Berührungslose Lasermesssysteme Anwendungen in der Stahlindustrie

Gießspiegelregelung Kantenverfolgung/Breitenmessung Ebenheitsmessung Brammen-Geometrie-Vermessung Überlappungs- und Spaltmessung Durchmessermessung/Biegradiusbestimmung Positionierungsaufgaben Blecherkennung Dickenmessung Anschnitterkennung beim Brennschneiden Absatzerkennung

Gießspiegelregelung Die zunehmende Automation von Gießprozessen erfordert eine immer genauere Regelung des Gießspiegel-Niveaus. Die Erfassung des Füllstandes erfolgt größtenteils durch Schwimmersysteme unterschiedlichster Art. Da diese Systeme im direkten Kontakt mit der Schmelze stehen, ergeben sich Störquellen wie z.B. durch Materialanhaftungen. Es bieten sich hier berührungslos arbeitende Lasersysteme an, da sie neben der Kontaktfreiheit zur Schmelze noch weitere Vorteile — wie bspw. großer Messbereich bei großem Basisabstand zur Metalloberfläche — bieten. Die Haupt-Anwendungsbereiche sind die Gießspiegelkontrolle in

Schmelzöfen Stranggusskokillen Gießrinnen Bandgießanlagen Formenguss

Kantenverfolgung/Breitenmessung Zur kontinuierlichen Kantenverfolgung und Breitenmessung stehen zwei spezielle Systeme, das OPTImess-Vario und der OPTIscan zur Verfügung. Das OPTImess-Vario besteht aus einem getrennten Sender- und Empfängersystem. Sender und Empfänger werden getrennt ober- und unterhalb der zu beobachtenden Kante angeordnet. Durch optische Aufweitung wird eine Laserlinie auf die Materialkante projiziert. Ein Teil der Linie wird für den Empfänger durch das zu messende Material verdeckt. Der Übergang hell/dunkel (Schattenmethode) auf dem Empfänger ist die Position der Kante. Die Kantenposition steht als Analogwert zur Verfügung. Ist eine Anordnung des OPTImess-Vario nicht möglich, z.B. weil die Messung nur von einer Seite möglich ist, kann das Problem mit dem OPTIscan gelöst werden. Beim OPTIscan wird der Laserstrahl über ein internes Spiegelsystem ausgelenkt und das empfangene Streulicht ebenfalls über einen Spiegel auf der gleichen Drehachse auf den Empfänger gegeben. Man erhält so zwei analoge Ausgangssignale für den Abstand und die Winkelposition. Mit der Winkelinformation ist ebenfalls eine Kantendetektion möglich. Für den Brammenbereich ist eine Breitenmessung durch den Einsatz von Standard OPTImess Sensoren mit extrem großem Messbereich durch Anmessen der Flanken möglich.

