Optische Sensoren Wie ein Laser-Triangulationstaster flexibler macht

Redakteur: Ines Stotz

Sensoren für die Abstandsmessung oder Positionierung sind aufgrund ihres eingeschränkten Funktionsumfangs oft nicht flexibel genug, um sie für unterschiedliche reflektierende Objekte und Materialien einsetzen zu können. Doch es gibt Alternativen, die keine Kompromisse erfordern.

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Präzise Bauteilabfrage unter Berücksichtigung eines Toleranzbereiches. Über die kostenlose Software lassen sich die digitalen Schaltausgänge des Tasters hierfür gezielt konfigurieren.
Präzise Bauteilabfrage unter Berücksichtigung eines Toleranzbereiches. Über die kostenlose Software lassen sich die digitalen Schaltausgänge des Tasters hierfür gezielt konfigurieren.
(Bild: IPF Electronic)

Solche Alternativen sind etwa die Laser-Triangulationstaster von IPF Electronic. Die Geräte können Objektoberflächen nahezu farbunabhängig erfassen und kombinieren drei Sensoren in einer Lösung. So sind die PT64 mit Laserpunkt oder Laserlinie als Sendelichtquelle in ihren Messbereichen von 21 bis 1000 mm als analoge oder schaltende Sensoren und darüber hinaus als Kontrasttaster einsetzbar.

Konzipiert für den sofortigen Einsatz, bieten die Sensoren mit integrierter Teachtaste zahlreiche Grundfunktionen. Ein deutliches Plus an Flexibilität erzielen sie jedoch durch eine kostenlose Parametriersoftware. Damit können Anwender jederzeit sehen und bestimmen, was passiert und wissen zudem immer genau, was war und ist.

Visualisierung der Signalstärke

Sehen was passiert: In manchen Anwendungen ist es von Vorteil, die Signalqualität eines Tasters aufgrund des spezifischen Reflexionsverhaltens einer Objektoberfläche genauer beurteilen zu können. Die Software kann das, indem sie das auf den Zeilendetektor eines Tasters auftreffende Oberflächen-Reflexionssignal visualisiert. Der Anwender erkennt, wie gut bzw. schlecht die zu verarbeitenden Signale sind. Überdies lässt sich die zur Verfügung stehende Regelreserve visualisieren und so der Taster für die jeweilige Applikation parametrieren.

Zwei Digitaleingänge – sechs Funktionen

Um zu bestimmen, was bei der Messwerterfassung und -auswertung passiert, haben die PT64 u. a. zwei Digitaleingänge, die über die Software verschiedene Funktionen bereitstellen.

Der Digitaleingang 1 bietet vier Optionen:

  • die kontinuierliche Erfassung von Messwerten durch Deaktivierung des Eingangs,
  • eine externe flankengesteuerte Triggerung der Messwerterfassung und -auswertung, z. B. für ereignisgesteuerte Messungen,
  • die externe Triggerung der Messwertauswertung über einen High-Pegel (das Gerät misst solange, wie ein 24V-Signal am Eingang anliegt),
  • oder die Aktivierung bzw. Deaktivierung der Laser-Sendediode, etwa während Wartungsarbeiten.

Auch beim Digitaleingang 2 hat der Anwender durch die Software die Wahl. So kann der Taster hierüber direkt, ohne Betätigung der Teachtaste, geteacht werden, oder aber der aktuelle Messwert zurückgesetzt werden, um beispielsweise die sogenannte Schleppzeigerfunktion zu aktivieren. Mehr hierzu in einem späteren Praxisbeispiel.

Konfigurierbare Digital- und Analogausgänge

Neben den beiden Digitaleingängen integrieren die Taster zwei analoge und zwei digitale Schaltausgänge. Diese lassen sich ebenfalls über die Software gezielt konfigurieren, z. B. zur Überwachung eines Grenzwerts oder Schaltpunktes auf Über- bzw. Unterschreiten, wobei der zweite Digitalausgang als Alarmausgang fungiert.

