Optische Miniatursensoren haben Fremdlichtsicherheit

Dank kompakter, leichter Bauform und der Vielseitigkeit in der Objekterkennung eignet sich der O200 für dynamische Anwendungen wie die Positionierung von Robotergreifarmen. Baumer

Wie teuer ist es eigentlich, wenn Fertigungsmaschinen auch nur kurz ausfallen? Angesichts der engen Taktung heutiger hocheffizienter Produktionsprozesse kann auch solch eine Verzögerung schnell teuer zu stehen kommen. Neben der Software stellt auch die Sensorik eine potenzielle Fehlerquelle dar. Denn: Erkennt ein Sensor ein Objekt oder eine Position nicht zuverlässig oder nicht in der vorgesehenen Geschwindigkeit, kann das den gesamten Prozess stören.

Aufgrund ihrer Vielseitigkeit, der hohen Reichweite, sowie dem sichtbaren und fokussierten Lichtstrahl, eignen sich optische Miniatursensoren für den Einsatz in der modernen Fertigung. Allerdings stehen sie dort vor verschiedenen Herausforderungen.

LEDs als Herausforderung für optische Miniatursensoren

Störungen des Schaltsignals durch LED-Licht: starke Schwankungen über den gesamten Frequenzbereich von 0 bis 200 kHz, Instabilität bei gewissen Frequenzen, langsam fallende Kanten (v.l.). Untere Reihe: Stabilität über alle Frequenzen Baumer

Die erste Herausforderung besteht in der zunehmenden Verbreitung von hocheffizienten und leuchtstarken LED-Leuchten, etwa als Deckenbeleuchtung oder im Belichtungssystem von Kameras. LED-Leuchtmittel werden typischerweise mit sehr viel höheren Frequenzen im Bereich von 50 bis 150 kHz moduliert und weisen je nach Vorschaltgerät unterschiedliche Eigenschaften (Ripple, Mittenfrequenz, Frequenzänderung, Signalform) auf. So werden LED-Leuchtmittel zu einer potenziellen Störquelle für Lichtschranken und Lichttaster. Diese senden Lichtpulse im Mikrosekundenbereich mit Repetitionsraten von 10 bis 30 kHz aus. Bei einer Unterabtastung des Störsignals durch den Sensor kann es somit zu niederfrequenten Störsignalen durch die LEDs kommen und es gibt Fehlschaltungen, da sich diese Störsignale nicht innerhalb der Messzykluszeit kompensieren lassen.

Probleme für optische Sensoren (o.v.l.): Direkte Reflektionen bei glatten Oberflächen, diffuse Reflektion bei rauen Oberflächen, (u.v.l.) Transmission bei transparenten Objekten und Absorption der Lichtstrahlen bei schwarzen Oberflächen Baumer

Neben der Beleuchtung führen auch andere Sensoren oder indirekte Reflexionen – etwa durch glänzende Maschinenteile – zu Störeinflüssen. Diese verlangsamen die Messzyklen bei vielen optoelektronischen Sensoren. Enge Platzverhältnisse erhöhen die Wahrscheinlichkeit für Störungen zusätzlich, da dort die Sensoren nahe beieinander sind.

Eine weitere Herausforderung liegt in der Erkennung von „schwierigen“ Objekten. Für optoelektronische Sensoren sind das solche mit einer tiefschwarzen oder glänzenden Oberfläche aber auch transparente Objekte. Die physikalischen Eigenschaften wie Remission, Absorption und Transmission dieser Objekte bereiten Sensoren beim Umwandeln der Lichtstrahlen in elektrische Signale Schwierigkeiten, da zu wenig Licht für eine zuverlässige Signalauswertung zurück zum Sensor kommt.

Für all diese Herausforderungen haben die optischen Miniatursensoren der Baureihe O200 von Baumer eine Lösung.

Fremdlichtsicherheit für hohe Zuverlässigkeit

Reflexions-Lichttaster mit Hintergrundausblendung mit Reichweiten bis 120 Millimeter auch bei extremem Fremdlicht Baumer

So verfügen die O200-Sensoren durch ihren Fremdlicht-Algorithmus über eine hohe Detektionssicherheit – unabhängig von der Lichtsituation. Dafür erkennen die Sensoren zu Beginn eines Messzyklus Störlichtquellen durch schnell getaktete Hell-Dunkel-Messungen. Die durch den Fremdlicht-Algorithmus identifizierten Störquellen werden unterdrückt und das optimale Frequenzspektrum ausgewählt. Aufgrund einer kontinuierlichen Bewertung des Spektrums, passt sich der Sensor automatisch an Änderungen in der Umgebungsbeleuchtung an. Zusammen mit einer präzisen Optik und einer leistungsfähigen Elektronik ermöglicht dies eine gleichbleibend hohe Messgeschwindigkeit mit einer kurzen Ansprechzeit von 0,5 ms.

Varianten für ultraschwarze oder transparente Objekte

Erkennung ultraschwarz-glänzender Objekte im Bereich Semicon + Electronics Baumer

Die O200 Reflexion-Lichtschranken erreichen aufgrund erhöhter Funktionsreserven eine Reichweite von 120 mm auf ultraschwarze Objekte, etwa Handygehäuse. Für zusätzliche Reichweite können Anwender per IO-Link den O200 High-Power-Modus aktivieren.

Varianten mit V-Optik verfügen über einen fokussierten Lichtstrahl mit nur 0,2 mm Durchmesser. So erfassen sie glänzende oder transparente Objekte wie Ampullen in der Laborautomation im Nahbereich.

Für extrem kompakte Maschinendesigns, wie sie in Reinraumumgebungen notwendig sind, stellen die „SmartReflect“-Lichtschranken eine Lösung dar. Sie bieten die Zuverlässigkeit einer Lichtschranke, aber ohne die Nachteile eines Reflektors – bei einer Reichweite von bis zu 180 mm. Für grössere Reichweiten hat das Unternehmen Reflexions-Lichtschranken bis vier Meter und Einweg-Lichtschranken mit bis zu sechs Meter Reichweite im Portfolio.

3D-CAD-Daten mit Strahlverlauf

Alle Sensoren haben eine IO-Link-Schnittstelle zur automatisierten Parametrierung und bidirektionalen Kommunikation. So können sie Metainformationen wie Betriebsstunden, Einschaltzyklen oder Informationen zur Betriebs- und Prozessoptimierung senden – hilfreich für Predictive Maintenance.

Für die Einstellung direkt am Sensor bieten die O200 zwei Optionen: Anwender können die Sensoren über einen Leitungs-Teach auf die Applikation einstellen oder über das verschleissfreie „qTeach“-Verfahren von Baumer ohne mechanische Veränderung der Optik. Varianten mit fixen Tastweiten müssen nicht eingelernt werden und sind sofort einsatzbereit.

Für Konstrukteure bieten die O200-Sensoren ein Highlight: als erste optoelektronische Sensoren bieten sie 3D-CAD-Daten mit integriertem Strahlverlauf. Das spart Zeit, die es bisher gebraucht hat, um den Strahlverlauf mühsam aus Datenblättern nachzuzeichnen.

(ml)