Was ist ein 2D-/3D-Profilsensor?
Die 2D-/3D-Profilsensoren sind in zwei unterschiedlichen Performanceklassen verfügbar:
- MLSL steht für eine präzise Auflösung im kompakten Gehäusedesign.
- MLWL bietet eine herausragende Profilqualität dank hochwertiger optischer Komponenten.
wenglor bietet für nahezu jede Anwendung die passende Lösung: von der lückenlosen 360-Grad-Vermessung über die exakte Schweißnahtführung und -findung bis hin zur mikrometergenauen Inspektion von Oberflächen. Das vielseitige Portfolio umfasst Sensoren mit verschiedenen Messbereichen, unterschiedlichen Laserleistungen und variierenden Laserwellenlängen.
2D-/3D-Profilsensor MLZL
Durch ihre kompakte Bauform ist die MLZL-Serie ideal für den Einsatz an Schweißrobotern geeignet.
2D-/3D-Profilsensoren Edelstahl
Die Profilsensoren mit Edelstahlgehäuse werden in reinigungsintensiven Washdown-Bereichen eingesetzt.
2D-/3D-Profilsensoren für Biegemaschinen
Das wenglor-Portfolio bietet vorkonfigurierte 2D-/3D-Profilsensoren für den Plug-and-Play Einsatz an Abkantpressen.
Das Triangulationsprinzip
Erstellung eines 2D-Höhenprofils
Ein 2D-/3D-Profilsensor erzeugt bei jeder Messung ein 2D-Höhenprofil, auch Querschnittsprofil genannt. Dieses setzt sich aus zahlreichen Messpunkten zusammen, die quer zur Bewegungsrichtung des Objekts nebeneinander als Linie angeordnet sind. Jeder dieser Punkte beschreibt den exakten Abstand zwischen Sensor und Objektoberfläche entlang der x- und z-Achse. Ergänzt wird jeder Höhenwert durch einen Intensitätswert. Dieser gibt Auskunft über die Stärke der Lichtreflexion und die Material- oder Oberflächeneigenschaften, beispielsweise bei wechselnden Farben, Kontrasten, Glanzgraden oder transparenten Materialien.
Haben 2D-/3D-Profilsensoren einen Blindbereich?
Ja, 2D-/3D-Profilsensoren haben einen Blindbereich. Das gilt grundsätzlich für alle Sensoren, die nach dem Triangulationsprinzip arbeiten. Der Blindbereich ist der Bereich zwischen dem Bezugspunkt des Sensors und dem Anfangspunkt seines Arbeitsbereichs. Entscheidend ist dabei die Entfernung, aus der das reflektierte Licht auf das Empfangselement (Bildchip) abgebildet wird. Denn eine Messung kann nur erfolgen, wenn das reflektierte Licht auf den Bildchip trifft. Objekte, die sich unterhalb des Arbeitsbereichs befinden, werden nicht erkannt und es werden keine Messwerte ausgegeben.
Vom 2D-Höhenprofil zur 3D-Punktewolke
Das Koordinatensystem eines 2D-/3D-Profilsensors
Das Koordinatensystem des Sensors ist auf dessen Sichtbereich abgestimmt. Der Nullpunkt liegt dabei direkt am Laseraustritt außerhalb des Gehäuses. Dadurch entsprechen die Messwerte exakt der realen Position des erfassten Objekts.
Die Achsen im Überblick
x-Achse (Breite)
y-Achse (Vorschubrichtung)
z-Achse (Höhe / Abstand)
Die korrekte Ausrichtung des 2D-/3D-Profilsensors
Um exakte Messergebnisse zu erzielen, muss die Laserlinie möglichst senkrecht zur Messoberfläche ausgerichtet werden. Ein Winkel von 90 Grad zwischen Sensor und Objektoberfläche liefert die besten Ergebnisse. In dieser Position trifft das Laserlicht optimal auf das Objekt und die reflektierte Linie kann gleichmäßig von der Kamera erfasst werden. Dabei spielt das Reflexionsverhalten der Oberfläche eine zentrale Rolle.
- Eine direkte, gerichtete Reflexion tritt bei glatten oder glänzenden Materialien wie Metall, Glas oder beschichteten Flächen auf. Hier wird das Licht ähnlich wie bei einem Spiegel gebündelt reflektiert. In solchen Fällen kann eine leichte Verkippung des Sensors vorteilhaft sein, um Reflexionen aus dem Kamerasichtfeld abzulenken und eine Überbelichtung des Kamerachips zu vermeiden. Dabei ist die präzise Einstellung des Winkels entscheidend.
- Diffuse Reflexion entsteht an matten, rauen oder strukturierten Oberflächen. Dabei wird das Licht gleichmäßig in viele Richtungen gestreut, was in der Regel zu einer stabileren Signalerfassung führt. Dennoch können eine ungenaue Ausrichtung sowie diffuse Materialien die Intensitätsverteilung oder die Messgenauigkeit beeinflussen.
Für eine gleichmäßige Signalverteilung und eine optimale Profilqualität, sollte eine Verkippung nach Möglichkeit vermieden werden. Dank ihres großen Dynamikbereichs liefern die 2D-/3D-Profilsensoren auch bei leichter Verkippung weiterhin zuverlässige Messwerte.
Richtige Ausrichtung
Verkippung des Sensors
Abschattung
Wie lässt sich Abschattung vermeiden?
