Basics der ROLAND Dickenmesssysteme

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ROLAND ELECTRONIC – Dickenmesssysteme
Je nach Messaufgabe und den entsprechenden Einsatzbedingungen, wie z.B. der Einbausituation, dem Einbauort, der erforderlichen Genauigkeit und den Umgebungsbedingungen kann aus einer Vielzahl von ROLAND ELECTRONIC - Dickenmesssystemen gewählt werden.
Statische und dynamische Messsysteme
Grundsätzlich werden zwei Anlagentypen unterschieden. Beim statischen Messsystem (z.B. LTM-BASE) bleibt der Messpunkt in Bezug auf das Anlagensystem unverändert. Beim dynamischen Messsystem (z.B. LTM-SMART) hingegen kann der Messpunkt seine Position im Anlagensystem verändern. Er kann zeit- bzw. wegabhängig sein.

Messmodi der Dickenmesssysteme
Je nach Anforderungen bzw. gewähltem Messsystem sind verschiedenste Messmodi möglich. Diese können in der ROLAND ELECTRONIC Dickenmesssoftware LTM-S angewählt und produktabhängig gespeichert werden. Dynamische Messsysteme bieten grundsätzlich eine größere Auswahl von Messmodi an.

  • Linienmessung
    Das Messsystem verharrt im statischen Zustand. Die Y – Koordinate des Messsystems bleibt während des Messvorganges unverändert. Während der Bewegung des Materials in X – Richtung werden die Dickenmesswerte entlang einer so entstehenden geraden Linie ermittelt.
  • Mikro – Traversierung
    Bei der Mikro – Traversierung verändert sich die Y – Koordinate des Messsystems dynamisch. Das System pendelt zwischen zwei frei wählbaren Y – Koordinaten (Y1 und Y2) mit konstanter Geschwindigkeit hin und her. Der sich daraus ergebende Traversierweg ist immer kleiner als die momentane Band- bzw. Materialbreite.Während der Bewegung des Materials in X – Richtung werden Dickenmesswerte entlang einer so entstehenden sinusförmigen Linie ermittelt. Es wird nur ein Teilbereich (Streifen bzw. Spur) des Materials vermessen.
  • Makro – Traversierung
    Bei der Makro – Traversierung verändert sich die Y – Koordinate des Messsystems dynamisch. Dabei pendelt das System zwischen zwei festen Y – Koordinaten (Y1 und Y2) mit konstanter Geschwindigkeit hin und her. Die beiden Koordinaten Y1 und Y2 ergeben sich aus den beiden Kanten des momentan zu vermessenden Materials. Nur durch die Bewegung des Materials in X – Richtung werden Dickenmess- werte entlang einer so entstehenden sinusförmigen Linie ermittelt. Es wird über die gesamte Band- bzw. Materialbreite gemessen.
  • Makro – Traversierung mit Spurmessung
    Die Makro – Traversierung mit Spurmessung funktioniert grundsächlich wie die oben beschriebene Makro-Traversierung. Zusätzlich kann mittels der Messsoftware LTM-S das Material in Teilbereiche (Spuren) unterteilt werden. Jede Spur besitzt zwei eindeutige Y – Koordinaten (YS, YE), welche die Spurbreite bestimmen. So ist es möglich, Spuren (Teilbereiche) bei der Vermessung auszublenden, bzw. nur für die Weiterverarbeitung relevante Spuren in die Messdatenauswertung einzubeziehen.

