DE102021114200B3 - Method and device for determining the sensor quality of a laser light section sensor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Sensorgüte eines Laserlichtschnittsensors in Bezug auf ein Fasermaterial eines Faserverbundwerkstoffes, wobei der Laserlichtschnittsensor zum Erfassen eines Tiefenbildes einer durch das Fasermaterial gebildeten Fasermaterialoberfläche vorgesehen ist, indem mittels eines Linienlasers eine Laserlinie auf das Fasermaterial projiziert und diese projizierte Laserlinie mittels eines optischen Sensors erfasst wird, mit den Schritten:- Projizieren eines Laserpunktes auf die Fasermaterialoberfläche des Fasermaterials mittels eines Punktlasers eines Punktlasersensors;- Aufnehmen des projizierten Laserpunktes und Generieren von digitalen Bilddaten des aufgenommenen Laserpunktes mittels eines optischen Bildsensors des Punktlasersensors;- wobei wenigstens ein Betriebsparameter des Punktlasersensors einem Betriebsparameter des Laserlichtschnittsensors entspricht;- Ermitteln von wenigstens einem Merkmal des projizierten Laserpunktes aus den digitalen Bilddaten des aufgenommenen Laserpunktes mittels einer Auswerteeinheit;- Initialisieren eines Sensormodells des Punktlasersensors in Abhängigkeit von dem wenigstens einem ermittelten Merkmal des projizierten Laserpunktes und den verwendeten Betriebsparametern des Punktlasersensors mittels der Auswerteeinheit; und- Bestimmen der Sensorgüte des Laserlichtschnittsensors in Bezug auf das Fasermaterial in Abhängigkeit von dem initialisierten Sensormodell mittels der Auswerteeinheit.The invention relates to a method for determining the sensor quality of a laser light section sensor in relation to a fiber material of a fiber composite material, the laser light section sensor being provided for detecting a depth image of a fiber material surface formed by the fiber material by using a line laser to project a laser line onto the fiber material and this projected laser line using an optical sensor is detected, with the steps:- Projecting a laser point onto the fiber material surface of the fiber material using a point laser of a point laser sensor;- Recording the projected laser point and generating digital image data of the recorded laser point using an optical image sensor of the point laser sensor;- wherein at least one operating parameter of the point laser sensor corresponds to an operating parameter of the laser light section sensor;- determining at least one feature of the projected laser point from the digit alen image data of the recorded laser point by means of an evaluation unit;- initialization of a sensor model of the point laser sensor as a function of the at least one determined feature of the projected laser point and the operating parameters used of the point laser sensor by means of the evaluation unit; and- determining the sensor quality of the laser light section sensor in relation to the fiber material as a function of the initialized sensor model by means of the evaluation unit.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Sensorgüte eines Laserlichtschnittsensors in Bezug auf ein Fasermaterial eines Faserverbundwerkstoffes, wobei der Laserlichtschnittsensor zum Erfassen eines Tiefenbildes einer durch das Fasermaterial gebildeten Fasermaterialoberfläche vorgesehen ist, indem mittels eines Linienlasers eine Laserlinie auf das Fasermaterial projiziert und diese projizierte Laserlinie mittels eines optischen Sensors erfasst wird. Die Erfindung betrifft ebenso eine Messvorrichtung hierzu.The invention relates to a method for determining the sensor quality of a laser light section sensor in relation to a fiber material of a fiber composite material, the laser light section sensor being provided for detecting a depth image of a fiber material surface formed by the fiber material by using a line laser to project a laser line onto the fiber material and this projected laser line using is detected by an optical sensor. The invention also relates to a measuring device for this purpose.

Aufgrund der gewichtsspezifischen Festigkeit und Steifigkeit von Faserverbundbauteilen, die aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt werden, sind derartige Bauteile aus der Luft- und Raumfahrt sowie aus vielen weiteren Anwendungsgebieten, wie beispielsweise dem Automobilbereich, heutzutage kaum mehr wegzudenken. Bei der Herstellung eines Faserverbundbauteils wird dabei ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial meist unter Temperatur- und Druckbeaufschlagung ausgehärtet und bildet so nach dem Aushärten eine integrale Einheit mit dem Fasermaterial. Die Verstärkungsfasern des Fasermaterials werden hierdurch in ihre vorgegebene Richtung gezwungen und können die auftretenden Lasten in die vor-gegebene Richtung abtragen.Due to the weight-specific strength and rigidity of fiber composite components that are made from a fiber composite material, such components in aerospace and many other areas of application, such as the automotive sector, are nowadays almost indispensable. In the production of a fiber composite component, a matrix material embedding the fiber material is usually cured under the application of temperature and pressure and thus forms an integral unit with the fiber material after curing. The reinforcing fibers of the fiber material are thus forced in their specified direction and can transfer the loads that occur in the specified direction.

Faserverbundwerkstoffe, aus denen derartige Faserverbundbauteile hergestellt werden, weisen in der Regel zwei Hauptbestandteile auf, nämlich zum einen ein Fasermaterial und zum anderen ein Matrixmaterial. Hierneben können noch weitere sekundäre Bestandteile verwendet werden, wie beispielsweise Bindermaterialien oder zusätzliche Funktionselemente, die in das Bauteil integriert werden sollen. Werden für die Herstellung trockene Fasermaterialien bereitgestellt, so wird während des Herstellungsprozesses das Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffes in das Fasermaterial durch einen Infusionsprozess infundiert, durch den das trockene Fasermaterial mit dem Matrixmaterial imprägniert wird. Dies geschieht in der Regel aufgrund einer Druckdifferenz zwischen dem Matrixmaterial und dem Fasermaterial, indem beispielsweise das Fasermaterial mittels einer Vakuumpumpe evakuiert wird. Im Gegensatz hierzu sind auch Faserverbundwerkstoffe bekannt, bei denen das Fasermaterial mit dem Matrixmaterial bereits vorimprägniert ist (sogenannte Prepregs).Fiber composite materials from which such fiber composite components are produced generally have two main components, namely a fiber material on the one hand and a matrix material on the other. In addition, other secondary components can also be used, such as binder materials or additional functional elements that are to be integrated into the component. If dry fiber materials are provided for the production, the matrix material of the fiber composite material is infused into the fiber material by an infusion process during the production process, through which the dry fiber material is impregnated with the matrix material. This usually happens because of a pressure difference between the matrix material and the fiber material, for example by the fiber material being evacuated using a vacuum pump. In contrast to this, fiber composite materials are also known in which the fiber material is already pre-impregnated with the matrix material (so-called prepregs).

Vor dem Aushärten des Matrixmaterials wird in der Regel das Fasermaterial in ein Formwerkzeug eingebracht, das mit seiner formgebenden Werkzeugoberfläche die spätere Bauteilform nachbildet. Dabei können sowohl trockene als auch vorimprägnierte Fasermaterialien in das Formwerkzeug abgelegt bzw. eingebracht werden. Zur Herstellung von großskaligen Strukturbauteilen, wie beispielsweise Flügelschalen von Verkehrsflugzeugen oder Rotorblätter von Windkraftanlagen, werden zur Optimierung des Ablegeverfahrens automatisierte Faserablegeprozesse verwendet, bei denen mithilfe einer Fertigungsanlage und mindestens einem Faserlegekopf ein dem Faserlegekopf zugeführtes quasiendloses Fasermaterial auf dem Werkzeug abgelegt wird. Bei der sogenannten Fiber Placement Technologie werden beispielsweise vorimprägnierte Fasermaterialien bahnweise auf dem Formwerkzeug mithilfe eines derartigen Faserlegekopfes abgelegt. Der Faserlegekopf ist dabei an einem Roboter angeordnet und kann gegenüber dem Formwerkzeug relativ verfahren bzw. bewegt werden. Hierdurch können die einzelnen Faserbahnen auf der Werkzeugoberfläche zuerst bahnweise und dann lagenweise abgelegt werden. Bei der Fiber Placement Technologie werden dabei gleichzeitig mehrere, meist 8, 16 oder 32 schmale Materialstreifen, sogenannte Tows, auf dem Werkzeug abgelegt. Im Gegensatz hierzu werden bei der Fiber Tape Laying Technologie meist breite Faserbahnen, auch Tapes genannt (in der Regel 150 mm, 300 mm oder 600 mm breit mit einer Dicke von wenigen Zehntel Millimeter), mithilfe des Faserlegekopfes auf dem Formwerkzeug abgelegt.Before the matrix material hardens, the fiber material is usually introduced into a mold that reproduces the subsequent component shape with its shaping tool surface. Both dry and pre-impregnated fiber materials can be placed or introduced into the mold. For the production of large-scale structural components, such as wing shells of commercial aircraft or rotor blades of wind turbines, automated fiber laying processes are used to optimize the laying process, in which a production system and at least one fiber laying head are used to lay a quasi-endless fiber material fed to the fiber laying head on the tool. With the so-called fiber placement technology, for example, pre-impregnated fiber materials are placed in webs on the mold using such a fiber laying head. The fiber laying head is arranged on a robot and can be moved or moved relative to the mold. As a result, the individual fiber webs can first be laid down in webs and then in layers on the tool surface. With fiber placement technology, several, usually 8, 16 or 32 narrow material strips, so-called tows, are placed on the tool at the same time. In contrast, with fiber tape laying technology, wide fiber webs, also known as tapes (usually 150 mm, 300 mm or 600 mm wide with a thickness of a few tenths of a millimeter), are laid on the forming tool using the fiber laying head.

