High-Speed Profilmessung für industrielle Anwendungen

Die Lasertriangulation gleicht im Prinzip der Methode, wie sie auch bei der Landvermessung mit einem Theodolithen verwendet wird. Ein Laser projiziert auf die zu messende Oberfläche einen Lichtfleck, der mit einer Kamera beobachtet wird. Ändert sich nun der Abstand zwischen Sensor und Oberfläche, ändert sich dadurch auch der Winkel, unter dem die Kamera den Lichtfleck aufnimmt. Durch einfache trigonometrische Berechnung kann damit die Abstandsänderung sehr genau bestimmt werden. Die mögliche Auflösung geht dabei bis hinunter in den Submikrometerbereich.

Erweiterung auf zwei oder drei Dimensionen

Verwendet man anstelle eines einzelnen Lichtflecks eine Linie aus unendlich vielen Punkten, so kann das Verfahren auf zwei Dimensionen ausgedehnt werden (Bild 1). Aus dem Abbild der Laserlinie auf der Oberfläche, das durch die Kamera aufgenommen wird, kann dann ein Höhenprofil entlang der Laserlinie berechnet werden. Wird der Sensor über dem Objekt traversiert, entsteht ein exaktes dreidimensionales Höhenprofil der Oberfläche. Die Laser-Profilsensoren scanCONTROL 2800/2810 von Micro-Epsilon Messtechnik arbeiten genau nach dieser Messmethode. Das System besteht aus einem sehr kompakten Sensor, in dem der Laser und der Bildsensor untergebracht sind, und einem intelligenten Controller (Bild 2). Das System ist ideal für Aufgaben im industriellen Umfeld geeignet. Die integrierte FireWire-Schnittstelle gewährleistet sowohl die vollständige Steuerbarkeit von einem PC aus als auch hohe Datenraten bei garantierter Bandbreite.

Zur Aufnahme des Bildes kommt eine CMOS-Matrix mit globalem, elektronischem Verschluss zum Einsatz. Dieser so genannte High-Speed-Shutter erlaubt das gleichzeitige Auslesen aller Pixel des Gesamtbildes. Die Messung erfolgt daher für alle Punkte entlang der Laserlinie synchron, womit eine Verzerrung des Messbildes bei bewegten Objekten ausgeschlossen ist. Der Verschluss kann zudem über einen externen Triggereingang am Controller in Echtzeit gesteuert werden. Dadurch lassen sich auch mehrere Messsysteme untereinander synchronisieren. Der Verschluss macht das Messsystem nahezu unabhängig von Geschwindigkeit und Beschleunigung des Messobjekts. Gerade wenn die Geschwindigkeiten in einem Prozess variieren, ist dies entscheidend, um kurze Durchlaufzeiten sicherzustellen.

Die speziell entwickelte CMOS-Matrix ist extrem leistungsfähig und unterstützt das Belichten des nächsten Bildes noch während des Auslesens des aktuellen Bildes. Der Vorteil liegt darin, dass dadurch höhere Messfrequenzen möglich sind, selbst wenn die Oberfläche des Messobjektes zwischen glänzend und stark absorbierend wechselt. Je nach Anwendung kann durch das variable Messfeld entweder die Datenverarbeitungsrate oder die Pixelauflösung (x- oder z-Achse) gesteigert werden. Pro Sekunde werden maximal 256.000 Punkte verarbeitet. Bei einer Auflösung von 1024 Punkten pro Profil können daher 250 Profile pro Sekunde aufgenommen werden. Wird die Auflösung dagegen auf 64 Punkte reduziert, steigt die Messrate auf maximal 4.000 Profile pro Sekunde.

