Lasertriangulation: Präzise Entfernungs- und Profilmessungen

Das Funktionsprinzip basiert auf der geometrischen Beziehung zwischen dem Lasersender, dem Auftreffpunkt auf dem Messobjekt und dem Bildsensor. DieBasislinie– der feste Abstand zwischen dem Lasersender und der optischen Achse des Empfangsobjektivs – definiert den Maßstab der Triangulation. Wenn sich das Messobjekt entlang der Z-Achse (der Messachse des Sensors) bewegt, verschiebt sich der reflektierte Laserpunkt seitlich über den Bildsensor. Diese Verschiebung $\Delta x$ auf der Sensoroberfläche ist proportional zur Abstandsänderung $\Delta z$ zwischen Sensor und Objekt.

Die grundlegende Triangulationsbeziehung für eine vereinfachte koplanare Anordnung lautet:

z = b · f(x – x₀)z=xs​−x0​b⋅f​

wo $z$ ist die gemessene Entfernung, $b$ ist die Basislinie zwischen Emitter und Detektorlinse, $f$ ist die Brennweite des Empfangsobjektivs, xsxs​ ist die gemessene Spotposition auf dem Sensor und x0x0​ ist die Referenzpunktposition bei der Nennarbeitsentfernung.

In der Praxis wird dieScheimpflug-Bedingungangewendet: Der Bildsensor ist relativ zur optischen Achse des Empfangsobjektivs geneigt, sodass die gesamte Tiefe der Laserlinie über den gesamten Messbereich scharf abgebildet wird. Diese Anordnung ist grundlegend für die optische Konstruktion aller Laser-Profilscanner und gewährleistet, dasseine subpixelgenaue Auswertung der Laserlinienpositionüber den gesamten Z-Bereich möglich bleibt.

Die laterale Auflösung in X-Richtung (entlang der Laserlinie) wird durch den Pixelabstand des Bildsensors und die Vergrößerung der Empfangsoptik bestimmt. Die Z-Auflösung wird durch den Triangulationswinkel, die Basislinie und den bei der Signalverarbeitung angewandten Subpixel-Interpolationsalgorithmus bestimmt.

Die Lichtquelle in einem Laser-Triangulationssensor ist eineHalbleiterlaserdiode, die im Dauerstrich- (CW) oder Impulsbetrieb arbeitet. Bei Punktsensoren wird ein fokussierter Laserstrahl projiziert; bei Profilscannern wird der Strahl durch eineZylinder- oder Powell-Linsezu einer Linie aufgefächert. Die Wahl der Laserwellenlänge beeinflusst die Eignung des Sensors für verschiedene Messobjekte:

• 405 nm (violett/blau):Hohe Sensitivität Oberflächendetails; bevorzugt für fein strukturierte Oberflächen und organische Materialien
• 650 nm (rot):Standardwellenlänge für universell einsetzbare Industriesensoren; gutes Signal-Rausch-Verhältnis auf den meisten diffus reflektierenden Oberflächen
• 785 nm (Nahinfrarot):Eingeschränkte Sichtbarkeit; vorteilhaft für heiß leuchtende Objekte (z. B. glühende Metalle), bei denen sichtbares Laserlicht von der thermischen Strahlung überlagert würde

Laserdioden, die in industriellen Sensoren zum Einsatz kommen, werden gemäß IEC 60825-1 klassifiziert. Die meisten industriellen Laser-Triangulationssensoren arbeiten inden Laserklassen 2M oder 3R, wobei die Leistungswerte bei sichtbaren Wellenlängen in der Regel unter 5 mW liegen. Der Strahl wird durch eine Laserkollimationslinse geformt und kollimiert, bevor er die Optik zur Linienerzeugung durchläuft.

Das reflektierte Laserlicht wird durch ein Abbildungsobjektiv auf einenCMOS- oder CCD-Bildsensor fokussiert. Bei Punkt-Abstandssensoren reicht ein lineares Fotodiodenarray oder ein positionsempfindliches Element (PSD) aus. Bei Laser-Profilscannern kommt einzweidimensionaler CMOS-Matrixsensorzum Einsatz, der es ermöglicht, die gesamte Laserlinie in einer einzigen Belichtung zu erfassen und hohe Profilaufnahmeraten zu erzielen.