Eine solche automatisierte Faserlegeanlage ist beispielsweise aus der DE 10 2010 015 027 A1 bekannt, bei der auf einem umlaufenden Schienensystem mehrere Roboter geführt werden, die jeweils einen Ablegekopf als Endeffektor haben. Mittels einer Faserzuführung werden den Ablegeköpfen kontinuierlich Fasermaterial aus einem Fasermagazin zugeführt, während die einzelnen Roboter mit ihren Ablegeköpfen das ihnen zugeführte Fasermaterial auf einem in der Mitte des umlaufenden Schienensystems vorgesehenen Formwerkzeug ablegen. Mithilfe der Faserlegeköpfe werden somit in dem Formwerkzeug sogenannte Faserlaminate, auch Faserpreformen genannt, hergestellt, bei denen der Prozess des Aushärtens des Matrixmaterials noch nicht stattgefunden hat. Derartige Faserlaminate (auch Faserpreforms genannt) bilden somit das Bauteil in einem Rohzustand vor dem Aushärten des Matrixmaterials ab. Dabei können trockene Fasermaterialen abgelegt werden, die zu einem späteren Zeitpunkt mit einem Matrixmaterial infundiert werden. Hierfür wird ein Vakuumaufbau erstellt, unter dem die trockene Faserpreform eingeschlossen ist, wobei anschließend die trockene Faserpreform evakuiert wird. Denkbar ist aber auch, dass bereits vorimprägnierte Fasermaterialen abgelegt werden, so dass ein Infundieren von Matrixmaterial entfallen kann.Such an automated fiber laying system is, for example, from DE 10 2010 015 027 A1 known in which several robots are guided on a revolving rail system, each of which has a laying head as an end effector. Fiber material is continuously fed to the laying heads from a fiber magazine by means of a fiber feed, while the individual robots place the fiber material supplied to them with their laying heads on a mold provided in the center of the circulating rail system. With the help of the fiber laying heads, so-called fiber laminates, also known as fiber preforms, are produced in the mold, in which the process of curing the matrix material has not yet taken place. Such fiber laminates (also called fiber preforms) thus represent the component in a raw state before the matrix material hardens. In this way, dry fiber materials can be laid down, which are infused with a matrix material at a later point in time. For this purpose, a vacuum structure is created under which the dry fiber preform is enclosed, with the dry fiber preform then being evacuated. However, it is also conceivable that fiber materials that have already been pre-impregnated are laid down, so that an infusion of matrix material can be omitted.

Faserlaminate bzw. Faserpreformen für großskaligen Strukturbauteilen, wie beispielsweise Flügel oder Rotorblätter, bestehen nicht selten aus vielen Einzellagen, die je nach Anwendungsgebiet des Bauteils auch mehr als 100 Lagen umfassen können. Zur Gewährleistung einer hohen Bauteilqualität muss die Anzahl auftretender Prozessfehler bei der Ablage des Fasermaterials minimiert bzw. gänzlich verhindert werden. Das Auftreten von Prozessfehlern bzw. Fertigungsabweichungen mit großem negativen Einfluss auf die Festigkeit der Bauteilstruktur muss nach Möglichkeit vollständig im Prozess erkannt und wünschenswerter Weise auch unterbunden werden.Fiber laminates or fiber preforms for large-scale structural components, such as Wings or rotor blades often consist of many individual layers, which can include more than 100 layers depending on the area of application of the component. In order to ensure high component quality, the number of process errors that occur when laying down the fiber material must be minimized or prevented entirely. The occurrence of process errors or manufacturing deviations with a major negative impact on the strength of the component structure must, if possible, be fully recognized in the process and, if possible, also prevented.

In der Praxis hat sich hierfür oftmals die manuelle Inspektion der Faserlaminate bzw. der Einzellagen etabliert. Je nach Bauteilgröße, Mitarbeiterverfügbarkeit und Fehlerhäufigkeit innerhalb einer Einzellagen werden im Mittel etwa 15 bis 30 Minuten benötigt, die Ablage einer einzigen Faserlage zu untersuchen. Da jedoch die Ablage einer einzelnen Faserlage in der Regel deutlich schneller mithilfe automatisierter Faserlegeanlagen durchgeführt werden kann, wird durch die manuelle Inspektion die Anlageneffizienz deutlich herabgesetzt. So werden bei der Herstellung von Flügelschalen für Kurzstreckenflugzeuge bis zu 400 Einzellagen benötigt, woraus sich aufgrund der manuellen Inspektion ein Anlagenstillstand von 6000 bis 12.000 Minuten pro Bauteil ergibt.In practice, manual inspection of the fiber laminates or the individual layers has often been established for this purpose. Depending on the size of the component, the availability of employees and the frequency of errors within an individual layer, it takes an average of 15 to 30 minutes to examine the placement of a single fiber layer. However, since the laying of a single fiber layer can usually be carried out much more quickly using automated fiber laying systems, the system efficiency is significantly reduced by manual inspection. For example, up to 400 individual layers are required to manufacture wing shells for short-haul aircraft, resulting in a plant downtime of 6,000 to 12,000 minutes per component due to the manual inspection.

Ebenso ist die Inspektion durch einen geschulten Mitarbeiter stark vom Erfahrungsgrad abhängig und darüber hinaus nicht in dem Maße qualitativ ausreichend, wie es die Fertigungstoleranzen eigentlich erfordern. Als Beispiel ist ein zulässiger Abstand zwischen 2 Materialbahnen von 1 mm genannt, der qualitativ nur unter Verwendung von Hilfsmitteln und dies auch nur stichpunktartig untersucht werden kann.Likewise, the inspection by a trained employee is highly dependent on the level of experience and, moreover, is not qualitatively sufficient to the extent that the manufacturing tolerances actually require. As an example, a permissible distance of 1 mm between 2 webs of material is given, which can only be qualitatively examined using tools and this can only be spot-checked.

Aus diesen Gründen ist eine automatisierte Untersuchung abgelegter Faserlagen zur Erkennung von Ablegefehlern wünschenswert, um sowohl qualitativ als auch quantitativ das Erkennen von Oberflächenfehlern abgelegter Fasermaterialien zu verbessern.For these reasons, an automated examination of laid fiber layers to detect laying defects is desirable in order to improve the detection of surface defects in laid fiber materials both qualitatively and quantitatively.

Aus der DE 10 2013 104 546 A1 ist ein Verfahren zum Erkennen von Fehlstellen von auf einer Werkzeugoberfläche abgelegten Faserhalbzeugen bekannt, wobei mithilfe eines Lichtprojektionsverfahrens, bei dem die Oberfläche mit Licht einer Lichtquelle aus einer ersten Richtung beleuchtet und das von der Oberfläche reflektierte Licht aus einer anderen, zweiten Richtung mit einer Kamera aufgenommen wird, ein Höhenprofil der Fasermaterialoberfläche in Abhängigkeit von den aufgenommenen Bilddaten der Kamera erzeugt wird. Anhand dieses Höhenprofils können nun Fehlstellen durch eine Bildauswertung in der Fasermaterialoberfläche erkannt werden.From the DE 10 2013 104 546 A1 a method for detecting defects in semi-finished fiber products placed on a tool surface is known, using a light projection method in which the surface is illuminated with light from a light source from a first direction and the light reflected from the surface is recorded with a camera from another, second direction a height profile of the fiber material surface is generated as a function of the image data recorded by the camera. Based on this height profile, flaws can now be detected by an image evaluation in the fiber material surface.

Aus der DE 10 2013 112 260 A1 ist ebenfalls ein Verfahren zum Erkennen von Fehlstellen mithilfe eines Lichtprojektionsverfahrens bekannt, wobei hierbei die Fasermaterialoberfläche zusätzlich zu dem Licht der Lichtquelle des Lichtprojektionsverfahrens mittels einer Beleuchtungseinheit beleuchtet wird und anschließend zusätzlich zu dem Höhenprofil die Fehlstellen auch in Abhängigkeit einer Intensitätsverteilung des reflektierten Lichtes der Beleuchtungseinheit ermittelt werden.From the DE 10 2013 112 260 A1 a method for detecting defects using a light projection method is also known, in which case the fiber material surface is illuminated by means of a lighting unit in addition to the light from the light source of the light projection method and then, in addition to the height profile, the defects are also determined as a function of an intensity distribution of the reflected light of the lighting unit .

