Die Anforderungen in Betonwerken ist keine typische Umgebung für präzise Lasersensoren, möchte man meinen. Trotzdem ist auch hier genaue Qualitätskontrolle nötig. Das Automatisierungsunternehmen R&W aus Hachenburg im Westerwald hat für genau diese Anwendung eine spezielle Anlage entwickelt, die in der Produktion die Höhe von Betonsteinen misst.
Bereits seit 2002 beschäftigt sich R&W mit dieser Aufgabe und hat seine Messanlagen über mehrere Stufen bis heute zu einem modularen System für die Betonsteinfertigung entwickelt. Direkt nach dem Steinfertiger wird die Anlage in den Transportförderer integriert. Das in Rahmenbauweise aufgebaute System erfasst mit bis zu drei Sensoren die durchlaufenden Steine. Für die passende Sensorik suchte das Unternehmen einen zuverlässigen Partner aus der Messtechnik. Der Weg führte sie zur Firma Micro-Epsilon, die insbesondere in der Lasermesstechnik ein ausgeprägtes Portfolio besitzt.
Kundeneigene Anpassungen
Ein Lasersensor mit integriertem Controller, 500 mm Messbereich und digitalem Signalausgang reichte dem Automatisierungsunternehmen jedoch nicht. Kurzerhand vereinbarten sie mit Micro-Epsilon einen Liefervertrag über den Lasersensor OptoNCDT 1700-500 mit einem Gehäuse in doppelter Breite. R&W integriert anschließend eigenständig einen leistungsfähigen Microcontroller mit Ethernet-Schnittstelle und digitalen I/Os. Zwar lieferten die Sensoren in der Serienausführung bereits präzise Messdaten, eine Ethernet-Anbindung war jedoch nicht vorgesehen. Durch die Modifikation mutieren die Sensoren zum Stand-alone-Messsystem. Die Anlage lässt sich nun einfach per Ethernet in das kundeneigene Netzwerk einbinden. Damit ergeben sich folgende Kommunikationsarten:
- Zugriff auf die integrierte Webvisualisierung
- Funktionsbausteine für Siemens S7-Steuerungen
- Erweiterte Funktionalität mit der R&W-Software
- Steuerung eines Farbmarkierers
- Übertragung der Daten per Wlan
Technik im Detail
Optisches Messverfahren
Die Sensoren der Familie OptoNCDT funktionieren nach dem Prinzip der Lasertriangulation. Dabei emittiert eine Laserdiode einen Laserstrahl, der auf das Messobjekt gerichtet ist. Die dort reflektierte Strahlung wird über eine Optik auf ein digitales Fotoelement abgebildet. Aktuelle Sensoren setzten dabei auf CMOS- oder CCD-Elemente. Aus der Lage des Lichtpunktes auf dem Empfangselement wird der Abstand des Objekts zum Sensor berechnet. Die Daten werden über den meist internen Controller ausgewertet und über verschiedene Schnittstellen ausgegeben. Bei digitalen Sensoren werden durch die Reflexion einzelne Pixel auf der CCD/CMOS-Zeile beleuchtet. Aus der Verteilung der beleuchteten Pixel und dessen Intensitätswerte berechnet der integrierte Microcontroller mit aufwendigen Algorithmen den Abstand zum Messobjekt. Umgebungseinflüsse und unterschiedliche Oberflächeneigenschaften haben daher keinen Einfluss auf das Messergebnis. Die RTSC (Real Time Surface Compensation) von Micro-Epsilon passt dabei die Laserleistung in Echtzeit für jeden Messwert an und sorgt dafür, dass auch bei schnell wechselnden Oberflächeneigenschaften stabile Messergebnisse erreicht werden.
Es ist eine der Kompetenzen von Micro-Epsilon, Kunden mit speziellen Anforderungen an die Messtechnik zu helfen. So ist es nicht selten, dass sie bestehende Sensoren ab einer gewissen Stückzahl in vielerlei Hinsicht verändern. Besondere Modifikationen sind völlig geänderte Gehäusegeometrien, in denen Laserdiode und Fotozelle voneinander getrennt ausgeführt werden, oder offene Konstruktionen für den Einsatz im Vakuum.
Uwe Rahn, Geschäftsführer der R&W, kommentiert die Zusammenarbeit: „Die unkomplizierte Produktmodifikation bei Micro-Epsilon hat uns überzeugt. Nicht nur, dass wir den passenden Sensor gefunden haben, sie haben sich mit unserer Aufgabe auseinandergesetzt und verstanden, dass wir eine modifizierte Sensorlösung benötigen. Ohne große Umstände boten sie uns dann die vorhandene Sensortechnik mit neuem Gehäuse.“
Nach dem Umbau des Sensors bietet R&W ihn als HCS500 an und verbaut ihn vornehmlich in Anlagen zur Steinhöhenmessung. Auf dem Sensor lassen sich Sollwerte und Toleranzen für bis zu 100 verschiedene Produkte speichern.
Messen auf Stein
Der Messabstand von 500 mm war für einen möglichst flexiblen Anlagenaufbau nötig. So lassen sich Steine und Pflaster mit Höhen zwischen 30 und 480 mm zuverlässig erfassen. Der Sensor liefert eine Genauigkeit von ± 0,5 mm.
Nach dem Fertigen werden die Steine von der Betonsteinmaschine auf Förderbretter abgelegt und in die Trockenkammer befördert. Direkt nach der Betonsteinmaschine ist die Messanlage in den Prozess integriert. Die Sensoren messen senkrecht auf die Förderbretter. Durchläuft ein Förderbrett die Anlage, bildet die Differenz aus Abstand zum Förderbrett und Abstand zum Stein die tatsächliche Steinhöhe. Verschiedene Brettstärken sind dabei üblich. Diese gehen mit der Differenzmethode nicht in die Höhenmessung mit ein. Eine gewisse Menge Schmutz auf dem Produktionsbrett wird toleriert und vom Messverfahren zu plausiblen Werten korrigiert. Schrägen, Grate und Vertiefungen im Stein erkennt das Messverfahren auch und schließt sie aus der Bewertung aus. Es werden nur relevante Merkmale der Produktoberfläche betrachtet.
Der noch feuchte Beton kann außerdem während der Messung eine glänzende Oberfläche aufgrund eines Wasserfilms aufweisen. Herkömmliche Sensoren hätten mit dem Übergang vom matten Produktionsbrett auf den glänzenden Beton Schwierigkeiten. Die integrierte Real-Time-Surface-Compensation der eingesetzten Sensoren regelt diesen Effekt in Echtzeit aus. Die Poren oder Unebenheiten der Steine blendet eine hinterlegte Mittelungsfunktion aus, sodass die Sensorsoftware des Anwenders nur die Höhe des Steins anzeigt.
Florian Hofmann, Uwe Rahn
(mf)
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Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG
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