DiePosition der Laserlinie auf dem Sensorwird für jede Pixelspalte ausgewertet, um die Z-Koordinate an jeder X-Position entlang der Linie zu ermitteln. Die Rohintensitätsverteilung über eine Sensorspalte folgt typischerweise einem Gaußschen Profil. Der Schwerpunkt dieser Verteilung wird mitSubpixelgenauigkeitmithilfe von Algorithmen zur gewichteten Schwerpunktbestimmung oder Gaußschen Anpassungsmethoden berechnet, wodurch Z-Auflösungen von bis zu einem Hundertstel Pixel erreicht werden.

Zu den für die Messleistung entscheidenden Sensorparametern zählen: Pixelabstand, Full-Well-Kapazität, Dynamikbereich, Ausleserauschen und Bildrate.Eine hohe Quanteneffizienz im Wellenlängenbereich der Laserdiodeist unerlässlich, um ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis zu erzielen, insbesondere bei der Messung dunkler oder lichtabsorbierender Oberflächen.

Nach der Bildaufnahme müssen die Rohpixeldaten verarbeitet werden, um das Z-Koordinatenprofil zu extrahieren. Die wichtigsten Verarbeitungsschritte sind:

• Peak-Erkennung:Ermittlung der spaltenweisen Position der maximalen Intensität (grobe Position)
• Subpixel-Interpolation:Anwendung von Algorithmen zur Schwerpunkt- oder Gaußschen Anpassung zur Bestimmung der Laserlinienposition mit Subpixel-Genauigkeit
• Gültigkeitsfilterung:Aussortieren von Pixeln, bei denen das Lasersignal zu schwach, übersteuert oder mehrdeutig ist
• Koordinatentransformation:Umwandlung der Sensor-Pixelkoordinaten in physikalische Messkoordinaten (mm) unter Verwendung der Werkskalibrierungsdaten

Moderne Laser-Profilscanner führen diese Schritte alsOn-Sensor-Verarbeitung (Edge-Verarbeitung)direkt auf einem speziellen FPGA oder DSP im Sensorkopf durch. Dieser Ansatz reduziert das über die Schnittstelle übertragene Datenvolumen um ein Vielfaches – statt vollständiger Rohbilder wird nur das extrahierte Z-Profil (typischerweise 100–3.200 Datenpunkte pro Zeile) output und ermöglichtProfilaufnahmeraten von bis zu 10.000 Profilen pro Sekunde,selbst über Standard-GigE-Schnittstellen.

In seiner einfachsten Form liefert einPunkt-Abstands-Lasertriangulationssensorpro Messzyklus einen einzigen Abstandswert – die Z-Koordinate eines Oberflächenpunkts direkt unterhalb des Laserspots. Diese Betriebsart wird verwendet für:

• Dickenmessung bei flachen Objekten (unter Verwendung von zwei gegenüberliegenden Sensoren)
• Höhenerkennung und Anwesenheits-/Abwesenheitserkennung
• Messung der Stufenhöhe an bearbeiteten Oberflächen
• Wegüberwachung bei dynamischen Prozessen

DerMessbereich (Z-Bereich)ist der Bereich entlang der Z-Achse, in dem zuverlässige Messungen durchgeführt werden können. Typische Z-Bereiche reichen je nach Sensorkonstruktion von wenigen Millimetern bis zu mehreren hundert Millimetern. DieZ-Auflösung– die kleinste erkennbare Abstandsänderung – liegt typischerweise zwischen 0,1 µm und 100 µm. Auflösung und Messbereich stehen in einem umgekehrten Verhältnis zueinander: Sensoren mit großen Messbereichen weisen bei einer gegebenen Sensorgröße eine geringere Z-Auflösung auf.

EinLaser-Profilscanner– die in der industriellen Messtechnik am häufigsten eingesetzte Form des Laser-Triangulationssensors – projiziert eine Laserlinie auf das Messobjekt und erfasst das gesamte Querschnittsprofil in einer einzigen Aufnahme. Das output eine Reihe von X/Z-Koordinatenpaaren, die die Oberflächenkontur entlang der Laserlinie zu einem bestimmten Zeitpunkt beschreiben.

Profildaten bilden die Grundlage für die Messung:

• Stufenhöhen und Rillentiefenbei bearbeiteten oder gestanzten Bauteilen
• Spalt und bündiger Abschlusszwischen benachbarten Flächen (z. B. Karosserieteilen)
• Geometrievon Klebstoffraupen oder Schweißnähten
• Kantenpositionen und Radienbei Blechen, Strangpressprofilen und Formteilen

Die Erfassungsrate der Profile reicht von einigen Hundert bis zu über 10.000 Profilen pro Sekunde, abhängig von der Belichtungszeit und der Verarbeitungsgeschwindigkeit des Sensors. DieAnzahl der Punkte pro Profil (X-Auflösung)wird durch die Pixelanzahl des Bildsensors und den Auswertungsalgorithmus bestimmt und liegt in der Regel zwischen 100 und 3.200 Punkten.

