Nano-präzise Messtechnik für industrielle High-End-Anwendungen Immer kleiner, immer besser - KEM

Nano-präzise Messtechnik für industrielle High-End-Anwendungen

Immer kleiner, immer besser

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Die zunehmende Miniaturisierung von Produkten aber auch die hochgenaue Kalibrierung von Maschinenachsen oder die Vibrations- und Schwingungsmessung an Produktionsmaschinen erfordern von der Messsensorik immer häufiger eine Präzision im Submikrometerbereich. Mit dem Industrial Displacement Sensor IDS3010 steht jetzt ein industriegerechter Hochpräzisions-Messsensor zur Verfügung, der bei Arbeitsabständen von bis zu fünf Metern eine Auflösung von einem Pikometer bietet.

Dr. Martin Zech, Chief Technology Officer, Attocube Systems AG, München

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt PTB bestätigt dem Industrial Displacement Sensor IDS3010 besondere Präzision: Im Messbereich von 0 bis 3.000 Millimeter beträgt die zertifizierte inkrementelle Messabweichung des Systems 0,0 ppm. Da er zudem direkt auf das Objekt misst, beispielsweise auf ein Werkstück, ein Werkzeug oder ein Maschinenelement, werden Messfehler – wie sie indirekt messenden Glasmaßstäben und induktiven Wegmesssystemen immanent sind – vollständig vermieden. Damit ist es Attocube Systems – einer 100%igen Tochter der Wittenstein Gruppe – mit dem Sensor gelungen, die extrem hohe Präzision der Interferometrie in ein robustes und kompaktes Gehäuse zu integrieren und das System kompatibel für unterschiedliche Feldbuswelten und sogar für Industrie 4.0-Applikationen zu machen.

Unter messtechnischem Aspekt sind Größen wie Position, positive und negative Beschleunigung und Schwingung nichts anderes als Bewegungsdaten. Mit dem Sensor ist es jetzt möglich, diese Informationen in einer Maschine mit einem einzigen Sensor und in bis zu drei Achsen zu messen. Hierzu ist der optische Bewegungssensor mehrkanalig konzipiert: an die mit 195 × 50 × 55 mm3 kompakte Basiseinheit lassen sich per Glasfaserkabel bis zu drei Miniatur-Sensorköpfe anschließen. 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 2 m/s.

Positionsauflösung in Pikometer, Wiederholgenauigkeit im Nanometerbereich und ...

Mit dem IDS3010 ist es gelungen, die bislang sperrigen Dimensionen von Interferometern und deren teures elektronisches Innenleben in eine industriegerechte und integrationsfreundliche Bauform zu überführen. Der Sensor kann dadurch am Ort des Geschehens messen – Spiel, Verschleiß, Verformung, temperaturbedingte Längenänderungen oder andere Einflüsse auf die zu messenden Positionen und Bewegungen sind so prinzipbedingt ausgeschlossen. Dabei erreicht der Sensor bei Messdistanzen von bis zu fünf Metern eine Positionsauflösung von 10–12 m, 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 lassen sich sogar Messdistanzen von bis zu 30 Metern realisieren.

... Messdatenausgabe im Mikrosekundentakt

Bezogen auf einen Messbereich von 0 bis 3000 Millimeter misst die PTB eine Genauigkeitsabweichung von 0,0 ppm – das Messsystem ist somit beliebig genau. Die Abtastung ruhender oder bewegter Targets erfolgt mit einer Messbandbreite von 10 MHz – in jeder Mikrosekunde ein Messwert, der alle relevanten Informationen der Bewegung enthält. Der interferometrische Messsensor verfügt zudem über 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 lässt er in Industrie 4.0-Anwendungen integrieren, z. B. in Condition Monitoring-Applikationen in der Leitebene oder der Cloud. Zudem ermöglichen verschiedene Echtzeit-Schnittstellen und Protokolle die einfache Übertragung von Positionsdaten an CNC-Controller oder RTOS-Computer. Feldbusschnittstellen in industrieübliche Netzwerke wie CANopen, Profinet, Profinet RT und Ethercat können auf Kundenwunsch angeboten werden und gewährleisten die Integration des Messsensors in größere Anlagen.

