Messsensor

Drei Köpfe messen mehr als einer

Nano-präzise Messtechnik. Attocube hat einen Hochpräzisions-Messsensor entwickelt, der Positionen direkt am Werkstück erfasst und damit prinzip- und anbaubedingte Messfehler vermeidet. Bei Arbeitsabständen von bis zu fünf Metern bietet er eine Auflösung von einem Pikometer.

Der IDS3010 kann Positionen direkt am Werkstück erfassen. Prinzip- und anbaubedingte Messfehler sind mit diesem System daher ausgeschlossen. (Bild: Attocube)

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt PTB bestätigte die Präzision: Im Messbereich von null bis 3.000 Millimeter beträgt die zertifizierte inkrementelle, systematische Messabweichung des Systems 0,0 ppm. Da der IDS3010 zudem direkt auf das Objekt misst, beispielsweise auf ein Werkstück, ein Werkzeug oder ein Maschinenelement, werden Messfehler vermieden. Mit dem Industrial Displacement Sensor IDS3010 ist es der Wittenstein-Tochter Attocube gelungen, die hohe Präzision der Interferometrie in ein robustes und kompaktes Gehäuse zu integrieren und das System kompatibel für unterschiedliche Feldbuswelten und für Industrie-4.0-Applikationen zu machen.

Messen in bis zu drei Achsen
Mit dem IDS3010 ist es möglich, Informationen wie Position, positive und negative Beschleunigung und Schwingung in einer Maschine mit einem einzigen Sensor und in bis zu drei Achsen zu messen. Hierzu ist der optische Bewegungssensor mehrkanalig konzipiert: an die kompakte Basiseinheit können per Glasfaserkabel bis zu drei Miniatur-Sensorköpfe angeschlossen werden. Eine Laserdiode im Basismodul leitet Infrarotlicht in die Sensorköpfe, die ihrerseits etwa vier Prozent davon als Referenzlicht für die Auswertung zurückleiten. Das verbleibende Sendelicht von rund 96 Prozent trifft entweder direkt auf das reflektierende Messtarget oder – bei unzureichenden Oberflächeneigenschaften – auf einen dort angebrachten, kleinen Retroreflektor oder Spiegel. Von dort wird es über die Glasfaser zurück in das Basismodul reflektiert. Aus der Gesamtintensität der vom Sensorkopf und der vom Objekt reflektierten und miteinander interferierenden Strahlen errechnet die elektronische Auswertung im Basismodul den Abstand zwischen Sensorkopf und Messobjekt – bei einer Geschwindigkeit von bis zu zwei Meter pro Sekunde. 

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Die platzsparende Basiseinheit, die flexibel verlegbaren Glasfaser-Lichtleiter sowie die miniaturisierten Sensorköpfe ermöglichen Messungen auch an Stellen, die räumlich stark beengt oder schwer zugänglich sind. So kann der Sensor direkt am Ort des Geschehens messen – Spiel, Verschleiß, Verformung, temperaturbedingte Längenänderungen oder andere Einflüsse auf die zu messenden Positionen und Bewegungen sind dadurch prinzipbedingt ausgeschlossen. Dabei erreicht der IDS3010 bei Messdistanzen von bis zu fünf Metern eine Positionsauflösung von zehn bis zwölf Meter, das heißt einem Pikometer oder einem Milliardstel Millimeter – ebenso ein Novum in industriellen Anwendungen wie die Wiederholgenauigkeit im Nanometerbereich. Durch den Einsatz von entsprechenden Sensorköpfen können sogar Messdistanzen von bis zu 30 Metern realisiert werden.

An den IDS3010 lassen sich bis zu drei Sensorköpfe anschließen. Dadurch können die lineare Bewegung von Objekten oder Führungsfehler wie Höhen/Seitenschlag, Gieren/Nicken/Rollen erfasst werden.

Der interferometrische Messsensor hat einen integrierten Webserver. Per Fernzugang kann so die Ausrichtung, Initialisierung und Konfiguration des Sensors von jedem beliebigen Ort aus gesteuert, angepasst und überwacht werden. Zudem kann er in Industrie-4.0-Anwendungen integriert werden, beispielsweise in Condition-Monitoring-Applikationen in der Leitebene oder der Cloud. Darüber hinaus ermöglichen verschiedene Echtzeit-Schnittstellen und Protokolle die Übertragung von Positionsdaten an CNC-Controller oder RTOS-Computer. Der IDS3010 kann gleich mehrere Bewegungsgrößen in einem Gerät erfassen und so zukünftig bekannte Lösungen wie den Glasmaßstab ersetzen. Um die Präzisionsmesstechnik im Nanometerbereich für ein breites industrielles Anwendungsspektrum zugänglich zu machen, hat Attocube für die meisten Targets und deren Oberflächen spezielle optische Linsen im Programm. Sie gewährleisten, dass die Optikköpfe das von Glas, Kunststoff, Keramik, Aluminium, Kupfer oder Stahl gestreut-reflektierte Licht zu einem hohen Anteil erfassen können.

Unterschiedliche Anwendungen
Der berührungslos messende IDS3010 eignet sich für ein breites Anwendungsspektrum. Als reines Wegmesssystem kommt er für die Kalibrierung von Werkzeug- und Koordinatenmessmaschinen zum Einsatz. Statt mihilfe von Korrekturtabellen für die Mess- und Realposition erfolgt die Kalibrierung dann anhand der Ist-Messdaten des IDS3010. Wird das System vollständig in eine Maschine integriert, kann sich eine Kalibrierung der Werkzeug- oder Koordinatenmessmaschine sogar ganz erübrigen. 

Bei der Prozesskontrolle, beispielsweise in der Halbleiterindustrie, kommt dem IDS3010 die Trennung von Basismodul und Sensorköpfen zugute. Letztere stehen auch in Ausführungen aus Wolfram und Saphir zur Verfügung, so dass sie auch den aggressiven Medien und hohen Temperaturen von Ätzprozessen widerstehen. In Verstelleinheiten, wie sie in der feinmechanischen und optischen Industrie oder im Hochleistungs-Sondermaschinenbau zum Einsatz kommen, kann der IDS3010 anstelle von Inkrementalencodern zur Positionsbestimmung eingesetzt werden. Der mehrkanalige IDS3010 lässt sich auch als Vibrometer einsetzen, beispielsweise in Werkzeugmaschinen. Hierbei geht es darum, über die Vibrationsmessungen eine aktive Schwingungskompensation einzurichten, um eine Steigerung der Fertigungsqualität und des Maschinendurchsatzes zu erreichen.

Dr. Martin Zech/as

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