Bei rauen oder glänzenden Oberflächen

Der Autor: Dr. Volker Engels, Business Unit Manager Advanced Sensors, Sensor Solutions bei der Baumer Electric AG in Frauenfeld/CH

Laser-Distanzsensoren sind heut in vielen Branchen wichtiger Bestandteil in der Fabrikautomation sowie in Prozessen zur Qualitätssicherung. Sie messen berührungslos Distanzen, Breiten, Positionen und Durchmesser von Objekten mit hoher Genauigkeit. Laser-Distanzsensoren von Baumer beruhen auf dem Triangulationsprinzip. Der Sensor sendet einen Lichtpunkt oder Lichtstrahl auf das zu messende Objekt und das reflektierte Licht trifft im Sensor in einem speziellen Winkel auf eine Empfängerzeile. Je nach Distanz ändern sich der Einfallswinkel und damit die Position des Lichtpunktes auf dem Empfänger. Die Kombination aus Fotodioden-Zeile und Mikrocontroller ermöglicht die Unterdrückung störender Reflexionen und liefert somit zuverlässige Daten auch auf kritischen Oberflächen. Da die Anwendungen sehr unterschiedlich und vielseitig sind, müssen auch die Laser-Distanz-Sensoren unterschiedliche Leistungsmerkmale aufweisen. Neben verschiedenen Baugrößen und Reichweiten spielt vor allem die Strahlform eine wichtige Rolle. Dank der kontinuierlichen Weiterentwicklung bietet der Hersteller mit dem neuen Messprinzip Multi-Spot nun drei unterschiedliche Strahlformen in seinem Mesax-Portfolio.

Mesax-Laser-Point-Sensoren erfassen dank einer Spotgröße von weniger als 0,4 mm selbst sehr kleine Objekte mit einer hohen Präzision. Sie kommen deshalb z.B. im Bereich Assembling & Handling zum Einsatz, wenn es darum geht Positionsüberprüfungen auf Basis von Abstandsmessungen durchzuführen. So kann ein Mesax-Laser-Point-Sensor die Position von Zahnrädern in der Uhrenherstellung schnell und präzise überprüfen. Die Sensoren arbeiten so genau, dass sie beispielsweise auch im Bereich der Elektronikindustrie für die Höhenmessung einzelner Mini-Bauelemente eingesetzt werden können.

Für leicht raue Oberflächen bietet das Portfolio Sensoren mit einem etwas erweiterten Strahl (Mesax-Laser-Line). Dank einer Laserline von bis zu 10 mm wird der Mittelwert einer rauen Oberfläche präzise gemessen. So lassen sich Distanzen auch auf unbehandelten Holzbretter messen. Ein weiterer Einsatzbereich ist die Bestimmung der Garnlänge durch die Messung des Rollendurchmessers in der Textilindustrie.

Die Herausforderung für Laser-Distanzsensoren liegt aber immer noch in der Messung auf sehr rauen und glänzenden Oberflächen. Meist erreichen zu wenige oder gar keine Informationen den Sensor, um verlässliche bzw. präzise Messergebnisse zu erzielen. Bisher musste in solchen Fällen auf andere Technologien wie Ultraschall ausgewichen werden. Im Vergleich zu optischen Sensoren sind diese aber wesentlich langsamer. Auch die Implementierung hochpräziser optischer Mess-Systeme mit externer Software ist für viele Applikationen zu teuer und zu aufwändig. Mit den Mesax-Multi-Spot-Sensoren schließt Baumer diese Lücke. Die kompakten Sensoren liefern exakte und wiederholgenaue Messergebnisse mit einer Auflösung bis zu 2 µm bei einer Messfrequenz von 500 Hz, ganz ohne externe Software.

Diese Sensoren ermöglichen mit den drei integrierten Messmodi Mittelwert, Minimum und Maximum unterschiedliche Messungen. Die Modi selber werden einfach und schnell direkt über ein intuitives Touch-Display eingestellt. Die gemessenen Distanzwerte werden direkt in mm angezeigt, eine externe Umrechnung ist nicht notwendig. Im Vergleich zu aufwändigen Mess-Systemen ist der Sensor also optimal auf die Funktion Distanzmessung eingestellt. Durch die Kalibrierung ab Werk ist er sofort einsatzbereit.

Das innovative Messprinzip beruht auf dem Lichtschnittverfahren. Basierend auf dem Triangulationsprinzip wird dabei der bis zu 62 mm breite Laserstrahl auf eine Empfängermatrix abgebildet und es werden bis zu 600 Distanzinformationen ermittelt. Die intelligente Auswertung dieser Distanzinformationen erfolgt direkt im Sensor, der die daraus resultierende Distanz berechnet. Der Sensor bietet dank einer Auflösung von bis zu 2 µm bei einer Messfrequenz von 500 Hz sehr stabile und präzise Messergebnisse selbst auf extrem rauen und inhomogen glänzenden Oberflächen und bei variierenden Fremdlichtbedingungen. Aus diesem Grund eignet er sich für eine Vielzahl von Applikationen aus der Mess- und Prüftechnik.

In den meisten Applikationen kommt der Modi Mittelwert zu Einsatz. Je nach Art und Form der Oberfläche kann das Messfeld eingeschränkt werden. Die Sensoren erfassen dann über einen festgelegten Messbereich eine Vielzahl von Messwerten und berechnen automatisch den Mittelwert. So können Distanzen selbst auf leicht gebogene Flächen wie einer Schleifscheibe gemessen werden. Der vom Sensor gelieferte Distanzwert mit einer absoluten Genauigkeit kleiner als 0,1 mm wird direkt in der Regelung der CNC-Maschine genutzt.

Bei inhomogen glänzenden Objekten kommt es oft zu einem hohen Streuverlust, sodass das Licht eines auf der Oberfläche reflektierenden Laserspots nicht immer zurück zum optischen Empfänger gelangt. Dank der Multi-Spot-Technologie mit über 600 Messwerten liegen in der Regel genügend Distanzinformationen im Sensor vor, um eine präzise Messung der Distanz im Mode Mittelwert durchzuführen. Auf diese Weise können auch glänzende Formteile in der Qualitätsprüfung präzise vermessen werden.

Mit dem Mesax-Laser-Distanzportfolio basierend auf dem Multi-Spot-Prinzip bietet Baumer ein umfangreiches Portfolio, das so gut wie alle üblichen Anforderungen abdeckt. Dabei ist es völlig egal, ob es um sehr kleine, schnelle Objekte, große Distanzen oder wie hier beschrieben, um sehr schwierige Oberflächen geht.

Baumer GmbH

Friedberg

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Weitere Informationen zu den Sensoren:

www.baumer.com/multi-spot