Dickenmessung - berührend und berührungslos Keine Animation? download Flash Player von macromedia Allgemeines In nahezu allen modernen Fertigungslinien ist die genaue Kenntnis der Dicke des produzierten Materials eine wichtige Kenngröße zur: Kontrolle der geforderten Toleranz automatischen Steuerung der Presse oder des Kalanders Kosteneinsparung durch Produktion an der unteren Toleranzgrenze OPTImess Dickenmesssysteme liefern online in Abhängigkeit von der Produktionsgeschwindigkeit eine ausreichende Anzahl von Messwerten unabhängig von der Beschaffenheit, Farbe und Temperatur des zu messenden Materials. Messverfahren Man unterscheidet grundsätzlich zwischen einer berührend und einer berührungslos arbeitenden Dickenmessung. Die Auswahl des jeweils einzusetzenden Verfahrens hängt von unterschiedlichen Kriterien ab. Diese sind: Materialzusammensetzung (homogen oder inhomogen) Materialbeschaffenheit (fest, duktil oder z.B. klebrig) zu messende Materialdicke geforderte Genauigkeit Messfleckgröße Messgeschwindigkeit Die berührenden Systeme arbeiten größtenteils mit Messrollen oder Messkufen, die mit unterschiedlichen Kräften an das Material angedrückt werden und über deren Auslenkung die Dicke erfasst wird. Die berührungslos arbeitenden Systeme setzen als Messaufnehmer meistens Laser-, Ultraschall, kapazitive-, induktive- oder Luftkissensensoren, sowie radiometrische Strahlenquellen ein. Jedes dieser Messverfahren hat in Abhängigkeit vom zu messenden Material spezifische Vor- und Nachteile, die den jeweiligen Einsatz bevorzugen, einschränken oder unmöglich machen. Die unterschiedlichen von uns hergestellten Verfahren werden daher nachfolgend kurz beschrieben. Dickenmessung mittels Lasersensoren Zum Einsatz kommen hierbei punktuelle OPTImess Lasertriangulationssensoren, OPTIscan Lasertriangulationsscanner oder Lichtschnittsensoren und OPTIline Schattenmesssysteme. Bei der Lasertriangulation wird ein Laserpunkt, bzw. bei Scannern und Lichtschnittsensoren eine Linie, auf dem Material abgebildet. Dieser Punkt wird über eine unter einem Winkel angeordnete Empfängeroptik auf einem Detektor abgebildet. Dies kann ein PSD- (Position Sensitive Device) oder CCD- (Charge Coupled Device) Detektor sein. Prinzip Lasertriagulationssensor Der PSD Detektor bietet die höhere Messfrequenz (Bandbreite), der CCD Detektor weist dagegen ein geringeres Rauschen und somit eine höhere Empfindlichkeit auf. Durch das selektive Auslesen der Bildpunkte ist auch eine genaue Trennung zwischen Oberflächenreflektion und Reflektion aus dem Material heraus möglich. Dies ist besonders bei teiltransparenten Materialien wichtig. Ein-Spur Laserdickenmessanlage als C-Rahmen Beim Triangulationsscanner wird das Prinzip des punktuellen Lasersensors über ein Spiegelsystem im Sensor über eine Strecke ausgelenkt. Prinzip Lasertriagulationsscanner Zusätzlich zur Abstandsinformation fällt hier noch die seitliche Position als Messwert an, so dass die Dicke oder das Dickenprofil entlang der gescannten Linie aufgenommen wird. Ähnlich wie beim Laserscanner erfolgt die Messung beim Lichtschnittsensor entlang einer Linie, nur dass hier die Linie durch optische Aufweitung eines Laserpunktes erzeugt wird. Die von der Objektoberfläche diffus gestreute Linie wird auf einem CCD-Matrix Detektor (ähnlich einer CCD Kamera) abgebildet. Laser-Dickenmessanlage mit 4 OPTIscan Laserscannern zur Brammenvermessung Beim Schattenprinzip wird eine Laserlinie parallelen Lichts erzeugt und auf einer gegenüberliegenden CCD Zeile abgebildet. Wird Material in den Messspalt eingebracht, führt dies zu einer teilweisen Abschattung der Laserlinie auf dem Detektor. Zur Dickenmessung ist es hierbei erforderlich, dass das zu messende Material über eine Walze umgelenkt wird. Die vom Schattenmesssystem erfasste Differenz zwischen Walze (Nullpunkt) und Materialoberfläche