DFB-Laserdiode
Eine zentrale DFB-Laserdiode und die elektronische Steuerung bilden das kompakte Basismodul (5 x 5 x 19,5 cm), mit dem die Sensorköpfe über Glasfasern verbunden werden. - Bild: Wittenstein

„Mit diesem System kann man in jeder Mikrosekunde messen, wo sich auf 1 Milliardstel Millimeter genau das Werkstück befindet, wie schnell es sich bewegt und wie stark es schwingt beziehungsweise vibriert. Daraus ergibt sich ein sehr breites Anwendungsspektrum für den Industrial Displacement Sensor“, erläutert Prof. Dr. Khaled Karraï, Erfinder des optischen Messsystems und Scientific Director bei der Attocube systems AG, einer Tochtergesellschaft der Wittenstein Gruppe. In welchen Maschinen und Anlagen der Industrial Displacement Sensor (IDS 3010) einsetzbar ist, welche Funktionen der Sensor dort übernehmen kann und welche Fortschritte in der Praxis damit realisierbar sein werden, klärt der folgende Beitrag.

Der Industrial Displacement Sensor IDS3010 bietet eine für industrielle Anwendungen noch nie dagewesene Positionsauflösung von 1 Pikometer (10-12m) und erreicht – bei Messdistanzen von wenigen Millimetern bis hin zu 5 Metern – eine Wiederholgenauigkeit im Nanometerbereich. Darüber hinaus liefert das innovative Messsystem die Positionsdaten von ruhenden und bewegten Objekten mit einer Frequenz von 10 MHz.

Der optische Mehrkanal-Distanzsensor besteht aus zwei Subsystemen: Basismodul und Sensorköpfe. Diese sind in unterschiedlichen Ausführungen für verschiedene Messbereiche bis 5000 mm (*) erhältlich. Bis zu drei Sensorköpfe können an die kompakte Basiseinheit (195x50x55 mm3) angeschlossen werden, was Messungen in bis zu drei Achsen ermöglicht. Die kleinen Sensorköpfe enthalten nur passive, optische Komponenten und sind per Glasfaser mit dem Basismodul verbunden.

Als reflektierende Flächen können sowohl Werkstücke, Wellen und Werkzeuge als auch Maschinenschlitten optisch und berührungslos „anvisiert“ werden. Genügt die Reflektivität oder die Güte der Oberflächen nicht, sind sogenannte Retroreflektoren oder plane Spiegel mit 5 oder 9 mm Durchmesser aus dem Zubehörprogramm von Attocube einsetzbar.

Funktionsweise des optischen Längenmesssystems

Im Basismodul des Industrial Displacement Sensors (IDS3010) wird Infrarotlicht von einer Laserdiode erzeugt und dann über eine Glasfaser in den Sensorkopf geleitet. Im Sensorkopf wird ein Teil des Lichts durch die Glasfaser wieder in das Gerät zurückreflektiert. Der Rest des Lichtes verlässt die Glasfaser und wird vom Messobjekt, zum Beispiel dem Maschinenteil oder auch einem dort angebrachten Spiegel, reflektiert und gelangt wieder über die Glasfaser zurück in das Basismodul. Die beiden am Sensorkopf und am Messobjekt reflektierten Strahlen interferieren. Aus der Gesamtintensität des interferierten Lichts lässt sich die Abstandsänderung zwischen Sensorkopf und Messobjekt bestimmen.

Mit einem integrierten Webserver wird die Sensorik initialisiert, konfiguriert, ausgerichtet und der Datenaustausch eingerichtet. Spezifische Kenntnisse sind hierfür nicht erforderlich. Verschiedene Echtzeit-Schnittstellen und Protokolle ermöglichen die Übertragung der Positionsdaten an CNC-Controller oder RTOS-Computer. Weitere industrieübliche Schnittstellen wie CANopen, Profinet, Profinet RT und EtherCAT können auf Kundenwunsch angeboten werden.

Beim Einsatz des IDS mit Pilotkunden aus dem Präzisionsmaschinenbau haben sich laut Attocube folgende Haupteinsatzfelder herauskristallisiert:

1. Kalibrierung von Achsen in Werkzeug- und Koordinatenmessmaschinen

Michelson-Laserinterferometer haben sich als hochpräzise Primärmesssysteme zur Kalibrierung von Maschinen und Messmaschinen bewährt. Mit ihnen werden in Werkzeugmaschinen beispielsweise mechanisch bedingte Abweichungen von Linearachsen in x-Abständen gemessen, in Tabellen erfasst und diese Werte zur Korrektur in die Maschinensteuerung eingespeist. Diese Korrektur erlaubt es, die Absolutgenauigkeit der Maschinen zu erhöhen bzw. konstant zu halten. Die Montage der Michelson-Interferometer auf Stativen ist zeitintensiv und die Anschaffungskosten sind extrem hoch.

Durch seine kompakte Bauform und die kleinen Sensorköpfe ist der IDS3010 im Gegensatz dazu sehr viel leichter an die Maschinen applizierbar. Zudem liegen die Kosten des attocube Interferometers – trotz höchster Genauigkeit (0.00pm bei 3m) und Messbandbreite – deutlich unter dem Preis der typischerweise am Markt erhältlichen Geräte.

2. Mess- und Prüfmittel in der Qualitätssicherung (Feinmessräume)

Als Mess- und Prüfmittel ist die Sensorik universell einsetzbar: Winkelversatz, Parallelitäten, Verkippungen, Unrundheiten und Exzentrizitäten lassen sich mit dem IDS im Nanometerbereich schnell und vollkommen berührungslos bestimmen. Die einfache Inbetriebnahme und Konfiguration macht das Gerät für den Einsatz in der Qualitätssicherung mit häufig wechselnden Aufgaben sehr attraktiv.

