100%-Inlinemessung auf dem Förderband: Länge, Ebenheit und Defekte ohne Encoder-Fehler

Wer Profile, Platten, Holzriegel oder Stückgut auf einem Förderband vermisst, kennt das Problem: Die über den Encoder ermittelte Länge stimmt nicht mit der realen Bauteillänge überein. Die Ursache ist dabei nahezu immer dieselbe: Bandschlupf. Gleichzeitig steigen die Anforderungen kontinuierlich. Kunden erwarten eine lückenlose Prüfung, Reklamationen aufgrund übersehener Maßabweichungen oder Defekte werden kostspieliger, und für manuelle Stichprobenmessungen mit Messschieber oder Lehre fehlt schlicht das Personal. Dieser Beitrag zeigt, wie eine vollständige Inlinemessung mit Laser-Profilsensoren am laufenden Band realisiert wird, welche Genauigkeiten realistisch erreichbar sind und worauf es bei der Systemauslegung ankommt.

Wichtige Punkte im Überblick

Die über den Bandencoder ermittelte Länge weicht aufgrund von Bandschlupf systematisch von der tatsächlichen Bauteillänge ab.
Ein Laserprofilsensor misst im Lichtschnittverfahren direkt am Bauteil, während der Encoder ausschließlich die Profilaufnahme synchronisiert. Bandschlupf hat damit keinen Einfluss mehr auf das Messergebnis.
Aus dem lückenlosen 3D-Abbild werden in einem Durchlauf Länge, Breite, Höhe, Ebenheit und Volumen sowie Defekte wie Dellen, Grate und Späne gemeinsam ausgewertet.
Typische Toleranzen liegen bei ±0,1 bis ±0,5 mm, mit Messgenauigkeiten von 0,05 bis 0,1 mm. Dies entspricht der gängigen Faustregel, nach der die Messgenauigkeit etwa ein Zehntel der zu überwachenden Toleranz betragen sollte.
Die Anbindung an die Linie erfolgt über Profinet oder EtherCAT. Schlechtteile werden anschließend per IO/NIO-Signal direkt ausgeschleust.

Warum die Encoder-Längenmessung systematisch falsch liegt

Viele Linien ermitteln die Bauteillänge indirekt: Ein Drehgeber am Bandantrieb zählt Impulse, eine Lichtschranke erkennt Anfang und Ende des Teils, und die Steuerung rechnet die Impulse in eine Länge um. Dieses Verfahren funktioniert jedoch nur, solange sich das Bauteil exakt mit dem Band bewegt. In der Praxis ist das selten der Fall: Zwischen Band und Werkstück tritt Schlupf auf, etwa beim Beschleunigen und Abbremsen, bei glatten oder schweren Teilen sowie bei verschmutzten oder feuchten Bandoberflächen. Das Ergebnis ist eine Längenmessung, die nicht zufällig streut, sondern systematisch von der realen Länge abweicht. Toleranzen von ±0,5 mm oder gar ±0,1 mm lassen sich auf diese Weise nicht zuverlässig absichern.

Ein weiterer Schwachpunkt liegt im Messumfang: Der Encoder erfasst ausschließlich die Länge. Breite, Höhe, Geradheit, Volumen sowie Oberflächendefekte wie Dellen, Grate oder anhaftende Späne bleiben vollständig unerkannt. Genau diese Merkmale sind jedoch häufig der Grund für Reklamationen und werden bei manueller Sichtkontrolle im Linientakt regelmäßig übersehen.

Das Funktionsprinzip: Laser-Profilometrie am laufenden Band

Ein Laser-Profilsensor projiziert eine Laserlinie quer zur Förderrichtung auf das Bauteil und erfasst deren Verformung mit einer schnellen Kamera, dem sogenannten Lichtschnittverfahren. Jedes aufgenommene Profil liefert einen vollständigen Höhenquerschnitt des Teils. Während das Bauteil unter dem Sensor durchläuft, werden Tausende solcher Profile zu einem lückenlosen 3D-Abbild zusammengesetzt.

