Fertigungskontrolle: Ein Laser-Profil-Scanner prüft die Winkel der einzelnen Klingen in Relation zum Rasierkopf und ob einzelne Klingen hervorstehen. Dabei beträgt das Messfeld pro Klinge nur 1 mm, das der Klingenspitze weniger als 150 Mikrometer.

Fertigungskontrolle: Ein Laser-Profil-Scanner prüft die Winkel der einzelnen Klingen in Relation zum Rasierkopf und ob einzelne Klingen hervorstehen. Dabei beträgt das Messfeld pro Klinge nur 1 mm, das der Klingenspitze weniger als 150 Mikrometer. Micro-Epsilon Messtechnik

Das Prinzip der Triangulation, die geometrische Vermessung mit Hilfe von Dreiecksbeziehungen, ist bereits seit der Antike bekannt. Im 18. Jahrhundert hat sich diese Methode zur Landvermessung in Europa durchgesetzt. Aber auch in deutlich kleinerem Maßstab – in der Oberflächenmesstechnik – ist das Verfahren anwendbar: Dazu 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.

Auf die Schnelle

Das Wesentliche in 20 Sekunden

Laser-Profil-Scanner messen Oberflächenprofile bis in den Submikrometerbereich.

Die Messraten erreichen bis zu 4000 Hz bei Hochgeschwindigkeitsanwendungen

Eignung für einfache bis komplexe Messaufgaben in der Fertigungskontrolle.

Individuelle Parametrierung von Usermodes mithilfe von 26 Messprogrammen.

Bibliotheken für C, C++ und C# sowie LabView-Treiber stehen zur Verfügung.

Das Messprinzip kann auch auf zwei Dimensionen ausgedehnt werden, indem der Laser anstatt zu einem Punkt zu einer Linie 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, ergibt sich aus der geraden Laser-Linie ein Profil der Oberfläche – man spricht daher auch von Laser-Profil-Sensoren. Dieses Oberflächenprofil lässt sich aus den Intensitätswerten des reflektierten Lichts, das auf das ortsempfindliche Sensorelement trifft, berechnen. Will man noch die dritte Dimension hinzunehmen, so kann das Messobjekt senkrecht zur Laserlinie beziehungsweise der Profilsensor über das Messobjekt bewegt werden. Der Sensor wird so zum 3D-Laser-Profil-Scanner und kann auf diese Weise ein dreidimensionales Bild der Oberfläche erstellen. Mit diesem Verfahren können Messgenauigkeiten bis in den Submikrometerbereich erreicht werden.

Einflussfaktoren bei der Laser-Triangulation

Die Leistungsfähigkeit eines solchen Laser-Profil-Scanners hängt von vielen Faktoren ab. 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 Scanners kann dadurch einfacher beherrscht werden. Auch der Abstand zwischen Sensor und Messobjekt und das Umgebungslicht beeinflussen die Qualität der Messergebnisse. Ein Filter vor der Empfangsoptik unterdrückt Störlicht; er ist nur für die Wellenlänge des eingesetzten Lasers durchlässig.

Das Messprinzip und der Geräteaufbau bei den Laser-Profil-Scannern Scancontrol. 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.

Das Messprinzip und der Geräteaufbau bei den Laser-Profil-Scannern Scancontrol. 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. Micro-Epsilon Messtechnik

Neben diesen Einflussfaktoren spielen auch weitere technische Merkmale des Laser-Profil-Scanners eine Rolle. Die Qualität der Optik und der eingesetzten Laserdiode sind entscheidend dafür, wie gut sich die Linie auf das Messobjekt fokussieren lässt. Die Ortsauflösung der Sensormatrix und die Leistungsfähigkeit des eingesetzten Prozessors sind maßgeblich , wie präzise und schnell aus dem reflektierten Licht ein Oberflächenprofil berechnet werden kann.

Auch die Wellenlänge des Laserlichts beeinflusst die Präzision des Messergebnisses. 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; das verbessert die Messgenauigkeit weiter. Gerade Oberflächen, die mit herkömmlichen Laser-Profil-Scannern schwierig zu vermessen sind – etwa organische Materialien, wie Holz oder Lebensmittel, und semitransparente Materialien –, lassen sich mit Laser-Profil-Scannern, die auf blauen Laserdioden basieren, deutlich besser vermessen.

Laser-Profil-Scanner Scancontrol 29xx-10/BL für präzise Oberflächenmessungen auf winzigen Objekten – hier der korrekte Sitz eines Dosenverschlusses.