Prinzip der Dickenmessung via Laser - Triangulation

Die in den ROLAND ELECTRONIC Dickenmesssystemen verwendeten Laser arbeiten nach dem Prinzip der Triangulation, d.h. es erfolgt eine Abstandsermittlung mittels einfacher trigonometrischer Funktionen. Ein Laserpunkt wird auf die Materialoberfläche projiziert. Je nach Entfernung der Materialoberfläche trifft das reflektierte Licht unter einem bestimmten Winkel auf das Empfangselement des Lasers. Aus diesem Winkel und dem fest definierten Abstand der Lichtquelle zum Empfangselement wird dann der Abstand des Lasers zur Materialoberfläche ermittelt. Bei ROLAND ELECTRONIC Dickenmesssystemen besteht eine Messstelle immer aus zwei genau gegenüberliegenden Lasersensoren, zwischen denen das zu vermessende Material hindurchgeführt wird. Jeder Lasersensor misst einzeln den Abstand zur Materialoberfläche (A1 bzw. A2). Man erhält die Dicke d des Materials, indem man die Summe der gemessenen Werte (A1 und A2) vom Einbauabstand (Ax) subtrahiert.

Mechanische Funktionsmaße, Arbeitsbereich
Für den Einbau des Messgerätes ist die Kenntnis der mechanischen Funktionsmaße, insbesondere die Kenntnis der Messmittelpunkte, sowie der Geräte – Passline notwendig. Im Gegensatz zum Messmittel- punkt, der eine fest definierte maßliche Größe ist, muss die Geräte – Passline auf einfache Weise berechnet werden können. Der Arbeitsbereich wird als der Bereich definiert (Z – Richtung), in dem sich das zu vermessende Material in Arbeitsposition bewegen darf, um eine plausible Messdatenaufnahme zu gewährleisten. Der Arbeitsbereich kann nicht vollständig ausgenutzt werden.

Messabstand, Messmittelpunkt, Geräte-Passlinie
Der Messabstand ist der Abstandsbereich des Lasers zum Material (Z – Richtung) in dem eine plausible Messdatenerfassung möglich ist. Ziel ist es, dass das zu messende Material mit einem konstanten Abstand an den Lasern vorbeizuführen. Dabei sollte das Abstandsmaß idealerweise laser-, bzw. materialidentisch mit dem optimalen Messabstandsmaß sein. Als Messmittelpunkt wird der Punkt bzw. das Maß definiert, in dem sich beide Laserstrahlen (Z – Richtung) mit ihrem jeweils optimalen Messabstand treffen.  Als Bezug dient dabei immer die Geräteunterkante. Als Geräte-Passlinie wird das Maß definiert, welches sich aus dem Abstand ab Bezugskante des Gerätes (Z – Richtung) zum Messmittelpunkt minus der halben Materialdicke ergibt. Als Maß für die Materialdicke wird das am häufigsten zu vermessende Nenndickenmaß verwendet.

Aufbau der ROLAND ELECTRONIC Dickenmesssysteme
Bei den ROLAND ELECTRONIC Dickenmesssystemen wurden alle notwendigen Erfordernisse im Bereich Mechanik und Elektrik berücksichtigt, die sich aus modernen Fertigungsverfahren und der dort zu integrierenden Messtechnik auch über die nächsten Jahre hinweg ergeben.

Mechanik
Bei der mechanischen Konstruktion wurde besonders auf eine biegesteife bzw. schwingungs- und temperaturresistente Konstruktion Wert gelegt. Mechanische Schnittstellen erlauben die einfache Montage innerhalb des kundenseitigen Systems.

Materialüberleitsystem
Die dynamischen Systeme LTM-SMART und LTM-MAXI sind konstruktiv so gestaltet, dass diese zusätzlich mit einem Material – Überleitsystem ausgerüstet werden können. Dieses unterstützt, falls kundenseitig nicht umsetzbar, den notwendigen Ruhelauf des Materials, sowie die Materialführung.

