Unter Triangulation versteht man die geometrische Vermessung mit Hilfe von Dreiecksbeziehungen. Das Prinzip der Triangulation ist bereits seit der Antike bekannt. Seit dem 18. Jahrhundert hat sie sich in Europa als bevorzugte Methode zur Landvermessung durchgesetzt. Aber Triangulation lässt sich auch in deutlich kleinerem Maßstab anwenden. Mit Hilfe von Laser-Linien-Triangulation können Geometrien auf unterschiedlichsten Oberflächen sehr präzise vermessen werden.
Grundprinzip der Triangulation
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 des Objekts. Ändert sich der Abstand zwischen Sensor und Messobjekt, so ändert sich auch der Winkel, unter dem das reflektierte Licht auf den Sensor fällt, und damit die Position des reflektierten Lichts auf der Sensorzeile. Über die bekannten Winkelbeziehungen im Dreieck lässt sich daraus der Abstand zwischen dem Sensor und der Oberfläche des Mess-
objekts berechnen. Mit diesem Verfahren sind Messgenauigkeiten bis in den Submikrometerbereich möglich.
Das beschriebene Messprinzip lässt sich auf zwei Dimensionen erweitern, indem der Laser zu einer Linie statt zu einem Punkt fokussiert wird. Das Verfahren heißt dann entsprechend Laser-Linien-Triangulation. Statt einer Sensorzeile kommt nun ein zweidimensionales Sensorelement (Sensormatrix) zum Einsatz. Unter dem Winkel, aus dem das Sensor-
element die zu vermessende Oberfläche „betrachtet“, wandelt sich die ursprünglich gerade Laserlinie entsprechend des Profils der Oberfläche. Man spricht darum auch von Laser-Profil-Sensoren. Das gesuchte Oberflächenprofil kann aus den Intensitätswerten des reflektierten Lichts, das auf die ortsempfindliche Sensormatrix trifft, berechnet werden. Auch die dritte Dimension lässt sich ergänzen, indem man das Messobjekt senkrecht zur Laserlinie (beziehungsweise der Profilsensor über das Messobjekt) bewegt. So wird der Sensor zum 3D-Laser-Profil-Scanner, der ein dreidimensionales Bild der Oberfläche erstellt.
Faktoren für mehr Leistung
Die Leistungsfähigkeit eines Laser-Profil-Scanners hängt von vielen Faktoren ab. Im Idealfall sind alle wesentlichen Komponenten, die Laserquelle, die Optik zum Fokussieren der Laserlinie, die Empfangsoptik und das Sensorelement nur in einem einzigen Gehäuse untergebracht. Dadurch ist die thermische und mechanische Stabilität des Scanners besser kontrollierbar. Auch das Umgebungslicht und der Abstand zwischen Sensor und Messobjekt wirken sich auf die Qualität des Messergebniss aus. Um Störlicht zu unterdrücken, werden Filter vor der Empfangsoptik installiert, die nur für die Wellenlänge des eingesetzten Lasers durchlässig sind.
Neben diesen Einflussfaktoren sind weitere technische Merkmale des Laser-Profil-Scanners von Bedeutung für seine Leistungsfähigkeit. Die Qualität der Optik und der eingesetzten Laserdiode entscheidet zum Beispiel darüber, wie gut die Linie auf das Messobjekt fokussiert werden kann. Die Präzision und Geschwindigkeit, mit der sich ein Oberflächenprofil aus dem reflektierten Licht berechnen lässt, hängt indes maßgeblich von der Ortsauflösung der Sensormatrix und der Leistungsfähigkeit des eingesetzten Prozessors ab.
Auch die Wellenlänge des Laserlichts spielt eine wichtige Rolle für die Genauigkeit des Messergebnisses. Bei einer blauen Laserdiode lässt sich die Laserlinie deutlich schärfer auf das Messobjekt fokussieren als bei den üblicherweise verwendeten roten Laserdioden. Die Tatsache, dass blaues Laserlicht nicht so weit in die Oberfläche eindringt, trägt zu einer weiteren Verbesserung bei. Vor allem bei Oberflächen, die sich mit herkömmlichen Laser-Profil-Scannern schwierig vermessen lassen, beispielsweise semitransparente Materialien oder organische Materialien wie Holz oder Lebensmittel, sind blaue Laser-Profil-Scanner deutlich überlegen.
