Was ist ein 2D-/3D-Profilsensor?
Die 2D-/3D-Profilsensoren der weCat3D-Serie ermöglichen die schnelle und hochpräzise Vermessung von Konturen und Oberflächen in unterschiedlichen Anwendungsbereichen, wie der Qualitätssicherung, der Inspektion oder der Roboterführung in der industriellen Fertigung. Die Sensoren eignen sich für Anwendungen, die eine sehr hohe Genauigkeit und eine konstante Geschwindigkeit erfordern. Die 2D-/3D-Profilsensoren von wenglor nutzen das Prinzip der Lasertriangulation, um detaillierte 2D-Höhenprofile und 3D-Punktewolken zu erzeugen.
Wie funktionieren 2D-/3D-Profilsensoren?
2D-/3D-Profilsensoren arbeiten nach dem Prinzip der Lasertriangulation. Bei diesem Verfahren projiziert der Sensor eine Laserlinie auf das Messobjekt. Die Reflexion des Laserstrahls trifft in einem bestimmten Winkel, dem Triangulationswinkel, auf die im Sensor integrierte Kamera. Durch die Abbildung der Laserreflexion auf den Bildchip und den bekannten Triangulationswinkel zwischen Kamera und Lasermodul kann die Höhe und Tiefe des Objekts an verschiedenen Punkten entlang der Linie bestimmt werden. Daraus wird dann ein genaues 2D-Höhenprofil des Objekts erstellt. Durch die Bewegung des Sensors bzw. des Messobjektes entlang der Y-Achse und die kontinuierliche Aufnahme von 2D-Höhenprofilen werden 3D-Punktewolken erzeugt.
Erstellung und Auswertung von 2D-Höhenprofilen
Jede Abbildung wird in eine Matrix aus Spalten und Zeilen aufgeteilt, wobei der X-Wert der horizontalen Position auf dem Bildsensor entspricht. Der Y-Wert gibt die Höhe bzw. Tiefe des jeweiligen Punktes auf der Objektoberfläche an. Mit diesen Abstandsinformation werden präzise 2D-Höhenprofile des Messobjekts erzeugt.
Die Abbildung der Laserlinie auf dem Bildchip stellt die Profilinformationen entlang der Laserlinie auf dem Objekt dar.
Generierung und Visualisierung von 3D-Punktewolken
Die einzelnen 2D-Höhenprofile werden mit Hilfe von Software-Algorithmen zu einer Punktwolke zusammengesetzt, die die dreidimensionale Oberfläche des Objekts darstellt. Jeder Punkt in der Punktewolke hat x-, y- und z-Koordinaten. Die Koordinaten X und Y geben die horizontale und vertikale Position eines Punktes auf der Laserlinie an. Die z-Koordinate repräsentiert die Höhe oder Tiefe eines Punktes auf dem Objekt.
In der Animation wird die aus den 2D-Höhenprofilen generierte 3D-Punktewolke gezeigt. Die blauen und grünen Flächen liegen höher (näher am Sensor), während die rote Farbe den tiefsten Objektpunkt signalisiert.
Welche Varianten von 2D-/3D-Profilsensoren gibt es?
Die 2D-/3D-Profilsensoren gibt es in drei Ausführungen, als Smart Sensor, Sensor mit Machine Vision Controller und Sensor mit Software Development Kit/GigE. Je nach Anwendung kann die entsprechende Variante ausgewählt werden.
2D-/3D-Profilsensoren + Smart
Die wenglor Bildverarbeitungssoftware uniVision läuft auf dem Sensor, d. h. Bildaufnahme und -verarbeitung erfolgt direkt auf dem Sensor. Da kein zusätzlicher Machine Vision Controller benötigt wird, reduziert sich der Verkabelungsaufwand und die Integration auf engstem Raum oder am Roboter wird erleichtert.
Ein smarter Profilsensor eignet sich für statische und zeitunkritische Anwendungen, die hohe Profilqualität sichert zuverlässige Ergebnisse.
