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Industrielle Automation 3/2017

Industrielle Automation 3/2017

SENSOR+TEST

SENSOR+TEST 2017 I MESSE Exakt bis in den Submikrometerbereich Laser-Profil-Scanner erlauben präzise 2D-/3D-Messungen in zahlreichen Anwendungsbereichen 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. 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 bzw. 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 auf die Qualität des Messergebnisses Die geometrische Vermessung von Objekten mithilfe von Dreiecksbeziehungen wird als Messprinzip der Triangulation bezeichnet. Sie erlaubt nicht nur die Vermessung großer Flächen, sondern lässt sich auch in deutlich kleinerem Maßstab anwenden. Mit der Laserlinien-Triangulation können Geometrien selbst auf unterschiedlichen Oberflächen sehr präzise vermessen werden. Und das macht sie nahezu unschlagbar im Vergleich zu anderen Verfahren. B. Eng. Martin Hanisch, Beratung & Vertrieb 2D/3D Optische Messtechnik, Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG, Ortenburg Die Leistungsfähigkeit eines solchen Laser- Profil-Scanners ist von vielen Faktoren abhängig. Ideal 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 und 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. Zudem sind die Qualität der Optik und der eingesetzten Laserdiode 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 schnell aus dem reflektierten Licht ein Oberflächenprofil berechnet werden kann. Auch die Wellenlänge des Laserlichts spielt eine Rolle: 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. Oberflächen, die mit herkömmlichen Laser-Profil-Scannern schwierig zu vermessen sind, beispielweise organische Materialien wie Holz oder Lebensmittel, und semitransparente Materialien, lassen sich mit Laser-Profil-Scannern, die auf blauen Laserdioden basieren, deutlich besser vermessen. 20 INDUSTRIELLE AUTOMATION 3/2017

Präzise, schnell und vielseitig Micro-Epsilon bietet ein großes Spektrum an Laser-Profil-Scannern an, die nach dem Prinzip der Laser-Linien-Triangulation arbeiten. Die Produktfamilie Scancontrol gehört zu den weltweit leistungsfähigsten Profilsensoren. Die Scanner arbeiten mit einer CMOS-Sensormatrix, die 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 äußerst präzise, sondern auch schnell vermessen. Komplexe Messaufgaben direkt im Scanner realisieren Die Laser-Profil-Scanner der Serie Scancontrol haben einen leistungsfähigen 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. Möchten Anwender die Auswertung der Profildaten extern vornehmen, 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, stellt Micro-Epsilon Bibliotheken für C, C++ und C# sowie LabView-Treiber zur Verfügung. Auch eine Integration in Linux- Umgebungen ist durch entsprechende Bibliotheken problemlos möglich. 01 Messprinzip eines Triangulations- Sensors mit Laserlicht Von der Feinmechanik bis hin zur Kontrolle beim Laserschweißen Typische Anwendungen der Geräteserie Scancontrol finden sich in der Feinmechanik, der Elektronik und der Fertigung von Präzisionsteilen. Auch die Qualitätskontrolle beim Laserschweißen ist möglich. Herrschen raue Umgebungsbedingungen, so bietet Micro-Epsilon 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 der Scanner 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 sind mit den präzisen Laser-Profil- Scannern von Micro-Epsilon in den vergangenen Jahren erfolgreich realisiert worden. Fotos: Micro-Epsilon CAUTION HOT Unsere neue portable Wärmebildkamera PYROVIEW 480N portable Bild: Shutterstock.de/Can Erdem Satma Besuchen Sie uns auf der Sensor + Test! 30.05. – 01.06.17 Halle 5, Stand 5-258 www.micro-epsilon.de 02 Die Laser-Profil-Scanner arbeiten nach dem Prinzip der Laser-Linien-Triangulation und eignen sich für präzise Messungen auf winzigen Objekten DIAS: Entwicklung, Fertigung, Vertrieb und Service aus einer Hand www.dias-infrared.de

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