Lasertriangulations-Sensor Optisches High-End für genaueste Abstandsmessung

Um höchste Präzision bei der Qualitätssicherung zu gewährleisten, sind immer genauere Messmethoden vonnöten. Während man früher im Zehntelmillimeterbereich Toleranzen setzte, liegen diese in der Fabrikautomation heute im Mikrometerbereich. Um diesen Ansprüchen gerecht zu werden hat Sunx, ein Unternehmen von Panasonic Electric Works, einen Triangulationssensor für Abstandsmessung entwickelt, der alle technischen Register zieht um dies zu ermöglichen.

Anbieter zum Thema

Metrofunk Kabel-Union GmbH

Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

a.b.jödden gmbh

Panasonic Electric Works Europe AG

Die Lasertriangulations-Sensoren der Serie HL-C2 aus dem Hause Sunx zeigen, welches Potenzial in optischer Abstandsmessung (mittels Triangulation) steckt, wenn alle technischen Möglichkeiten genutzt werden. Basierend auf der vielfältigen Anwendungserfahrung des Vorgängermodells HL-C1 wurde nicht nur die Elektronik auf den neuesten Stand gebracht, sondern das Augenmerk lag darauf, dass alle Komponenten optimal aufeinander abgestimmt sind.

Neukonstruktion bei der Hardware

Bei der Hardware begrenzte man sich nicht damit, schnellere Bauteile zu verwenden um so die Leistung zu verbessern. Da die Forderungen stets nach noch höherer Genauigkeit bei noch schnellerer Abtastrate gehen, konnte dies nur durch partielle Neukonstruktion erreicht werden. Daher lag das Interesse nicht nur auf der Auswerteeinheit, sondern auch auf den Sensorköpfen. Ersetzt wurde hier zum einen die C-MOS Empfangszeile. Geblieben ist der hohe Dynamikumfang der Serie.

HL-C1 bietet jedoch weitere Vorteile: Zum einen wurde die Breite der einzelnen Zellen vergrößert. Dies ermöglicht eine höhere Fehlertoleranz, da das reflektierte Laserlicht so besser von den Zellen empfangen werden kann, auch wenn das projizierte Laserlicht aufgrund der Oberflächenneigung leicht zur Seite reflektiert wird. Zum anderen wurde der Pitchabstand der einzelnen Zellen verringert, um eine bessere Ortsauflösung auf der Zeile zu erzielen. Das Ergebnis ist ein sogenanntes HDLC-Sensorelement (High Density Linear Cell), welches feinste Nuancen aufnehmen kann.

Lichtfleck mit minimal 20 µm Durchmesser

Um den nun erhaltenen feinen Pitchabstand nutzen zu können ist es natürlich auch nötig, den Durchmesser des Laserstrahls entsprechend klein zu halten. Aus diesem Grund kommt eine neue, spezielle Laserlichtquelle zum Einsatz und wird mit einem eigens für den Sensorkopf gerechnetem Linsensystem unterstützt. Die Optik an der Lichtquelle sorgt so für ein nahezu ideale Gaußverteilung bezüglich der Intensitätsverteilung und bietet einen Lichtfleck von minimal 20 µm Durchmesser bzw. eine Linie von max. 80 × 1700 μm.

Weiterhin wurde auch das Linsensystem der Empfangseinheit neu gerechnet, um eine optimale Abbildungsleistung zu erzielen. Das Ergebnis ist ein Triangulationssensor, der eine Auflösung von bis zu 0,025 μm bietet (unter Einbezug von Auswertealgorithmen) und eine Linearität von bis zu ±0,03 Prozent.

Eine weitere bekannte Fehlerquelle ist das Blooming bzw. der Signalverlust auf der Empfangszeile (zuviel bzw. zuwenig empfangenes Licht). Auch hier wurde die Elektronik erweitert um noch schneller und besser die Laserleistung anzupassen.

Verschiedene Sensorköpfe

Je nach Applikation stehen verschiedene Sensorköpfe mit den Messbereichen zehn ±1 mm, 30 ±5 mm und 110 ±15mm zur Verfügung, wobei bis zu zwei Köpfe an ein Steuergerät angeschlossen und unabhängig voneinander ausgewertet werden können.

Schnelle, dynamische Messaufgaben

Für die Auswertung bietet die Steuereinheit den neuesten Stand der Technik: Die maximale Messfrequenz liegt bei 100 kHz (bei etwa 1/8 des Messbereichs) bzw. 25 kHz (voller Messbereich) und ist damit auch für schnelle, dynamische Messaufgaben geeignet, und das unter Verwendung eines C-MOS-Chip. Für das Auslesen der Messwerte stehen bei der Steuereinheit zwei anpassbare Analogausgänge (Strom bzw. Spannung) und Digitalausgänge (RS232C bzw. USB 2.0) zur Verfügung. Ist eine Taktung gewünscht, so besteht auch die Möglichkeit, Daten im Controller zwischenzuspeichern: mit bis zu 65 000 Werten pro Kanal.

Optimierte Auswertealgorithmen

Auf der Softwareseite wurden die bestehenden Auswertealgorithmen optimiert, um materialbedingte reproduzierbare Fehler auszublenden. Neben den bereits bekannten Unterscheidungen wie diffus reflektierende, metallisch glänzende Oberflächen oder auch Glas, sind weitere Untervarianten hinzugekommen. Das Ergebnis ist ein stabileres Signal, reproduzierbare Messfehler werden ausgeblendet. Um die Signalqualität zu überprüfen ist es möglich, die Intensitätsverteilung auf der C-MOS Zeile über die optional erhältliche Konsole bzw. Software abzufragen. Über diese beiden Schnittstellen lassen sich neben dem Ablesen von Messwerten auch alle Einstellungen am Steuergerät tätigen.

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