Das sind die Trends in der Sensortechnologie

Fast geräuschlos und sanft gleitet der hölzerne Besteckkasten zurück in seine Halterung und schließt plan mit der restlichen Küchenfront ab. Egal ob Küche, Wohnbereich oder Schalungsbretter auf der Baustelle – beim Bearbeiten von Holzelementen sind die Qualität in Funktion und Verarbeitung zu akzeptablen Kosten für Endkunden entscheidende Kaufkriterien. Und beim Bohren, Hobeln, Sägen, Schaben, Spalten, Schnitzen oder bei der finalen Oberflächenbehandlung ist überall modernste Technik im Spiel. Dieser Beitrag widmet sich dabei gezielt dem Thema Sensorik.

Sensoren, wohin das Auge reicht

Die nahezu endlose Bandbreite unterschiedlicher Sensoren beginnt bereits bei der primären Holzbearbeitung. Darunter versteht der Experte die Stammsortierung, das Entrinden oder Schnittoptimieren. Hier spielt 2D-Bildverarbeitung eine wichtige Rolle. Mithilfe von Deep Learning lassen sich etwa Jahresringstrukturen oder Kernholzlagen erkennen, was die Erstellung optimaler Schnittpläne oder die Brettorientierung in Fügeprozessen ermöglicht. Ein typischer Sensor ist der ‚Inspector 830‘ aus der ‚83x-Serie‘ von Sick: Eine leistungsstarke 2D-Vision-Kamera mit einer Auflösung von bis zu 5 MP, integrierter Beleuchtung und 4-Kern-CPU. Die Kamera ermöglicht die Inline-Bildverarbeitung direkt im Sensor und liefert – ganz ohne Recheneinheit – bis zu 15 Inspektionen pro Sekunde. Zusätzlich unterstützen die Sensor-Apps und KI-Funktionen von Sick Anwendungen wie das Erkennen von Anomalien der Hölzer oder die Klassifikation und Strukturinspektion bei Rundholz und Brettern.

Ohne Sensorik keine Automatisierung

Geht es um 3D-Anwendungen wie die geometrische Stammvermessung, das Bestimmen von Volumen oder die Maßhaltigkeitskontrolle von Holzplatten und Bauteilen bietet Sick das ‚Ranger3‘-Sensorsystem. Dank der Sick eigenen ROCC-Technologie (Rapid on chip calculation) verarbeitet die 3D-Streaming-Kamera bis zu 15,4 Gigapixel pro Sekunde und liefert Profile mit bis zu 46 kHz. Der ‚Ranger3‘ sei laut Jan Nieswandt, Market Product Manager bei Sick, ein regelrechter technischer Tausendsassa und vereine 3D-, Reflexions- und Streulichtmessung in einem Gerät. Damit lassen sich Konturen, Volumina oder Formabweichungen präzise erfassen. Der Anwender verfügt damit über eine ideale Grundlage für automatisierte Bearbeitungs- und Sortierprozesse.

Sensorauge, sei wachsam!

Sind die Holzelemente vorgeprüft, werden sie über Fördersysteme von Arbeitsstation zu Station geschoben. Damit Transport und Einzelprozesse genau gesteuert werden können, müssen die Planken positionsgenau erkannt werden. Die optischen Sensoren der Serie ‚HT 46C‘ von Leuze erkennen die Holzbretter unabhängig von Oberflächenstruktur oder Farben. Mittels unterschied­licher Lichtstrahlvarianten ließen sich diese Sensoren maßgeschneidert auf die jeweilige Applikation anpassen, erklärt Matthias Göhner, Business Development Manager bei Leuze. Irgendwann stößt der Interessent auf moderne Lasersensoren, unter anderem von Sensorik-Spezialist Micro-Epsilon.