Wenn das Messobjekt oder der Sensor relativ zueinander entlang der Y-Achse bewegt werden, während der Profilscanner kontinuierlich Profile erfasst, werden die aufeinanderfolgenden Profile zu einerdreidimensionalen Punktwolkezusammengefügt, die die gesamte Oberfläche des Messobjekts abbildet. Dieser Scanmodus ist der Standardansatz für die flächendeckende 3D-Prüfung in Objektvermessung industriellen Objektvermessung.

Der 3D-Datensatz kann output folgenden Formaten output werden:

• Punktwolke:Eine unstrukturierte Menge von (X, Y, Z)-Koordinaten, die gemessene Oberflächenpunkte darstellen
• Z-Karte (korrigierte Daten / Höhenkarte):Ein regelmäßiges Raster aus Z-Werten an äquidistanten X/Y-Positionen; rechnerisch effizient für den Oberflächenvergleich und die Merkmalsextraktion
• 3D-Netz (STL, PLY, OBJ):Ein aus der Punktwolke abgeleitetes polygonales Oberflächenmodell, das für den CAD-Vergleich und zur Visualisierung verwendet wird

Die räumliche Punktdichte in Y-Richtung (Vorschubrichtung) wird durch das Verhältnis der Profilaufnahmerate zur Vorschubgeschwindigkeit bestimmt. Füreine isotrope 3D-Auflösung müssen Profilaufnahmerate und Vorschubgeschwindigkeit so aufeinander abgestimmt werden, dass der Y-Punktabstand dem X-Punktabstand entspricht.

Aus den erfassten 2D-Profilen und 3D-Punktwolken lassen sich gemäß internationalen standards eine Reiheabgeleiteter geometrischer Größenberechnen:

• Oberflächenrauheitsparameter (ISO 4287 / ISO 25178):Ra (arithmetischer Mittelwert der Rauheit), Rz (maximale Höhe), Rq (quadratischer Mittelwert der Rauheit) aus 2D-Profilen; Sa, Sz, Sq aus 3D-Flächenmessungen
• Formtoleranzen (ISO 1101 / GD&T):Ebenheit, Geradheit, Zylindrizität, Rundheit – ermittelt durch Anpassung geometrischer Grundformen an die gemessene Punktwolke und Berechnung der Abweichungen
• Lageabstände:Lage von Kanten, Bohrungen oder Merkmalen relativ zu einem Referenzkoordinatensystem, das durch ein Referenzpunktsystem (RPS) definiert ist

Die Messgenauigkeit der Oberflächenrauheit mittels Lasertriangulation wird durch die Z-Auflösung des Sensors begrenzt. Für Rauheitsparameter unterhalb von Ra ≈ 1 µm sind in der Regelkonfokale oder Weißlicht-Interferometrieverfahrenerforderlich; die Lasertriangulation eignet sich gut für Rauheiten im Bereich von Ra 1–100 µm.

Die zentralen Leistungsparameter eines Laser-Triangulationssensors lassen sich wie folgt gliedern:

Wiederholbarkeit und Genauigkeit sind unterschiedliche Größen.Die Wiederholbarkeit beschreibt die statistische Streuung wiederholter Messungen an derselben Oberflächenstelle unter konstanten Bedingungen; die Genauigkeit beschreibt die systematische Abweichung zwischen dem Messwert und dem wahren Wert. Die Genauigkeit wird durch die Kalibrierungsqualität, thermische Drift und Linearitätsfehler beeinflusst; die Wiederholbarkeit wird in erster Linie durch Laserspekkelrauschen und den elektronischen Rauschpegel begrenzt.

Der Zusammenhang zwischen der Z-Auflösung $\delta z$ und dem Messbereich RzRz​ für eine bestimmte Sensorgröße folgt annähernd:

δz ≈ Rzα · Npxδz≈α⋅Npx​Rz​​

wo NpxNpx​ ist die Anzahl der Pixel über den Sensor in Z-Richtung und $\alpha$ ist der Subpixel-Interpolationsfaktor (typischerweise 10–100 für Zentroid-Algorithmen). Diese Beziehung veranschaulicht den grundlegendenKompromiss zwischen Messbereich und Auflösung, der das Design von Lasertriangulationssensoren bestimmt.