Abschattung durch Kanten, steile Stufen und Vertiefungen vermeiden
Wird ein Objekt so positioniert, dass Kanten, steile Stufen oder vertikale Flächen direkt in den Sichtbereich des Sensors ragen, können diese Bereiche andere – möglicherweise zu prüfende Merkmale – blockieren. Eine leichte Drehung oder Neigung des Objekts sorgt dafür, dass alle relevanten Oberflächen für den Sensor sichtbar bleiben und keine wichtigen Messdaten verdeckt werden.
Abschattung durch Vertiefungen vermeiden
Auch bei Bauteilen mit tiefen Einbuchtungen kann es zu Abschattungen der zu prüfenden Merkmale im hinteren Bereich des Objekts kommen. Daher sollte bei der Platzierung des Objekts darauf geachtet werden, dass alle wichtigen Oberflächen im Sichtbereich des Sensors liegen.
Hauptkomponenten eines 2D-/3D-Profilsensors auf einen Blick
Im Unterschied zu herkömmlichen Bildverarbeitungssystemen benötigt der 2D-/3D-Profilsensor keine zusätzliche Beleuchtung. Der Laser erzeugt eine präzise Laserlinie mit besonders hoher Intensität. Dadurch bleibt die Lasertriangulation selbst bei starkem Fremdlicht stabil und liefert präzise Messergebnisse. Da das Lasermodul vollständig im Sensor integriert und mechanisch fixiert ist, entfallen aufwendige Justagen oder potenzielle Störungen durch externe Lichtquellen.
Die Leistungsfähigkeit des Lasermoduls wird maßgeblich durch die Laserwellenlänge und die Laserklasse bestimmt.
Eine weitere wichtige Komponente des 2D-/3D-Profilsensors ist die integrierte Kamera. Sie erfasst die reflektierte Laserlinie mit höchster Präzision. Die Kamera besteht aus einem hochwertigen Objektiv und einem leistungsfähigen Kamerachip, der die Lichtinformationen pixelgenau aufnimmt und in digitale Messdaten umwandelt. Die Auflösung der Kamera, also die Anzahl der Bildpunkte pro Profilzeile, bestimmt dabei die Detailgenauigkeit. Je höher die Auflösung ist, desto feiner lassen sich Konturen, Kanten und Oberflächenmerkmale abbilden.
Durch die werkseitige Kalibrierung und die mechanische Fixierung der Kameraeinheit wird eine gleichbleibende Messstabilität gewährleistet, während aufwendige Justagen entfallen. Das Zusammenspiel von Laseroptik und Kameratechnik ermöglicht so die exakte Bestimmung jedes einzelnen Profilpunkts im dreidimensionalen Raum und bildet somit eine zuverlässige Grundlage für reproduzierbare Messergebnisse.
Die Auswerteeinheit bildet das Rechenzentrum des 2D-/3D-Profilsensors. Hier werden die von der Kamera aufgenommenen Rohdaten in digitale Messdaten umgewandelt. Durch das Zusammenspiel von Bildaufnahme, Auswertung und Schnittstellenkommunikation ist sie entscheidend für die Leistungsfähigkeit bei Inline-Messsystemen.
Für maximale Flexibilität verfügen 2D-/3D-Profilsensoren über zwei wählbare Betriebsmodi, die auf unterschiedliche Anforderungen ausgelegt sind und somit vielseitige Anwendungen ermöglichen. Beide Betriebsarten greifen auf dieselbe leistungsfähige Hardwareplattform zu. Dank integrierter Prozessoren und stabiler Rechenarchitektur können auch hohe Profilraten und große Datenmengen zuverlässig verarbeitet und übertragen werden.
Betriebsmodus: Smarter Profilsensor
Betriebsmodus: Profilgenerator
Flexibilität durch eine Vielzahl an Schnittstellen
Je nach Betriebsmodus stehen unterschiedliche Schnittstellen zur Verfügung, die eine reibungslose Integration in verschiedenste Produktionsumgebungen ermöglichen.
Schnittstellen im Modus „Smarter Profilsensor"
Schnittstellen im Modus „Profilgenerator"
Einsatzmöglichkeiten von 2D-/3D-Profilsensoren
Teilevermessung
Höhenkontrolle
Durchmesserkontrolle
Rundheitsprüfung
Dickenmessung
Positionierung
Schweißnahtführung
Schweißnahtkontrolle
Spaltmaßkontrolle
Volumenmessung
Winkelmessung
Branchen und Industrien, in denen 2D-/3D-Profilsensoren eingesetzt werden
Das Lasermodul im Detail
Hohe Stabilität
Der fest im Sensorgehäuse integrierte Laser ist mechanisch exakt fixiert und präzise ausgerichtet. Dadurch bleibt die Projektion der Laserlinie über die gesamte Lebensdauer hinweg konstant. Mögliche Fehlerquellen, wie sie bei separaten Lichtquellen auftreten können, beispielsweise Fehlausrichtungen oder Nachjustierungen, werden somit eliminiert.
Hohe Präzision
Die optische Achse des Lasers ist exakt auf die Kameraoptik und den Empfangswinkel abgestimmt. Dieses Zusammenspiel gewährleistet eine exakte Triangulation und eine präzise Ausleuchtung über die gesamte Messbreite. So wird eine zuverlässige und hochauflösende Erfassung von 2D-Profilen und 3D-Punktewolken ermöglicht.