Der entscheidende Unterschied zur Encoder-Messung besteht darin, dass der Sensor das Bauteil selbst vermisst und nicht die Bandbewegung. Anfang und Ende des Teils, seine Kontur sowie seine Oberfläche werden direkt aus den Profildaten erkannt. Der Encoder wird weiterhin genutzt, jedoch ausschließlich zur Synchronisation der Profilaufnahme mit der Verfahrgeschwindigkeit. Die eigentliche Maßermittlung erfolgt vollständig aus den 3D-Daten, sodass Bandschlupf das Messergebnis nicht länger verfälscht.

Aus dem 3D-Abbild lassen sich in einem einzigen Durchlauf mehrere Merkmale gleichzeitig auswerten:

Länge, Breite, Höhe des Bauteils
Geradheit und Ebenheit über die gesamte Bauteillänge
Volumen und Querschnittsflächen
Defekte: Dellen, Ausbrüche, Grate an Stanzlöchern, Oberflächenwellen, Fremdkörper wie Späne

Welche Genauigkeit ist inline realistisch?

Aus der Anwendungspraxis lassen sich typische Anforderungsbereiche ableiten: Toleranzen liegen häufig bei ±0,1 bis ±0,5 mm, die geforderte Messgenauigkeit bei 0,05 bis 0,1 mm, was der gängigen Faustregel entspricht, nach der die Messgenauigkeit etwa einem Zehntel der Toleranz betragen sollte. Bei Montageanwendungen auf Werkstückträgern oder Rundtakttischen, beispielsweise bei Höhen- und Ebenheitsprüfungen vor dem Fügen, werden Genauigkeiten im Bereich von 0,01 bis 0,05 mm gefordert und in der Praxis auch erreicht.

Ob dies im konkreten Anwendungsfall gelingt, hängt von wenigen zentralen Faktoren ab:

Verfahrgeschwindigkeit und Taktzeit

Typische Bandgeschwindigkeiten in Messanwendungen reichen von wenigen Millimetern pro Sekunde bis deutlich über 100 mm/s, während Taktzeiten je nach Prozess zwischen unter einer Sekunde und etwa 30 Sekunden liegen. Die Profilaufnahmerate des Sensors muss dabei zur Bandgeschwindigkeit passen: Je schneller das Band läuft, desto größer ist der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Profilen und desto geringer fällt die Auflösung in Förderrichtung aus. In vielen Fällen lässt sich die Bandgeschwindigkeit im Messbereich reduzieren, ohne den Liniendurchsatz zu gefährden. Ob dies möglich ist, sollte frühzeitig in der Linienplanung geklärt werden.

Mehrkopf-Anordnungen für lange und komplexe Profile

Ein einzelner Sensor erfasst stets nur eine Seite des Bauteils. Für stranggepresste Profile, Schienen oder Leisten mit Längen von mehreren Metern sind daher Mehrkopf-Anordnungen üblich: Ein Sensorkopf in der Draufsicht erfasst Höhe und Breite, ein zweiter seitlich angebrachter Kopf erfasst Flanken und Nuten, oder es werden vier Köpfe für eine vollständige Rundum-Erfassung eingesetzt. Die Sensorköpfe werden synchronisiert betrieben und ihre Daten in einem gemeinsamen Koordinatensystem ausgewertet. Auf diese Weise entsteht auch bei langen Bauteilen ein vollständiges Maßbild in einem einzigen Banddurchlauf.

Störeinflüsse: Kühlschmierstoff, Staub, Umgebungslicht

Reale Fertigungslinien sind keine kontrollierten Messräume. Anhaftender Kühlschmierstoff, Staub oder Späne auf dem Bauteil können einzelne Profile lokal verfälschen, während Hallenbeleuchtung und Tageslicht einfache Kamerasysteme stören können. Laser-Profilsensoren sind gegenüber Umgebungslicht grundsätzlich robust, dennoch sollten Verschmutzungsgrad und Bauteiloberfläche, ob glänzend, dunkel oder transparent, stets in die Machbarkeitsbewertung einbezogen werden. Der bewährteste Ansatz besteht darin, reale Testmuster unter realen Bedingungen zu vermessen, bevor die Anlage ausgelegt wird.

