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Laser-Lichtschranken Objekterfassung auf den Punkt gebracht

Autor / Redakteur: Tobias Güttler, Jochen Steger* / Jan Vollmuth

Der Sensorhersteller Sick erweitert Seine Miniatur-Produktfamilie W4SL-3 (V/H) in Kunststoff- bzw. Inox-Ausführung und die Klein-Lichtschranken-Baureihe W9L-3 im Vistal-Gehäuse um neue Technologien und Vatrianten

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Die neuen Lasersensor-Generationen: Die Klein-Lichtschranken-Baureihe W9L-3 im Vistal-Gehäuse (l.) und die Miniatur-Produktfamilie W4SL-3 in Kunststoff- bzw. Inox-Ausführung (r.).
Die neuen Lasersensor-Generationen: Die Klein-Lichtschranken-Baureihe W9L-3 im Vistal-Gehäuse (l.) und die Miniatur-Produktfamilie W4SL-3 in Kunststoff- bzw. Inox-Ausführung (r.).
(Bild: Sick)

Das Phänomen Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung) wurde erstmals im Jahr 1916 von Albert Einstein beschrieben und 1950 experimentell nachgewiesen. Zunehmend gebräuchlich wurde der Begriff Laser für den Effekt der künstlich gerichteten Lichtstrahlen in den 1980er und 1990er Jahren, als das Aufkommen der Halbleitertechnologie die Entwicklung und Herstellung immer langlebigerer, hocheffektiver Halbleiter-Laserdioden ermöglichte.

Seit dieser Zeit beschäftigt sich auch Sick intensiv mit der Laser-Technologie, u. a. für berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen, zur Barcode-Identifikation, für Distanz- und Volumenmesssysteme und für die Objekterfassung.

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Das weitgehend parallele Licht, das Laser erzeugen, bietet bei Lichtschranken und Lichttastern eine Reihe von Vorteilen. So erreichen die energetischen Varianten der Laser-Sensoren selbst bei kleinen Bauformen deutlich höhere Reichweiten als Sensoren mit Rotlicht-LED oder Infrarot-Sender.

Der schmale Strahlengang des Lasers ermöglicht es zum anderen, Objekte auch durch enge Öffnungen in einer Maschine hindurch zu erfassen, z. B. durch Bohrlöcher und Blenden – was eine hohe Flexibilität beim Maschinendesign erlaubt. Schließlich erzeugen die Sensoren auch über große Entfernungen einen äußerst kleinen Lichtfleck auf dem Detektionsgut, so dass selbst kleinste Objekte und Merkmale erkannt werden können.

Der Laser ist aber nicht nur hinsichtlich des Strahlenganges eine besondere Lichtquelle, sondern auch hinsichtlich der möglichen Lichtintensität. Aus diesem Grund sind Laser in der EN 60825-1:2008-05 „Sicherheit von Laser-Einrichtungen“ hinsichtlich der Lichtintensität in Schutzklassen eingeteilt.

Ausschließlich Laser der Klasse 1 und 2

Sick setzt im gesamten Portfolio Presence Detection – also auch bei den neuen Produktfamilien W4SL-3, W4SL-3V, W4SL-3H und W9L-3 – ausschließlich Laser der Klasse 1 und 2 ein. Während in Klasse 1 ein sicherer Betrieb durch die geringe Lichtintensität gewährleistet ist, geht man in Klasse 2 davon aus, dass die Dauer eines eventuellen Blickkontaktes in das Laserlicht durch die automatische Abwendungsreaktion so kurz ist, dass keine Gefährdung für das Auge besteht.

Für den Anwender von Laser-Lichtschranken aus dem Hause Sick bedeutet dies, dass keine technischen oder organisatorischen Schutzmaßnahmen getroffen werden müssen. Für Laser der Klasse 2 wird lediglich eine Begrenzung des Strahls am Ziel seines zweckdienlichen Weges durch eine Vorrichtung, z. B. ein Blech sowie eine Kennzeichnung der Laserquelle mit Warnschildern gefordert. Ansonsten können alle Sick-Laser-Sensoren genauso betrieben werden wie Geräte mit Rotlicht-LED oder Infrarot-Sender – zumal sie in der Regel mechanisch wie auch elektrisch anschlusskompatibel sind.

Verschieden Einsatzfaktoren bestimmen die Auswahl

Welche Laser-Lichtschranke aus dem Portfolio jeweils am besten zur Applikation passt, hängt u. a. vom verfügbaren Bauraum, dem geforderten Schaltabstand, der gewünschten Ausstattung, z. B. IO-Link und anderen Einsatzfaktoren ab.