Hoher IP-Schutz durch gemeinsame Gehäuseintegration
Da der Laser zusammen mit allen anderen Kernkomponenten in einem gemeinsamen, vollständig gekapselten Gehäuse untergebracht ist, erfüllt der Sensor hohe Schutzarten (IP67 oder IP69K). Das gewährleistet einen zuverlässigen Betrieb auch in rauen Industrieumgebungen und macht zusätzliche Schutzmaßnahmen für empfindliche Komponenten überflüssig.
Keine externe Beleuchtung notwendig
Der Laser erzeugt das benötigte Licht, sodass keine zusätzliche Beleuchtung erforderlich ist. Dadurch reduzieren sich der Verkabelungsaufwand, die Komplexität des Aufbaus sowie potenzielle Fehlerquellen durch Fremdlicht oder variable Beleuchtungsverhältnisse.
Wie wird aus einem Laserpunkt eine Laserlinie?
Wie funktionieren Zylinder- und Powell-Linsen?
Zylinderlinsen
Powell-Linsen
Wie unterscheiden sich gewöhnliches Licht und Laserlicht?
Gewöhnliches Licht
Laserlicht
Lichtarten von 2D-/3D-Profilsensoren
Warum gibt es verschiedene Laserwellenlängen?
Die Auswahl der richtigen Laserwellenlänge ist entscheidend für die Messqualität und die Anpassungsfähigkeit eines 2D-/3D-Profilsensors an verschiedene Oberflächen, Materialien und Anwendungen. Dabei spielen die Eindringtiefe in das Material und die Empfindlichkeit des Kamerachips eine wesentliche Rolle.
Eindringtiefe in das Material
Die Wellenlänge beeinflusst, wie tief das Laserlicht in ein Material eindringt, bevor es gestreut oder reflektiert wird. Kurzwelliges blaues Licht mit 405 nm bleibt stärker an der Oberfläche und liefert dadurch besonders präzise Ergebnisse bei transparenten, halbdurchlässigen oder organischen Materialien wie Klebstoff, Gummi oder Kunststoff. Längere Wellenlängen wie rotes Licht mit 660 nm oder infrarotes Licht mit 785–850 nm dringen dagegen tiefer ein und sind besser für dunkle, diffuse oder metallische Oberflächen geeignet.
Empfindlichkeit des Kamerachips
Kamerachips, auch Bildsensoren genannt, besitzen je nach Aufbau eine unterschiedliche Empfindlichkeit gegenüber bestimmten Wellenlängen. Ist die Laserwellenlänge optimal auf die Empfindlichkeitskurve des Kamerachips abgestimmt, verbessert sich die Signalstärke deutlich. Dadurch können bei gleicher Laserleistung kürzere Belichtungszeiten verwendet werden, was zu einer höheren Messgenauigkeit und geringeren Messunsicherheiten führt.
Bandpassfilter: Gezielte Lichtfilterung für stabile Messergebnisse
Bandpassfilter sind optische Filter, die exakt auf die Wellenlänge des verwendeten Lasers abgestimmt sind. Sie lassen ausschließlich Licht in diesem engen Spektralbereich durch. Alle anderen Lichtanteile, wie Umgebungslicht, Fremdbeleuchtung oder Laserstrahlen einer anderen Wellenlänge, werden zuverlässig ausgeblendet. Dadurch wird die Messstabilität erheblich verbessert und eine stabile Kantenerkennung und eine präzise Erfassung der Profilkontur gewährleistet – selbst bei stark wechselnden Lichtverhältnissen oder in hellen Industrieumgebungen. Eine zusätzliche Abschirmung oder Lichtkontrolle ist nicht nötig. Die Bandpassfilter sind direkt im optischen System der Kamera integriert.
Vermeidung von Interferenzen beim Parallelbetrieb mehrerer Sensoren
In modernen Messsystemen kommen häufig mehrere 2D-/3D-Profilsensoren zum Einsatz, die mit unterschiedlichen Laserfarben arbeiten. Um eine gegenseitige Störung der Sensoren zu verhindern, werden Bandpassfilter eingesetzt. 2D-/3D-Profilsensoren mit rotem Laser verfügen über einen roten Bandpassfilter, der nur dieses Licht durchlässt. Sensoren mit blauem Laser haben dagegen einen blauen Bandpassfilter, der nur blaues Laserlicht durchlässt. Durch diese Filter werden die Laserstrahlen der jeweils anderen Sensorfarbe blockiert, sodass sich die Signale nicht überschneiden oder stören können.
Welchen Einfluss hat die Farbe des Messobjekts auf die Auswahl des Lasers?
Die Auswahl der passenden Laserwellenlänge hängt nicht nur von den optischen Eigenschaften des Sensors, sondern auch maßgeblich vom Reflexionsverhalten des zu messenden Objekts ab. Die spektrale Wechselwirkung zwischen Laserlicht und Materialoberfläche beeinflusst direkt die Profilqualität, die Belichtungszeit und die Signalstärke.
Neben der Farbe ist auch die Materialoberfläche von Bedeutung. Helle, matte oder diffus reflektierende Materialien verhalten sich anders als glänzende, dunkle oder transparente Objekte. Durch die Abstimmung von Laserfarbe und Objektmaterial lässt sich die Leistung des 2D-/3D-Profilsensors deutlich optimieren. Selbst herausfordernde Oberflächen wie Gummi, Glas, hochglänzende Metalle oder organische Stoffe lassen sich so sicher und präzise erfassen.