Laser-Profil-Scanner Scancontrol 29xx-10/BL für präzise Oberflächenmessungen auf winzigen Objekten – hier der korrekte Sitz eines Dosenverschlusses. Micro-Epsilon Messtechnik

Technische Leistungsfähigkeit der Scanner

Der Sensorhersteller Micro-Epsilon bietet ein großes Spektrum an Laser-Profil-Scannern an, die nach dem Prinzip der Laser-Linien-Triangulation arbeiten. Die Produktfamilie Scancontrol arbeitet mit einer CMOS-Sensormatrix, die eine Auflösung entlang der x-Richtung von bis zu 1.280 Punkten haben (das ist die Richtung der Laserlinie auf der Oberfläche). Eine besonders hohe Profilauflösung hat das Modell Scancontrol 29xx-10/BL mit einer Länge der Laserlinie von 10 mm. Daraus ergibt sich ein Punktabstand von nur 7,8 µm. Damit hat dieser Laser-Profil-Scanner eine mehr als doppelt so hohe Auflösung wie die bisherigen Laserscanner mit 25 mm Messbereich. Die Auflösung in z-Richtung kann je nach Modell sogar bis zu 1 µm betragen. Somit können die Laser-Profil-Scanner auch kleinste Teile präzise vermessen.

Die Auflösung entlang der y-Achse hängt im Wesentlichen davon ab, mit welcher Genauigkeit sich das Messobjekt relativ zum Scanner bewegt. Mit Messraten von bis zu 4.000 Hz lassen sich so Oberflächen nicht nur präzise, sondern auch schnell vermessen.

Die Scanner dieser Modellserie verfügen über einen leistungsfähigen Controller, der 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-Varianten dieser Scanner möglich. Mit ihnen lassen sich häufig wiederkehrende Messaufgaben direkt im Scanner realisieren und als Messwert ausgeben.

Die Parametrierung des Scanners erfolgt über die PC-Software Configuration Tools beispielsweise für die Messung von Stufen, Winkeln oder Nuten. Die Parametersätze werden direkt im Sensor gespeichert.

Die Parametrierung des Scanners erfolgt über die PC-Software Configuration Tools beispielsweise für die Messung von Stufen, Winkeln oder Nuten. Die Parametersätze werden direkt im Sensor gespeichert. Micro-Epsilon Messtechnik

Die Parametrierung erfolgt über die PC-Software Configuration Tools beispielsweise für die Messung von Stufen, Winkeln oder Nuten. Die Parametersätze werden direkt im Sensor gespeichert. Auch die Ausgabe eines IO/NIO-Signals ist möglich. Das ersetzt eine externen Steuerungs- oder Auswerteeinheit. So lässt sich beispielsweise die Höhe einer Stufe auf einer Oberfläche vermessen. Die Höhe kann dann über eine der Schnittstellen als analoges Signal oder digital ausgegeben werden. Zusätzlich oder alternativ kann der Controller das Signal ‚in Ordnung‘ ausgegeben, falls der Wert in einem vorgegebenen Bereich liegt, oder anderenfalls das Signal ‚nicht in Ordnung‘. Aus insgesamt 26 Messprogrammen kann ein individueller Parametersatz mit bis zu acht Programmen gleichzeitig auf dem Scanner verwendet werden (sogenannte Usermodes). Des Weiteren lassen sich bis zu 15 dieser Parametersätze auf dem Scanner hinterlegen und über die digitalen Eingänge umschalten.

Wenn ein Anwender die Auswertung der Profildaten extern vornehmen will, 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 der Sensorhersteller Bibliotheken für C, C++ und C# sowie LabView-Treiber zur Verfügung. Auch eine Integration in Linux-Umgebungen ist durch entsprechende Bibliotheken problemlos möglich.

Anwendungen in der Fertigungskontrolle

Die Laser-Profil-Scanner werden überall dort eingesetzt, wo eine hohe Messgenauigkeit und Auflösung bei Oberflächeninspektionen gefragt sind. Typische Anwendungen finden sich in der Feinmechanik sowie der Elektronik- und Präzisionsteilefertigung. Auch die Qualitätskontrolle beim Laserschweißen ist möglich. Für diese und andere Anwendungen, bei denen raue Umgebungsbedingungen herrschen, gibt es spezielles Zubehör, das den Scanner schützt, beispielsweise Schutzgehäuse mit austauschbaren Schutzscheiben, Druckluftspülung gegen Staubablagerungen oder gekühlte Gehäuse bei hohen Temperaturen. Beispiele für industrielle Anwendungen sind die Vermessung der Lagetoleranz von Rasierklingen, die Vollständigkeit von Schweißnähten, die optimale Dosierung von Klebstoffen (Vermessung der Kleberaupen) oder das richtige Spaltmaß von Autokarosserien und Insulin-Pens.