Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Messtechnik: Ausgabe 05/2016, 09.05.2016

Ich sehe was, was du nicht siehst

Die zuverlässige Erkennung von transparenten Objekten wie Glas, Flaschen, Schalen/Trays oder Folien in Maschinen und Anlagen, stellt Automatisierungstechniker immer noch vor Herausforderungen. Innovative Techniken schaffen hier Abhilfe.

Autor: Alexander Gerstner Head of Product Marketing SE

Bilder: Baumer Electric AG

Durchsichtige Materialien sind nicht nur in der Verpackungsindustrie allgegenwärtig, auch in anderen Industrien gewinnen sie immer mehr an Bedeutung. Umgebungsbedingungen und Verschmutzungsrisiko, Geschwindigkeit der Erkennung, Reichweite beziehungsweise Objektentfernung sowie die unterschiedlichen Objekt- sowie Materialeigenschaften favorisieren jeweils verschiedene Sensortechniken. Dabei gibt es vor allem im Bereich der optischen Objekterkennung ohne Reflektor wichtige Innovationen.

Welche Sensortechnologie – die Qual der Wahl.

Neben verschmutzungsunempfindlichen Ultraschallsensoren, die selbst hochtransparente Objekte sicher erkennen, sind Lösungen auf Basis schneller, punktgenauer, optoelektronischer Sensoren weit verbreitet. Traditionell sind dies Reflexionslichtschranken, welche die Installation eines Reflektors voraussetzen relativ wartungsintensiv. Oft ist die regelmässige Reinigung oder der Tausch beschädigter Reflektoren von Nöten. Zudem müssen Unternehmen den Reflektor in Konstruktion und Montage bedenken. Deshalb ergänzen seit einiger Zeit Lichtschranken ohne Reflektor das Lösungsportfolio. Der Verzicht auf den Reflektor reduziert Installations- und Wartungsaufwand. Ein Nachteil dieser Sensoren bestand in der geringen Reichweite, der bisher bei etwas über einem halben Meter (Objektentfernung) lag und den grossen Blindbereichen. Zudem machte eine performante optische Erkennung verschiedene Produktvarianten für unterschiedliche Materialen beziehungsweise Objekttypen erforderlich. Dies schränkte ihren Einsatzbereich ein und erhöhte die Komplexität in der Konstruktion und der Materialbewirtschaftung. Die immer wichtiger werdende Flexibilität von Anlagen, um verschiedene Formate und Varianten auch in kleinen Losgrössen mit minimaler Rüstzeit zu handhaben, ist eine weitere Herausforderung, die sich nur schwer oder sehr teuer realisieren lässt.

Einen grossen Schritt zur Lösung bieten die neuen Baumer O300 und O500 SmartReflect Transparent Sensoren. Mit einer Reichweite bis zu einem Meter und einer Ansprechzeit von 0,25 ms erlauben sie zuverlässig die hoch performante Erkennung transparenter Objekte ohne wartungsintensiven Reflektor. Zudem ist es möglich, durch intelligente automatische Konfiguration die verschiedenen Objektarten mit nur einem Sensortyp sicher zu erkennen.

Vibrations- und Verschmutzungsunempfindlichkeit.

Je höher die Transmission des Objekts, beispielsweise eine dünne Folie, und je näher das Objekt am Hintergrund detektiert werden soll, desto grösser ist die Herausforderung für den Sensor zwischen einem verschmutzten Hintergrund und dem Objekt zu unterscheiden. Eine Chance, die Detektion robuster zu gestalten, ist die Hintergrundposition und den Erfassungsbereich deutlich zu differenzieren, das heisst, den Erfassungsbereich einzuschränken. Damit erhöht sich aber auch der Bereich, in dem keine Objekterfassung machbar ist. Die SmartReflect Transparent Sensoren erreichen durch einen innovativen Auswertealgorithmus gleichwertige Verschmutzungsunempfindlichkeit, ohne dabei den Erfassungsbereich einzuschränken. Vergleichbare Produkte am Markt schränken damit die Reichweite von 700 mm auf nur 400 mm effektiven Erfassungsbereich ein. Der SmartReflect Transparent Sensor ist robust in Bezug auf Hintergrundänderungen. Speziell bei Vibrationen, die häufig in Anlagen vorkommen, ist die Zuverlässigkeit durch die neue intelligente Auswertung einzigartig. Dies gilt auch bei einer Hintergrundposition von 1000 mm und einem Erfassungsbereich von 850 mm.

Reichweite.

