Überall dort, wo Teile berührungslos, zuverlässig und schnell erfasst, ­gezählt, gemessen oder positioniert werden müssen, sind optische Sensoren häufig zu finden. Neben hohen Reichweiten verfügen optische Sensoren noch über weitere interessante Eigenschaften, wie die Anwendung in einer Gießerei zeigt.

Eine Gießerei stellt sogenannte Sphärogussteile für Nutzfahrzeuge her. Hierzu werden spezielle Formen mit Sand gefüllt und dieser verdichtet, um eine Negativform für den Guss zu erhalten. Nach dem Gießen und Abkühlen werden die Gussteile entnommen und die Formen erneut mit wiederaufbereitetem Sand für den nächsten Sphäroguss befüllt.

Das Abkühlen des Sphärogusses erfolgt über eine separate Kühlstrecke, eine Art Bahnhof, in der die Behälter auf kettenbetriebenen Rollenbahnen im Rundlauf transportiert und positioniert werden müssen. Zur Positionsabfrage der Gussbehälter und zur Transport-Koordination auf den sechs Bahnen der Kühlstrecke wird besonders robuste und zuverlässige Sensorik benötigt. Und das aus guten Gründen.

Probleme mit Reichweite und Reflexionen

Die Geräte sind auf der Kühlstrecke nicht nur mitunter hohen Temperaturen ausgesetzt, sondern auch extremer Schmutz- und Staubbelastung. Früher verwendete der Betrieb zur Positionsabfrage der Gussbehälter induktive Näherungsschalter. Diese waren aber nicht besonders zuverlässig und verfügten nach einem Anlagenumbau außerdem nicht mehr über die nun erforderlichen Reichweiten von mindestens 20 cm. Als Alternative hierzu entschied sich die Gießerei daher für optische Sensoren, die aber aufgrund der teilweise reflektierenden Seitenwände der Gussbehälter Schwierigkeiten bei deren Erfassung hatten. 

Robuste Lösung mit entscheidenden Eigenschaften 

Vor einigen Jahren empfahl daher der Sensorspezialist IPF Electronic die bestehenden Taster durch optische Sensoren der Serie OT43 mit Hintergrundausblendung auszutauschen. In der Folge wurden in einigen Bereichen innerhalb des Behälterbahnhofs die bisherigen Geräte durch Sensoren vom Typ OT430423 ersetzt. Diese, mit getaktetem Rotlicht arbeitenden Kompaktgeräte, integrieren Sender und Empfänger in einem Kunststoffgehäuse mit Schutzart IP67. Die Sensoren für einen Einsatztemperaturbereich von -25 bis 65 °C verfügen zudem über Tastweiten von 30 bis 500 mm. Von besonderem Vorteil für die hier beschriebene Anwendung war außerdem, dass die Sensoren mit Hintergrundausblendung in der Lage sind, in ihrem Tastbereich Materialien unabhängig von ihrem Reflexionsgrad zu erkennen, was Farbe und Oberfläche des zu detektierenden Objektes anbetrifft.

Effektive Tastweite unabhängig vom zu detektierenden Objekt

Da die Empfängerelemente der optischen Taster die Objektposition bewerten, aus der das auftreffende Sendelicht reflektiert wird, ist eine Aussage möglich, ob sich ein Objekt im gewählten Erfassungs-beziehungsweise Schaltbereich befindet. Voraussetzung hierfür ist, dass die Objektoberfläche, hier die Seitenwände der Gussbehälter, das auftreffende Licht des Senders in hinreichendem Maße reflektieren. Die effektive Tastweite des OT430423 hängt daher nicht vom zu detektierenden Objekt ab, sondern ausschließlich vom eingestellten Tastabstand.

Die auf alle Bereiche der Kühlstrecke verteilten optischen Sensoren sind mit der SPS des Behälterbahnhofs verbunden. Befindet sich ein Gussbehälter an einer Sollposition, wird dieser von einem der Taster erfasst. Über eine entsprechende Meldung an die SPS wird dessen Position bestätigt und der Weitertransport des Behälters innerhalb des Bahnhofs koordiniert.

