3D-Snapshot-Sensor von Micro-Epsilon Dreidimensionale Strukturen perfekt vermessen

Von Silvano Böni

Die Methode der Triangulation, bei der Abstände zwischen zwei Punkten über trigonometrische Berechnungen in einem Dreieck bestimmt werden, eignet sich hervorragend zur präzisen Form- und Oberflächenvermessung. Der 3D-Snapshot-Sensor von Micro-​Epsi­lon setzt ebenfalls auf dieses Prinzip und überzeugt insbesondere durch seine hohe Präzision.

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Der hochpräzise 3D-Streifenlichtsensor SurfaceControl 3D 3500 von Micro-Epsilon eignet sich für Anwendungen zur Geometrie-, Form- und Oberflächenprüfung.
Der hochpräzise 3D-Streifenlichtsensor SurfaceControl 3D 3500 von Micro-Epsilon eignet sich für Anwendungen zur Geometrie-, Form- und Oberflächenprüfung.
(Bild: Micro-Epsilon)

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.

Erweiterung des Messprinzips in die dritte Dimension

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 den Kenntnissen der Anordnung der beiden Kame­ras zueinander und zum Projektor be­rechnet der zum Sensor gehörende Rechner die dreidimensionale Oberfläche des Prüf­objekts.

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Hohe Präzision

Der SurfaceControl 3D 3500 ist in zwei Versionen erhältlich, die entweder eine Fläche von 50 × 80 mm oder von 120 × 75 mm vermessen können. Herausragend ist die Präzision der Messung: Die Genauigkeit der Höhenmessung in z-Richtung liegt je nach Modell bei 1 oder 2 µm, die Wiederholpräzision bei bis zu 0,4 µm. 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 gehören 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.

Typische Anwendungen in der Fertigung arbeiten etwa im Sekundentakt. Die Vermessung des Bauteils muss also 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 Sekunden 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 Millionen 3D-Punkte liefern.

Optimierter Algorithmus

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 einer Sekunde abgeschlossen, so dass sich der Sensor ideal für Applikationen der Qualitätssicherung in Fertigungsprozessen eignet, in denen mit entsprechenden Taktraten produziert wird. Beispiele solcher Anwendungen, bei denen eine automatisierte Inline-Geometrie-, Form- und Oberflächenvermessung notwendig ist, umfassen etwa die Leiterplattenfertigung, bei der die Ebenheit überprüft wird. Nach der Bestückung 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 der Messung von 2 oder 3 µm kann der SurfaceControl 3D 3500 sicherstellen. Auch bei dicht bestückten Leiterplatten werden solche Fehlbestückungen zuverlässig und schnell erkannt.

Software-Anbindung über SDK

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. Ausserdem liefert Micro-Epsilon zusammen mit dem Sensor die Software 3DInspect, 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 äusserst 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.

Fazit: verschiedenste Anwendungen

Der 3D-Snapshot-Sensor SurfaceControl 3D 3500 zeichnet sich durch die Kombination aus hoher Präzision und Geschwindigkeit aus. Mit der kompakten Bauform ist er für Anwendungen in der Inline-Qualitätskontrolle geeignet. Dazu gehört etwa die 3D-Vermessung von Anschraubflächen auf komplexen Bauteilen, bei denen es auf den Abstand der Bohrungen und die Koplanarität ankommt. Bei Spritzgussteilen können Formabweichungen der Oberfläche an den Stellen detektiert werden, an denen auf der Rückseite Befestigungsstege aufgespritzt sind. Und eine sehr häufig vorkommende Anwendung ist die Überprüfung von Leiterplatten in der Elektronikfertigung – sowohl vor als auch nach der Bestückung. Für all diese und weitere Einsatzgebiete stellt der SurfaceControl 3D 3500 eine optimale Lösung dar.

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