Mehr Flexibilität mit Bahnkantenerkennung per Ultraschall

Mit kaskadierbaren Wandlermodulen verbreitert ­Microsonic den Messbereich der Bahnkantensensoren.Microsonic

Bahnkantensensoren sind als Gabelsensoren konzipiert. Im unteren Schenkel der Gabel sitzt ein Sender, der kontinuierlich Ultraschall abstrahlt. Der Empfänger befindet sich im oberen Schenkel und wertet die Intensität der empfangenen Schallwellen aus. Bahnmaterial, das in die Gabel eingeführt wird, deckt die Schallstrecke zwischen Sender und Empfänger weniger oder mehr ab. In Abhängigkeit des Ab­deckungsgrads variiert die Intensität des Empfangssignals. Diese Änderung wird als Analogsignal (4 bis 20 mA) ausgegeben.

Ihre Vorteile spielen Ultra­schall-Bahn­kanten­sensoren bei vielen Materialien aus, etwa bei hochtransparenten Folien, lichtempfindlichen Materialien, Papier und anderen schallundurchlässigen Materialien wie Wellpappe, Textilien oder Gummi. Wechselnde Transparenz und Farben haben dabei keinen Einfluss auf die Messung. In staubiger und schmutziger Umgebung sind die robusten Sensoren zudem optisch arbeitenden Lösungen überlegen.

Bei vielen Applikationen ist es notwendig, beide Kanten einer Materialbahn abzutasten und die Sensoren bei Formatwechseln mechanisch auf die neue Formatbreite einzustellen. Der Grund: Aktuelle Baureihen haben nur einen Messbereich von beispielsweise 12 mm oder 35 mm. Deshalb sind die Bahnkantensensoren häufig auf elektrisch verstellbaren Lineareinheiten montiert. Das erhöht die Kosten einer Maschine, nicht nur hinsichtlich Material und Bauteile, sondern auch in Bezug auf Engineering und Umrüstvorgänge. Bahnkantensensoren mit entsprechend großem Messbereich eliminieren diesen Aufwand.

Kaskadierbares Wandlermodul: Sender und Empfänger können neben der Kante auch die Bahnbreite oder deren Mittenlage bestimmen.Microsonic

Darf es ein bisschen breiter sein

Seit Einführung der aktuellen Bahnkantensensoren mit einem Messbereich bis 35 mm vor gut zwei Jahren gab es bei Microsonic immer wieder Anfragen nach größeren Messlängen. Allerdings ließ sich die in den Bahnkantensensoren eingesetzte Technologie nicht ohne weiteres skalieren. Deswegen wurde die Entwicklung für einen Bahnkantensensor mit variablem Messbereich gestartet.

Dessen Neuerung sind kaskadierbare Wandlermodule, mit denen sich unterschiedliche Messbereiche flexibel realisieren lassen. Bei der auf der Hannover Messe vorgestellten Technologiestudie BKS+8/37/FIU wurden acht Module kombiniert, die zusammen einen Arbeitsbereich von 320 mm ergeben. Aktuell werden Funktionsmuster aufgebaut und im Praxiseinsatz bei Kunden erprobt. Ein positiver Effekt der Skalierung: Gabelweiten von über 80 mm sind damit ebenfalls möglich.

Ultraschallwandler: Eigenarten ausgetrieben

Luft-Ultraschallwandler sind meistens rotationssymmetrisch aufgebaut und haben ebenfalls eine rotationssymmetrische Abstrahl-Charakteristik. Die kreisrunden Schwingelemente bestehen aus einer Piezoscheibe aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), auf die eine sogenannte Lambda/4-­Anpassschicht geklebt ist. Diese Schicht hat die Aufgabe, die mechanischen Schwingungen der Piezoscheibe mit geringen Verlusten in die Luft einzukoppeln und umgekehrt eine Schallwelle, die sich in der Luft ausbreitet, wieder in die Piezoscheibe einzukoppeln.

Bei Bedarf detektiert der Sensor auch zwei schmale Bahnen.Microsonic

Für einen Bahnkantensensor ist allerdings ein asymmetrisches Schallfeld besser geeignet, das in der einen Richtung möglichst breit und in der anderen Richtung entsprechend schmal ausgebildet ist. Um ein solches Schallfeld zu erzeugen, setzt Microsonic rechteckige Piezoplatten als Ultraschallwandler ein. Im Vergleich zu runden Piezoscheiben haben rechteckige Piezos ein sehr ungünstiges Schwingverhalten. Sie neigen dazu, auf unterschiedlichen Frequenzmoden zu schwingen und haben keine ausgeprägte Hauptresonanz. Microsonic ist es mithilfe der Methode der finiten Elemente gelungen, eine Geometrie zu finden, die sowohl die Nebenschwingungsmoden unterdrückt als auch bei die Hauptschwingungsmoden einer ausgedehnte Abstrahlcharakteristik in eine Richtung hat.

Aber auch derartige Geometrien lassen sich nicht beliebig breit bauen. Erschwerend kommt hinzu, dass sich rechteckige Piezoplatten nicht in jeder Länge fertigen lassen. Deshalb werden mehrere Wandler­elemente aneinander gereiht. Die Herausforderung besteht darin, den Übergang zwischen den einzelnen Elementen so zu gestalten, dass im Schallfeld keine Unstetigkeiten entstehen. Durch die gewählte Geometrie ist es gelungen, kaskadierbare Wandlermodule mit ausgedehnter Abstrahlcharakteristik in nur eine Richtung zu realisieren.

Acht Wandler parallel abtasten

Der geplante Bahnkantensensor eröffnet aufgrund des großen Messbereichs neue Einsatzgebiete. Beispielsweise kann er zwei schmale Materialbahnen gleichzeitig abtasten und neben der Bahnlage zusätzlich die Bahnbreite erfassen. Die acht Wandlermodule des Bahnkantensensors sind in einem robusten Metallgehäuse (430 mal 120 mal 46 mm) montiert. Der Prototyp erreicht eine Gabeltiefe von 374 mm und eine Gabelweite von 80 mm. Der Anschluss erfolgt über einen M12-Steckverbinder. Mit der Linkcontrol-Software lässt sich der Sensor parametrisieren, optional auch komplett über IO-Link. Unterstützt werden sechs Betriebsarten:

• eine Bahnkante oder Bahnbreite erfassen (Signalausgabe über Analogausgang oder IO-Link)
• eine Bahnmittenlage erfassen (Signalausgabe über Analogausgang oder IO-Link)
• vier Bahnkanten erfassen (Signalausgabe nur über IO-Link)
• zwei Bahnbreiten erfassen (Signalausgabe nur über IO-Link)
• zwei Bahnbreiten erfassen und dessen Differenz (Signalausgabe über Analogausgang oder IO-Link)

Der vergrößerte Teach-in-Taster und ein LED-Leuchtband in der Empfangs-Gabel, das die Bahnkante oder die Bahnbreite des Materials anzeigt, unterstützen bei der Inbetriebnahme. Bei einem Messbereich von 320 mm erreicht der Bahnkantensensor am Analoggausgang eine Auflösung von 0,1 mm; über IO-Link 0,01 mm. Bei konstanten Umgebungsbedingungen beträgt die Wiederholgenauigkeit 0,1 mm.

(mf)