Dem IDS3010 eröffnet sich ein breites Anwendungsfeld: Kalibrierung von Achsen in Werkzeug- und Koordinatenmessmaschinen, der Einsatz als Mess- und Prüfmittel in Feinmessräumen, Vibrationsmessungen an Produktionsmaschinen sowie die Integration für kundenspezifische Anwendungen von OEM-Kunden.

Bild: Wittenstein

Industrial Displacement Sensor Wegbereitende Präzisionstechnologie

14.09.2018

Der Industrial-Displacement-Sensor IDS3010 eröffnet industriellen High-End-Anwendungen eine völlig neue Dimension der Präzision. Gleichzeitig bietet er als interferometrischer Messsensor erstmals ein industrietaugliches Konzept.

Mit dem IDS3010 der attocube systems können Positionen und Bewegungen gleichzeitig in bis zu drei Achsen mit einer digitalen Auflösung von einem Milliardstel Millimeter gemessen werden. Zudem bietet der Industrial Displacement Sensor eine kompakte und integrationsfreundliche Bauform, eine einfache Bedienung und eine Messdatenausgabe im Zehntel-Mikrosekundentakt.

Ein weiteres Merkmal des IDS3010 ist seine nahezu uneingeschränkte Konnektivität. Über den integrierten Webserver lässt sich der IDS3010 bei der Inbetriebnahme initialisieren, konfigurieren, für den Datenaustausch einrichten oder auch in Industrie-4.0-Anwendungen einbinden. Im Betrieb ermöglichen verschiedene Echtzeit-Schnittstellen und Protokolle die Übertragung der Positionsdaten. Optional können die Messdaten mit einer Messsoftware dargestellt und verarbeitet werden. Der Webserver erlaubt es, den Messsensor bei Bedarf aus der Ferne zu bedienen und zu überwachen.

Nanomesstechnik im Maschinenbau

Der technische Fortschritt unserer Zeit liegt ganz eindeutig in der Miniaturisierung und in der damit verbundenen zunehmenden Präzision von Produkten. Dieser Entwicklung muss der Maschinenbau mit seinen Produktionsmaschinen folgen. Während höchste Präzisionsanforderungen bis in den Sub-Nanometerbereich in der Halbleiterfertigung, der Produktronik und der Optik seit Langem üblich sind, erreicht die „Nanowelt“ heute mehr und mehr auch den Maschinenbau und löst das „Denken in µm“ zunehmend ab. So sind beispielsweise im Präzisionsgetriebebau höhere Teilungsgenauigkeiten ein geeignetes Mittel, die inneren Kräfte an den Verzahnungen besser zu verteilen.

Präziser gefertigte Zahngeometrien führen zu geringeren Spannungsspitzen und höherer Belastbarkeit. Die Präzisionsfertigung und folglich auch die Messung im Sub-Mikrometerbereich sind eine wichtige Voraussetzung, bestehende mechanische Systeme zu noch mehr Leistungsdichte zu entwickeln. Schließlich vergrößert auch die Miniaturisierung von Produkten und die damit einhergehende Anpassung von Produktionsprozessen den Entwicklungsdruck vom Mikrometer- in den Nanometerbereich – und dies nicht nur in der Antriebstechnik, sondern in einer steigenden Anzahl von Branchen und Produkten.

Folgerichtig eröffnet sich dem IDS3010 – der als Bewegungssensor mit Weg, Geschwindigkeit und Beschleunigung gleichzeitig mehrere physikalische Größen erfassen kann – ein breites Anwendungsfeld. Hierzu gehören die Kalibrierung von Achsen in Werkzeug- und Koordinatenmessmaschinen, der Einsatz als Mess- und Prüfmittel in Feinmessräumen, Vibrationsmessungen an Produktionsmaschinen sowie die Integration für kundenspezifische Anwendungen von OEM-Kunden.

Interferometrie im industriegerechten Design

Im Gegensatz zu früheren interferometrischen Messsystemen erfüllt der IDS3010 alle Anforderungen an ein industriegerechtes und platzsparendes Design. So besteht der berührungslos arbeitende Sensor aus einer äußerst kompakten Basiseinheit, an die bis zu drei Miniatur-Sensorköpfe mit Glasfaserkabel angeschlossen werden können. Der IDS3010 kann direkt auf dem Objekt, beispielsweise einem Spindelkopf, einem Werkzeug oder einem Messtaster messen. Dabei erreicht er bei Messdistanzen von bis zu fünf Metern eine Auflösung im Nanometerbereich.

Die ultimative Präzision wurde von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt PTB in Braunschweig überprüft: Bezogen auf einen Messbereich von 0 bis 3.000 Millimeter misst und bestätigt sie die systematische Messabweichung von 0,0 ppm1. Mit dieser enorm hohen Präzision ist der Sensor in der Lage, anbau- und prinzipbedingte Messfehler aufgrund von Spiel, Verschleiß, Verformung, temperaturbedingten Längen­änderungen oder anderen Einflüssen vollständig zu eliminieren. Die Abtastung ruhender oder bewegter Objekte erfolgt bei Geschwindigkeiten bis zwei Meter pro Sekunde mit einer Messbandbreite von 10 MHz – in jeder zehntel Mikrosekunde wird also ein Messwert generiert, der alle relevanten Informationen der Position oder Bewegung enthält.