Weiterhin ist aus der DE 10 2013 104 545 A1 ein Verfahren zum Erkennen von Fehlstellen mithilfe eines Lichtprojektionsverfahrens bekannt, wobei hierbei zusätzlich zu der Ermittlung des Höhenprofils die Werkzeugoberfläche oder die abgelegten Fasermaterialien temperiert und anschließend mit einer Thermokamera aufgenommen werden. Basierend auf den Thermographiebildern der Thermographiekamera sowie dem zugrunde liegenden Höhenprofil aus dem Lichtprojektionsverfahren können nun Fehlstellen auf der Fasermaterialoberfläche erkannt werden.Furthermore, from the DE 10 2013 104 545 A1 a method for detecting defects using a light projection method is known, in which case, in addition to determining the height profile, the tool surface or the deposited fiber materials are tempered and then recorded with a thermal camera. Based on the thermographic images of the thermographic camera and the underlying height profile from the light projection process, defects on the fiber material surface can now be detected.

Die oben beispielhaft beschriebenen Qualitätssicherungssysteme, mit denen sich qualitätsbezogene Materialeigenschaften von Fasermaterialien eines Faserverbundwerkstoffes bei der Herstellung eines Faserverbundbauteils ermitteln lassen, basieren grundsätzlich auf der Idee, die Fasermaterialoberfläche mithilfe eines Laserlichtschnittsensors zu erfassen und ein Höhenprofil (Tiefenbild, dargestellt meist in Falschfarben) des abgelegten Fasermaterial zu erstellen, aus dem dann qualitätsbezogene Materialeigenschaft ermittelt werden können.The quality assurance systems described above as examples, with which quality-related material properties of fiber materials of a fiber composite material can be determined during the manufacture of a fiber composite component, are fundamentally based on the idea of capturing the fiber material surface using a laser light section sensor and a height profile (depth image, usually shown in false colors) of the laid fiber material to create, from which quality-related material properties can then be determined.

Bei derartigen Qualitätssicherungssystemen, mit denen sich die Ablagequalität von abgelegten Fasermaterialien insbesondere innerhalb eines Faserlegeprozesse während der Faserablage (sogenannte Inline Qualitätssicherung) bestimmen lässt, besteht das Bedürfnis, die Güte bzw. Genauigkeit des Qualitätssicherungssystems im Vorhinein abschätzen zu können. Für strukturkritische Bereiche besteht zudem die Anforderung eines Nachweises für die Funktionsfähigkeit des Qualitätssicherungssystems, damit auf eine manuelle Inspektion der hergestellten Faserlaminate verzichtet werden kann. Dabei ist der Nachweis der prozesssicheren Detektion notwendig, um insbesondere in der Luftfahrt eine automatisierte Ablage von Fasermaterial und automatisierte Qualitätssicherung abgelegter Fasermaterialen zertifizierbar zu machen.With quality assurance systems of this type, with which the laying quality of laid fiber materials can be determined in particular within a fiber laying process during fiber laying (so-called inline quality assurance), there is a need to be able to assess the quality or accuracy of the quality assurance system in advance. For structurally critical areas, there is also a requirement for proof of the functionality of the quality assurance system, so that manual inspection of the fiber laminates produced can be dispensed with. Proof of process-reliable detection is necessary in order to make automated depositing of fiber material and automated quality assurance of deposited fiber material certifiable, particularly in aviation.

Aus der nachveröffentlichten DE 10 2020 103 067 A1 ist Verfahren zum Verifizieren eines automatisierten Qualitätssicherungssystems zum Erfassen wenigstens einer qualitätsbezogenen Materialeigenschaft abgelegter Fasermaterialien eines Faserverbundwerkstoffes zur Herstellung eines Faserverbundbauteils bekannt, wobei das zu verifizierende Qualitätssicherungssystem Messdaten einer Fasermaterialoberfläche des abgelegten Fasermaterials mittels zumindest eines Sensors einer ersten Aufnahmesensorik erfasst, aus den Messdaten eine Mehrzahl von Messdatenmerkmalen mittels einer Ermittlungseinheit ermittelt und aus den Messdatenmerkmalen mittels einer Auswerteeinheit die wenigstens eine qualitätsbezogene Materialeigenschaft erkennt. Dabei werden verschiedene Messreihen mit verschiedenen Messvorrichtungen an einer Fasermaterialprobe durchgeführt, wobei mittels einer bereitgestellten, maschinell gelernten Korrelation von Messdaten der verschiedenen Messvorrichtungen das zu verifizierenden Qualitätssicherungssystems hinsichtlich seiner Messqualität verifiziert werden kann. Aus der DE 10 2017 116 036 A1 ist ein Verfahren zum Erkennen von Fehlstellen von auf einem Werkzeug abgelegten Fasermaterialien bekannt, wobei ein Höhenprofil mithilfe eines Laserlichtschnittsensors ermittelt und dann basierend auf dem Höhenprofil Fehlstellen erkannt werden. Hierbei wird zunächst eine Vorabanalyse durchgeführt, bei der einzelnen Teilbereiche statistisch ausgewertet werden, um potentielle Fehlerbereiche zu erkennen.From the post-published DE 10 2020 103 067 A1 is a procedure for verifying an automated quality assurance system Systems for detecting at least one quality-related material property of deposited fiber materials of a fiber composite material for the production of a fiber composite component are known, wherein the quality assurance system to be verified records measurement data of a fiber material surface of the deposited fiber material by means of at least one sensor of a first recording sensor system, determines a plurality of measurement data features from the measurement data by means of a determination unit and from the measurement data characteristics by means of an evaluation unit which recognizes at least one quality-related material property. Various series of measurements are carried out on a fiber material sample using different measuring devices, with the quality assurance system to be verified being able to be verified with regard to its measurement quality by means of a provided, machine-learned correlation of measurement data from the different measuring devices. From the DE 10 2017 116 036 A1 a method for detecting flaws in fiber materials deposited on a tool is known, with a height profile being determined using a laser light section sensor and flaws then being identified based on the height profile. First of all, a preliminary analysis is carried out in which individual sub-areas are statistically evaluated in order to identify potential error areas.

Aus der EP 3 770 547 A1 ist eine Vorrichtung zur Analyse und Bewertung von Steinen bekannt, wobei mithilfe eines Punktscanner, der einen Laserpunkt auf die Steine projiziert, die Höhe mindestens eines Steines erfasst wird.From the EP 3 770 547 A1 a device for analyzing and evaluating stones is known, the height of at least one stone being recorded using a point scanner that projects a laser point onto the stones.

Aus der JPH 11 - 321 650 A ist ein System bekannt, um einen optimalen Ort zum Positionieren eines Infrastrukturgerätes für die Überwachung im Schienenverkehr zu finden. Dabei wird das Gleisbett mithilfe eines Linienlasers gescannt.A system is known from JPH 11-321 650 A for finding an optimal location for positioning an infrastructure device for monitoring rail traffic. The track bed is scanned using a line laser.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung anzugeben, mit der die Sensorqualität eines Lichtschnittsensors bei der Qualitätssicherung von Fasermaterial eines Faserverbundwerkstoffes einfach und schnell ermittelbar ist.It is the object of the present invention to specify an improved method and an improved device with which the sensor quality of a light section sensor can be determined easily and quickly in the quality assurance of fiber material of a fiber composite material.

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.The object is achieved with the method according to claim 1 according to the invention. Advantageous configurations of the invention can be found in the corresponding subclaims.