Ein smarter Profilsensor eignet sich für statische und zeitunkritische Anwendungen, die hohe Profilqualität sichert zuverlässige Ergebnisse.
2D-/3D-Profilsensoren und Machine Vision Controller
Der 2D-/3D-Profilsensor arbeitet als Profilgenerator und sendet die aufgenommenen 2D-Höhenprofile zur Verarbeitung an den Machine Vision Controller. Der Sensor gewährleistet die Aufnahme qualitativ hochwertiger Profile bei verschiedenen Anwendungen. Die wenglor Bildverarbeitungssoftware uniVision läuft performant auf dem Machine Vision Controller.
Mit dieser Kombination können Anwendungen mit hohen Messraten und mit komplexen Messungen gelöst werden.
Mit dieser Kombination können Anwendungen mit hohen Messraten und mit komplexen Messungen gelöst werden.
2D-/3D-Profilsensoren + SDK/GigE
Der 2D/3D-Profilsensor funktioniert als Profilgenerator und der Nutzer nutzt hierbei seine eigene Software. Die Daten des Profilsensors können über das Software Development Kit (SDK) abgefragt oder über die standardisierte GigE Vision Schnittstelle übergeben werden.
Durch die von der SDK zur Verfügung gestellten Library, können Nutzer individuelle und kundenspezifische Anwendungen realisiert werden.
Durch die von der SDK zur Verfügung gestellten Library, können Nutzer individuelle und kundenspezifische Anwendungen realisiert werden.
2D-/3D-Profilsensoren mit der Software uniVision
Ob mit einem smarten 2D-/3D-Profilsensor oder mit einem 2D-/3D-Profilsensor und Machine Vision Controller – mit der Bildverarbeitungssoftware uniVision lassen sich die Daten von zweidimensionalen Höhenprofilen effizient verarbeiten. In der Software stehen dem Anwender zahlreiche Bildverarbeitungsmodule zur Verfügung, mit denen sich digitale Aufgaben der industriellen Bildverarbeitung schnell, einfach und flexibel lösen lassen.
Parametrierbare Standardsoftware
- Standardsoftware für Smart Cameras, Visionsysteme und 2D-/3D-Sensoren
- In wenigen Schritten zur fertigen Vision-Anwendung dank einfacher und intuitiver Software
- Keine Programmierkenntnisse nötig
- Reduktion von Support-, Schulungs- und Einarbeitungsaufwand dank einer gemeinsamen Software
- Modulare, flexible und erweiterbare Hard- und Software
Hohe Nutzerfreundlichkeit
- Schnelle und einfache Einrichtung
- Keine Programmierkenntnisse erforderlich
- Templates, Assistant & Tutorials erleichtern die Bedienung
- Teach+-Software ermöglicht orts- und zeitunabhängigen Support
- TeamViewer bietet Möglichkeit für Online-Support
Vielfältige Algorithmen
- Modularer Aufbau der Software mit Werkzeugkasten
- Individuelle Gestaltung des Projekts
- Ähnliche Algorithmen für Bilder und für Höhenprofile
- Algorithmen sind lauffähig auf unterschiedlichen Plattformen (z. B. Modul Messen läuft auf Smart Camera und auf Visionsystem)
Zahlreiche Schnittstellen
- Standardschnittstellen zur Einbindung der Geräte in beliebige Infrastruktur
- Schnelle und einfache Integration dank Standardschnittstellen
- Roboterschnittstellen bekannter Hersteller wie Yaskawa, Fanuc, Kuka, ABB
Detailliertere Informationen und ausführliche Tutorials sind auf der Highlightseite zur wenglor Software uniVision verfügbar.
Software zur Analyse und Darstellung VisionApp 360 und VisionApp Demo
Neben der Bildverarbeitungssoftware uniVision stehen für die 2D-/3D-Profilsensoren die Software VisionApp 360 und VisionApp Demo 3D zur Verfügung. Damit können aus 360°-Höhenprofilen in nur wenigen Schritten exakte Querschnittsflächen berechnet und Punktewolken dargestellt werden.