Maß und Defekt in einem System

Ein oft unterschätzter Vorteil der 3D-Inlinemessung liegt darin, dass dieselben Profildaten, aus denen Länge und Ebenheit berechnet werden, gleichzeitig die Defektinformation enthalten. Eine Delle äußert sich als lokale Höhenabweichung, ein Grat als Überhöhung an der Kante und ein aufliegender Span als Fremdkörper im Höhenbild. Anstatt eine Messstation und eine separate Sichtprüfung zu betreiben, prüft ein einziges System beide Merkmalsklassen in einem Durchlauf und liefert ein gemeinsames IO/NIO-Ergebnis.

Dies verändert auch die organisatorischen Abläufe: Die manuelle Sichtkontrolle, die bislang lediglich Stichproben ermöglichte, wird durch eine vollständig dokumentierte 100%-Prüfung ersetzt. Jedes Bauteil erhält ein nachvollziehbares Prüfergebnis, das im Reklamationsfall als belastbarer Nachweis dient. Dies ist in der Praxis ein wiederkehrender Beweggrund für die Einführung solcher Systeme, beispielsweise bei Herstellern stranggepresster Profile, die Ausbrüche und Maßabweichungen vor der Auslieferung zuverlässig erkennen müssen.

Anbindung an die Linie: Profinet, IO/NIO, Ausschleusen

Eine Inlinemessung entfaltet ihren vollen Nutzen nur dann, wenn sie zuverlässig in die übergeordnete Systemumgebung eingebunden ist. In der Praxis haben sich dafür folgende Bausteine etabliert:

Feldbus-Schnittstelle: Messwerte und Prüfergebnisse werden per Profinet oder EtherCAT direkt an die SPS übertragen; für einfachere Anwendungsfälle sind digitale I/Os ausreichend.
Encoder-Eingang: Die Profilaufnahme wird über den Bandencoder getriggert, um eine konstante Auflösung in Förderrichtung sicherzustellen, unabhängig von auftretenden Geschwindigkeitsschwankungen.
IO/NIO-Signal und Ausschleusen: Schlechtteile werden automatisch über eine Weiche oder einen Ausschleuser aussortiert, bevor sie in die nächste Prozessstufe gelangen oder zum Kunden ausgeliefert werden.
Prozessfähigkeit: Für Serienfreigaben werden Nachweise wie MSA-Untersuchungen sowie Cgk- und Cpk-Werte von mindestens 1,33 erwartet, weshalb das eingesetzte Messsystem diese Auswertungen unterstützen muss.
Nachrüstung: Viele Anwendungen sind Nachrüstungen in bestehende Linien mit beengten Platzverhältnissen. Die verfügbare Einbausituation sowie die Frage, an welcher Stelle am Band ausreichend Platz für den Sensor und den erforderlichen Arbeitsabstand vorhanden ist, sollten daher zu Beginn des Projekts geklärt werden und nicht erst am Ende.

Vom Einzelfall zur Auslegung: eine kurze Checkliste

1.

Merkmale definieren: Welche Maße, welche Defekte und welche Toleranzen sind relevant? Gilt die Faustregel, dass die Messgenauigkeit etwa einem Zehntel der Toleranz entsprechen sollte?
2.

Bewegung klären: Bandgeschwindigkeit, Taktzeit sowie die Möglichkeit zur Geschwindigkeitsreduzierung im Messfenster sind zu ermitteln.
3.

Geometrie prüfen: Bauteilgröße und vorhandene Varianten, das erforderliche Messfeld sowie die benötigte Anzahl der Sensorköpfe in Draufsicht, Seitenansicht oder Rundum-Anordnung sind festzulegen.
4.

Umgebung bewerten: Verschmutzungsgrad, Kühlschmierstoffeinfluss, Umgebungslicht und der verfügbare Bauraum sind zu berücksichtigen.
5.

Schnittstellen festlegen: Kommunikationsprotokoll per Profinet oder EtherCAT, Encoder-Kopplung, IO/NIO-Signale, Ausschleuslogik sowie die Datenablage für die Dokumentation sind zu definieren.
6.

Machbarkeit absichern: Reale Testmuster sollten vermessen, gegebenenfalls eine Trial Unit in der Linie erprobt und der Prozessfähigkeitsnachweis frühzeitig geplant werden.

