Präzise Abstandsmessung Wann sind optische Distanzsensoren die erste Wahl?

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Präzise Distanzmessung ist ein entscheidender Faktor für zuverlässige Prozessabläufe und Qualitätssicherung, von der Intralogistik über die Verpackung bis hin zur Automobilindustrie. Optische Sensoren, insbesondere Laser-Distanzsensoren, finden hier sehr oft Anwendung. Doch wo liegen ihre Stärken, wo ihre Grenzen – und für welche Anwendungen sind sie besonders geeignet?

Ob bei der Positionierung von Werkstücken, der Regelung von Maschinenbewegungen, der Füllstandsmessung oder der Kollisionsvermeidung – zuverlässige Distanzmessung ist fundamental. Sie ermöglicht adaptive Fertigungsprozesse bis Losgrösse 1, reduziert Ausschussraten und erlaubt eine vorausschauende Wartung.

Herausforderungen bei der Distanzmessung

Zuverlässig Distanzen mit der notwendigen Präzision zu messen, ist in der Praxis nicht trivial. Herausforderungen sind zum Beispiel unterschiedliche Umgebungsbedingungen, wechselnde Oberflächenbeschaffenheiten oder hohe Geschwindigkeiten im Fertigungsprozess. Klassische berührende Verfahren wie taktile Messtaster oder mechanische Endschalter stossen wegen Verschleiss, Trägheit oder eingeschränkter Messgenauigkeit an ihre Grenzen. Auch berührungslose Alternativen wie Ultraschall- oder induktive Sensoren sind nicht universell einsetzbar.

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Optische Distanzmessung: hohe Präzision ohne Berührung

Optische Sensoren von Baumer – insbesondere Laser-Distanzsensoren – bieten eine hervorragende Kombination aus hoher Messpräzision, schneller Reaktionszeit und flexibler Montierbarkeit.

Die berührungslose, punktgenaue Erfassung der kompakten Sensoren erlaubt Präzision im Mikrometerbereich selbst auf empfindlichen, bewegten oder schwer zugänglichen Objekten. Grundlage für diese Leistungsfähigkeit ist eine speziell auf den jeweiligen Messbereich abgestimmte Optik, rauscharme Empfangselektronik und ein ausgeklügeltes mechanisches Design.

Typische Einsatzfelder von Laser-Distanzsensoren

Laser-Distanzsensoren sind in einer Vielzahl industrieller Szenarien die bevorzugte Lösung:

• Positionierung in der Robotik: Exakte Erfassung von Greifer- und Objektpositionen für präzise Handling-Prozesse

• Werkzeugpositionierung: Exakte Positionierung von Werkzeugen für Bearbeitungsschritte, die hohe Präzision erfordern (Dispensieren, Metall- oder Holzbearbeitung)

• Qualitätskontrolle: Höhen-, Breiten- oder Dickentoleranzen lassen sich inline mit hoher Präzision prüfen.

Typische Einsatzfelder von Time-of-Flight-Sensoren

Time-of-Flight-Sensoren finden unter anderem in Intralogistik-Anwendungen weite Verbreitung:

• Abstandsmessung in der Fördertechnik: Anwesenheitsprüfung, Lückenmessung oder Distanzregelung in Hochregallagern oder automatisierten Transportanlagen

• Distanzmessung bei AGVs & AMRs: Richtiges Positionieren der Palette auf den Gabelzinken

• Kollisionsvermeidung bei Container-Shuttles: Abstandsmessung zwischen den Shuttles, um Zusammenstösse zu verhindern

• Abstandsmessung bei Paletten-Shuttles: Genaue Positionierung von Paletten nebeneinander zur optimalen Raumausnutzung

• Solar Panel Handling: Zuverlässige Anwesenheitsdetektion und Positionierung von Solarpanelen trotz der lichtabsorbierenden Eigenschaften

• Halbleiter-Industrie: Anwesenheitsdetektion und Positionierung von Glas- und Graphit-trägern in Beschichtungsanlagen (PECVD)

Praxisbeispiel Laser-Distanzsensoren in der Leiterplattenfertigung

In der Elektronikfertigung müssen Flüssigkeiten oder Pasten wie Dichtmittel oder Klebstoff mit einem Dispenser (Dosiergerät) automatisiert in genau definierter Menge und unterbrechungsfrei auf eine Leiterplatte aufgetragen werden.

Diese Aufgabe erfordert eine präzise Höhenpositionierung der Dosiernadel, da hier die Kleberaupengeometrie ausschlaggebend ist: Breite, Höhe und Volumengleichmässigkeit müssen exakt den Vorgaben entsprechen.

Ein Beispiel ist die Dosierung von CIPG-Materialien, um Tablet- und Smartphone-Displays staub- und wasserdicht zu versiegeln. Neben den langen Wegen von ca. 250 mm sind hier die Platzierung der Raupe und ihre Geometrie entscheidend für die erforderliche Dichtheit. Die Präzisionsanforderungen können von wenigen Mikrometern bis zu ± 100 µm reichen.

Für diese Anwendungen bringen Laser-Distanzsensoren die besten Voraussetzungen mit. Sie erreichen Genauigkeiten von mehr als ± 3 µm und bieten als berührungslose Methode viele Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen Kontaktsonden: kein Verschleiss, kein Zerkratzen der Glasoberfläche, keine Sondenmarkierungen.

