Multipart bei der Lasertriangulation: Erfassung mehrerer Bereiche in einem einzigen Scan

Ein im Einzonenmodus arbeitender Laserprofilsensor wertet ein durchgehendes Messfenster über die gesamte Sensorzeile aus. Komplexe Werkstücke mit zwei oder mehr geometrisch unterschiedlichen Oberflächenebenen – wie abgestufte Wellen, gerillte Profile und mehrstufige Steckergehäuse – erzeugen an Oberflächenübergängen innerhalb eines einzelnen Fensters undefinierte Datenpunkte. Der Übergangsbereich zwischen einer erhöhten Fläche und einer vertieften Rille erzeugt gleichzeitig reflektiertes Laserlicht in zwei verschiedenen Z-Höhen. Eine Einzelfenster-Auswertung ordnet jedem Sensorspalten einen Peak zu, was an der Übergangsgrenze zu mehrdeutigen oder fehlerhaften Höhenwerten führt. Multipart löst dieses Problem, indem sie jede Oberflächenebene einem eigenen Auswertungsfenster mit einer eigenen, unabhängigen Peak-Erkennungslogik zuordnet.

Beim Einzonen-Scan wird pro Scanvorgang ein zusammenhängender Oberflächenbereich erfasst. Multipart werden pro Scanvorgang zwei oder mehr geometrisch voneinander getrennte Oberflächenbereiche erfasst. Die drei Hauptunterschiede zwischen den beiden Modi sind Messkonsistenz, Zykluszeit und Komplexität der Konfiguration.

Eine Zone bei Multipart ist ein definierter Pixelbereich auf dem Sensorarray, der einem bestimmten Tiefenintervall und einer bestimmten seitlichen Position auf der Werkstückoberfläche entspricht. Der Sensorbediener definiert jede Zone durch die Angabe von drei Parametern: die Startposition der Pixel, die Endposition der Pixel und den Arbeitsabstandsbereich, innerhalb dessen die Oberfläche dieser Zone voraussichtlich liegt.

Die interne Verarbeitung des Sensors wendet den Spitzenerkennungsalgorithmus – der den Schwerpunkt der reflektierten Laserspitze ermittelt – unabhängig auf den Pixelbereich jeder Zone an. Die Zonengrenzen überschneiden sich nicht: Jede Spalte von Sensorpixeln gehört genau zu einer Zone. Diese Exklusivität stellt sicher, dass das von einer Oberflächenebene reflektierte Laserlicht die Spitzenerkennung einer benachbarten Zone nicht beeinträchtigt.

Die Gesamtzahl der Zonen, die von einem Laser-Profilsensor im Multipart unterstützt werden, hängt von der Verarbeitungsarchitektur des Sensors und der Durchsatzkapazität des FPGAs ab. Industrielle Laser-Profilsensoren support oder mehr gleichzeitige Multipart , wobei die Anzahl der Zonen umgekehrt proportional zur output des Sensors ist, da die Verarbeitungslast mit jeder zusätzlichen Zone zunimmt.

Jede Multipart erzeugt ein eigenständiges Höhenprofil – eine Folge von Z-Werten (Höhenmessungen), die entlang der X-Achse der Laserlinie verteilt sind und die dieser Zone zugewiesenen Pixelspalten abdecken. Das output pro Zone ist ein eindimensionales Profil-Array mit Z-Koordinatenwerten pro Spalte, dessen Struktur mit der output vollständigen Einzelszonen-Scans identisch ist, das jedoch räumlich auf den Spaltenbereich der Zone beschränkt ist.

Die nachgelagerte Software empfängt diese Zonenprofile je nach Konfiguration der Sensorschnittstelle entweder als separate Datenströme oder als zusammengeführtes Gesamtprofil. Unabhängige Zonenausgaben ermöglichen zonenspezifische Qualitätsentscheidungen: Ein Werkstück mit drei gemessenen Zonen kann für jede Zone einzeln als „bestanden“ oder „nicht bestanden“ bewertet werden, ohne dass das gesamte Messergebnis ungültig wird.