Reflexionsverhalten von rotem Laserlicht auf verschiedenfarbige Objekte
Rotes Objekt
Blaues Objekt
Schwarzes Objekt
Reflexionsverhalten von blauem Laserlicht auf verschiedenfarbige Objekte
Rotes Objekt
Schwache Reflexion des blauen Lasers, Rücksignal ist schwach
Blaues Objekt
Gute Reflexion des blauen Lasers, Rücksignal ist sehr stark
Schwarzes Objekt
Großteil des blauen Laserlichts wird absorbiert, Rücksignal ist mittelmäßig
Auswahl der passenden Laserklasse von 2D-/3D-Profilsensoren
Um bei 2D-/3D-Profilsensoren eine optimale Messperformance zu erzielen, ist die Wahl der richtigen Laserklasse entscheidend – insbesondere im Hinblick auf Oberflächeneigenschaften, Arbeitsabstand, Messgeschwindigkeit und Umgebungslicht. Die 2D-/3D-Profilsensoren von wenglor sind in verschiedenen Laserklassen erhältlich und ermöglichen so eine präzise und sichere Anpassung an unterschiedliche Anwendungsfälle.
Laserklassen von 2D-/3D-Profilsensoren
Bei 2D-/3D-Profilsensoren gilt grundsätzlich: Je höher die Laserleistung, desto höher die Laserklasse. Diese stellt ein größeres Risiko dar und erfordert entsprechende Schutzmaßnahmen. Die Klassifizierung der Laser erfolgt gemäß der DIN EN 60825-1 „Sicherheit von Lasereinrichtungen“. Dabei wird das Gefährdungspotenzial anhand von Wellenlänge und Ausgangsleistung bewertet.
| Beschreibung | Sicherheit | Anwendung | |
|---|---|---|---|
| Laserklasse 2 | Die Laserklasse 2 hat eine maximale Leistung von 1 mW und liegt im Wellenlängenbereich zwischen 400 und 700 nm. | Bei kurzzeitiger Bestrahlung der Augen ist die Laserstrahlung gefahrlos, da der natürliche Lidschutzreflex einsetzt. | Ideal für empfindliche Oberflächen, kurze Distanzen und eine einfache Integration ohne Schutzmaßnahmen. |
| Laserklasse 3R | Die Leistung der Laserklasse 3R liegt zwischen 1 und 5 mW bei einem Wellenlängenbereich zwischen 302,5 nm und 700 µm. | Die Laserstrahlung ist potenziell augengefährdend. Daher sind Schutzmaßnahmen wie das Tragen einer Schutzbrille, die Anwesenheit eines Laserschutzbeauftragten. | Für größere Arbeitsabstände oder dunkle Materialien geeignet. |
| Laserklasse 3B | Laser der Klasse 3B haben eine Leistung von 5 bis 500 mW und arbeiten im Wellenlängenbereich von 302,5 nm bis 1 µm. | Die Laserstrahlung ist für das Auge und gegebenenfalls auch für die Haut gefährlich. Für den Betrieb sind daher besondere Schutzmaßnahmen zu treffen. So muss beispielsweise der Raum abgegrenzt und die Zugänge mit Warnleuchten versehen werden. Zudem muss ein Laserschutzbeauftragter anwesend sein. | Für besonders anspruchsvolle Umgebungen mit schwierigen Oberflächen oder hoher Umgebungshelligkeit. |
Sicherheitsfeatures für höhere Laserklassen
Für industrielle Anwendungen der Laserklassen 3R und 3B bietet wenglor die leistungsstarken 2D-/3D-Profilsensoren der Serie MLSL2xxS40 an. Diese Sensoren verfügen über eine integrierte sichere Laserabschaltung, die den Laserstrahl deaktiviert, sobald vordefinierte sicherheitsrelevante Bedingungen erfüllt sind. Der Sensor bleibt dabei weiterhin in Betrieb. Die Technologie erfüllt die Anforderungen der Sicherheitsnorm EN ISO 13849-1:2016 und gewährleistet maximale Sicherheit im industriellen Umfeld. In Kombination mit der passenden Sicherheitstechnik von wenglor entstehen so ganzheitliche Sicherheitslösungen für Ihre Maschinen und Anlagen.
Integrierte Kamera im Detail
Objektiv
Kamerachip
Optik und Bildchip – Einfluss auf Messbereich und Genauigkeit
Die Kombination aus Optik und Bildchip ist entscheidend für die Genauigkeit und den Messbereich des Sensors. Je nach Zusammenspiel von Brennweite, Sensorgröße und Auflösung kann der 2D-/3D-Profilsensor kleinere Details erkennen oder größere Flächen abdecken. Beide Komponenten sind entscheidend für die Genauigkeit und den Messbereich des Sensors.
Durch die mechanische Kopplung mit dem Sensorgehäuse sowie die exakte Ausrichtung zum Lasermodul wird eine zuverlässige Bildaufnahme ohne zusätzlichen Justageaufwand sichergestellt.
Sensor-Sichtfeld
Die Position, an der die reflektierte Laserlinie auf den CMOS-Sensor (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) projiziert wird, ist direkt vom Objektabstand abhängig. Mit zunehmender Distanz verändert sich die Position der Laserlinie auf dem CMOS-Chip (1) vertikal, wodurch die Höheninformation erfasst werden kann.
Die unterschiedlichen Messbereiche der 2D-/3D-Profilsensoren resultieren aus der mechanischen Bauform, dem Triangulationswinkel sowie der jeweils verbauten Optik. Die eingesetzten Linsensysteme bestimmen dabei über ihre Brennweite das Sichtfeld des Sensors, das aufgrund des triangulierenden Messprinzips trapezförmig ausgeprägt ist.
