Darüber hinaus liefert die Sensorik die Positionsdaten von ruhenden und bewegten Objekten mit einer Frequenz von 10 MHz. In diese Dimensionen ist bislang kein anderes Messsystem vorgedrungen.

Präzisionsanforderungen bis in den Sub-Nanometerbereich sind in der Halbleiterfertigung, der Produktronik und der Optik üblich. Tatsächlich befindet sich auch der Maschinenbau längst auf dem Weg in die „Nanowelt“: Im Präzisionsgetriebebau sind höhere Teilungsgenauigkeiten ein geeignetes Mittel die inneren Kräfte an den Verzahnungen besser zu verteilen. Präziser gefertigte Zahngeometrien führen zu geringeren Spannungsspitzen und höherer Belastbarkeit. Auch in mehrreihigen Wälzlagern hängt die Verteilung der inneren Kräfte entscheidend von kleinsten Fertigungstoleranzen ab, weil diese Systeme statisch überbestimmt sind. Die Präzisionsfertigung und folglich auch die Messung im Sub-Nanometerbereich sind eine wichtige Voraussetzung, bestehende mechanische Systeme zu noch mehr Leistungsdichte zu entwickeln.

Zusätzlich verstärkt die Miniaturisierung von Produkten und Produktionsprozessen den Entwicklungsdruck von der Mikro- zur Nanodimension. Dieser Dimensionssprung muss auf breiter Basis und zu überschaubaren Kosten verfügbar gemacht werden, um die Wettbewerbsfähigkeit der Produkte und eine leistungsstarke, zukunftsfähige Produktion sicherzustellen. Auf der Seite der Sensorik ist hierfür ein leicht integrierbares Ultrapräzisions-Messsystem ein sehr wichtiger Baustein.

Bestehende Hindernisse zu mehr Präzision

Glasmaßstäbe gelten in der Industrie aktuell als Benchmark und werden eingesetzt, wenn andere Messsysteme die geforderte Präzision nicht mehr erreichen. Aufgrund der Maßverkörperung auf dem Glasmaßstab stößt diese Messmethode im Submikrometer-Bereich herstellungsbedingt an ihre Grenzen. Diese und andere induktive Wegmesssysteme werden am Maschinenbett befestigt und befinden sich daher immer in einem gewissen Abstand parallel zum Werkstück. Die gemessene Position entspricht daher lediglich der Position des beweglichen Sensorkopfes, aber nicht exakt der Position des Werkstückes.

Bis zum Werkstück addieren sich systematische Fehler wie beispielsweise Kippfehler durch Führungen und Lagerungen (Abbe-Fehler). Dazu addieren sich betriebsbedingte veränderliche Fehler, wie beispielsweise unterschiedliche Temperaturdehnungen, Maschinenverformungen aufgrund von Prozesskräften, Verschleiß und Schwingungen usw. Diese Abweichungen sind von den bekannten Wegmesssystemen mit Messpunkten - weit entfernt vom „Geschehen“ - nicht erfassbar. Daher würde eine Weiterentwicklung dieser Messsysteme bis in den Sub-Mikrometerbereich auch nicht zu einer höheren Positioniergenauigkeit von Werkzeugen oder Werkstücken führen.

Lösungsansatz: Distanzmessung direkt auf das Target

Die Lösung der genannten physikalischen und praktischen Grenzen bestehender Messsysteme besteht in einer Abkehr von deren Messprinzip und der Verwendung eines Messprinzips, das die Position von Werkstücken direkt erfassen kann. So werden die maschinen- und betriebsbedingten Messfehler von vornherein ausgeschlossen.

Die aus der Forschung bekannten interferometrischen Messsysteme bieten die Möglichkeit, auf optische Weise Distanzen zu „Objekten“ direkt auf dem Target zu messen und erreichen Genauigkeiten bis in den Nanometerbereich. Allerdings sind sie extrem teuer, sehr groß, unhandlich, empfindlich und nicht für die Integration in Maschinen und Fertigungsprozesse geeignet.

Bislang werden im industriellen Umfeld sogenannte Michelson-Interferometer lediglich für die Kalibrierung von Werkzeugmaschinen und Messmaschinen eingesetzt.

Das Ziel des Forscherteams von attocube unter der Leitung von Prof. Dr. Khaled Karraï war es, der Industrie die extrem hohe Messgenauigkeit und -flexibilität von Interferometern erstmals in Form einer robusten, sehr kompakten und wirtschaftlichen Lösung zur Verfügung zu stellen.

Disruptive Querschnittstechnologie?

Die Sensorköpfe des Industrial Displacement Sensors IDS3010 sind nur wenige Millimeter groß und werden mittels einer einfachen Glasfaser an die Basiseinheit gekoppelt. Bis zu drei Sensorköpfe sind an eine Basiseinheit anschließbar. Ein einziges Messsystem kann somit drei Achsen erfassen. Die erreichte und von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt offiziell bestätigte Messabweichung des Systems beträgt 0,0 ppm im Messbereich von 0 bis 3000 mm. Das bedeutet, der Sensor ist beliebig genau. Kalibrierungen von Maschinen bzw. Achsen sind nicht mehr erforderlich, wenn der Sensor dort integriert wird.

Das glasfaserbasierte Design, die sehr kleinen Sensorköpfe und die beliebig platzierbare Basiseinheit ermöglichen Messungen an räumlich stark eingeschränkten bzw. schwer zugänglichen Stellen. Die berührungslose Messung direkt auf das Target (Werkstück, Werkzeug, Maschinenteile) vermeidet die beschriebenen Messfehler und die hohe Bandbreite erschließt völlig neue Anwendungsfelder in der Schwingungsanalyse von Maschinen und Prozessen.

