Vom Punkt zur Linie

Optimierte Abläufe verbessern die Qualität von Produkten, sparen Rohstoffe und Energie und senken damit die Herstellkosten. Berührungslose Messtechnik – dazu gehören präzise und schnelle optische Weg- und Abstandssensoren – ist ein Schlüssel dafür. Mit dem Triangulationsprinzip lassen sich Abstände gegen ein breites Spektrum von Materialoberflächen messen. Dabei kommen verschiedene Messverfahren zum Einsatz: Die Messung von Weg, Abstand und Position per Laser-Punkt und die Profil- und Spaltmessung per Laser-Linie. Mögen die Verfahren auch unterschiedlich sein: Präzision, Schnelligkeit und Zuverlässigkeit vereinen sie.

Das Messprinzip der Laser-Triangulation basiert auf einer einfachen geometrischen Beziehung: Eine Laserdiode emittiert einen Laserstrahl, der auf das Messobjekt gerichtet ist. Die reflektierte Strahlung wird über eine Optik auf einer CCD-/CMOS-Zeile abgebildet. Der Abstand zum Messobjekt kann über eine Dreiecksbeziehung zwischen Laserdiode, Messpunkt auf dem Objekt und Abbild auf der CCD-Zeile bestimmt werden. Die Messauflösung reicht bis in den Bruchteil eines Mikrometers. Neben analogen stehen digitale Schnittstellen zur direkten Anbindung in bestehende Umgebung zur Verfügung. Die Sensoren mit digitalen Schnittstellen sind über einen externen PC konfigurierbar.

Laseroptische Wegsensoren messen aus großem Abstand zum Messobjekt mit einem sehr kleinen Lichtfleck, der Messungen von kleinsten Teilen ermöglicht. Der große Messabstand wiederum ermöglicht Messungen gegen kritische Oberflächen, wie zum Beispiel heiße Metalle. Das berührungslose Prinzip erlaubt verschleißfreie Messungen, da die Sensoren keinem physischen Kontakt zum Messobjekt unterliegen. Darüber hinaus ist das Prinzip der Laser-Triangulation ideal für sehr schnelle Messungen mit hoher Genauigkeit und Auflösung.

Ein Beispiel, bei dem schnelle und höchste Präzision auf kleinstem Raum gefordert ist, sind Bestückungsautomaten. Hier können die Laser-Punkt-Sensoren ihre Vorteile ausspielen, wenn es um die Qualitätskontrolle der winzigen Bauteile geht. Denn diese müssen unter anderem in der richtigen Ausrichtung an der korrekten Stelle sitzen oder die korrekte Höhe aufweisen.

Dazu kommen noch weitere Herausforderungen wie die Prüfung der noch viel kleineren IC-Beinchen eines Bauteils, die in exaktem Abstand zur Leiterplatte stehen müssen. Über diese Beinchen, die auch als Pins bezeichnet werden, erfolgt später der Anschluss an die Leiterplatte. Der Abstand zwischen beiden Teilen darf nicht zu groß sein, so dass hier einwandfrei gelötet werden kann. Die sogenannte Koplanarität gibt an, ob alle Beinchen linear zueinander liegen. Sie gilt als kritisches Maß, das die Überprüfung mit präziser Messtechnik voraussetzt. Das Bauteil wird hier über einen Triangulationswegsensor geführt, dessen Laserstrahl die Beinchen abscannt. Nachdem die Abstandswerte berechnet wurden, wird entschieden, ob das Bauteil platziert oder aussortiert werden muss.

Die Anforderungen an die Messtechnik sind enorm: Nicht nur weil die Teile winzig klein sind, sondern vor allem auch wegen des schnellen Wechsels von glänzender zu matter Oberfläche. Die Beinchen bestehen aus glänzendem Metall, während die Leiterplatte eine matte Oberfläche aufweist. Somit ist das Empfangselement im Sensor in kürzesten Abständen erst einer starken, dann wieder einer schwachen Reflexion ausgesetzt. Eine Aufgabe, die Laser-Sensoren Opto NCDT 1420 von Micro-Epsilon bestens lösen können. Die Auto-Target-Compensation (ATC) sorgt für eine schnelle Ausregelung von unterschiedlichen Reflexionen und erlaubt einen glatten Verlauf des Abstandssignals.