Der Messbereich (2) gliedert sich in drei Zonen – Anfang (3), Mitte (4) und Ende (5) – wobei sich die laterale Auflösung (x) über die Tiefe (z) hinweg verändert.
Am Anfang des Messbereichs ist die x-Auflösung aufgrund der geringeren optischen Ausdehnung des Sichtfelds am höchsten. Zum Ende hin nimmt sie ab, da auf dem CMOS-Sensor bei konstanter Pixelanzahl größere Bereiche des Objekts abgebildet werden. Infolgedessen ergibt sich eine variable laterale Auflösung, die im Datenblatt als Bereichswert angegeben wird.
Kamerabild
Kamerabild
Kamerabild mit dem CMOS-Gitter mit Zeilen (x) und Spalten (y)
Was ist die Auflösung eines 2D-/3D-Profilsensors?
Die Auflösung eines 2D-/3D-Profilsensors wird durch den Sichtbereich und die Anzahl der Pixel des integrierten CMOS-Sensors bestimmt.
- Die x-Auflösung des Sensors ergibt sich aus der Anzahl der horizontalen Pixel auf dem Bildchip, also der Auflösung pro Zeile.
- Die z-Auflösung des Sensors ergibt sich aus der Anzahl der vertikalen Pixel auf dem Bildchip, also der Auflösung pro Spalte.
- Die y-Auflösung des Sensors gibt die Anzahl der Profile pro Längeneinheit an. Sie hängt nicht direkt vom Bildchip ab, sondern von der Relativbewegung zwischen 2D-/3D-Profilsensor und Objekt sowie von der Messfrequenz des Sensors. Eine höhere Messfrequenz bei gleichbleibender Bewegungsgeschwindigkeit führt zu einer dichteren Profilaufnahme entlang der Bewegungsrichtung und somit zu einer besseren y-Auflösung.
Mehr Präzision dank Subpixel-Technologie
Welchen Einfluss hat der Sichtbereich auf die Auflösung?
Großer Sichtbereich
Kleiner Sichtbereich
Wie wird aus dem Kamerabild und den Pixeln ein 2D-Höhenprofil?
Kamerabild mit dem CMOS-Gitter mit Zeilen (x) und Spalten (y)
2D-Höhenprofil
Von Pixel in Millimeter
Zur Umwandlung der vom CMOS-Sensor erfassten Pixel in präzise metrische Koordinaten wird jeder 2D-/3D-Profilsensor werkseitig linearisiert. Im Rahmen dieses Verfahrens wird der Sensor auf einem hochpräzisen Linearisierungstisch montiert und exakt auf ein kalibriertes Referenzobjekt ausgerichtet. Die Linearisierung erfolgt über den gesamten Messbereich und ermittelt die Abweichung zwischen den tatsächlich detektierten Pixelkoordinaten und den metrischen Daten in Millimeter.
Die resultierenden Korrekturdaten werden als Linearisierungsmatrix dauerhaft im Sensor gespeichert. Diese Kompensation gewährleistet die zuverlässige Ausgabe absoluter Höhen- und Positionswerte in Millimetern und stellt sicher, dass jeder Sensor ohne weitere Kalibrierung direkt in anspruchsvollen Industrieumgebungen eingesetzt werden kann.
Auflösung und Genauigkeit bei 2D-/3D-Profilsensoren
Auflösung
Die Auflösung definiert den kleinsten physikalischen Unterschied, den ein Sensor noch eindeutig detektieren und als Messwert differenzieren kann. Sie legt somit die minimale Abtastgröße fest, mit der Veränderungen im Messsignal erfasst werden.
Genauigkeit
Die Messgenauigkeit wird jedoch nicht allein durch die Auflösung bestimmt. Sie hängt zusätzlich von verschiedenen externen Einflussfaktoren ab, wie zum Beispiel den optischen und physikalischen Eigenschaften des Messobjekts, dem Reflexionsverhalten, dem Einfluss von Fremdlicht, Temperaturschwankungen, mechanischen Vibrationen, der Art der Befestigung sowie den verwendeten Auswertealgorithmen. Die Genauigkeit ergibt sich aus der Kombination von Präzision (Wiederholbarkeit unter gleichen Bedingungen) und Richtigkeit (Abweichung des Messwerts vom tatsächlichen Referenzwert) und beschreibt somit, wie verlässlich und korrekt der Sensor das reale Objekt abbildet.
Parameter zur Optimierung der Bildaufnahme
Die Region of Interest legt fest, welcher Ausschnitt des Sichtfelds für die Auswertung oder Messung genutzt wird.
Framerate
Die CMOS-Kamera im 2D-/3D-Profilsensor ist entscheidend für die erreichbare Messgeschwindigkeit. Ihre Framerate, auch Bildrate genannt, gibt an, wie viele Einzelbilder die Kamera pro Sekunde erfassen kann. Sie wird in Frames pro Sekunde (fps) oder in Hertz (Hz) angegeben.
