Das Auge des Roboters

Die leistungsstarken 3D-Sensoren der Serie surfaceControl von Micro-Epsilon ermöglichen eine Inline-Qualitätskontrolle mit hoher Genauigkeit, auch gerne gemeinsam mit einem Roboter. 

Die Vermessung von Oberflächen lässt sich mit verschiedenen Messprinzipien realisieren. Micro-Epsilon setzt bei seinen Lösungen generell auf berührungslose Messtechnik mit optischen Methoden. Bei den verschiedenen Sensoren der Serie surfaceControl kommt die Triangulation zum Einsatz, bei der über eine Dreiecks-Geometrie der Abstand zwischen Sensor und jedem Punkt der Oberfläche vermessen wird.  

Mit den 3D Snapshot Sensoren der Reihe surfaceControl setzt Micro-Epsilon neue Maßstäbe bei der Geometrie-, Form- und Oberflächenprüfung matter Objekte. Die Sensoren der neuesten Generation bieten eine Z-Wiederholpräzision von 0,25 µm bei gleichzeitig bester XY-Auflösung mit bis zu 8 µm. Dadurch können selbst feinste Details auf Oberflächen erfasst und hochauflösende Messungen durchgeführt werden.  

Dazu projiziert ein sogenannter Matrixprojektor im Sensor ein Streifenmuster auf die Oberfläche. Zwei Kameras, die im gleichen Sensorgehäuse untergebracht sind, nehmen das diffus reflektierte Licht dieses Streifenmusters auf. Die integrierte Signalverarbeitung ermittelt dann mit trigonometrischen Berechnungen den Abstand zum Sensor für jeden Punkt der Oberfläche. Das Verfahren ist für alle diffus reflektierenden Oberflächen geeignet.  

Gegenüber taktilen Messmethoden hat die optische Triangulation mit Streifenlichtprojektion entscheidende Vorteile. So ist zum Beispiel die Berührung der Oberfläche durch einen Taster nicht notwendig, was insbesondere bei empfindlichen Oberflächen eine Rolle spielt. Und außerdem kann in sehr kurzer Zeit ein Abbild der gesamten Oberfläche mit enormer Auflösung erstellt werden. 

Präzision und Geschwindigkeit 

Das Unternehmen hat jetzt sein Portfolio zur 3D-Oberflächeninspektion um zwei Messbereiche erweitert. Bei dem surfaceControl SC3xx0-240 handelt es sich um einen schnellen 3D-Snapshot-Sensor. Das Bauteil, welches vermessen werden soll, muss also während der Messung nicht bewegt werden. Je nach Abstand zwischen Sensor und Bauteil, der zwischen 340 und 540 mm betragen darf, kann eine Gesamtfläche von bis zu 245 x 180 mm erfasst werden. Die Präzision, mit der Oberflächenstrukturen vermessen werden können ist in z-Richtung mit 4 µm sehr hoch, die Wiederholgenauigkeit liegt sogar bei 1,4 µm. Die Aufnahmezeit beträgt je nach Anwendung zwischen 0,2 und 0,4 Sekunden. Damit lassen sich Inline-Qualitätskontrollen auch bei hohen Taktraten durchführen. 

Ähnliche Eigenschaften in Bezug auf Genauigkeit und Auflösung hat der surfaceControl SC35x0-30, der für kleinere Objekte mit einer maximalen Abmessung von 31 x 19,5 mm geeignet ist. Der Arbeitsabstand zwischen Sensor und Objekt beträgt bei dieser Version 130 mm. Diese Variante bietet neben der hohen Auflösung von 0,7 µm in z-Richtung auch eine präzise horizontale Messung mit einer Auflösung von 8 µm. Beide Varianten sind in einem stabilen Aluminiumgehäuse integriert, das die hohe Schutzart IP67 erfüllt. Damit können die Sensoren der surfaceControl-Reihe auch in einer rauen Produktionsumgebung eingesetzt werden.  