Vereinen und Analysieren von Höhenprofilen mit der VisionApp360
- 360°-Profilerkennung von Objekten mit bis zu 16 Profilsensoren
- Benutzerfreundliche Software mit freier Kalibrierform und vereinfachter Sensorsynchronisation
- Auswertung des vereinten Höhenprofils mit der Parametriersoftware uniVision Profile
- Ausgabe der Messwerte als vereinte Punktewolke über TCP-Schnittstelle oder GigE-Schnittstelle
Technologievergleich von Smart Sensor und Sensor mit Machine Vision Controller
Smart Sensor
| uniVision wird direkt auf dem Sensor ausgeführt |
| Profilaufnahme und -auswertung direkt auf dem Sensor |
| Leistung ist nicht so hoch wie bei der Verwendung eines extra Machine Vision Controllers |
| Zeitunkritische und einfache Anwendungen |
Sensoren mit Machine Vision Controller
| uniVision läuft auf dem externen Machine Vision Controller |
| 2D/3D-Profilsensor agiert ausschließlich als Profilgenerator |
| Verarbeitung und Datenausgabe findet auf dem performanten Machine Vision Controller |
| Einsatz bei hochperformanten und komplexen Anwendungen |
Einsatzmöglichkeiten von 2D-/3D-Profilsensoren
Teilevermessung
Höhenkontrolle
Durchmesserkontrolle
Rundheitsprüfung
Dickenmessung
Positionierung
Schweißnahtführung
Branchen und Industrien, in denen 2D-/3D-Profilsensoren eingesetzt werden
Die Anforderungen in der industriellen Automation sind vielfältig. Ob ständig wechselnde Witterungsbedingungen, intensive Reinigungsprozesse, explosionsgefährdete Bereiche oder Schweißspritzer. Das Portfolio der 2D-/3D-Profilsensoren bietet verschiedene Modellvarianten, die darauf ausgelegt sind, auch unter den härtesten Bedingungen zuverlässig zu funktionieren und dabei den technischen Vorschriften und Qualitätsstandards der Branche entsprechen.
Bei der Herstellung von Autositzen für Pkw muss sichergestellt werden, dass die Position von seitlichen Polstern und Wirbelsäulenpolstern bei jedem Sitz identisch ist. An einer Prüfstation werden die Autositze von oben bis unten mit einem 2D-/3D-Profilsensor vermessen. Dabei werden Konturen und Füllrate erfasst, Symmetrien ausgewertet, Nähte und die Position des Sitzes sowie eventuelle Beschädigungen erkannt.
Bei der Herstellung von Klick-Parkett muss die Qualität der Brettgeometrie lückenlos im laufenden Betrieb sichergestellt werden. Mit der Zeit nutzen sich die verwendeten Fräswerkzeuge allerdings ab, was zu Ausschuss führt. Um diesen zu verringern, werden die seitlichen Kanten der Parkettbretter direkt nach dem Fräsprozess durch zwei 2D-/3D-Profilsensoren mikrometergenau vermessen und die 2D-Profildaten über eine Control Unit per Software bearbeitet, visualisiert und ausgewertet.
Nach dem Befüllen der Eisbecher muss kontrolliert werden, ob die aufgebrachten Pappdeckel vorhanden und in der korrekten Position sind. Ein 2D-/3D-Profilsensor mit Schutzart IP69K erfasst per Lasertriangulation sowohl die Anwesenheit als auch die Becherhöhe und den Winkel der platzierten Deckel über die gesamte Bahnbreite der Produktionslinie. Eine webbasierte Visualisierung direkt an der Anlage meldet den Status der Ergebnisse.
