An den 'IDS3010' lassen sich bis zu drei Sensorköpfe anschließen. So können die lineare Bewegung von Objekten, Führungsfehler wie Höhen-/Seitenschlag, Gieren/Nicken/Rollen und Unrund­heiten ­rotations­symetrischer Teile erfasst werden.

© Attocube Systems

Diese Lücke zu schließen und der Industrie die Messgenauigkeit von Interferometern in Form einer robusten, kompakten und wirtschaftlichen Lösung zur Verfügung zu stellen, hat sich die Firma Attocube auf die Fahnen geschrieben. Das Ergebnis ist ein Interferometer namens ‚IDS3010‘.

Die Sensorköpfe des ‚Industrial Displacement Sensors‘ sind nur wenige Millimeter groß und werden mittels einer einfachen Glasfaser an die Basiseinheit gekoppelt. Bis zu drei Sensorköpfe sind an eine Basiseinheit anschließbar, so dass ein einziges Messsystem drei Achsen erfassen kann. Die erreichte und von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt offiziell bestätigte systematische Messabweichung des Systems beträgt 0,0 ppm im Messbereich von 0 bis 3000 mm. Somit sind Kalibrierungen von Maschinen beziehungsweise Achsen nicht mehr erforderlich, wenn der Sensor dort integriert wird. Das glasfaserbasierte Design, die sehr kleinen Sensorköpfe sowie die beliebig platzierbare Basiseinheit ermöglichen Messungen an räumlich stark eingeschränkten beziehungsweise schwer zugänglichen Stellen. Die berührungslose Messung direkt auf das Target (Werkstück, Werkzeug, Maschinenteile) vermeidet die beschriebenen Messfehler. Durch die hohe Bandbreite erschließen sich neue Anwendungsfelder in der Schwingungsanalyse von Maschinen und Prozessen. Grob gesagt, ist das Interferometer einsetzbar

• als Wegsensor in der Qualitätssicherung: für die Kalibrierung von Achsen und ganzen Maschinen, in Koordinatenmessmaschinen oder auch als universelles Mess- und Prüfmittel in der Qualitätssicherung (Feinmessräume);
• als Wegsensor in Produktionsmaschinen: als integriertes Wegmesssystem mit bis zu drei Achsen in hochpräzisen Fertigungsmaschinen (Werkzeugmaschinen), als Resolversystem für hochpräzise Servoantriebe (exakte Bahnkurven in der CNC-Technik) sowie für die Positionsregelung von ­Achsen;
• als Messsystem in der Produktion: für die serienbegleitende Werkstückprüfung oder als maschinenintegriertes Messsystem für die Messung von Werkstücken;
• als Vibrometer: für die Echtzeit-Prozessanalyse und -kontrolle, für Echtzeit-Schwingungsmessungen an Maschinen und Anlagen zur Detektion von Maschinenschäden, zur Standzeit-Ermittlung von Werkzeugen, für Predictive Maintenance, für die Detektion von Unwuchten sowie für Echtzeit-Vibrationsmessung zur aktiven Schwingungskompensation.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Michelson-Interferometern basiert der 'IDS3010' auf moderner Glasfasertechnologie. Die Glasfaser selbst bildet den klassischen Referenzarm, weswegen sich der Sensor äußerst kompakt gestaltet.

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Im Gegensatz zu anderen Interferometern basiert der Sensor auf einem glasfasergekoppelten Fabry-Pérot-Konzept. Die typischerweise sehr begrenzte Reichweite dieses Messprinzips konnte Attocube dank dem Einsatz moderner Regelungs- und Steuertechnik auf bis zu 5000 mm erweitern. Da die Sensorköpfe glasfaserbasiert sind und nur optische Komponenten enthalten, kann die gesamte Elektronik in einer einzigen Basiseinheit integriert werden. Im Zuge der Entwicklung des Interferometers wurde der in nahezu allen Interferometrie-Anwendungen benutzte teure HeNe-Gaslaser durch einen deutlich günstigeren wellenlängenmodulierbaren Halbleiterlaser ersetzt. Das Licht aus diesem Halbleiterlaser wird über einen Glasfaserkoppler zum Sensorkopf geleitet. Die Glasfaser endet im Sensorkopf, wo ein Teil des Lichtes – etwa 4 % – reflektiert wird und auf diese Weise den Referenzstrahl des Interferometers bildet. Der andere Teil verlässt die Glasfaser und wird durch einen Kollimator in einen parallelen Lichtstrahl umgewandelt und auf das Zielobjekt gerichtet – Targets sind zum Beispiel Werkstück, Werkzeug oder Maschinenteile. Dieser Lichtstrahl bildet den eigentlichen Messstrahl des Interferometers und wird an dem zu vermessenden Objekt reflektiert und wieder in die Glasfaser eingekoppelt, wo er mit dem Referenzstrahl interferiert. Das dadurch gebildete Interferenzsignal wird wiederum über den Glasfaserkoppler zu einem Detektor geleitet, der eine sinusförmige Interferenz-Intensität in Abhängigkeit von der Position des Messobjektes anzeigt.

