Technischer Überblick
Konturmessung beschreibt die quantitative Erfassung der Form eines Bauteils oder einer Oberfläche. Je nach Messaufgabe kann eine einzelne Profilkontur, eine lokale 3D-Oberfläche oder die vollständige Geometrie eines großen Objekts relevant sein.
Dafür stehen unterschiedliche optische und taktile Verfahren zur Verfügung. Besonders relevant sind Lichtschnitt, Streifenprojektion, Photogrammetrie, konfokale Messung, Fokusvariation, Interferometrie, Lasertracker und Laufzeit-Laserscanner.
Das Ziel einer Konturmessung ist die Bestimmung geometrischer Koordinaten auf einer Objektoberfläche. Aus diesen Koordinaten lassen sich anschließend Profile, Abstände, Winkel, Radien, Ebenheiten, Formabweichungen, Flächen oder Volumina berechnen. Bei flächenhaften Verfahren entsteht eine Punktwolke oder ein Polygonnetz, das mit CAD-Solldaten verglichen oder für Reverse Engineering weiterverarbeitet werden kann.
Gemessen wird eine einzelne Linie oder ein Querschnitt. Typisch sind Laserlinien-Sensoren für Höhenprofile, Spaltmaße, Kanten, Schweißnähte oder kontinuierliche Inline-Prüfungen.
Viele Oberflächenpunkte werden gleichzeitig oder sequenziell erfasst. Das Ergebnis ist eine 3D-Punktwolke, aus der Form und lokale Geometrie des Bauteils bestimmt werden.
Fahrzeuge, Maschinen, Gussteile, Turbinengehäuse, Schiffe oder Anlagen erfordern große Messbereiche. Hier wird die Effizienz der Erfassung und Registrierung zu einem zentralen Teil der Messunsicherheit.
Für die erste Orientierung reicht eine gemeinsame Prinzipskizze der drei in der Praxis besonders anschaulichen Verfahren häufig aus: Lichtschnitt, Streifenprojektion und Laufzeit-Laserscanner.
Triangulationsverfahren
Beim Lichtschnittverfahren wird eine schmale Laserlinie auf die Objektoberfläche projiziert. Eine Kamera beobachtet diese Linie unter einem bekannten Winkel. Durch die Verschiebung der Laserlinie im Kamerabild kann die Höhe der Oberfläche geometrisch über Triangulation bestimmt werden.
Ein einzelnes Kamerabild liefert typischerweise ein 2D-Höhenprofil. Wird das Objekt oder der Sensor bewegt, können viele Profile zu einer 3D-Oberfläche zusammengesetzt werden.
Strukturiertes Licht
Bei der Streifenprojektion projiziert ein Projektor definierte Lichtmuster auf das Messobjekt. Eine oder mehrere Kameras beobachten die durch die Oberflächengeometrie verformten Streifen. Aus Projektor- und Kamerageometrie wird die dreidimensionale Position einer großen Anzahl von Oberflächenpunkten berechnet.
Moderne Systeme verwenden häufig Phasenverschiebungs- und Gray-Code-Verfahren, um eine hohe Punktdichte und eine eindeutige Zuordnung der projizierten Muster zu erreichen. Dadurch ist die Streifenprojektion besonders für kleine bis mittelgroße Bauteile mit hohem Detailbedarf geeignet.
Neben den klassischen Verfahren Lichtschnitt, Streifenprojektion und Laufzeit-Laserscanner gibt es weitere relevante Technologien, die je nach Messobjekt und Genauigkeitsanforderung die bessere Wahl sein können.
Aus mehreren Bildern eines Objekts werden korrespondierende Punkte identifiziert und geometrisch trianguliert. Das Verfahren ist besonders flexibel und eignet sich gut für große Objekte und Aufbauten mit mehreren Kameras.
Typische Vorteile sind große Messvolumina und ein vergleichsweise flexibler Messaufbau. Die Genauigkeit hängt stark von Kalibrierung, Bildqualität und Oberflächenstruktur ab.
Konfokale Sensoren messen die Höhe eines Punktes sehr präzise, indem nur Licht aus einer scharf fokussierten Ebene ausgewertet wird. Durch Bewegung des Sensors lässt sich daraus ein Profil oder eine 3D-Oberfläche erzeugen.