ist die Materialdicke. Die Vorteile der Lasermesstechnik für die Dickenmessung sind: kein Materialkontakt unabhängig von der Farbe des Materials durch Regelung der Laserleistung unabhängig von der Zusammensetzung des Materials hohe Ortsauflösung durch kleinen Messfleck hohe Messfrequenz (bis 50 kHz) großer Abstand vom Material möglich Messungen von heißen Oberflächen möglich Eingeschränkt ist die Messung auf voll transparenten Materialien. Diese ist nur mit einem speziellen Lasersensor, der in Direktreflektion arbeitet, möglich. Dickenmessung mittels Ultraschall (Luftschall) Von der mechanischen Anordnung der Sensoren als ein- und doppelseitige, sowie traversierende Dickenmessung ist die Anordnung der Sensoren bei der Messung mit Ultraschall identisch mit der Lasermessung. Ultraschall-Dickenmessanlage als einseitige Messung gegen eine Referenz (Werkbild: betacontrol) Bei den Ultraschallsystemen der Serie UDM wird ein Ultraschallimpuls im Sensor erzeugt und zur Materialoberfläche ausgesandt, dort reflektiert und vom selben Sensor wieder empfangen. Durch die bekannte Schallgeschwindigkeit in Luft kann so der Abstand zur Objektoberfläche und damit auch die Dicke ermittelt werden. Da sich die Schallgeschwindigkeit der Luft sehr stark mit der Temperatur ändert, sind die Ultraschallsensoren mit einer online Temperaturkompensation ausgerüstet. Diese erfolgt durch einen Referenzsteg vor dem Sensor, dessen bekannter Abstand mit jeder Messung des Messgutes mit erfasst wird. Ändert sich der Referenzabstand durch die Änderung der Temperatur, so kann mit dieser Änderung auch die eigentliche Messung kompensiert werden. Vorteile der Ultraschallmessung sind: gute Messbarkeit von porösen oder grob strukturierten Oberflächen durch großen integrierenden Messfleck völlig unabhängig von der Materialfarbe und -zusammensetzung Messung von transparenten Materialien (Glas) möglich Als Einschränkung ist die Temperaturabhängigkeit zu nennen, wodurch trotz der Kompensation nur Messungen bis Materialtemperaturen von <50°C durchgeführt werden sollten. Auch liegt die Messfrequenz mit 200 Hz weit unterhalb der des Lasers, und es ist auf Grund der Messfleckgröße keine Profilmessung möglich. Dickenmessung mit berührenden Systemen Taktile Dickenmesssysteme DMS sind überall dort sinnvoll einsetzbar, wo eine Berührung des Materials möglich ist, und wo der aufgebrachte Andruck der Messrollen oder Messkufen zu keiner Veränderung der Dicke führt. Auch müssen die teilweise sichtbaren Spuren auf dem Material vom Anwender akzeptiert werden. Die taktilen Messsysteme bestehen in der Regel aus einer Messrolle oder -kufe, die mit einer Kolbenstange verbunden ist. Über die Kolbenstange wird ein einstellbarer Andruck über eine Feder oder über Luftdruck aufgebracht. Die Kolbenstange ist mit einem inkrementalen Wegmesssystem gekoppelt, das den Weg der Kolbenstange in einen Messwert umsetzt. Der große Vorteil dieser sehr robusten Systeme gegenüber den berührungslos arbeitenden Systemen liegt darin, dass die Genauigkeit nicht von der Größe des Messbereichs abhängt, da die Teilung des integrierten Messsystems und damit die Genauigkeit unabhängig von der Länge des inkrementalen Systems ist. Berührende Systeme bieten sich daher in Stahlwerken und in der Holzindustrie (Spanplattenfertigung) an. Bei der Messung von Stahlbändern kann so ein großer Messbereich, der durch die Welligkeit der Bänder entsteht, abgedeckt werden, ohne dass die Messgenauigkeit darunter leidet. Ein weiterer Vorteil liegt in der direkten Nullung der berührenden Systeme durch das Aufeinanderfahren der Messrollen, wenn sich kein Material in der Messlinie befindet. Berührende 3-Spur Dickenmessanlage für TRESPA-Platten Messanordnungen für Dickenmesssysteme Es bieten sich grundsätzlich drei Anordnungen, abhängig vom eingesetzten Verfahren, an. 1. Einseitige