Smarter, kompakter, präziser: Die neue Generation der 3D-Laserscanner

Mit moderner 3D-Sensorik lassen sich Objekte wie Fahrzeug­komponenten, Elektronik oder Verpackungen präzise vermessen. Besonders Laserscanner auf Basis der Lasertriangulation haben sich etabliert. Mit scanCONTROL 8500 erweitert Micro-Epsilon sein Portfolio um kompakte 3D-Scanner mit 4K-Auflösung für industrielle Anwendungen.

Die 3D-Messtechnik entwickelt sich zu einer Schlüsseltechnologie für moderne Produktionsprozesse. Besonders die automatisierte optische Inspektion stellt Hersteller aus Branchen wie Elektronik-, Batterie- und Metallverarbeitung jedoch oftmals vor erhebliche Herausforderungen. Gleichzeitig eröffnet sie enorme Chancen für hochpräzise und automatisierte Produktionen.

Die Anforderungen der optischen Inspektion steigen stetig an und verlangen höchste Messgenauigkeiten im Mikrometerbereich, hohe Prozessgeschwindigkeiten in Echtzeit und mit hohen Taktraten sowie das Messen auf unterschiedlichsten Oberflächen wie spiegelnden, matten oder glänzenden Bauteile.

Micro-Epsilon bietet mit den Modellen scanCONTROL 8200 und 8500 eine vollständig neu entwickelte Generation hochpräziser Laserscanner an, die neue Maßstäbe in der industriellen 3D-Messtechnik setzen. Mit bis zu 4.224 Messpunkten pro Profil, hoher Profilfrequenz und einer Datenrate von bis zu 25 Millionen Punkten pro Sekunde sind die Scanner konsequent auf die gestiegenen Anforderungen moderner Inline- und Inspektionsprozesse ausgelegt. Gleichzeitig sorgt die Kombination aus neuer 4K-Sensormatrix und Green-Laser-Technologie für stabile, rauscharme Messsignale – auch auf anspruchsvollen, glänzenden oder stark variierenden Oberflächen. Durch die direkte Verarbeitung von 2D- und 3D-Daten im Sensor lassen sich Messwerte ohne Umwege bereitstellen und nachgelagerte Prozesse effizient steuern. Damit bietet die neue Scanner-Generation eine leistungsfähige Antwort auf die steigenden Anforderungen an Präzision, Geschwindigkeit und Prozesssicherheit in der industriellen Fertigung.

Laserlinien-Triangulation für 2D und 3D-Scans

Die Sensoren nutzen das Laser-Triangulationsprinzip zum zweidimensionalen Erfassen von Profilen auf unterschiedlichen Objektoberflächen: Über eine hochpräzise Spezialoptik wird ein Laserstrahl zu einer statischen Laserlinie aufgeweitet und auf die Oberfläche des Messobjekts projiziert. Im Anschluss bildet die Empfangsoptik das diffus reflektierte Licht der Laserlinie auf einer hochempfindlichen Sensormatrix ab. Aus diesem Kamerabild berechnet der integrierte Controller neben den Abstandsinformationen (z-Achse) auch die Position entlang der Laserlinie (x-Achse) und gibt beide in einem zweidimensionalen Koordinatensystem aus. Bei bewegten Objekten oder durch das Verfahren des Sensors lässt sich durch Aneinanderreihen der Profile eine 3D-Punktewolke gewinnen. Um verschiedene Bildverarbeitungspakete bis hin zur 3D-Auswertung zu integrieren, verfügen die Sensoren über einen Ethernet-Anschluss. Hiermit lassen sich die Sensoren über eine Software parametrieren und die aufgenommenen Daten auswerten und analysieren.

Auswertung der Messdaten direkt im Sensor

Erstmals erfolgt bei einem Produkt der scanCONTROL-Serie neben der 2D-Auswertung auch die vollständige Verarbeitung der 3D-Daten direkt im Sensor. Somit sind keine externen Steuergeräte bzw. Rechner erforderlich und der Integrationsaufwand sowie die Latenzen und Datenmengen reduzieren sich deutlich.

Trotz der integrierten Recheneinheit sind die scanCONTROL-Sensoren äußerst kompakt in den Maßen 129 x 49 x 47 mm ausgeführt. So lassen sich die derzeit kleinsten Sensoren dieser Klasse auf dem Markt einfach und schnell in bestehende Anlagen integrieren.

