Mit ihrer kleinen Baugröße und ihrem geringen Gewicht können Subminiatur-Lichttaster der Baureihe F10 direkt in einem Robotergreifer oder anderen beweglichen Maschinenteilen montiert werden.

Mit ihrer kleinen Baugröße und ihrem geringen Gewicht können Subminiatur-Lichttaster der Baureihe F10 direkt in einem Robotergreifer oder anderen beweglichen Maschinenteilen montiert werden.Sensopart

Der Markt fordert kleinere und in der Bauform einheitliche Sensoren, die sich einfach in jeder Maschine – auch bei beengten Platzverhältnissen – unterbringen lassen. Denn je weniger Platz ein Sensor benötigt, desto größer ist der Gestaltungsspielraum für den Konstrukteur, der das Maschinenmodul kompakter designen kann. Diesen Marktanforderungen entspricht die Firma Sensopart mit der Subminiatur-Sensorfamilie F 10. Mit einheitlichen 21,1 mal 14,6 mal 8 mm über die verschiedenen Funktionsprinzipien und Lichtquellen ist diese Sensorbaureihe in diesem Baugrößenbereich ausgesprochen umfangreich. Auch hilft die einheitliche Bauform bei der Konstruktion, da für alle Funktionen lediglich mit demselben Satz an CAD-Daten gearbeitet werden kann.

Automatisierungsanwendungen sind heute äußerst vielfältig. Deshalb wurde die Subminiatur-Sensorfamilie von vornherein auf eine große Variantenvielfalt und Leistungsfähigkeit ausgelegt. So stehen die üblichen Funktionsprinzipien Reflexionslichttaster mit Hintergrundausblendung, Einweglichtschranke und Reflexionslichtschranke jeweils in verschiedenen Ausführungen zur Verfügung. Bei Tastern und Reflexionslichtschranken kann der Konstrukteur zudem zwischen Laser- und LED-Varianten wählen; hinzu kommen vielfältige Anschlussoptionen. Zusammen macht das rund 90 Varianten.

Montage am Ort des Geschehens

Frühere Generationen von Subminiatur-Sensoren galten als eher leistungsschwach und nur für einfache Anwendungen geeignet. Dieses Bild hat sich gründlich gewandelt. Inzwischen stehen die kleinen Brüder ihren größeren Verwandten in ihrer optischen Leistungsfähigkeit kaum nach: Reflexionslichttaster erreichen Tastweiten bis 70 mm, Reflexionslichtschranken Reichweiten bis 2 m und die Einweglichtschranken bis zu 3 m. Mit diesen Werten sind die winzigen Sensoren praktisch universell einsatzfähig, sodass sich neue Optionen für Konstrukteure und Integratoren für kompakte Anlagendesigns eröffnen.

Statt eines separaten Senders und Empfängers, wie sie Lichtleitersysteme (oben) benötigen, kommen die Reflexionslichttaster mit Hintergrundausblendung in der Subminiatur-Sensorbaureihe (unten) ohne Gegenüber aus.

Statt eines separaten Senders und Empfängers, wie sie Lichtleitersysteme (oben) benötigen, kommen die Reflexionslichttaster mit Hintergrundausblendung in der Subminiatur-Sensorbaureihe (unten) ohne Gegenüber aus.Sensopart

Beispielsweise lassen sich Lichttaster direkt in Robotergreifern, in Profil-Nuten oder sonstigen engen Nischen – und damit besonders nah am Prozess – installieren. Infolgedessen werden diese Subminiatursensoren auch für Anwendungen interessant, für die bisher allenfalls Lichtleitersysteme, die einen separaten Sender und Empfängers benötigen, in Frage kommen. In diesem Bereich stellen die Subminiatursensoren durchaus eine interessante und vergleichsweise kostengünstige Alternative dar.

Sichere Detektion in allen Lagen

Selbst komplexe Funktionen, die bislang größere Gehäuse erfordern, finden inzwischen in den Sensoren der Subminiaturklasse Platz. Ein Beispiel hierfür ist die Hintergrundausblendung (HGA), die auf dem Prinzip der Abstandsmessung basiert.

Sie ist ein unverzichtbares Leistungsmerkmal in allen Anwendungen, in denen Verwechslungsgefahr zwischen Tastgut und Hintergrund besteht. Gerade unter ungünstigen Bedingungen, zum Beispiel bei der Detektion von dunklen Gegenständen vor hellem Hintergrund, bei reflektierenden Maschinenteilen im Umfeld oder bei ungünstigem Lichteinfall, ist diese Aufgabe auch für größere Sensoren keineswegs trivial.

Um die hierfür erforderlichen Komponenten im Sensorgehäuse unterzubringen, wurde ein ASIC entwickelt, der eine optische Zeile inklusive Auswerteelektronik auf kleinstem Raum kombiniert. Der ASIC erlaubt eine präzise – bei einigen Varianten – sogar einstellbare Hintergrundausblendung zu realisieren. Somit lassen sich auch Objekte, die sich nur wenige Millimeter vor störenden Objekten im Hintergrund befinden, sicher detektieren, was vor allem bei beengten Platzverhältnissen in der Anlage von Vorteil ist. Hinzu kommt der bereits erwähnte generelle Vorteil der Tasterlösung, dass auf einen Reflektor oder separaten Empfänger verzichtet werden kann und so Platz und Zeit beim Einbau spart.

Der Subminiatursensor verschwindet in einem Standard-Aluminiumprofil – platzsparend und unauffällig.

