Distanzmessung Wann sind optische Sensoren die erste Wahl?

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Optische Sensoren, insbesondere Laser-Distanzsensoren, spielen bei der Distanzmessung eine zentrale Rolle. Wo liegen ihre Stärken, wo ihre Grenzen und für welche Anwendungen eignen sie sich besonders?

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

Distanzen mit der notwendigen Präzision zuverlässig 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.

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. 
• 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
• 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.  

Kraftsensorik

Baumer übernimmt X-Sensors 

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 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 Meter gefordert sind. Kompakte Shuttles bieten nur sehr begrenzten Raum für Sensorik, daher ist hier eine 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.

Klaus Hartinger ist Strategischer Produktmanager bei Baumer.