Breites Einsatzspektrum

Kompakt in der Bauform, flexibel integrierbar, einfach zu bedienen, vielseitig einsetzbar, wirtschaftlich und extrem präzise – der interferometrische Messsensor IDS3010 ist genau das, was in immer mehr industriellen Anwendungen gefragt ist. Seine einfache Konfiguration, Integration und Inbetriebnahme machen den IDS3010 beispielsweise für den Einsatz als Mess- und Prüfmittel zur Qualitätssicherung mit ihren häufig wechselnden Aufgaben sehr attraktiv. Die Lichtleiter lassen sich sehr flexibel an die Messpunkte heranführen und präzise ausrichten – und die bedienfreundliche Software des Messsystems erleichtert die Inbetriebnahme wie auch die Bedienung. Winkelversatz, Parallelitäten, Verkippungen, Unrundheiten und Exzentrizitäten können so in Feinmessräumen im Nanometerbereich schnell und vollkommen berührungslos bestimmt werden. Um ein möglichst breites Anwendungsspektrum – nicht nur in der Qualitätssicherung – abzudecken, stehen für die meisten in der Praxis vorkommenden Objekte und deren Oberflächen und Reflektivität spezielle optische Linsen im Programm. Sie gewährleisten, dass die Optikköpfe auf unterschiedliche Materialien wie Silicium (Wafer), Keramik, Aluminium, Kupfer oder Stahl, aber auch auf Glasoberflächen mit einer Reflektivität von gerade einmal vier Prozent – mit gleichbleibend hoher Präzision messen.

Das industriegerechte Design des IDS3010 – vor allem aber die Möglichkeit, Wegänderungen im MHz-Bereich äußerst präzise zu erfassen und in Echtzeit auszugeben – eröffnet dem Sensor auch bei der Vibrationsmessung und Frequenzanalyse an Produktionsmaschinen sowie als Laborgerät zur Erfassung mechanischer Schwingungen und Resonanzverhalten interessante Einsatzfelder. Dies ermöglicht es nicht nur, auftretende mechanische Verlagerungen – hervorgerufen beispielsweise durch Verschleiß und mechanische Kräfte – zu erkennen, sondern mit den Messwerten des IDS3010 Maschinenschwingungen durch aktive Unterdrückung und Ausregelung bis in den Nanometer-Bereich zu kompensieren.

IDS3010: Wirtschaftlich, kompakt und flexibel

Bei der Kalibrierung von Achsen in Werkzeug- und Koordinatenmessmaschinen wurden mechanisch bedingte Abweichungen von Linearachsen bisher mit Michelson-Laserinterferometer in x-Abständen gemessen, in Tabellen erfasst und diese Werte zur Korrektur in die Maschinensteuerung eingespeist. Mit dieser Messmethode wurde zwar die Absolutgenauigkeit der Maschinen erhöht beziehungsweise konstant gehalten – als nachteilig erwiesen sich jedoch die hohen Anschaffungskosten und die zeitintensive Montage des ausladenden Messsystems auf Stativen. Demgegenüber ist das IDS3010 als Seriengerät in seinen Anschaffungs- und Folgekosten nicht nur deutlich wirtschaftlicher, sondern durch seine kompakte Bauform und seine kleinen Sensorköpfe sehr viel leichter und flexibler in eine Werkzeug- und Koordinatenmessmaschine integrierbar. Das macht den interferometrischen Messsensor auch für OEM-Anwendungen interessant.

Ein Beispiel für eine solche Anwendung ist der Einsatz des IDS3010 in interferometrischen OEM-Komplettsystemen für Mess- und Werkzeugmaschinen, Roboter und räumliche Strukturen. In einem solchen System zur volumetrischen Kompensation von Abweichungsparametern, das auf mittelgroße bis sehr große 3- bis 6-Achs-Maschinen ausgelegt ist, werden mit dem Messsensor von attocube systems in vollautomatischen Messabläufen alle 21 systematischen Geometrieabweichungen einer 3-Achs-Maschine ermittelt, die ein Werkzeug oder ein Taster innerhalb des Maschinenraums eines Multisensor-Messsystems, eines Koordinatenmessgerätes oder einer Hochpräzisions-Werkzeugmaschine aufweisen kann. Die entsprechenden Korrekturdaten werden anschließend im maschinenspezifischen Format zur volumetrischen Kompensa-
tion bereitgestellt.

Weitere OEM-Anwendungen sind unter anderem in der Halbleiterindustrie anzutreffen. In diesem Bereich wird beispielsweise in Prozessen, die im Hochvakuum stattfinden, höchste messtechnische Genauigkeit gefordert. Unabhängig von den OEM-Aufgabenstellungen kann der IDS3010 durch seine Modularität als maßgeschneidertes Subsystem entworfen und kundenspezifisch an verschiedene Anwendungen angepasst werden.

Der IDS3010 schlägt auf industriegerechte und wirtschaftlich effiziente Weise die Brücke von der Mikro- zur Nanowelt. Damit wird der Messsensor auch in vielen weiteren Anwendungsfeldern zu einer wegbereitenden Technologie mit höchster Investitions- und Zukunftssicherheit.

Bildergalerie

  • Der IDS3010 kann mit unterschiedlichen Sensorköpfen für unterschiedliche Einbaubedingungen, Materialoberflächen und Umgebungsbedingungen betrieben werden.

    Bild: Wittenstein

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