Lasersensoren Wenn klassische Sensoren in der Smart Factory an ihre Grenzen stoßen

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Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

ET System electronic GmbH

IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

Die Automatisierungsbranche stellt hohe Anforderungen an moderne Sensorik: Gefordert sind kompakte, leistungsfähige Systeme, die sich flexibel an wechselnde Umgebungsbedingungen anpassen lassen. Eine Familie von Laser-Triangulationssensoren erfüllt diese Anforderungen in besonderem Maße.

In modernen Produktionsumgebungen, besonders in der Automatisierung und der Batteriefertigung, sind immer kompaktere und leistungsstärkere Sensoren notwendig. Diese Sensoren müssen sich flexibel an veränderliche Umgebungsbedingungen anpassen und dabei vielseitig einsetzbar und robust sein. Ein weiterer entscheidender Aspekt ist die Integration und Vernetzung verschiedener Geräte im Feld. Micro-Epsilon erfüllt diese Anforderungen mit seinem Portfolio an Laser-Triangulationssensoren, zu dem der optoNCDT 5500 gehört.

Lasertriangulationssensoren zeichnen sich durch herausragende Genauigkeit und Präzision aus. Bei den Sensoren von Micro-Epsilon ist der Controller direkt im Sensor integriert, wodurch lange Kabelwege entfallen, die Installation vereinfacht und die Messqualität verbessert wird.

Linearität von 0,015 Prozent des Messbereichs

Dank des sehr kleinen Lichtflecks, der selbst über große Distanzen ein präzises Messen auch kleinster Objekte ermöglicht, sind diese Sensoren für zahlreiche Einsatzgebiete wie Fabrikautomation, Elektronikfertigung und Robotik prädestiniert.

Mit dem optoNCDT 5500 erweitert Micro-Epsilon sein Angebot um eine neue Leistungsklasse und setzt damit neue Standards in der Performance: Selbst auf Oberflächen mit schwacher oder wechselnder Reflektion liefern die Lasersensoren extrem präzise Messergebnisse mit einer Linearität von 0,015 Prozent des Messbereichs. Die hohe Reproduzierbarkeit von unter 0,0015 Prozent sorgt dafür, dass Messungen mit Submikrometer-Präzision möglich sind.

Das Prinzip der geometrischen Triangulation

Sensoren für die Lasertriangulation werden für Messungen mit hoher Genauigkeit und Auflösung eingesetzt. Sie basieren auf dem Prinzip der geometrischen Triangulation: Eine Laserdiode erzeugt einen Lichtstrahl, der das Messobjekt erreicht. Die Optik lenkt das zurückgeworfene Licht auf ein Empfangselement. Die Position des empfangenen Lichts auf diesem Element erlaubt die präzise Bestimmung des Abstands zum Objekt, wobei die Intensität des reflektierten Lichts von der Oberflächenbeschaffenheit des Messobjekts beeinflusst wird.

Das optische Prinzip ermöglicht je nach Bauart des Sensors Messabstände von wenigen Millimetern bis über einen Meter. Der kleine Lichtfleck bei großen Messabständen gewährleistet, dass selbst kleinste Teile äußerst präzise erfasst werden können. Darüber hinaus gestattet der große Abstand zwischen Sensor und Objekt Messungen auf sehr heißen Materialien, was den Einsatz der Sensoren in anspruchsvollen Umgebungen ermöglicht.

Lösung für OEM- und Serienanwendungen

Die Lasersensoren der Serie optoNCDT 5500 zeichnen sich durch eine Messrate von bis zu 75 kHz sowie eine hohe Genauigkeit aus, was sie für Weg-, Abstands- und Positionsmessungen in OEM- und Serienanwendungen geeignet macht. Sie finden Anwendung in der Automatisierungstechnik, im Maschinenbau und in der Batterieproduktion. Weitere Anwendungsfelder umfassen den 3D-Druck und das Vermessen von Gleisen in der Bahntechnik.

