Werkstücke mit optischen Sensoren und BV-Systemen exakt vermessen

Bei diesen Sensoren wird der Farbfehler von Linsen (chromatische Aberration) genutzt, indem weißes Licht bei der Fokussierung auf das Messobjekt so aufgespalten wird, dass für einen Abstand nur eine Farbe scharf abgebildet ist.

Die Farbe des von dem Messpunkt (Durchmesser etwa 10 bis 100 µm) gestreuten Lichts wird gemessen und einem Abstand zugeordnet. Dieses Messverfahren ist hochpräzise und liefert Messungenauigkeiten im Submikrometerbereich, selbst bei spiegelnden und transparenten Oberflächen. Aufgrund der konfokale Anordnung von Lichtquellen- und Detektionsoptik gibt es keine Abschattung, wie bei Triangulationsmesssystemen. Nachteilig ist, dass dieses Messverfahren bisher nur punktuell möglich ist.

Lichtschnittverfahren, bei dem zum Beispiel eine gerade Laserlinie auf ein Objekt projiziert und unter einem bestimmten Winkel (Triangulationswinkel) beispielsweise von einer Kamera aufgenommen wird. Die Abweichung der Geradheit der Laserlinie im Kamerabild ist ein Maß für die Objekthöhe entlang der Linie. Ein Scan aus vielen Linien ergibt ein Höhenbild (Oberflächenprofil) in X, Y und Z.

Die Messungenauigkeit hängt im wesentlichen von der Linienlänge und der Kameraauflösung ab. Bei einer Linienlänge von etwa 20 mm und einer VGA-auflösenden Kamera erhält man eine Messungenauigkeit in der Größenordnung von 10 µm. Durch geeignete Softwareinterpolation kommt man dann auf Messwiederholgenauigkeiten um die 1 µm.

Die Laser-Triangulation ist ein sehr gängiges Messverfahren, das robust und kostengünstig ist. Allerdings ist es ein scannendes Verfahren, so dass entweder der Sensor oder das Messobjekt verfahren werden muss. Problematisch können spiegelnde oder halbtransparente Oberflächen sein.

Weißes Licht wird über zwei Wege auf das Messobjekt gelenkt. Bei bestimmten Höhen kommt es zu Überlagerungseffekten (Interferenzen) des Lichtes, die von einer Kamera aufgenommen werden. Für diese Höhen ist der Abstand bestimmt. Alle Höhen des Messobjekts erhält man, wenn es in der Höhe verfahren und jeweils ein Bild aufgenommen wird. Aus allen Bildern wird dann ein Höhenbild zusammen gesetzt.

Die Messungenauigkeit liegt im Submikrometerbereich bei Messfeldern bis 25 cm². Es handelt sich um ein scannendes Verfahren, bei dem mehrere Bilder aufgenommen werden. Nachteilig ist der große und nicht leichte Aufbau, der auch eine begrenzte Robustheit aufweist.

Ebenfalls ein Triangulationsverfahren, bei dem viele parallele Linien auf das Messobjekt projiziert werden, die unter einem bestimmten Winkel von einer Kamera aufgenommen und analysiert werden. Man unterscheidet zwischen dem codierten Lichtansatz (diskrete Hell-Dunkel-Linien, die Bild für Bild enger zusammen rücken) und dem Phasenshiftverfahren (Streifen mit sinusförmiger Helligkeitsmodulation, die seitlich um Viertelperioden verschoben werden). Um daraus ein Höhenbild zu errechnen, sind mehrere Bildaufnahmen mit geändertem Streifenmuster nötig. Dieses Verfahren liefert direkt 3D-Daten ohne Scanvorrichtung. Allerdings ist ein Streifenprojektor notwendig. Die Messungenauigkeit hängt auch dabei im Wesentlichen von der Bildfeldgröße und der Kameraauflösung ab. Bei einer Bildfeldgröße von etwa 1  cm² und einer Kamera mit 1 Megapixel sind Messungenauigkeiten von etwa 10 µm typisch.

Unter Telezentrie versteht man den achsparallelen Hauptstrahlenverlauf, das heißt einen Öffnungswinkel von 0°, meistens von Objektiven und Beleuchtungen. Vorteil der telezentrischen Objektive ist, dass sich die Größe der Objekte im Telezentriebereich nicht ändert. Daher werden diese Objektive häufig als Messobjektive eingesetzt, etwa bei Werkzeugvoreinstellgeräten. Dabei leuchtet eine telezentrische Beleuchtung direkt in ein telezentrisches Objektiv (mit gemeinsamer optischer Achse) und das Messobjekt befindet sich zwischen beiden.

Der große Vorteil dieser Anordnung ist, dass auch spiegelnde Objekte vermessen werden können, weil am Objekt reflektierte Strahlen nicht mehr abgebildet werden.

• Nachteilig ist, dass erstens lediglich Außenkontouren erfasst werden können und zweitens die Objektivdurchmesser etwa doppelt so groß sind, wie das Bildfeld oder der Messbereich.

Die Messungenauigkeit hängt im wesentlichen von der Bildfeldgröße, der Kameraauflösung und der softwareseitigen Subpixelinterpolation ab. Typische Werkzeugeinstellgeräte mit einer Bildfeldgröße von knapp 1 cm² und einer Kamera mit einem Megapixel erreichen Messungenauigkeiten von einigen Mikrometern. Bei applikationsspezifischen Anpassung durch EHR können auch größere Bildfeldgrößen realisiert und höher auflösende Kameras eingesetzt werden.