Höchste optische Robustheit und mechanische Beständigkeit vereint die neue Produktfamilie W4SL-3. Mit einer Einweg- und einer Reflexions-Lichtschranke auch zur Erkennung transparenter Materialien sowie einem Reflexions-Lichttaster, bei dem eine zweite Sende-LED im Zusammenspiel mit der Elektronik für eine zuverlässige Hintergrundausblendung sorgt, sind alle relevanten Detektionsprinzipien vertreten.

Der hochpräzise Laserlichtfleck ermöglicht es, sehr präzise Lage-, Anwesenheits-, Überstands- und Höhenkontrollen durchzuführen. Selbst winzige Objekte wie Spritznadeln, Drähte, Bohrungen oder Löcher können mit der W4SL-3 sicher erkannt werden.

Und dies auch unter kritischen Umgebungsbedingungen, denn die integrierte Siric-Technologie – eine neue ASIC-Technologie von Sick – macht die Miniatur-Laser-Lichtschranken unempfindlich gegen optische und elektronische Einflüsse im Umfeld wie zum Beispiel Energiesparlampen. Dies gewährleistet höchste Detektions- und Schaltsicherheit und erhöht dadurch die Maschinenverfügbarkeit.

IO-Link-Option ermöglicht intelligente Zusatzfunktionen

Die Einstellung der Sensoren kann wahlweise über Teach in-Taste, per Potenziometer oder durch externen Teach über die Steuerleitung erfolgen. Sehr elegant und zudem prozesstechnisch gerade im rauen Umfeld sinnvoll ist die Nutzung der IO-Link-Option. Sie erlaubt es u. a., jederzeit die Anlagenperformance zu diagnostizieren oder intelligente Zusatzfunktionen in den Sensor zu integrieren und durch das Automatisierungssystem aufzurufen. Hohe Qualität wird über funktionsgerechte Gehäusematerialien sowie eine 100%-Prüfung aller Funktionseinheiten sichergestellt.

Während der Reflexions-Lichttaster WTB4SL-3 sich mit dem Prädikat „best-in class“ für die in Tests bewiesene beste optische Performance unter den Laser-Sensoren seiner Art schmücken darf, gilt für die Reflexions- Lichtschranke WL4SLG-3 die Auszeichnung „best-in-glas“. Der Sensor verfügt ab Werk über einen zuschaltbaren Betriebsmodus für die Erkennung transparenter Objekte aus Glas, z. B. Flaschen, und aus Kunststoff, z. B. Klarsichtfolien. Dieser Modus umfasst eine automatische Schaltschwellenanpassung zur Kompensation von Staub oder Verschmutzung.

Mit einer einzigen Gerätevariante können also sowohl durchsichtige wie auch nicht transparente Objekte detektiert werden. Diese intelligente Flexibilität des Sensors reduziert die Variantenvielfalt sowie die Lagerhaltungskosten bei Maschinenbauern z. B. aus der Abfüll- oder der Verpackungsindustrie.

In Applikationen, in denen Maschinen und Sensoren z. B. beim Reinigen an den Grenzen der Belastbarkeit stehen, punkten die Produktfamilien W4SL-3V und W4SL-3H als Sensorvarianten in Inox-Gehäusen. Die Inox-Gehäuse bestehen aus extrem widerstandsfähigem Edelstahl 1.4404 / AISI 316L und berücksichtigen in der Hygiene-Version zusätzliche konstruktive Gestaltungsrichtlinien, z. B. den Verzicht auf Bohrlöcher oder metallische Kontaktflächen. Die Auswahl des Edelstahls 1.4404 / AISI 316L für die Sensorgehäuse hat noch einen weiteren Vorteil: der Werkstoff ist von der amerikanischen FDA (Food & Drug Administration) für den Kontakt mit Lebensmitteln zugelassen. Dadurch sind die Sensoren für den globalen Einsatz prädestiniert.

Durchgehende, einstückige Gehäusekonstruktion

Hergestellt wird das Gehäuse mittels der Metal-Injection-Molding-Technologie, einem metallurgischen Spritzgießverfahren, das eine durchgehende, einstückige Gehäusekonstruktion mit integrierter Stecker-Anschlusstechnik ermöglicht. Hinzu kommt eine für den Einsatz in industriellen Nassbereichen optimierte Dichtungstechnik, die Sick durch ständige Testzyklen mit wechselnden Belastungen durch Temperaturschwankungen, verschiedene Druckverhältnisse, Kälteschocks, und künstliche Alterung kontinuierlich weiterentwickelt. Auch das Bedienelement – eine in das Gehäuse integrierte, flexible Edelstahlmembran – ist absolut dicht.

