Markterhebung: Lasertriangulationssensoren

Um für eine Messaufgabe den geeignetsten Sensor auszuwählen, ist eine gute Marktkenntnis unumgänglich.

Der Lasertriangulationssensor (LTS) ist ein Sensor zur berührungslosen Distanzmessung. Durch Kombination von zwei oder mehr Sensoren lassen sich auch weitere geometrische Grössen messen (z.B. Dicken und Profile). Beim Triangulationsverfahren wird ein gebündelter Lichtstrahl rechtwinklig auf die Oberfläche des Messobjektes gerichtet und das diffus reflektierende Licht unter einem Winkel von etwa 25° in die Empfängeroptik zurückgeworfen. Lichtquelle und Empfänger sind gewöhnlich in einem Gehäuse untergebracht.

Die Beschaffenheit der Oberfläche und das Material haben einen starken Einfluss auf das Reflexionsverhalten und somit unter Umständen auf das Messresultat. Günstig sind Oberflächen mit einer Bearbeitungsstruktur, die zu einer diffusen Rückstreuung führen. Sender- und Empfängerstrahl dürfen auf ihrem Weg zu jedem Messpunkt nicht durch Abschattungen und Hinterschneidungen am Werkstück gestört werden.

Triangulationssensoren mit Empfängern in mehreren Richtungen, besonders auch rotationssymmetrische Triangulationssensoren sind gegen Hinterschneidungen unempfindlich.

Die eingangs erwähnten Tatsachen gaben für das Labor für Qualitätstechnologie (Labor QT) an der Interstaatlichen Fachhochschule für Technik in Buchs (Schweiz) den Ausschlag, die im Jahr 1996 durchgeführte Markterhebung bei Herstellern und Vertreibern von LTS zu wiederholen und so den Entwicklungen auf diesem Gebiet Rechnung zu tragen.

Die vollständige Zusammenstellung der gesammelten Informationen mit allen Diagrammen und Sensorangaben ist in einem Sonderdruck erhältlich. Der vorliegende Artikel stellt eine Zusammenfassung einiger Erkenntnisse aus der Markterhebung dar.

Die bereits an der letzten Umfrage beteiligten Anbieter wurden ergänzt mit neu gesammelten Adressen aus Messekatalogen, Veröffentlichungen und Datenbanken. Mit Hilfe eines Fragebogens konnten die Daten der Firmen erfasst und die zurückgesandten Informationen ausgewertet werden. Die vorliegenden Auswertungen stellen für Hersteller, Vertrieb und Anwender der Sensoren einen guten Überblick über den Stand der Technik und Ausblick auf zukünftige Weiterentwicklungen dar. Ein direkter Vergleich mit den Ergebnissen der Umfrage im Jahr 1996 gibt Auskunft über die Entwicklungen seit der letzten Markterhebung. Um den Markt weiterhin beurteilen zu können, wird beabsichtigt, die Erhebung weiterhin regelmässig zu wiederholen.

Im Rahmen des Technologietransfers bietet das Labor QT als Dienstleitung Hilfe bei der Auswahl des richtigen LTS Typen für eine bestimmte Anwendung an. Zudem erlaubt der dabei eingesetzte LTS Prüfstand auch die Bestimmung von Sensor Eigenschaften auf vergleichbarer Basis in Anlehnung an die DIN Norm 32936. So konnte bereits eine erhebliche Anzahl Sensoren auf diese Art getestet werden. Die so ermittelte Leistungsfähigkeit der LTS ist untereinander direkt vergleichbar. Im Labor QT bereits getestete Sensoren sind in der Zusammenstellung der Markterhebung speziell erwähnt, die Testresultate liegen beim Hersteller vor und können vom Labor QT bei Evaluationen berücksichtigt werden. Angaben, die unter vergleichbaren Versuchsbedingungen ermittelt wurden, sind darum für die Auswahl sehr wichtig, da es von Hersteller zu Hersteller trotz Normungsbemühungen sehr große Unterschiede bei der Bestimmung und Spezifikation der Leistungsdaten gibt. Insbesondere unterscheiden sich die verwendeten Kalibrierverfahren zum Teil so, dass ein Vergleich entsprechender Merkmale zwischen unterschiedlichen Herstellern nicht oder nur sehr schwer möglich ist.

Für die Prüfmittelüberwachung, wie sie in ISO 9000ff gefordert wird, bietet der am NTB vorliegende Prüfstand eine ideale Möglichkeit für den Sensor Anwender, seine Geräte einer regelmäßigen Kalibrierung zu unterziehen.

Im Rahmen dieser Markterhebung konnten die Angaben von 34 beteiligten Firmen und Institutionen mit annähernd 200 unterschiedlichen Sensoren berücksichtigt werden. Da-runter zahlreiche interessante Neu- oder Weiterentwicklungen. Namentlich konnte das erste Mal ein Sensor aufgenommen werden, der nach dem Prinzip der Direktreflexion misst und eine Auflösung 1/10 mm bei einem Messbereich von 0.52mm besitzt (Herstellerangaben).

Die erfassten Sensoren besitzen Messbereiche von weniger als einem Millimeter bis knapp einem Meter. Dies zeigt das Bild „Übersicht der Messbereiche für die erfassten Anbieter (Index der Anbieter in der Y-Achse). Die mittleren Arbeitsabstände bewegen sich von etwas mehr als einem Millimeter bis zu gut einem Meter. Zunehmend war in den letzten Jahren vor allem die Anzahl der Sensoren mit größeren Messbereichen (über 100mm). So bietet heute etwa die Hälfte der erfassten Anbieter mindestens einen Sensor in diesem Bereich an.

