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Oberflächenmesstechnik: Die dritte Dimension

Neue Lasertriangulationssensoren für Oberflächenmessungen
Die dritte Dimension

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Die optische Triangulation eignet sich für hochauflösende Geometrie- und Oberflächenmessungen an Bauteilen mit diffus-reflektierender oder hochglänzender Oberfläche. Neue 3D-Sensoren von Micro-Epsilon erfassen das Messobjekt per Single-Snapshot, sodass schnelle automatisierte Prüfungen möglich sind.

Ihren Ursprung hat die geometrische Triangulation als Verfahren in der Geodäsie. Landvermesser haben bereits im Mittelalter ganze Staaten mit Dreiecksnetzen überzogen und so Flächen und Entfernungen bestimmt. Die hochpräzise Abstandsmessung mit optischer Triangulation basiert auf einem ähnlichen Prinzip: Dabei wird ein Lichtpunkt auf eine Oberfläche projiziert und gleichzeitig von einer Sensorzeile unter einem definierten Winkelversatz aufgenommen. Mit dem festen Abstand zwischen Projektor und Sensorzeile sowie der Position des Punktes auf der Sensorzeile lässt sich durch einfache Trigonometrie der Abstand zwischen Sensor und Oberfläche sehr genau bestimmen.

Das Messprinzip der optischen Triangulation lässt sich auch auf zwei oder sogar auf drei Dimensionen übertragen. Dabei misst der Sensor nicht nur den Abstand zu einem einzelnen Punkt auf einer Oberfläche, sondern es werden die Abstände zu allen Oberflächenpunkten innerhalb des Messfelds simultan erfasst. Statt eines einzelnen Punkts wird dazu eine Folge verschiedener Streifenmuster auf die Oberfläche projiziert. Kameras nehmen das Muster auf. Aus den Daten lässt sich dann eine 3D-Punktewolke berechnen. Nach diesem Prinzip arbeitet der neue Surfacecontrol 3D 3500 von Micro-Epsilon: Ein Matrix-Projektor projiziert die Folge verschiedener Streifenmuster auf die Oberfläche des Messobjekts. Das diffus reflektierte Licht der Muster wird mit zwei Kameras erfasst. Aus den aufgenommenen Bildfolgen und der Kenntnisse der Anordnung der beiden Kameras zueinander und zum Projektor berechnet der zum Sensor gehörende Rechner die dreidimensionale Oberfläche des Prüfobjekts.

Der Surfacecontrol 3D 3500 ist in zwei Versionen erhältlich, die entweder eine Fläche von 50 mm x 80 mm oder von 120 mm x 75 mm vermessen können – und zwar sehr präzise: Die Genauigkeit der Höhenmessung in z-Richtung liegt je nach Modell bei 1 µm oder 2 µm, die Wiederholpräzision bei bis zu 0,4 µm.

Für Inline-Messungen
mit hoher Geschwindigkeit

Neben der hohen Präzision standen für Micro-Epsilon bei der Entwicklung zwei Eigenschaften besonders im Fokus. Da der Sensor vor allem für die Inline-Qualitätskontrolle eingesetzt werden soll, muss die Messung sehr schnell erfolgen. Außerdem ist die industrietaugliche Ausstattung wichtig, hierzu gehört unter anderem die einfache Integration in die Anwendung und passende Schnittstellen. Neben Gigabit Ethernet (Gige Vision/Genicam) sind auch Profinet, Ethercat und Ethernet/IP möglich. Hinzu kommen vier parametrierbare digitale I/Os, die sich beispielsweise als Trigger oder zur Ausgabe von Sensorzuständen verwenden lassen. Der kompakte vollintegrierte Sensor ist in einem industrieoptimierten Gehäuse untergebracht und kommt mit einer passiven Kühlung aus, wodurch die hohe Schutzart IP67 erreicht wird. Drei Montagebohrungen ermöglichen mit den passenden Zentrierhülsen die reproduzierbare Montage in der Anwendung.

Zahlreiche Fertigungsprozesse arbeiten etwa im Sekundentakt. Entsprechend muss die 3D-Vermessung des Messobjekts in einer einzigen schnellen Aufnahme erfolgen. In dieser Zeit darf sich das Messobjekt nicht bewegen. Beim Surfacecontrol 3D 3500 sind die Projektion der bis zu 20 verschiedenen Streifenmuster und die Aufnahme durch die beiden Kameras je nach Messaufgabe in etwa 0,2 bis 0,4 s erledigt. Im Anschluss übernimmt der Rechner die Berechnung der 3D-Punktewolke. Das Messobjekt kann dabei bereits weitertransportiert werden, um Platz für das nächste Werkstück zu machen. Pro Sekunde kann der Sensor bis zu 2,2 Mio. 3D-Punkte liefern.

Die Punktewolke ist innerhalb
einer Sekunde berechnet

Die Verarbeitungszeit zu einer 3D-Punktewolke ist stark von den Messparametern und der Komplexität des Messobjekts abhängig. Dank eines optimierten Algorithmus für die Verarbeitung ist die Punktewolkenberechnung beim Surfacecontrol 3D 3500 in der Regel nach knapp 1 s abgeschlossen, so dass sich der Sensor sehr gut für Applikationen der Qualitätssicherung in Fertigungsprozessen eignet, in denen mit entsprechenden Taktraten produziert wird.