Der Subminiatursensor verschwindet in einem Standard-Aluminiumprofil – platzsparend und unauffällig.Sensopart

Auch die Farben von Objekt und Hintergrund spielen für die Genauigkeit der Detektion kaum noch eine Rolle: Messungen haben gezeigt, dass der Sensor helle und dunkle Objekte nahezu zeitgleich detektiert, das heißt, es gibt nur eine minimale Schwarz/Weiß-Verschiebung über den gesamten Tastbereich. Zudem werden Fremdlichteinflüsse, beispielsweise direkte Sonneneinstrahlung, bei der Auswertung zuverlässig unterdrückt, sodass die HGA unabhängig von den Umgebungsbedingungen reproduzierbare Resultate liefert. Auch dunkle, wenig reflektierende Objekte vor hellem oder spiegelndem Hintergrund erkennt der Sensor zuverlässig. So erschließen sich diese Sensoren neue Anwendungsbereiche, weil sie die Forderungen nach hoher Präzision, sicherer Detektion und Platz sparender Installation verbinden.

Pick-and-Place mit Präzision

Hintergrundausblendung nach dem Prinzip der Triangulation: P1 = Tastgut, P2 = Hintergrund

Hintergrundausblendung nach dem Prinzip der Triangulation: P1 = Tastgut, P2 = HintergrundSensopart

Typische Einsatzgebiete für die HGA-Lichttaster sind Pick-and-Place-Anwendungen, beispielsweise in der Robotik sowie in der Halbleiter- und Solarwafer-Fertigung. Hier kommt es einerseits auf eine möglichst präzise Positionserkennung der Objekte an, andererseits steht nur wenig Einbauraum zur Verfügung, etwa bei der Positionierung von Trays in einer Laboranwendung. Der Sensor muss die Position der Tray-Vorderkante auf 0,5 mm genau erkennen, um eine zuverlässige Aufnahme der Ampullen zur Weiterverarbeitung sicherzustellen. Die besondere Herausforderung dabei: Die Trays haben unterschiedliche Farben, was die Schaltpräzision aber nicht beeinträchtigt darf.

Technik im Detail

Hintergrundausblendung durch Triangulation

Die Hintergrundausblendung (HGA) durch Triangulation beruht auf dem geometrischen Abstandsprinzip, vergleichbar mit der Satellitennavigation per GPS kennt. Ein HGA-Taster besitzt ein zeilenförmiges, ortsauflösendes Empfangselement (Abb. 5). Der HGA-Lichttaster registriert damit nicht nur die reflektierte Lichtmenge, sondern wertet auch die damit verbundene Abstandsinformation aus. Denn das vom Tastgut P1 reflektierte Licht trifft an einer anderen Stelle der lichtempfindlichen Empfängerzeilen des ASIC auf als die Reflexionen vom Hintergrund (P2). Somit lässt sich das Tastgut eindeutig identifizieren. Dieses Funktionsprinzip ermöglicht eine hochpräzise Ortsauflösung, sodass Objekte – unabhängig von der Farbe und Oberflächenbeschaffenheit – auch vor hellem Hintergrund oder reflektierenden Maschinenteilen – sicher unterscheidbar sind.

Eine weitere Präzisionsanwendung ist die Vorderkanten-Erkennung in einem industriellen Markierungssystem (Drucker). Hier muss der Sensor das zugeführte Material – meist Kunststoffplatten –detektieren, das dann passgenau bedruckt wird. Für spezielle Anwendungen, beispielsweise die Erkennung von Solarzellen beziehungsweise von anderen stark lichtabsorbierenden Objekten, gibt es wiederum LED-Lichttaster mit blauer Sende-LED.

Einfache Installation und Bedienung

Gehäusedesign, elektrischer Anschluss sowie das Bedienkonzept der Senspart-Baureihe sollen den Anwender bestmöglich unterstützen. So besitzt das glasfaserverstärkte Kunststoffgehäuse integrierte Montagehülsen, die das empfindliche Innenleben auch bei kräftigem Anziehen der Befestigungsschrauben zuverlässig schützen. Die in die Gehäuserückseite integrierte Schwalbenschwanzführung ermöglicht es, den Sensor auch nach der Befestigung noch zu justieren – ein Feature, das besonders in beengten Einbaulagen von den Elektrikern als hilfreich empfunden wird. Zudem unterstützen weitere Halterungen die Montage in praktisch jeder Einbau-Situation. Die elektrischen Anschlüsse berücksichtigen ebenfalls die häufig schwierigen Einbauverhältnisse: So gibt es neben einem Kabelschwanz mit M8-Stecker auch Gehäusevarianten mit M5-Steckverbinder. Ein Kabelbruch oder Sensordefekt lässt sich so schnell beheben.

Einige Sensorvarianten verfügen über eine Teach-in-Bedienung, bei denen die eingelernten Werte elektronisch gespeichert werden. Zu einer Verschiebung des Schaltpunktes oder der eingestellten Werte aufgrund von Stößen oder Vibrationen, wie es bei Geräten mit mechanischer Einstellung mitunter passiert, kann es nicht kommen. Sollte die Teach-in-Taste am Sensor wegen der Einbausituation nach der Montage nicht mehr zugänglich sein, lässt sich der Sensor auch über eine Steuerleitung konfigurieren und die Teach-Taste manipulationssicher verriegeln. Nach der Einstellung beziehungsweise nach der Auslieferung der Maschine können dann keine unerlaubten Änderungen durchgeführt werden.