Da jedes aufgenommene Bild ein vollständiges Höhenprofil darstellt, entspricht die Bildrate der Kamera direkt der Anzahl der Messprofile pro Sekunde. Eine hohe Framerate ermöglicht somit eine entsprechend hohe Profilfrequenz.
| CMOS-Kamera | 2D-/3D-Profilsensor |
|---|---|
| Frames pro Sekunde (fps) | Profile pro Sekunde (Hz) |
| 500 fps | 500 Profile pro Sekunde bzw. 500 Hz |
Region of Interest (ROI)
Die Reduktion der ROI verändert nicht die optische Auflösung, sondern minimiert lediglich die Anzahl auszulesender Pixelzeilen bzw. -spalten. Dies führt zu einer signifikanten Steigerung der Messfrequenz, da weniger Bilddaten verarbeitet werden müssen. Der gezielte Zuschnitt des ROI auf die applikationsrelevanten Objektbereiche ermöglicht eine optimierte Datenakquisition bei gleichzeitig maximaler Prozessgeschwindigkeit. Dabei gilt: so klein wie möglich, so groß wie nötig.
In der Animation ist das gesamte Sensorsichtfeld durch einen blauen Rahmen gekennzeichnet. Der grüne Rahmen zeigt die ROI, also den beschränkten Bildbereich. Vor allem bei kleineren Objekten ist es sinnvoll, das Sichtfeld zu beschränken, um eine bessere Messfrequenz zu erreichen.
Subsampling
Abbildung 1: Ohne Subsampling
Abbildung 2: Mit Subsampling
Kombination mit ROI für maximale Performance
Die höchste Messgeschwindigkeit wird erreicht, wenn Subsampling mit einer gezielten Einschränkung des Sichtfeldes kombiniert wird. Durch die Begrenzung der ROI auf einen relevanten Teilbereich der integrierten Kamera, sowohl in x- als auch in z-Richtung, werden ausschließlich die Pixel des definierten Messbereichs erfasst und verarbeitet.
Die Kombination von ROI und Subsampling ermöglicht dadurch sehr hohe Profilraten bei gleichzeitig geringer Datenmenge. Das ist besonders vorteilhaft für zeitkritische Anwendungen, bei denen Geschwindigkeit und Effizienz entscheidend sind.
Vergleich der Einstellungen Region of Interest und Subsampling
| Modus | Ausgelesene Pixelmenge | Messbereich | Auflösung | Messgeschwindigkeit | Verwendungsszenario |
|---|---|---|---|---|---|
| Vollbild | Alle Pixel (volle ROI) | Voller Bereich | Maximale Detailauflösung | Niedrig bis mittel | Präzise Messungen, bei denen alle Bildinformationen benötigt werden |
| ROI | Teilbereich (definiert) | Reduziert | Unverändert im aktiven Bereich | Mittel bis hoch | Fokussierte Messung auf relevante Objektbereiche |
| Subsampling | Nur jeder n-te Pixel | Voller Bereich | Reduzierte Auflösung | Hoch | Grobe Vermessung, schnelle Orientierung, Vorprüfung |
| ROI + Subsampling | Wenige ausgewählte Pixel | Reduziert | Reduzierte Auflösung im ROI | Sehr hoch | Hochdynamische Anwendungen mit klar definiertem Zielbereich |
Auswerteeinheit im Detail
Die Auswerteeinheit des 2D-/3D-Profilsensors verarbeitet Profile entlang einer optimierten Signalverarbeitungskette. Nach der Erfassung der Laserlinie durch den CMOS-Bildchip und der Echtzeit-Profilberechnung sowie Kalibrierung im FPGA übernimmt die CPU die zentrale Profilauswertung. Dies kann in den beiden Betriebsmodi „Smarter Profilsensor” oder „Profilgenerator” erfolgen.
Smarter Profilsensor
Im Smart-Modus wird die gesamte Auswertung direkt auf dem 2D-/3D-Profilsensor selbst durchgeführt. Die Machine Vision Software läuft auf dem Sensor und verarbeitet die erfassten Profildaten. So werden die messrelevanten Ergebnisse berechnet und können direkt vom Sensor bereitgestellt werden. Diese Ergebnisse, wie z. B. Höhenabweichungen, Objektkonturen, Lageerkennung oder Toleranzvergleiche, werden unmittelbar als applikationsspezifische Messwerte an eine SPS, eine übergeordnete Steuerung oder andere Aktuatoren ausgegeben. Eine externe Datenverarbeitung ist nicht erforderlich. Dies reduziert die Systemkomplexität und ermöglicht eine direkte Auswertung auf dem Gerät. Aufgrund der begrenzten Rechenkapazität im Smart-Modus ist die Performance jedoch meist geringer als die theoretisch mögliche Profilrate. Wenn das der Fall ist, wird der „Profilgenerator-Modus" in Verbindung mit einer externen Auswertung wie z. B. uniVision empfohlen.
Profilgenerator
Im „Profilgenerator-Modus“ überträgt der Sensor lediglich das 2D-Profil (x- und z-Daten), ohne eine direkte Interpretation vorzunehmen. Die Auswertung erfolgt anschließend extern, entweder innerhalb des wenglor-Ecosystems, beispielsweise mit der Bildverarbeitungssoftware wenglor uniVision auf einem Machine Vision Controller oder über eine unabhängige Third-Party-Software auf einem externen Industrie-PC. Diese Flexibilität erlaubt es, komplexe Auswertungen, individuelle Algorithmen oder anwendungsspezifische Analysen außerhalb des Sensors zu realisieren – insbesondere bei kundenspezifischen Lösungen oder in bestehende Softwarelandschaften integrierten Workflows.
