Präzision jenseits der Atome

Sensorik

Interferometer – Mit dem interferometrischen Sensor IDS3010 eröffnet die Wittenstein-Tochter Attocube dem Maschinenbau ganz neue Möglichkeiten bei der Erfassung von Schwingungen an der Maschine.

01. Juni 2017

Der Maschinenbau strebt immer mehr der Hochleistung zu. Und mit diesem Trend wächst auch der Bedarf an hochgenauen Messmitteln. In ganz neue Dimensionen stößt dabei die Attocube Systems AG aus München vor. Dazu Dr. Dirk Haft, Vorstand Innovation der Mutter Wittenstein SE: »Wir sind froh, mit dem interferometrischen Sensor IDS3010 eine bahnbrechende Innovation für die nanopräzise Messtechnik präsentieren zu können. Damit gehen wir mit viel frischem Wind in die Zukunft. Wir sind fit für Industrie 4.0 und bringen das Zeitalter der Digitalisierung auch in die Antriebstechnik.«

Was verbirgt sich dahinter? »Wir stellen mit dem IDS3010 einen Wegstreckensensor zur sehr präzisen Messung von Positionen und Bewegungen vor«, sagt Dr. Martin Zech, Vorstandsvorsitzender der Attocube Systems AG. »Er misst Positionen, Schwingungen und Zustandsveränderungen bei Maschinen, Werkzeugen und Werkstücken mit höchster Genauigkeit und Auflösung. Dabei sind Messdistanzen von bis zu fünf Metern und eine Positionsauflösung von bis zu einem Picometer möglich. Das ist ein 50-Millionstel eines Haares.«

Der berührungslos arbeitende Sensor basiert auf einem speziellen Prinzip der Interferometrie, das Attocube fundamental weiterentwickelt habe. Dabei sendet der neue IDS3010 einen monochromatischen Laserstrahl aus. Ein kleiner Teil des Lichtes wird am Sensorkopf reflektiert und das übrige Laserlicht auf das Messobjekt gerichtet, dort reflektiert und auch zum Sensorkopf geleitet. Referenzstrahl und rückreflektierter Strahl interferieren miteinander und erzeugen je nach Abstand des Messobjekts ein mehr oder weniger starkes Signal. Eine neuartige Frequenzanalyse ermittelt anhand dieser Informationen die Positionsänderung des Messobjekts.

»Am bekanntesten ist die Interferometrie zur Kalibrierung von Werkzeugmaschinen«, sagt Zech. »Die bisher eingesetzten Interferometer waren aber ziemlich klobig und teuer. Wir wollten die Technologie echtzeitfähig machen, digitalisieren und von den Abmaßen in eine Maschine integrierbar gestalten. Das ist bei Abmessungen von 195 x 50 x 50 Millimetern durchaus gelungen. Unser neuer Sensor basiert also auf einem 150 Jahre alten Messprinzip, das wir entscheidend revolutioniert und mit modernster Technologie weiterentwickelt haben.«

Ganz einfach zu integrieren

Das, was früher sehr teuer und für viele Maschinenbauer unerschwinglich war, ließe sich jetzt relativ einfach in Maschinen und Anlagen integrieren. In mehrkanaliger Konfiguration ermöglicht der Sensor als Echtzeit-Vibrometer – unter Einsatz entsprechender Aktorik – eine aktive Schwingungskompensation. An rotierenden Objekten lässt sich die mechanische Verlagerung von Exzentrizitäten aufgrund von Verschleiß oder Krafteinwirkung erfassen. So lassen sich zum Beispiel Unwuchten an schnell laufenden Wellen messen und deren Winkellage mit höchster Präzision ermitteln. Dazu Martin Zech: »Wir sind in der Lage, mit zehn Millionen Punkten pro Sekunde abzutasten und auf diese Weise Präzision für Hochleitungsmaschinenbauer neu zu definieren. Wir können mit einem Messstrahl aus berührungslos und direkt das Schwingungsverhalten einer Spindel in Echtzeit bestimmen und gleichzeitig das des Werkstücks.

Auf diese Weise ist es erstmals möglich, die Schwingungen einer Werkzeugmaschine in Echtzeit zu messen und auf Basis dessen aktiv zu kompensieren. »So bringen wir die Präzision an den Ort des Geschehens.«

Die Abtastung ruhender oder sich mit bis zu zwei Metern pro Sekunde bewegender Objekte erfolgt mit einer Messbandbreite von zehn Megahertz – in jeder Mikrosekunde werden zehn Messwerte generiert, die alle relevanten Informationen der Position oder Bewegung enthalten.

Der IDS3010 ist als optischer Mehrkanal-Messsensor konzipiert. »An die äußerst kompakte Basiseinheit können über Glasfaserkabel bis zu drei Miniatur-Sensorköpfe angeschlossen und so Positionen und Bewegungen simultan in bis zu drei Achsen gemessen werden«, erklärt Zech. Durch die verschiedenen Sensorköpfe sei der Anwender flexibel und er könne sehr verschiedene Oberflächen bei Distanzen bis zu 30 Metern auch direkt auf dem Werkstück messen. »Dadurch werden anbau- und prinzipbedingte Messfehler aufgrund von Spiel, Verschleiß, Verformung, temperaturbedingten Längenänderungen oder anderen Einflüssen vollständig eliminiert.«

Attocube bietet Sensorkopfausführungen für unterschiedliche Materialen und Oberflächen wie Glas, Kunststoff, Keramik, Aluminium, Kupfer oder Stahl. Für sehr anspruchsvolle Messaufgaben lassen sich die Sensorköpfe nach den Anforderungen des Kunden anpassen und auch aus Wolfram oder Saphir fertigen. Zur Auswertung gibt es eine Vielzahl echtzeitfähiger Schnittstellen und Protokolle für die einfache Übertragung von Positionsdaten an CNC-Controller oder RTOS-Computer. Feldbusschnittstellen in industrieübliche Netzwerke wie CANopen, Profinet, Profinet RT und Ethercat können auf Kundenwunsch angeboten werden und gewährleisten die einfache Integration des IDS3010 in größere Anlagen.

Der IDS3010 verfügt zudem über einen integrierten Webserver. Per Fernzugang kann so die Ausrichtung, Initialisierung und Konfiguration des Sensors von jedem beliebigen Ort aus gesteuert, angepasst und überwacht werden. Zudem lässt sich der Sensor in Industrie-4.0-Anwendungen integrieren.

In den Anwendungen benötigen nicht mehr nur die Halbleiterfertigung und die Produktronik, sondern auch die Antriebstechnik und der Präzisionsmaschinenbau eine messtechnische Präzision im Sub-Nanometerbereich für eine erfolgreiche Miniaturisierung und eine Erhöhung der Leistungsdichte. Entsprechend vielfältig ist das Anwendungsspektrum des IDS3010.

Als ein reines Wegmesssystem kommt der Sensor beispielsweise für die Kalibrierung von Werkzeug- und Koordinatenmessmaschinen zum Einsatz. In Verstelleinheiten, wie in der feinmechanischen und optischen Industrie oder im Hochleistungs-Sondermaschinenbau, kann das Interferometer IDS3010 anstelle von Inkremental-Encodern zur Positionsbestimmung eingesetzt werden.

Erschienen in Ausgabe: 05/2017