Eine weitere Funktion ist die sogenannte Grenzbereichskontrolle.

Ein Beispiel: Ein Zulieferer möchte die korrekte Einpresstiefe eines Bauteils in einer Fahrzeugkomponente in einem definierten Toleranzbereich überprüfen und falsch eingepresste Bauteile nacharbeiten. Um eine aufwendige Verarbeitung analoger Messsignale zu vermeiden, soll die Sensorik nur Schaltsignale liefern.

Präzise Bauteilabfrage mit Toleranzband

Hierzu wird ein PT64 mit Laserpunkt über die Teachtaste anhand eines maßhaltigen Referenzteils eingelernt, um Montageungenauigkeiten zu kompensieren. Mithilfe der Software wird anschließend gemäß der Toleranzvorgaben um den geteachten Referenzwert ein Toleranzband gelegt.

Die Auswertung erfolgt über die beiden digitalen Schaltausgänge, wobei Ausgang 1 ein Signal führt, wenn der erfasste Messabstand zum Einpressbauteil innerhalb der Toleranzen liegt. Der ab Werk als Alarmausgang voreingestellte Ausgang 2 wird softwaregestützt indes so parametriert, dass er ein Signal führt, wenn die Einpresstiefe zu gering ist bzw. der Toleranzbereich nicht erreicht wird.

Die Signalausgänge liefern somit drei Qualitätsaussagen: Einpresstiefe maßhaltig, Einpresstiefe nicht erreicht oder Einpresstiefe zu groß. Mit einem einzigen Gerät kann somit die korrekte Einpresstiefe des Bauteils geprüft und für etwaige Nachbearbeitungen außerdem bewertet werden, ob sich der Abstand eines NIO-Teils ober- oder unterhalb des Toleranzbandes bewegt.

Funktionen für besonderen Aufgaben

Eine messtechnische Besonderheit, ebenfalls über die Software zu aktivieren, bieten die beiden Analogausgänge mit der Schleppzeigerfunktion. Darüber geben sie den höchsten (Max.) bzw. niedrigsten (Min.) gemessenen Abstandswert über einen Messzyklus aus. Durch den Differenzwert aus beiden Ergebnissen lässt sich wiederum ein Grenzwert ermitteln.

Warum diese Funktion von Vorteil sein kann, verdeutlicht ein weiteres Beispiel aus einer Rohrzieherei, die die Ovalität von Rohren mit einem spezifischen Durchmesser prüfen möchte.

Einfache, durchgängige Ovalitätskontrolle

Hierzu wird ebenfalls ein PT64 mit Laserpunkt eingesetzt und zur Vorbereitung die Schleppzeigerfunktion „Min-Max“ aktiviert. Für die Prüfung wird das Rohr unter dem Sensor um 360° gedreht, was dem Gerät über ein digitales Schaltsignal am Signaleingang 1 mitgeteilt wird. Während dieses Steuersignal ansteht (Zeitspanne einer vollständigen Umdrehung des Rohres), sammelt der Lasertaster kontinuierlich Messwerte.

Aus der aufgenommenen Messwertreihe wird nach Wegfall des Steuersignals ein Minimal- sowie Maximalwert ermittelt und anschließend die Differenz zwischen diesen beiden Werten über den Analogausgang ausgegeben. Die ermittelte Differenz stellt somit quasi das Maß für die Ovalität des Rohres dar.

Zur Bewertung wird abschließend das Analog- bzw. Differenzsignal auf eine übergeordnete Steuerung übertragen. Sollte das Signal größer sein, als der zuvor für die maximal zulässige Ovalität des Rohres festgelegte Bereich, wird das Produkt aussortiert.

Vor der Prüfung des nächsten Rohres erhält der Taster über den zweiten Digitaleingang ein Schaltsignal, das den zuletzt gebildeten Differenzwert löscht.

