(Bild: IPF Electronic)
Das Time-of-Flight-Prinzip zur Distanzmessung ermöglicht kompaktere Bauformen: Gemessen wird die Laufzeit, die ein Lichtimpuls vom Sender über die Objektoberfläche bis zum Empfänger benötigt. IPF Electronic
Optische Taster mit Hintergrundausblendung gibt es wie Sand am Meer. Warum also dieser Entwicklungsaufwand einer neuen Sensor-Technologie?
Christian Fiebach: Bislang gab es als kleinste metrische Lösungen in diesem Bereich nur Sensoren bis Baugröße M18. In Applikationen mit besonders knapp bemessenem Montageraum war die Integration daher oft eine Herausforderung, meistens sogar unmöglich. Unsere Sensoren in M8 sowie M12 lösen solche Probleme und nutzen zur Hintergrundausblendung nicht mehr das übliche Triangulationsverfahren, sondern das Time-of-Flight-Prinzip.
Wie funktioniert das ToF-Prinzip?
Christian Fiebach: Time of Flight ist ein Laufzeitverfahren zur Distanzmessung. Die Entfernung eines Objekts wird über die Laufzeit eines Lichtimpulses bestimmt. Anhand der Laufzeit des getakteten Lichts vom Sender zum Empfänger lässt sich der Abstand bestimmen. Die Reichweite beziehungsweise der Schaltabstand der Taster ist dabei weitgehend unabhängig von den Reflexionseigenschaften eines Objekts. Daher lassen sich auch dunkle Objekte vor einem hellen Hintergrund sehr gut erfassen, sofern sie genügend Licht reflektieren. Aufgrund der Auflösung von 2 mm können selbst Objekte mit sehr kleinem Abstand zum Hintergrund unabhängig von der Farbe ihrer Oberfläche unterschieden werden. Entscheidend ist, dass man durch die Time-of-Flight-Technologie sehr kleine und auch eng beieinanderliegende Optiken realisieren kann. Das gemeinhin bekannte Triangulationsverfahren benötigt größere Empfängeroptiken, um die Objektlage über den Einfallswinkel des von einer Objektoberfläche reflektierten Lichts ermitteln zu können.
Ich kenne Time-of-Flight-Sensoren als Array, die auch Konturen detektieren können.
Christian Fiebach: In unserem Fall wird auf der Empfängerseite kein Array verwendet, da wir keine Informationen zu Objektkonturen oder Bewegungen benötigen. Dementsprechend reduziert sich die Größe des Empfängers auf ein einziges Pixel, welches das vom Objekt reflektierte Licht detektiert und dessen Signal für die Laufzeitmessung genutzt wird.
Wie sieht der Kosten-Nutzen-Vergleich aus im Vergleich zu Lösungen, die nach dem Triangulationsverfahren arbeiten?
Christian Fiebach: Da die ToF-Taster wesentlich kleiner bauen, ist ein direkter Vergleich mit Triangulations-Geräten eigentlich nicht möglich, weil es solche Lösungen in M8 und M12 nicht gibt. Marktbegleiter bieten zwar Geräte mit Triangulation in Baugröße M8 an. Diese erzielen aber deutlich geringere Reichweiten bis maximal 30 mm. Wir stoßen mit 150 mm in neue Dimensionen und Applikationsfelder vor, die aufgrund der Sensorgröße bislang unerreichbar waren. Hier werden wir mit den ToF-Sensoren punkten.
Kunden sind also bereit, in die kompaktere Lösung zu investieren?