Im Gegensatz zu taktilen Messverfahren nutzt die Lasertriangulation direkt die optischen Eigenschaften der Oberfläche des Messobjekts.Die Materialabhängigkeit ist eine der entscheidenden praktischen Einschränkungendes Verfahrens und muss bei der Sensorauswahl und der Anwendungsplanung berücksichtigt werden.

Die wichtigsten Herausforderungen im Zusammenhang mit der Oberfläche sind:

• Spiegelnde (spiegelartige) Oberflächen:Polierte Metalle, Glas und beschichtete Oberflächen reflektieren den Laserstrahl eher gerichtet als diffus. Der reflektierte Strahl kann den Detektor vollständig verfehlen oder zu gesättigten, asymmetrischen Intensitätsprofilen führen. Zu den Lösungen gehören der Einsatz von blau-violetten Lasern (eine kürzere Kohärenzlänge verringert das Speckle-Muster), das Auftragen von mattierenden Referenzsprays oder das Neigen des Sensors relativ zur Oberfläche.
• Dunkle und absorbierende Oberflächen:Schwarzes Gummi, Karbon Kunststoff (CFK) und eloxiertes Aluminium absorbieren einen Großteil der einfallenden Laserleistung, was zu schwachen Rücksignalen führt. Hierfür sind eine höhere Laserleistung, längere Belichtungszeiten oder HDR-Messmodi (siehe Abschnitt 5) erforderlich.
• Mehrschichtige und transparente Materialien:Glas, durchsichtige Kunststoffe und Lackbeschichtungen können Mehrfachreflexionen in unterschiedlichen Tiefen erzeugen. Der Sensor kann dabei die Vorderseite, die Rückseite oder eine nicht eindeutig zu identifizierende Mischung erfassen. Die Mehrfachspitzen-Auswertung (siehe Abschnitt 5) wurde speziell entwickelt, um dieser Herausforderung zu begegnen.
• Stark fluoreszierende Materialien:Bestimmte Kunststoffe und Beschichtungen senden bei Bestrahlung mit blau-violetten Lasern breitbandige Fluoreszenz aus, was zu Hintergrundrauschen im Sensorsignal führt. Nahinfrarotlaser mit einer Wellenlänge von 785 nm vermeiden dieses Problem.

Industrielle Laser-Triangulationssensoren sind für den Dauerbetrieb in anspruchsvollen Produktionsumgebungen ausgelegt. Die wichtigsten Umgebungsparameter, die die Messleistung und die Zuverlässigkeit der Sensoren beeinflussen, sind:

• Umgebungslicht:Sonnenlicht und starkes Kunstlicht können den Bildsensor übersteuern und das Lasersignal überlagern. Sensoren gleichen dies durch schmalbandige optische Bandpassfilter aus, die auf die Laserwellenlänge abgestimmt sind, sowie durch kurze Belichtungszeiten und eine hohe Laserleistung (Signal-Rausch-Verhältnis). Bei Sensoren, die für den Einsatz im Freien oder in hell beleuchteten Umgebungen ausgelegt sind, wird in der Regel eine maximale Toleranz für die Umgebungsbeleuchtungsstärke angegeben.
• Temperatur:Die thermische Ausdehnung der optischen Komponenten und der Basislinie führt zu einer systematischen Messabweichung. Hochwertige Sensoren weisen einenTemperaturkoeffizienten des Nullpunktversatzes(µm/K) und einen thermischen Betriebsbereich auf (typischerweise −10 °C bis +50 °C bei industriellen Standardsensoren). Die Temperaturstabilisierung der Laserdiode ist für die Langzeitstabilität unerlässlich.
• Vibrationen und Stöße:Vibrationen verursachen scheinbare Messrauschen, wenn die Schwingungsfrequenz innerhalb der Erfassungsrate des Sensors liegt. Eine starre mechanische Befestigung und vibrationsfeste Gehäuse mindern dieses Problem. Die Stoßfestigkeit ist gemäß IEC 60068-2-27 definiert.
• Schutzart IP-Schutzklasse):Sensoren, die in Umgebungen mit Kühlmittelnebel, Staub oder Wasser eingesetzt werden, benötigen einen entsprechenden Gehäuseschutz. Für Laser-Profilscanner, die in der Metallbearbeitung und in Automobilfertigungslinien zum Einsatz kommen, sind die Schutzklassen IP65 oder IP67 üblich.
• Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV/ESD):In industriellen Umgebungen treten erhebliche elektromagnetische Störungen durch Motoren, Frequenzumrichter und Lichtbogenschweißgeräte auf. Sensoren müssen der Norm IEC 61326-1 hinsichtlich der Störfestigkeit in industriellen EMV-Anwendungen entsprechen. Der ESD-Schutz ist für die Integration und Handhabung der Sensoren von Bedeutung.