Als einer der Technologieführer in der optischen Distanzmessung entwickelt Baumer die Leistungsfähigkeit seiner Laser-Distanzsensoren permanent weiter, unter anderem die Messgenauigkeit auch auf glänzenden und strukturierten Oberflächen. Aktuelles Beispiel ist der OM60 mit der besten Messperformance seiner Klasse: maximal ±3 μm Linearitätsabweichung und 0,12 μm Wiederholgenauigkeit selbst bei schwierig zu detektierenden Oberflächen. Eine derartige Performance ist in dieser kompakten Gehäusegrösse einzigartig.

Weiterer Pluspunkt des OM60: Durch sein durchdachtes mechanisches Design bietet der OM60 ausgezeichnete Temperaturstabilität, ist mit wenigen Handgriffen montiert und zudem nach ein paar Mausklicks parametriert.

Praxisbeispiel Dickenmessung von Blechen und Folien

Bei der Herstellung und Verarbeitung von Folien, Blechen und Platten unterschiedlicher Materialien ist die Dicke eine wesentliche Grösse, um Prozesse wie das Walzen oder Beschichten zu regeln.

Die Dickenmessung eignet sich auch als Inline- oder Offline-Eingangskontrolle vor Maschinen, um Fehldicken frühzeitig vor einer Weiterverarbeitung zu erkennen.

Optimalerweise wird die Dicke berührungslos einseitig gemessen, abhängig von der gewünschten Präzision. Das erfordert allerdings eine stabile Position bzw. Auflage des zu vermessenden Objektes. Bei Höhenschlag oder bei einer Welligkeit, die über die Präzisionsanforderungen hinausgeht, empfiehlt sich die beidseitige Messung. Das gilt ebenso, wenn die Messung so präzise wie möglich sein soll.

Der Aufbau ist vergleichsweise einfach: Zwei Sensoren auf beiden Seiten des Bleches bzw. der Folie messen an derselben Stelle die Distanz zum Objekt. Die Differenz der beiden Distanzen ergibt die Höhenschlag kompensierte Dicke.

Je nach Anforderung und Objekt empfehlen sich hier Ultraschallsensoren oder die optischen Sensoren der Baumer Serie OM60, die selbst geringste Abweichungen in der Dicke erfassen können. Ein wichtiger Faktor ist hierbei die hohe Unabhängigkeit gegenüber Glanz und Unregelmässigkeiten in der Oberflächenbeschaffenheit. Wo andere optische Distanzsensoren an ihre Grenzen stossen, liefert die OM60 Serie zuverlässig präzise Resultate – egal ob auf Holz, Metall, Gummi.

Praxisbeispiel Time-of-Flight-Sensoren in Shuttles

In der Intralogistik eignen sich Time-of-Flight-Sensoren gut für die Fachbelegtkontrolle, in der grosse Messbereiche bis 2,5 m gefordert sind. Kompakte Shuttles bieten nur sehr begrenzten Raum für Sensorik, daher ist hier eine extrem kompakte Bauweise notwendig, wie sie der Baumer OT200 als kleinster Time-of-Flight-Sensor bietet. Das Motto: Weniger Platz für die Technik, mehr Platz für die Ladung.

Bei Intralogistik-Shuttles erfordert der kleine Bauraum mitunter besondere Lösungen. So misst der Sensor je nach Einbausituation nicht senkrecht auf das Objekt, so dass die Sensorausrichtung unter Umständen für den Sensor ungünstig gewählt werden muss. Hohe Winkeltoleranz ist dann gefordert. Mit perfekt aufeinander abgestimmten Komponenten und Designs gelingt es Baumer, die Vorteile der ToF-Technologie voll auszureizen. Dazu zählen empfindliche, rauscharme Empfänger mit einer hohen Quanteneffizienz, spezifische Optik, Baumer Elektronik-Design und die damit einhergehende Signalverarbeitung sowie die Algorithmen. Baumer ToF-Sensoren messen daher auf Container in unterschiedlichsten Farben und Formen zuverlässig.

Fazit

Die optische Distanzmessung mit Lasersensoren und Time-of-Flight-Sensoren hat sich in der industriellen Automatisierung als Schlüsseltechnologie etabliert – und das zurecht. Sie ermöglicht hochpräzise, dynamische und wartungsarme Messungen unter unterschiedlichsten Bedingungen. Laser-Distanzsensoren liefern verlässliche Daten im µm-Bereich auf kurze Distanz unter 1 Meter, ToF-Sensoren sind stark bei grösseren Reichweiten von mehreren Metern.

Die technischen Herausforderungen wie Oberflächenvielfalt, Verschmutzung oder Temperaturdrift kompensieren Baumer Distanzsensoren durch ausgefeilte Signalverarbeitung, robuste Bauweise und intelligente Selbstdiagnose. Für Konstrukteure und Ingenieure, die zukunftssichere Automatisierungslösungen entwickeln, sind Laser-Distanzsensoren und Time-of-Flight-Sensoren daher oft nicht nur eine Option, sondern die beste Wahl.

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