Für die Messtechnik ist der Werkstoff Holz eine große Herausforderung, da seine physikalischen Eigenschaften sehr stark schwanken können. Zudem erschwert die Abhängigkeit des Naturprodukts von äußeren Umwelteinflüssen eine messtechnische Auswertung. In der Sägewerkstechnik, in der es darum geht einen Baumstamm möglichst optimal in Schnittholz zu zerteilen, kommen häufig optische Sensoren zum Einsatz.In den Besäumanlagen von Esterer WD GmbH werden z. B. optische Sensoren der Micro- Epsilon GmbH verwendet, um eine optimale Ausbeute an fertig besäumten Brettern zu erhalten.

Die Sägeindustrie ist das wichtigste Bindeglied zwischen Forstwirtschaft und der Holzwirtschaft. Nach Angaben des Verbandes der Deutschen Säge- und Holzindustrie werden in Deutschland pro Jahr 13 Mio. m3 Nadelschnittholz und 1,1 Mio. m3 Laubschnittholz in etwa 2.300 Betrieben der Branche produziert. Die Exportquote beträgt dabei knapp 20 %.

Wie in vielen anderen Branchen ist die Automatisierung hier weit fortgeschritten. Dies gilt auch für die Sägewerksmaschinen der Esterer WD GmbH. Das Unternehmen aus Altötting mit mehr als 140 Jahren Erfahrung im Maschinenund Anlagenbau ist Europas größter Hersteller für Besäumanlagen, die in Sägewerken zur Bearbeitung von Brettern verwendet werden (Abb. 1).

Glänzende Oberflächen bei nassem Holz

In einem Sägewerk wird zunächst der von der Borke befreite Baumstamm mit einer Gatter-, Kreis- oder Bandsäge in Bretter zerteilt. Diese Bretter haben an den Schmalseiten eine so genannte Waldkante – die ursprüngliche Oberfläche des runden Baumstamms. In der nachfolgenden Besäumanlage geht es nun darum, genau diese Waldkanten zu entfernen.

Je nach Lage des Bretts innerhalb des ursprünglichen Baumstamms ist die Waldkante flacher oder steiler und das Brett an sich breiter oder schmäler. Wenn beim Besäumen eine möglichst große Ausbeute erzielt werden soll, muss die Breite der Waldkante bestimmt werden, damit diese in der passenden Breite abgesägt werden kann. Sägt man zuviel ab, verschenkt man wertvolles Material; fällt der Beschnitt dagegen zu klein aus, sind noch Reste der Waldkante am fertigen Brett vorhanden.

„Die exakte Bestimmung der Waldkante ist eine schwierige Aufgabe“, berichtet Christof Hötzinger, der bei Esterer WD für die optische Messtechnik zuständig ist: „Besonders wenn das Holz nass ist, hat es eine schmierig glänzende Oberfläche, mit der einige optische Sensoren so ihre Schwierigkeiten haben.“ Bei der Besäumanlage vom Typ Combimes setzt man daher auf optoNCDT-Sensoren von Micro- Epsilon, die auf dem Prinzip der Lasertriangulation (s. Kasten) beruhen. Die Bretter laufen quer in die Besäumanlage ein und werden dabei vermessen. Alle 30–50 cm ist ein Sensor vom Typ optoNCDT 1401 mit 200 mm Messbereich montiert, der das Profil des Bretts im Querdurchlauf vermisst (Abb. 3).

Standardmäßig erfolgt die Messung von oben. Optional kann die Besäumanlage auch mit optischen Sensoren auf der Ober- und der Unterseite ausgestattet werden. Die Lage der Bretter – Waldkante oben oder unten – ist dadurch beliebig möglich. Die Lasersensoren verwenden einen CMOS-Sensor als Detektor (Abb. 2).

Sie sind äußerst kompakt und lassen sich dadurch auch bei sehr beengten Platzverhältnissen einfach in den Maschinenaufbau integrieren. Von Vorteil ist auch, dass die gesamte Elektronik bereits im Sensorgehäuse enthalten ist. Mit Schutzart IP67 und dem Alugehäuse sind die Sensoren ideal für Anwendungen im rauen Industrieumfeld geeignet. Typische Umgebungsbedingungen im Sägewerk wie Öl, Staub und Sägespäne können dem Sensor nichts anhaben. 

Software berechnet optimale Ausbeute

Gesteuert wird die gesamte Besäumanlage von einem Industrie PC mit einer Simatic S7 Slot-SPS und WinAC als PC-Controller. Die Anbindung der optischen Sensoren, die ein 4...20 mA Signal ausgeben, an die Steuerung erfolgt über eine AD-Wandlerkarte. Bei Esterer WD wurde eine Profilsoftware entwickelt, welche die Waldkante zuverlässig berechnet.

Aufgrund der Messdaten der Sensoren errechnet die Software, wie das Brett besäumt werden muss, um die maximale Brettbreite zu erzielen (Abb. 4). Dabei wird die Ausbeute an fertig besäumten Brettern bestmöglich optimiert. Die Ergebnisse der Profilsoftware werden an die SPS übermittelt, die daraufhin die Schnittbreiten der Sägen der Anlage so verändert, dass die berechneten Bretter gemäß der Vorgabe besäumt werden.

Fazit „Seit wir die neuen optoNCDT-Sensoren einsetzen, läuft die Bestimmung der Waldkante in den Besäumanlagen sehr zuverlässig“, resümiert Christof Hötzinger. Neben den rein technischen Eigenschaften der Sensoren ist der Fachmann von Esterer WD auch mit Micro-Epsilon als Lieferanten sehr zufrieden: „Falls einmal eine Frage auftaucht, ist ein Ingenieur von Micro-Epsilon in der Regel noch am gleichen Tag vor Ort.“ Guter Service und die räumliche Nähe spielten bei Esterer WD ebenfalls eine große Rolle bei der Auswahl des Lieferanten.

Abstandsmessung mit Laserlicht

Laserlicht ist zur Messung von Entfernungen in vielen Fällen ideal geeignet. Insbesondere die hohe Auflösung, die in den physikalischen Eigenschaften des Laserlichts begründet liegt, zeichnet diese Methode aus. Die einfache Triangulation zur Abstandsmessung ist dabei ebenso möglich wie die zweidimensionale Profilmessung oder das Vermessen von Oberflächen. Die Lasertriangulation gleicht im Prinzip der Methode, wie sie auch bei der Landvermessung mit einem Theodolithen verwendet wird.

Ein Laser projiziert auf die zu messende Oberfläche einen Lichtfleck, der mit einer Kamera beobachtet wird. Ändert sich nun der Abstand zwischen Sensor und Oberfläche, ändert sich dadurch auch der Winkel, unter dem die Kamera den Lichtfleck aufnimmt. Durch einfache trigonometrische Berechnung kann damit die Abstandsänderung sehr genau bestimmt werden.

Die mögliche Auflösung geht dabei bis hinunter in den Bereich von zehntel Mikrometer. Mit Lasersensoren können nahezu alle Materialien gemessen werden. Ein bedeutendes Plus für dieses Messprinzip ist häufig der große Abstand zwischen Sensor und Messobjekt. Typisch sind auch die hohe Messrate für schnelle Vorgänge und der winzige Lichtfleck, der die hohe Auflösung unterstützt.