Die Laser-Sensoren Opto NCDT 1320/1420 überzeugen sowohl hinsichtlich ihrer Funktionalität als auch hinsichtlich ihres Designs: Sie wurden mit dem Red Dot Award Industrial Design 2016 ausgezeichnet, einem weltweit anerkannten Qualitätssiegel.

Das perfekte Zusammenspiel verschiedener Eigenschaften zeichnet diese Laser-Sensoren aus. Der extrem kleine Lichtfleck, der durch eine Optik auf einen äußerst geringen Durchmesser fokussiert wird, ermöglicht die Messung feinster Details. Die kompakte Sensorbauweise ohne externen Controller erlaubt die Montage in begrenztem Bauraum und auch die integrierte Auswerteelektronik spart Platz und vereinfacht die Verkabelung.

Dazu kommen ein sehr gutes Preis-Leistungsverhältnis und das innovative Webinterface, welches die einfache Bedienung mittels vordefinierter Setups für verschiedene Oberflächen wie beispielsweise Leiterplatten ermöglicht. Neben der Elektronikproduktion werden die Laser-Sensoren unter anderem in der Verpackungsindustrie, Holzindustrie, Logistik, Medizintechnik, Lasergravieranlagen und der Qualitätssicherung verwendet.

In der industriellen Fertigung wird neben der Prüfung eindimensionaler Größen auch die mehrdimensionale Qualitätskontrolle nachgefragt. Für Anwendungen zur Profil- und Konturmessung kommen vermehrt Laser-Profil-Scanner zum Einsatz. Ihre Arbeitsweise basiert auf dem Triangulationsprinzip zur zweidimensionalen Profilerfassung. Sie erfassen, messen und bewerten Profile auf unterschiedlichsten Objektoberflächen. Auf dem Messobjekt wird, durch Aufweitung über eine Spezialoptik, statt eines Punktes eine statische Laserlinie abgebildet.

Das Licht der Laserlinie, das nun diffus reflektiert wird, wird durch eine Empfangsoptik erfasst, die es auf einer hochempfindlichen Sensormatrix abbildet. Der Controller berechnet aus diesem Matrixbild neben den Abstandsinformationen (z-Achse) auch die Position entlang der Laserlinie (x-Achse). Diese Messwerte werden dann in einem sensorfesten, zweidimensionalen Koordinatensystem ausgegeben. Bei bewegten Objekten oder bei Traversierung des Sensors können somit auch 3D-Messwerte ermittelt werden. Laser-Scanner besitzen eine integrierte, hoch empfindliche Empfangsmatrix. Sie ermöglicht Messungen auf fast allen industriellen Materialien weitestgehend unabhängig von der Oberflächenreflexion.

Eine typische Anwendung ist die Prüfung von Kleberaupen in Smartphone-Gehäusen. Die Herausforderung sind die besonders feinen Konturen im Inneren des Smartphones und nur sehr dünne, teilweise semitransparente Kleberaupen. Hier ist absolute Zuverlässigkeit und eine 100-Prozent-Kontrolle, unter anderem auf Vollständigkeit der Raupe oder auf Höhe und Breite des Klebeauftrags, gefragt.

Dies gilt auch für Logos von Tablets oder Laptops: In die Aluminiumgehäuse werden Nuten eingefräst, in die anschließend die Logo-Elemente eingeklebt werden. Diese müssen bündig zum Gehäuse sein. Die Haptik ist entscheidend, denn der Kunde würde das abstehende Logo oder die hervorstehende Vertiefung sofort fühlen. Hersteller messen daher mittels Laserlinienscannern diese Vertiefungen, um damit die Ebenheit und auch die Tiefe festzustellen. Die Teile, die eingeklebt werden, vermisst man ebenfalls, um eine perfekte Passung zu realisieren.

