Licht ins Dunkle

Einweglichtschranken bestehen jeweils aus einem getrennten Sende- und Empfangsgerät. Diese werden im Erfassungsbereich aufeinander ausgerichtet, so dass der Lichtstrahl den Empfänger möglichst mittig trifft. Ein zu erkennendes Objekt unterbricht den Lichtstrahl und bewirkt im Empfänger eine Änderung des Ausgangssignals. Dabei spielt die Oberflächenbeschaffenheit des zu erkennenden Gegenstands keine Rolle. Mit Einweglichtschranken werden Reichweiten bis zu 100m erzielt. Für den Einsatz unter widrigen Umgebungsbedingungen (z.B. Staub, Nässe, Öl) eignen sie sich am besten und stellen das sicherste optische Abfrageprinzip dar. Einweglichtschranken werden oft zur Positionierung von Paletten oder anderen Transportbehältern in großen Montageanlagen eingesetzt. Eine hochgenaue Platzierung jeder mit Teilen bestückten Palette in der Montagestation ist dabei Voraussetzung für die Prozessqualität und -sicherheit in der gesamten Anlage. Wird hier eine Lichtschranke mit Laserlicht verwendet, so gelingt die Lokalisierung der Paletten-Vorderkante mit extrem hoher Reproduzierbarkeit. Die präzise und fehlerfreie Ausführung des nachfolgenden Montagevorgangs wird so sichergestellt. In ähnlicher Weise bewähren sich Einweglichtschranken für die Nachführung von Hebebühnen oder anderen Transportsystemen. Dabei ist die Lichtschranke so angeordnet, dass die oberste Platte den Lichtstrahl unterbricht. Wird das Blech zum Verarbeiten entnommen, ist der Lichtweg frei. Die Lichtschranke gibt ein Schaltsignal, und die Hebebühne wird automatisch angehoben, bis die nächste Metallplatte den Lichtstrahl wieder unterbricht. Reflexionslichtschranken: Bei einer Reflexionslichtschranke befinden sich Sender und Empfänger in einem Gehäuse. Auf der dem Sensor gegenüberliegenden Seite der Taststrecke befindet sich ein Reflektor, der das Licht des Senders zum Empfänger zurückwirft. Das Detektionsobjekt unterbricht den Lichtstrahl und führt so zu einer Änderung des Ausgangssignals. Objekte werden wie bei der Einweglichtschranke unabhängig von der Objektoberfläche sicher erkannt. Bei glänzenden Objekten (z.B. Alu oder Blech) wird aber ein Teil des Senderlichts direkt zum Empfänger reflektiert. Einfache Reflexionslichtschranken können dabei nicht sicher zwischen Reflektorlicht und \’Objektlicht\‘ unterscheiden. Abhilfe schafft hier ein Polarisationsfilter, mit dem alle modernen Lichtschranken ausgestattet sind. Zusammen mit dem Reflektor bilden diese eine selektive Barriere, die nur das Reflektorlicht durchlässt. Somit erfolgt auch die Erkennung von glänzenden Objekten zuverlässig. Ein weiterer Vorteil von Reflexionslichtschranken ist die unproblematische Ausrichtung des Reflektors zum Lichtstrahl. Reflektoren für den Einsatz mit Lichtschranken arbeiten nach dem Prinzip der Retroreflexion. Dabei wird jeder einfallende Lichtstrahl durch Mehrfachspiegelung wieder in die gleiche Richtung zurückgeworfen. Da der Einfallswinkel dabei in einem relativ großen Bereich schwanken kann, ist es nicht erforderlich, den Reflektor genau senkrecht zum Lichtweg zu montieren. Eine typische Anwendung ist die Erkennung von Kisten oder Kartons auf einem Transportband. Die Reflexionslichtschranke ermöglicht ein problemloses Zählen der Gegenstände – unabhängig von Farbe oder Material. Durch die Auswertung der Impulsdauer am Ausgang des Sensors lässt sich zusätzlich auch noch die Länge der transportierten Objekte ermitteln. Lichttaster: Auch bei den energetischen Lichttastern sind Sender und Empfänger in einem Gehäuse untergebracht. Der Sensor nutzt die diffuse Reflexion des Lichts am Objekt, um dieses zu detektieren und wird daher oft auch als diffuser Lichttaster bezeichnet. Dabei wirft die Oberfläche einen Teil des darauf treffenden Lichts zum Empfänger zurück. Ab einer bestimmten Lichtintensität erfolgt die Umschaltung des Ausgangssignals. Lichttaster eignen sich vor allem für Anwendungen, in denen kein zweites Gerät, aber auch kein Reflektor montiert werden können. Jedoch hängt die Tastweite stark von der Größe, Form, Farbe und Beschaffenheit der reflektierenden Objektoberfläche ab. Die Angaben hierzu in Katalogen und Datenblättern beziehen sich in der Regel auf eine Normplatte mit 90% Reflexion. Das entspricht einem typischen weißen Blatt Papier. Bei dunkleren Objekten werden geringere Tastweiten erreicht. In umgekehrter Weise werden spiegelnde oder glänzende Objekte über größere Distanzen als angegeben erkannt. Diese Eigenschaft lässt sich gerade dann besonders gut nutzen, wenn der zu erkennende Gegenstand einen großen Helligkeitsunterschied zur Umgebung besitzt. Bei der Erkennung von schwarzen O-Ringen auf Metallstiften spielt ein diffuser Laser-Lichttaster genau diese Stärke aus und bietet eine einfache, aber zuverlässige Lösung in vielen Anwendungen. Sensoren mit Hintergrundausblendung: Eine Spezialform der Lichttaster