Gemäß Anspruch 1 wird ein Verfahren zum Bestimmen der Sensorgüte eines Laserlichtschnittsensors in Bezug auf ein Fasermaterial eines Faserverbundwerkstoffes beansprucht, wobei der Laserlichtschnittsensor zum Erfassen eines Tiefenbildes einer durch das Fasermaterial gebildeten Fasermaterialoberfläche vorgesehen ist, indem mittels eines Linienlasers eine Laserlinie auf das Fasermaterial projiziert und diese projizierte Laserlinie mittels eines optischen Sensors erfasst wird. Wie aus dem Stand der Technik bekannt, wird dabei die Laserlinie durch den Linienlaser aus einer ersten Richtung auf das Fasermaterial projiziert, während die Aufnahmerichtung, aus der die Laserlinie auf dem Fasermaterial durch den optischen Sensor des Lichtschnittsensors aufgenommen wird, von der Projektionseinrichtung der Laserlinie verschieden ist. Hierdurch wird die dreidimensionale Oberflächenstruktur der Fasermaterialoberfläche aufgrund einer Verzerrung der Laserlinie sichtbar und lässt sich durch den optischen Sensor aufnehmen. Mithilfe einer Recheneinheit lässt sich dann ein entsprechendes Höhenprofil bzw. Tiefenbildes erstellen, mit dem die dreidimensionale Oberflächenstruktur sichtbar wird. Dabei wird die Tiefeninformation in der Regel durch einen entsprechenden Farbwert an der jeweiligen Position dargestellt.According to claim 1, a method for determining the sensor quality of a laser light section sensor in relation to a fiber material of a fiber composite material is claimed, the laser light section sensor being provided for detecting a depth image of a fiber material surface formed by the fiber material by using a line laser to project a laser line onto the fiber material and projecting it Laser line is detected by an optical sensor. As is known from the prior art, the laser line is projected onto the fiber material by the line laser from a first direction, while the recording direction from which the laser line on the fiber material is recorded by the optical sensor of the light section sensor differs from the projection device of the laser line is. As a result, the three-dimensional surface structure of the fiber material surface becomes visible due to a distortion of the laser line and can be recorded by the optical sensor. A corresponding height profile or depth image can then be created with the aid of a computing unit, with which the three-dimensional surface structure becomes visible. In this case, the depth information is usually represented by a corresponding color value at the respective position.

Um nun die Sensorgüte eines solchen Laserlichtschnittsensors in Bezug auf ein bestimmtes Fasermaterial eines Faserverbundwerkstoffes, welches mit dem Laserlichtschnittsensor erfasst werden soll, zu bestimmen, wird zunächst ein Laserpunkt auf die Fasermaterialoberfläche des Fasermaterials mittels eines Punktlasers projiziert. Anschließend wird der so projizierte Laserpunkt mithilfe eines Bildsensors aufgenommen und entsprechende den digitalen Bilddaten des aufgenommenen Laserpunkts generiert. Diese so generierten digitalen Bilddaten stellen dabei eine zweidimensionale Abbildung des auf die Fasermaterialoberfläche projizierten Laserpunkts dar, wobei die Aufnahmerichtung vorzugsweise orthogonal zur Fasermaterialoberfläche ist. Die digitalen Bilddaten können dabei neben der Form des projizierten Laserpunkts auch eine Tiefeninformationen enthalten, die beispielsweise die Rückstrahlintensität bzw. den Intensitätsgrad der Reflexion an der jeweiligen Stelle des Laserpunkts farblich kodiert.In order to determine the sensor quality of such a laser light section sensor in relation to a specific fiber material of a fiber composite material that is to be detected with the laser light section sensor, a laser point is first projected onto the fiber material surface of the fiber material using a point laser. The laser point projected in this way is then recorded using an image sensor and corresponding digital image data of the recorded laser point is generated. The digital image data generated in this way represents a two-dimensional image of the laser point projected onto the surface of the fiber material, with the recording direction preferably being orthogonal to the surface of the fiber material. In addition to the shape of the projected laser point, the digital image data can also contain depth information that color-codes, for example, the reflected beam intensity or the degree of intensity of the reflection at the respective location of the laser point.

Dabei ist vorgesehen, dass der Wert wenigstens ein Betriebsparameter des Punktlasersensors demjenigen des Laserlichtschnittsensors entspricht. So kann beispielsweise die Belichtungszeit des Laserlichtschnittsensors als ein Betriebsparameter der Belichtungszeit des Punktlasersensors entsprechen bzw. mit diesem identisch sein, sodass dieselbe Messgrundlage geschaffen wird. Auch die Beleuchtungsstärke bzw. Beleuchtungsintensität des Laserlichtschnittsensors als ein Betriebsparameter kann mit der Beleuchtungsstärke bzw. Beleuchtungsintensität des. Ländersensors übereinstimmen bzw. dieser entsprechen. Dabei sind auch bei denkbar, dass mehrere Betriebsparameter oder alle Betriebsparameter des Laserlichtschnittsensors hinsichtlich seiner eingestellten Werte auf dem Punktlasersensor übertragen werden bzw. den dortigen Werten entsprechen.It is provided that the value of at least one operating parameter of the point laser sensor corresponds to that of the laser light section sensor. For example, the exposure time of the laser light section sensor as an operating parameter can correspond to or be identical to the exposure time of the point laser sensor, so that the same measurement basis is created. The illuminance or illumination intensity of the laser light section sensor as an operating parameter can also match or correspond to the illuminance or illumination intensity of the country sensor. It is also conceivable that several operating parameters or all operating parameters of the laser light section sensor with regard to their set values on the point laser sensor are transferred or correspond to the values there.

Aus den so aufgenommenen digitalen Bilddaten wird nun wenigstens ein Merkmal des projizierten Laserpunkts mithilfe einer Auswerteeinheit ermittelt, indem die digitalen Bilddaten einer Bildauswertung unterzogen werden. Die aus den digitalen Bilddaten extrahierten Merkmale des projizierten Laserpunkts betreffen dabei Eigenschaften des von der Fasermaterialoberfläche reflektierten Laserpunkts, wie beispielsweise die Rückstrahlintensität oder die Form des Laserpunktes auf der Fasermaterialoberfläche. Denn anders als bei homogenen Werkstoffen wird bei der Verwendung von Fasermaterial, insbesondere vorimprägnierten Fasermaterial (sogenannte Prepregs), nur etwa 2 bis 3 % des Laserlichtes in Richtung des optischen Sensors reflektiert.At least one feature of the projected laser point is now determined from the digital image data recorded in this way with the aid of an evaluation unit by subjecting the digital image data to an image evaluation. The features of the projected laser point extracted from the digital image data relate to properties of the laser point reflected by the surface of the fiber material, such as the reflected beam intensity or the shape of the laser point on the surface of the fiber material. In contrast to homogeneous materials, when using fiber material, in particular pre-impregnated fiber material (so-called prepregs), only about 2 to 3% of the laser light is reflected in the direction of the optical sensor.

Aus diesem wenigstens einem Merkmal, vorzugsweise mehreren Merkmalen, sowie den verwendeten Betriebsparametern des Punktlasersensors wird nun ein Sensormodell des Punktlasersensors initialisiert, welches die aus der reflektierten Strahlung resultierende Signalqualität des Punktlasersensors beschreibt. Hierdurch lässt sich die Strahlausbreitung im Faserverbundmaterial charakterisieren, wobei implizit die Streu- und Reflexionseigenschaft des Fasermaterials berücksichtigt werden.A sensor model of the point laser sensor, which describes the signal quality of the point laser sensor resulting from the reflected radiation, is now initialized from this at least one feature, preferably a plurality of features, and the operating parameters of the point laser sensor used. This allows the beam propagation in the fiber composite material to be characterized, with the scattering and reflection properties of the fiber material being implicitly taken into account.

Ein solches Sensormodell lässt sich dabei auf den Laserlichtschnittsensor übertragen, sodass aus diesem Sensormodell die Sensorgüte des Laserlichtschnittsensors abgeleitet werden kann. Aufgrund der Tatsache, dass insbesondere die relevanten Betriebsparameter des Laserlichtschnittsensors auf den Punktlasersensor übertragen wurden und mit denen übereinstimmen, kann mithilfe des Laserpunkts und dem vorgestellten Verfahren die Sensorgüte des Laserlichtschnittsensors bestimmt werden. Damit lässt sich sowohl im Vorfeld als auch zur späteren Dokumentationszwecken feststellen, wie gut die Signalqualität bzw. Datenqualität des Laserlichtschnittsensors in Bezug auf die untersuchte Fasermaterial Oberfläche ist, wodurch im Herstellungsprozess eines Faserverbundbauteils festgestellt werden kann, ob die Sensorgüte des Laserlichtschnittsensors für eine prozesssicheren Detektion von Fehlstellen auf der Fasermaterialoberfläche ausreichend ist.Such a sensor model can be transferred to the laser light section sensor, so that the sensor quality of the laser light section sensor can be derived from this sensor model. Due to the fact that the relevant operating parameters of the laser light section sensor in particular were transferred to the point laser sensor and match them, the sensor quality of the laser light section sensor can be determined using the laser point and the method presented. This makes it possible to determine both in advance and for later documentation purposes how good the signal quality or data quality of the laser light section sensor is in relation to the examined fiber material surface, which means that it can be determined in the manufacturing process of a fiber composite component whether the sensor quality of the laser light section sensor is suitable for a process-reliable detection of Flaws on the fiber material surface is sufficient.

