Wie Laser-Profilsensoren funktionieren

Laser-Profilsensoren, allgemein bekannt als Punktlaser, messen einen einzelnen Punkt mittels Triangulations-Reflexion. Laser-Profiler hingegen messen eine ganze Linie. Die Messgenauigkeit von Laser-Profilsensoren ist hoch, jedoch ist ihre Effizienz niedrig, da die Daten Punkt für Punkt erfasst werden. Laser-Profiler gehen den gegenteiligen Kompromiss ein. Sie scannen die Oberfläche und bilden schnell 3D-Konturen, jedoch nimmt die Genauigkeit ab. Die Anforderungen der jeweiligen Anwendung, vor allem die Frage, ob Genauigkeit oder Geschwindigkeit Vorrang haben, entscheiden darüber, welche Art von Lasermessung verwendet werden sollte.

Ob es um das Zählen von Keksen in einem Klappbehälter geht, die Überprüfung der Ausrichtung von Fahrzeugteilen oder die Messung der Position elektronischer Bauteile auf einer Leiterplatte, die Liste der Fertigungsanwendungen, die von einem einfach bedienbaren 3D-Vision-System profitieren können, ist nahezu unbegrenzt.

3D-Bildverarbeitungsdesigner verfügen heute über viele Möglichkeiten zur Bewältigung von 3D-Anwendungen, einschließlich Laser-Profilsensorsystemen (auch Laserscanner genannt), stereoskopischer und Time-of-Flight (TOF)-Lösungen. Von diesen drei Lösungsansätzen sind Laser-Profilsensoren die häufigsten und liefern die schnellste, genaueste und kostengünstigste 3D-Datenerfassung für Inline- und Offline-Einsätze.

Profiler im Vergleich zu linearen Profilsensoren und Flächen-Profilsensoren

Ein Laser-Profilsensor kann präzise 2D- und 3D-Messungen von Oberflächen erstellen, einschließlich Höhe, Breite, Winkel, Fläche und Position eines Objekts. Laser-Profilsensoren lassen sich in drei Haupttypen unterteilen: lineare Profiler, lineare Profilsensoren und Flächenscan-Profilsensoren.

Laser-Profiler erstellen entweder 2D-Scheiben von Bildern (z. B. ein Bild eines in der Mitte auseinandergeschnittenen Objekts) oder 3D-Oberflächenkarten mittels Stapelung einzelner Profile in einem kontinuierlichen Bild. Üblicherweise werden dabei Bewegungsdaten von einem Encoder verwendet, der das Objekt, das gerade gescannt wird, verfolgt.

2,5D-Höhenprofil (links) und 3D-Punktwolke (rechts)

Laser-Profilsensoren gehen bei diesem Vorgang noch einen Schritt weiter und erstellen echte 3D-Punktwolken des gesamten Objekts für mehr Genauigkeit und größere Nutzbarkeit (unter der Annahme, dass die Bildverarbeitungssoftware für die Arbeit in einer echten 3D-Umgebung in vollem Umfang optimiert wurde). Laser-Profilsensoren werden auch oberhalb und manchmal unterhalb von Förderbändern montiert, um Objekte zu scannen, die sich bewegen. Diese Sensoren sind manchmal für die Scanbewegung vom Sensor zum Objekt am Ende von Roboterarmen montiert.

Manche Flächenscan-Profilsensoren verwenden schließlich mikroelektromechanische (MEM) Spiegel, um die Laserstrahlung rund um das Objekt zu senden und nicht davon abhängig zu sein, dass sich das Objekt im Verhältnis zum Laser bewegt.

Laser-Triangulation misst die Höhe

Zur Bestimmung der Höhe eines Pixels über einer kalibrierten Grundebene (denken Sie an die „Null“-Position auf einem Liniendiagramm) verwenden Laser-Profilsensoren die Laser-Triangulation.

Im Betrieb projizieren Laser-Profilsensoren eine Laserlinie auf ein Objekt, das stationär ist oder sich relativ zum Sensor bewegt. Beispielsweise kann ein linearer Profilsensor wie jener, der im In-Sight 3D-L4000 Bildverarbeitungssystem verwendet wird, oberhalb eines laufenden Förderbands oder auf einem beweglichen Roboterarm montiert werden.

Ein digitaler Sensor, der sich in einem bekannten Abstand und Winkel vom Laserliniengenerator im Laser-Profilsensor befindet, erfasst das reflektierte Licht. Die Laser-Triangulationssoftware im Sensor rekonstruiert die Oberflächenkarte oder 3D-Punktwolke anhand der Formänderungen der projizierten Laserlinie, während sie sich über das Objekt bewegt. Das Ergebnis wird anschließend für weitere Maßnahmen an nachgeschaltete SPS, Materialhandhabungssysteme und/oder Produktionsüberwachungssoftware gesendet.

2D und 3D: Das Beste aus beiden Welten

Auf Grundlage dieser einfachen Funktionsprinzipien werden Laser-Profilsensoren häufig für Profil-, Positions- und Spaltmessungen in vielen industriellen Fertigungsanwendungen verwendet. Dazu zählen:

• Vorhandensein/Fehlen in der Automobilmontage
• Dichtheits- und Volumenmessungen für Lebensmittel und Verpackungen
• Prüfungen von Formabstand, Dicke und Bahnen in Extrusionsanwendungen
• Prüfungen der Höhe, Position und Bündigkeit von Bauteilen in Elektronik- und Konsumgüterverpackungen

Abgesehen von ihrer Genauigkeit sind Laser-Profilsensoren schnell und können Millionen von 3D-Datenpunkten pro Sekunde aufnehmen, um 3D-Punktwolkenmodelle mit hoher Auflösung zu konstruieren. Durch die hohe Arbeitsgeschwindigkeit ist die hundertprozentige Messung der Produkte auf dem Förderband möglich, so dass die Linie nicht mehr für Entnahme von Proben angehalten werden muss. Das führt zu niedrigeren Kosten, besserer Qualität und einem höheren Durchsatz.

Die zuverlässigsten Laser-Profilsensoren liefern 2D-Graustufenbilder und 3D-Punktwolken. Durch den Einsatz fortschrittlicher Speckle-freier Laser-Scanningsysteme bieten die Laser-Profilsensoren der nächsten Generation die Einheitlichkeit und optische Leistung, um hochwertige 2D-Bilder zu erzeugen. Diese modernen Systeme bieten auch dann einen zuverlässigen Betrieb, wenn sie entgegen der üblichen Einbaulage unter einem Förderband montiert werden, wo Verunreinigungen herkömmlicherweise ein Problem für Laserprojektoren sind.

Blaue Speckle-freie Laserlinie (links) und rote Laserlinie mit Speckle (rechts)

Wie bereits erwähnt, können Laser-Profilersysteme durch den weiten Messbereich moderner Laser-Profilsensoren, der mit den leistungsstärksten intuitiven Bildverarbeitungssoftwareprogrammen kombiniert ist, so gut wie jede 3D-Inline-Messanwendung bewältigen. Das ermöglicht den Herstellern und Maschinenbauern Zeit- und Kosteneinsparungen, während sich die Qualität ihrer Produkte insgesamt verbessert.