Ein Beispiel für eine Anwendung, bei der eine automatisierte Inline-Geometrie-, Form- und Oberflächenvermessung notwendig ist, ist etwa die Leiterplattenfertigung, bei der die Ebenheit überprüft wird. Nach der Bestückung von Leiterplatten lassen sich mit dem neuen Sensor Bestückungsfehler erkennen. Typisch ist der sogenannte Tombstone-Effekt, bei dem sich kleine SMD-Bauteile während des Lötens aufrichten und dadurch nur auf einer Seite kontaktiert werden. Durch die 3D-Oberflächenmessung fällt dies sofort auf, da die Oberflächen von Bauteil und Leiterplatte nicht mehr exakt parallel zueinander sind. Die hierfür notwendige Präzision von wenigen Mikrometern kann der Surfacecontrol 3D 3500 sicherstellen. Auch bei dicht bestückten Leiterplatten werden solche Fehlbestückungen zuverlässig und schnell erkannt.

Um den 3D-Sensor zu integrieren, stehen dem Anwender mehrere Möglichkeiten offen. Zunächst ist dies die Software 3D-View, die ein komfortables Benutzerinterface bereitstellt, mit dem die Surfacecontrol-Sensoren angesprochen werden können. Die Software ermöglicht die schnelle Inbetriebnahme und Evaluierung des Sensors. So können Parameter eingestellt und optimiert oder die korrekte Positionierung von Messobjekt und Sensor sichergestellt werden. Die Datenaufnahme kann direkt aus der Software gestartet werden.

Software für Parametrierung und Messdaten-Aufnahme

Außerdem liefert Micro-Epsilon zusammen mit dem Sensor die Software 3D Inspect, die zur Sensorparametrierung und zur Umsetzung industrieller Messaufgaben dient. Die Software überträgt die Messdaten vom Sensor über Ethernet und stellt diese dreidimensional dar. Fertig definierte Messprogramme vereinfachen die Auswertung der Messdaten. Damit ist diese Software sehr leistungsstark und trotzdem sehr intuitiv zu bedienen. Umfassende Möglichkeiten für die Detektion und Analyse von Oberflächen hat der Anwender mit der Software Surfacecontrol Defmap3D. Sie beinhaltet alle Komponenten und Verfahren für die Einrichtung, Konfiguration und Auswertung für die Oberflächenprüfung. Der große Funktionsumfang unterstützt gleichermaßen die Analyse von Einzelteilen, die Messung kleiner Serien sowie die robotergestützte Inspektion mehrerer Messfelder.

Wenn der Anwender eine alternative Bildverarbeitungslösung verwendet oder selber entwickeln möchte, steht ein umfangreiches SDK zur Verfügung. Dieses basiert auf den Industriestandards Gige Vision und Genicam und stellt zahlreiche Funktionsblöcke zur Verfügung. Eine C/ C++/ C# Bibliothek mit zahlreichen Beispielprogrammen und Dokumentationen unterstützt bei der Softwareentwicklung. Der Zugriff auf den Sensor über Gige Vision ist auch ohne SDK mit einer Genicam-konformen Software von Drittanbietern möglich.

Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG
Königbacher Str. 15
94496 Ortenburg
www.micro-epsilon.de


Leonhard Geupel

Vertrieb 2D/3D
Optische Messtechnik
Micro-Epsilon
www.micro-epsilon.de


Webhinweis

Mehr zum Snapshot-Sensor Surfacecontrol 3D 3500 erfährt man in diesem Paper von
Micro-Epsilon:


Defekte unter einem 1 μm erkennt Reflectcontrol in einer Zeit von weniger als 2 s – hier am Beispiel eines Wafers.
Bild: Micro-Epsilon

Wenn es reflektiert

Gezielt für spiegelnde und glänzende Oberflächen eignet sich das hochgenaue 3D-Oberfächeninspektionssystem Reflectcontrol. Der Sensor erfasst Ebenheitsabweichungen im Bereich weniger Mikrometer. Er kann stationär zur Überwachung der Fertigungslinie oder für die Inline-Inspektion am Roboter eingesetzt werden. Hierzu wird ein Streifenmuster auf dem Display generiert, welches über die Oberfläche des Messobjekts in die Kameras des Sensors gespiegelt wird. Abweichungen auf der Oberfläche verursachen Verzerrungen im Streifenmuster, die mit der Software ausgewertet werden. Die Vorteile zeigen sich besonders in der zuverlässigen Detektion kleinster Defekte unter einem 1 μm und einer Inspektionsrate von 2 s pro Messposition. Die Software-Anbindung erfolgt über das Micro-Epsilon 3D-SDK, basierend auf den Industriestandards Gige Vision und Genicam. Reflectcontrol basiert auf der gleichen Softwareplattform wie Surfacecontrol.



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