Laser-Profil-Scanner arbeiten mit roter oder neuerdings auch mit blauer Laserlinie. Bei diesen optischen Standardsensoren wurde zunächst stets ein roter Laser eingesetzt. Die Empfangselemente wiesen hier die höchste Empfindlichkeit auf. Bei vielen Anwendungen liefert der Laser-Profil-Scanner mit roter Laserlinie genaue Ergebnisse. Jedoch stößt rotes Laserlicht besonders bei glühenden Objekten, bei transparenten oder organischen Materialien an seine Grenzen.

Micro-Epsilon hat die Technologie vor einigen Jahren neu erfunden mit der Blue-Laser-Technologie, die zunächst in Laser-Punkt-Sensoren zum Einsatz gekommen ist. Das blaue Licht dringt im Gegensatz zum roten nicht in das Messobjekt ein und bildet eine scharfe Linie ab. So können glühende und organische Objekte zuverlässig und hochpräzise vermessen werden.

Mit dieser innovativen Blue Laser Technologie ist der neue Scancontrol 29xx-10/BL ausgestattet. Er verfügt über einen effektiven Messbereich von nur 10 mm bei einer Profilauflösung von 1280 Punkten. 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.

Durch diese besonderen Eigenschaften ist dieser Laserscanner in der Lage, kleinste Teile mit höchster Präzision zu erfassen. So ist eine zuverlässige Qualitätskontrolle erforderlich, die die einzelnen Produktionsschritte überwacht. Das Zusammenspiel aus kompaktem Scanner, integriertem Controller und verschiedenen Schnittstellen prädestiniert diesen Laser-Profil-Scanner für Inline-Applikationen und die dynamische Fertigungsüberwachung.

Triangulationssensoren werden auch in Messsystemen beispielsweise für die Dickenmessung von Metallen eingesetzt. Beim Prinzip der dimensionellen geometrischen Dickenmessung wird auf jeder Seite des Materials ein optischer Abstandssensor angeordnet. Bei der Verwendung von Laserpunktsensoren wird zur Dickenbestimmung jeweils ein Punkt herangezogen, während bei der Dickenmessung mit Laser-Profilsensoren die komplette Laserlinie verarbeitet wird. Zur Dickenmessung während der Produktion wird die Differenz aus der Summe der Abstandssignale und dem Wert des Arbeitsbereichs gebildet. Für eine präzise Dickenmessung müssen die beiden Laserlinien deckungsgleich auf die Ober- und Unterseite des Materials projiziert werden.

Die berührungslose Messtechnik überzeugt durch hohe Präzision und Messgeschwindigkeit, kompakte Größe und schnelle Datenverarbeitung. Dem Anwender stehen verschiedene Messsysteme zur Verfügung. Jedes Messprinzip hat seine eigenen Besonderheiten, Vorteile und Einschränkungen, die berücksichtigt werden müssen. Erfordern anspruchsvolle Anwendungen beispielsweise höhere Auflösung, Robustheit, Temperaturstabilität, Linearität oder besondere Montage- und Einbaubedingungen, so sind bei Micro-Epsilon auch spezielle Kundenanpassungen und Lösungen möglich. ■

Erich Winkler

Produktmanagement

Lasertriangulations-

sensoren

Micro-Epsilon

Ein Video zur Funktion der Blue-Laser-Technologie von Micro-Epsilon sehen Sie, wenn Sie den QR-Code scannen beziehungsweise unter diesem Link: https://goo.gl/Dr2T56

Welche Neuheiten Micro-Epsilon auf der Control 2016 für die Inspektion von glänzenden Oberflächen vorgestellt hat, erfahren Sie aus dem Interview, das Quality Engineering mit Micro-Epsilon-Spezialist Roland Herrmann auf der Messe geführt hat. Einfach für das Video den QR-Code scannen oder diesen Link eingeben: https://goo.gl/U66sRb