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Bewegungssensor Interferometrischer Messsensor schlägt Brücke von Mikro- zu Nanowelt

| Autor / Redakteur: Danilo Schmidt* / Sariana Kunze

Positionen und Bewegungen können gleichzeitig in bis zu drei Achsen mit einer digitalen Auflösung von einem Milliardstel Millimeter gemessen werden – und das im Maschinenbau. Ein interferometrischer Messsensor ermöglicht neue Dimensionen der Präzision sowie Datenaustausch für Industrie 4.0-Anwendungen.

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Der Interferometrischer Messsensor IDS3010 der Attocube Systems aus München macht eine Datenausgabe im hundertstel Mikrosekundentakt möglich. Mit einem integrierten Webserver lässt sich der Sensor zudem in Industrie-4.0-Anwendungen einbinden.
Der Interferometrischer Messsensor IDS3010 der Attocube Systems aus München macht eine Datenausgabe im hundertstel Mikrosekundentakt möglich. Mit einem integrierten Webserver lässt sich der Sensor zudem in Industrie-4.0-Anwendungen einbinden.
(Bild: Attocube Systems)

Der technische Fortschritt unserer Zeit liegt in der Miniaturisierung und in der damit verbundenen zunehmenden Präzision von Produkten. Dem muss der Maschinenbau mit seinen Produktionsmaschinen folgen. Während höchste Präzisionsanforderungen bis in den Sub-Nanometerbereich in der Halbleiterfertigung, der Produktronik und der Optik seit langem üblich sind, erreicht die „Nanowelt“ nun zunehmend auch den Maschinenbau und löst das „Denken in µm“ ab.

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So sind beispielsweise im Präzisionsgetriebebau höhere Teilungsgenauigkeiten ein geeignetes Mittel, die inneren Kräfte an den Verzahnungen besser zu verteilen. Präziser gefertigte Zahngeometrien führen zu geringeren Spannungsspitzen und höherer Belastbarkeit. Die Präzisionsfertigung und folglich auch die Messung im Sub-Mikrometerbereich sind eine wichtige Voraussetzung, bestehende mechanische Systeme zu noch mehr Leistungsdichte zu entwickeln. Schließlich vergrößert auch die Miniaturisierung von Produkten und die damit einhergehende Anpassung von Produktionsprozessen den Entwicklungsdruck vom Mikrometer- in den Nanometerbereich – und dies nicht nur in der Antriebstechnik, sondern in einer steigenden Anzahl von Branchen und Produkten. Für diese Anforderungen hat das Münchner Unternehmen Attocube System den interferometrischen Messsensor IDS3010 entwickelt, der Bewegungen und Positionen gleichzeitig in bis zu drei Achsen mit einer digitalen Auflösung von einem Milliardstel Millimeter messen kann. Zu dem Anwendungsfeld gehören die Kalibrierung von Achsen in Werkzeug- und Koordinatenmessmaschinen, der Einsatz als Mess- und Prüfmittel in Feinmessräumen, Vibrationsmessungen an Produktionsmaschinen sowie die Integration für kundenspezifische Anwendungen von OEM-Kunden.

BUCHTIPPDas Buch „Industriesensorik“ beschreibt die Entwicklung und die praktische Anwendung der wichtigsten Sensoren. Durch anwendungsbezogene Fehleranalysen von Messsystemen, Sensoren und Sensorsystemen, jeweils ergänzt durch viele detaillierte, vollständig durchgerechnete Anwendungsbeispiele, eignet sich das Buch nicht nur für Studenten, sondern auch für Ingenieure und Techniker verschiedener Fachrichtungen.

Nanomesstechnik als Folge der Miniaturisierung

Ein weiteres Merkmal des Sensors ist seine nahezu uneingeschränkte Konnektivität. Über den integrierten Webserver lässt sich der IDS3010 bei der Inbetriebnahme initialisieren, konfigurieren, für den Datenaustausch einrichten oder auch in Industrie 4.0-Anwendungen einbinden. Im Betrieb ermöglichen verschiedene Echtzeit-Schnittstellen und Protokolle die Übertragung der Positionsdaten. Optional können die Messdaten mit der Messsoftware Wave dargestellt und verarbeitet werden. Der Webserver erlaubt es, den Messsensor bei Bedarf aus der Ferne zu bedienen und zu überwachen. Im Gegensatz zu früheren interferometrischen Messsystemen erfüllt der Messsensor alle Anforderungen an ein industriegerechtes Design. So besteht der berührungslos arbeitende Sensor aus einer kompakten Basiseinheit, an die bis zu drei Miniatur-Sensorköpfe mit Glasfaserkabel angeschlossen werden können. Der Sensor kann direkt auf dem Objekt, einem Werkzeug oder einem Messtaster messen. Dabei erreicht er bei Messdistanzen von bis zu 5 m eine Auflösung im Nanometerbereich.