Es wurde dabei erkannt, dass mithilfe eines Laserpunkts ein Sensormodell des Punktlasersensors derart erstellt werden kann, dass sich daraus die Sensorgüte des Sensors ableiten lässt, wobei ein solches Sensormodell eines Punktlasersensors auf einen Laserlichtschnittsensor insoweit übertragbar ist, als dass sich daraus die Sensorgüte des Laserlichtschnittsensors prozesssicher ableiten lässt. Dadurch wird es möglich, derartigen Qualitätssicherungssystemen, die mithilfe eines Laserlichtschnittsensors den Ablegeprozess des Fasermaterials bei der Herstellung von großskaligen Faserverbund-Bauteilen überwachen und dokumentieren, insbesondere für die Luftfahrt zu zertifizieren und somit auf die händische Bauteilinspektion zu verzichten.It was recognized that a laser point can be used to create a sensor model of the point laser sensor in such a way that the sensor quality of the sensor can be derived from it, with such a sensor model of a point laser sensor being transferrable to a laser light section sensor to the extent that the sensor quality of the laser light section sensor can be reliably derived from it can be deduced. This makes it possible to certify such quality assurance systems, which use a laser light section sensor to monitor and document the laying process of the fiber material during the manufacture of large-scale fiber composite components, in particular for aviation, and thus to dispense with manual component inspection.

Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Betriebsparameter ein Projektionsparameter, insbesondere die Beleuchtungsstärke, und/oder ein Aufnahmeparameter, insbesondere die Belichtungszeit, sind.According to one embodiment, it is provided that the operating parameters are a projection parameter, in particular the illuminance, and/or a recording parameter, in particular the exposure time.

So hat die Belichtungszeit Einfluss darauf, wie detailliert und präzise das Tiefenbild bzw. das Höhenprofil aufgebaut werden kann, sodass bei Verifizierung einer hinreichenden Belichtungszeit am Punktlasersensor auch beim Laserlichtschnittsensor sichergestellt werden kann, dass das Höhenprofil zur Qualitätssicherung prozesssicher erkannt wird. Auch die Beleuchtungsstärke des jeweiligen Lasers hat Einfluss auf die Aufnahmequalität und kann mithilfe des vorliegenden Verfahrens dahingehend verifiziert werden, dass mit Hinblick auf das zu verwendende Fasermaterial und die dadurch beeinflussenden Streu- und Reflexionseigenschaften sowie Strahlausbreitung eine prozesssichere Beleuchtungsstärke mithilfe des vorliegenden Verfahrens verifiziert werden kann.The exposure time has an influence on how detailed and precise the depth image or the height profile can be built up, so that when verifying a sufficient exposure time on the point laser sensor, it can also be ensured with the laser light section sensor that the height profile is reliably detected for quality assurance. The illuminance of the respective laser also has an influence on the recording quality and can be verified with the help of the present method in such a way that with regard to the fiber material to be used and the thereby influencing scattering and reflection properties as well as beam propagation, a process-reliable illuminance can be verified using the present method.

Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass aus den digitalen Bilddaten des aufgenommenen Laserpunktes eine Rückstrahlintensität, eine Kenngröße für die zweidimensionale Form des projizierten Laserpunktes, eine Streueigenschaft, eine Reflexionseigenschaft und/oder eine Strahlausbreitungseigenschaft als Merkmale des projizierten Laserpunktes ermittelt werden.According to one embodiment, it is provided that from the digital image data of the recorded laser point, a reflection intensity, a parameter for the two-dimensional shape of the projected laser point, a scattering property, a reflection property and/or a beam propagation property are determined as features of the projected laser point.

So kann das in aufgenommenen digitalen Bilddaten beispielsweise die Rückstrahlintensität ermittelt werden, wenn in den digitalen Bilddaten neben der 2-dimensionalen Form des projizierten Laserpunktes auch Rückstrahleigenschaften an verschiedenen Punkten des Laserpunktes enthalten sind, beispielsweise in Form von farblichen Codierungen (Falschfarbenbild). Dieser Rückstrahlintensität lässt sich dabei statistisch bearbeiten, umso beispielsweise einen maximalen Intensitätswert zu approximieren. Dieser kann dann mit Betriebsparametern des Sensors verglichen werden, um so festzustellen, ob der jeweilige Sensor innerhalb des optimalen Parameterbereiches arbeitet.For example, the return intensity can be determined in recorded digital image data if the digital image data contains not only the 2-dimensional shape of the projected laser point but also return properties at different points of the laser point, for example in the form of color coding (false color image). This return beam intensity can be processed statistically in order to approximate a maximum intensity value, for example. This can then be compared with the operating parameters of the sensor in order to determine whether the respective sensor is operating within the optimum parameter range.

Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Sensorgüte des Laserlichtschnittsensors in Bezug auf das Fasermaterial in Abhängigkeit von einem Vergleich der zweidimensionalen Form des projizierten Laserpunktes mit einer zweidimensionalen Referenzform eines Laserpunktes bestimmt wird.According to one embodiment, it is provided that the sensor quality of the laser light section sensor in relation to the fiber material is dependent on a comparison of the two-dimensional shape of the projected laser point is determined using a two-dimensional reference shape of a laser point.

So ist es beispielsweise denkbar, dass die 2-dimensionale Referenzform des Laserpunktes mithilfe einer gaußförmigen Annäherung und gegebenenfalls den damit einhergehenden Kenngrößen beschrieben wird, wobei Abweichungen von dieser 2-dimensionalen Referenzform Einfluss auf die Sensorgüte haben. Die Einflüsse hierbei liegen unter anderem in dem Fasermaterial und gegebenenfalls dem darin enthaltenen Matrixmaterial im Zusammenhang mit den eingestellten Betriebsparametern des Sensors begründet.For example, it is conceivable that the 2-dimensional reference shape of the laser point is described using a Gaussian approximation and possibly the associated parameters, with deviations from this 2-dimensional reference shape affecting the sensor quality. The influences here are based, among other things, on the fiber material and possibly the matrix material contained therein in connection with the set operating parameters of the sensor.

Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass als Merkmal des projizierten Laserpunktes ein maximaler Rückstrahlintensitätswert ermittelt wird, wobei die Sensorgüte des Laserlichtschnittsensors in Bezug auf das Fasermaterial in Abhängigkeit von einem Vergleich des ermittelten maximalen Rückstrahlintensitätswertes mit einem Sättigungswertebereich des optischen Sensors des Laserlichtschnittsensors bestimmt wird.According to one embodiment, it is provided that a maximum reflected light intensity value is determined as a feature of the projected laser point, with the sensor quality of the laser light section sensor in relation to the fiber material being determined as a function of a comparison of the determined maximum reflected light intensity value with a saturation value range of the optical sensor of the laser light section sensor.

Wie bereits erwähnt, kann dieser maximale Rückstrahlintensitätswert (kurz Intensitätswert) direkt aus den digitalen Bilddaten abgeleitet werden, statistisch nach bearbeitet werden oder aus den digitalen Bilddaten statistisch approximiert werden. Es wurde erkannt, dass ein solcher Maximalwert, insbesondere statistisch approximiert, im Sättigung-Wertbereich des Sensors liegen sollte, um eine besonders hohe Sensorgüte feststellen zu können.As already mentioned, this maximum return beam intensity value (intensity value for short) can be derived directly from the digital image data, can be post-processed statistically, or can be statistically approximated from the digital image data. It was recognized that such a maximum value, in particular statistically approximated, should be in the saturation value range of the sensor in order to be able to determine a particularly high sensor quality.

Gemäß einer Auskunft vorgesehen, dass mehrere Messdurchgänge durchgeführt werden, wobei bei jedem Messdurchgang die Schritte des Projizierens eines Laserpunktes, des Aufnehmens des Laserpunktes sowie des Ermittelns wenigstens eines Merkmals ausgeführt werden und wobei die aus den Messdurchgängen ermittelten Merkmale zum Initialisieren des Sensormodell genutzt werden.According to one piece of information, it is provided that several measurement runs are carried out, with the steps of projecting a laser point, recording the laser point and determining at least one feature being carried out in each measurement run, and the features determined from the measurement runs being used to initialize the sensor model.

