Laser für den Kabelschutz

Wegsensorik Kabel müssen vielfältige Aufgaben erfüllen und sind deshalb sehr unterschiedlich aufgebaut. Moderne Lasermesstechnik erleichtert die Herstellung der Isolierungsschichten mit Umbänderungs-Maschinen und macht dabei aufwendige Mechanik überflüssig.

21. Mai 2008

Die ordnungsgemäße Funktion von elektrischen Leitungen in jeder Anwendung ist keine Selbstverständlichkeit, schließlich sind die Kabel dort elektrischen und oft auch mechanischen Einflüssen ausgesetzt. Zum Schutz erhalten Runddrähte und Litzen deshalb unterschiedliche Isolations- oder Schutzschichten, die in Bandform umwickelt werden. Die Bänder sind ungefähr 0,1 Millimeter dick und sechs bis acht Millimeter breit und bestehen beispielsweise aus Kapton, Teflon, Polyester, Glimmer, Kupfer oder Glasseide. Aufgebracht werden die Schutzschichten mit speziellen Umbänderungsmaschinen, wie sie das 1959 gegründete Anlagenbauunternehmen Lukas aus Vohenstrauß in der Oberpfalz herstellt. Diese enthalten je nach Ausführung eine oder zwei Umbänderungseinheiten mit einer Aufnahme für das Umbänderungsmaterial auf einer Rolle, die Kops genannt wird. Umgeben ist diese Aufnahme von dem sogenannten Kopf, der das Band führt. Im Zentrum dieser Einheit verläuft der Draht durch die Maschine, während Kops und Kopf permanent in Rotation sind und den Draht mit dem eingelegten Material umwickeln. Weil Kopf und Kops dabei unabhängig voneinander rotieren, lassen sich verschiedene Zugkräfte und Winkel einstellen und je nach Anforderung unterschiedliche Überlappungen, Steigungen oder Zugkraft erreichen. Mit einer zweiten Umbänderungseinheit lässt sich der Draht gegebenenfalls nochmals, wenn nötig auch gegenläufig zur ersten, umwickeln.

Auf die Durchmesser kommt es an

Entscheidend für die Regelung der Zugspannung während des gesamten Vorgangs ist es, stets den aktuellen Durchmesser der Bandrolle zu kennen. Zur Lösung dieser Aufgabe nutzten die Maschinenbauer aus der Oberpfalz zunächst eine Reflexlichtschranke mit einer beweglichen Sensoreinheit, die laufend zur Rolle schwenkte. Sobald die Rolle beim aktuellen Durchmesser den Lichtstrahl unterbricht, entsteht ein Impuls, der als Wert für den Durchmesser verwendet werden konnte. Eine weniger aufwendige Lösung fand Lukas Anlagenbau jedoch bei dem Messtechnikunternehmen Micro-Epsilon in Ortenburg bei Passau: Die niederbayerischen Sensorikspezialisten montierten dazu in der Maschine neben der Trommel einen Laser-Triangulationssensor, der den aktuellen Durchmesser der Trommel permanent berührungslos erfasst. Das eingesetzte Modell optoNCDT 1401 mit einem Messbereich von 200 Millimeter projiziert dazu auf die Oberfläche des gewickelten Materials einen Laserlichtstrahl und erfasst dessen Reflexion mit einem lichtempfindlichen Element. Bei einer Änderung des Abstands zwischen Sensor und Oberfläche ändert sich der Winkel, unter dem die Kamera den Lichtfleck aufnimmt. Eine einfache trigonometrische Berechnung ermöglicht es damit, den Abstand sehr genau zu bestimmen und liefert eine eindeutige Aussage über den Durchmesser der Spule mit einer möglichen Auflösung bis in den Submikrometerbereich. Aus den gewonnen Messdaten errechnet der Wickelrechner sodann das Sollmoment des Kopsantriebs.

Störungsfrei durch Software

Probleme bereiten können bei dieser Anwendung die senkrechten Streben am rotierenden Kopf zur Bandführung, die laufend den Messbereich des Sensors durchkreuzen. Die entsprechenden Signale müssen deshalb softwareseitig ausgeblendet werden, sodass als Messergebnis nur der Durchmesserwert übrig bleibt. Keine Schwierigkeiten machen dagegen die unterschiedlichen Oberflächeneigenschaften der Materialien auf der Trommel, die von metallisch glänzend bis transparent sein können. Bei manchen anderen Lasersensoren kann es bei glänzenden Metallen aufgrund der direkten Reflexion zu Störungen kommen.

Damit sich das Band beim Anhalten oder bei langsamer werdender Produktion nicht unnötig abrollt und damit den Produktionsablauf stört, sind zwei verschiedene Grundtypen der Anlage erhältlich. Die Standardausführung verarbeitet Bänder, die Zugbelastungen über vier Newton vertragen. Die nötige Bandspannung wird dabei durch Bremsen des Kopses mit einem momentengesteuerten Antrieb erreicht. Dazu ermittelt der Wickelrechner aus den gewonnenen Daten des Lasersensors das notwendige Moment für den Antrieb.

Für empfindlichere Bänder mit einer erlaubten Bandspannung ab einem Newton bietet der Hersteller als zweite Variante zudem eine Ausführung mit einem angetriebenen Kops. Bei dieser Version erfassen Sensoren nicht nur den Spindeldurchmesser, sondern außerdem auch das Drehmoment. Beide Daten werden im Wickelrechner zur Berechnung des richtigen Drehmoments und der richtigen Zugspannung verwendet, sodass äußere Einflüsse wie Reibung und unterschiedliche Lagertemperaturen ausgeschlossen bleiben.

Florian Hofmann, Micro-Epsilon

Erschienen in Ausgabe: 03/2008