Ultraschall – Das Sensorprinzip für alle Applikationen

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Berührungslose Objekterfassung in der Fabrikautomation

Sensorik

Drei Reichweiten, die Familie UC…30GM-IO
Drei Reichweiten, die Familie UC…30GM-IO
Positionierung einer Leiterplatte
Positionierung einer Leiterplatte

Ultraschallsensoren sind durch ihr robustes und dennoch präzises Messverfahren für vielfältige Einsatzfälle prädestiniert. Einfache Parametrierung, wenn es die Applikation erfordert, verknüpft mit Messbereichen von wenigen Zentimetern bis zu 10m heben Ultraschallsensoren vom Feld der Problemlöser zum Sensor für alle Einsatzfälle.

 

Ultraschallsensoren - als Einparkhilfe im Automobil - sind sie allgemein bekannt. In der Fabrikautomatisation sind sie eine oft unterschätzte Technologie zur berührungslosen Objekterfassung. Der Vorteil der Ultraschallsensorik liegt dabei klar auf der Hand. Unabhängig von Farbe und Oberflächeneigenschaften kann ein Objekt millimetergenau erfasst werden. Verschmutzung wirkt sich nicht nachteilig auf das Messergebnis aus. Die Sensoroberfläche reinigt sich darüber hinaus durch hochfrequente Vibration von Benetzung durch Flüssigkeiten bzw. Staubablagerungen.
Diese Vorteile lassen sich einfach mit dem Messprinzip erklären : Zyklisch werden kurze, für den Menschen nicht hörbare, Ultraschallimpulse ausgesandt und die Laufzeit des reflektierten Echos ausgewertet. Die zum Objektabstand proportionale Laufzeit wird mikroprozessorgesteuert präzise bestimmt. Die Stärke des reflektierten Signals ist für die Messung nicht relevant. Trotz dieser evidenten Vorteile gab es bislang Vorbehalte, welche den Einsatz erschwerten: aufwendige Inbetriebnahme und die physikalisch bedingte Blindzone. Pepperl +Fuchs hat diesen Hürden Rechnung getragen und drei neue Reihen von Ultraschallsensoren entwickelt.

Ultraschallsensor im Miniaturgehäuse
Handlingsmaschinen werden in der Regel sehr kompakt aufgebaut. Für die Sensorik steht folgerichtig daher nur wenig Platz zur Verfügung. Die Baureihe UB...F77 ist für diese Anwendungsfälle bestens gerüstet. Im dicht verschweißten Kunststoffgehäuse, die Abmessungen entsprechen ungefähr zwei Stück Würfelzucker, sind auf engsten Raum, die komplette Sende- und Empfangselektronik, der Ultraschallwandler, die Signalanzeigen und der Steckeranschluss untergebracht. Durch Optimierung der Wandler konnte die Blindzone reduziert werden ohne die maximale Reichweite im gleichen Maß zu verringern. Eine Blindzone von nur 10mm, in denen der Sensor keine exakte Entfernung des zu erfassenden Gegenstandes ermitteln kann, sind kein Problem. Die bei Ultraschallsensoren typische Schallkeule stellt im Gegensatz zur Linie eines Lasersensors in vielen Applikationen einen Vorteil dar. Durch den leicht flächigen Abtastfleck spielt die Ausrichtung des Objektes bzw. Kanten keine Rolle. Störende Geräusche hervorgerufen durch zum Beispiel austretende Pressluft werden von ausgeklügelten Algorithmen der Sensor Firmware zusammen mit der selektiven Empfangselektronik wirkungsvoll unterdrückt.

Beispielhaft sei der Transport von Leiterplatten in einem Bestückautomaten genannt. Der Sensor sitzt dicht unter den Führungsschienen für die Auflage der Leiterplatten. Die Anfangs- und Endposition der Leiterplatte wird vom Sensor per binären Signal an die Steuerung gemeldet. Kleine Ausbrüche in Leiterplatten werden vom Sensor ignoriert, die Außenkontur dagegen exakt erfasst. Mehrfarbige Bedruckung sowie silbrig glänzende, verzinnte Bereiche stören den Ultraschallsensor prinzipiell nicht. Der Schaltbereich lässt sich einfach und manipulationssicher über einen Pin im Steckeranschluss einlernen. Für größere Reichweiten werden typischerweise zylindrische Sensoren mit 30 mm Durchmesser eingesetzt. Typische Applikationen sind Füllstandsüberwachung in Behältern, Höhenkontrolle, auch im Aussenbereich und Abstandsmessung zur Regelung eines Produktionsablaufes. Hier sind unter Umständen umfangreiche Parametriermöglichkeiten nötig um den Sensor optimal auch an schwierige Aufgaben anzupassen. Für die Einstellung des Schaltabstandes haben sich zwei Bedienphilosophien herauskristallisiert: Potentiometer und Teach-in-Tasten. Diesem Trend wurde mit zwei unterschiedlichen Familien von M30 Sensoren Rechnung getragen.