Ebenheitsmessung Ein wichtiges Qualitätsmerkmal von Blechen ist die Ebenheit. Durch ungleiches Strecken des Bleches beim Walzen, bedingt durch Abweichungen in der Weichenspaltgeometrie, entstehen Planheitsfehler im Blech. Zur Optimierung der Ebenheit sind in Walzwerken Mess- und Regelsysteme integriert. Zur Überwachung dieser Anlagen sind besonders genaue Planheitsmessungen erforderlich. Von einem großen Stahlhersteller wurde daher ein Planheits-Messtisch zur Off-Line Bestimmung der Planheit an Fertigbandproben entwickelt. Hiermit sollen Rand- und Mittenwelligkeiten erfasst werden. Hierzu wird eine herausgetrennte Blechprobe auf den Messtisch gelegt. Das Höhenprofil des Bleches wird mit einer Messtraverse, die mit sieben OPTImess Lasersensoren ausgerüstet ist, abgetastet. Aus den Höhenwerten wird durch einen mathematischen Algorithmus für jede Messspur die Bandlänge bestimmt. Bei Reproduzierbarkeitsmessungen aus 40 Messungen betrug die maximale Fehlerbreite 1,5 I-units. Die theoretische Auflösung des Systems beträgt +/- 0,65 I-units. Derartige Planheitsmessungen lassen sich auch berührungslos mittels Laser in der Produktion durchführen. Versuche bei großen Stahlherstellern haben gezeigt, dass das Höhenprofil dank der hohen Bandbreite der OPTImess Sensoren bis 10 kHz auch bei großen Produktionsgeschwindigkeiten erfasst werden kann. Da im Produktionsablauf Wellen, die mit Produktionsgeschwindigkeit durchlaufen, bis hin zu stehenden Wellen alle Zwischenformen auftreten können, ist eine Anordnung von mehreren Sensoren hintereinander erforderlich. Anzahl und Abstand der Sensoren untereinander hängen von den zu messenden Wellenlängen und -formen ab. Ein Ebenheitsmesssystem mit einer speziellen Software für die mathematische Berechnung wurde für die Messung an Hochgeschwindigkeitsschienen realisiert. Ziel war die genaue örtliche Bestimmung von Maxima und Minima der Schienenfahrfläche. Hierzu soll, ähnlich der manuellen Messung mit einem 3m-Lineal, eine Bezugsstrecke bestimmter Länge auf der Schienenfahrfläche entlanggeführt werden. Für jeweils einen Punkt wird der Abstand zu dieser Strecke berechnet. Den auftretenden Verzerrungen in Amplitude und Phase, die abhängig von der Messlänge L sind, wurde nicht, wie bisher üblich, durch Erhöhung der Messaufnehmerzahl oder durch Optimierung der Aufnehmerabstände begegnet. Für die Entzerrung der Messkurve wird eine Fouriertransformation mit Korrektur der Amplituden- und Phasencharakteristik durchgeführt. Diese Korrektur nähert die Oberflächenfunktion weitgehend an. Für die Korrektur von kürzeren Wellenlängen wird eine zweite Bezugsstrecke eingeführt. Das Gesamtergebnis wird erzielt durch Kombination beider Korrekturvorgänge. Mit beschriebenem Messsystem wird seitdem die automatische 100%-Kontrolle der Produktion realisiert. Der gesamte Prüfablauf läuft automatisch in mehreren Schritten bedienungsfrei ab. Zur Einstellung der gesamten Anlage ist neben betriebstechnischen Daten nur das Schienenprofil notwendig. Durch die speziellen Algorithmen ist die Anlage gegenüber Exzentrizitäten der Rollen und Eigenschwingungen der Schiene weitgehend unempfindlich. Mit Hilfe des Messsystems können Minima und Maxima mit einer Genauigkeit von 0,1m lokalisiert werden. Bei der Ermittlung von Taltiefen treten im Vergleich zur Handvermessung maximale Abweichungen von 0,05mm auf. Die Flexibilität des Systems lässt Erweiterungen in mehrere Richtungen zu. Höhere Geschwindigkeiten werden durch eine größere Anzahl von Sensoren und durch Erweitern des Wellenlängenbereichs möglich.

Berührungslose Brammen-Geometrie-Messanlage Im Stahlwerk wird im Durchlauf die komplette Geometrie von Brammen mit einer max. Temperatur von 600°C berührungslos erfasst. Es werden folgende Maße ermittelt: Dickenverlauf der Bramme über die Brammenbreite Breite der Bramme Länge der Bramme Konizität der Bramme Keiligkeit der Bramme Durchbiegung der Bramme Schieflage der Bramme auf dem Rollgang Eine spezielle Software steuert die Sensoren und führt die Aufbereitung der originalen Messdaten durch. Zur weiteren Verarbeitung werden verdichtete Messergebnisse an eine übergeordnete Steuerung übergeben. Die Skizze zeigt die Anordnung der Sensoren Gemäß der Prinzipskizze besteht das Gesamtsystem aus einem OPTIscan Laser-Triangulationsscannerpaar oder alternativ einem OPTImess Triangulations-Lasersensorpaar zur Breitenmessung und zwei OPTIscan-Laserscannerpaaren zur Dickenmessung. Mit einem berührungsfrei arbeitenden Längensensor wird die Länge der Bramme gemessen. Mit zwei Lichtschranken wird zum einen die Genauigkeit der Längenmessung erhöht, zum anderen wird mit diesen Lichtschranken die Messung gestartet bzw. beendet. Die Anlage wird mit einem PC (Betriebssystem Windows NT 4) gesteuert, die scannenden Sensoren sind über serielle Schnittstellen ( RS485) an den PC angeschlossen, die Punktsensoren über eine analoge Schnittstelle. Für den digitalen Signaltausch steht eine Karte mit 16 optoentkoppelten Eingängen und 16 optoentkoppelten Ausgängen zur Verfügung. Die Kopplung an das übergeordnete Rechnersystem erfolgt über eine Netzwerkkarte und das TCP/IP Protokoll. Gesamtansicht Brammen-Geometrie-Messanlage Lasertriangulations-Scanner OPTIscan unter dem Rollgang Berührungslose Längenmessung