Die Datenschnittstelle bestimmt die erreichbare Datenrate, die Komplexität der Integration und die Kompatibilität mit Host-Systemen. Laser-Triangulationssensoren für industrielle Applikationen nutzen Applikationen die folgenden Schnittstellen:

• GigE Vision (IEEE 802.3):Der führende Standard für industrielle Kamera- und Sensorschnittstellen. Bietet einen Datendurchsatz von bis zu 1 Gbit/s über Standard-Cat5e/6-Kabel mit einer Länge von bis zu 100 m. Ermöglicht die Übertragung vollständiger Rohbilder oder vorverarbeiteter Profildaten.
• GenICam / SFNC:Ein herstellerunabhängiger Software-Schnittstellenstandard, der eine einheitliche API für die Konfiguration von Kameras und Sensoren definiert, unabhängig von der physikalischen Schnittstelle. Die Standard Features Naming Convention (SFNC) gewährleistet eine herstellerübergreifend einheitliche Benennung der Parameter und vereinfacht so die Integration in Bildverarbeitungs-Software-Frameworks wie Halcon, LabVIEW und OpenCV.
• EtherCAT, PROFINET oder Modbus TCP:Für Sensoren, die direkt in industrielle Feldbusnetzwerke integriert sind, ermöglichen diese Protokolle eine deterministische Echtzeit-Datenübertragung an SPSen und Bewegungssteuerungen.

Output für 3DOutput gehören offene standards PLY (Polygon File Format), STL (Stereolithografie) und CSV (Comma-Separated Values)für Punktwolken und Profile sowie proprietäre Binärformate, die auf maximalen Durchsatz und minimale Verarbeitungslatenz optimiert sind.

ISO 10360-10 (Geometrische Produktspezifikationen – Abnahme- und Nachprüfungsprüfungen für Koordinatenmesssysteme – Teil 10: Lasertracker)– sowie in der Praxis die direkter anwendbareVDI/VDE 2634 Teil 2(optische 3D-Messsysteme auf Basis von Flächenabtastung) – definieren standardisierte Verfahren zur Leistungsüberprüfung berührungsloser 3D-Messsysteme, einschließlich solcher, die auf Lasertriangulation basieren.

Die Norm legt Folgendes fest:

• Die Wertefür den maximal zulässigen Fehler (MPE)bei der Abtastgenauigkeit und der Längenmessgenauigkeit, die ein Sensor erreichen muss, um die Abnahmeprüfung zu bestehen
• Standardisierte Prüfmittel(Referenzkugeln, Stufenlehren, Kugelstangenlehren) und einzuhaltende Prüfverfahren
• Umgebungsbedingungen(Temperatur, Luftfeuchtigkeit), unter denen die Prüfungen durchgeführt werden müssen
• Intervalle für die erneute Überprüfungund Bedingungen, die eine obligatorische erneute Prüfung auslösen

Für Hersteller von Laser-Triangulationssensoren standards die Einhaltung dieser standards unerlässlich fürdie Akzeptanz in Objektvermessung industriellen Objektvermessung, bei Audits von Automobilzulieferern (IATF 16949) und in Qualitätssystemen der Luft- und Raumfahrt (AS9100). In den Sensorspezifikationen sollte ausdrücklich angegeben werden, welche Norm für die Leistungsbeschreibung herangezogen wurde und unter welchen Bedingungen die angegebenen MPE-Werte gelten.

In Produktionsumgebungen muss ein Laser-Triangulationssensor nicht nur die festgelegten Leistungsgrenzen erfüllen, sondern es muss auch nachgewiesen werden, dass erin der Lage ist,mit ausreichender Zuverlässigkeitzwischen konformen und nicht konformen Teilen zu unterscheiden. Dies wird im Rahmen einer Messsystemanalyse (MSA) bewertet.