stellen Sensoren mit Hintergrundausblendung dar. Auch diese nutzen das vom Objekt zurückgestrahlte Licht. Im Gegensatz zu den energetischen Tastern arbeitet die Hintergrundausblendung jedoch mit dem Prinzip einer Winkelmessung (Triangulation). Dabei spielt der Winkel zwischen dem abgestrahlten und dem empfangenen Lichtstrahl eine große Rolle. Da das zu erkennende Objekt und der Hintergrund unterschiedliche Entfernungen zum Sensor haben, reflektieren sie das auf sie treffende Licht in verschiedenen Winkeln. Diese Winkeldifferenz wird vom Sensor erfasst und zur Festlegung des Schaltpunktes verwendet. Für den Schaltpunkt des Sensors ist die Entfernung zum Objekt der entscheidende Faktor, während Größe, Farbe oder Oberflächenbeschaffenheit nahezu keinen Einfluss haben. Ist der Sensor auf die Entfernung des zu detektierenden Objekts eingestellt, so sind der Hintergrund und alle dort befindlichen Gegenstände \’optisch ausgeblendet\‘. Daher lassen sich mit einer Hintergrundausblendung auch dunkle Teile vor einem hellen Hintergrund sicher erkennen und das bereits bei einem Abstand von wenigen Millimetern. Sensoren mit Hintergrundausblendung gibt es mit elektronischer und mechanischer Einstellung. Bei der elektronischen Variante fällt das reflektierte Licht auf ein positionsempfindliches Empfangsbauteil. Die Auswertung der Objektposition erfolgt dann in der nachgeschalteten Elektronik. Sensoren dieser Bauart haben keine beweglichen optischen Teile und funktionieren daher auch bei rauen Umgebungsbedingungen zuverlässig. Die Einstellung des Schaltabstands erfolgt in der Regel über ein Mehrgang-Potentiometer, sodass eine sehr feinfühlige und präzise Einstellung möglich ist. Bei einer mechanischen Einstellung wird das Empfangselement über eine Stellschraube so bewegt, dass das zurückkommende Licht nur bei dem gewünschten Schaltabstand auf die Empfangsdiode treffen kann. Hierbei kommen Mehrgangspindeln zum Einsatz und sorgen für eine sehr genaue Einstellbarkeit. Sie kommen in zahlreichen Applikationen und Einsatzbereichen zur Anwendung. Bei der detailgenauen Überprüfung von Montageprozessen erkennen sie kleine Objekte exakt und lassen sich auch von unterschiedlichen Farben nicht beirren/täuschen. Sie sind insbesondere dann von Vorteil, wenn die Objekte vor nahen Hintergründen zu erkennen sind. Das ist z.B. in der Bestückungsüberprüfung von Halbleiterplatinen der Fall. Lichtarten Neben den unterschiedlichen Funktionsprinzipien spielt bei optoelektronischen Sensoren natürlich auch die Licht-art eine wichtige Rolle für die erfolgreiche Applikationslösung: Rotlicht: Sensoren mit Rotlicht sind am weitesten verbreitet und für die meisten Standardapplikationen geeignet. Die Verwendung von sichtbarem Licht hat zahlreiche Vorteile. Das beginnt bereits bei der Montage und der Ausrichtung des Sensors. Selbst in heller Umgebung lässt sich dank leistungsstarker Leuchtdioden sofort erkennen, ob das Objekt an der richtigen Stelle erkannt wird. Auch spätere Kontrollen und Nachjustierungen lassen sich einfach und schnell durchführen. Moderne Optiken und Linsen sorgen außerdem dafür, dass der Lichtfleck scharf abgegrenzt ist. Zusammen mit einer ausgeklügelten Elektronik sorgt das für eine hohe Schaltpräzision und Wiederholgenauigkeit der Sensoren. Infrarotlicht: Sensoren mit Infrarotlicht waren früher weit verbreitet. Doch auch heute im Zeitalter leistungsstarker Rotlicht-LEDs haben diese Sensoren noch ihre Berechtigung. Ihr unsichtbares Licht wird z.B. an Handarbeitsplätzen geschätzt, weil keine Irritation des Bedieners durch sichtbare Lichtspots erfolgt. Auch für Applikationen in extremer Umgebung mit hoher Luftverschmutzung (z.B. Gießerei) eignen sich Infrarotgeräte besser aufgrund ihrer optischen Leistung. Laserlicht: Kommt es auf die hochpräzise Erkennung kleiner und kleinster Objekte an, so sind Sensoren mit Laserlicht das Mittel der Wahl. Der Lichtstrahl weitet sich auch über größere Entfernungen kaum auf und kann daher durch kleine Öffnungen und Schlitze hindurchgeführt werden – und dies auch über große Reichweiten. Lasersensoren eignen sich jedoch nicht für den Einsatz in verschmutzter Umgebung, denn nur ein Schmutzpartikel an der richtigen Stelle reicht aus, um den weniger als 1mm dicken Strahl komplett abzudecken. Fazit Es wird deutlich, dass es gerade bei optoelektronischen Sensoren keinen Universalsensor gibt, der alle Anwendungsfälle abdeckt. Jede Applikation stellt individuelle Anforderungen an die eingesetzte Sensorik. Die Kenntnis der verschiedenen Funktionsprinzipien und Lichtarten macht die Auswahl des passenden Sensors einfach. So kommen Geräte zum Einsatz, die eine optimale Lösung der Applikation gewährleisten und die Zuverlässigkeit der Maschine deutlich erhöhen. Ungeplante Stillstandszeiten werden minimiert, die Anlagenverfügbarkeit steigt und mit ihr auch die Produktivität.