Hierbei werden mithilfe des Punktlasersensors eine Vielzahl von Messdurchgängen durchgeführt, wobei nach jedem Messdurchgang die entsprechenden Merkmale aus den digitalen Bilddaten extrahiert und zur Initialisierung des Sensormodells genutzt werden. Dabei können aus den ermittelten Merkmalen bzw. den daraus resultierenden Daten zur Initialisierung des Sensormodells entsprechende statistische Werte ermittelt werden, die dann als abgeleitete Daten bzw. Merkmale zur Initialisierung des Sensormodells genutzt werden. Statistische Verfahren wie Standardabweichung (insbesondere gleicher Faserorientierung) sowie gaußförmige Approximation können hier beispielhaft genannt sein.A large number of measurement runs are carried out using the point laser sensor, with the corresponding features being extracted from the digital image data after each measurement run and used to initialize the sensor model. Corresponding statistical values can be determined from the determined features or the data resulting therefrom for initializing the sensor model, which are then used as derived data or features for initializing the sensor model. Statistical methods such as standard deviation (in particular the same fiber orientation) and Gaussian approximation can be mentioned here as an example.

Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass wenigstens zwei Messdurchgänge für verschiedene Faserorientierungen des Fasermaterials durchgeführt werden und/oder dass mehrere Messdurchgänge für dieselbe Faserorientierung des Fasermaterials durchgeführt werden.According to one embodiment it is provided that at least two measurement runs are carried out for different fiber orientations of the fiber material and/or that several measurement runs are carried out for the same fiber orientation of the fiber material.

Durch die Variation der Faserorientierung bei den Messdurchgängen kann insbesondere auf unterschiedlichen Rückstrahleigenschaften und Charakteristiken basierend auf der Faserorientierung Rücksicht genommen werden. Damit fließt auf die Faserorientierung in die Bewertung der Sensorgüte mit ein.By varying the fiber orientation during the measurement runs, it is possible in particular to take account of different retroreflective properties and characteristics based on the fiber orientation. This means that the fiber orientation is included in the evaluation of the sensor quality.

Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit der Messvorrichtung zum Bestimmen der Sensorgüte eines Laserlichtschnittsensors in Bezug auf ein Fasermaterial eines Faserverbundwerkstoffes gemäß Anspruch 8 erfindungsgemäß gelöst, wobei die Messvorrichtung einen Punktlasersensor mit einem Punktlaser und einem optischen Bildsensor sowie eine mit dem Punktlasersensor verbundene Auswerteeinheit hat, wobei die Messvorrichtung zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist.The object is also achieved according to the invention with the measuring device for determining the sensor quality of a laser light section sensor in relation to a fiber material of a fiber composite material according to claim 8, wherein the measuring device has a point laser sensor with a point laser and an optical image sensor as well as an evaluation unit connected to the point laser sensor, wherein the measuring device is set up to carry out the method described above.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

• 1 schematische Darstellung eines Ablegekopfes mit einem Laserlichtschnittsensor im Nachlauf;
• 2 schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Messaufbaus;
• 3 Darstellung eines aufgenommenen Laserpunktes.

The invention is explained in more detail by way of example on the basis of the attached figures. Show it:

• 1 schematic representation of a laying head with a laser light section sensor in the wake;
• 2 schematic representation of the measurement setup according to the invention;
• 3 Representation of a recorded laser point.

1 zeigt das aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren zur Aufnahme eines Höhenprofils mittels eines Laserlichtschnittsensors 5 im Nachlauf eines Ablegekopfes 1, der am unteren Ende eine Anpressrolle 2 aufweist, mit der ein flächiges Faserhalbzeug 3 auf einer formgebenden Werkzeugoberfläche 4 abgelegt werden soll. Die abzulegenden Faserhalbzeuge können dabei trockene Rovings bzw. Tows sein, aber auch vorimprägnierte Prepregs. 1 shows the method known from the prior art for recording a height profile using a laser light section sensor 5 following a laying head 1, which has a pressure roller 2 at the lower end, with which a flat semi-finished fiber product 3 is to be laid on a shaping tool surface 4. The semi-finished fiber products to be laid can be dry rovings or tows, but also pre-impregnated prepregs.

Im Nachlauf des Ablegekopfes 1 ist an dem Ablegekopf 1 ein Laserlichtschnittsensor 5 angeordnet. Mit Hilfe einer Laserlichtquelle 6 wird eine Laserlichtlinie 7 auf den bereits abgelegten Teil des Faserhalbzeuges 3 projiziert. Die Projektion des Laserlichtes in Form einer Laserlichtlinie 7 auf das Faserhalbzeug 3 erfolgt dabei aus einer ersten Richtung.A laser light section sensor 5 is arranged on the laying head 1 downstream of the laying head 1 . With the aid of a laser light source 6, a laser light line 7 is projected onto the part of the semi-finished fiber product 3 that has already been laid down. The projection of the laser light in the form of a laser light line 7 onto the semi-finished fiber product 3 takes place from a first direction.

Der Laserlichtschnittsensor 5 weist des Weiteren eine Kamera 8 auf, die in einem definierten Abstand zu der Laserlichtquelle 6 angeordnet ist und die auf das Faserhalbzeug 3 projizierte Laserlichtlinie 7 aus einer anderen zweiten Richtung unter einem vorgegebenen und definierten Winkel aufnimmt.The laser light section sensor 5 also has a camera 8 which is arranged at a defined distance from the laser light source 6 and picks up the laser light line 7 projected onto the semi-finished fiber product 3 from a different, second direction at a predetermined and defined angle.

Die Kamera 8 des Lichtschnittsensors 5 ist mit einer Bildauswerteeinheit 9 verbunden, die nun in Abhängigkeit der aufgenommenen Bilddaten und dem aus der Laserlichtlinie 7 reflektierten Lichtes ein entsprechendes Höhenprofil ermittelt. Da der Ablegekopf 1 zusammen mit dem Lichtschnittsensor 5 kontinuierlich auf der Werkzeugoberfläche 4 verfahren wird, ergeben sich eine Vielzahl von Bilddaten. Die Bilddaten und/oder die aus den Bilddaten ermittelten Höhenprofile pro Zeitpunkt lassen sich dann in einer Datenbank 9a abspeichern, so dass sich ein vollständiges dreidimensionales Höhenprofil bzw. Oberflächenstruktur der Oberfläche des Faserhalbzeuges 3 ergibt.The camera 8 of the light section sensor 5 is connected to an image evaluation unit 9 which now determines a corresponding height profile as a function of the recorded image data and the light reflected from the laser light line 7 . Since the placement head 1 is moved continuously on the tool surface 4 together with the light section sensor 5, a large number of image data results. The image data and/or the height profiles determined from the image data per point in time can then be stored in a database 9a so that a complete three-dimensional height profile or surface structure of the surface of the semi-finished fiber product 3 results.

Darüber hinaus lassen sich mit Hilfe der Bildauswerteeinheit 9 aus den Höhenprofilen die entsprechenden charakteristischen Fehlstellen ableiten, so dass während des Ablegens der Faserhalbzeuge 3 auf der Werkzeugoberfläche 4 sich gleich die Qualitätssicherung des Ablegeprozesses in Echtzeit anschließt.In addition, the corresponding characteristic flaws can be derived from the height profiles with the aid of the image evaluation unit 9, so that while the semi-finished fiber products 3 are being laid down on the tool surface 4, the quality assurance of the laying process follows in real time.

2 zeigt eine Messvorrichtung 10, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Bestimmen der Sensorgüte des aus der 1 bekannten Laserlichtschnittsensors 5 eingerichtet ist. Hierzu wird das auf das Werkzeug 4 abgelegte Fasermaterial 3, welches auch mit dem Laserlichtschnittsensor 5 erfasst werden soll, mithilfe eines Punktlasersensors 11 erfasst und die entsprechenden Daten ausgewertet. 2 shows a measuring device 10, according to the inventive method for determining the sensor quality of the 1 known laser light section sensor 5 is set up. For this purpose, the fiber material 3 placed on the tool 4, which is also intended to be detected with the laser light section sensor 5, is detected using a point laser sensor 11 and the corresponding data is evaluated.

Der Punktlasersensor 11 weist einen Punktlaser 12 auf, der einen Laserpunkt 13 auf die Oberfläche des Fasermaterials 3 projiziert. Die Projektionsrichtung des Laserpunktes 13 erfolgt dabei insbesondere orthogonal zu der Oberfläche des Fasermaterials 3, um Verzerrungen aufgrund der Projektionsrichtungen zu vermeiden.The point laser sensor 11 has a point laser 12 which projects a laser point 13 onto the surface of the fiber material 3 . The projection direction of the laser point 13 is in particular orthogonal to the surface of the fiber material 3 in order to avoid distortions due to the projection directions.