Überlappungs- und Spaltmessung Um Eigenschaften von dünnen Blechen zu verändern, werden diese in langen Wegen durch Glühöfen mit unterschiedlichen Temperaturbereichen geführt (Conti-Glühe). Hierzu werden die einzelnen Coils abgewickelt und durch eine Rollnahtschweißung zu einem endlosen Band aneinandergeschweißt. Für das Schweißen werden die beiden Bandenden kurz angehalten, während das Band für den kontinuierlichen Ofenbetrieb aus einem Bandspeicher entnommen wird. Die zu verschweißenden Coilenden werden gerade geschnitten und dann um eine definierte Länge überlappt, um eine einwandfreie Rollnahtschweißung zu gewährleisten. Ist die Überlappung nicht ausreichend, kann im Ofen unter Bandzug die Schweißnaht aufreißen und zum Stillstand der gesamten Anlage führen. Da ein solcher Bandriss mit: Ab- und Anfahren des Ofens, Fluten mit Schutzgas etc., zu einem Ausfall von ca. zwei Produktionsschichten führt, wird die einwandfreie Überlappung mit einem OPTIscan erfasst. Die zweidimensionale Information des OPTIscan (Abstand und laterale Position) ermöglicht das Erkennen folgender Fehlerquellen: Bleche liegen stumpf voreinander (keine Überlappung), Bleche nur teilweise überlappt, Spalt zwischen den Blechen. Der Laserscanner wird vorlaufend vor der Rollnaht-Schweißanlage entlang der Überlappung verfahren. Ein weiteres großes Anwendungsfeld liegt in der Überlappungs- oder Spaltmessung beim Schweißen von Platinen, die im modernen Automobilbau zunehmend an Bedeutung gewinnen. Unter Platinen versteht man vorgefertigte Blechtafeln, die in sich aus Blechen unterschiedlicher Dicke bestehen. Durch den Einsatz von Platinen ist es möglich, im Automobilbau Gewicht und somit Treibstoff zu sparen, da nur dort große Materialstärken eingesetzt werden, wo sie aus Gründen der Festigkeit auch wirklich notwendig sind. Bedingung dabei ist, dass sich Platinenbleche ebenso wie Bleche aus einer Dicke in den Umformwerkzeugen verformen lassen. Die Herstellung der Platinen erfolgt entweder durch Quetschnahtschweißen oder Laserschweißen. In beiden Fällen ist der Einsatz einer Sensorik zur Überwachung der Blechposition erforderlich. Auch hier erfolgt die Messung mit dem OPTIscan oder dem OPTIline. Während beim Quetschnahtschweißen die Überlappung gemessen wird, ist beim Laserschweißen ein engtolerierter Spalt für eine einwandfreie Verschweißung einzuhalten.

Durchmessermessung/Biegradiusbestimmung Für den Durchmesserbereich bis ca. 300mm werden üblicherweise Lasermesssysteme eingesetzt, die nach der Schattenmethode arbeiten. Für große Durchmesser bis z.B. 8m kann diese Methode aus baulichen Gründen nicht mehr eingesetzt werden. Mit Hilfe von vier OPTImess Sensoren, die in einem gekühlten Gehäuse installiert sind, ist diese Messung möglich. Jeweils drei Sensoren messen — ausgehend von ihrer festen Basis — den Abstand zum Rohr. Die Abstandswerte werden im OPTIcontrol erfasst und hieraus mathematisch der Durchmesser ermittelt. Für Durchmesser bis 2500mm haben die Sensoren einen Abstand von 200mm untereinander, bis 8000mm beträgt der Basisabstand 400mm. Die erzielbare Auflösung beträgt bei 2m 1,2mm, bei 3m 2,4mm und bei 4m 4,5mm. Die Messung ist auch bei glühenden Oberflächen möglich.

Sonstige Einsatzbereiche Positionierungsaufgaben Die hohe Reproduzierbarkeit, die Unempfindlichkeit gegenüber unterschiedlichen Reflexionseigenschaften von Oberflächen und Farben, die Messung auf heißen Oberflächen und die Ausgabe eines Abstandswertes bieten für viele Positionieraufgaben im Stahlbereich (z.B. Coilpositionierung, Brammenpositionierung usw.) große Vorteile gegenüber schaltenden Systemen wie Lichtschranken oder Tastern.