Der integrierte CMOS-Bildsensor im scanCONTROL 8500 liefert bis zu 4.224 Messpunkte pro Profil und bis zu 25 Mio. Punkte pro Sekunde, was einer Auflösung in 4K entspricht. Entscheidend ist dabei die tatsächliche Nutzbarkeit: Die Optik ist konsequent darauf ausgelegt, die 4K-Auflösung vollständig auszuschöpfen. So entstehen selbst bei komplexen Strukturen präzise und zuverlässige Messergebnisse. Zudem arbeitet der Sensor mit einer Profilfrequenz von 10 kHz. Hiermit erreicht er eine sehr hohe Genauigkeit und weist eine äußerst geringe Linearität von lediglich 0,005 % auf. Aufgrund der hohen Schutzart gemäß IP67 lässt sich der Sensor auch in raue industrielle Bereiche integrieren.

Um möglichst viele Einsatzbereiche abzudecken, bietet das Unternehmen aktuell beide Modelle in den Messbereichen 25, 50 und 100 mm an. Zudem ist für jeden Anwender das passende Kühlkonzept erhältlich: passiv oder aktiv gekühlt oder als kundenspezifische Variante. Power-over-Ethernet (PoE) für ein besseres Einbinden in Smart-Production-Umgebungen, sowie die Option einer Hardwareschaltung der Laserlinie ist bei jeder Produktvariante standardmäßig enthalten.

Green-Laser-Technologie für eine hohe Signalstabilität

Beide Modelle sind erstmals mit der Green-Laser-Technologie mit 520 nm Wellenlänge ausgestattet, welche die Vorteile von blauen und roten Lasern kombiniert. Der grüne Laser liegt nahe des Bereichs des höchsten quantenelektrischen Wirkungsgrades des Sensors. Hierbei entspricht die maximale Quanteneffizienz (QE) dem höchsten Wert der spektralen Empfindlichkeitskurve. Sie gibt an, wie viele Photonen nach der Reflexion vom Messobjekt von der Empfängereinheit auf der Sensormatrix registriert und in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Der CMOS-Bildsensor erreicht seine maximale QE bei etwa 500 nm. In diesem Wellenlängenbereich werden die meisten Photonen von der Empfangseinheit in Elektronen umgewandelt. Fällt grünes Licht auf die Empfangseinheit, erzeugt er ein äußerst starkes, sauberes Signal mit bester Signalstabilität und minimalem Rauschen.

Das ermöglicht das Messen auch auf glänzenden, organischen und transparenten Oberflächen. Durch kürzere Belichtungszeiten und höherer Reproduzierbarkeit erweitert der grüne Laser den Einsatzbereich erheblich. Damit bietet er einen entscheidenden Vorteil gegenüber Sensoren mit rotem oder blauem Laser.

Aufgrund des grünen Laserlichts ist der Sensor äußerst unempfindlich gegenüber Fremdlicht. Das sind Lichtquellen, die nicht vom Sensor selbst stammen, aber dennoch auf den Empfänger treffen und das Messsignal verfälschen können, zum Beispiel Umgebungs- oder Sonnenlicht. Wie stark ein Sensor auf Umgebungslicht reagiert, hängt im Wesentlichen von der Art des Fremdlichts und der spektralen Empfindlichkeit des Empfängers ab. In Produktionsanlagen mit großflächig verteilten LED-Leuchten ist zum Beispiel der blaue Anteil des Lichts sehr hoch, in Umgebungen mit viel Tageslicht eher der rote Anteil, was sich negativ auf Sensoren mit blauem oder rotem Laser auswirkt. Der grüne Laser weist hingegen eine sehr gute optische Filterbarkeit auf, besitzt ein niedriges fremdlichtbedingtes Grundrauschen und ist sehr robust bei wechselndem Lichteinfall, was ihn universell einsetzbar macht.

Mittels Software individuelle Messprogramme erstellen

Neben der hohen Fremdlichtbeständigkeit sind Micro-Epsilon-Sensoren ebenfalls sehr benutzerfreundlich. Anwender können zusammen mit dem Sensor eine sogenannte SMART-Lizenz erwerben. Hiermit lassen sich mit der Software 3DInspect individuelle Messprogramme erstellen und diese mittels Ethernet auf den Sensor übertragen. So kann der Scanner autark arbeiten und Messergebnisse direkt ausgeben – ohne externe Steuergeräte oder IPCs. Auch alle weiteren Einstellungen und das Parametrieren des Sensors lassen sich einfach über 3DInspect durchführen.

Für einen bequemen und schnellen Datenaustausch mit geringer Latenz können Anwender außerdem über Ethernet nachgelagerte Systeme wie speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) verbinden, um die Messergebnisse weiter zu verarbeiten.

Um die optimale Vernetzbarkeit in smarten Infrastrukturen und Produktionen sicherzustellen, stattet der Hersteller die Sensoren zudem mit den industriellen Schnittstellen PROFINET, EtherCAT, EtherNet/IP sowie Modbus TCP aus. So lassen sich die Sensoren jederzeit in vorhandene Infrastrukturen integrieren.