Steuerungskonzept LTM-ECO
Das Steuerungskonzept für das LTM-ECO System basiert auf einer sogenannten Embedded - Lösung. Dieses ermöglicht eine kleine kompakte Bauweise und macht somit die Integration in ein kundenseitiges System sehr einfach. Im Bediengerät sind alle notwendigen Komponenten zur Steuerung und Regelung der Messaufgabe für das LTM-ECO integriert. Die Bedienung erfolgt über vier integrierte Tasten, die Anzeige der Informationen über ein 4x20 Dotmatrix-Display. Zur Synchronisation der ermittelten Dickenmesswerte mit dem dazugehörigen Materialweg bzw. zugehörigen Ort auf dem Material (X – Koordinate) muss kundenseitig der zum Lieferumfang gehörende Drehgeber in das kundenseitige Anlagensystem integriert werden. Die Kommunikation zur übergeordneten Steuerung erfolgt über eine fest definierte Schnittstelle (Profibus, Profinet). Alle Anschlüsse sind steckbar ausgeführt.

Steuerungskonzept LTM-BASE, LTM-SMART, LTM-MAXI, LTM-ULTRA
Das Grundprinzip der Steuerung bei LTM-BASE, LTM-SMART, LTM-MAXI und LTM-ULTRA basiert auf einer sogenannten Server – Client Lösung. Intern auf der CPU (Beckhoff) sind der notwendige Server sowie der zum Lieferumfang gehörende interne Client installiert. Über einen optional zum Lieferumfang gehörenden Touchmonitor 21,5“ erfolgt die Bedienung des Messsystems. Bei Bedarf können Maus und Tastatur (kundenseitig zu stellen) über USB angeschlossen werden. Weitere Clients können bei Bedarf über Ethernet mit der Steuerung verbunden werden und ermöglichen ein fast offenes Bedienkonzept. Zur Synchronisation der ermittelten Dickenmesswerte mit der zugehörigen X – Koordinate (Materialweg bzw. zugehöriger Ort auf dem Material) muss kundenseitig ein separates Wegsignal zur Verfügung gestellt werden bzw. muss der optional zum Lieferumfang gehörende Drehgeber in das kundenseitige Anlagensystem integriert werden. Die Kommunikation zur übergeordneten Steuerung erfolgt über eine fest definierte Schnittstelle (Profibus, Profinet). Optional besteht die Möglichkeit, die ermittelten Dickenmesswerte separat in ein kundenseitiges Netzwerk einzuspeisen (z.B. im CSV – Format).

Messgenauigkeit
Die Messgenauigkeit eines Dickenmesssystems gibt Auskunft darüber, mit welcher Genauigkeit die gewünschte messtechnische Erfassung erfolgen kann bzw. realisiert wird und die vorgegebenen Toleranzen prozesssicher überwacht werden können.
Als Kriterium für die Vorauswahl von Messmitteln findet in vielen Industriebereichen nach wie vor „Die goldene Regel der Messtechnik“ (die max. zulässige Fehlergrenze – Messgenauigkeit – des Messmittels darf nur 10% der zu prüfenden Toleranz betragen) Anwendung. Auch wenn heute oft über die Richtigkeit dieser Regel diskutiert wird, so hat sie aber noch immer ihre Berechtigung und kann auch zur Vorauswahl des passenden Dickenmesssystems herangezogen werden.

Beispielberechnung bei Anwendung der „Goldenen Regel der Messtechnik“:
Bei einem Blech soll das Einhalten einer Materialdicke von 3 +/-0,1 mm überwacht werden. Laut der Maßangabe beträgt die Toleranz 0,2 mm. Bei Anwendung der goldenen Regel der Messtechnik (Faustformel) muss entsprechend das Dickenmessgerät eine Messabweichung von kleiner 0,02 mm ausgeben, um das Einhalten der vorgegebenen Toleranz sicher zu überwachen.


Die Messgenauigkeit eines Dickenmessgerätes wird durch eine Vielzahl von Einflussgrößen mit unterschiedlicher Wichtung bestimmt, deren Beherrschung besonders bei der Entwicklung der ROLAND Messsysteme sehr starke Beachtung geschenkt wurde.
Diese Einflussgrößen sind:

  • Die Biege- und Schwingungssteifigkeit der mechanischen Konstruktion und deren Elementen mit einer hohen Resistenz gegen Temperaturschwankung.
  • Die gewählten Messaufnehmer (Laser) in Hinsicht auf Linearität, Wiederholgenauigkeit, Abtastrate usw.
  • Die auf die Messaufnehmer abgestimmte elektrische und mechanische Hardware
  • Die Dickenmesssoftware mit den entsprechenden Mess- und elektrischen Filterelementen, mathematisch – statistischen Funktionen usw.

