Lichtschnittverfahren für Inspektion und Spaltvermessung

Ob zur Bahnkorrektur von Montage-, Schweiß- und Kleberobotern oder für anschließende Inspektionen, Qualitätskontrollen und Toleranzüberprüfungen – in zahlreichen Bereichen der Fabrikautomation tragen Vision-Systeme dazu bei, Fertigungs- und Prüfprozesse zu optimieren und zu rationalisieren. Benötigt man Informationen über Kanten- oder Spaltenverläufe bzw. Höhenprofile von Objekten, sind Laserlichtschnittsensoren die richtige Wahl. Ein Linienprojektor projiziert eine Laserlinie auf das Objekt und erzeugt dadurch in der Lichtstrahlebene eine zweidimensionale Kontur auf dem Objekt. Mit einer Kamera, die in einem bestimmten Winkel zur Laserebene angeordnet ist, wird die Laserlinie aufgenommen. Mit dem so entstandenen Bild ist es möglich, anhand der Bildposition der Laserlinie Rückschlüsse auf die tatsächliche Position der Linie zu ziehen. Dabei kann die Breite und Höhe von Objekten weitgehend oberflächenunabhängig berechnet werden. Industrietauglich und hochgenau Der Laserlichtschnittsensor LineRunner300 (LR300) von Pepperl+Fuchs vereint Laserlichtquelle, Kamerasystem – bestehend aus CMOS-Sensor und Objektiv – sowie eine entsprechende Mikroprozessor-Auswerteeinheit in einem kompakten Gerät mit Abmessungen von 108x106x36mm. Durch die Schutzart IP67 sowie das robuste Aluminiumgehäuse ist er für den Einsatz unter rauen Industriebedingungen geeignet. Als Schnittstellen zu einer übergeordneten Steuerung bzw. Bedieneinheit – normalerweise ein PC – nutzt der Sensor Ethernet TCP/IP. Der PC nimmt dabei die Rolle des TCP-Clients und der Sensor des TCP-Servers ein. Der Lichtschnittsensor liefert jeweils die Messwerte eines aus ca. 500 Datenpunkten bestehenden Linienprofils und überträgt exakte Breiten- und Höhendaten als X- und Z-Werte in Millimetern. Es handelt sich um ein kartesisches Koordinatensystem, bei dem die X-Richtung entlang der Laserlinie verläuft, während als Z-Richtung der Abstand zum Sensor definiert ist. Die Ethernet-Schnittstelle dient nicht nur zum Übertragen der Messwerte, sondern auch zum Parametrieren und Einrichten des Gerätes. Für Messdaten, Scans und Bilder verwendet das System ein Binärformat, Parameter und Statusabfragen werden im XML-Format übertragen. Zusammen mit den Messdaten sendet der Sensor fortlaufend Informationen über die Qualität und Helligkeit der Laserlinie. Der Messbereich in X-Richtung beträgt max. 43mm, die gültigen Höhenwerte in Z-Richtung liegen zwischen 65 und 125mm, womit gleichzeitig der Arbeitsabstand festgelegt ist. Für Genauigkeitsanforderungen kleiner als 0,05mm bietet Pepperl+Fuchs eine Televariante an, die im Messbereich und Arbeitsabstand von der Standardvariante unterscheidet. Die maximale Scanrate bei beiden Varianten beträgt 100scan/s. Intelligente Belichtungsregelung Die intelligente Belichtungsregelung des Laserlichtschnittsensors regelt die Beleuchtungsstärke anhand der erfassten Qualitätsdaten fortlaufend nach und gleicht auch schwierige Farb- und Kontrastverläufe aus. So spielt es für den Anwender keine Rolle, ob dunkle oder helle Objekte zu erfassen sind oder sich z.B. verschiedenfarbige Gegenstände abwechseln. Der LR300 ist in der Lage, sämtliche Aufgabenstellungen mit ein- und derselben Einstellung zu bewältigen und befreit den Betreiber von manuellen Eingriffen zum Nachstellen, Nachjustieren und Parametrieren. Gleichzeitig ist der LR300 nach Laserschutzklasse 1 zugelassen. Andere vergleichbare Geräte entsprechen der Schutzklasse 2 oder höher, d.h. sie arbeiten mit deutlich stärkeren Laserquellen, von denen entsprechende Gefahren ausgehen können. Für den Betrieb des LineRunner300 sind weder Kosten noch Aufwand für eine Arbeitsplatzsicherung einzuplanen. Der Sensor unterstützt verschiedene Betriebsarten und kann kontinuierlich Messdaten in Folge