Digitalisierung in der Fertigung

Lasermesstechnik mit Schnittstellen

Die Diskussionen um Industrie 4.0 und Big Data haben die Unternehmen sensibilisiert, die Vorteile einer Digitalisierung in der Produktion zeigen sich immer deutlicher: Die Qualität der Produkte steigt, die Ausfallzeiten lassen sich deutlich reduzieren und die Prozesse werden insgesamt optimiert. Die Sammlung und Speicherung von Messdaten innerhalb der Fertigung wird zum Kernthema. Als Hersteller von Messtechnik für Laser erkannte MKS Instruments diese Entwicklung und bietet unter der Marke Ophir eine breite Palette an Sensoren, die über unterschiedliche Datenschnittstellen verfügen. Zusätzlich lassen sich mehrere neu entwickelte Messgeräte direkt in die automatisierte Fertigung integrieren und liefern sofort verwertbare Messdaten.
 

In der automatisierten Fertigung zählen hohe Verfügbarkeit und Produktivität, gepaart mit Energieeffizienz und geringen Ausfallzeiten. Bei Laseranlagen geht das einher mit der korrekten Einstellung des Laserstrahls. Weichen die Strahlparameter von den vordefinierten Prozessparametern ab, resultiert das in sinkender Produktqualität, höherem Energieverbrauch, niedriger Produktivität und führt unter Umständen zu Produktionsausfällen oder - im worst case - zu Rückrufaktionen. Um dies zu vermeiden, ist es essentiell, den Laserstrahl in Schweiß- oder Schneidprozessen ebenso wie in der Additiven Fertigung permanent zu überprüfen. Dazu bieten sich unterschiedliche Möglichkeiten, die sich nach der Fehlertoleranz des jeweiligen Prozesses richten. Für den „Einstieg“ liefert die Messung der Laserleistung des fokussierten Strahls bei Prozessen mit höherer Fehlertoleranz ausreichende Informationen. Ganz gleich, welche Messmethode gewählt wird, der Speicherung der Daten entweder lokal oder im Netzwerk kommt eine immer größere Bedeutung zu.

Get connected: Kopplung über PC-Schnittstellen

Klassischerweise besteht ein Leistungsmessgerät aus einem kalibrierten Sensor und einem kalibrierten Anzeigegerät, die beide unabhängig von einem PC arbeiten. Um die Daten auszulesen, verfügen die Anzeigegeräte zum Teil über eingebaute Schnittstellen. Alternativ zu dem separaten Display kann man die Anzeigefunktion auch dem PC übergeben, benötigt dafür aber eine entsprechende Software und eine kalibrierte Schnittstelle. Im Grunde ist eine Ophir PC-Schnittstelle ein Anzeigegerät bzw. Meter ohne Display. Die wahre Zielsetzung des Anzeigegeräts ist es, das rein analoge Signal des Sensors – sehr präzise – in einen digitalen Wert umzuwandeln, der entweder auf dem Display selbst oder einer PC-Software wie StarLab angezeigt werden kann. Dafür gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Neben den klassischen handgehaltenen Anzeigegeräten gewinnt die Datenanzeige und -auswertung über PC und Netzwerke immer mehr an Bedeutung.  

Die Fernsteuerung für Ihren Sensor

Der erste Schritt, Daten auszuwerten, führt über einen PC. Externe Bluetooth-Schnittstellen – wie Quasar von Ophir - erlauben es, Sensor und Schnittstelle kabellos mit jedem PC zu betreiben.

Figure 1: Barely recognizable as a separate component:<br />
The USB interface is what connects the sensor
Abb. 1: Kaum als eigenes Bauteil zu erkennen: Die USB-Schnittstelle verbindet Sensor und PC.

 

Klassische kabelgebunden PC-Schnittstellen mit USB-Anschluss zeichnen Pulsfrequenzen von bis zu 10 kHz auf und überzeugen durch ihre geringen Abmessungen. Die Schnittstelle wirkt wie ein Bestandteil des Kabels zwischen Sensor und PC. Ophir bietet dazu mit StarViewer eine kostenfrei erhältliche Android App, mit der sich auch Smartphones oder Tablets schnell in ein Leistungsmessgerät verwandeln. Um mehrere Sensoren anzuschließen, eignen sich sogenannte 4-in-1-Systeme.