Präzision überprüft und bestätigt

Die Präzision wurde von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt PTB in Braunschweig überprüft: bezogen auf einen Messbereich von 0 bis 3.000 mm misst und bestätigt sie die systematische Messabweichung von 0,0 ppm1. Mit dieser enorm hohen Präzision ist der Sensor in der Lage, anbau- und prinzipbedingte Messfehler aufgrund von Spiel, Verschleiß, Verformung, temperaturbedingten Längenänderungen oder anderen Einflüssen vollständig zu eliminieren. Die Abtastung ruhender oder bewegter Objekte erfolgt bei Geschwindigkeiten bis 2 m/s mit einer Messbandbreite von 10 MHz – in jeder hundertstel Mikrosekunde wird also ein Messwert generiert, der alle relevanten Informationen der Position oder Bewegung enthält.

Durch eine einfache Konfiguration, Integration und Inbetriebnahme eignet sich der Sensor für den Einsatz in Mess- und Prüfmitteln zur Qualitätssicherung. Die Lichtleiter lassen sich flexibel an die Messpunkte heranführen und präzise ausrichten. Zudem erleichtert die Software des Messsystems die Inbetriebnahme wie auch die Bedienung. Winkelversatz, Parallelitäten, Verkippungen, Unrundheiten und Exzentrizitäten können so in Feinmessräumen im Nanometerbereich schnell und berührungslos bestimmt werden. Um ein möglichst breites Anwendungsspektrum – nicht nur in der Qualitätssicherung – abzudecken, stehen für die meisten in der Praxis vorkommenden Objekte und deren Oberflächen sowie Reflektivität spezielle optische Linsen im Programm. Sie gewährleisten, dass die Optikköpfe auf unterschiedliche Materialien wie Silicium (Wafer), Keramik, Aluminium, Kupfer oder Stahl, aber auch auf Glasoberflächen mit einer Reflektivität von 4 % mit gleichbleibend hoher Präzision messen.

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Das Design des Sensors eröffnet auch bei der Vibrationsmessung und Frequenzanalyse an Produktionsmaschinen sowie als Laborgerät zur Erfassung mechanischer Schwingungen und Resonanzverhalten Einsatzfelder. Dies ermöglicht es nicht nur, auftretende mechanische Verlagerungen – hervorgerufen beispielsweise durch Verschleiß und mechanische Kräfte – zu erkennen, sondern mit den Messwerten des Sensors Maschinenschwingungen durch aktive Unterdrückung und Ausregelung bis in den Nanometer-Bereich zu kompensieren. Bei der Kalibrierung von Achsen in Werkzeug- und Koordinatenmessmaschinen wurden mechanisch bedingte Abweichungen von Linearachsen bisher mit Michelson-Laserinterferometern in x-Abständen gemessen, in Tabellen erfasst und diese Werte zur Korrektur in die Maschinensteuerung eingespeist. Mit dieser Messmethode wurde zwar die Absolutgenauigkeit der Maschinen erhöht bzw. konstant gehalten – als nachteilig erwiesen sich jedoch die hohen Anschaffungskosten und die zeitintensive Montage des ausladenden Messsystems auf Stativen.

Sensor für OEM-Anwendungen anpassbar

Ein Beispiel hierfür ist der Einsatz des Sensors in interferometrischen OEM-Komplettsystemen für Mess- und Werkzeugmaschinen, Roboter und räumliche Strukturen. In einem solchen System zur volumetrischen Kompensation von Abweichungsparametern, das auf mittelgroße bis sehr große 3- bis 6-Achs-Maschinen ausgelegt ist, werden mit dem Messsensor in vollautomatischen Messabläufen alle 21 systematischen Geometrieabweichungen einer 3-Achs-Maschine ermittelt, die ein Werkzeug oder ein Taster innerhalb des Maschinenraums eines Multisensor-Messsystems, eines Koordinatenmessgerätes oder einer Hochpräzisions-Werkzeugmaschine aufweisen kann. Die entsprechenden Korrekturdaten werden danach im maschinenspezifischen Format zur volumetrischen Kompensation bereitgestellt. Weitere OEM-Anwendungen sind unter anderem in der Halbleiterindustrie anzutreffen. Hier wird beispielsweise in Prozessen, die im Hochvakuum stattfinden, höchste messtechnische Genauigkeit gefordert. Unabhängig von der konkreten OEM-Aufgabenstellungen kann der Messsensor durch seine Modularität als maßgeschneidertes Subsystem entworfen und kundenspezifisch an verschiedene Anwendungen angepasst werden.

Somit soll der interferometrische Messsensor die Brücke von der Mikro- zur Nanowelt schlagen – in vielen weiteren Anwendungsfeldern.

1erweiterte Messunsicherheit:

Erweiterte Messunsicherheit:
Erweiterte Messunsicherheit:
(Bild: Attocube Systems)

* Dr.-Ing. Danilo Schmidt, Produktmanager, Attocube Systems

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