Vergleich der Betriebsmodi von 2D-/3D-Profilsensoren
| Betriebsmodus | Ergebnis | Weiterverarbeitung | Besonderheit |
|---|---|---|---|
| Smarter Profilsensor | Messwerte | Auswertung erfolgt auf dem 2D-/3D-Profilsensor |
|
| Profilgenerator | 2D-Profile | Verarbeitung mit externer Software |
|
|
Smarter Profilsensor
|
||
|---|---|---|
|
Messwerte
|
Auswertung erfolgt auf dem 2D-/3D-Profilsensor
|
|
|
Profilgenerator
|
||
|
2D-Profile
|
Verarbeitung mit externer Software
|
|
Schnittstellen im Detail
Was sind Schnittstellen?
Schnittstellen bilden die Grundlage für die Kommunikation zwischen Sensoren, Steuerungen und Software. Sie umfassen die physische Verbindung (Hardware-Schnittstellen), die Übertragungsregeln (Protokolle) sowie die Softwarefunktionen (Software-Schnittstellen), die eine zuverlässige und flexible Integration in industrielle Systeme gewährleisten.
1. Hardware-Schnittstellen – die physische Verbindungsebene
Hardware-Schnittstellen stellen die grundlegende physische Verbindung zwischen dem 2D-/3D-Profilsensor, der Steuerung, dem Netzwerk und der Software her. Sie definieren die elektrischen und mechanischen Verbindungsarten, über die Daten und Steuerbefehle übertragen werden. Über diese physischen Schnittstellen – beispielsweise Ethernet-Kabel, M12-Stecker oder digitale I/Os – wird der für eine zuverlässige Kommunikation erforderliche Übertragungsweg bereitgestellt.
2. Protokolle – die logische Kommunikationsebene
Protokolle definieren die Regeln und Abläufe, nach denen Daten über die Hardware-Schnittstellen übertragen werden. Sie fungieren als gemeinsame „Sprache“ für die Kommunikation und sorgen dafür, dass Sender und Empfänger die Daten korrekt interpretieren können. Protokolle legen unter anderem fest, wie Datenpakete aufgebaut, adressiert, versendet und empfangen werden. Je nach Anforderung an Geschwindigkeit, Zuverlässigkeit und Echtzeitfähigkeit kommen dabei unterschiedliche Übertragungsarten zum Einsatz.
3. Software-Schnittstellen – die Anwendungsebene
Software-Schnittstellen ermöglichen die Steuerung, Konfiguration und Auswertung der Sensordaten durch übergeordnete Systeme oder individuelle Anwendungen. Sie definieren die logischen Zugriffspunkte und Kommunikationsmethoden, über die Softwarelösungen auf Sensordaten zugreifen oder Sensorfunktionen nutzen können. Dazu zählen APIs, Webservices, Konfigurationsprotokolle und standardisierte Schnittstellen, die eine flexible Integration in verschiedene Softwareumgebungen erlauben. Software-Schnittstellen abstrahieren die Komplexität der Datenkommunikation und erleichtern somit die Integration in individuelle Systeme und Softwarelösungen.
Welche Schnittstellen haben 2D-/3D-Profilsensoren?
Hardware-Schnittstellen
- Digitale I/Os (Digital Input/Output, Encoder-Eingänge)
- Ethernet
Protokolle
- TCP/IP
- UDP/IP
- GigE Vision
Software-Schnittstellen
- GigE Vision / GenICam API
- wenglor uniVision
- Software Development Kit (SDK)
Beispielhaftes Zusammenspiel der drei Schnittstellenebenen
Hardware-Schnittstellen von 2D-/3D-Profilsensoren
Digitale I/O-Schnittstellen
Digitale Ein- und Ausgänge ermöglichen die direkte Steuerung und Synchronisation von 2D-/3D-Profilsensoren in industriellen Prozessen.
Der Digital Input ermöglicht das zeitlich exakte Auslösen von Messungen über externe Steuersignale. Dies ist besonders relevant bei bandbasierten oder getakteten Prozessen. Die Messung kann beispielsweise starten, sobald ein Produkt eine bestimmte Position auf dem Förderband erreicht und der Sensor ein entsprechendes Signal empfängt.
Der Vorteil eines Encoders besteht darin, dass er die Geschwindigkeit von bewegten Objekten automatisch berücksichtigt und die Bildaufnahme entsprechend anpasst. So entstehen auch bei schwankenden Bewegungen gleichmäßige und präzise Höhenprofile. Im Gegensatz dazu löst eine fixe Triggerung die Bildaufnahme zu einem konstanten Zeitpunkt aus, unabhängig von der Geschwindigkeit des Objekts. Das kann zu Ungenauigkeiten führen.
Anwendungsbeispiel mit und ohne Encoder
Ethernet-Schnittstelle
Die Ethernet-Schnittstelle (z. B. über RJ45, Gigabit, Ethernet) bildet die Grundlage für die Kommunikation zwischen Sensor und externem System. Über sie werden sowohl die großen Datenmengen der Höhenprofile übertragen als auch der Sensor konfiguriert, visualisiert, gesteuert und synchronisiert. Je nach Betriebsmodus und Protokoll können entweder Profile oder bereits ausgewertete Ergebnisse übertragen werden.
Vorteile der Ethernet-basierten Anbindung
Hohe Datenraten (GigE) für schnelle Profilübertragung
Kompatibilität mit Standardprotokollen wie TCP/IP, UDP, GigE Vision, GenICam und PROFINET
Einfache Integration in vorhandene Netzwerkinfrastrukturen
Protokolle und Software-Schnittstellen im Überblick
Die 2D-/3D-Profilsensoren stehen in den Betriebsmodi „Smarter Profilsensor“ und „Profilgenerator“ zur Verfügung. Je nach gewähltem Betriebsmodus kann die passende Kommunikationsschnittstelle ausgewählt werden. Dadurch lassen sich die Sensorlösungen gezielt an die Steuerungskonzepte, Datenflüsse und Echtzeitanforderungen der jeweiligen Anwendung anpassen.