Die wichtigste MSA-Methode für Lasertriangulationssensoren ist dieGauge-R&R-Studie (Gauge Repeatability and Reproducibility)gemäß dem AIAG MSA Reference Manual. Eine Gauge-R&R-Studie quantifiziert:

• Wiederholbarkeit (Geräteabweichung, EV):Die Abweichung, die durch das Messsystem selbst verursacht wird, wenn derselbe Bediener dasselbe Teil unter denselben Bedingungen misst
• Reproduzierbarkeit (Messabweichung, AV):Die Abweichung, die dadurch entsteht, dass verschiedene Bediener oder unterschiedliche Sensorpositionen dasselbe Bauteil messen
• Gesamt-Messsystemabweichung (%GRR):Die kombinierte Messsystemabweichung als Prozentsatz der gesamten Prozessschwankung oder Toleranz

The acceptance criterion for production measurement systems is typically %GRR < 10% for capable systems and < 30% for conditionally acceptable systems. Values above 30% indicate that the measurement system is not fit for the intended application and requires investigation or replacement.

Neben derMessgeräte-Wiederholbarkeitund -Wiederholbarkeit (Gauge R&R) wird derMessfähigkeitsindexCgCg(Messgerätefähigkeit)verwendet, um zu beurteilen, ob die Wiederholbarkeit eines Messgeräts im Verhältnis zur Toleranz des gemessenen Merkmals ausreichend ist:

Cg = 0,2 × T6 × σEVCg​=6⋅σEV​0,2⋅T​

wo $T$ die Toleranz des Messmerkmals ist und σEVσEV​ ist die Standardabweichung der Geräteabweichung aus der Gauge-R&R-Studie. Ein Wert von Cg ≥ 1,33Cg​≥1,33 ist für ein leistungsfähiges Messsystem erforderlich.

Die Analyse der Linearitätüber den gesamten Messbereich ist eine zusätzliche Anforderung an Laser-Triangulationssensoren, da die Triangulationsgeometrie zu einer nichtlinearen Beziehung zwischen der Position der Sensorpixel und der Z-Entfernung führt. Der Linearitätsfehler nach der Werkskalibrierung sollte dokumentiert und regelmäßig neu überprüft werden.

Lasertriangulationssensoren finden breite Anwendung inautomatisierten Prüfsystemen zur geometrischen Maß- und Toleranzbestimmung (GD&T), bei denen die gemessenen 3D-Daten mit der Soll-CAD-Geometrie abgeglichen werden. Der maßgebliche normative Rahmen istdie Norm ISO 1101 (Geometrische Produktspezifikationen – Geometrische Toleranzangaben)und ihr internationales Äquivalent ASME Y14.5.

Bei der GD&T-basierten Prüfung muss die gemessene Punktwolke zunächst mithilfe eines Referenzpunktsystems (RPS)auf das nominale CAD-Koordinatensystem ausgerichtetwerden. Das RPS definiert eine Reihe von Lokalisierungspunkten auf dem Messobjekt, die die sechs Freiheitsgrade (drei translatorische, drei rotatorische) festlegen. Typische RPS-Konfigurationen für Blechteile folgen dem 3-2-1-Prinzip: drei primäre, zwei sekundäre und ein tertiärer Referenzpunkt.

Nach der RPS-Ausrichtung werden an jedem Bewertungspunkt die Abweichungen zwischen der gemessenen Oberfläche und der Soll-Oberfläche berechnet und mit den in der Konstruktionszeichnung festgelegten GD&T-Toleranzen verglichen. Zu den gängigen GD&T-Merkmalen, die anhand von Lasertriangulationsdaten bewertet werden, gehören:

• Ebenheit:Die Abweichung einer Oberfläche von einer vollkommen ebenen Fläche
• Geradheit:Die Abweichung eines Linienelements von einer vollkommen geraden Linie
• Oberflächenprofil:Die Abweichung der tatsächlichen Oberfläche von der nominellen CAD-Oberfläche innerhalb eines definierten Toleranzbereichs
• Tatsächliche Position:Die Abweichung der tatsächlichen Position eines Merkmals von seiner theoretisch exakten Position

Multipart versteht man die gleichzeitige Erfassung von zwei oder mehr geometrisch voneinander getrennten Bereichen eines Messobjekts – oder mehrerer unterschiedlicher Objekte – in einem einzigen Messdurchlauf. In einer Standardkonfiguration erfasst ein Lasertriangulationssensor ein durchgehendes Profil über seinen gesamten X-Messbereich. Wenn das Messobjekt eine Lücke, eine Stufendiskontinuität oder mehrere physisch voneinander getrennte Komponenten aufweist, muss der Sensor jeden Bereich unabhängig voneinander auswerten.

Im Multipart ist die Auswertungs-Firmware des Sensors so konfiguriert, dassmehrere unabhängige Messfensterüber die gesamte Profilbreite definiert werden. Jedes Fenster wird separat ausgewertet, mit eigenen Gültigkeitskriterien, Parametern zur Spitzenerkennung und output. Dies ermöglicht es beispielsweise, bei einem einzigen Sensorlauf über eine Baugruppe die Positionen mehrerer Unterkomponenten relativ zueinander gleichzeitig zu messen.

