Faszination Laser-Messtechnologie

Dipl.-Ing. (FH) Martin Tippmann, Produktmanager Datenübertragung, Messtechnik im Geschäftsbereich Logistik bei Leuze electronic

1958 wurde der Laser erfunden und 1960 wurde der erste Laser gebaut. Seitdem hat das von Lasern erzeugte Licht in der Technik einen unvergleichlichen Siegeszug angetreten. Es dient heute als Übertragungsmedium für extrem schnelle Kommunikationswege, die wir zum Beispiel im Internet brauchen. Es hat sich bei Schneid- und Schweißprozessen in der Werkzeugmaschine durchgesetzt. Es hat die Speichermedien in der Computerwelt und in der Unterhaltungselektronik revolutioniert. Seine besonderen physikalischen Eigenschaften erschließen in der Meßtechnik neue Verfahren in technischen und medizinischen Anwendungen.

Nur mit Lasern ist es möglich, sehr kurze Lichtimpulse zu erzeugen, die sich mit der größten im Universum machbaren Geschwindigkeit, der Lichtgeschwindigkeit, im Raum bewegen.

Die Distanzmessung über Laufzeit von Licht hat bereits eine klassische Anwendung. Die extrem hohe Geschwindigkeit, mit der sich Licht ausbreitet, prädestiniert das Verfahren für genaue Messungen über große Entfernungen. So wird seit 1969, nachdem amerikanische Astronauten Spiegel auf dem Mond zurückgelassen haben, die Entfernung des Mondes zur Erde bis auf drei Zentimeter genau ermittelt. Das Licht mit seiner Geschwindigkeit von rund 300.000 Kilometer pro Sekunde braucht ungefähr 1,3 Sekunden, um auf einen dieser Spiegel zu treffen und wieder die gleiche Zeit, um zur Erde zurück zu gelangen. Die gemessene Laufzeit gibt Auskunft über die vom Licht zurückgelegte Strecke.

Der genaue Wert der Lichtgeschwindigkeit in Vakuum ist c = 299.792.458 Meter pro Sekunde. Sie definiert eine Strecke, die das Licht in 1/299.792.458tel Sekunde zurücklegt. Aus dieser extrem kurzen Laufzeit wird die Faszination innovativer Laser-Messtechnik für den Anlagenbau anschaulich. Bei hochdynamischen Systemen ist es essentiell, auf kurze Distanzen hochgenau und in kürzester Zeit Entfernungswerte zu ermitteln.

Licht braucht für den Flug über die Distanz von 30 Zentimeter nur 1 Nanosekunde (10–9 Sekunden = 1 milliardstel Sekunde). Die neuen Laser-Distanzmessgerät AMS 200 von Leuze electronic sind für einen Messbereich von 0,2 bis 200 Meter konzipiert. Hier bleiben für die kürzeste Entfernung von 20 Zentimeter lediglich 0,000.000.001.3343 Sekunden gesamte Lichtlaufzeit zu einem Reflektor und zurück. Dank modernster Signalprozessoren und neuen Messverfahren wird alle 2 Millisekunden die Position von bewegten Anlagenteilen berechnet. Mit 500 Messwerten pro Sekunde lassen sich auch schnelle Achsen punktgenau positionieren. Dabei bietet das AMS 200, bis zu einer Reichweite von 200 Meter, eine reproduzierbare Genauigkeit von 1 Millimeter.

Mit bisher nicht erreichter Genauigkeit setzt das Absoluten Mess-System AMS 200 von Leuze electronic neue Maßstäbe in der optischen Distanzmessung. Typische Einsatzbereiche sind Regalbediengeräte in der Hochregal-Lagertechnik, Portal-Kranbrücken, Laufkatzen, Verschiebe- und Umsetzbrücken, Hebeanlagen oder beim Positionieren von Aufzügen. Der als sinusförmige Lichtwelle immer gegen einen Reflektor gerichtete Laserstrahl gewährleistet eine hohe Messgenauigkeit und eine permanente Messwertberechnung nach dem Prinzip der Phasenverschiebung. Das erlaubt eine außergewöhnlich genaue und gleichzeitig schnelle Positionierung, was beispielsweise in Lagersystemen eine optimale Platznutzung und zudem ein hohes Lastwechselspiel möglich macht.

Als zusätzliches Feature werden die empfangenen Daten softwaretechnisch aufbereitet. Sie stehen dann für Geschwindigkeitsüberwachungen zur Verfügung. So lässt sich ein Verfahrweg zum Beispiel in vier unterschiedliche Distanzsektoren aufteilen, wobei jeder Sektor mit einer separaten Geschwindigkeit konfigurierbar ist. Diese Parameter werden im Gerät autark überwacht. Bei Über- oder Unterschreiten der Werte erfolgt eine Meldung an die Steuerung. Damit lässt sich etwa an Regalbediengeräten der Aufwand für mechanische Geschwindigkeits-Kontrollmechanismen oder Puffer, um die tonnenschweren Gefährte im Notfall stoppen zu können, reduzieren.

Zur Datenkommunikation sind PROFIBUS-DP und SSI Schnittstellen generell im Gerät integriert, die jeweils einzeln oder gleichzeitig genutzt werden können. Wie die gesamte M12 Anschlusstechnik ist auch ein Bedien-Display von der Geräte-Vorderseite gut zugängig.

