Ausgefeilte Lösung

Theodor Strasser, Sick AG, Stans/Schweiz

Als hochpräzise Taster mit Analogausgang schlagen OD-Displacementsensoren die Brücke vom Sensor zum Messinstrument. Die Tast- bzw. Messergebnisse weisen eine besonders hohe Auflösung bei gleichzeitig hoher Linearität auf. Erreicht wird dies durch den Einsatz von Laserlichtquellen mir präziser Optik, die auf dem Detektionsobjekt nur einen äußerst kleinen Lichtfleck erzeugt. Hinzu kommt die digitale Verarbeitung der empfangenen Signale mit besonders hoher Auflösung und Genauigkeit. Durch die zusätzlichen Rechen- und Verarbeitungsfunktionen der Auswerteeinheit ODC wird die Funktionalität der Sensoren noch erweitert. Dadurch konnte bei Usines Metallurgiques de Vallorbe eine speziell an die dortigen Prüfbedürfnisse angepasste Lösung zur Biegungskontrolle von Metallfeilen umgesetzt werden.

„Cité du fer“, übersetzt „Stadt des Eisens“ – schon auf dem Weg zum Unternehmen wird auf die jahrtausende alte Tradition der Metallbearbeitung in der Stadt und der Region hingewiesen. Bereits der homo habilis war hier mit der Herstellung von Werkzeugen beschäftigt. „Heute setzt die Usines Metallurgiques de Vallorbe diese Tradition fort. Bei uns werden pro Monat ca. 525 km Feilen in mehreren tausend Ausführungen produziert,“ berichtet Werksleiter Arnold Aebischer. Mehr als 300 Distributoren versorgen weltweit über 1 Mrd. Kunden mit Präzisionsfeilen und anderen Werkzeugen des Unternehmens. Und sogar bei der bemannten Raumfahrt waren Vallorbe-Feilen bereits im Einsatz.

„Ob Astronaut, Schmuckhersteller oder Uhrmacher – unsere Kunden erwarten von uns qualitativ hochwertige Produkte, denn nur so können sie ihrem eigenen Qualitätsanspruch gerecht werden. Daher war es für uns eminent wichtig, eines der wichtigsten Qualitätskriterien – die Biegung bzw. Nicht – Biegung aller hergestellten Feilenkörper – mit hoher Genauigkeit und der Möglichkeit der Dokumentation zu überwachen,“ erläutert Arnold Aebischer weiter. Statt manueller Stichprobenkontrolle mittels einer Prüflehre kommt heute an jeder der sechs Produktionslinien eine Prüfstation mit je drei Displacementsensoren OD 25 zum Einsatz. Betriebstechnisch von Vorteil war dabei die Tatsache, dass diese Sensorik-Baureihe Laser der Schutzklasse 2 einsetzt. OD-Sensoren können somit genauso gefahrlos und damit genauso einfach wie herkömmliche Lichtschranken installiert und betrieben werden.

„Die bearbeiteten Rohlinge werden einzeln einer Induktionshärteeinrichtung zugeführt, kurz rotglühend erhitzt, danach per Kettenförderung durch ein Ölbad transportiert und abgekühlt und schließlich in einer Wärmeeinheit getrocknet, bevor sie die Prüfstation erreichen,“ beschreibt Denis Bertin, der verantwortliche Elektrotechniker der Usines Metallurgiques de Vallorbe, den Prozess in Kürze. In jeder Prüfeinheit sind drei OD-Sensoren installiert. Sie führen – während der Prüfling um die eigene Achse gedreht wird – eine kontinuierliche Entfernungsmessung an Anfang, Mitte und Ende des Feilenkörpers durch. Um diese Funktion realisieren zu können, ist an jeden Sensor eine Auswerteeinheit ODC angeschlossen. Sie verarbeitet das linearisierte Ausgangssignal der ODs, hält pro Prüfling die gemessenen Höchst- und Tiefstwerte fest und vergleicht sie mit den eingelernten Soll- und Toleranzvorgaben.

Einheiten, die diese im Zehntel Millimeter-Bereich liegenden Werte überschreiten, werden durch eine Auswurfmechanik ausgeschleust. Einwandfreie Feilen werden in einem Behälter aufgefangen, in dem sie für den nächsten Bearbeitungsschritt bereitgestellt werden.

