Neues Prinzip für die 3D-Inline-Inspektion

Die optische 3D-Inspektion hat sich heute bereits in vielen industriellen Fertigungsumgebungen etabliert. An Kleinstbauteilen scheitern bisher die meisten Verfahren. Senswork beantwortet die Probleme mit der neuen 3D-Inline-Kamera ZFokus.

Laserlinientriangulation, Streifenlichtprojektion oder Time-of-Flight-Kameras erfassen in der Fertigung die dritte Dimension von Produkten. So können Fehler erkannt und Bauteile lokalisiert werden. Trotzdem stellt nach wie vor die dreidimensionale Inspektion von Kleinstbauteilen wie Stecker-Komponenten, Mikro-Spritzgussteilen, elektronischen SMD-Bauteilen oder auch Lötstellen die aktuell verfügbaren 3D-Sensoren vor hohe, wenn nicht sogar unüberwindbare Herausforderungen. Diesem Thema hat sich die Firma senswork (ein Systemhaus für industrielle Bildverarbeitung) gewidmet und mit ZFokus eine neuartige 3D-Inline-Kamera nach dem Prinzip Depth-from-Focus auf den Markt gebracht.

Genauigkeit bis 10 µm

ZFokus findet in getakteten Inline-Prozessen oder auch bei der Offline-Prüfung in der hochauflösenden 3D-Bewertung von Klein- und Kleinstbauteilen ihre Anwendung. Die klassischen Technologien wie Laserscanning und Streifenlichtprojektion sind aus zahlreichen Gründen für die Überprüfung ungeeignet. Hauptgründe sind störende Artefakte an Bauteilkanten, Probleme mit Überstrahlung und Reflexion am Bauteil sowie Abschattungen, die generell durch das Triangulationsprinzip bedingt sind.

Bei der Depth-from-Focus-Methode (DfF oder auch Fokusvariation) werden zur Berechnung der 3D-Bildinformation vom ZFokus-System mehrere hundert Bilder in unterschiedlichen Abstandspositionen zum Bauteil in kürzester Zeit aufgezeichnet (typischerweise 1-2 Sekunden). Auf ortsabhängigen Fokuswerten im Bild berechnet die Kamera dann eine 3D-Höhenkarte des Bauteils. Um die vorschubsynchrone Aufzeichnung kümmert sich der ZFokus-Controller, die Berechnung der 3D-Daten erfolgt auf einem handelsüblichen aber leistungsstarken Embedded-PC nahezu in Echtzeit zur Bildaufnahmesequenz.

Parallele Datenverarbeitung

Die Stärken des Systems liegen in der sehr performanten parallelen Verarbeitung der hohen Bilddatenmenge je Scan (mehrere Gigabyte pro Scan), sowie der intelligenten Berechnung der Z-Informationen durch Berücksichtigung der Reflexionsverhältnisse auf dem Bauteil. Unter Zuhilfenahme von schnellen robusten Interpolationsalgorithmen erfolgt die Berechnung der Höheninformation in sehr hoher Qualität und Präzision.

Die aktuell erzielbare Auflösung in Z-Richtung liegt bei 10 µm bei einem maximalen Blickfeld von 12 x 12 mm². Die Scan-Dauer ist abhängig von unterschiedlichen Faktoren, und beträgt typischerweise 1-3 Sekunden. Eine Weiterentwicklung der Kamera hin zu noch größeren Blickfeldern ist aktuell in Planung. ZFokus findet in diversen Industrien Anwendung, wobei das Ziel der Entwicklung von senswork bei der Prüfung von Steckermodulen, Elektronikbauteilen oder Mikro-Spritzgussteilen lag.

Verschleißfreie Prüfung

Da ZFokus auf einer berührungslosen Messung basiert, liegt der Vorteil gegenüber mechanisch tastenden Verfahren bei der Koplanaritätsprüfung oder Pin-Höhenprüfung klar auf der Hand: Das Bauteil wird bei der Vermessung nicht mechanisch beeinflusst, das Verfahren ist verschleißfrei, und neben der maximalen Z-Position von beispielsweise einer Kontaktfläche kann auch die Winkellage bzw. die Ausrichtung der Fläche im Raum bestimmt werden.