Dickenmessung gegen eine Referenz Der jeweilige Sensor wird hierbei oberhalb des Materials angeordnet und misst gegen eine Referenz, die sich unterhalb des Materials befindet. Diese Referenz kann entweder eine feste Platte oder eine Walze sein, über die das Material geführt wird. Der Sensor wird gegenüber der Referenz genullt und misst dann auf das durchlaufende Material. Die Messdifferenz ist die Dicke. Wichtig ist, dass das Material während der gesamten Messung Kontakt mit der Referenz hat, da sonst durch einen Luftspalt oder abgelagertes Material auf der Referenz eine falsche Dicke gemessen wird. In der Praxis hat sich daher die Referenzwalze durchgesetzt. Die Anlage des Materials wird durch den Umschlingungswinkel gewährleistet. Zu beachten ist, das der Rundlauffehler der Walze viel kleiner sein muss als die geforderte Messgenauigkeit. 2. Doppelseitige Dickenmessung, ein- oder mehrspurig Durch die Anordnung eines Sensors oberhalb und eines unterhalb des Messgutes erfolgt die Dickenmessung als Differenzmessung. Jeder Sensor erfasst den Abstand zum Material. Durch Subtraktion beider Messwerte von dem kalibrierten Basisabstand der Sensoren erhält man die Dicke. Da beide Sensoren absolut zeitgleich arbeiten, führt eine vertikale Bewegung des Messgutes (z.B. durch Schwingungen oder Rollgangsfehler) zu keinem Fehler in der Dickenmessung. Etwas aufwändiger ist die Kalibrierung dieser Messanordnung. Sie ist manuell möglich, indem ein Target bekannter Dicke angemessen wird und der Basisabstand sich aus den Einzelmesswerten der Sensoren + Targetdicke ergibt. Sie kann aber auch automatisch erfolgen, indem ein Referenztarget bei fehlendem Messgut eingeschwenkt wird. Wichtig ist bei dieser Anordnung ein stabiler Messrahmen, als C- oder O-Rahmen ausgeführt, damit sich der Abstand der Sensoren zueinander (Basis!) während der Messung nicht verändert. Berührungslose 3-Spur Dickenmessanlage mit automatisch verstellbaren Messspuren 3. Traversierende Dickenmessung Wird eine Dickenmessung nicht nur in einzelnen Spuren gewünscht, sondern über die gesamte Materialbreite, so bietet sich eine traversierende Dickenmessung an. Hierbei wird wie bei der einspurigen Dickenmessung ein Sensor oberhalb des Materials angeordnet und gegen eine Referenz gemessen oder mit zwei Sensoren ober- und unterhalb des Materials die Dicke erfasst, nur dass die Sensoren jeweils auf einer Linearführung montiert sind. Der obere und untere Sensor sind über einen gemeinsamen Antrieb gekoppelt, damit sie synchron zueinander verfahren werden können. So können Traversierbreiten bis über 5m realisiert werden. Traversierende Laser - Dicken- und Profilmessanlage für Fassadenplatten (Werksbild: HOESCH Siegerlandwerke GmbH) Wenn das Produkt durchläuft und die Sensoren traversieren, ergibt sich eine zickzackförmige Messlinie auf dem Material. Hieraus lässt sich in der weiterverarbeitenden Software ein Quer- und Längsprofil der Materialdicke ableiten. Da die vertikalen Führungsfehler der Linearführungen direkt in die Dicke eingehen, ist vor der Messung eine sogenannte Traversenfehlerkorrektur aufzunehmen, in der Software zu hinterlegen und später mit den aufgenommenen Messwerten an der jeweiligen Messposition zu korrigieren. Dickenmesssoftware Eine spezielle Dickenmesssoftware auf Windows NT Basis ermöglicht je nach eingesetzter Sensoranordnung die: Kalibrierung der Messanordnung weg- oder zeitabhängige Messwertaufnahme Darstellung und Speicherung der Messwerte Aufnahme der Traversenfehlerkorrektur Toleranzüberwachung Regelung von Kalandern oder Pressen Mit den aufgeführten OPTImess-, UDM- und DMS- Systemen ist es möglich, kundenspezifische Dickenmessanlagen als berührend oder berührungslos arbeitende Systeme für nahezu alle Materialien und Temperaturen als Einspur- oder Mehrspur- Systeme oder traversierende Systeme herzustellen.