Um eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten abzudecken, stehen die Sensoren optoNCDT 5500 in unterschiedlichen Messbereichen von 10 mm, 25 mm, 100 mm und 200 mm zur Verfügung und bieten darüber hinaus erweiterte Messbereiche an. Dank ihrer robusten Bauweise nach Schutzart IP67 und hoher Temperaturstabilität, sind sie auch unter anspruchsvollen Umgebungsbedingungen wie Staub, Vibrationen oder hohen Temperaturen einsetzbar.

Die Sensoren sind durch den Anschluss mit hochflexiblen Kabeln sehr flexibel bei der Montage. Das Gehäuse misst 80 mm x 31 mm x 60 mm und lässt sich in beengte Bauräume integrieren. Eine einfache und effiziente Montage sowie ein schneller Austausch werden durch das patentierte Montagekonzept gewährleistet. Die Sensorausrichtung ist wiederholbar und wird durch Zentrierhülsen vereinfacht, sodass sich die Sensoren automatisch ausrichten und sich sowohl einzeln als auch mehrfach reproduzierbar befestigen lassen.

Der Sensor lässt sich über ein Webinterface bedienen und warten. Voreingestellte Konfigurationen erleichtern die Inbetriebnahme und Justierung, und Nutzer können die Kalibrierung während des Betriebs unkompliziert durchführen.

Schnittstellen RS422, Analog und Ethernet

Die Sensoren sind darauf ausgelegt, in vernetzten Fabrikumgebungen, wie der Smart Factory, nahtlos integriert zu werden. Sie sind mit den Schnittstellen RS422, Analog und Ethernet ausgestattet. Das optional erhältliche Schnittstellenmodul IF2035 ermöglicht zudem die Einbindung der Sensoren über Profinet, Ethernet/IP und EtherCAT auf der Feldebene, was die Vernetzung mit anderen Sensoren in der Fabrik unterstützt. Die drei Encoder-Eingänge bieten die Möglichkeit, bei Bedarf Positions- und Geschwindigkeitsdaten zu übertragen.

Diese Schnittstellen erlauben es den Anwendern, Messvorgänge zu synchronisieren, zu automatisieren und den Betrieb in dynamischen Umgebungen effizient zu gestalten. Schleppkettentaugliche Verlängerungs- und Adapterkabel sorgen für eine zuverlässige und flexible Datenübertragung.

Stabile Messergebnisse bei wechselnden Lichtbedingungen

In anspruchsvollen Industrieumgebungen kommt es oft zu wechselnden und sich schnell ändernden Lichtverhältnissen. Zudem ist auf den zu messenden Oberflächen mit wechselnden Reflektionen zu rechnen. Um in diesen Situationen dennoch stabile Messergebnisse zu erreichen, sind die Sensoren mit einer intelligenten Oberflächenregelung – Advanced Surface Compensation (ASC) – ausgestattet, die mit neu entwickelten Algorithmen arbeitet und schnelle Belichtungsregelungen und dadurch stabile Messergebnisse liefert.

Darüber hinaus ist der Sensor unempfindlich gegenüber Fremdlicht und somit auch in stark beleuchteten Räumen einsetzbar. Die Algorithmen kompensieren dabei Umgebungslicht von bis zu 50.000 Lux.

Qualität von Elektromotoren steigern

Ein möglicher Einsatzbereich der Sensoren sind sogenannte Hairpin-Messungen bei der Produktion moderner Elektromotoren für die E-Mobilität, welche die Qualität der Motoren sicherstellen. Hierbei werden sogenannte Hairpin-Wicklungen – eine spezielle Art der Spulenwicklung in Elektromotoren – auf ihre Dicke überprüft. Die Messgenauigkeit muss dabei im Mikrometer-Bereich liegen, berührungslos ausgeführt und zweikanalig durchführbar sein, weshalb sich die Sensoren optoNCDT 5500 dafür eignen. Hier kommt vor allem der Messbereich von bis zu 25 mm, die einfache Handhabung sowie das ausgezeichnete Preis-Leistungs-Verhältnis der Sensoren zum Tragen.