3. Integrierte Lösung in hochpräzisen Fertigungsmaschinen, Koordinatenmessmaschinen und Servoantrieben

In der Praxis werden aus Mangel an Alternativen in Werkzeugmaschinen Messsysteme zur Positionsbestimmung in einem mehr oder weniger großen Abstand – bei Linearsystemen z. B. parallel zum zu messenden Objekt – angeordnet. Durch diesen „Hebel“ entstehen unvermeidbare systematische Kippfehler – Abbefehler genannt. Dazu addieren sich während des Betriebs Verschleiß in den Lagern und Führungen, temperaturbedingte Dehnungen des Messsystems und prozessbedingte Verformungen der Maschine. In Summe sind dies „Maschinenfehler“, die in den Messwerten der konventionellen Messsysteme enthalten sind. Die Kompensation dieser Messfehler ist nur bedingt möglich und begrenzt sehr die erreichbare Messgenauigkeit. Eine Steigerung der Messgenauigkeit von konventionellen Messsystemen in den (Sub-)Mikrometerbereich führt daher in der Regel nicht zu höherer Fertigungspräzision. Im Gegensatz dazu kann der IDS 3010 von attocube die tatsächliche Position des Werkstücks optisch entweder direkt auf das „Objekt“ oder sehr nah daran äußerst exakt erfassen. Maschinenbedingte Einflüsse werden so von vornherein ausgeschlossen.

Mit der Kombination aus Präzision im Nanometerbereich, hoher Messbandbreite im MHz-Bereich und der Echtzeitfähigkeit ist der IDS3010 ideal als Resolversystem für hochpräzise Verstell- und Positionsregelungen (closed-loop) von Servoantrieben geeignet. Damit erfüllt das System alle Voraussetzungen für präziseste und ruckfreie Bahnkurven, wie sie inzwischen in der CNC-Technik, in der Automatisierungstechnik, im Formenbau, in der Feinmechanik und in der optischen Industrie gefordert werden.

Die Anschaffungskosten des IDS3010 sind im Vergleich zu induktiven Systemen oder Glasmaßstäben nicht von der Messlänge abhängig, sondern nur von der Anzahl der Achsen. Besonders bei größeren Verfahrwegen ist das System trotz seiner überragenden Präzision kostengünstiger als die präzisesten am Markt erhältlichen Mehrachs-Wegmesssysteme.

4. Prozesskontrolle, die Inline- und serienbegleitende Werkstückprüfung

Richtet man zwei Sensorköpfe des IDS in einem Winkel von 90° zueinander auf ein rotationssymmetrisches Teil aus, so erhält man ein extrem genaues Rundlauf-Messgerät. Es können Unrundheiten (Formtoleranzen) und Exzentrizitäten (Lagetoleranzen) von Wellen und Wellenstümpfen, wie beispielsweise an Hauptspindeln, Schleifspindeln, Präzisionslagern, Servomotorwellen, Kurbelwellen und verschiedensten Werkstücken berührungslos und extrem genau gemessen werden.

5. Vibrationsmessungen an Produktionsmaschinen und für die aktive Schwingungskompensation

Da der IDS3010 Wegänderungen im MHz-Bereich äußerst präzise erfassen kann, sind mit einem einzigen System sowohl Maschinenschwingungen als auch dort auftretende mechanische Verlagerungen z. B. aufgrund von Verschleiß und mechanischen Kräften erfassbar. Das ist einmalig am Markt und erleichtert die Analyse von Schwingungen wesentlich. Auch Unwuchten und deren Winkellage an schnelllaufenden Wellen sind präzise ermittelbar.

Mechanische Schwingungen und das Resonanzverhalten stellen vor allem die Werkzeugmaschinenbranche seit Jahrzehnten vor große Herausforderungen. Um die Fertigungsqualität und den Durchsatz weiter zu erhöhen, müssen Maschinenschwingungen aktiv unterdrückt bzw. ausgeregelt werden. Dies muss in einem relativ breiten Frequenzband und herunter bis in den Nanometer-Bereich geschehen – insbesondere, um die geforderten Oberflächengüten zu erreichen.

Die aktive Schwingungskompensation scheiterte bisher an der Möglichkeit, die Maschinenschwingungen messtechnisch hochfrequent und präzise erfassen zu können. Durch die Echtzeitfähigkeit des IDS Sensors werden Maschinenschwingungen nun extrem präzise messbar und unter Verwendung von entsprechend dynamischer Aktorik zukünftig auch aktiv kompensierbar.

Präzision im Sub-Nanometerbereich

Präzisionsanforderungen bis in den Sub-Nanometerbereich werden in der Fachwelt vor allem in der Halbleiterfertigung und Produktronik beachtet. Tatsächlich aber befindet sich auch der Präzisionsmaschinenbau längst auf dem Weg in die „Nanowelt“: Engere Fertigungstoleranzen und exaktere Geometrien sind ein geeignetes Mittel, Spannungsspitzen zu minimieren und Lastverteilungen in Getrieben, Lagern und Antrieben zu optimieren.

Die Präzisionsfertigung und damit auch die Messung im Sub-Nanometerbereich sind also eine wichtige Grundvoraussetzung für größere Leistungsdichte in der Antriebstechnik. Der Schritt von der Mikro- hin zur Nano-Dimension für Industrieunternehmen muss auf breiter Basis und zu überschaubaren Kosten verfügbar werden. Das von Attocube vorgestellte Präzisionsmesssystem stellt für diesen Dimensionssprung im Maschinenbau einen bedeutenden Meilenstein dar und sichert die Zukunft einer wettbewerbsfähigen, leistungsstarken und intelligenten Produktion.