Einfache Integration und Inbetriebnahme 

Die Integration in ein System zur Qualitätssicherung ist sehr einfach. Dabei hat der Anwender bzw. Systemintegrator zwei Möglichkeiten. So können die Daten – es handelt sich hierbei um eine 3D-Punktewolke der Oberfläche – komplett ausgegeben werden. Für die schnelle Datenausgabe steht eine Gigabit-Ethernet-Schnittstelle zur Verfügung, die eine Übertragung gemäß dem Standard GigE Vision ermöglicht. Damit lassen sich die Daten zur Auswertung problemlos in eine 3D-Bildauswertesoftware übertragen. Alternativ stehen auch umfangreiche SDKs zur Verfügung, um entsprechende Software selbst zu entwickeln oder die Funktionalitäten in eine eigene bereits vorhandene Software zu integrieren. 

Eine noch einfachere Integration ergibt sich mit der Verwendung der Software 3DInspect, die Micro-Epsilon speziell auf die Anforderungen der typischen Anwendungen angepasst hat. Die Software lässt sich intuitiv bedienen. Über ein übersichtlich gestaltetes GUI kann die Parametrierung auch völlig ohne Programmierkenntnisse erfolgen. In der Software gibt es zahlreiche vorgefertigte Messprogramme, die zur Erkennung und Auswertung verschiedenster Eigenschaften der Oberfläche dienen. Die genaue Messaufgabe kann der Anwender dann mit wenigen Klicks parametrieren. So lassen sich zum Beispiel Extrempunkte, Vertiefungen, rechteckige und runde Löcher, Kanten und vieles mehr erkennen und vermessen. Das Messprogramm wertet dann automatisiert jede Aufnahme aus und kann dann über die integrierten Ausgänge des Sensors die Ergebnisse ausgeben. Zusätzlich ist auch ein Vergleich mit einer vorgegebenen Geometrie möglich, das Ergebnis ist dann ein IO/NIO-Signal. Auf diese Weise lässt sich ein surfaceControl-Sensor optimal in eine Inline-Qualitätssicherung integrieren. 

Typische Anwendungen 

Der 3D-Sensor SC3xx0-240 kann in verschiedenen Anwendungen die Ebenheit von Oberflächen überprüfen. Durch die hohe Auflösung ist der Sensor auch für Bauteile geeignet, bei der an die Oberfläche hohe Anforderungen in Bezug auf die Ebenheit gestellt werden. Ein aktuelles Beispiel hierfür sind Bipolarplatten, die in Brennstoffzellen benötigt werden. Dichtflächen von Ventilen, Bremsbeläge oder Smartphone-Gehäusen, in denen Defekte erkannt werden müssen, sind weitere Bereiche, deren Qualität durch den Einsatz des surfaceControl verifiziert werden kann. 

Auch in der Elektronikfertigung spielt die Oberflächeninspektion eine wichtige Rolle. So werden Leiterplatten in vielen Fällen einer Qualitätskontrolle unterzogen, um sicherzustellen, dass die Qualität der Leiterbahnen, Lötstellen oder Oberflächenbeschichtungen den Vorgaben entspricht. Fehler, wie Kurzschlüsse, Unterbrechungen oder fehlerhafte Lötverbindungen können so erkannt werden. Für solche Aufgaben sind die Sensoren der Serie surfaceControl ebenfalls ideal geeignet.  

Gerade bei der Überprüfung sehr kleiner Strukturen auf bestückten Elektronik-Baugruppen kommt der SC35x0-30 zum Einsatz. Mit ihm lassen sich beispielsweise die richtige Platzierung von kleinesten SMD-Bauteilen auf der Leiterplatte kontrollieren. Hierbei ist neben der Höhenmesseng in z-Richtung auch die horizontale Genauigkeit der Messung entscheidend, die der SC35x0-30 bietet. 

Vielfältige Messaufgaben 

Mit den beiden neuen Modellen erweitert Micro-Epsilon sein Portfolio der 3D-Oberflächenmesstechnik sowohl für kleinere als auch für größere Oberflächen, die vermessen werden können. Die Sensoren liefern eine sehr hohe Datenqualität, weswegen die Auswertung der Daten entsprechend gute Ergebnisse liefert. Mit den surfaceControl-Sensoren lassen sich Lösungen für die Inline-Qualitätskontrolle implementieren, die je nach Bedarf die Software 3D-Inspect oder eigene Softwarelösungen verwenden. Mit der hohen Schutzart lassen sich die Sensoren auch unter anspruchsvollen Umgebungsbedingungen einsetzen, sogar die Montage an einem Roboterarm ist möglich. 

Autor: Thomas Penski, Produktmanager 3D-Sensorik, Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG 

Bilder: Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG