Die berührungslose Messung von Abstand, Position und Weg ist eine Schlüsseltechnologie für industrielle Anwendungen, bei denen die Prozessgeschwindigkeit, die Empfindlichkeit des Materials oder die Unzugänglichkeit der Messstelle herkömmliche Verfahren ungeeignet machen. Laser-, kapazitive, induktive und optische Sensoren erlauben es, Tausende von Messungen pro Sekunde an bewegten Oberflächen, heißen Materialien, Produkten in Bearbeitung oder empfindlichen Objekten zu erfassen, und schließen mechanischen Verschleiß und Antastfehler aus.
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Berührungslose Messprinzipien
Die verbreitetsten Verfahren sind: die Lasertriangulation, bei der ein kollimierter Strahl auf das Ziel projiziert und das reflektierte Bild von einem unter einem bestimmten Winkel angeordneten CMOS/CCD-Sensor erfasst wird, wobei sich der Abstand aus der Lage des Punktes auf der Zeile ergibt; das Laufzeitverfahren (ToF), das die Laufzeit eines in Phase oder Amplitude modulierten Lichtimpulses misst; die Laserinterferometrie für Messungen höchster Auflösung; chromatisch-konfokale Sensoren, die die Farbzerlegung nutzen, um Abstand und Dicke transparenter Materialien zu messen; sowie kapazitive und induktive Sensoren für Nahbereichsanwendungen im industriellen Umfeld.
Gerätearten
Der Bereich umfasst tragbare Laser-Entfernungsmesser für schnelle Messungen auf der Baustelle und in der Industrie, industrielle Laser-Abstandssensoren (Triangulation und ToF) zur Einbindung in Maschinen und Anlagen, hochauflösende Positions- und Wegsensoren (kapazitiv, induktiv, Wirbelstrom) für Präzisionsanwendungen, spezialisierte Detektoren für Löcher und Unterbrechungen an laufenden Bahnen (punch hole detection) sowie Laserlinien und Nivelliergeräte für Ausrichtung und Anriss. Jede Familie deckt je nach Einsatzbereich unterschiedliche Messbereiche, Auflösungen und Genauigkeitsklassen ab.
Industrielle Anwendungen
Berührungslose Sensoren werden eingesetzt bei der kontinuierlichen Messung von Produkten in Extrusion, Walzen, Ziehen und Kalandrieren, bei der Positionskontrolle von Robotern und Aktoren in der industriellen Robotik, bei der Füllstandsprüfung in Behältern und Trichtern, bei der Positionierung von Kranen und Flurförderzeugen, in der vorausschauenden Instandhaltung rotierender Maschinen zur Rundlaufmessung sowie bei der Erkennung punktueller Fehler an Endlosbahnen (Laminate, Kunststofffolien, Vliesstoffe). Die Einbindung mehrerer Sensoren ermöglicht die dreidimensionale Rekonstruktion komplexer Profile.
Lasersicherheit und Normen
Der Einsatz von Laserquellen ist durch die Norm IEC 60825-1 geregelt, die die Sicherheitsklassen (1, 1M, 2, 2M, 3R, 3B, 4) und die geforderten Schutzmaßnahmen festlegt. Industrielle Sensoren gehören überwiegend den eigensicheren Klassen 1 und 2 an. Für die CE-Kennzeichnung und den Einsatz in klassifizierten Bereichen gelten die Norm EN 60204-1 (elektrische Sicherheit von Maschinen) und, für explosionsfähige Atmosphären, die ATEX-Richtlinie 2014/34/EU. Die Spezifikationen der Sensoren folgen außerdem der Richtlinie VDI/VDE 2634 für die optische Form- und Maßmessung.
Auswahlkriterien
Die Wahl des richtigen Sensors hängt ab von Messbereich, geforderter Auflösung, Erfassungsbandbreite (Hz/kHz), den Eigenschaften der zu messenden Oberfläche (Reflexionsgrad, Rauheit, Farbe, Geometrie), der Einsatzumgebung (Temperatur, Staub, Vibrationen), der Ausgangsschnittstelle (analog, digital, Feldbus) und den Sicherheitsanforderungen. Auf den untergeordneten Seiten wird jede Technologie mit typischen Kennwerten und Anwendungshinweisen vertieft.
Bei der Auswahl eines Messsystems ist der Kompromiss zwischen Genauigkeit, Geschwindigkeit, Integrationsaufwand und Lebenszykluskosten zu berücksichtigen. Ein richtig ausgelegtes System verringert nicht nur den Ausschuss und steigert die Produktivität, sondern liefert auch Prozessdaten, die die Analytics-Systeme des Unternehmens speisen und eine vorausschauende Instandhaltung ermöglichen. Die technologische Entscheidung sollte stets durch eine Machbarkeitsstudie am realen Musterteil abgesichert werden, einschließlich MSA (Measurement System Analysis), Gage R&R und der Berechnung der erweiterten Messunsicherheit nach GUM.
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