Dieser auf die Oberfläche des Fasermaterials 3 projizierte Laserpunktes 13 wird nun mithilfe einer Kamera 14 des Punktlasersensors 11 aufgenommen und entsprechende digitalen Bilddaten generiert. Diese digitalen Bilddaten des aufgenommenen Laserpunktes 13 werden dann an einer Auswerteeinheit 15 übertragen, welche die Merkmale des projizierten Laserpunktes 13 extrahiert, das entsprechende Sensormodell initialisiert und die Sensorgüte aus dem initialisierten Sensormodell bestimmt. 3 zeigt dabei einen auf die Oberfläche eines Fasermaterials projizierten und durch die Kamera 14 aufgenommenen Laserpunktes 13.This laser point 13 projected onto the surface of the fiber material 3 is now recorded using a camera 14 of the point laser sensor 11 and corresponding digital image data is generated. This digital image data of the recorded laser point 13 is then transmitted to an evaluation unit 15, which extracts the features of the projected laser point 13, initializes the corresponding sensor model and determines the sensor quality from the initialized sensor model. 3 shows a laser point 13 projected onto the surface of a fiber material and recorded by camera 14.

Dieser einfache Aufbau bietet die Möglichkeit, die aus der reflektierten Strahlung resultierende Signalqualität zu beschreiben. Das erfindungsgemäße Verfahren berücksichtigt hierbei implizit die Streu- und Reflexionseigenschaften des Fasermaterials sowie darüber hinaus implizit die Strahlausbreitung im Faserverbund Material. Das erfindungsgemäße Verfahren gibt Aufschluss über die einzelnen Einfluss auf die Signalqualität des resultierenden Tiefenbildes, wobei eine Rückführung auf konkrete optischen Messgrößen weder notwendig noch gewünscht sind.This simple structure offers the possibility of describing the signal quality resulting from the reflected radiation. The method according to the invention implicitly takes into account the scattering and reflection properties of the fiber material and also implicitly the beam propagation in the fiber composite material. The method according to the invention provides information about the individual influences on the signal quality of the resulting depth image, with a return to specific optical measurement variables being neither necessary nor desirable.

Bei der Bewertung der Signalqualität wird das direkte, aufgezeichnete Kamerabild des Punktlasers verwendet. Dieses zeigt den vom Fasermaterial reflektierten Laserpunkt. Durch die Strahlausbreitung im Faserverbund Material resultiert ein Top-Hat förmig ausgeprägtes Profil im Kamerabild. Zur Charakterisierung der Strahlausbreitung im Faserverbund Material wird die Strahlausbreitung nach der folgenden Gleichung beschrieben: $$\begin{array}{l}{p}_{b,m}\left(t_{exp},E_{la,\sigma },p_1,p_2\right)\\ =p_1\cdot ln\left(E_{la,\sigma }\cdot t_{exp}\right)+p_2\end{array}$$

The direct, recorded camera image of the point laser is used to evaluate the signal quality. This shows the laser point reflected by the fiber material. The beam propagation in the fiber composite material results in a top-hat-shaped profile in the camera image. To characterize the beam propagation in the fiber composite material, the beam propagation is described according to the following equation: $$\begin{array}{l}{p}_{b,m}\left(t_{exp},E_{la,\sigma },p_1,p_2\right)\\ =p_1\cdot ln\left(E_{la,\sigma }\cdot t_{exp}\right)+{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="p"\; filenames="DE102021114200B3\_0002.png"\; state="\{\{state\}\}">p</figure-callout>}}_2\end{array}$$

Diese ist von der Bestrahlungsstärke E_la,σ des Lasers und der Belichtungszeit t_exp der Kamera abhängig, wobei das Faserverbund Material durch die Ausbreitungsparameter p₁ und p₂ beschrieben wird. Der Laserpunkt selbst und die daraus resultierende Qualität des abgeleiteten Meßbildes kann über die Kenngrößen eines gaußförmig angenäherten Laserpunktes beschrieben werden. Darüber hinaus kann der maximale Intensitätswert des Laserpunktes im Kamerabild als zusätzliches Kriterium genutzt werden. Insbesondere für die Kennwerte aus dem gauß'schen Spot-Fitting für die Standardabweichung der Werte über mehrere Meßwiederholungen hinweg als Kriterium, um die Signalstabilität bzw. eine ausreichende Bestrahlungsstärke und/oder Belichtungszeit zu bewerten.This depends on the irradiance E _la,σ of the laser and the exposure time t _exp of the camera, with the fiber composite material being described by the propagation parameters p ₁ and p ₂ . The laser point itself and the resulting quality of the derived measurement image can be described using the characteristics of a Gaussian approximated laser point. In addition, the maximum intensity value of the laser point in the camera image can be used as an additional criterion. In particular for the characteristic values from the Gaussian spot fitting for the standard deviation of the values over several measurement repetitions as a criterion to evaluate the signal stability or a sufficient irradiance and/or exposure time.

Das in 3 gezeigte Sensorbild zeigt zum einen das zuvor beschriebene und aus der Strahlausbreitung resultierende Top-Hat Profil des Laserpunktes. Darüber hinaus ist ersichtlich, dass der Laserpunkt keine Idealrunde oder elliptische Form aufweist. Diese Abweichungen, speziell im Randbereich der Abbildung, sind ebenfalls auf die optische Komplexität des Faserverbund Materials zurückzuführen.This in 3 The sensor image shown shows the previously described top-hat profile of the laser point resulting from the beam propagation. In addition, it can be seen that the laser point does not have an ideal round or elliptical shape. These deviations, especially in the edge area of the image, are also due to the optical complexity of the fiber composite material.

Um die Signalqualität für ein Messbild hinsichtlich einer ausreichenden Beleuchtungsstärke und/oder Belichtungszeit zu bewerten, wird zunächst das durch Gauß-Fitting approximierte Maximum der Rückstrahlintensität sowie die Standardabweichung für mehrere Meßwiederholungen für die gleiche Faserorientierung ermittelt. Es wurde hierbei erkannt, dass zur Erreichung einer guten Signalqualität Messbild der berechnete Maximalwert ungefähr in Sättigung-Wertbereich des Sensors liegen sollte. Da es sich um eine Näherung des Laser-Top-Hat Plateaus handelt, liegen die realen Intensitätswert in der Regel niedriger, in einem messbaren Helligkeits Bereichen führen nicht zur Sättigung des Bildsensors. Außerdem wird eine relativ geringe Standardabweichung < 70 Helligkeitseinheiten als Maß vorgeschlagen, um eine ausreichende Signalqualität im resultierenden Messbild zu erzielen. Im speziellen wird dieser Standardabweichungen als sinnvolles Kriterium zur impliziten Bewertung der Signalqualität im Messbild des Laserlichtschnittsensors vorgeschlagen.In order to evaluate the signal quality for a measurement image with regard to sufficient illuminance and/or exposure time, first the maximum of the reflected light intensity approximated by Gaussian fitting and the standard deviation for several measurement repetitions for the same Fiber orientation determined. It was recognized here that in order to achieve good signal quality in the measurement image, the calculated maximum value should be approximately in the saturation value range of the sensor. Since it is an approximation of the laser top-hat plateau, the real intensity values are usually lower, in a measurable brightness range, they do not lead to saturation of the image sensor. In addition, a relatively low standard deviation of < 70 brightness units is suggested as a measure to achieve sufficient signal quality in the resulting measurement image. In particular, this standard deviation is suggested as a sensible criterion for the implicit evaluation of the signal quality in the measurement image of the laser light section sensor.

Die Laserpunktbreite kann anhand der Gauß'schen Approximation des Laserpunktes an der Position der Standardabweichung berechnet werden. Anhand der oben stehenden Gleichung ist zu erkennen, dass bei einem gegebenen Material, also konstanten Strahlausbreitungsparametern p1 = const. und p2 = const. die Standardabweichungsbreite des Laserpunktes nahezu vollständig von der Bestrahlungsstärke bzw. Laserleistung und der Belichtungszeit abhängt. Die initiale Laserpunktbreite ist vernachlässigbar klein im Vergleich zum Effekt der Strahlausbreitung im Material. Außerdem ist zu beachten, dass das Reflexionsverhalten des Faserverbundmaterials, verwendete Filter und die Einstellung der Blende die Anzahl an in die Kamera einfallende Photonen reduziert. Bei einer typischen Materialreflexion für CFK Prepreg-Material von 2% - 5% und einer Blendenzahl von f=11 sollte die Anzahl auf das Material eingestrahlter Photonen für eine entsprechende Belichtungszeit zwischen 7*10¹³ bis 1,3*10¹⁴ Photonen liegen, um eine ausreichend gute Signalqualität zu erzielen. Dies bedeutet im Umkehrschluss, dass für das hier exemplarisch verwendete Fasermaterial etwa eine mittlere Standardabweichungs-Laserpunkt-Breite zwischen 15 - 20 px notwendig ist, um eine ausreichende Signalqualität zu erzielen. Somit hat der Erfinder erkannt, dass über diese Laserpunkt-Breite eine weitere Messgröße gegeben um implizit die Qualität des resultierenden Höhenprofilmessbildes abzuschätzen bzw. vorab zu bewerten.The laser spot width can be calculated using the Gaussian approximation of the laser spot at the standard deviation position. The equation above shows that for a given material, i.e. constant beam propagation parameters p1 = const. and p2 = const. the standard deviation range of the laser point depends almost entirely on the irradiance or laser power and the exposure time. The initial laser spot width is negligibly small compared to the effect of beam propagation in the material. It should also be noted that the reflection behavior of the fiber composite material, the filters used and the aperture setting reduce the number of photons entering the camera. With a typical material reflection for CFRP prepreg material of 2% - 5% and an aperture number of f=11, the number of photons irradiated on the material for a corresponding exposure time should be between 7*10 ¹³ to 1.3*10 ¹⁴ photons, um to achieve a sufficiently good signal quality. Conversely, this means that for the fiber material used here as an example, an average standard deviation laser point width of between 15 - 20 px is necessary in order to achieve sufficient signal quality. The inventor has thus recognized that this laser point width is another measurement variable in order to implicitly estimate or evaluate in advance the quality of the resulting height profile measurement image.

