Für Robotik, Automation und Montage

Der Autor: Dr. Detlef Zienert, Marketing Communication bei Balluff in Neuhausen

Typische Einsatzgebiete von Laserdistanzsensoren sind beispielsweise die Stapelhöhenvermessung von Metall- und Kunststoffteilen, die Messung von Coil-Durchmessern im Karosseriebau, die Abstandsmessung von Elektrohängebahnen oder auch Positionieraufgaben in Logistikzentren. Ein Vertreter der Laserdistanzsensoren ist der BOD 23K von Balluff. Integriert in ein Kunststoffgehäuse mit IP67/IPK69 und Ecolab-Zulassung bietet er einen Erfassungsbereich von 100 bis zu 5000 mm bei einer Auflösung kleiner 5 mm bei 12 Bit. Dabei liefert er ein kontinuierliches, proportionales Spannungs- und Stromsignal von 0 bis 10 V bzw. 4 bis 20 mA, das innerhalb des Arbeitsbereichs auf den benötigten Messbereich einstellbar ist.

Ein zusätzlicher digitaler Ausgang mit einstellbarer PNP/NPN-Schaltfunktion ist ebenfalls vorhanden. Der Anwender kann Messbereiche und Schaltpunkte über zwei Tasten auf der Oberseite des Sensors menügeführt einlernen. Eine IO-Link-Variante mit zahlreichen Zusatzfunktionen ist bereits in Vorbereitung und demnächst verfügbar. Eingeordnet ist der Sensor in der Laserschutzklasse 1. Er kann somit ohne Schutzmaßnahmen eingesetzt werden.

Laserdistanzsensoren messen exakt die Zeit, die die Lichtimpulse benötigen, um vom Sensor zum Objekt und von dort wieder zurück zu gelangen. Diese Zeit ist proportional zur Entfernung und so lässt sich die Distanz zwischen Sensor und Objekt äußerst genau ermitteln. Mit einer Schaltfrequenz von 250 Hz ist die kontinuierliche Erfassung auch schneller Bewegungen für den Sensor keine besondere Herausforderung. Im Gegensatz zu Messverfahren wie der Triangulation werden Einflüsse durch Objekteigenschaften wie Oberfläche, Farbe oder Beschaffenheit gut toleriert. Auch Fremdlichteinflüsse lassen sich unterdrücken.

Das Laufzeit-Verfahren bietet in Industrieumgebungen gegenüber anderen Verfahren eine deutlich höhere Funktionsreserve. Faktor 10 bedeutet beispielsweise, dass die 10-fache Menge des Lichts den Empfänger erreicht, die er benötigt, um sicher zu schalten. Nimmt dann im laufenden Betrieb die Verschmutzung der Optik zu, sinkt auch die Funktionsreserve, da eine geringere Menge Licht vom Empfänger detektiert wird. Beim Laufzeitverfahren achtet der Sensor jedoch nicht auf die empfangene Lichtmenge des Impulses, sondern nur auf den Lichtimpuls an sich.

Verschmutzungen, Ablagerungen etwa durch Staub oder Kühl- und Schmiermitteldämpfe verfälschen das Messergebnis also nicht. Sie schwächen das Signal so lange, bis kein Signal mehr empfangen werden kann und die Optik zu reinigen ist. Um eine möglichst geringe Stillstandzeit zu erreichen, hat Balluff seine Laser-Distanz-Sensoren mit einer hohen Sendeleistung ausgestattet. Dies erhöht ihre Standzeit und verlängert die Abstände zwischen den einzelnen Reinigungsintervallen. Unterstützt wird dies durch eine Optik aus Glas, die auch nach langer Betriebsdauer in schwieriger Umgebung nicht erblindet.

Ein Merkmal von Lasersensoren ist ihr homogener Lichtstrahl. Er garantiert, dass der Durchmesser des abgebildeten Messpunktes über die gesamte Reichweite nahezu gleich groß bleibt. Bei Rotlichtsensoren dagegen wird er mit zunehmendem Abstand vom Sender immer größer; der Lichtfleck ist divergent. Das ist nicht erwünscht, denn es führt dazu, dass besonders kleine und weit entfernte Objekte nur mit einer gewissen Toleranz bezüglich der Genauigkeit erfasst werden können. Dieses Problem kennt ein Lasersensor nicht.

Außerdem erleichtert das gut sichtbare, rote Laserlicht mit einer Wellenlänge von 660 nm das Justieren des Sensors. Das ist vor allem dann interessant, wenn häufig ein Rezepturwechsel vorgenommen werden muss, also immer wieder Objekte zu detektieren sind, die sich in ihren Abmessungen und Konturen unterscheiden. Beim BOD 23K muss der Anwender den Laserspot lediglich auf den anzutastenden Punkt am Werkstück ausrichten, um anschließend die Tastweiten, also die auf die bestimmte Lagetoleranz abgestimmten Schaltpunkte, mittels zweier Drucktaster zu teachen. Ob ein Objekt sicher erkannt ist, zeigt eine LED an.

Besondere Vorteile bietet die Variante mit IO-Link-Schnittstelle; diese Ausführung kann neben dem Schaltsignal ein ganzes Set an Zusatzinformationen übertragen, wie es beispielsweise zur Umsetzung von Industrie 4.0 zwingend erforderlich ist. Die technischen Voraussetzungen dafür schafft IO-Link, die feldbusunabhängige und nach IEC 61131-9 international zertifizierte Punkt-zu-Punkt Verbindung unterhalb der Bussysteme.

So verbindet IO-Link-Sensoren und Aktoren auf kostengünstige Art und Weise per Plug-&-Play ausschließlich per Drei- bzw. Fünfdraht-Standardkabel. Teure Multipolkabel und geschirmte Leitungen werden überflüssig. Über IO-Link können neben den Distanz- und Schaltsignalen beispielsweise auch Angaben zu Temperatur, Betriebsstunden, Gerätestörungen oder auch Geräteeigenschaften über ein elektronisches Datenblatt an die Automatisierungsebene übermitteln werden. Daraus resultiert eine Vielzahl Nutzen stiftender Diagnose- und Überwachungsmöglichkeiten.

IO-Link vereinfacht außerdem die Inbetriebnahme des Laserdistanzsensors. Statische wie dynamische Teach-Verfahren bei laufender Anlage sind möglich, mit der optional zuschaltbaren Datenhaltung lassen sich Sensorparameter auf übergeordneter Steuerungsebene hinterlegen. Ein Sensortausch ist damit schnell realisiert. Darüber hinaus stellt der BOD 23K mit IO-Link je nach Bedarf drei unterschiedliche Schaltvarianten zur Wahl: Single Point-, Two Point- oder Window Mode. Per IO-Link kann die Schaltfunktion zwischen hell- und dunkelschaltend gewählt werden. Zusätzliche Diagnosemöglichkeiten und Parametrierungskonzepte bieten weiteren Mehrwert in Betrieb, Service und Wartung einer Anlage. ge

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