Besonders geeignet für kleine Bauteile, feine Geometrien und hochpräzise Nahbereichsmessungen.
Aus einer Serie von Aufnahmen mit unterschiedlicher Fokuslage wird die Höhe der Oberfläche bestimmt. Das Verfahren wird häufig für Mikrotopografie, Oberflächenstrukturen und kleine Bauteile eingesetzt.
Es verbindet gute Detaildarstellung mit der Möglichkeit, strukturierte Oberflächen dreidimensional zu erfassen.
Interferometrische Verfahren nutzen Phaseninformationen des Lichts und erlauben eine extrem hohe Höhenauflösung. Sie kommen vor allem dort zum Einsatz, wo sehr kleine Form- oder Rauheitsabweichungen relevant sind.
Das Verfahren ist sehr präzise, aber in der Regel empfindlicher gegen Vibrationen, Oberflächeneffekte und Umgebungsbedingungen.
Ein Lasertracker misst keine vollflächige Punktwolke wie ein Scanner, sondern sehr präzise einzelne 3D-Punkte oder Reflektoren in großen Messvolumina. Damit ist das Verfahren besonders interessant für Montage, Ausrichtung und Großbauteilvermessung.
Für große Strukturen ist der Lasertracker ein wichtiges metrologisches Verfahren, auch wenn er nicht primär ein flächenhafter Konturscanner ist.
Die taktile KMG ist das klassische Referenzverfahren für hochgenaue Geometriemessungen. Ein Taster fährt einzelne Punkte oder Bahnen ab. Das Verfahren ist langsam, aber sehr genau und deshalb als Vergleichs- oder Kalibrierreferenz technisch relevant.
Gerade im Methodenvergleich ist die KMG ein sinnvoller Bezugspunkt zur Einordnung optischer Verfahren.
Großvolumige 3D-Messung
Laufzeit-Laserscanner bestimmen die Entfernung zur Objektoberfläche aus der Laufzeit beziehungsweise der Phasenlage ausgesendeter und empfangener Laserstrahlung. Ein rotierendes optisches System lenkt den Messstrahl über den Raum und erzeugt daraus eine dreidimensionale Punktwolke.
Im Unterschied zu Triangulationssystemen ist kein großer fester Basisabstand zwischen Projektor und Kamera erforderlich. Dadurch lassen sich große Tiefenbereiche, komplexe Geometrien und viele schwer zugängliche Bereiche effizient erfassen.
| Verfahren | Grundprinzip | Stärken | Typische Einsatzbereiche | Grenzen / Hinweise |
|---|---|---|---|---|
| Lichtschnitt | Laserlinie + Kamera, Triangulation | hohe Profilrate, gute lokale Höhenauflösung | Inline-Profile, Kanten, Spalte, Schweißnähte | begrenztes Messfeld, Abschattungen |
| Streifenprojektion | Strukturiertes Licht + Kamera(s), Triangulation | sehr hohe Punktdichte, detailreiche Oberflächen | kleine und mittlere Bauteile, CAD-Vergleich, Reverse Engineering | viele Messfelder bei großen Objekten |
| Photogrammetrie / Stereo Vision | Triangulation aus mehreren Kamerabildern | flexibel, große Messvolumina, kamerabasiert | große Bauteile, flexible Messaufbauten, Dokumentation | abhängig von Kalibrierung und Oberflächenmerkmalen |
| Konfokale Messung | punktuelle Abstandsmessung über Fokus-/Konfokalprinzip | sehr hohe Präzision im Nahbereich | kleine Bauteile, Mikrogeometrie, feine Höhenstrukturen | kleines Messfeld, meist sequenzielle Erfassung |
| Fokusvariation | Höhenbestimmung über Schärfelage | gute Detaildarstellung, Oberflächenstrukturen | Mikrotopografie, kleine Teile, Oberflächenanalyse | eher Nahbereichsverfahren |
| Interferometrie | Auswertung optischer Phaseninformation | extrem hohe Höhenauflösung | Form- und Rauheitsmessung, hochpräzise Oberflächen | empfindlich gegen Vibrationen und Umgebungsbedingungen |
| Lasertracker | hochpräzise Punktmessung in großen Volumina | sehr genaue 3D-Punkte, große Arbeitsbereiche | Montage, Ausrichtung, Großbauteilvermessung | keine dichte Punktwolke wie ein Scanner |
| Laufzeit-Laserscanner | Entfernungsmessung über Laufzeit / Phase | großes Messvolumen, effiziente 3D-Punktwolke | Fahrzeuge, Maschinen, Anlagen, große Bauteile | Registrierung mehrerer Positionen erforderlich |
| Taktile KMG | kontaktierende Punktmessung mit Taster | sehr hohe Genauigkeit | Referenzmessung, Kalibrierung, Einzelmerkmale | langsam, nicht berührungslos, nicht vollflächig |
Keine Methode ist generell die beste. Das geeignete Verfahren ergibt sich aus Messobjektgröße, Geometrie, geforderter Genauigkeit, Detailauflösung, Messzeit und den Oberflächeneigenschaften.