Durch den Einsatz von je drei OD 25 pro Maschine kann die Biegung jeder induktionsgehärteten Feile – pro Maschine und Stunde sind mehr als 2100 Teile – zuverlässig erfasst werden. Die Laserlichtquelle bietet dabei einen messtechnische Vorteil: die Aussendung von nahezu parallelem Licht, das auf dem Tastgut nur einen kleinen Lichtfleck erzeugt. So beträgt beispielsweise beim OD 25 der Lichtfleckdurchmesser beim maximalen Tastabstand von 25 mm nur 0,5 mm. Dadurch ist auch die von den Feilen empfangene Remission entsprechend präzise erfassbar. Per Wahlschalter am Gerät kann dabei die optimale Anpassung des Sensors an zum Teil glänzende, zum Teil raue und damit reflexionsvariable Feilenoberfläche erreicht werden. Das von der Laserdiode ausgesandte Licht wird von der metallischen Feilenoberfläche reflektiert und von einer Empfangslinse auf einem Empfangsarray abgebildet. Der Ort des Lichtflecks auf diesem sogenannten PSD-Detektor (nach: Position Sensitive Device) ist abhängig von der Entfernung des erfassten Objektes. Das Ganze funktioniert ähnlich der Entfernungsmessung bei einer Autofocus-Kamera, ist jedoch um ein vielfaches präziser. Der PSD wandelt das Licht in zwei Fotoströme um, deren Verhältnis vom Ort des Lichtflecks auf dem PSD abhängt. Die Verrechnung der Signale per Triangulationsverfahren im Microcontroller ergibt die Entfernung des Objektes. Die digitale Signalverarbeitung der OD-Baureihe liefert dann ein linearisiertes 4…20 mA-Ausgangssignal, das bei der Usines Metallurgiques de Vallorbe im ODC weiterverarbeitet wird.

Feile ist nicht gleich Feile – vielmehr ergibt sich aus den unterschiedlichen Einsatzzwecke der verschiedenen Abnehmerzweige eine große Feilenvielfalt. Um unterschiedliche Typen auf der selben Produktionsanlage fertigen zu können, muss nicht nur die Mechanik, sondern auch die Sensorik dafür geeignet sein. „Hierfür haben wir die einzelnen Teach In – Eingänge der ODs zusammengefasst und auf einen Drehschalter am Schaltkasten der Prüfeinheit gelegt,“ beschreibt Betriebselektriker Angel Gonzales.

„Bei jedem Chargenwechsel können wir in wenigen Sekunden die neuen Prozessparameter vorgeben, in dem wir eine Master-Feile in die Prüfstation legen und den Drehschalter auf Teach in stellen. Die Messwerte der ODs werden dann im jeweiligen ODC als neue Spitzen- und Tiefstwert-Sollvorgaben gespeichert.

Danach wird die Sensorik auf Prüfbetrieb umgeschaltet und die neuen Feilen können kommen.“ Diese Lösung hat nicht nur den Vorteil, dass mit nur einer Schalterdrehung alle drei Sensoren in der Prüfeinheit angesprochen werden können. Hinzu kommt – da es auf eine Zehntel Millimeter genaue Kalibrierung ankommt – dass bereits der leichte Druck auf den Teach-In-Schalter am Gerät die Entfernung zum Tastgut u. U. beeinflussen kann und so das Messergebnis verfälschen würde.

Neben dem Displacement-Sensor OD 25 mit 25 mm Tastweite stehen weitere fünf Varianten zur Verfügung. Deren Tastweiten von 30 mm, 50 mm, 100 mm, 130 mm und 250 mm erlauben ebenfalls die Lösung zuverlässiger Erfassungs- und Messaufgaben im Produktionsumfeld unter den unterschiedlichsten Randbedingungen. Alle Geräte sind dabei sowohl mechanisch und als auch elektrisch kompatibel – Änderungen einer bereits bestehenden Aufgabenstellung in puncto Messbereich oder Objektabstand können also einfach berücksichtigt werden. Je nach Montagesituation stehen OD-Versionen mit drehbarem M12-Gerätestecker oder mit 2 m langem Anschlusskabel zur Verfügung.

Weltweit schätzen Experten das Marktvolumen für Displacement – Sensoren auf etwa 80000 Einheiten pro Jahr. Die einfache Bedienung und hohe Präzision der Sensoren ermöglichen somit auch in zahlreichen anderen Applikationen „ausgefeilte“ Lösungen für eine zuverlässige Objekterfassung und -messung.