Smarter Profilsensor
Profilgenerator
Ganzheitliche Profilerkennung mit der VisionApp 360
Mithilfe der Software VisionApp 360 können mehrere 2D-/3D-Profilsensoren so kombiniert werden, dass aus einzelnen Messungen ein gemeinsames 2D-Höhenprofil entsteht. Dazu werden die Sensoren im Raum zueinander ausgerichtet und kalibriert, sodass ihre individuellen Koordinatensysteme in ein einheitliches, übergeordnetes Koordinatensystem überführt werden. Im nächsten Schritt werden die erfassten Einzelprofile der Sensoren zu einem zusammenhängenden Gesamtprofil zusammengefügt. Dieses steht anschließend für weitere Verarbeitungsschritte zur Verfügung.
Typische Schnittstellen und ihre Verwendung je nach Betriebsmodus
| Schnittstelle / Protokoll | Smarter Profilsensor | Profilgenerator | Übertragene Daten |
|---|---|---|---|
| Digital I/Os |  |
|
Trigger / Ergebnisse |
| TCP/IP | |
|
Profildaten / Ergebnisse |
| GigE Vision |  |
|
Profildaten |
| GenICam | |
|
Profildaten, Steuerung |
| SDK | |
|
Profildaten, Steuerung |
Erklärung der Schnittstellen und Protokolle
| Schnittstelle / Protokoll | Typ | Beschreibung |
|---|---|---|
| PROFINET | Kommunikationsprotokoll | Industrielles Echtzeitprotokoll (basierend auf Ethernet), das häufig in SPS-Systemen verwendet wird |
| Ethernet/IP | Kommunikationsprotokoll | Ethernet-basiertes Protokoll zur Datenkommunikation in der industriellen Automatisierung |
| EtherCAT | Kommunikationsprotokoll | Echtzeitfähiges Ethernet-Protokoll für hochperformante Datenübertragung mit minimaler Latenz |
| TCP/IP | Netzwerkprotokoll | Basisprotokoll für IP-Kommunikation, das zur Übertragung von Profildaten, Steuerbefehlen oder Webanfragen verwendet werden kann |
| UDP/IP | Netzwerkprotokoll | Protokoll für Echtzeitdaten und zur schnellen Übertragung ohne Verzögerung |
| GigE Vision | Protokoll + Schnittstelle | Standard für die Übertragung von Bild- und Profildaten über Gigabit-Ethernet und für die Definition der Geräteerkennung und -steuerung |
| GenICam | Protokoll + Schnittstelle | Standard und Abstraktionsschicht für die Geräteparametrierung, beschreibt Kameras oder Sensoren unabhängig vom Hersteller |
| SDK | Software-Schnittstelle | Herstellerspezifische Programmierschnittstelle für die Integration in eigene Softwareprojekte (C++, C#, Python etc.) |
Standardschnittstellen (GigE Vision, GenICam) für höchste Kompatibilität
Herstellerunabhängige Integration
Softwarekompatibilität
Investitionsschutz
Die Kompatibilität mit etablierten Bildverarbeitungsbibliotheken und Hardwarekomponenten gewährleistet die langfristige Nutzung bestehender Systeme.
Zukunftssicherheit
Maximale Kontrolle mit herstellerspezifischen SDKs
Durch die direkte Programmierung ohne standardisierte Zwischenebenen lassen sich Prozesse deutlich effizienter und ressourcenschonender implementieren. Dies ist insbesondere bei hohen Bildraten oder großen Datenmengen vorteilhaft.
Im Vergleich: Standardschnittstellen vs. herstellerspezifische SDKs / APIs
| Merkmal | Standardschnittstellen | Herstellerspezifisches SDK / API |
| Kompatibilität | Hoch (geräteübergreifend, herstellerneutral) | Nur mit Geräten desselben Herstellers nutzbar |
| Integrationsaufwand | Gering – dank Standardisierung | Höher, erfordert Kenntnisse der herstellerspezifischen Architektur |
| Flexibilität / Funktionsumfang | Eingeschränkt auf genormte Funktionen* | Sehr hoch – Zugriff auf tiefere Funktionen und Parametrierung |
| Zukunftssicherheit / Wartung | Gute Langzeitverfügbarkeit durch Standardisierung | Abhängig vom Hersteller-Support und Softwarepflege |
* Selbst innerhalb standardisierter Schnittstellen können anwendungsspezifische Funktionen integriert werden. Dadurch lassen sich individuelle Anpassungen umsetzen, ohne die Kompatibilität zu bestehenden Systemen oder Protokollen zu beeinträchtigen.
Wann sollte man Standardschnittstellen bzw. herstellerspezifische SDKs / APIs wählen?
- Standardschnittstellen eignen sich ideal für eine einfache Integration, eine hohe Kompatibilität und die Anbindung an vorhandene Softwarelösungen von Drittanbietern.
- Das SDK ist die richtige Wahl, wenn maximale Kontrolle, Individualisierung oder Spezialfunktionen, wie beispielsweise die direkte Sensorsteuerung oder die Entwicklung eigener Softwarelösungen, erforderlich ist.