Profile mit hoher Geschwindigkeit vermessen

Das System scanCONTROL 2810 wurde speziell für die Vermessung von Raupen (z. B. Schweißnaht) oder Rillen (z. B. Spalt oder Nut) entwickelt. Das System wertet intern die gemessenen Profile aus und ermittelt dabei verschiedene Parameter direkt im Controller. Über die digitalen und analogen Ausgänge können so Steuersignale erzeugt werden, die beispielsweise proportional zur Spaltbreite oder anderer typischer Messgrößen sind. Da die Signalverarbeitung und Auswertung direkt im Controller erfolgt ist ein zusätzlicher PC nicht zwingend notwendig. Das System ist über die im Lieferumfang enthaltene Parametriersoftware ICONNECT einfach konfigurierbar (Bild 3). Mit der Software kann der Anwender verschiedene Prüfkriterien und Randbedingungen einstellen, die dann im Controller gespeichert werden.

Sind die Messaufgaben anspruchsvoller, kann das System auch mit einem PC betrieben werden. Micro-Epsilon bietet dazu einem speziellen Hutschienen-Industrie-PC an, der neben der Parametrierung auch zum Visualisieren und Speichern eingesetzt werden kann. So können ganze Messvorgänge protokolliert und archiviert werden. Außerdem lassen sich so verschiedene Parametereinstellungen speichern, so dass das System schnell und einfach zwischen verschiedenen Messaufgaben umgeschaltet werden kann.

Anwendung beim Verkleben von Windschutzscheiben

In der Automobilproduktion werden heute Scheiben in aller Regel geklebt. Der Fertigungsprozess also das Aufbringen des Klebers auf Glas ist sehr kritisch und ist bisher nur schwierig zu kontrollieren. Der exakte Auftrag des Spezialklebers, der durch einen Roboter erfolgt, ist dabei von entscheidender Bedeutung (Bild 4). Es ist aber nicht ausreichend nur zu überprüfen, ob der Kleber aufgebracht wurde. Zusätzlich müssen auch die Höhe und Breite der Kleberaupe und deren Position relativ zur Abschlussleiste innerhalb enger Toleranzwerte liegen. Der Roboter, der den Klebauftrag auf der Leiste vornimmt, nimmt in einer zweiten Bewegung auch die Kontrolle vor. Zum Einsatz kommt dabei das System scanCONTROL 2810. Das System vermisst das Kleberaupenprofil und berechnet die wichtigen Parameter online direkt im Controller. Das System beurteilt die Lage der Kleberaupe relativ zur Leiste, ermittelt die Breite und die Höhe und stellt Abweichung von den Toleranzwerten als Steuersignale über digitale Ausgänge zur Verfügung. Die Toleranzgrenzen für Höhe, Breite und Lage der Kleberaupe werden über die Parametriersoftware direkt im Controller konfiguriert. Das gesamte System läuft in der Anlage somit unabhängig von einem externen PC.

Um die Kleberaupe auch bei Kurven der Raupenspur oder Ausbuchtungen und Dellen im Material korrekt zu erkennen, kann ein Ankerpunkt des Profils definiert werden. Dieser Ankerpunkt dient als Bezugsmerkmal, um eine Orientierung am Messobjekt herzustellen, z. B. die Nachführung der zu überwachenden Bereiche einer Kleberaupe. Aus diesem Grund muss die Scanlinie entlang von Ausbuchtungen oder Erhebungen nicht exakt nachgeführt werden. Speziell bei Kleberaupen mit verschiedenen Radien oder einem sehr unebenen Grundmaterial vereinfacht dies die Kontrolle.

Die entscheidenden Gründe für die Wahl von scanCONTROL in dieser Anwendung waren neben der hohen Geschwindigkeit vor allem der einfache und robuste Systemaufbau. Dazu beigetragen hat neben dem kompakten Sensor auch, dass die Analyse und Auswertung der gemessenen Daten direkt im Controller erfolgt und die Ausgabe direkt über einen digitalen Ausgang möglich ist.

Flexibles System

Die möglichen Anwendungen dieser Messmethode sind vielfältig. Überall dort, wo Oberflächen oder Profile exakt und mit hoher Geschwindigkeit vermessen werden müssen, kommen diese universell einsetzbaren Sensoren zum Zug. Die typischen Anwendungen reichen dabei von der Qualitätssicherung bei der Produktion von Autoreifen, über die Inspektion von Schweißnähten bis hin zur Vermessung von Eisenbahnschienen.