Dort werden aktuelle Messwerte, eingestellte Parameter, Gerätestatus und Warnhinweise übersichtlich dargestellt. Die Bedienung ist selbsterklärend und erfolgt intuitiv über vier Folientasten. Fünf Sprachen (deutsch, englisch, französisch, italienisch und spanisch) erleichtern den internationalen Einsatz. Damit setzt Leuze electronic auch einen neuen Maßstab im Designkonzept, zu dem der Einstellkomfort mit einer von der eigentlichen Befestigung getrennten Ausrichteinheit beiträgt.

Diese stößt zentrisch mit einem Taumelpunkt an die Befestigungsplatte und ermöglicht mit separaten Einstellschrauben die vertikale und horizontale Justage des AMS 200. Durch den Festanschlag des Taumelpunktes bleibt die „Nulldistanz“ jederzeit erhalten. So ist dank cleverem Design, modernster Fertigungstechnik und PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) geprüfter Technologie selbst nach dem Austausch eines Gerätes die absolute Genauigkeit im System gewährleistet.

Auf Grund ihrer einfachen Installation sind die Geräte ebenfalls prädestiniert, bestehender Lagersysteme in kurzer Zeit umzurüsten.

Eine Alternative zu den Laser-Distanzmessgeräten sind die Barcode-PositionierSysteme BPS 34/37 von Leuze electronic. Sie arbeiten gleichfalls mit einem Rotlichtlaser, messen allerdings nicht eine Entfernung, sondern tasten eine auf einem Barcodeband codierte Positionsinformation ab. Dazu wird der Lesekopf auf dem zu bewegenden Anlagenteil mitgeführt. Ergänzend ist dazu entlang der Verfahrstrecke ein Barcodeband angebracht. Auch hier erfolgt eine sehr schnelle und ebenfalls hochgenaue (± 1 Millimeter) Positionsbestimmung.

Die markanten Vorteile der BPS liegen jedoch in der Länge der Barcodebänder und ihrer Kurvengängigkeit. Bis zu einer Länge von 10.000 Meter können Codierungen ohne Wiederholung der Wertebereiche phototechnisch belichtet werden. Außerdem lassen sich die Barcodebänder entlang nichtlinearer Strecken, also um Kurven, sowohl horizontal als vertikal verlegen. Das macht die Positionsbestimmung mittels Laser-Messtechnik in komplexen Logistik- und Förderanlagen wie etwa Elektro-Hängebahnen oder fahrbaren Montageplattformen (Skids) äußerst flexibel. Automobilhersteller schaffen mit den BPS eine lückenlose Transparenz und reibungslose Materialfluss-Steuerung im gesamten Montageablauf. Fahrzeugstandorte sind jederzeit millimetergenau bekannt. Durch permanente Messwertübertragung der einzelnen Leseköpfe an die übergeordnete Steuerung ist eine ständige Synchronisation und Abstandsregelung der Fahrwerke untereinander gegeben. Auch hier übertragen Schnittstellen wie Profibus, SSI und RS 485 alle zwei Millisekunden einen neu berechneten Positionswert. Nach Spannungsabfall oder Wiederanlauf einer Anlage liefert das BPS ohne notwendige Referenzbewegung sofort die Absolutposition. In Weichen, an Reparaturplätzen oder in horizontalen wie vertikalen Umsetzungen signalisiert ein neues Steuerlabel die Änderung eines Wertebereiches. So bleiben die jeweils aktuellen Positionsinformationen, sogar beim Wechsel von einer Förderstrecke auf eine Abzweigung mit neuem Barcodeband, ohne Unterbrechung erhalten.

Wie bei den Distanzmessgeräten AMS 200 ist in die Barcode-Positioniersysteme BPS 34/37 eine Geschwindigkeitsberechnung mit gleicher Funktionalität integriert. Positionserfassung und Geschwindigkeitsberechnung sind bis zu einer Verfahrgeschwindigkeit von sieben Meter pro Sekunde absolut prozesssicher gewährleistet. Diese Prozesssicherheit ist hauptsächlich auf die hochgenaue Lasertechnologie und das angewandte Scanverfahren zurück zu führen. Der Lesekopf liest immer mehrere Codierungen auf dem Barcodeband. Trotz Mehrfachabtastung der Codierung genügt dem BPS zur Berechnung von Position und Geschwindigkeit ein einziger gültiger Code innerhalb des Scanstrahls. Zudem läuft der Scanstrahl unter einem Winkel von circa 15 Grad über die Codierung, um die komplette Codehöhe abtasten zu können.

Das Lesen von mehreren Codierungen sowie die Schrägstellung des Scanstrahls ermöglichen eine Mehrfachredundanz und sehr hohe Fehlersicherheit. So lange der Lesekopf in einem Abstand von 90 bis 170 Millimeter vom Barcodeband geführt wird kommt das System auch dann nicht aus dem Tritt, wenn einzelne Codes durch Verschmutzung oder eine montagebedingte Anbringung nicht lesbar sein sollten.

Die Faszination moderner Laser-Messtechnologie liegt im wesentlichen in der bemerkenswerten Genauigkeit und Geschwindigkeit mit der das Medium Licht als Mess-Werkzeug eingesetzt wird. Selbst in hochbeanspruchter Industrieumgebung mit Schmutz und unterschiedlichsten Licht- oder Temperaturverhältnissen ermöglichen die Laser-Distanzmessgeräte AMS 200 sowie die Barcode-Positioniersysteme BPS 34/37 von Leuze electronic komplexe automatisierte Logistiksysteme. Sie beweisen in der Praxis höchste Prozesssicherheit – und das nicht zuletzt, weil sie ohne mechanischen Verschleiß und Schlupf die Position ermitteln.

Leuze electronic, Owen/Teck

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