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Micro Epsilon

Mit Laserliniensensoren zu effizienteren Messaufgaben

| Autor/ Redakteur: Achim Sonntag / Dietmar Kuhn

Maßhaltigkeit und Präzision sind in der Blechverarbeitung wichtige Kriterien. Ausschuss und Zeitvergeudung soll es nicht geben. Hilfreich dabei ist der Einsatz von Laserliniensensoren mit der dimensionalen Dickenmessung statt mit punktförmigen Lasertriangulationssensoren. Mit der Informationsredundanz der Laserlinie ist das Verfahren wesentlich robuster und lässt neue Lösungen zu.

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Einsatz der Laserlichtsensoren in der Bearbeitung von Warzenblechen – hier bei der Dickenmessung.
Einsatz der Laserlichtsensoren in der Bearbeitung von Warzenblechen – hier bei der Dickenmessung.
(Bild: MicroEpsilon)

Bei der dimensionalen Dickenmessung von Metallband wird auf beiden Seiten des Bandes jeweils ein Abstandssensor angeordnet. Der Abstand der beiden Sensoren zueinander (gleich dem Messspalt dA) wird durch einen Kalibriervorgang mit einem Meisterteil – in der Regel ein zertifiziertes Endmaß – bestimmt, dessen Dicke dK genau bekannt ist. Dabei werden die Signale der Sensoren dM1 und dM2 zu der Dicke des Meisterteils addiert, sodass gilt: dA = dK + dM1 + dM1. Im Messbetrieb werden die beiden Sensorsignale vom Sensorabstand subtrahiert und die aktuelle Dicke d des Messgutes berechnet sich durch: d = -(dM1 + dM2).

Bisher sind bei der optischen Dickenmessung Triangulationssensoren zum Einsatz gekommen, die nach dem punktfömigen Ansatz arbeiten. Dabei wird ein einzelner Punkt mithilfe einer Laserlichtquelle auf die Oberfläche des Messobjekts projiziert. Seine diffuse Reflexion wird über eine Abbildungsoptik auf einem Detektor abgebildet und von einem Signalprozessor in einen Abstand umgerechnet. Bei einem Laserliniensensor (gleich einem Profilsensor oder Laserscanner) wird über eine Spezialoptik der Laserpunkt zu einer Linie aufgeweitet und auf die Messfläche projiziert. Das diffus reflektierte Licht dieser Linie wird mithilfe einer hochwertigen Optik auf eine Sensormatrix abgebildet. Im Controller werden sowohl die Abstandsinformation (= Z-Achse) als auch die Position entlang der Linie (= X-Achse) ausgewertet und in einem zweidimensionalen Koordinatensystem wiedergegeben.

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Profilsensoren bieten eine hohe Informationsdichte

Die Dickenmessung mit Abstandssensorik bewegt sich immer in dem Spannungsfeld, das mit steigendem Abstand zum Produkt und steigendem Messbereich – Fakten, die für einen robusten Messprozess gewünscht werden – die Genauigkeit der Sensorik reduziert. Bei der Verarbeitung von Kaltband entstehen oft große vertikale Bewegungen, beispielsweise bei Längsteilanlagen durch die Kräfte der Messer auf das Band. Punktsensoren sind meist nicht mehr in der Lage, bei den notwendigen Messbereichen die Anforderungen bezüglich Linearität und Auflösung zu erfüllen. Die Kunst besteht also darin, eine Kompromisslösung dafür zu optimieren. Die Lösung liefern die Profilsensoren. Die höhere Informationsdichte, die von einem Profilsensor generiert wird, erlaubt diese Optimierung. Bei einem Profilsensor ergibt sich der Messwert aus einer „Best-Fit-Geraden“ durch die vom Sensor erzeugte Punktewolke. Damit ist die Relation „Abstand zu Auflösung“ des Liniensensors erheblich besser als die des Punktsensors, da die Änderung dieser Geraden aus dem Zusammenspiel vieler Teilauflösungen berechnet wird. Das heißt, die Auflösung eines einzelnen Punktes darf schlechter sein als die des Punktsensors. Durch die „Best-Fit-Geraden“ wird dieses Merkmal in Summe so erhöht, dass zum Schluss die Auflösung des Liniensensors bei einem größeren Messabstand besser ist als die des Punktsensors. Mit geeigneten Algorithmen der Signalverarbeitung ist es ferner möglich, die Linearität des so erzeugten Messwerts derart zu verbessern, dass ein herausragendes Verhältnis zwischen Sensorabstand beziehungsweise Messbereich und Präzision erzielt werden kann. Mithilfe der bereits oben angeführten Maßnahmen wird mit Linienscannern ein Arbeitspalt von 190 mm mit einem Messbereich von 40 mm und einer Präzision von ± 5 µm erreicht, während mit Punktsensoren in diesen Bereichen nur etwa ± 25 µm realisiert werden können. Reicht eine Präzision von ± 10 µm, so kann sogar ein Arbeitsspalt von 420 mm mit einem Messbereich von 100 mm erzielt werden.

Linienlaser zeigen den genauen Verkippungswinkel

Ein weitere Herausforderung im Zusammenhang mit Lageveränderungen des Bandes im Prozess sind Verkippungen, die zum Beispiel ebenso durch die Kräfte der Messer in Längsteilanlagen bei den einzelnen Streifen nach dem Schneidvorgang quer zur Produktionsrichtung entstehen. Auch bei idealen mechanischen Voraussetzungen enthält die Messung immer einen Fehler dT in Höhe von dT = d - d/cos (a), wobei d die reale Dicke des Materials und a die Verkippung angibt.

Bei einer Verkippung von a = 3°und einer realen Dicke von d = 5 mm beträgt der Fehler d = 6,8 µm. Mit steigender Dicke oder steigendem Winkel nimmt das Ausmaß des Fehlers zu. Mit dem Linienlaser kann der Verkippungswinkel sehr genau ermittelt werden, um den Fehler zu kompensieren. Bild: Erkennung und Kompensation der Verkippung, zeigt das Verhältnis des Verkippungsfehlers bei einem Blech mit einer realen Dicke von d = 2 mm sowie die unterschiedlichen technischen Gegebenheiten bei der Messung mit Punkt- und Liniensensoren. Verkippungen in Materialrichtung entstehen sehr selten, weil das Band unter Zug transportiert wird. Existieren jedoch auch Verkippungen in Längsrichtung, so kann unter zusätzlicher Nutzung eines weiteren Liniensensors auch diese Störung detektiert und kompensiert werden.

Auch ist die Robustheit bezüglich der Oberflächeneigenschaften des Zielmaterials bei Profilsensoren durch die hohe Informationsdichte bedeutend besser als bei Punktsensoren: Ein Mittelklasse-Scanner mit einer Profilfrequenz von 2 kHz und 640 Punkten pro Profil erzeugt 128.000 Messpunkte pro Sekunde im Gegensatz zu 10.000 oder 50.000 Punkten bei sogenannten High-Speed-Punktsensoren.

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