CCT-Sensor zur 3D-Messung von spiegelnden bis diffusen Oberflächen

Sensoraufbau
© Fraunhofer IOSB

Sensoraufbau

Optischer Aufbau mit Messobjekt
© Fraunhofer IOSB

Optischer Aufbau mit Messobjekt

Messobjekt eines CCT-Sensors
© Fraunhofer IOSB

Schnappschuss einer Messung. Der CCT-Sensor scannt ähnlich einer Zeilenkamera das zu vermessende Objekt. Zur Beleuchtung werden unterschiedliche Wellenlängen verwendet, welche als Regenbogenmuster sichtbar sind.

Das Fraunhofer IOSB zeigt einen inlinefähigen 3D-Sensor zur Messung der Topographie von Oberflächen von spiegelnden bis voll diffusen, z. B. rauen Oberflächen. Der CCT-Sensor (Chromatic Confocal Triangulation) kombiniert dabei das chromatische konfokale Messprinzip mit dem der Triangulation. Bei bis zu 13.000 Zeilenmessungen pro Sekunde wird in jedem Messzyklus eine Zeile von mehr als 2000 nebeneinanderliegenden Höhenwerten gemessen. Die vertikale Auflösung des Sensors liegt im einstelligen Mikrometerbereich und deckt gleichzeitig einen Messbereich von sechs Millimetern ab.

Der optische Aufbau kodiert mittels einer speziellen Beleuchtung in Form eines Lichtfächers aus unterschiedlichen Wellenlängen verschiedene Objekthöhen. Die eigentliche Messung der Höhe erfolgt durch die Bestimmung der korrespondierenden Wellenlänge des Lichtes mittels einer Zeilenkamera. Um die Messung der Wellenlänge mit hoher Präzision durchzuführen, wurde eigens eine sechskanalige, multispektrale Kamera entwickelt, die auf der Messe Control erstmals vorgestellt wird.

Dazu wurden in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IST spezielle Interferenzfilter entwickelt und hergestellt. Die multispektrale Zeilenkamera kombiniert die spektrale Auflösung eines Spektrometers mit der Geschwindigkeit einer Zeilenkamera im kHz-Bereich. Durch dieses Gesamtkonzept wird das Messdatenaufkommen gering gehalten und höchste Messgeschwindigkeiten sind möglich.

Durch die hohe Messgeschwindigkeit ist der CCT-Sensor besonders für den Einsatz in der Inline-Produktionsüberwachung geeignet. Aktuell liegt die Messgeschwindigkeit des Systems bei 13 kHz, die sich jedoch durch Integration einfacher, kommerziell erhältlicher Technik auf über 100 kHz steigern lässt. Gleichzeitig kann der CCT-Sensor mit wenigen, nicht beweglichen Komponenten aufgebaut werden, was einen geringen Wartungsaufwand und wirtschaftlichen Preis verspricht.

 

 

 

 

Eine besondere Eigenschaft ist, dass sowohl perfekt spiegelnde als auch diffuse, z. B. raue Oberflächen, vermessen werden können. Gerade Oberflächeneigenschaften die dazwischen liegen, sind besonders relevant in der metallverarbeitenden Industrie. Jeder der 2000 Messpunkte pro Zeile hat eine laterale Auflösung von 10 x 10 Mikrometer wodurch sich auf einer Breite von 20 Millimeter auch kleinste Details auflösen lassen. Der vertikale Messbereich von 6 Millimeter mit einer Auflösung im einstelligen Mikrometerbereich steht unabhängig von der Messgeschwindigkeit im vollen Umfang zur Verfügung.

Mögliche Einsatzbereiche des CCT-Sensors finden sich in folgenden Bereichen:

  • Inspektion von metallischen Tiefziehteilen, z. B. Spülen, die sich durch eine stark spiegelnde aber diffuse Oberfläche auszeichnen.
  • Vermessung von verchromten Bauteilen im Automobilbereich Inline-Qualitätssicherung von metallischen Dichtflächen im Motorenbau.
  • Inline-Qualitätssicherung von gestanzten metallischen Bauteilen und Überprüfung der Formhaltigkeit.
CCT Sensor Bild
© Fraunhofer IOSB

Unbearbeitetes RGB-Bild einer Messung. Das optische Prinzip des 3D-Sensors beleuchtet jede Höhe mit einer anderen Farbe.