In großen Logistikzentren ist das Packvolumen von zentraler Bedeutung, um Lagerkosten zu reduzieren, Füllmaterial zu sparen und letztlich die richtige Größe der Umverpackung zu definieren. Vor dem Verpackprozess wird der höchste Punkt des Objekts durch einen 2D-/3D-Profilsensor ermittelt. Anschließend wird der Karton individuell verkleinert und anschließend verschlossen.
Bevor Wartungsarbeiten wie das Schleifen oder Fräsen von Schienen in Gleisbetten durchgeführt werden können, müssen sowohl die Position der Schienen als auch Hindernisse wie Steine oder Weichen im laufenden Betrieb erkannt werden. Dazu vermessen mehrere nebeneinander montierte 2D-/3D-Profilsensoren in einer Linie das Profil des Gleisbetts. Die Höhenprofile werden per Software vereint und analysiert.
In Gießereien oder Hochöfen müssen Stahlrohre, durch die flüssiger Stahl geleitet wird, zur Qualitätskontrolle bei Temperaturen von bis zu 1.300 °C mikrometergenau vermessen werden, um deren Position zu erfassen. Hierzu wird ein 2D-/3D-Profilsensor am Roboterarm installiert, der das rotglühende Rohr nachführt. Ein entsprechendes Kühlgehäuse ermöglicht die genaue Messung selbst bei extremen Temperaturen.
In vollautomatischen Roboterschweißzellen muss vor dem Schweißprozess, die exakte Position von Stößen bestimmt werden. Dazu wird ein 2D-/3D-Profilsensor direkt vor dem Schweißbrenner am Roboter montiert, der per Lasertriangulation den Stoß erkennt. Über die Software uniVision wird der Führungspunkt ermittelt und an die Steuerung gesendet. Mit diesen Informationen wird nun eine Bahnkorrektur durchgeführt und die Schweißnaht platziert.
Laserklassen von 2D-/3D-Profilsensoren
Die Bewertung der Laserklassen erfolgt nach den sogenannten Klassifizierungsregeln für Laser gemäß der DIN EN 60825-1:2008-05 „Sicherheit von Lasereinrichtungen“. Je nach Gefährdungspotenzial der einzelnen Laser beziehungsweise ihrer optischen Leistung oder Energie werden diese unterschiedlich klassifiziert. Als Faustregel gilt: Je höher die Klassennummer, desto höher ist das Gefährdungspotenzial des Lasers.
| Laserklasse | Beschreibung |
|---|---|
| Laserklasse 2 | Mit einer Leistung von 1 Milliwatt oder weniger liegt die Laserklasse 2 in einem Wellenlängenbereich zwischen 400 und 700 nm. Mit dieser Klasse werden beispielsweise Linienlaser, Rotationslaser oder Laserentfernungsmesser ausgerüstet. Für die Verwendung sind keine Schutzmaßnahmen erforderlich, da die Laserstrahlung auch bei kurzzeitiger Bestrahlung der Augen als ungefährlich eingestuft wird. Durch den sogenannten natürlichen Lidschlussreflex wird eine längere Bestrahlung der Augen verhindert. |
| Laserklasse 3R | Der Wellenlängenberiech der Laserklasse 3R liegt zwischen 302,5 nm und 700 µm und hat eine Leistung von 1 bis zu 5 Milliwatt. Da die Laserstrahlung potenziell gefährlich für das Auge ist, müssen für den Betrieb besondere Schutzmaßnahmen getroffen werden. Dazu gehören unter Anderem das Tragen einer Schutzbrille, das Stellen eines Laserschutzbeauftragten sowie das Melden des Einsatzes dieser Geräte. |
| Laserklasse 3B | Die Klasse 3B, welche eine Leistung von 5 bis 500 Milliwatt liegt in einem Wellenlängenbereich zwischen 302,5 nm und 1 µm und hat eine Leistung von 5 bis zu 500 Milliwatt. Die Laserstrahlung ist gefährlich für das Auge und in besonderen Fällen auch für die Haut schädlich. Für den Betrieb müssen besondere Schutzmaßnahmen getroffen werden, unter Anderem ist eine Schutzbrille zu tragen, ein Laserschutzbeauftragter muss gestellt und der Einsatz dieser Geräte gemeldet werden. Des Weiteren müssen Räume abgegrenzt und deren Zugänge mit Warnleuchten versehen sein. |
Lichtarten von 2D-/3D-Profilsensoren
2D-/3D-Profilsensoren arbeiten mit einem Laser, da dieser eine präzise Laserlinie erzeugt. Das wenglor-Portfolio bietet 2D-/3D-Profilsensoren in drei verschiedenen Lichtarten: Rot, Blau sowie UV. Diese Lichtarten unterscheiden sich in der Wellenlänge und der Erzeugung des Lichts.