Daraus resultiert für den IDS ein extrem breites Anwendungsspektrum:

Wegsensor in der Qualitätssicherung:

- für die Kalibrierung von Achsen und ganzen Maschinen

- in Koordinatenmessmaschinen

- als universelles Mess- und Prüfmittel in der Qualitätssicherung (Feinmessräume)

Wegsensor in der Produktion:

- als integriertes Wegmesssystem mit bis zu drei Achsen in hochpräzisen
  Fertigungsmaschinen (Werkzeugmaschinen)

- als Resolversystem für hochpräzise Servoantriebe (exakte Bahnkurven in der CNC-
  Technik) und für die Positionsregelung von Achsen

Messsystem in der Produktion:

- für die serienbegleitende Werkstückprüfung oder als

- maschinenintegriertes Messsystem für die Messung von Werkstücken bietet der IDS sogar
  das Potenzial, die Zyklenzeiten in der Fertigung beträchtlich zu verringern. Auch thermische
   Drifts werden erkannt.

Vibrometer:

- für die Echtzeit-Prozessanalyse und -kontrolle

- für Echtzeit-Schwingungsmessungen an Maschinen und Anlagen zur Detektion von

  Maschinenschäden, zur Standzeitermittlung von Werkzeugen, für Predictive Maintenance

- für die Detektion von Unwuchten

- für Echtzeit-Vibrationsmessung zur aktiven Schwingungskompensation

Glasfaserbasierte Sensorköpfe

Während konventionelle Interferometer vorwiegend auf hochreflektiven Oberflächen messen können, ist es bei dem von attocube entwickelten Sensor durch Umformung des Laserstrahls in einen fokussierten Strahl möglich, auch direkt auf rauen Oberflächen mit sehr geringer Reflektivität zu messen, wie beispielsweise. auf Siliziumwafer, Glas und Keramik.

Des Weiteren sind Messungen auf Oberflächen aus Kunststoffen, Aluminium, Kupfer und poliertem Stahl möglich. Genügt die Reflektion der Oberfläche nicht, können plane Spiegel mit 5 bzw. 9 mm Durchmesser oder sogenannte Retroreflektoren aus dem Zubehörprogramm von attocube eingesetzt werden.

Inbetriebnahme mit integriertem Webserver

Der für den Industriemarkt speziell entwickelte IDS3010 ist mit einem Webserver ausgestattet und macht den Sensor kompatibel für Industrie 4.0-Anwendungen: Datenaustausch, Ausrichtung, Initialisierung und Konfiguration können per Remote-Zugang von jedem beliebigen Ort gesteuert, angepasst und überwacht werden.

Ein integrierter sichtbarer Pilotlaser vereinfacht das Ausrichten und Einstellen, ein Bargraph zeigt dabei die aktuelle Signalstärke an. Nach dem mechanischen Ausrichten wird der IDS initialisiert und zeigt sofort die Distanz zwischen Sensorkopf und Targets an.

Die sehr kompakten Abmaße der Basiseinheit, die sehr kleinen Sensorköpfe sowie die Präzision des IDS sind so außergewöhnlich, dass Entwickler und Ingenieure bestehende Lösungen im Präzisionsmaschinenbau neu bewerten und überdenken können. Attocube liefert mit dem IDS eine sehr leicht integrierbare „enabling technology“ für den Dimensionssprung in die Nanowelt.

Funktionsweise IDS

Innovationen des Attocube Industrial Displacement Sensors:

Der neu entwickelte Sensor basiert im Gegensatz zu anderen Interferometern auf einem glasfasergekoppelten Fabry-Pérot-Konzept. Die typischerweise sehr begrenzte Reichweite dieses Messprinzips konnte das attocube-Forscherteam dank dem Einsatz modernster Regelungs- und Steuertechnik auf bis zu 5000 mm erweitern. Eine Kopplung der Sensorköpfe mittels Glasfaser ermöglichte es, die gesamte Elektronik in einer einzigen praxisgerechten Basiseinheit integrieren. Im Zuge der Entwicklung des attocube Interferometers wurde der in nahezu allen Interferometrie-Anwendungen benutzte teure HeNe-Gaslaser durch einen wesentlich günstigeren wellenlängenmodulierbaren Halbleiterlaser ersetzt.

Funktionsweise des Attocube Industrial Displacement Sensors IDS3010:

Das Licht aus dem Halbleiterlaser wird über einen Glasfaserkoppler zum Sensorkopf geleitet. Die Glasfaser endet im Sensorkopf, wo ein Teil des Lichtes reflektiert wird (etwa 4%) und auf diese Weise den Referenzstrahl des Interferometers bildet. Der andere Teil verlässt die Glasfaser und wird durch einen Kollimator in einen parallelen Lichtstrahl umgewandelt und auf das Zielobjekt (Targets, wie z. B. Werkstück, Werkzeug, Maschinenteile) gerichtet. Dieser Lichtstrahl bildet den eigentlichen Messstrahl des Interferometers und wird an dem zu vermessenden Objekt reflektiert und wieder in die Glasfaser eingekoppelt, wo er mit dem Referenzstrahl interferiert. Das dadurch gebildete Interferenzsignal wird wiederum über den Glasfaserkoppler zu einem Detektor geleitet, der eine sinusförmige Interferenzintensität in Anhängigkeit von der Position des Messobjekts anzeigt.