Die Oberfläche der Hairpins kann dabei glatt, glänzend (poliert) oder matt sein, was bei optischen Systemen Reflexionen verursacht. Mit der dynamischen ASC regelt der Sensor schnell und präzise Unregelmäßigkeiten der Oberfläche aus und sorgt so für ein qualitativ hochwertiges Messergebnis. Weil Hairpins unterschiedliche Formen und Dicken aufweisen können, die von Modell zu Modell variieren, lassen sich die Sensoren auf den jeweiligen Messbereich skalieren.

Der Ethernet-Ausgang des Sensors sorgt zudem für eine optimale Konnektivität des Sensors, um Messdaten schnell weitergeben und verarbeiten zu können. Über die optional erhältliche Dual Processing Unit (DPU) ist weiterhin die synchrone Aufnahme und Verrechnung von zwei Sensorwerten sowie die Digital/Analog-Wandlung der Signale möglich. Auswählbare Programme erlauben das automatische Berechnen von Dicke, Durchmesser, Stufe oder Neigung, Rundlauf und Ovalität. Die Datenausgabe kann dabei digital oder analog mit bis zu 100 kHz erfolgen.

Gefahren im Schienenverkehr frühzeitig erkennen und beheben

Um die Sicherheit von Hochgeschwindigkeitsstrecken im Bahnverkehr sicherzustellen, werden sie regelmäßig inspiziert. Eine innovative Lösung bieten dabei spezielle Schleifzüge, die mit moderner Sensortechnik ausgestattet sind. Zu den zentralen Komponenten der Züge gehören die Laser-Wegsensoren der Serie optoNCDT 5500. Sie erfassen mit ihrer hohen Messrate den Abstand zum Gleis und ermöglichen damit ein präzises Messen von Schlupfwellen, die durch Verschleiß und Belastungen im Schienenprofil entstehen können.

Hier kommt zudem die robuste Bauweise der Sensoren ins Spiel, die für extreme Bedingungen entwickelt wurden: Sie sind in der Lage, hohen Schock- und Vibrationsbelastungen standzuhalten, wie sie bei der Arbeit auf Hochgeschwindigkeitsstrecken regelmäßig auftreten. Des Weiteren bieten die Sensoren eine hohe Präzision, auch bei den wechselnden Reflexionseigenschaften der Schienenoberfläche und sind darüber hinaus unempfindlich gegenüber Fremdlicht. Diese Eigenschaften ermöglichen ein zuverlässiges Messen der Schienen, selbst unter schwierigen Bedingungen.

Aufgrund der hohen Messrate der optoNCDT 5500 Sensoren können die Schleifzüge außerdem mit einer hohen Geschwindigkeit arbeiten. Gleichzeitig trägt das kontinuierliche Erfassen der Schlupfwellen zur Sicherheit des Hochgeschwindigkeitsverkehrs bei, indem man potenzielle Gefahrenquellen frühzeitig erkennen und beheben kann.

Schnelle Druckprozesse mit maximaler Detailtreue

Auch in der additiven Fertigung braucht es Sensoren, die sehr leistungsfähig, kompakt und hoch integrierbar sind. Bei der additiven Fertigung spielt das präzise Positionieren des Druckkopfes eine zentrale Rolle, um die geforderte Genauigkeit beim Herstellen von Bauteilen sicherzustellen. Die Sensoren schaffen durch ihre exakte Messung der Position des Druckkopfes die Grundlage für eine gleichbleibend hohe Produktionsqualität.

Die kompakten Sensormaße und der integrierte Controller ermöglichen eine nahtlose Integration in moderne 3D-Drucker, ohne die Bewegungsfreiheit des Druckkopfes oder den Aufbau des Gesamtsystems zu beeinträchtigen. Gleichzeitig bietet ihre hohe Messgenauigkeit und Fremdlichtbeständigkeit die Basis, um schnelle Druckprozesse mit maximaler Detailtreue zu realisieren. (heh)

Lasersensoren in der Messtechnik

Laserbasierte Messmethoden im industriellen Einsatz

3D-Druck wird von einem Laser-Sensor überwacht

* Erich Winkler arbeitet im Produktmanagement Lasertriangulationssensoren bei MICRO-EPSILON.

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