Dagegen lässt sich bei den sehr kleinen Mess-bereichen ( 1mm) keine erhebliche Steigerung der Anzahl Sensortypen erkennen. Diese Erkenntnis deckt sich auch weitgehend mit den angegebenen Verkaufszahlen, wo die Sensoren mit Messbereichen größer als 5mm über 90% des Umsatzes ausmachen. Auffallend ist die im Vergleich zur letzten Marktanalyse gestiegene Anzahl von Sensoren mit einer CCD Zeile als Detektor und entsprechender digitaler Auswertung. So bieten bereits praktisch alle Hersteller diesen Sensortyp an. Wenn zum Teil auch erst seit wenigen Monaten.

Diese Entwicklung wird der Tatsache gerecht, dass die Weiterentwicklung vor allem hin zu Sensoren mit kleinerer Oberflächenabhängigkeit führt. Sensoren mit CCD Zeilen verkleinern unter anderem den Einfluss von Speckle, wie sie zum Beispiel bei geschliffenen Stahloberflächen auftreten können.

Ein großer Unterschied zwischen den verschiedenen Herstellern ist in der Bauform der Sensoren auszumachen. So werden vom LTS als Laborgerät mit abgesetzter Auswerteelektronik und Anzeige bis zum mechanisch robusten, Industrie tauglichen Sensor mit entsprechender Schutzart angeboten. Sehr interessant für den industriellen Anwender sind kompakte LTS ohne weitere Elektronik in abgesetztem Gehäuse. Diese Sensoren lassen eine einfache Montage in Produktionsanlagen zu. Aber auch der Einsatz von Laborgeräten besitzt bei entsprechender Anwendung Vorteile, da sie meist eine direkte Anzeige für den Messwert besitzen.

Immer noch ungelöst ist die Problematik der Bezugsfläche für die Messung. Meistens wird vom Hersteller die Gehäusekante mit Strahlaustritt als Bezug für den Messbereich angegeben, es fehlt aber bei praktisch allen Typen die Möglichkeit den Sensor mit genügender Genauigkeit auf diesen Bezug auszurichten. Das hat für den Anwender zur Folge, dass ein eingebauter bzw. ausgetauschter Sensor vor der Verwendung immer aufwendig justiert werden muss.

Die Anbieter scheinen den großen Bedarf an Beratung des Anwenders erkannt zu haben, denn der Anteil an Unternehmen mit dieser Art der Verkaufsunterstützung hat sich mehr als versechsfacht.

Aufstellungen der Anwendungsgebiete und Branchen geben weitere Auskünfte über den Einsatz von LTS. Der Vergleich von Dauer und Umfang der Tätigkeit der LTS Anbieter auf diesem Gebiet zeigt, wie sich diese Technik etabliert.

Die Auswertung der Informationen lässt erkennen, dass sich das Verhältnis der Anzahl Unternehmen mit Fertigung und Montage zur Anzahl Unternehmen mit Forschung und Entwicklung von LTS im Vergleich zur letzten Umfrage vergrößert hat. Einzelne Firmen scheinen seit der letzten Markterhebung neu mit marktfähigen Produkten aufgetreten zu sein. Nichts desto trotz besitzen praktisch alle Unternehmen ein starkes bis sehr starkes Interesse an Weiterentwicklungen ihrer Sensoren. Die Bereiche, in denen weiterentwickelt werden sollen und das jeweilige Interesse der Anbieter wurde ebenfalls erfasst.

Die gesammelten Erkenntnisse lassen die Prognose zu, dass in naher Zukunft weitere interessante Neuerungen zu erwarten sind. Einige Hersteller haben ihre Produkte um einen zweidimensionalen LTS (Linien-LTS) erweitert, was für einige Anwendungen sicher eine sehr interessante neue Möglichkeit bietet.

Die Markterhebung ist auf dem Stand der FH Buchs auf der Microtecnic in Zürich vom 14.- 17. März verfügbar. Interessenten, die nicht die Gelegenheit des Messebesuchs nutzen können, erhalten die Marktübersicht auf Anforderung über die Kennziffer.

Dipl. Ing. HTL Reto Züst:Mitarbeiter im Labor für Qualitätstechnologie der Interstaatlichen Fachhochschule für Technik (NTB) in Buchs. Er ist im Technologietransfer zur Industrie tätig und führt Entwicklungen von Mess- und Prüfgeräten zur Qualitätsüberwachung von Produktionsprozessen, sowie Dienstleistungen im Bereich geometrischer Messtechnik durch.

Prof. Dr.-Ing. Claus P. Keferstein (Dozent):Leiter des Labors für Qualitätstechnologie. Nebst der Lehre beschäftigt er sich im Rahmen des Technologiestransfers mit Aufgaben im Bereich der Qualitätsüberwachung während des Fertigungsprozess. Er blickt auf über 20 Jahre Industrieerfahrung in diesem Bereich zurück.

Als Fachhochschule europäischer Prägung wird am NTB sowohl auf eine moderne Lehre als auch auf gute Kontakte zur Industrie größten Wert gelegt. So entstand u.a. die eidgenössisch akkreditierte Kalibrierstelle (Swiss Calibration Service, SCS) für die Messgrössen „Länge“, „Rundheit“ und „Rauheit“.

Weitere Informationen A QE 602