War die Datenauswertungsoption bei den Vorgängermodellen noch hardwaregebunden, lassen sich die scanCONTROL-8500-Scanner jederzeit softwareseitig upgraden. Das erleichtert die Auswahl des richtigen Sensors und stellt einen wichtigen Upgradepfad für zukünftige Applikationen bereit. So müssen Anwender bei der nachträglichen Entscheidung die integrierten SMART-Funktionen zu verwenden, keinen neuen Sensor bestellen, sondern können ihn einfach und schnell softwareseitig anpassen, was Kosten und wertvolle Integrationszeit spart.

Alternativ zur Micro-Epsilon SMART-Auswertung können Anwender den Bildverarbeitungsstandard GigE Vision nutzen, um ihre Daten mittels GenICam in ihre eigene Software zu integrieren, was die Flexibilität der Sensoren deutlich erhöht. Eine Auflistung bereits unterstützter Drittanbieter ist auf der Unternehmensseite zu finden. Weitere Anbieter können bei Bedarf angefragt werden.

Pinprüfung von Steckverbindern

Sensoren der Serie scanCONTROL 8500 kommen beispielsweise bei der optischen Qualitätssicherung in der industriellen Produktion zum Einsatz. Bei der Pinprüfung von Steckverbindern ist die exakte Lage und Vollständigkeit der Pins ein entscheidender Qualitätsfaktor in der automatisierten Fertigung von Kabelbäumen und Steckverbindern. Bereits geringfügig verbogene, fehlende oder falsch positionierte Pins können zu Kontaktproblemen und Systemausfällen führen. Sensoren der Reihe scanCONTROL erfassen die Steckeroberfläche und erzeugen ein hochpräzises Höhen- bzw. Profilbild der gesamten Pinreihe. So lassen sich Anzahl, Lage und Ebenheit der Pins schnell, reproduzierbar und mit hoher Auflösung überprüfen. Hierbei erfolgt die Inspektion vollständig integriert im Produktionsprozess, ohne den Materialfluss zu unterbrechen.

Präzise 3D-Geometrieprüfung von Batterie-Rundzellen

Ein weiterer Einsatzbereich der Sensoren findet sich beim Fertigen von Batteriezellen, genauer bei der Produktion von Rundzellen. Hier sind ein exaktes Positionieren und Ausrichten der einzelnen Zellen für die Qualität und Sicherheit entscheidend. Schräg sitzende oder zu tief bzw. zu hoch eingebrachte Zellen bergen das Risiko von Kurzschlüssen, unzureichendem elektrischem Kontakt oder mechanischen Schäden im weiteren Produktionsprozess. Die scanCONTROL-8500-Sensoren erfassen die Geometrie der Batteriezelle mit einer hohen Auflösung und prüfen sowohl die korrekte Ausrichtung als auch die exakte Einbauhöhe jeder einzelnen Zelle. Hiermit stellt das produzierende Unternehmen sicher, dass alle Zelloberseiten innerhalb der Produktionstoleranzen liegen und es die geforderte Qualität der Bauteile stets einhält.

Überprüfen von Kleberaupen

In modernen Produktionsprozessen, insbesondere in der Automobil-, Verpackungs- und Elektronikindustrie, ist die Applikation von Klebstoffen ein entscheidender Qualitätsfaktor. Die scanCONTROL-8500-Sensoren kommen hierbei zum präzisen Überwachen des Klebeauftrags zum Einsatz. Dabei befestigt man die kompakten Scanner stationär oder direkt am Roboter, wobei sie Höhe, Breite und Position der Raupe ermitteln. So erfolgt die Qualitätskontrolle unmittelbar am Bauteil, was die Prozesssicherheit und Qualität der Endprodukte erhöht.

Sensoren der Serie scanCONTROL 8500 arbeiten mit der innovativen Green-Laser-Technologie, welche die Qualität der Messergebnisse in industriellen 3D-Messsystemen deutlich erhöht. Mit ihrer hohen Präzision und Genauigkeit stellen sie sicher, dass industrielle Messaufgaben stets den höchsten Qualitätsansprüchen genügen. Die Kombination aus leistungsstarker Messtechnik, der hohen Vernetzbarkeit, der einfachen Bedienbarkeit über Softwaretools sowie einem einfachen Upgradepfad erleichtert die Integration in bestehende Anlagen und verringern das Risiko von Produktionsstillständen.

Autor: Jonas Rosenberger, M.Eng., Produktmanager 3D-Sensorik bei Micro-Epsilon