liefern oder z.B. einzelne Messungen durchführen, ausgelöst durch Software- oder Hardware-Ereignisse. Interessant ist der Master-Slave-Modus, womit sich mehrere Geräte synchronisieren lassen. Damit ist es möglich, dasselbe Objekt aus verschiedenen Blickrichtungen zu erfassen, um auch dann ein nahezu lückenloses Profil zu erstellen, wenn z.B. durch Ecken, Kanten und Vorsprünge mit einem Sensor allein keine vollständige Sicht auf sämtliche relevanten Details gegeben ist. Wichtig beim parallelen Betrieb mehrerer Laserlichtschnittsensoren am selben Objekt ist allerdings, dass sich die eventuell überschneidenden Laserlinien verschiedener Sensoren nicht gegenseitig stören. Der als Master konfigurierte LR300 sorgt deshalb automatisch durch eine alternierende Synchronisierung für einen problemlosen Betrieb aller angeschlossenen Slave-Geräte. Auch im Master-Slave-Modus kann man Einzelmessungen oder fortlaufende Messungen durchführen. Sichtbarer Laser zeigt Messort Zur korrekten Ausrichtung verfügt der Laserlichtschnittsensor neben dem nicht sichtbaren Infrarot-Messlaser (785nm) über eine sichtbare Laserdiode (650nm) zur Messortkennzeichnung. Beide Laserlinien sind deckungsgleich und werden parallel betrieben. Die Laserschutzklasse 1 ist für beide Laser gültig. Außerdem ist eine Laserüberwachung integriert, die die Laser sofort abschaltet, falls ein zu hoher Laserstrom detektiert wird. Der Sensor verfügt über zwei M12-Stecker für die elektrischen Verbindungen. Ein Stecker ist mit den Anschlüssen von Betriebsspannung, digitalen Ein/Ausgängen und Trigger belegt. Mit dem Anschluss eines Encodersignals z.B. von einem Drehgeber erhält der Endnutzer eine zusätzliche Dimension. Der zweite Stecker fungiert als Ethernet-Netzwerkanschluss. Für die Statusanzeigen verfügt der LR300 über eine zweizeilige LCD-Anzeige, an der der Anwender z.B. die aktuell eingestellte IP-Adresse ablesen kann sowie vier LEDs, die über Spannungsversorgung, LAN-Verbindung, \’Laser an/aus\‘ sowie den Sensorstatus informieren. Die zulässige Umgebungstemperatur für den LR300 reicht von 0 bis 40°C; als Betriebsspannung ist 24VDC vorgesehen. Alle LineRunner300 sind ab Werk kalibriert und mit Passlöchern versehen. Sollte einmal ein Austausch eines Sensors notwendig sein, ist lediglich das alte Gerät aus der Halterung zu entnehmen und das neue an der selben Stelle über die Passlöcher zu befestigen. Ein erneutes Ausrichten ist überflüssig. Zur Konfiguration des Laserlichtschnittsensors steht der Vision Configurator zur Verfügung. Die Windows-Software realisiert über eine grafische Benutzeroberfläche Anpassungen des Geräts an die Applikation und ist für alle Vision- Sensoren von Pepperl+Fuchs identisch. Automatisiert: Feinnahtabdichtung Die typischen Anwendungen für den LineRunner300 finden sich im Bereich der Montageautomation, Roboterbahnkorrektur und Inspektion. Der Sensor vermisst kleine Objekte wie Spaltverläufe, überprüft Klebe- und Schaumraupen, prüft auf Leiterplatten, ob Bauteile richtig platziert sind usw. Mit dem LR300 ist z.B. eine Automatisierung der Feinnahtabdichtung an Automobiltüren realisiert worden. Ein mit einer speziellen Hakenapplikationsdüse ausgerüsteter Roboter bringt das Dichtmittel bei geschlossenen Türen durch den engen Türspalt an der Türinnenseite auf. Ein derart präzises Entlangfahren an der Türspaltkontur ohne Kollision ist aufgrund der Bauteiltoleranzen nur mit einer Roboterbahnkorrektur möglich. Der direkt auf dem Roboterarm befestigte Laserlichtschnittsensor erfasst den Türspalt und versorgt die Steuerung stets mit aktuellen Korrekturdaten. Aufgrund der intelligenten Belichtungsregelung funktioniert dies selbst bei unterschiedlichen Lacken mit verschiedenen Reflexionseigenschaften und schwierigen Beleuchtungsbedingungen zuverlässig. SPS/IPC/Drives 2010: Halle 7A, Stand 338