Industrielle Laser-Profilsensoren, die im Multipart arbeiten, support 2 und 8 Zonen pro Scan, wobei die genaue Höchstzahl von der Signalverarbeitungsarchitektur des jeweiligen Sensormodells abhängt. Die Anordnung der Zonen folgt zwei räumlichen Regeln: Die Zonen überlappen sich nicht im Spaltenbereich des Sensors, und die Zonen sind sequenziell von der äußersten linken bis zur äußersten rechten Spaltenposition auf dem Sensorarray angeordnet.

Die Anzahl der Zonen wirkt sich direkt auf die output des Sensors aus. Jede zusätzliche Zone erhöht die Verarbeitungszeit des Sensors pro Bild um den Rechenaufwand für einen weiteren Durchlauf zur Spitzenerkennung. Ein Laserprofilsensor, der im Einzonenmodus mit 4.000 Hz arbeitet, verringert seine Bildrate, wenn er für vier Multipart konfiguriert ist, wobei der Reduktionsfaktor von der internen Verarbeitungs-Pipeline des Sensors abhängt.

Die Zonenbreite – also die Anzahl der Spalten, die jeder Zone zugewiesen sind – ist konfigurierbar und muss nicht in allen Zonen gleich sein. Eine schmale Zone mit 50 Spalten und eine breite Zone mit 300 Spalten könnengleichzeitig in derselben Multipart betrieben werden.

Jede Multipart muss einzeln kalibriert werden, wenn die den verschiedenen Zonen zugeordneten Oberflächen nicht koplanar sind oder sich in unterschiedlichen Arbeitsabständen zum Sensor befinden. Ein Werkstück mit einer erhabenen Fläche im Arbeitsabstand von 80 mm und einer vertieften Rille im Arbeitsabstand von 95 mm legt die Zielfläche jeder Zone an einem anderen Punkt der Tiefenschärfekurve des Sensors vor.

Die unabhängige Kalibrierung jeder Zone – unter Verwendung einer Referenzfläche, die im erwarteten Arbeitsabstand dieser Zone positioniert ist – stellt sicher, dass die von jeder Zone erzeugten Z-Werte die korrekte Maßskalierung aufweisen. Zonen, die auf koplanaren Flächen im gleichen Arbeitsabstand arbeiten, teilen sich eine einzige Kalibrierung. Der Zusammenhang zwischen der Kalibrierung pro Zone und der Gesamtmessgenauigkeit steht im Zusammenhang mit dem übergeordneten messtechnischen Rahmen der Messsystemanalyse.

Stufenförmige Werkstücke sind das primäre Anwendungsziel der Multipart in der industriellen Prüfung. Ein stufenförmiges Werkstück weist zwei oder mehr Oberflächenebenen mit definierten vertikalen Versätzen auf – beispielsweise präzisionsgefertigte Flansche mit erhöhten Dichtflächen, spritzgegossene Steckergehäuse mit mehreren Kontaktflächenebenen und geschichtete Halbleiter-Leiterrahmen mit über dem Substrat liegenden Bondpads.

Jede Oberflächenebene eines abgestuften Werkstücks nimmt einen bestimmten Tiefenbereich im Sichtfeld des Sensors ein. Multipart wird jeder Oberflächenebene eine Zone zugewiesen, wodurch die gleichzeitige Höhenprofilierung aller Ebenen in einem einzigen Scanvorgang ermöglicht wird. Auf diese Weise kann der Sensor die Stufenhöhe – den vertikalen Abstand zwischen zwei Oberflächenebenen – als abgeleiteten Messwert ermitteln,output sichoutput denoutput benachbarter Zonen zusammensetzt, ohne dass ein zweiter Scan in einer anderen Sensorhöhe erforderlich ist.

Die Spaltmessung ist eine Multipart , die die räumliche Beziehung zwischen zwei benachbarten Oberflächen charakterisiert, die durch einen physischen Spalt voneinander getrennt sind, wie beispielsweise der Spalt zwischen einer panel einem Karosserierahmen in der Automobilfertigung, der Abstand zwischen einer Leiterplatte und einer Gehäuse sowie der Abstand zwischen zwei zusammengefügten Passflächen in präzisen mechanischen Verbindungen.