Lichtschranken ohne Reflektor beruhen technisch auf dem Triangulationsprinzip. Die Reflektion eines beliebigen Hintergrunds in einem fixen Abstand lernen Fachleute ein (Einfallswinkel des reflektierten Lichts). Objekte, die zwischen Hintergrund und Sensor positioniert sind, reflektieren das Licht in einem grösseren Winkel und triggern damit die Lichtschranke. Durch diese Winkelmessung wird die maximale Reichweite stark von der Baugrösse bestimmt (Abstand zwischen dem in einem Gehäuse integrierten Sender und dem Empfänger). Durch die intelligente Verknüpfung von Reflexionswinkel- und Intensität des empfangenen Lichts in dem neu entwickelten Algorithmus, sind nun einzigartige Reichweiten von 1000 mm möglich. Und das bei einer kompakten Gehäusehöhe von nur 45 mm. Das ist eine enorme Steigerung und liegt deutlich über den Werten von Vergleichsprodukten. Gleichzeitig ist der Blindbereich mit 15 Prozent von der Hintergrundposition sehr klein. Grosse Reichweite und ein kleiner Blindbereich sind für Automatisierungstechniker ein wichtiges Auswahlkriterium. Die Flexibilität in der Konstruktion bei der Sensorpositionierung lässt sich dadurch erhöhen, dass der Einbau der Sensoren unter anderem auch an geschützten Positionen realisierbar ist. Zusätzlich lässt sich die Komponentenvielfalt reduzieren (gleicher Sensor für unterschiedliche Applikationen in verschiedenen Maschinentypen). Darüber hinaus sind auch Formatwechsel einfacher, da es keine Einschränkung bei der Position der Objekte gibt. Sind Reichweiten über einem Meter gefordert, gehören aber immer noch Reflexionslichtschranken mit Reflektor auch für transparente Objekte (zum Beispiel Baumer O300/O500.RP.T) zur richtigen Wahl.

Geschwindigkeit.

Schnellere Be- und Verarbeitungszeiten (Prozesszyklen), beziehungsweise hohe Maschinengeschwindigkeiten bei gleichbleibender Produktionsqualität und -stabilität erlauben signifikante Produktivitätssteigerungen. Für hohe Maschinengeschwindigkeiten sind performante und zuverlässige Sensorlösungen die entscheidende Voraussetzung. Durch den optimierten SmartReflect Transparent Detektionsalgorithmus hat der Hersteller die Auslesegeschwindigkeit des optischen Empfängers verbessert. Das Resultat ist eine Ansprechzeit von kleiner 0,25 ms. Bei schnellen Maschinen zur Folienproduktion (derzeit circa 500 m/min) bedeutet dies eine Reaktion innerhalb von 2 mm Förderstrecke. In der Flaschenförderung mit einem Durchsatz von circa 70 000 Flaschen pro Minute (2 m/s) entspricht dies 0,5 mm. Dabei gilt es, bei hohen Geschwindigkeiten und mini-malen Abständen neben der Ansprechzeit noch den Strahlverlauf der Lichtquelle zu berücksichtigen.

Mit der PinPoint LED erreicht der Entwickler einen fokussierten Strahlverlauf, der in vertikaler Ausrichtung des Sensors die zuverlässige Detektion von Objekten mit kleinen Abständen gestattet.

One for all.

Die verschiedenen Strukturebenen von Kunststoffen und deren Herstellung weisen unterschiedliche Eigenschaften auf, die sich in Depolarisationseffekten oder Transmissionsdifferenzen niederschlagen. Diese Effekte sind Herausforderungen für optoelek-tronische Sensoren. Auf Grund dieser unterschiedlichen Materialeigenschaften verfügen die optoelektronischen Sensoren des Herstellers über drei Sensitivitätslevels, um die vielfältigen transparenten Objekte zuverlässig detektieren zu können. Die manuelle Parametrierung der Sensoren erfolgt bequem mit einem beliebigen ferromagnetischen Werkzeug über das einfache und verschleissfreie Einlernverfahren qTeach. Nach dem Einlernen verriegelt sich der Sensor automatisch und bietet so zusätzliche Prozesssicherheit.

Über IO-Link lassen sich zusätzlich noch Parameter wie beispielsweise Ansprech- und Abfallverzögerung, mini-male Pulsdauer und exakte Schaltpunkte für unterschiedliche Objekte automatisiert einstellen. Darüber hinaus sind die qTeach-Methoden und die Verriegelungszeit individuell parametrierbar. Die Signalqualität der Sensoren kann über IO-Link überwacht werden und somit lässt sich der Wartungszyklus optimal planen. Durch diese umfangreichen Optionen der Parametrierung können Anwender einen einzigen Sensortyp schnell und einfach auf ganz unterschiedliche Applikationen und transparente Materialien konfigurieren. Ein solches Parameter-File lässt sich abspeichern und über IO-Link automatisch auf den Sensor transferieren. Dadurch ergeben sich nicht nur Vorteile beim Maschinendesign, auch schnelle Formatwechsel sind ganz ohne manuelle Teach-Aufwände effizient machbar.

Mit den O300/O500 SmartReflect Transparent Sensoren können Unternehmen die Komplexität bei der Entwicklung und die Kosten im Betrieb von Maschinen und Anlagen, die transparente Objekte verarbeiten, deutlich reduzieren. Beachtlich ist der Flexibilitätsgewinn durch die umfangreichen Möglichkeiten der Parametrierung auch mit IO-Link. Hochtransparent erkennende und sehr verschmutzungsunempfindliche Ultraschallsensoren als auch schnelle Reflexionslichtschranken mit grosser Reichweite ergänzen das Transparentportfolio. Dennoch ist der Einsatz alternativer Techniken in manchen Fällen vorteilhaft. Dabei empfiehlt es sich, einen Partner zu wählen, der Produkte und kompetente Beratung über das ganze Leistungsspektrum an Sensortechniken anbietet.


Weitere Informationen:
Baumer Electric AG
www.baumer.com




Transparent erkennende Lichtschranken ohne Reflektor



Vibrations- und Verschmutzungsunempfindliche Transparenterkennung