Das Unternehmen beschäftigt sich mit Industriesensorik, Wegmesstechnik, Mikromechatronik sowie Mess- und Inspektionssystemen für die Prozessüberwachung und automatisierte Qualitätskontrolle. Zum Portfolio gehören Laser-Triangulationssensoren der Serie ‚optoNCDT‘. Diese Sensoren sind für verschiedenste Messaufgaben wie die Planaritätskontrolle einsetzbar: Hier wird geprüft, ob Türen, Fensterrahmen oder Platten in einer Ebene liegen und eben, verzugsfrei und ohne Verwindung sind. Die Sensoren arbeiten mit einer Laserdiode, die einen sichtbaren Lichtpunkt auf die Ober­fläche des Messobjektes projiziert. Das dabei reflektierte Licht wird über eine Empfangsoptik auf ein positionsempfindliches Element abgebildet. Verändert der Lichtpunkt seine Posi­tion, wird diese Veränderung auf dem Empfangselement abgebildet und ausgewertet.

Die ‚optoNCDT‘-Sensoren nutzen unterschiedliche Technologien, die bei bestimmten Anwendungen ihre Vorteile ausspielen. So unter anderem die ‚optoNCDT-Blue-Laser-Modelle (BL)‘, die zum Messen einen blau-violetten Laserstrahl nutzen, der aufgrund der kürzeren Wellenlänge nicht in das Messobjekt eindringt. Der Lichtfleck wird scharf abgebildet und ermöglicht stabile und präzise Messergebnisse. Laut Hersteller ist die Blue-Laser-Technologie für zahlreiche Oberflächen geeignet, unter anderem auch für rotglühende Metalle über 700 °C sowie organische und transparente Objekte.

Sichere Messungen trotz Staub, Schmutz und Fremdlicht

Die Umgebungen in der Holzbearbeitung sind naturgemäß von Staub und Schmutz geprägt. Beides Dinge, die den Strahlengang des Lasers negativ beeinflussen können. Zudem können wechselnde Lichtverhältnisse oder hohes Fremdlicht zu Fehlmessungen führen. Um diesen Herausforderungen gerecht zu werden, lassen sich ‚optoNCDT-1420‘-Lasersensoren mit einem Freiblassystem ausstatten. Es hält das Sägemehl und -späne vom Strahlengang fern. Sensoren dieser Bauart verfügen über eine Fremdlichtbeständigkeit von bis zu 50 000 Lux. Über die intelligente Oberflächenregelung ‚Active Surface Compensation (ASC)‘ würden selbst bei Farb- oder Helligkeitswechseln auf der Oberfläche des Messobjektes stabile Messergebnisse erzielt, heißt es vom Hersteller.

Generell besteht ein Sensorsystem aus zwei Komponenten: Der Sensor beinhaltet die Messtechnik. Die Auswertung der Messdaten wird vom Controller übernommen. Bei Micro-Epsilon-Sensoren sind diese Elemente in einem Gehäuse vereint. Daraus ergibt sich eine schnelle, einfache Montage und Verdrahtung, da nur der bestehende Sensor in die Anlage integriert werden muss.

Bis auf den Mikrometer genau

Funktional und schick zugleich sollen sie sein: Küchen sind in vielen Optiken und Farben erhältlich. Damit unterschiedliche Frontteile in der Farbe homogen sind, werden ‚colorSENSOR‘-Farbsysteme von Micro Epsilon eingesetzt. Die Sensoren prüfen die Farbe der Küchenfronten in der Lackieranlage und erkennen prozesssicher, ob der Farbton innerhalb des definierten Toleranzfensters liegt und auch über mehrere Produktionschargen hinweg identisch ist. Nach dem Prinzip der relativen Farbprüfung erfasst ein Farbsensor – Micro Epsilon nennt hier die Serien Serien ‚CFO100‘, ‚CFO200‘ und ‚OT-3‘ – zunächst die Farbe eines Referenzmusters und anschließend die des Messobjekts. Im Detail wird die zu messende Oberfläche zunächst über das Sensorkabel (Lichtwellenleiter) beleuchtet. Das von der Oberfläche zurückreflektierte Licht nimmt der Sensor auf. Danach ermittelt der Controller aus der Differenz beider Werte den Farbabstand (ΔErel). Die Sensoren verfügen über verschiedene Messgeometrien. Durch Aufsatzoptiken sind auch größere Messabstände realisierbar.