Zu Applikationen typischen Applikationen Multipart gehören:

• Gleichzeitige Messung mehrerer paralleler Schweißnähte
• Messung des Abstands und der Versetzung zwischen zwei benachbarten Bauteilen in einem einzigen Scan
• Prüfung von in Reihen angeordneten Bauteilen (z. B. Steckerstifte, Zeilen) in einem Durchgang

Im Standardbetrieb ermittelt der Spitzenwert-Erkennungsalgorithmus des Sensors pro Sensorspalte deneinzelnen stärksten Reflexionspeakund gibt die entsprechende Z-Koordinate zurück. Bei Messobjekten mit transparenten oder halbtransparenten Schichten – wie Glasscheiben, klaren Lacken, Folien oder Harzbeschichtungen – durchdringt der Laserstrahl die erste Oberfläche, wird teilweise reflektiert, setzt sich zur zweiten Oberfläche fort und wird dort erneut reflektiert. Der Sensor empfängtzwei oder mehr deutliche Reflexionspeaksaus unterschiedlichen Tiefenpositionen.

Dank der Mehrfachspitzen-Auswertungkann der Sensor alle signifikanten Reflexionsspitzen pro Sensorsäule – in der Regel bis zu vier Spitzen – erkennen, verfolgen und unabhängig voneinander melden. Die output die Z-Position und die Intensität jeder Spitze, wodurch folgende Messungen möglich sind:

• Schichtdicke:Der Abstand zwischen dem höchsten Punkt der Vorderseite und dem höchsten Punkt der Rückseite einer transparenten Schicht (z. B. Glasdicke, Beschichtungsdicke)
• Unterflächenmerkmale:Die Geometrie der Oberflächen unter einer transparenten Deckschicht
• Oberflächenqualität auf glänzenden Substraten:Unterscheidung zwischen Spiegelreflexion und diffuser Körperreflexion einer beschichteten Oberfläche

Die minimale Schichtdicke, die mittels Multipeak-Auswertung aufgelöst werden kann, beträgt ungefähr Δzmin ≈ 2 · δzΔzmin​≈2⋅δz, wobei $\delta z$ die Z-Auflösung des Sensors ist. Unterhalb dieses Schwellenwerts verschmelzen die beiden Peaks und können nicht mehr getrennt werden.

Viele industrielle Messobjekte weisen reflectance eines einzigen Profils Oberflächen mit extremen Unterschieden im reflectance auf. Ein typisches Beispiel ist eine Laserschweißnaht, die eine helle, polierte Stahloberfläche mit einem dunklen, eloxierten Aluminiumprofil verbindet. Bei einer Standardaufnahme mit Einzelbelichtung übersteuert entweder der helle Bereich den Sensor oder der dunkle Bereich liefert ein unzureichendes Signal – beides führt zu keiner gültigen Messung.

Die HDR-Messung (High Dynamic Range)löst dieses Problem, indem sie innerhalb jedes Messzyklus dasselbe Profil beizwei oder mehr unterschiedlichen Belichtungszeitenerfasst. Die Firmware fasst die Ergebnisse anschließend zusammen:

• Für jede Sensorspalte wird die Belichtung mit der besten Signalqualität (weder übersteuert noch unterhalb der Rauschschwelle) ausgewählt
• Aus den qualitativ hochwertigsten Daten jeder Belichtung wird ein zusammengesetztes Profil erstellt, wodurch dereffektive Dynamikbereichder Messung maximiert wird

Der HDR-Modus verlängert die Messzykluszeit proportional zur Anzahl der verwendeten Belichtungen (in der Regel um das Zweifache oder Vierfache). Bei Applikationen muss das Verhältnis zwischen der Erweiterung des Dynamikbereichs und der geringeren Profilaufnahmerate sorgfältig abgewogen werden.

Wenn die Oberfläche des Messobjekts im Verhältnis zur Z-Achse des Sensors einesteile Neigung oder eine scharfe Kanteaufweist, kann sich das reflektierte Lasersignal auf mehrere Sensorspalten verteilen, wodurch ein breiter, asymmetrischer Intensitätspeak entsteht, der mit herkömmlichen Zentrumsalgorithmen nur schwer genau auszuwerten ist. In extremen Fällen trifft der von einer nahezu senkrechten Oberfläche reflektierte Strahl den Detektor überhaupt nicht.