Die Ovalität aller Rohre mit einem einheitlichen Durchmesser lässt sich auf diese Weise einfach und vor allem durchgängig kontrollieren.

Laserlinie bewältigt auch schwierige Oberflächen

Wie die Beispiele zeigen, lassen sich mit dem punktförmigen Laserstrahl präzise Messungen durchführen. Bei Objekten mit rauen oder inhomogenen Oberflächen sieht das indes anders aus. Sie haben in der Regel eher ungünstige Reflexionseigenschaften und können daher den punktförmigen Laserstrahl eines Tasters stark streuen. Aus diesem Grund hat IPF die PT64 durch eine Gerätereihe mit linienförmigem Laserstrahl ergänzt. Ein solcher Strahl kann auf Oberflächen wie z. B. Gussteile oder gefräste bzw. geschruppte Metallteile einen größeren Bereich erfassen, wodurch die Reflexion des Laserlichts in Richtung Sensorempfänger im Vergleich zu einem punktförmigen Strahl deutlich verbessert wird.

Ergänzendes zum Thema
PT64 mit Laserlinie
Über die Zeile an Ziel:

Über die Zeile ans Ziel: Die PT64 arbeiten nach dem Triangulationsverfahren, bei der der Abstand zu einem Objekt indirekt über den Einfallswinkel des von der Objektoberfläche reflektierten Lichts gemessen wird.

( Bild: IPF Electronic )

Hierzu hat der Empfänger des Tasters einen Zeilendetektor, der aus vielen einzelnen Empfangselementen besteht, die quasi eine Empfängerzeile bilden. Der Einfallswinkel des von einem Objekt reflektierten Laserstrahls bestimmt die Position, auf die der Strahl innerhalb des Zeilendetektors auf ein Empfangselement trifft. Über diesen Einfallswinkel lässt sich die Entfernung und damit der Abstand zu einem Objekt ermitteln.

Auch hierzu ein Blick in die Praxis:

Inhomogene Oberfläche erschwert Signalverarbeitung

Eine Drahtzieherei fertigt Kupferdrähte mit unterschiedlichen Durchmessern für die Elektronikindustrie. Für den jeweils erforderlichen Drahtdurchmesser wird der auf einer Spule befindliche Kupferdraht durch einen Ziehstein gezogen und auf eine zweite Spule aufgewickelt. Um hierbei ein Leerlaufen der Rohmaterialspule zu verhindern, muss die Geschwindigkeit der Ziehmaschine in Abhängigkeit vom Wickeldurchmesser der Spule gedrosselt bzw. die Anlage gestoppt werden. Hierzu soll der Wickeldurchmesser auf der Spule gemessen werden, wobei das stark glänzende Material und die unregelmäßige Oberfläche des Drahtes auf der Spule die Aufgabe erschweren.

Die Lösung: ein PT64 mit Laserlinie als Sendelichtquelle, mit der der Taster selbst die inhomogene Oberfläche des Kupferdrahtes auf der Spule erfassen kann. Die Abstandsinformation des Sensors wird über das 4-20 mA-Analogsignal an die Maschinensteuerung übertragen, die die Drosselung der Ziehgeschwindigkeit bzw. den Stopp der Anlage in Abhängigkeit vom Sensorsignal steuert.

Aufgrund des integrierten Regelkreises passt der Taster während der Abfrage zudem seine Sendeleistung je nach Reflexionsverhalten des Kupferdrahtes flexibel an. Wird das Reflexionsverhalten schwächer, erhöht sich die Leistung des Sendesignals. Wird es stärker, reduziert der Taster entsprechend die Sendesignalleistung.

Der Wickeldurchmesser der Rohmaterialspulen lässt sich nun zuverlässig prüfen und somit die Geschwindigkeit der Ziehmaschine automatisch drosseln bzw. die Anlage stoppen, noch bevor die Kupferdrahtspule vollständig abgewickelt ist. Eine zusätzliche visuelle Kontrolle durch einen Mitarbeiter kann entfallen.

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