Christian Fiebach: Ja, denn viele Alternativen gibt es nicht. Wenn nicht mehr Platz für eine Sensorlösung geschaffen werden kann, muss entweder auf die Abfrage verzichtet werden oder sie kann erst in einem nachgelagerten Prozessschritt erfolgen. Eine spätere Abfrageposition könnte jedoch zur Folge haben, dass dann bereits zusätzliche Wertschöpfung an einem nicht korrekt montierten Bauteil erbracht wurde. Das würde bedeuten, ein Bauteil im Prozess zu behalten und weiterzuverarbeiten, obwohl es NIO ist. Wird so ein Teil erst später aussortiert, hat das nicht mehr viel mit Produktivität zu tun. Um das zu verhindern, benötigt man genau an der Position, an der ein entscheidender Produktionsschritt stattfindet, eine zuverlässige Kontrolle. Um es nochmals zu betonen: Es gibt immer wieder Anwendungen, in denen es schlichtweg unmöglich ist, zusätzlichen Einbauraum für die Sensorik zu schaffen, sei es aufgrund spezifischer Produktionsverfahren, erforderlicher Werkzeuge, besonderer Fügeverfahren. In solchen Fällen müssen wir Sensoranbieter uns den vorherrschenden Bedingungen anpassen, oft gemäß der Prämisse: je kleiner, desto besser.
Welche Einschränkungen gibt es beim Einsatz der ToF-Sensoren?
Christian Fiebach: Fremdlicht in Form von Sonnenlicht und Umgebungsbedingungen, die zu einer Verschmutzung der Optiken führen können, sind ein generelles Thema beim Einsatz von Optosensoren. Um Fremdlichteinflüsse zu unterdrücken, prüfen die nach dem Time-of-Flight-Prinzip funktionierenden Geräte, ob die Frequenz des Sendesignals mit dem empfangenen Signal übereinstimmt. Hallen- oder Arbeitsplatzbeleuchtungen bereiten vor diesem Hintergrund keine größeren Probleme. Aufgrund der integrierten Elektronik ist die Arbeitstemperatur auf 60 °C begrenzt – wie bei allen Optosensoren.
Die Taster mit Hintergrundausblendung in M8 (oben) und M12 sind unempfindlich gegenüber Fremdlicht und arbeiten weitgehend unabhängig vom Reflexionsverhalten der Objektoberfläche. IPF Electronic
Wenn die Baugröße so wichtig ist, warum gibt es dann noch eine M12-Variante?
Christian Fiebach: Bei den metrischen Sensoren wird M12 am meisten nachgefragt. Einige Kunden bevorzugen in diesem Zusammenhang oft eine durchgängige, standardisierte Bauform an ihrer Maschine, ganz gleich, welche Sensorlösungen sie einsetzen. Das sorgt für einheitliche Anschlüsse, Leitungen und einheitliches Befestigungsmaterial. Daher haben wir auch eine M12-Lösung im Portfolio. Zudem gibt es eine nach dem Triangulationsverfahren arbeitende Variante in M18.
Die Taster dienen zur Positionsabfrage. Sind die Sensoren auch in der Lage, Informationen zur Geometrie eines Objekts zu liefern?
Christian Fiebach: Nein, da die Geräte keinen abstandsproportionalen, sondern lediglich einen digitalen Ausgang haben. Was wir mit Blick auf die Einstellungsoptionen allerdings anbieten können, ist eine Grenzwertfunktion sowie eine Bereichs- und Fensterfunktion. Bei der Grenzwertfunktion wird ermittelt, ob sich ein Objekt vor oder hinter einer eingestellten Position befindet. Mit der Bereichsfunktion lässt sich ein Distanzbereich festlegen, um zu prüfen, ob sich ein Objekt innerhalb oder außerhalb des Bereichs befindet. Diese Funktion hat den Vorteil, dass sie im Vergleich zur reinen Grenzwertüberwachung eine präzisere Aussage hinsichtlich der Position eines Teils ermöglicht.
Was bringen diese Funktionen in der Praxis?
Christian Fiebach: Angenommen ein Bauteil soll in ein anderes Bauteil eingepresst werden. Ob dieses Bauteil weit genug eingepresst ist, lässt sich über die Grenzwertfunktion kontrollieren. Will ich aber wissen, ob das Bauteil innerhalb eines bestimmten Bereichs eingepresst wurde – also tief genug, aber nicht zu tief – dann brauche ich die Bereichsfunktion.
Haben Sie vor, weitere ToF-Lösungen anzubieten?
Christian Fiebach: Wir denken darüber nach, die Time-of-Flight-Technologie in weitere Gehäusekonzepte umzusetzen, quaderförmige zum Beispiel. Immer vorausgesetzt, es besteht ausreichend Bedarf.
Stefan Kuppinger, Chefredakteur IEE
(sk)
