In der Fertigung, wo die Qualität der Oberfläche zählt, ist eine schnelle und genaue Erkennung von Fehlern viel wert. Eine der wirksamsten Methoden ist der Linienscan mit Laser. Wie funktioniert das genau? In diesem Beitrag schauen wir uns an, wie man den Laser ausrichtet und wie man ihn beobachtet, um auch kleinste Verformungen zu erkennen. Danach erklären wir, was diese Verformungen bedeuten und welche Information in der Höhe der Auslenkung der Laserlinie steckt.
Wie stellt man Kamera und Laser auf, um Fehler wirklich zu sehen?
Stellen Sie sich vor, Sie richten eine Laserlinie auf eine unebene Oberfläche und stehen dabei genau hinter dem Laser, also im selben Winkel, in dem das Licht auftrifft. Was sehen Sie? Wahrscheinlich eine vollkommen gerade Linie, als wäre die Oberfläche makellos glatt.
Bild 1: Laserlinie, beobachtet im selben Winkel wie ihr Auftreffwinkel
Bild 1 zeigt genau diese Situation: Die Laserlinie wird im selben Winkel beobachtet, in dem sie auf die Oberfläche trifft. Das Bild ist mit kurzer Belichtung aufgenommen, der Hintergrund ist deshalb dunkel und der Laser selbst besser zu erkennen. In der automatischen Auswertung wird die Belichtung oft so kurz gewählt, dass in den Bildern der Kamera nur noch der Laser sichtbar ist.
Um echte Auslenkungen der Laserlinie auf den unebenen Formen zu sehen, müssen wir die Position der Beobachtung ändern. Es braucht einen Winkel zwischen dem Beobachter, also der Kamera, und der Lichtquelle, also dem Laser. Es gibt drei grundlegende Anordnungen:
- Der Laser trifft schräg auf die Oberfläche, die Kamera schaut senkrecht. Die naheliegende Variante, sie hat aber einen Nachteil, auf den wir in späteren Beiträgen eingehen.
- Der Laser trifft senkrecht auf die Oberfläche, die Kamera schaut schräg. Weniger naheliegend, oft aber die beste Lösung. Diese Variante haben wir für unsere Systeme gewählt, mehr dazu in weiteren Beiträgen.
- Beide Bauteile, Laser und Kamera, sind gegeneinander geneigt. Auch das hat Vorteile, wir nutzen es aktuell aber seltener.
Was bedeutet die Auslenkung der Laserlinie auf dem geprüften Produkt?
Die Verschiebung der Laserlinie in der Anordnung, bei der der Laser senkrecht leuchtet und die Kamera schräg schaut, ist der Schlüssel zur Erkennung von Fehlern. Schauen Sie sich Bild 2 an:
Bild 2: Laserlinie, beobachtet im Winkel von 45 Grad
Auf der rechten Seite des Pflastersteins ist eine deutliche Auslenkung der Laserlinie nach unten zu sehen, im Vergleich zum Rest der Linie. Was bedeutet das? An dieser Stelle liegt eine Vertiefung, also ein mögliches Loch oder ein Fehler. Die automatische Erkennung solcher Abweichungen macht es möglich, Qualitätsfehler im laufenden Prozess sehr schnell zu finden.
Wie misst man die Tiefe eines Fehlers aus der Auslenkung der Laserlinie?
Jetzt, wo wir wissen, wie die Bauteile stehen müssen, um die Verformung der Laserlinie auf unebenen Oberflächen zu sehen, kommt die nächste Frage: Was bedeuten diese Verformungen, und steckt in ihrer Höhe eine Information?
Wie in Bild 2 zu sehen ist, entsteht die Verformung der Laserlinie direkt durch Fehler am Produkt. Allein die Erkennung der Verformung reicht also, um den Fehler zu erkennen.
Mehr noch: Die Höhe der Auslenkung sagt uns etwas über die Tiefe des Fehlers. Um die Tiefe zu messen, brauchen wir den Winkel zwischen den Bauteilen, also zwischen Laser und Kamera. Mit dieser Information und der Höhe der Auslenkung lässt sich die Tiefe über einfache Trigonometrie berechnen.
Am einfachsten rechnet es sich bei 45 Grad, denn dann gilt die Beziehung im rechtwinkligen Dreieck mit den Winkeln 45, 45 und 90 Grad. In dieser Anordnung entspricht die Höhe der Auslenkung genau der Tiefe des Fehlers.
So weit die Grundlagen des Linienscans mit Laser. Wir hoffen, dieser Beitrag zeigt, wie ein einfacher Wechsel der Perspektive und etwas Trigonometrie aus einer gewöhnlichen Lichtlinie ein wirksames Werkzeug für die Qualitätskontrolle machen.