Während konventionelle Interferometer vorwiegend auf hochreflektiven Oberflächen messen können, ist es bei dem von Attocube entwickelten Sensor durch Umformung des Laserstrahls in einen fokussierten Strahl möglich, auch direkt auf rauen Oberflächen mit sehr geringer Reflektivität zu messen – beispielsweise auf Siliziumwafer, Glas und Keramik.

Flexibel einsetzbare ­Sensorköpfe

Rundlaufmessung am rotierenden Objekt: Rechtwinklig zur rotierenden Achse wird der Rundlauf einer Welle von zwei Sensorköpfen des Interferometers gleichzeitig gemessen. Die schwarzen Linien zeigen den Rundlauffehler der rotierenden Motorwelle.

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Des Weiteren sind Messungen auf Oberflächen aus Kunststoffen, Aluminium, Kupfer und poliertem Stahl möglich. Genügt die Reflektion der Oberfläche nicht, können plane Spiegel oder sogenannte Retroreflektoren genutzt werden.

Der speziell für den Industriemarkt entwickelte Sensor ist mit einem Webserver ausgestattet, wodurch das Gerät für Industrie-4.0-Anwendungen kompatibel wird: Datenaustausch, Ausrichtung, Initialisierung sowie Konfiguration lassen sich per Remote-Zugang von jedem beliebigen Ort aus steuern, anpassen und überwachen. Ein inte­grierter sichtbarer Pilotlaser vereinfacht das Ausrichten und Einstellen, ein Bargraph zeigt dabei die aktuelle Signalstärke an. Nach dem mechanischen Ausrichten wird das Interferometer initialisiert und zeigt sofort die Distanz zwischen Sensorkopf und Targets an.

Interview mit dem Vorstand von Attocube Systems: "Zeit umzudenken!"

Dr. Martin Zech, Vorstand von Attocube Systems, München: "Mit dem 'IDS3010' lässt sich messen, wo sich ein Maschinenteil, ein Werkstück oder ein Werkzeug befindet, und auch, wie schnell es sich bewegt und wie stark es schwingt bzw. vibriert."

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Ingenieure im Präzisionsmaschinenbau sind angesichts der stetigen Miniaturisierung von Produkten und dem damit einher­gehenden Bedarf nach mehr Präzision gefordert, umzudenken. Welche Herausforderungen Ingenieure künftig meistern müssen, erläutert Dr. Martin Zech, Vorstand von Attocube.

Attocube bedient sowohl Kunden aus der Forschung als auch aus der Industrie. Was wird sich hinsichtlich der Anforderungen einer ‚Nanowelt‘ für Ingenieure im Maschinenbau ändern?
Dr. Zech: In der Nanowelt ist – fast – nichts mehr so statisch, wie es äußerlich anmutet: Wir führen Kunden als Beispiel gern ein Experiment mit einer festen Abstandsmessung in einem dünnwandigen Hohlkörper vor – wir Physiker sagen dazu Kavität –, wobei der Abstandswert ab der vierten und fünften Stelle hinter dem Komma wild hin und her springt. Dabei ist nicht etwa das Messgerät defekt – der Wert ändert sich tatsächlich! Damit muss sich ein Maschinenbauer mit der erlernten Vorstellung einer ‚statischen Materie‘ erst einmal anfreunden. Dies sorgt auch bei erfahrenen Entwicklern für einen Aha-Effekt. Im Submikrometerbereich spielen auf einmal Effekte eine Rolle, die man bislang gar nicht beachten musste.

Auf der Hannover Messe 2017 haben Sie ein neuartiges Wegmesssystem vorgestellt. Was ist das genau?
Dr. Zech: Betrachtet man den IDS3010 als Wegmessgerät, dann ist das die rein statische Sichtweise. Wir sprechen lieber von einem Bewegungssensor – denn die physikalischen Größen Weg beziehungsweise Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung respektive Schwingungen sind für uns Physiker ‚ein einziges Phänomen‘, nämlich schlicht Bewegung. Die Aufbereitung des Bewegungssignals in die verschiedenen Größen ist dann nur noch eine Sache verschiedener mathematischer Operationen wie etwa Ableitungen oder Fourier-Transformationen – weil unser Signal so gut ist, dass es auch alle Bewegungsinformationen enthält. Wir erfassen die Position mit einer Auflösung von einem Pikometer bei einer Bandbreite von bis zu 10 MHz. Im Vergleich dazu wird im Maschinenbau für jede Bewegungsgröße je ein Sensor eingesetzt – beispielsweise für die Position ein Glasmaßstab und für die Messung von Schwingungen ein Beschleunigungssensor. Unser Messsignal hingegen enthält alle Bewegungsinformationen, weil die Bewegung mit einer so hohen Bandbreite ‚gescannt‘ wird.