Der Einfachheit halber wird auf die Berücksichtigung und richtige Verwendung von messtechnischen Definitionen, Festlegungen usw. verzichtet.

Die Wiederholgenauigkeit und die Auflösung werden durch die richtige Wahl der Messaufnehmer (Laser) bestimmt. Hingegen wird die Messabweichung z.B. durch das mechanische System (Lastverformung, Herstellertoleranzen usw.) definiert. Die eventuell auftretenden Falschmessungen werden durch die Dickenmesssoftware LTM-S und die darin integrierten statistischen Verfahren und Messfilter ausgeschlos- sen. In der Darstellung wurde der Linearitätsfehler als konstant vorausgesetzt. Diese Annahme bedingt jedoch, dass sich das zu vermessende Material in konstantem, unveränderlichen Abstand innerhalb des Arbeitsbereiches des Lasers bewegt. Schwankt der Abstand, so verändert sich auch der entsprechende Linearitätsfehler. Entsprechend ist bei Dickenmessung mit Lasertechnik dafür Sorge zu tragen, dass das zu vermessende Material optimal, im Messmittelpunkt des Gerätes, in konstantem Abstand hindurchgeführt wird (Ruhelauf des Materials).

Kalibriersystem

Einen sehr großen Einfluss auf das Messergebnis hat die regelmäßig durchzuführende Kalibrierung des Systems. Die jedem ROLAND ELECTRONIC - Dickenmesssystem integrierte Kalibriereinheit mit softwareseitig implementierten Kalibrierzyklen ermöglicht die erforderliche messtechnische Anpassung des Systems. Dabei umfasst die Kalibrierung neben dem Abgleich des Messsystems auf ein zertifiziertes Normal auch den Nullabgleich der Lasersensoren. Alle zur Kalibrierung notwendigen Einstellungen sind in der Dickenmesssoftware LTM–S möglich, hinterlegt und werden protokoliert.

Prüfung der Messfähigkeit
Um das Einhalten der Messqualität, der Genauigkeit bzw. Richtigkeit der Messung auch im laufenden Fertigungsprozess zu prüfen, sind die ROLAND ELECTRONIC Dickenmesssysteme LTM-BASE, LTM-SMART, LTM-MAXI und LTM-ULTRA mit einem Softwaretool zur „Durchführung der Messsystemanalyse gemäß Verfahren 1“ ausgestattet. Dabei wird ein geeichtes und im System integriertes Normal mindestens 25 bzw. 50-mal vermessen.
Ein Bedienereinfluss wird dabei, wie laut ISO gefordert, systembedingt ausgeschlossen. Aus den aufgenommenen Messwerten werden dann die laut ISO – Verfahren definierten Fähigkeitsgrössen Cg und Cgk berechnet.
Anhand dieser Fähigkeitskennwerte Cg und Cgk kann beurteilt werden, ob die Dickenmesseinrichtung unter Verwendung eines „Normals“ für den vorgesehenen Einsatz unter Betriebsbedingungen geeignet ist und bleibt. Das ISO-Verfahren kann also auch Personen, die mit dieser Technik weniger vertraut sind, eine eindeutige Entscheidungshilfe  zur Messfähigkeit geben.

