Entwicklung eines Scannenden-Triangulations-Sensor Systems

Abstract

In vielen industriellen Anwendungen werden zur Qualitätskontrolle punktweise messende optische Sensoren verwendet. Um das Oberflächenprofil des Messobjekts zu erhalten, ist eine laterale Verschiebung des Sensors oder des Messobjekts nötig. Diese relative Bewegung zwischen Objekt und Sensor ist zeitaufwendig und schränkt die erzielbaren Durchsatzzahlen ein. Aufgrund dessen befasst sich diese Arbeit mit der Entwicklung eines scannenden Triangulationssensor Systems, bei dem weder der Sensor noch das Werkstück selbst repositioniert wird. Im ersten Teil wird eine Systemgeometrie vorgestellt, bei welcher der Sendepfad eines Linientriangulationssensors über einen Kippspiegel manipuliert wird. Dadurch entsteht eine rotatorische Scanbewegung, durch welche die gemessene Linienform des Sensors verzerrt wird. Mithilfe von geometrischen Beziehungen kann das Oberflächenprofil aus den gemessenen Daten und den Modellparametern rekonstruiert werden. Die dabei auftretenden unbekannten Modellparameter werden über Referenzmessungen und dem Least-Squares Verfahren bestimmt. Die Validierung des Sensorsystems erfolgt durch Messungen am Laboraufbau. Im zweiten Teil wird eine Systemgeometrie vorgestellt, bei welcher sowohl der Sende- als auch der Empfangspfad des Linientriangulationssensors über den Kippspiegel variiert wird. Da bei dieser Systemgeometrie sowohl die Modellparameter bekannt sind als auch die Abbildungsfehler geringer ausfallen, ergeben sich große Vorteile hinsichtlich des Aufbaus und der Kalibrierung des Messsystems. Der letzte Teil der Arbeit befasst sich mit einer Systemgeometrie, bei welcher anstelle des Liniensensors ein Punktsensor verwendet wird. Dadurch ist es möglich Messungen mit frei vorgebbaren Trajektorien durchzuführen. Um verschiedenen Scantrajektorien folgen zu können, wird sowohl ein Breitband-Regler als auch ein Regler für Lissajous-Trajektorien entworfen. Basis für die Reglerauslegung bildet dabei das mathematische Modell des Kippspiegels, welches aus dem gemessenen Frequenzgang abgeleitet wurde.

In many industrial applications optical point sensors are used for quality control. In order to obtain the surface profile of a measured object, a lateral displacement of the sensor or the measured object is necessary. This relative movement between object and sensor is time consuming and limits the achievable throughput numbers. Therefore, this work deals with the development of a scanning triangulation sensor system in which neither the sensor nor the workpiece itself is repositioned. In the first part, a system geometry is presented in which the transmission path of a line triangulation sensor is manipulated by a tip/tilt mirror. This results in a rotational scanning movement, which distorts the measured line shape of the sensor. Using geometric relations, the surface profile can be reconstructed from the measured data and the model parameters. The unknown model parameters are obtained by means of reference measurements and the least squares method. The sensor system is validated by measurements with a laboratory setup. In the second part, a system geometry is presented in which both the transmission and the receive path of the line triangulation sensor are varied by the tip/tilt mirror. Since the model parameters for this system geometry are known and the imaging errors are smaller, the construction and calibration of the measuring system can be improved. The last part of the thesis deals with a system geometry in which a point sensor is used instead of the line sensor. Thereby, measurements with freely definable trajectories can be achieved. In order to be able to follow different scanning trajectories, a broadband controller as well as a controller for Lissajous trajectories are developed and implemented. The controller design is based on the mathematical model of the tip/tilt mirror, which was derived from the measured frequency response.