Laser (rot)
Laser (blau)
Falschfarbendarstellung zur Visualisierung der Objekttiefe
Durch die Färbung der Punktewolke wird die Tiefe des Objektes sichtbar gemacht. Die Abstandswerte werden durch unterschiedliche Farbtöne von rot bis grün dargestellt. Durch diese Falschfarbendarstellung ist auf einen Blick erkennbar, welche Teile des Objektes sich im Vordergrund und welche im Hintergrund befinden.
Die weCat3D-Sensoren liefern nicht nur die Abstandsinformation eines Objektes in Form eines 2D-Höhenprofils, sondern zusätzlich auch Informationen über die Helligkeitsintensität jedes einzelnen Punktes. Diese Information kann in der Bildverarbeitung als zusätzlicher Parameter verwendet werden, um bessere Ergebnisse zu erzielen.
Die weCat3D-Sensoren liefern nicht nur die Abstandsinformation eines Objektes in Form eines 2D-Höhenprofils, sondern zusätzlich auch Informationen über die Helligkeitsintensität jedes einzelnen Punktes. Diese Information kann in der Bildverarbeitung als zusätzlicher Parameter verwendet werden, um bessere Ergebnisse zu erzielen.
Schnittstellen zur Datenübertragung und Integration
Modi zur Optimierung der Punktewolke
In High-Speed-Anwendungen kann die Nutzung des gesamten Sichtfelds zu einer Limitierung der Messfrequenz führen. Um die Geschwindigkeit nicht zu beeinträchtigen, ist es möglich, den Sichtbereich auf einen bestimmten Bereich zu beschränken, bekannt als ROI (Region of Interest), dass nur der benötigte Bereich ausgelesen wird. Dabei können Reduzierungen sowohl in horizontaler (X) als auch in vertikaler (Z) Richtung vorgenommen werden.
Die ausgewählte ROI sollte so groß wie nötig und so klein wie möglich gehalten werden. Je kleiner der Bereich, desto höher die Messrate und schneller die Auswertung.
Eine weitere Methode, um die Geschwindigkeit zu erhöhen, ist das Subsampling, bei dem weniger Pixel ausgelesen werden. Die Genauigkeit wird dadurch minimal beeinträchtigt, jedoch wird die Geschwindigkeit signifikant gesteigert. Die schnellste Auswertung wird erreicht, wenn sowohl Subsampling als auch ROI kombiniert werden.
High Dynamic Range Imaging (HDR) wird verwendet, um Objekte mit einem sehr hohen Intensitätskontrast aufzunehmen. Dabei werden abwechselnd zwei Profile mit unterschiedlichen Belichtungszeiten aufgenommen. Durch die Kombination dieser beiden Profile werden Details sowohl in den sehr hellen als auch in den sehr dunklen Bereichen des Bildes erfasst. Auf diese Weise können auch kontrastreiche Objekte vollständig erfasst und analysiert werden.
Die automatische Belichtungszeit ermöglicht es dem Sensor, selbstständig und automatisch die geeignete Belichtungszeit einzustellen, um sicherzustellen, dass die Pixelhelligkeit im optimalen Bereich liegt. Mit dieser Funktion können Objekte mit unterschiedlich hellen Oberflächen einfach inspiziert werden, da der Sensor die Belichtung an die jeweilige Oberflächenhelligkeit anpasst. Dies gewährleistet eine zuverlässige Erfassung von Details und eine präzise Inspektion, unabhängig von der Variabilität der Oberflächenhelligkeit.
