Volkswagen Sachsen: Distanzsensoren in VW-Bearbeitungszentren

In den Bearbeitungszentren bei Volkswagen Sachsen sind die Werkzeugmaschinen über einen automatischen Laderoboter miteinander verkettet. Der Roboter bestückt die Maschine mit Zylinderkopf-Hauben, indem er die Werkstücke von der Zuführstrecke entnimmt und in die Spannplätze einsetzt. Auf die gleiche Weise entnimmt er die bearbeiteten Werkstücke. Da die Zylinderkopf-Hauben in dieser Position mechanisch bearbeitet werden, ist ihre exakte Lage von großer Bedeutung. Die Aufgabe der Distanzsensoren ist es also nicht nur festzustellen, ob ein Werkstück im Spannplatz vorhanden ist, sondern vor allem, ob es sich dort auch in der richtigen Lage befindet. Leistungsmerkmal Lageerkennung mithilfe von Laser-Distanz-Sensoren Für diese anspruchsvolle Aufgabe, die hohe Präzision erfordert, verwendet Volkswagen Sachsen die Laser-Distanzsensoren BOD 63M von Balluff. Die reine Anwesenheitskontrolle ließe sich auch mit anderen Sensoren lösen. Diesen ist es jedoch nicht möglich, die richtige Lage zu erkennen. In dieser Anwendung werden Lasersensoren mit großer Tastweite benötigt, wofür die Produkte von Balluff geeignet sind. Darüber hinaus besteht in dem Maschinenraum für die Be- und Entladung nicht die Möglichkeit, Reflektoren oder aktive Teile an der gegenüberliegenden Seite der Sensoren anzubringen. Da die BOD-Sensoren Sender und Empfänger integrieren, wurde das Platzproblem auf einfache Weise gelöst. Vorteile der Laufzeitmessung Die hier eingesetzten neun Sensoren arbeiten nach dem Lichtlaufzeit- bzw. Laser-laufzeitverfahren. Der vom Sender ausgesandte Lichtimpuls wird vom jeweiligen Objekt reflektiert und gelangt dadurch wieder zurück zum Sensor. Gemessen wird die Zeit des Lichtimpulses vom Zeitpunkt des Aussendens bis zu seinem Empfang. In der VW-Applikation wird der Sensor allerdings nicht zur Abstandsmessung eingesetzt, sondern nur schaltend, wofür zwei binäre Schaltausgänge zur Verfügung stehen. Ein Vorteil dieses Laufzeit-Verfahrens ist, dass es, im Gegensatz zu Messverfahren wie der Triangulation Objekteigenschaften wie Oberflächen, Farbe oder Beschaffenheit zum Teil noch besser toleriert. Auch Fremdlichteinflüsse werden besser unterdrückt. Dass in Industrieumgebungen das Laufzeit-Verfahren verwendet wird, hat noch einen weiteren Grund: Die höhere Funktionsreserve. Für diese wird in der Regel ein Faktor angegeben. Faktor 10 würde bedeuten, dass die 10-fache Menge des Lichts den Empfänger erreicht, die er benötigt, um sicher zu schalten. Eine Verschmutzung der Optiken reduziert die Funktionsreserve, da eine geringere Menge Licht vom Empfänger detektiert wird. Beim Laufzeitverfahren achtet der Sensor jedoch nicht auf die empfangene Lichtmenge des Impulses, sondern nur auf den Impuls an sich. Glas sorgt für einen ungetrübten Durchblick Verschmutzungen verfälschen also nicht das Messergebnis, wie es bei anderen Prinzipien der Fall ist, sondern schwächen nur das Signal bis zu dem Zeitpunkt, an dem kein Signal mehr empfangen werden kann. Dann muss die Optik gereinigt werden. Da mit der Reinigung automatisch ein Stillstand einhergeht, verfügen die Sensoren von Balluff über eine hohe Sendeleistung. Das erhöht ihre Standzeit und verlängert die Abstände zwischen den erforderlichen Reinigungen, um beispielsweise den festgesetzten Nebel von Kühlmitteln zu entfernen. Da Kühlmedien eine Optik aus Kunststoff schnell angreifen und diese dadurch im Laufe der Zeit erblinden würden, verwendet Balluff Optiken aus Glas. Sie sind zudem geklebt, wodurch sie sehr dicht sind. Um auch das Gehäuse entsprechend dicht zu halten und vor Beschädigungen durch Kühlmittel oder Ähnlichem zu schützen, wurde anstelle von Kunststoff Metall verwendet. Durch das robuste Metallgehäuse eignen sich die BOD 63M für den Einsatz im Umfeld von Werkzeugmaschinen. Sensoren schnell justieren mithilfe von sichtbarem Licht Die Sensoren arbeiten mit rotem Laserlicht, das sich ausschalten lässt, falls keine Messung erfolgen soll. Ihr Lichtstrahl ist homogen gestaltet. Balluff verwendet eine hochwertige Optik, wodurch der abgebildete Messpunkt über die gesamte Reichweite von bis zu 6m nahezu gleich groß bleibt. Hier unterscheiden sich die Technologien. Bei alternativen Sensoren ist der Lichtfleck divergent. Je weiter das Objekt also entfernt ist, desto größer wird auch der Fleck. Soll ein weiter entferntes, kleines Maschinenteil positioniert werden, kann dies nur mit einer gewissen Toleranz bezüglich der Genauigkeit geschehen. Mit einem gleich bleibenden Lichtspot hingegen lässt sich eine Positionsgenauigkeit von 2mm erzielen. Die Verwendung von rotem Laserlicht, Wellenlänge 660nm anstelle von Infrarot-Licht erweist sich vor allem beim Justieren als Vorteil. Die Sensoren erfassen in der Fertigung bestimmte Konturen der Werkstücke. Sollen andere Werkstücke in der Maschine aufgenommen werden, müssen die Sensoren neu justiert werden. Im Falle eines unsichtbaren IR-Laserstrahls wäre hierfür ein zusätzlicher Ausricht-Leitstrahl notwendig, der bei den eingesetzten Sensoren entfällt. Das Ausrichten der BOD-Sensoren ist demnach einfach: Der Laserspot muss lediglich auf den anzutastenden Punkt am Werkstück ausgerichtet und anschließend die Tastweiten, also die auf die bestimmte Lagetoleranz abgestimmten Schaltpunkte, die sich unabhängig von einander schalten lassen, mit zwei am Sensor vorhandenen Potentiometern eingestellt werden. Ob ein Objekt sicher erkannt ist, zeigt die entsprechende von vier LEDs an, die sich an der Stirnseite des Sensors befinden. Die Laser-Distanzsensoren dienen in der beschriebenen Anwendung nicht nur zur Positionserfassung, sondern gleichzeitig zur Qualitätssicherung. Sie eignen sich auch zur Kontrolle oder der Messung von Füllständen oder der Abstands- und Höhenmessung. Durch die Laserklasse 2 verlangt der Betrieb keine zusätzlichen Schutzmaßnahmen.