Inhaltsverzeichnis
1. Vielseitige Anwendungsmöglichkeiten in der Automatisierung
2. Vorteile konfokal-chromatischer Sensoren
3. Neue Sensorgeneration für dynamische Messprozesse
4. Einbau auch bei beengten Platzverhältnissen
5. Kompakt-Controller für industrielle Serienanwendungen
6. Anwendungsbeispiele
7. Zum konfokal-chromatischen Messprinzip
Das konfokal-chromatische Messprinzip wird in der industriellen Messtechnik gezielt genutzt, um sehr präzise und berührungslose Messungen an Oberflächen vorzunehmen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Messverfahren ermöglichen konfokal-chromatische Sensoren eine fokussierte Betrachtung des Messobjekts, wodurch eine besonders hohe Auflösung und Genauigkeit erreicht wird.
Bild: Micro-Epsilon
Ein grundlegendes Merkmal konfokal-chromatischer Sensoren ist deswegen die sogenannte „punktweise Messung“: Diese Methode erlaubt es, einzelne Punkte auf der Oberfläche eines Werkstücks mit hoher lateraler Auflösung präzise zu erfassen. Durch die Fokussierung auf einen Punkt kann der Sensor störende Reflexionen und Streuungen minimieren, was insbesondere bei komplexen Oberflächen von großer Bedeutung ist.
Vielseitige Anwendungsmöglichkeiten in der Automatisierung
Die Einsatzmöglichkeiten konfokaler Sensoren in der industriellen Automation sind äußerst vielfältig. Ob Qualitätssicherung, Abstands- und (Mehrschicht-)Dickenmessung oder Oberflächenprüfung – die präzisen Messergebnisse liefern die Grundlage für effiziente und fehlerfreie Fertigungsprozesse. Etabliert haben sich konfokal-chromatische Sensoren insbesondere in Branchen wie der Automobilindustrie, der Halbleiterfertigung, der Glas- und Kunststoffindustrie sowie der Elektronikproduktion.
Vorteile konfokal-chromatischer Sensoren
An erster Stelle bei den Vorteilen konfokal-chromatischer Sensoren ist die berührungslose Messung (Non-Contact-Messung) zu nennen, die ohne Einfluss auf das Messobjekt erfolgt. Dadurch erhöhen sich Lebensdauer sowie Produktqualität. Des Weiteren arbeiten die Sensoren schnell und zuverlässig in der Datenerfassung. Sie bieten kurze Messzeiten und liefern Echtzeit-Ergebnisse.
Darüber hinaus sind konfokal-chromatische Sensoren äußerst flexibel einsetzbar, da sie mit verschiedenen Oberflächenmaterialien und -eigenschaften kompatibel sind. Ob glänzende, matte, transparente oder stark strukturierte Oberflächen – die Sensoren passen sich den jeweiligen Anforderungen an und liefern genaue Ergebnisse auch bei unterschiedlicher Materialbeschaffenheit. Sensoren der Reihe confocalDT von Micro-Epsilon bieten zudem einen großen Verkippungswinkel von bis zu 48 Grad. Daher sind auch Rundungen und Profile mit dem konfokalen System zuverlässig messbar. Auch beim Grundabstand und den Messbereichen ist das konfokal-chromatische System sehr flexibel.
Neue Sensorgeneration für dynamische Messprozesse
Für eine neue Sensorgeneration stehen die konfokalen Kompaktsensoren confocalDT IFD2410 und IFD2415. Beide Systeme bieten eine hohe Leistung in einem IP65-zertifizierten All-in-one-Gehäuse mit integriertem Industrial Ethernet. Die robuste Bauform prädestiniert sie für industrielle Serienanwendungen.
Bild: Micro-Epsilon
Eingesetzt werden sie zur präzisen Abstands- und Dickenmessung unter anderem in Inline-Inspektionsmaschinen, Koordinatenmessmaschinen, Robotik, 3D- Druck, zur Dickenüberwachung von Flach- und Containerglas sowie zur Prüfung elektronischer Baugruppen. Bei transparenten Materialien können Mehrschichtmessungen von bis zu 5 Schichten durchgeführt werden. Die aktive Belichtungszeitregelung der CCD-Zeile erlaubt eine schnelle und stabile Messung auf unterschiedlichen Oberflächen, auch bei dynamischen Messprozessen von bis zu 25 kHz.
Einbau auch bei beengten Platzverhältnissen
Die kompakte Bauform vereinfacht den Einbau in Umgebungen mit geringem Platzangebot. Ein Lichtwellenleiter wird hierbei nicht benötigt. Über die integrierte Industrial-Ethernet-Schnittstelle ist eine direkte Einbindung in die SPS ohne zusätzliches Schnittstellenmodul möglich.
Die Parametrierung der Sensoren erfolgt im Ethernet-Modus über das intuitive Webinterface und die Einstellungen werden automatisch in die SPS-Umgebung übernommen – das aufwändige Einstellen in der Programmierumgebung entfällt. Für die Dickenmessung ist zudem eine Materialdatenbank hinterlegt, die beliebig erweitert werden kann. Der Anwender profitiert auf diese Weise von Echtzeit-Daten bei reduziertem Installations- und Verdrahtungsaufwand.