Einflussgrößen und Voraussetzungen

  • Oberflächenqualität des zu vermessenden Materials
    Die Oberflächenqualität des zu vermessenden Materials hat bedingt einen Einfluss auf die Messergebnisse. Je nach Oberfläche, Farbe, Beschichtung und Ölmenge kann das Reflektionsverhalten des Materials leicht variieren. Entsprechend kann sich die empfangene Lichtstärke im Laser ändern. Die Laser sind so gestaltet, dass sie in diesem Fall die Lichtintensität automatisch nachregeln. Des Weiteren wird durch eine Wahl des Kalibriernormals mit ähnlicher Oberfläche dieser Erscheinung dann Rechnung getragen.
  • Materialgeschwindigkeit
    Die Dickenmessung mit Lasertechnologie kann nur bei einer Relativbewegung zwischen dem zu vermessenden Material und den Lasern erfolgen.
  • Messdichte
    Entsprechend der kundenseitigen Anwendung und der entsprechenden Dimensionierung des Messgerätes werden Laser mit einer definierten Abtastrate zum Einsatz gebracht. Mit Hilfe der Abtastrate [Hz] und der kundenseitig bekannten Materialgeschwindigkeit [m/s] kann die Messdichte (Anzahl der Messwerte pro Weg) berechnet werden.
  • Materialführung
    Die Materialführung hat auf das Messergebnis einen entscheidenden Einfluss (siehe Abschnitt Arbeitsbereich bzw. Messabstand). Deshalb ist im Bereich der Laser auf einen geführten Ruhelauf des Materials zu achten und entsprechend zu gewährleisten. Entsprechend ist der Einbauort der Messgeräte zu wählen.

Sonderlösungen

Generell lassen sich alle Dickenmesssysteme der ROLAND ELECTRONIC LTM-Produktserie miteinander kombinieren. So ist es möglich, Messwege größer 1000mm zu realisieren, bzw. nur Randbereiche usw. zu vermessen. Nutzen sie entsprechend unsere Erfahrungen. Wir finden auch für Ihre Herausforderung eine Lösung!

  • Tandemlösung Randvermessung mit kombinierter mittiger Linienmessung (2 x LTM-MAXI und 1 x LTM-BASE)
  • Tandemlösung bei einer Bandbreite von 1600mm (2 x LTM-MAXI)

ROLAND ELECTRONIC – LTM Produktserie

ROLAND ELECTRONIC hat für die verschiedensten Anwendungen bzw. messtechnischen Aufgaben eine breite Palette an Dickenmesssystemen entwickelt. Die ROLAND ELECTRONIC – Dickenmesssysteme unterscheiden sich neben den Möglichkeiten der statischen oder dynamischen Messerfassung auch in der Anzahl der möglichen Messstellen bzw. der möglichen Genauigkeit, mit welcher Daten erfasst und bereitgestellt werden können. Die Bedienmöglichkeiten und die verschiedenen Betriebsarten stellen Auswahlkriterien dar, um auch für Sie das passende Dickenmesssystem aus unserem LTM Portfolio zu finden.

Das richtige System für Ihren Anwendungsfall
Zur Auswahl des richtigen Systems für genau Ihren Anwendungsfall sind im Vorfeld einige Fragen zu klären bezüglich:

  • Materialart, Form und Oberflächenbeschaffenheit
  • Geometrische Ausrichtung wie Materialbreite, Länge
  • Dickenmessbereich inklusive Toleranzen, die vermessen bzw. überwacht werden sollen, Messfähigkeitsanalyse usw.
  • Gewünschte Betriebsarten wie Linienmessung, Traversierung.
  • Kinematische Größen, beispielsweise Transportgeschwindigkeit und Taktzeit
  • Umgebungs- und Materialtemperatur
  • Einbausituation und Einbauort, Materialführung und Ruhelauf des Materials
  • Bedienkonzept
  • Elektrische Schnittstelle, Art der Datensicherung bzw. Bereitstellung, Kabellängen
  • Weitere

Gerne unterstützen wir Sie bei der Auswahl des passenden Systems.
Unser Internetportal bietet einen passenden Fragebogen an, der Ihnen zur Klärung aller offenen Fragen eine wertvolle Entscheidungshilfe sein kann.

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