Um die Anforderungen eines typischen Wash-Down-Prozesses zu simulieren, wurde von Sick ein eigener Long-Life Test entwickelt, der oben beschriebene chemische und dichtigkeitsrelevante Tests vereint. In Anlagen z. B. der Lebensmittelverarbeitung, der Getränkeabfüllung oder bei der Herstellung pharmazeutischer Produkte, halten die W4SL-3V und die W4SL-3H daher dem Dauerkontakt mit alkalischen, chlorhaltigen und oxidativen Reinigungs- und Desinfektionsmittel ohne Einschränkung der Leistung oder der Lebensdauer stand. Dementsprechend sind sie von Ecolab auf ihre Materialbeständigkeit gegen Reinigungs- und Desinfektionsmittel zertifiziert .

Flexible Anschluss- und Montagetechnik

Höchste Flexibilität in der Konstruktion – für eine Vielzahl von Einbausituationen und Detektionsaufgaben z. B. in Verpackungsmaschinen – bietet die Laser-Klein-Lichtschranke W9L-3 und ihre flexible Anschluss- und Montagetechnik. Einweg- und Reflexions-Lichtschranken, Lichttaster mit elektronischer Hintergrundausblendung sowie eine Glaslichtschranke mit Continous Treshold Adaption (CTA) zur Erkennung transparenter Materialien lösen vielfältigste Aufgaben.

Auch die W9L-3 bietet „best-in-class“–Niveau. So gewährleisten die neueste Laser- sowie die Siric-Technologie mit digitalen Signalverarbeitungs-Algorithmen höchste Reichweiten und Funktionsreserven in dieser Sensorklasse sowie extreme Störsicherheit gegen optische und elektromagnetische Einflüsse.

Reflexionen aus dem Umfeld und Störeinflüsse von Energiesparlampen werden durch das von Sick entwickelte Auswerte- und patentierte Frequenzbewertungs-Verfahren wirkungsvoll unterdrückt. Dies reduziert Fehlschaltungen und damit Maschinenstillstände.

Hohe Festigkeit durch den glasfaserverstärkten Kunststoff Vistal

Zuverlässige Sensoren sind gleichzeitig hoch verfügbare und nachhaltige Sensoren. Um den mechanischen Anforderungen an die Robustheit zu genügen, wird in der Baureihe W9L-3 eine besondere Gehäusetechnologie eingesetzt. Der glasfaserverstärkte Kunststoff Vistal – gesprochen „wie Stahl“ – verleiht dem Gehäuse eine vielfach höhere Festigkeit als Standard-Kunststoffe.

Auch das Innenleben der Sensoren ist auf höchste Standfestigkeit ausgelegt. Die Kontaktpins bzw. das Anschlusskabel sind mit einem weichen Kunststoff umspritzt. Dies schützt vor Schäden durch Schocks und Vibrationen und gewährleistet eine hohe Maschinenverfügbarkeit.

Ein weiterer Vorteil: Bei der Kabelvariante verschmelzen beim Umspritzen das Kabelmaterial und der Kunststoff – wodurch eine absolute Dichtigkeit der Sensoren erreicht wird. Das Elektronik-Modul wird vollständig mit dem Vistal-Kunststoff ummantelt. Hochleistungsklebstoffe erzeugen zwischen Gehäuse, Deckel und Frontscheibe extrem feste und dichte Verbindungen, die einem deutlich höheren Druck standhalten, als er üblicherweise bei der Reinigung von Maschinen eingesetzt wird.

Einweg-Lichtschranke, Reflexions-Lichtschranke mit Reflektor, Lichttaster oder der Glassensor für transparente Materialien – die Baureihe W9L-3 lässt dem Konstrukteur freie Hand bei der Wahl des geeigneten Sensortyps. Die Vielfalt der Varianten wird ergänzt durch elektrische Anschlussmöglichkeiten in Form von M8- oder M12-Steckern, Kabel oder Pigtail und bietet somit eine umfangreiche Auswahl passend zum Anschlusskonzept im Unternehmen. Darüber hinaus ermöglichen zwei Gehäuseversionen mit Langlöchern für M3- oder M4-Schrauben eine einfache und zeitsparende Justierung der Sensoren.

Die neuen W4SL-3, W4SL-3V, W4SL-3H und W9L-3-Sensoren von Sick bieten durch die Kombination innovativer Optik-, Werkstoff-, Fertigungs-, ASIC- und Auswertetechnologien vielseitige und höchst zuverlässige Lösungen für die Welt der Automation. Ihre besondere Leistungsfähigkeit kommt bei der Erfassung kleinster Objekte und im rauen industriellen Umfeld zum Tragen. (jv)

* Tobias Güttler und Jochen Steger sind Produktmanager in der Division Presence Detection der Sick AG, Waldkirch.

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