Ein Laserprofilsensor, der im Einzonenmodus über einen Spaltbereich arbeitet, liefert innerhalb des Spaltintervalls undefinierte oder interpolierte Datenpunkte, da an dieser Stelle keine Oberfläche die Laserlinie reflektiert. Multipart wird jeder den Spalt flankierenden Oberfläche eine Zone zugewiesen, wobei der Spaltbereich aus dem Auswertungsbereich jeder Zone ausgeschlossen wird. Diese Konfiguration erfasst das Höhenprofil beider flankierender Oberflächen sauber, und die Spaltbreite wird aus den bekannten Zonengrenzpositionen in Kombination mit dem Fehlen gültiger Z-Werte zwischen diesen abgeleitet.

Bei der Prüfung von Mehrkomponenten-Baugruppen wird Multipart eingesetzt, um gleichzeitig die räumlichen Beziehungen zwischen zwei oder mehr montierten Bauteilen zu erfassen, die in einer definierten räumlichen Anordnung fixiert sind. Beispiele für diese Anwendung sind die Überprüfung der Koplanarität von drei Lötstellen auf einer Leiterplatte im Verhältnis zu einem Referenzpad, die Überprüfung der relativen Höhe und Neigung von zwei Zeilen einem elektrischen Steckverbinder sowie die Bestimmung der Z-Position von vier Passstiften an einer geprägten Metallhalterung im Verhältnis zu einer Referenzfläche.

Jede Komponente oder Merkmalsgruppe wird einer Multipart zugeordnet. Der Sensor erfasst das Höhenprofil aller zugeordneten Merkmale in einem einzigen Scan, sodass die nachgelagerte Software relative Höhenabweichungen, Neigungswinkel und Montageversätze über alle Zonen hinweg gleichzeitig berechnen kann.

Multipart und die Multipeak-Erkennung arbeiten auf unterschiedlichen Ebenen der Auswertungshierarchie des Sensors: Multipart das Sensorarray in Spaltensegmente, während Multipeak mehrdeutige Peakdaten innerhalb jeder Spalte einer beliebigen Zone auflöst. Eine Multipart mit aktivierter Multipeak-Funktion in einer oder mehreren Zonen erfasst gleichzeitig sowohl das Oberflächenprofil jeder Zone als auch die Informationen zur Unterfläche oder zu den Schichten an jedem Messpunkt innerhalb dieser Zone.

In einer Multipart lassen sich die HDR-Parameter zonenweise zuweisen, sodass der Sensor innerhalb desselben Bildausschnitts eine hohe Belichtungseinstellung auf eine Zone mit geringer Reflektivität und eine niedrige Belichtungseinstellung auf eine Zone mit hoher Reflektivität anwenden kann. Durch diese zonenweise HDR-Zuweisung entfällt die Notwendigkeit eines globalen Belichtungskompromisses, der eine Oberfläche unterbelichten oder die andere übersättigen würde. Eine typische Anwendung ist eine mattschwarze Gummidichtung neben einem polierten Edelstahlflansch – zwei Oberflächen, die unterschiedliche Belichtungsstufen erfordern und jeweils einer eigenen Multipart mit individueller HDR-Konfiguration zugeordnet sind.

In einer Multipart kann die Option „Mehrere Neigungen“ pro Zone aktiviert werden, sodass Zonen, die Kantenelemente oder stark geneigte Flächen abdecken, eine angepasste Neigungsauswertung verwenden, während benachbarte Zonen, die flache Flächen abdecken, die Standard-Spitzenerkennung nutzen. Dies ist relevant für Werkstücke, die flache Referenzflächen mit stark geneigten Flanken oder hinterschnittenen Geometrien kombinieren, wie beispielsweise Schwalbenschwanzprofile, V-Nut-Kanäle und abgeschrägte Montagekanten.