Blecherkennung In Fällen, in denen eine Detektion von Blechoberflächen aufgrund der Temperatur oder der Oberflächenbeschaffenheit des Materials (Zunder) zu Fehlschaltungen bei Lichtschranken führt, bietet sich der Einsatz von Lasersystemen an. Für den Einsatz zur Messung auf Schmelzenoberflächen stehen spezielle OPTImess Sensoren zur Verfügung. Je nach Umgebungstemperatur werden Sensoren mit luft- oder luft- und wassergekühltem Gehäuse eingesetzt. Für Messungen auf Aluminiumschmelzen sind es rein luftgekühlte Sensoren, wobei die Kühlluft im Bereich der Optik austritt und diese dadurch gleichzeitig von aufsteigendem Dampf freihält. Für Messungen auf Stahlschmelzen sind wassergekühlte Sensoren mit zusätzlicher Luftspülung für das Linsensystem im Einsatz. Die Aufnehmer sind zusätzlich mit Interferenzfiltern und einem inneren thermischen Schutzsystem versehen. Die Messbereiche liegen zwischen 100mm und 400mm bei Abständen zwischen Sensor und Mitte Messbereich (Stand off) von bis zu 800mm. Das analoge Ausgangssignal (Strom oder Spannung) kann direkt zur Stopfenregelung genutzt werden. Für den Einsatz von Stranggusskokillen ermöglicht der große Messbereich die Erfassung des Bodens vor dem Anguss und die Messung des Füllstandes während der gesamten Angießzeit.

Dickenmessung Hauptanwendungsgebiet für die berührungslose Lasermesstechnik im Stahlbereich stellt die Dickenmessung dar. Einsatzgebiete liegen hier in den Bereichen:

Warmband Kaltband verzinkte Bleche beschichtete Bleche

Die Dickenmessung als Ein-Spur-System ist sowohl mit einem als auch mit zwei Sensoren möglich. Die Messung mit einem Sensor erfolgt auf einer Referenzwalze als Basis. Dabei ist zu beachten, dass Unrundheiten der Walze sowie ein Abheben des Produktes von der Walze als Dickenänderung erfasst werden und zu einer Fehlmessung führen können. Standardmäßig ist daher der Einsatz von zwei Lasersensoren je Messspur zu empfehlen, wobei jeweils ein Sensor ober- und unterhalb des Produktes angeordnet ist. Diese Anordnung erlaubt eine vertikale Bewegung des Bandes innerhalb des Messbereichs, ohne dass eine Verfälschung des Messwertes auftritt. Je nach Anordnung und Anzahl der Messköpfe sind unterschiedliche Systemkonfigurationen möglich:

stationäre Dickenmessung von 1-x Spuren Dickenmessung mit verstellbaren Messspuren traversierende Messungen

Für die traversierende Messung stehen unterschiedliche Traversiergerüste in Form von C- oder O-Rahmen unterschiedlicher Breite zur Verfügung. Die Traversierung ermöglicht die kontinuierliche Erfassung von Längs- und Querprofilen und bei nicht wandernden Produktkanten zusätzlich eine Breitenmessung. Traversenfehler, bedingt durch Fertigungstoleranzen und Durchbiegung der Traverse durch das Eigengewicht, werden durch entsprechende softwaremäßige Traversenfehlerkorrektur kompensiert.

Anschnitterkennung beim Brennschneiden Durch die geringe Strahldivergenz des Lasers ist auch über einen großen Messbereich eine genaue Kantendetektion möglich. So können Standard OPTImess Sensoren als vorlaufende Systeme beim Brennschneidprozess zu einer Optimierung des Anschnittes und zur Verkürzung der Anfahrzeit beitragen.

Absatzerkennung Die Brennschnitte an großen Querschnitten erfolgen meistens mit zwei Brennern, die von beiden Seiten in das Material hineinschneiden. Hierbei kann es vorkommen, dass in der Mitte des Materials ein Absatz durch ungleiche Schnitte beider Brenner entsteht. Wird eine solche Schnittkante weiterverarbeitenden, spannenden Maschinen zugeführt, bspw. zum Besäumen, können die Werkzeuge durch den einlaufenden Absatz zerstört werden. Auch hier bietet sich ein OPTImess Sensor mit einer D h / D x-Auswertung der Oberflächenkontur an. Einsatzbeispiele als PDF-Datei Aluminium- und Stahlindustrie 1182 KB OPTImess PSD I OPTImess CCD I OPTIscan I OPTIline I OPTIcontrol I Sonderausführungen