Wer diese sechs Punkte vor der Investitionsentscheidung beantwortet, vermeidet die beiden häufigsten Fehlschläge: ein System, das unter Laborbedingungen zuverlässig misst, am Band jedoch an Schlupf, Verschmutzung oder Taktzeit scheitert, sowie eine Prüflösung, deren Ergebnisse sich in der übergeordneten Steuerung nicht weiterverarbeiten lassen.

Häufige Fragen

F Warum ist die Längenmessung über den Encoder am Förderband ungenau?

Die Ursache liegt darin, dass der Encoder die Bandbewegung erfasst und nicht das Bauteil selbst. Zwischen Band und Werkstück tritt Schlupf auf, beispielsweise beim Beschleunigen, bei glatten oder schweren Teilen sowie bei verschmutzten Bändern. Die berechnete Länge weicht dadurch systematisch von der realen Bauteillänge ab. Ein Laser-Profilsensor hingegen vermisst das Bauteil direkt und ist damit vollständig unabhängig vom Bandschlupf.

F Welche Genauigkeit ist bei der Inline-Messung auf dem Förderband erreichbar?

Typische Anwendungen arbeiten mit Toleranzen von ±0,1 bis ±0,5 mm und erreichen Messgenauigkeiten von 0,05 bis 0,1 mm. Bei langsamen Takten und stabilen Bedingungen sind auch Genauigkeiten von 0,01 bis 0,05 mm realistisch erreichbar. Ausschlaggebend sind dabei die Bandgeschwindigkeit, die Bauteiloberfläche sowie die Anzahl der eingesetzten Sensorköpfe. Als Faustregel gilt, dass die angestrebte Messgenauigkeit etwa einem Zehntel der geforderten Toleranz entsprechen sollte.

F Kann ich Maßprüfung und Defekterkennung in einem System kombinieren?

Ja, das ist möglich. Die 3D-Profildaten enthalten beide Informationen: Aus demselben Höhenbild werden Länge, Breite, Höhe und Ebenheit berechnet, während gleichzeitig Dellen, Grate, Ausbrüche oder anhaftende Späne als lokale Höhenabweichungen erkannt werden. Eine separate Sichtprüfstation entfällt dadurch, und das Ergebnis ist ein gemeinsames IO/NIO-Signal pro Bauteil.

F Wie wird das Messsystem an die Steuerung angebunden?

Die Standardanbindung erfolgt per Profinet oder EtherCAT an die SPS, ergänzt um digitale I/Os für Trigger- und IO/NIO-Signale. Der Bandencoder wird zur Synchronisation der Profilaufnahme genutzt. Erkannte Schlechtteile lassen sich über das NIO-Signal direkt ausschleusen, während die erfassten Messwerte gleichzeitig für die Dokumentation sowie für Prozessfähigkeitsnachweise wie MSA-Untersuchungen und Cgk- sowie Cpk-Auswertungen zur Verfügung stehen.

F Funktioniert die Messung auch bei Kühlschmierstoff, Staub oder wechselndem Umgebungslicht?

Laser-Profilsensoren sind gegenüber Hallenbeleuchtung und Tageslicht deutlich robuster als einfache Kamerasysteme. Anhaftender Kühlschmierstoff oder Späne können einzelne Profile jedoch lokal verfälschen und müssen daher in der Auswertung entsprechend berücksichtigt werden. Aus diesem Grund sollte ein Test mit realen, prozesstypisch verschmutzten Musterteilen fester Bestandteil jeder seriösen Machbarkeitsbewertung sein.

F Lässt sich eine bestehende Förderstrecke nachrüsten?

In den meisten Fällen ist eine Nachrüstung möglich, da viele Inlinemessungen als Retrofit in laufende Linien integriert werden. Entscheidend sind dabei der verfügbare Bauraum für Sensorkopf und Arbeitsabstand, ein geeignetes Encoder-Signal für die Synchronisation sowie die Schnittstelle zur vorhandenen SPS. Eine vorgelagerte Machbarkeitsstudie mit realen Testmustern klärt, ob Bandgeschwindigkeit, Bauteiloberfläche und Platzverhältnisse mit der geforderten Messgenauigkeit vereinbar sind.

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