Lichtlaufzeitmessung von Sandbehältern: Laser-Abstandssensoren in der Füllstandsprüfung

Beim Automobilzulieferer Georg Fischer Automotive in Mettmann werden Bauteile im Sandgussverfahren hergestellt. Der Sandguss ist ein seit dem 17. Jahrhundert bekanntes Gießverfahren, das heute überwiegend für die Herstellung von Grauguss- oder Aluminiumgussteilen angewandt wird. Um ein hohles Gussteil – beispielsweise ein Differenzialgehäuse – herzustellen, wird zuerst ein Kern aus Quarzsand geformt (\’geschossen\‘) (Bild 1). Das geschieht maschinell in einer Kernschießmaschine. Der mit Bindemitteln versetzte Sand wird der Maschine aus einem oberhalb angeordneten Sandvorratsbehälter (\’Sandbunker\‘) zugeführt. Ist der Füllstand im Behälter nicht ausreichend, darf kein \’Schuss\‘ mehr ausgeführt werden, da der Kern in diesem Fall ungenügend verdichtet wäre und beim nachfolgenden Gießvorgang zu Ausschuss führen würde. Bei GF Automotive sind 19 Kernschießmaschinen auf drei Fertigungslinien angeordnet, über denen sich die entsprechenden Sandbunker befinden. Die Behälter werden laufend über Transportwagen (Elektrohängebahnsystem) nachgefüllt. Um ein reibungs­loses Zusammenspiel des Gesamtsystems sicherzustellen, ist eine rechtzeitige und zuverlässige Signalisierung erforderlich, sobald der Mindestfüllstand in einem der Sandvorratsbehälter unterschritten wird und dieser nachgefüllt werden muss. Unzuverlässig: kapazitive und Ultraschallsensoren \“Früher wurden die Sandbunker mit kapazitiven Sensoren abgefragt\“, berichtet Senso-Part-Applikationsingenieur Thomas Worms. Da der Sand mit den Sensoren direkt in Berührung kam, führte dies immer wieder zu Problemen: \“Der Sand blieb an den Sensoren kleben, sodass ein falscher Füllstand gemeldet wurde, was zu Ausschuss bei der anschließenden Teileproduktion führte. Um dies zu vermeiden, mussten die Sensoren regelmäßig kontrolliert und gereinigt werden, was wiederum Stillstandzeiten verursachte.\“ Deshalb entschloss man sich bei GF Automotive, die kapazitiven Sensoren durch ein zuverlässigeres System zu ersetzen. In der Folge wurden Ultraschallsensoren und La­ser-Abstandssensoren getestet. Dabei zeigte sich, dass das Ultraschallverfahren den rauen Umgebungsbedingungen nicht ausreichend gewachsen war. Die Ultraschallmessungen waren vergleichsweise langsam und auch nicht wirklich zuverlässig. Die Messungen wurden von den Transportwagen gestört, teilweise kam es zu Schallabrissen, sodass gar kein Messergebnis weitergegeben wurde. Die Laser-Abstandssensoren von Senso-Part absolvierten ihren Testlauf hingegen mit Bravour, auch das staubige Umfeld erwies sich aufgrund der hohen Lichtleistung der Sensoren als unproblematisch. Testsieger: Lichtlaufzeitmessung mit Laser-Abstandssensoren In der Folge wurden alle Sandbunker in der Kernmacherei mit Laser-Abstandssensoren vom Typ FT 92 ILA PSL 5 an Säulen neben den Sandbunkern ausgerüstet (Bild 2). Dieser Sensortyp bietet einen maximalen Tastabstand von 6m und erreicht so auch entfernte Ecken des Vorratsbehälters. Die gewählte Produktvariante PSL 5 besitzt sowohl einen Analogausgang als auch zwei Schaltausgänge, die in der Anwendung allesamt genutzt werden: Die Unter- oder Überfüllung der Behälter wird über die Schaltausgänge signalisiert, während der analoge Messwert die nachzufüllende Menge meldet (Bild 3). Auf diese Weise werden Probleme durch fehlerhafte Befüllung vermieden. Der FT 92 ILA arbeitet mit dem Verfahren der IR-Pulslaufzeitmessung, bei dem ein kurzer Lichtimpuls gesendet, am Tastgut reflektiert und vom Empfänger registriert wird. Die Vorteile dieses Verfahrens sind seine hohe Messgenauigkeit und Zuverlässigkeit – auch bei Fremdlicht liefert das Verfahren ein eindeutiges Empfängersignal. Mit einer Ansprechzeit von (je nach Betriebsart) 12 bzw. 31ms ist der FT 92 ILA einer der schnellsten und genauesten Sensoren seiner Gattung auf dem Markt. Die Automatisierungs­lösung bewährt sich inzwischen seit drei Jahren. Im Unterschied zu den früher eingesetzten kapazitiven Sensoren ist der Wartungsaufwand gering, da die Lasersensoren infolge der berührungslosen Messung keinem mechanischen Verschleiß unterworfen sind. Besonders gelobt wird die hohe Wiederholgenauigkeit der Messungen: \“Es gibt jetzt viel weniger Störungen als früher. Die etwas höheren Anschaffungskosten der Lasersensoren haben sich längst amortisiert\“, freut sich SensoPart-Ingenieur Thomas Worms. (Kasten) Eigenschaften des Laser- Abstandssensors FT 92 ILA – Max. Tastweite: 200 bis 6.000mm (weiße Objekte) – Lichtart: IR-LED – Ansprechzeit 12 bis 31ms – Wiederholgenauigkeit von ±10 bis ±15mm – Zwei PNP-Schaltausgänge – Analogausgang 4 bis 20mA, im gesamten Messbereich frei einstellbar – Kompakte Bauform: 93x93x42mm³ Hannover Messe: Halle 17, Stand B17