Der Sensor stellt für die Anwender im Maschinenbau eine völlig neue Technologie dar. Um die Präzisionsmesstechnik im Nanometerbereich für ein breites industrielles Anwendungsspektrum zugänglich zu machen, hat Attocube Systems für die meisten in der Praxis vorkommenden 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. Zudem bietet der Hersteller Maschinenbauern und Integratoren an, im eigenen Versuchsfeld Machbarkeitstests durchzuführen. Schließlich besteht die Möglichkeit, über den Leihservice die Technologie und den Messsensor im eigenen Unternehmen zu testen – ein Angebot, das in über 70 Prozent der Leihgaben zum Serieneinsatz führt.

Der berührungslos messende IDS3010 eignet sich für ein sehr breites Anwendungsspektrum. Als reines Wegmesssystem kommt der Messsensor beispielsweise für die Kalibrierung von Werkzeug- und Koordinatenmessmaschinen zum Einsatz. Statt mit Hilfe von Korrekturtabellen für die Mess- und Realposition erfolgt die Kalibrierung jetzt anhand der hochpräzisen Ist-Messdaten des Sensors. „Interferieren statt kalibrieren“ heißt die Zukunftsperspektive: Wird das System vollständig in eine Maschine integriert, kann sich durch die hochpräzise Messung in Echtzeit eine Kalibrierung der Werkzeug- oder Koordinatenmessmaschine sogar ganz erübrigen. Bei der Prozesskontrolle beispielsweise in der Halbleiterindustrie kommt dem Sensor die Trennung von Basismodul und Sensorköpfen zu gute. Letztere stehen auch in Ausführungen aus Wolfram und Saphir zur Verfügung, so dass sie auch den aggressiven Medien und hohen Temperaturen von Ätzprozessen widerstehen und so zu einem Höchstmaß an Prozessstabilität beitragen. In Verstelleinheiten, wie sie in der feinmechanischen und optischen Industrie oder im Hochleistungs-Sondermaschinenbau zum Einsatz kommen, lässt sich der IDS3010 anstelle von Inkrementalencodern zur Positionsbestimmung einsetzen. Der Messsensor vermeidet die prinzip- und anbaubedingten Fehlerquellen der rotativen Sensorik und ist zudem wesentlich genauer. Der mehrkanalige Sensor lässt sich darüber hinaus als Vibrometer einsetzen, beispielsweise in Werkzeugmaschinen. Hierbei geht es darum, über die Vibrationsmessungen eine aktive Schwingungskompensation einzurichten, um eine deutliche Steigerung der Fertigungsqualität und des Maschinendurchsatzes zu erreichen. Die hohe Messbandbreite sowie die Echtzeitfähigkeit des Sensors machen Maschinenschwingungen präzise messbar und durch eine Regelung aktiv kompensierbar. Zudem kann der Messsensor mechanische Verlagerung rotationssymmetrischer Teile etwa aufgrund von Verschleiß oder Krafteinwirkung erfassen. So lassen sich z.B. an schnell laufenden Wellen nicht nur Unwuchten gemessen, sondern auch deren Winkellage präzise ermitteln.

Maschinenbau auf dem Weg zur Piko-Dimension

Die Halbleiterfertigung und die Produktronik sind längst nicht mehr die einzigen Branchen, die Präzisionsanforderungen im Sub-Nanometerbereich stellen. Auch die Antriebstechnik und der Präzisionsmaschinenbau benötigen für eine erfolgreiche Miniaturisierung und Verbesserung ihrer Produkte zunehmend engere Fertigungstoleranzen und exaktere Geometrien. Die Zeit zum Umdenken ist gekommen, denn der IDS3010 schlägt die Brücke von der Mikro- zur Piko-Dimension auf industriegerechte und wirtschaftlich effiziente Weise. Damit wird der Messsensor in vielen Anwendungsfeldern zu einer „enabling technology“ mit höchster Zukunftssicherheit. jg

www.wittenstein.de

www.attocube.com


„Mit dem IDS3010 ist es gelungen, die hohe Präzision der Interferometrie in ein kompaktes Gehäuse zu integrieren.“

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