Die Mehrfachneigungsauswertungerweitert die Winkelmessfähigkeit des Sensors durch den Einsatzeiner neigungsadaptiven Spitzenwert-Erkennung: Der Auswertungsalgorithmus berücksichtigt die zu erwartende seitliche Verschiebung der Spitzenposition, die durch steile Oberflächenneigungen verursacht wird, und wertet das Signal entsprechend aus. Dadurch kann der Sensor:

• Präzise Messung der Position von Stufenkanten und Schneidkanten an präzisionsgefertigten Teilen
• Unterhöhungen beheben, bei denen die Oberflächennormale erheblich von der Z-Achse des Sensors abweicht
• Liefert auch bei Neigungen von bis zu 60°–80° zur Sensorachse gültige Messdaten, im Vergleich zu etwa 40°–50° bei der Standardauswertung

Die Eignung der Lasertriangulation für ein bestimmtes Material hängt in erster Linie von dessen optischen Oberflächeneigenschaften ab – diffuse reflectance, Spiegelung und Transparenz:

Laser-Triangulationssensoren werden in industriellen Prozessen in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen eingesetzt. Die wichtigsten sind:

Inline-Qualitätsprüfung und automatisierte 100-Prozent-Prüfung:Über Förderbändern montierte oder in Transferstraßen integrierte Laser-Profilscanner führen bei voller Produktionsgeschwindigkeit Oberflächeninspektion 100-prozentige Maß- und Oberflächeninspektion gefertigten Teile Oberflächeninspektion . Die Profilaufnahmerate und die Datenverarbeitungsgeschwindigkeit des Sensors müssen auf die Liniengeschwindigkeit und die erforderliche räumliche Auflösung abgestimmt sein. Die typischen Zykluszeiten reichen je nach Teilegeometrie und Prüfumfang von wenigen Millisekunden bis zu mehreren Sekunden.

3D-Prüfung und Soll-Ist-Vergleich:Die gescannten 3D-Punktwolken werden nach der RPS-Ausrichtung mit der Soll-CAD-Geometrie des Bauteils verglichen. Farbcodierte Abweichungskarten visualisieren Bereiche, in denen die tatsächliche Oberfläche über die festgelegten Toleranzgrenzen hinaus von der Soll-Oberfläche abweicht. Diese Methode wird bei der Erstmusterprüfung, bei Stichproben im Rahmen der statistischen Prozesskontrolle (SPC) und bei der Werkzeugvalidierung eingesetzt.

Oberflächeninspektion Fehlererkennung:Durch die Auswertung des lokalen Z-Profils an jedem Messpunkt erkennen Lasertriangulationssensoren Oberflächenfehler wie Kratzer, Dellen, Poren, Grate und Schweißspritzer. Fehler werden als lokale Abweichungen vom erwarteten Oberflächenprofil identifiziert, die einen definierten Erkennungsschwellenwert überschreiten. Im Gegensatz zur bildbasierten Sichtprüfung liefert die Lasertriangulationquantitative Maßdaten zu jedem erkannten Fehler– dessen Tiefe, Breite und Position.

Lageerkennung Positionsbestimmung:In Applikationen für Montage und Handhabung werden Laser-Triangulationssensoren eingesetzt, um diegenaue Position und Ausrichtung von Werkstückenvor dem Greifen, Platzieren oder Bearbeiten zu ermitteln. Die Sensordaten fließen in die Koordinatentransformation der Robotersteuerung ein und gleichen so Positionstoleranzen bei der Teilezuführung und -aufspannung aus. Diese Anwendung erfordert hohe Erfassungsraten und eine geringe Latenz zwischen der Messung und der Reaktion des Roboters.

Vollständigkeitskontrolle:Laser-Profilscanner überprüfen, ob alle erforderlichen Komponenten einer Baugruppe vorhanden und korrekt positioniert sind, bevor die Baugruppe zum nächsten Prozessschritt weitergeleitet wird. Fehlende Komponenten werden als Abweichungen vom erwarteten 3D-Profil in bestimmten Prüfbereichen identifiziert.

Auch angrenzende Anwendungsbereiche wieZustandsüberwachung und vorausschauende Instandhaltungprofitieren von Daten der Lasertriangulation, beispielsweise durch die regelmäßige Verschleißmessung von Werkzeugen oder die kontinuierliche Überwachung von Schienen- oder Straßenoberflächenprofilen. Diese Applikationen in den entsprechenden Artikeln zu diesen Themen innerhalb dieser Themenübersicht behandelt.