Sensoren sind einfach bedienbar,...

Laut Hersteller ist der ‚colorSENSOR CFO Controller‘ einfach bedienbar. Die gesamte Konfiguration des „CFO“-Systems erfolgt komfortabel, intuitiv über das integrierte Web-Interface. Dazu wird der Controller über die Ethernet-Schnittstelle mit dem PC verbunden. Das Webinterface ermöglicht die Messwertanzeige und das Einstellen von Parametern wie Belichtung oder Messfrequenz. Darüber hinaus lassen sich Anpassungen für Farbgruppen vornehmen und Toleranzräume für jede Farbe definieren. Der Controller kann auch ohne Web Interface die Farbwerte bewerten.

…lassen sich aus der Distanz warten,…

Staub ist bei der Holzbearbeitung ein lästiges Übel. „Nahezu jeder unserer Sensoren gibt eine Warnung aus, wenn die Optik verschmutzt ist“, erklärt Matthias Göhner, Business Development Manager bei Leuze. Die Warnung wird entweder über einen Schaltausgang, über eine I/O-Link-Schnittstelle oder bei intelligenteren Sensoren über das Feldbus-System signalisiert. So erkennt der Bediener, dass der Sensor beim nächsten Wartungszyklus gereinigt werden muss. Zudem würde die Kali­brierung der Sensoren bei der Inbetriebnahme einmalig vorgenommen. Danach seien die Sensoren zu reinigen oder im Notfall zu tauschen.

…lernfähig, nachrüstbar und...

Interessant ist auch die Multiteach-Funktion: Im ‚CFO Controller‘ können 254 Farbgruppen mit mehr als 320 Einzelfarben eingelernt werden. Die Farbgruppen dienen dabei unter anderem dem Erhöhen der Farbgenauigkeit. Weil die Farben mit unterschiedlichem Abstand zwischen Sensor und Messobjekt variieren, können diese Farbvarianten einfach in eine Farbgruppe eingelernt werden. Für verschiedene Farbtöne lassen sich individuelle Farbgruppen anlegen. Damit bieten die Farbgruppen einen deutlichen Vorteil bei geometriebedingten Farbabweichungen. Sind Sensoren nachrüstbar? Ja, heißt es von Micro Epsilon. Dank zahlreicher Schnittstellen wie Ethernet, Profinet, Ethercat, RS422 oder IO-Link seien Sensoren in bestehende Anlagen und Maschinen integrierbar. Über alle Anbieter hinweg wird ein reichhaltiger Strauß an Bus-Systemen angeboten, der sich je nach Anwendung passend zusammenstellen lässt.

…können Multitasking!

Für sehr anspruchsvolle Anwendungen in der sekundären Phase der Holzbearbeitung, zum Beispiel dem Prüfen von Oberflächen bei Laminaten, Brettern oder lackierten Platten setzt Sick auf ‚Surface+‘. Diese Software kombiniert simultan 2D- und 3D-Daten in einem Sensor, um selbst feinste Oberflächenfehler wie Kratzer, Dellen oder Glanzabweichungen zu erkennen. So lassen sich ohne zusätzliche Hardware die klassische Topografiemessung und die Oberflächeninspektion in einem Schritt vereinen.

Da freut sich der Maschinenbediener!