Während der Aufnahme können beispielsweise Reflexionen auftreten. Um die richtigen Signale zu identifizieren, die das tatsächliche Objekt abbilden, kann zwischen verschiedenen Signalarten gewählt werden. Hierbei werden alle Spalten der internen Kamera nach Peaks durchsucht. Als Peak wird das Signal bezeichnet, das von der erkannten Laserlinie in der jeweiligen Kameraspalte erzeugt wird. Diese Vorgehensweise ermöglicht eine genaue Identifikation der für die Objekterkennung und -auswertung relevanten Signale.
Modi zur Optimierung der Punktewolke
Speed up the Sensor
In High-Speed-Anwendungen kann die Nutzung des gesamten Sichtfelds zu einer Limitierung der Messfrequenz führen. Um die Geschwindigkeit nicht zu beeinträchtigen, ist es möglich, den Sichtbereich auf einen bestimmten Bereich zu beschränken, bekannt als ROI (Region of Interest), dass nur der benötigte Bereich ausgelesen wird. Dabei können Reduzierungen sowohl in horizontaler (X) als auch in vertikaler (Z) Richtung vorgenommen werden.
Die ausgewählte ROI sollte so groß wie nötig und so klein wie möglich gehalten werden. Je kleiner der Bereich, desto höher die Messrate und schneller die Auswertung.
Subsampling
Eine weitere Methode, um die Geschwindigkeit zu erhöhen, ist das Subsampling, bei dem weniger Pixel ausgelesen werden. Die Genauigkeit wird dadurch minimal beeinträchtigt, jedoch wird die Geschwindigkeit signifikant gesteigert. Die schnellste Auswertung wird erreicht, wenn sowohl Subsampling als auch ROI kombiniert werden.
HDR Mode
High Dynamic Range Imaging (HDR) wird verwendet, um Objekte mit einem sehr hohen Intensitätskontrast aufzunehmen. Dabei werden abwechselnd zwei Profile mit unterschiedlichen Belichtungszeiten aufgenommen. Durch die Kombination dieser beiden Profile werden Details sowohl in den sehr hellen als auch in den sehr dunklen Bereichen des Bildes erfasst. Auf diese Weise können auch kontrastreiche Objekte vollständig erfasst und analysiert werden.
Auto Exposure
Die automatische Belichtungszeit ermöglicht es dem Sensor, selbstständig und automatisch die geeignete Belichtungszeit einzustellen, um sicherzustellen, dass die Pixelhelligkeit im optimalen Bereich liegt. Mit dieser Funktion können Objekte mit unterschiedlich hellen Oberflächen einfach inspiziert werden, da der Sensor die Belichtung an die jeweilige Oberflächenhelligkeit anpasst. Dies gewährleistet eine zuverlässige Erfassung von Details und eine präzise Inspektion, unabhängig von der Variabilität der Oberflächenhelligkeit.
Signal Selection
Während der Aufnahme können beispielsweise Reflexionen auftreten. Um die richtigen Signale zu identifizieren, die das tatsächliche Objekt abbilden, kann zwischen verschiedenen Signalarten gewählt werden. Hierbei werden alle Spalten der internen Kamera nach Peaks durchsucht. Als Peak wird das Signal bezeichnet, das von der erkannten Laserlinie in der jeweiligen Kameraspalte erzeugt wird. Diese Vorgehensweise ermöglicht eine genaue Identifikation der für die Objekterkennung und -auswertung relevanten Signale.
Montagehinweise von 2D-/3D-Profilsensoren
Um eine hochpräzise Vermessung von Oberflächen zu gewährleisten, sind bei der Montage der Sensoren bestimmte Hinweise zu beachten.