Nur 7,8 µm Punktabstand
Die Produktfamilie ScanControl von Micro-Epsilon gehört zu den leistungsfähigsten Laser-Profil-Scannern auf dem Markt. Die Scanner arbeiten mit einer CMOS-Sensormatrix, die eine Auflösung von bis zu 1.280 Punkten in x-Richtung, das bedeutet in Richtung der Laserlinie auf der Oberfläche, hat. Eine besonders gute Profilauflösung besitzt das Modell ScanControl 29xx-10 BL. Die Länge seiner Laserlinie beträgt 10 mm, woraus sich ein Punktabstand von gerade mal 7,8 µm ergibt. Dadurch hat der Scanner eine mehr als doppelt so hohe Auflösung wie bisherige Laserscanner mit einem 25-mm-Messbereich. In z-Richtung kann die Auflösung je nach Modell sogar bis zu 1 µm betragen. Die Auflösung entlang der y-Achse hängt im Wesentlichen davon ab, wie präzise das Messobjekt relativ zum Scanner bewegt wird. Mit solchen Genauigkeiten sind die ScanControl-Scanner in der Lage, auch sehr kleine Teile mit hoher Präzision zu vermessen. Darüber hinaus lassen sich mit Messraten von bis zu 4.000 Hz auch Oberflächen sehr schnell vermessen.
Alle Scanner der ScanControl-Familie verfügen über einen leistungsfähigen Controller, der bereits im Gehäuse integriert ist. Dieser berechnet aus den Intensitätswerten auf der CMOS-Sensormatrix ein zweidimensionales Oberflächenprofil. Mit Hilfe sogenannter Smart-Modelle lassen sich häufig wiederkehrende Messaufgaben direkt im Scanner realisieren und als Messwert ausgeben. Die Parametrierung, beispielsweise für Stufen, Winkel oder Nuten, erfolgt über die PC-Software „Configuration Tools“. Dabei werden die Parametersätze direkt im Sensor gespeichert. Auch die Ausgabe eines IO/NIO-Signals ist möglich. Das erspart dem Anwender die Verwendung einer externen Steuerungs- oder Auswertungseinheit. Wird zum Beispiel die Höhe einer Stufe auf einer Oberfläche vermessen, kann das Mess-
ergebnis analog oder digital über eine der Schnittstellen ausgegeben werden. Zusätzlich oder alternativ kann der Controller das Signal „in Ordnung“ ausgeben, falls der Wert in einem vordefinierten Bereich liegt. Anderenfalls wird das Signal „nicht in Ordnung“ ausgegeben. Sogenannte Usermodes ermöglichen es dem Anwender, aus insgesamt 26 Messprogrammen einen individuellen Parametersatz mit bis zu acht Programmen gleichzeitig auf dem Scanner zu verwenden. Bis zu 15 solcher Parametersätze können auf dem Scanner hinterlegt und beispielsweise über die digitalen Eingänge umgeschaltet werden.
Für den Fall, dass der Anwender eine externe Auswertung der Profildaten vornehmen möchte, können die ScanControl-Scanner auch die Rohprofile der Sensormatrix ausgeben. Als PC-Anbindung dient eine Ethernet-Schnittstelle mit
GigE-Vision. Um die Einbindung in eigene Softwarepakete zu erleichtern, stehen Bibliotheken für C, C++ und C# sowie LabView-Treiber zur Verfügung. Auch eine Integration in Linux-Umgebungen ist gewährleistet.
Die Laser-Profil-Scanner von Micro-Epsilon lassen sich vielfältig einsetzen. Erfolgreiche Anwendungsbeispiele, die in den vergangenen Jahren mit Hilfe dieser Scanner realisiert wurden, umfassen die Positionierung von Rasierklingen, die Vollständigkeitsprüfung von Schweißnähten, die optimale Dosierung von Klebstoffen und das richtige Spaltmaß von Autokarosserien. Sehr gut geeignet sind die Scanner für Anwendungen, die eine hohe Messgenauigkeit und Auflösung erfordern. Typische Einsatzbereiche finden sich in der Feinmechanik, der Elektronik und der Fertigung von Präzisionsteilen. Auch die Qualitätskontrolle beim Laserschweißen ist ein denkbares Anwendungsfeld.
Schutz für harte Umgebungen
Für den Einsatz unter rauen Umgebungsbedingungen bietet Micro-Epsilon spezielles Schutzzubehör für den Laser-Profil-Scanner an. Für Schweißapplikationen ist zum Beispiel ein Schutzgehäuse mit austauschbaren Scheiben erhältlich. Zusätzlich schützt eine optionale Druckluftspülung die optischen Komponenten vor Staubablagerungen, die die Leistung beeinträchtigen können. Bei hohen Umgebungstemperaturen kann der Scanner in ein Gehäuse mit Kühlung eingebaut werden.