Kantenanleim-Maschinen bearbeiten die seitlichen Schnittflächen von Pressspanelementen für verschiedene Möbel, Deckenelemente oder Raumteiler. In der täglichen Praxis ist oft rasches Umrüsten bei unterschiedlichen Kanten an der Tagesordnung. Dazu sind Positioniersysteme in Form mechanischer oder elektronischer Positionsanzeigen in den Maschinen verbaut, die eine schnelle und zuverlässige Formatverstellung ermöglichen. Zu diesen Systemen zählt die elek­tronische Positionsanzeige ‚AP05‘ von Siko.

Grundidee dieser Anzeige ist das Überwachen aller Maschinenpositionen über ein Feldbusnetzwerk. Erst wenn alle Einstellungen auftragsgerecht passen, beginnt die Maschine zu arbeiten. Intuitiv führt die ‚AP05‘ den Bediener zur korrekten Maschineneinstellung. Im hinterleuchteten Display werden Istwert (1. Zeile) und Sollwert (2. Zeile) übersichtlich angezeigt. Stimmen beide Werte noch nicht überein, erleuchtet ein rotes Signal. Zwei grün leuchtende LEDs unterhalb des Displays zeigen dem Maschinenbediener unzweifelhaft die Richtung, in die verstellt werden muss.

Auf diese Weise sind Maschinenfehleinstellungen vermeidbar. So werden flexible Produktionsmaschinen lückenlos prozesssicher gemacht. Die „AP05“ verfügt über eine integrierte RS485-Schnittstelle. Optional sind CAN-Bus oder IO-Link. In der robusten Positionsanzeige (Schutzart IP53 oder IP65) ist eine magnetische Abtastung verbaut. Dadurch ist diese Positionsanzeige verschleißarm.

Arbeitssicherheit steht an erster Stelle

Die Sicherheit von Mitarbeitenden und Maschinen steht auch in der Holzbearbeitung an oberster Stelle. Ob Roboter- oder Portalkranbereich – für den Personenschutz bietet Leuze mit ‚MLD‘ ein mehrstrahliges Lichtgittersystem. Es sichert Arbeitsbereiche bis zu einer Länge von 80 m ab. Für die Strahlumlenkung an den Enden sind Spiegelsäulen erhältlich. Schon beim Entwickeln von Sensoren sind mehrere Schutzklassen zu beachten. Die wichtigsten Normen sind die IP-Schutzart (DIN EN 60529) – sie beschreibt den Schutz elektrischer Betriebsmittel gegen äußere Einflüsse – die DIN EN 60068-2-27 (Schock), die DIN EN 60068-2 (Vibration) sowie die IEC 61000-6-2 (elektromagne­tische Verträglichkeit).

Ausblick in die Zukunft

Herstellerübergreifend wird derzeit über den Einsatz von KI in der Sensortechnologie nachgedacht. Beispiel Sick: Mit ‚Sick Nova‘, der Softwarebasis für konfigurierbare, industrielle Bildverarbeitungslösungen werde KI-Technologie einfach zugänglich, sagt Jan Nieswandt. Über eine intuitive, browserbasierte Oberfläche lassen sich Bildmuster ohne Expertenwissen sammeln, trainieren und klassifizieren. Auf diese Weise können auch Produktionsmitarbeitende Deep-Learning-Modelle selbst erstellen und flexibel an neue Anforderungen anpassen.

Spannend ist ebenfalls, dass künstliche Intelligenz in Kombination mit Sensorhardware wie ‚Inspector 83x‘, ‚Ranger3‘ und ‚Surface+‘ von Sick das Aufspüren komplexer Merkmale wie Holztextur-Übergänge, Mikrodefekte oder Kantenunregelmäßigkeiten ermöglicht. Die Modelle laufen direkt auf dem Sensor (Edge-Inferenz), was Verzögerungen reduziert und stabile Echtzeitprozesse ermöglicht. So entsteht von der Stammbearbeitung bis zum Endprodukt eine robuste, automatisierte Qualitätskontrolle mit weniger Ausschuss, besserer Materialausnutzung und hoher Prozessstabilität.