Kompakt-Controller für industrielle Serienanwendungen
Ebenfalls neu ist das konfokale Kompaktsystem confocalDT IFD2411, welches für industrielle Serienanwendungen konzipiert wurde. Es wird als Komplettkanal ausgeliefert und ist werkseitig auf Sensoren mit den Messbereichen 1, 2, 3 und 6 mm abgestimmt. Über die integrierte Hutschienenmontage kann der Controller sehr einfach im Schaltschrank integriert werden.
Mit einer Messrate von bis zu 8 kHz und einer Submikrometerauflösung von bis zu 12 nm bietet das IFD2411 eine hohe Anwendungsvielfalt für Abstands- und Dickenmessungen – etwa im Maschinenbau sowie in der Glas- und Smartphone-Produktion. Auch hier wird über die integrierte Industrial-Ethernet-Schnittstelle das Sensorsystem direkt in die SPS eingebunden.
Anwendungsbeispiele
- Integration in Koordinatenmessmaschinen: Konfokal-chromatische Sensoren zählen in der optischen Messtechnik zu den leistungsfähigsten Messsystemen im Hinblick auf Auflösung und Messrate. Der große Öffnungswinkel beziehungsweise die hohe numerische Apertur der konfokal-chromatischen Sensoren ermöglichen eine hohe axiale Auflösung von 1 µm sowie einen kleinen Messpunkt von 10 µm. In Verbindung mit einem großen Messwinkel sind diese Sensoren für Geometrieprüfungen prädestiniert. Besonders auf Oberflächen wie Zahnrädern oder Außengewinden werden stabile und hochgenaue Ergebnisse ausgegeben.
Konfokal-chromatische Sensoren zählen in der optischen Messtechnik zu den leistungsfähigsten Messsystemen im Hinblick auf Auflösung und Messrate. In Verbindung mit einem großen Messwinkel sind diese Sensoren für Geometrieprüfungen in Koordinatenmessmaschinen prädestiniert.
Bild: Micro-Epsilon - Spaltmessung von eingepasstem Displayglas: Das Displayglas von Smartphones stellt eine messtechnische Herausforderung dar. Es ist aus mehreren Schichten unterschiedlicher transparenter Materialien aufgebaut. Um eine hohe Qualität zu erreichen, sind die exakte Dicke der einzelnen Schichten sowie alle Luftspalte zwischen den Schichten zu erfassen, da Glasscheiben mit einem homogenen Dickenprofil benötigt werden. Die Taktrate ist bei diesem Prozess sehr hoch, so dass die Messungen schnell und gleichzeitig hochgenau erfolgen müssen. Konfokal-chromatische Sensoren lassen sich hier zur Dickenüberwachung von der Seite einsetzen. Dank der hohen Messrate können die Sensoren auch den schnellen Prozessen folgen.
Das Displayglas von Smartphones stellt eine messtechnische Herausforderung dar, die sich mit konfokal-chromatischen Sensoren lösen lässt.
Bild: Micro-Epsilon - Schnelle Messungen im 3D-Druck: Beim industriellen 3D-Druck wird ein konfokal-chromatischer Sensor direkt neben dem Druckkopf angebracht und verfährt mit diesem über die Bauteilplattform. Der Sensor misst dabei von oben den Abstand zum Bauteil. Die hohe Genauigkeit – im Zusammenspiel mit dem kleinen Messpunkt – ermöglicht die exakte Positionsbestimmung des Druckkopfes, wodurch ein homogener Materialauftrag erfolgen kann. Die Überprüfung erfolgt in Echtzeit, wodurch bei Normabweichungen ein direktes Eingreifen in den Druckprozess möglich wird. Über den Sensor lässt sich zudem kontrollieren, ob der Druckkopf mitläuft oder ob die Bauteilplattform in horizontaler und vertikaler Richtung korrekt ausgerichtet ist. Damit das Objekt nicht verformt wird, ist auch eine exakte Erkennung der Bauteilgrenzen notwendig. (co)
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Zum konfokal-chromatischen Messprinzip
Bild: Micro-Epsilon
Das konfokal-chromatische Messprinzip arbeitet mit polychromatischem Licht. Eine mehrlinsige Optik teilt dieses weiße Licht in die einzelnen Spektralfarben auf und fokussiert es in unterschiedlichen Abständen zum Sensor. Kurzwelliges, blaues Licht mit 400 nm wird stärker gebrochen als langwelliges, rotes Licht mit 700 nm. Der Messbereichsanfang liegt bei blauem Licht, das Messbereichsende bei rotem Licht.
Durch die kontrollierte chromatische Abweichung liegt jede Wellenlänge in einer anderen Fokusebene. Mittels werkseitiger Kalibrierung wird jeder Wellenlänge ein bestimmter Abstandspunkt zum Messobjekt zugeordnet. Das Sensorsystem wertet die Wellenlänge für die Abstandsbestimmung aus, die sich exakt auf dem Messobjekt fokussiert. Die Lichtreflexion wird über eine optische Anordnung auf ein lichtempfindliches Sensorelement abgebildet, auf der die zugehörige Spektralfarbe erkannt und ausgewertet wird.
Bei jeder Änderung des Brechungsindex, beim Übergang verschiedener Materialien, wird ein Teil des Lichts zurück reflektiert. So lassen sich auch einseitige Dickenmessungen von transparenten Materialien durchführen. Für Multilayer-Messungen werden mehrere Abstandspunkte ausgewertet.
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