Ein wenige Zentimeter großes Präzisionsteil stellt andere Anforderungen als ein Fahrzeug, Turbinengehäuse oder eine komplette Industrieanlage. Mit wachsender Objektgröße wird die Anzahl notwendiger Messfelder oder Positionen zu einem wichtigen Genauigkeits- und Zeitfaktor.
Die erforderliche absolute Geometriegenauigkeit sollte vor der Auswahl definiert werden. Ein sehr kleines Messrauschen allein garantiert noch keine hohe Genauigkeit über das gesamte Messvolumen.
Kleine Bohrungen, Kanten, Radien oder Oberflächendetails benötigen eine entsprechend hohe Punktdichte und einen kleinen Messpunktabstand.
Tiefe Kavitäten, Hinterschneidungen oder Innenräume können bei Triangulationsverfahren schwer zugänglich sein. Die Scannerposition und Sichtlinie beeinflussen deshalb den real erreichbaren Messumfang.
Bei großen Objekten kann die Registrierung zahlreicher Einzelmessungen mehr Aufwand verursachen als die eigentliche Datenerfassung. Weniger Messpositionen reduzieren typischerweise auch die Fehlerfortpflanzung.
Reflexion, Farbe, Transparenz, Fremdlicht, Vibration und Temperatur können die optische Messung beeinflussen. Diese Randbedingungen sollten bereits bei der Systemauslegung berücksichtigt werden.
Laufzeitverfahren für industrielle 3D-Messung
Für großvolumige Kontur- und Geometriemessungen ist der Surphaser 3D-Laserscanner eine besonders interessante Lösung. Das System kombiniert ein großes Messvolumen mit sehr geringem Messrauschen und hoher geometrischer Genauigkeit.
Je nach Modell stehen Arbeitsbereiche von wenigen Dezimetern bis über 100 m zur Verfügung. Dadurch können sowohl industrielle Bauteile im Meterbereich als auch Fahrzeuge, Maschinen, Turbinengehäuse, Schiffe oder komplette Anlagen erfasst werden.
Geometrische Abweichungen können flächenhaft gegen CAD-Solldaten ausgewertet werden. Typisch sind Maßhaltigkeit, Ebenheit, Verzug oder Formabweichungen.
Bestehende Bauteile ohne aktuelle CAD-Daten werden digitalisiert und als Punktwolke, Polygonnetz oder rekonstruierte Flächen in CAD-Prozesse überführt.
Maschinen, Anlagen und Gebäude können als 3D-Istzustand dokumentiert und für Umbauplanung, Kollisionsprüfung oder As-built-Dokumentation verwendet werden.
Geometrien vor und nach Belastung oder Umbau lassen sich miteinander vergleichen, um bleibende Verformungen und lokale Formänderungen zu bestimmen.
Fahrzeuge, Schienenfahrzeuge, Flugzeuge, Schiffe, große Gussteile und Maschinen erfordern Messsysteme mit großem Arbeitsbereich und effizienter Registrierung.
Punktwolken dienen als reproduzierbare geometrische Dokumentation eines Objekts und können auch Jahre später erneut ausgewertet werden.
Die Auswahl eines geeigneten Messverfahrens hängt von Objektgröße, Geometrie, geforderter Genauigkeit, Detailauflösung und Messzeit ab. Für große und komplexe Geometrien bietet der Surphaser 3D-Laserscanner einen besonders großen Arbeitsbereich bei hoher Punktdichte und geometrischer Genauigkeit.