Parametrierung eines Ultraschallsensors ganz einfach
Bei der Baureihe UC...30GM70 lässt sich über das Potentiometer der Schaltabstand sehr einfach und intuitiv einstellen, auch ohne Anwesenheit des Objektes. Darüber hinaus kann eine sehr schnelle, bidirektionale Infrarot Schnittstelle zur Kommunikation mit dem Sensor verwendet werden. Die elektrische Verkabelung zum Sensor wird hierbei nicht unterbrochen, ebenso wenig wird die eigentliche Messaufgabe des Sensors gestört. Zur Kommunikation wird ein kleiner Infrarot Tranceiver mit USB-Kabel auf den M12 Stecker aufgeschnappt. Der Kunststoff im Bereich des Steckanschlusses ist für Infrarotlicht durchlässig. Auf dem angeschlossenen Notebook lässt sich die Einbausituation visualisieren. Mehrere Echos können z.B. mit Entfernung und Empfangsamplitude angezeigt werden um so den Sensor optimal auszurichten. Über den gleichen Weg kann der Sensor auch parametriert werden, Anpassung der Schallkeule, Ausblenden von störenden Objekten, Setzen der Schaltpunkte mit zugehöriger Hysterese, Anpassung der Analogkennlinie um nur ein paar Parameter exemplarisch zu nennen. Durch die hohe Übertragungsgeschwindigkeit an der Infrarot Schnittstelle konnte ein Echtzeitlinienschreiber in der Parametriersoftware realisiert werden. Dieser zeigt den zeitlichen Verlauf einer Abstandsänderung mit der Möglichkeit den Ablauf in einem Datenfile auf der Festplatte aufzuzeichnen.

Ultraschallsensor mit IO-Link : Integration in die Steuerung inklusiv
Eine Anpassung von Grundparametern ohne externes Tool ist bei der Baureihe UC...30GM-IO möglich. Es lässt sich der Schaltabstand millimetergenau mit einem Tastendruck einstellen. In einem weiteren Schritt kann die Schallkeule in 3 Stufen an die Applikation angepasst werden, sowie die Funktion des Schaltausgangs von Öffner auf Schließer und umgekehrt parametriert werden. Über die IO-Link Schnittstelle, die Parametriersoftware PACTware sowie den gerätespezifischen DTM kann der Sensor ganz gezielt an die jeweilige Applikation optimal angepasst werden. Neben der Möglichkeit den Sensor bei Bedarf zu parametrieren lässt er sich via IO-Link sehr komfortabel mittels IODD in eine Steuerung einbinden. Die Ausgangsdaten des Sensors, binäre Aussage über die Position des erfassten Objektes oder analoge Abstandsinformation liegen sofort in der Steuerung vor. Wird der Sensor im Fehlerfall getauscht können die eingestellten Parameter problemlos in den neuen Sensor aus der Steuerung geladen werden, ebenso kann bei Chargenwechsel in der Produktion zwischen Parametersätzen um geschalten werden. Diese Möglichkeit der Kommunikation eröffnet neue Möglichkeiten der Einbindung des Ultraschallsensors in die Steuerung der Maschine.

Für jede Applikation der passende Ultraschallsensor
Durch die Möglichkeit der einfachen Umstellung von Grundfunktionen per Teach-Tasten bei der Familie UC...30GM-IO konnte die Variantenanzahl reduziert werden, getreu dem Motto - Ein Sensor für alle Applikationen - Die Familie UC...30GM70 wurde bewusst mit einer Vielzahl von Varianten mit verschieden Ausgangsfunktionen (Öffner, Schließer) ausgestattet, für jede Applikation - Der Sensor von der Stange - Temperaturkompensation bei den parametrierbaren Sensoren, hoher IP-Schutz und ein für industrielle Anwendungen notwendiger Betriebstemperaturbereich sowie Schutz gegen elektromagnetische Störungen zählen selbstverständlich zu den Eigenschaften der Familien.

Veröffentlicht am April 2, 2012 - (205 views)
von
Pepperl+Fuchs SE
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68307 Mannheim - Germany
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