BezugszeichenlisteReference List

11

Ablegekopflaying head

22

Anpressrollepinch roller

33

Faserhalbzeugfiber semi-finished product

44

Werkzeugoberflächetool surface

55

LaserlichtschnittsensorLaser light section sensor

66

Laserlichtquellelaser light source

77

Laserlichtlinielaser light line

88th

Kameracamera

99

Bildauswerteeinheitimage evaluation unit

9a9a

DatenbankDatabase

1010

Messvorrichtungmeasuring device

1111

Punktlasersensorpoint laser sensor

1212

Punktlaserpoint laser

1313

Laserpunktlaser point

1414

Kameracamera

1515

Auswerteeinheitevaluation unit

Claims (8)

Verfahren zum Bestimmen der Sensorgüte eines Laserlichtschnittsensors (5) in Bezug auf ein Fasermaterial (3) eines Faserverbundwerkstoffes, wobei der Laserlichtschnittsensor (5) zum Erfassen eines Tiefenbildes einer durch das Fasermaterial (3) gebildeten Fasermaterialoberfläche eingerichtet ist, indem mittels eines Linienlasers (6) eine Laserlinie (7) auf das Fasermaterial (3) projiziert und diese projizierte Laserlinie (7) mittels eines optischen Sensors (8) erfasst wird, mit den Schritten: - Projizieren eines Laserpunktes (13) auf die Fasermaterialoberfläche des Fasermaterials (3) mittels eines Punktlasers (12) eines Punktlasersensors (11); - Aufnehmen des projizierten Laserpunktes (13) und Generieren von digitalen Bilddaten des aufgenommenen Laserpunktes (13) mittels eines optischen Bildsensors (14) des Punktlasersensors (11); - wobei wenigstens ein Betriebsparameter des Punktlasersensors (11) einem Betriebsparameter des Laserlichtschnittsensors (5) entspricht; - Ermitteln von wenigstens einem Merkmal des projizierten Laserpunktes (13) aus den digitalen Bilddaten des aufgenommenen Laserpunktes (13) mittels einer Auswerteeinheit (15); - Initialisieren eines Sensormodells des Punktlasersensors (11) in Abhängigkeit von dem wenigstens einem ermittelten Merkmal des projizierten Laserpunktes (13) und den verwendeten Betriebsparametern des Punktlasersensors (11) mittels der Auswerteeinheit (15); und - Bestimmen der Sensorgüte des Laserlichtschnittsensors (5) in Bezug auf das Fasermaterials (3) in Abhängigkeit von dem initialisierten Sensormodell mittels der Auswerteeinheit (15) . Method for determining the sensor quality of a laser light section sensor (5) in relation to a fiber material (3) of a fiber composite material, the laser light section sensor (5) being set up to record a depth image of a fiber material surface formed by the fiber material (3) by using a line laser (6) a laser line (7) is projected onto the fiber material (3) and this projected laser line (7) is detected by means of an optical sensor (8), with the steps: - Projecting a laser point (13) onto the fiber material surface of the fiber material (3) by means of a point laser (12) of a point laser sensor (11); - Recording the projected laser point (13) and generating digital image data of the recorded laser point (13) by means of an optical image sensor (14) of the point laser sensor (11); - wherein at least one operating parameter of the point laser sensor (11) corresponds to an operating parameter of the laser light section sensor (5); - Determining at least one feature of the projected laser point (13) from the digital image data of the recorded laser point (13) by means of an evaluation unit (15); - Initializing a sensor model of the point laser sensor (11) depending on the at least one determined feature of the projected laser point (13) and the operating parameters used of the point laser sensor (11) by means of the evaluation unit (15); and - Determining the sensor quality of the laser light section sensor (5) in relation to the fiber material (3) as a function of the initialized sensor model by means of the evaluation unit (15). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsparameter ein Projektionsparameter, insbesondere die Beleuchtungsstärke, und/oder ein Aufnahmeparameter, insbesondere die Belichtungszeit, sind.procedure after claim 1 , characterized in that the operating parameters are a projection parameter, in particular the illuminance, and/or a recording parameter, in particular the exposure time. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus den digitalen Bilddaten des aufgenommenen Laserpunktes (13) eine Rückstrahlintensität, eine Kenngröße für die zweidimensionale Form des projizierten Laserpunktes, eine Streueigenschaft, eine Reflexionseigenschaft und/oder eine Strahlausbreitungseigenschaft als Merkmale des projizierten Laserpunktes (13) ermittelt werden.procedure after claim 1 or 2 , characterized in that from the digital image data of the recorded laser point (13) a reflection intensity, a parameter for the two-dimensional shape of the projected laser point, a scattering property, a reflection property and/or a beam propagation property are determined as features of the projected laser point (13). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorgüte des Laserlichtschnittsensors (5) in Bezug auf das Fasermaterial in Abhängigkeit von einem Vergleich der zweidimensionalen Form des projizierten Laserpunktes (13) mit einer zweidimensionalen Referenzform eines Laserpunktes bestimmt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor quality of the laser light section sensor (5) in relation to the fiber material is determined as a function of a comparison of the two-dimensional shape of the projected laser point (13) with a two-dimensional reference shape of a laser point. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Merkmal des projizierten Laserpunktes (13) ein maximaler Rückstrahlintensitätswert ermittelt wird, wobei die Sensorgüte des Laserlichtschnittsensors (5) in Bezug auf das Fasermaterial (3) in Abhängigkeit von einem Vergleich des ermittelten maximalen Rückstrahlintensitätswertes mit einem Sättigungswertebereich des optischen Sensors des Laserlichtschnittsensors (5) bestimmt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a maximum reflected light intensity value is determined as a feature of the projected laser point (13), the sensor quality of the laser light section sensor (5) in relation to the fiber material (3) depending on a comparison of the determined maximum reflected light intensity value is determined with a saturation value range of the optical sensor of the laser light section sensor (5). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Messdurchgänge durchgeführt werden, wobei bei jedem Messdurchgang die Schritte des Projizierens eines Laserpunktes (13), des Aufnehmens des Laserpunktes (13) sowie des Ermittelns wenigstens eines Merkmals ausgeführt werden und wobei die aus den Messdurchgängen ermittelten Merkmale zum Initialisieren des Sensormodells genutzt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that several measurement runs are carried out, with the steps of projecting a laser point (13), recording the laser point (13) and determining at least one feature being carried out in each measurement run, and the Measurement passes determined features are used to initialize the sensor model. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Messdurchgänge für verschiedene Faserorientierungen des Fasermaterials (3) durchgeführt werden und/oder dass mehrere Messdurchgänge für dieselbe Faserorientierung des Fasermaterials (3) durchgeführt werden.procedure after claim 6 , characterized in that at least two measurement runs are carried out for different fiber orientations of the fiber material (3) and/or that several measurement runs are carried out for the same fiber orientation of the fiber material (3). Messvorrichtung (10) zum Bestimmen der Sensorgüte eines Laserlichtschnittsensors (5) in Bezug auf ein Fasermaterial (3) eines Faserverbundwerkstoffes, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (10) einen Punktlasersensor (11) mit einem Punktlaser (12) und einem optischen Bildsensor (14) sowie eine mit dem Punktlasersensor (11) verbundene Auswerteeinheit (15) hat, wobei die Messvorrichtung (10) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.Measuring device (10) for determining the sensor quality of a laser light section sensor (5) in relation to a fiber material (3) of a fiber composite material, characterized in that the measuring device (10) has a point laser sensor (11) with a point laser (12) and an optical image sensor (14 ) and an evaluation unit (15) connected to the point laser sensor (11), the measuring device (10) being set up to carry out the method according to one of the preceding claims.

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