 

Wer seine Messköpfe in Ethernet-Leistungsmessgeräte verwandeln möchte, kann dies einfach und schnell mit einem Ethernet-Adapter. Die Messköpfe zur Leistungsmessung werden über den separaten Adapter an das Ethernet angeschlossen und senden die gemessenen Daten direkt über das vorhandene Netzwerk zur weiteren Verarbeitung. Damit gewinnt der Anwender räumliche Unabhängigkeit, die in vielen Bereichen eine große Rolle spielt, darunter in der industriellen Automatisierung aber auch in der Forschung und Entwicklung, wo zum Teil mehrere Hundert Sensoren in einem einzelnen Versuchsaufbau verwaltet werden.

Figure 2: The EA-1 adapter quickly and easily converts an Ophir<br />
measuring head into an Ethernet power meter.

Abb. 2: Schnell und einfach verwandelt der EA-1 Adapter einen Ophir Messkopf in ein Leistungsmessgerät im Ethernet.

 

Eine weitere interessante Anwendung eines Ethernet-basierenden Sensors ist das Remote Monitoring. Das ist beispielsweise für Berater wichtig, die die Ingenieure im Feld mit dediziertem technischem Know-how unterstützen oder für Qualitätsbeauftragte, die eine ganze Fabrik mit allen Sensoren überwachen müssen. Ethernet-Konnektivität bedeutet, dass Sie diesen Aufgaben ortsunabhängig per Internet nachgehen können.
 

Kamera mit GigE-Anschluss

Zur Lasys 2018 in Stuttgart stellte Ophir erstmals die SP920G vor. Diese Kamera ist einem robusten und kompakten Gehäuse verbaut und kann über eine GigE-Anbindung bis zu 100 Meter entfernt vom PC betrieben werden. Laserstrahlen lassen sich somit auch in Umgebungen messen, die aus Sicherheits- oder räumlichen Gründen beispielsweise mit einem USB-Anschluss nicht erreicht werden könnten. Auch OEM-Anwendungen im Maschinen- und Anlagenbau werden dadurch deutlich vereinfacht. Die Messdaten, die über die GigE Schnittstelle übertragen werden, lassen sich über die BeamGage Software bequem auswerten.
 

Integrierte Leistungsmessung in Industrie-Netzwerken

Die Leistungsmessung in der automatisierten Fertigung stellt allerdings noch höhere Anforderungen: Neben der flexiblen Einbindung in Industrienetzwerke über Profinet oder RS-232-Schnittstellen, müssen die Geräte kompakt und robust sein. Ophir entwickelte für Anwendungen mit Festkörperlasern in der automatisierten Fertigung HELIOS. Das kompakte Mess-System ermittelt während einer kurzen Bestrahldauer zwischen 0,1 und 10s Laserleistungen von 100 W bis 12 kW und Laserenergie von 10 J bis 10 kJ.  

Figure 3: HELIOS was developed specifically for automated<br />
producLon and measures laser powers up to 12 kW.
Abb. 3: HELIOS wurde eigens für die automatisierte Fertigung entwickelt und misst Laserleistung bis 12 kW.

Auf der sicheren Seite: Berührungslose Strahlanalyse

In Laserprozessen der industriellen Fertigung, die enge Toleranzgrenzen eingehalten müssen, liefert nur eine Messung des Strahlprofils verlässliche Informationen über die Qualität des Laserstrahls. Wer die Qualität seiner Prozesse auf konstant hohem Niveau halten möchte, muss Laserparameter wie Fokuslage, bzw. deren alterungs-, verschmutzungs- oder temperaturbedingte Verschiebung, die Qualitätskennzahl M2 des Lasers und die Leistungsdichte des Lasers kontinuierlich überprüfen. Eine von Ophir entwickelte Technologie zur berührungslosen Messung des Laserstrahls kennt keine Leistungsbegrenzungen und wurde schon bei High-Power Lasern mit 100 kW getestet. Um diese verschleißfreie, präzise und extrem schnelle Technologie auch in der automatisierten Fertigung nutzen zu können, entwickelte das Unternehmen zusätzlich BeamWatch Integrated. Neben einer optimierten Bauform und einem integrierten Leistungsmessgerät verfügt BeamWatch Integrated über verschiedene Schnittstellen, die das direkte Übertragen der Messdaten an Produktionsnetzwerke wie ProfiNET, Ethernet/IP oder CC-Link ermöglichen ermöglichen.

 

Figure 4: BeamWatch Integrated analyzes the beam profile of high-power lasers without touching the beam.
Abb. 4: Berührungslos analysiert BeamWatch Integrated das Strahlprofil von High-Power Lasern.

Christian Dini, Director Business Development Ophir

 

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