auf der CMOS-Sensormatrix das zweidimensionale Profil der Oberfläche. Auch eine Auswertung der Profile ist mit den sogenannten SMART-Modellen möglich. Damit lassen sich häufig wiederkehrende einfache oder komplexe Messaufgaben direkt im Scanner realisieren und als Messwert ausgeben. Die  Parametrierung  erfolgt  über  die  PC-Software  Configuration Tools beispielsweise für Stufen, Winkel oder Nuten. Die Parametersätze werden direkt im Sensor gespeichert. Auch die Ausgabe eines IO-/ NIO-Signals ist möglich.

Das erspart dem Anwender die Verwendung einer externen Steuerungs- oder Auswerteeinheit. So lässt sich beispielsweise die Höhe einer Stufe auf einer Oberfläche vermessen. Die Höhe kann dann über eine der Schnittstellen analog oder digital ausgegeben werden. Zusätzlich oder alternativ kann der Controller das Signal „in Ordnung“ ausgegeben, falls der Wert in einem vorgegebenen Bereich liegt, anderenfalls das Signal „nicht in Ordnung“.

Aus insgesamt 26 Messprogrammen kann ein individueller Parametersatz mit bis zu acht Programmen gleichzeitig auf dem Scanner verwendet werden (so genannte Usermodes). Des Weiteren besteht die Möglichkeit, bis zu 15 dieser Parametersätze auf dem Scanner zu hinterlegen und beispielsweise über die digitalen Eingänge umzuschalten.

 

Externe Datenauswertung

Wenn der Anwender die Auswertung der Profildaten extern vornehmen möchte, kann der Laser-Profil-Scanner auch die gesamten Rohprofile der Sensormatrix ausgeben. Zur Anbindung an einen PC ist eine Ethernet-Schnittstelle mit GigE-Vision vorhanden. Um die Einbindung in eigene Software zu erleichtern, werden Bibliotheken für C, C++ und C# sowie LabView-Treiber zur Verfügung gestellt. Auch eine Integration in Linux-Umgebungen ist durch entsprechende Bibliotheken problemlos möglich.

 

Vielfältige  Anwendungsmöglichkeiten

Die Laser-Profil-Scanner von Micro-Epsilon werden in den verschiedensten Anwendungen eingesetzt. Überall dort, wo hohe Messgenauigkeit und Auflösung gefragt sind, können die Geräte der Serie scanCONTROL ihre Stärken ausspielen. Typische Anwendungen finden sich in der Feinmechanik, der Elektronik und der Fertigung von Präzisionsteilen. Auch die Qualitätskontrolle beim Laserschweißen ist möglich. Für diese und andere Anwendungen, bei denen raue Umgebungsbedingungen herrschen, bietet der Hersteller spezielles Zubehör an, das den Scanner schützt.

So ist etwa für Schweißapplikation ein spezielles Schutzgehäuse erhältlich, dessen Schutzscheiben austauschbar sind. Eine zusätzliche Druckluftspülung schützt die optischen Komponenten vor Staubablagerungen. Bei hohen Umgebungstemperaturen kann das Produkt in ein gekühltes Gehäuse eingebaut werden. Die Position von Rasierklingen, die Vollständigkeit von Schweißnähten, die optimale Dosierung von Klebstoffen oder das richtige Spaltmaß von Autokarosserien – all diese Anwendungen wuden mit den präzisen Laser-Profil-Scannern von in den vergangenen Jahren erfolgreich realisiert.

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