Durchweg positive Erfahrungen

Nach Aussagen des Betriebselektrikers der Gießerei erweisen sich die Sensoren als besonders schmutzunempfindlich. Von Vorteil sei zudem, dass sich die Taster für den Einsatz an unterschiedlich reflektierenden Materialien eignen, da die Gussbehälter  unterschiedliche Reflexionseigenschaften aufweisen. Solche Reflexionen, insbesondere an neuen Gussbehältern, die in die Anlage eingeschleust wurden, bereiteten mit den vorherigen Sensoren bei der Abfrage der Behälterposition immer wieder Probleme, die nun nicht mehr auftreten. 

Mit Beginn der Umrüstphase vor einigen Jahren wurden die ersten optischen Taster der Baureihe OT43 installiert. Mittlerweile wurden alle Altgeräte durch die Lösungen von IPF Electronic vollständig ersetzt. 

Eigenschaften und Funktionsweise von optischen Sensoren

Optische Sensoren überzeugen zum Beispiel im Vergleich zu kapazitiven Sensoren oder induktiven Näherungsschaltern durch hohe Reichweiten. Sie arbeiten berührungslos und daher völlig verschleißfrei und erfassen Objekte unabhängig von Form, Farbe, Oberflächenstruktur oder Material.

Grundsätzlich werden drei Varianten unterschieden:

• Einweglichtschranken: Bestehen aus zwei, aufeinander ausgerichtete separate Sender und Empfänger. Der Schaltausgang im Empfänger wechselt seinen Zustand, sobald der Lichtstrahl zwischen Sender und Empfänger unterbrochen wird. 
   
• Reflexlichtschranken: Sender und Empfänger befinden sich in einem Gerät. Der gesendete Lichtstrahl wird von einem gegenüberliegenden Reflektor auf den Empfänger reflektiert. Der im Gerät integrierte Schaltausgang wechselt seinen Zustand bei Unterbrechung des Lichtstrahls. 
   
• Lichttaster: Sender und Empfänger befinden sich in einem Gerät. Der gesendete Lichtstrahl wird vom zu erfassenden Objekt reflektiert. Der im Gerät integrierte Schaltausgang wechselt seinen Zustand, sobald der Empfänger das reflektierte Licht erfasst.

Wesentliche Vorteile von optischen Tastern 

Optische Taster arbeiten mit sichtbarem Rotlicht oder Laserlicht, sodass sich die Lösungen während der Montage sehr einfach justieren lassen. 
Lasertaster wie die Geräte der Baureihe PT23 oder PT73 von IPF Electronic ermöglichen Schaltabstände von 1.000 bis 5.000 mm (PT23) beziehungsweise bis zu 20.000 mm (PT73.) Mit sichtbarem Rotlicht arbeitende optische Taster, wie der OT430423, erzielen Reichweiten bis 500 mm. 
Mit ihrem fokussierten Lichtstrahl eignen sich Lasertaster vor allem für sehr präzise Abfragen. Optische Taster mit Rotlicht sind im Gegensatz hierzu besonders zur Detektion von Objekten mit rauen, unregelmäßigen und auch glänzenden Oberflächen geeignet, da sie im Vergleich zu Lasertastern bei der Objektabfrage höhere Winkeltoleranzen zulassen. 

Geringer Installations- und Verkabelungsaufwand
Da optische Taster Sender und Empfänger in einer Lösung vereinen, ist ihr Installations- und Verkabelungsaufwand beispielsweise im Vergleich zu Einweg- oder Reflexlichtschranken geringer, weil auf der gegenüberliegenden Geräteseite kein Empfänger oder Reflektor benötigt wird. Hinzu kommt, dass beim Einsatz eines einzigen Gerätes die Gefahr einer Beschädigung im Betrieb geringer ist als bei zweiteiligen Lösungen. 

Taster mit Hintergrundausblendung und Intensitätsunterscheidung

Taster mit Hintergrundausblendung haben zum Beispiel gegenüber Reflexlichtschranken einen genau definierten Tastbereich, innerhalb dessen die Geräte alle Objekte nahezu unabhängig von deren Oberfläche und Farbe erkennen. Außerhalb des exakt begrenzten Tastbereichs, also im Hintergrund, werden alle Gegenstände ignoriert (ausgeblendet) – und das ebenfalls unabhängig von deren Oberfläche.

Bei Tastern mit Intensitätsunterscheidung (energetische Taster) wird in der Regel über ein Potentiometer am Sensor eine spezifische Lichtmenge (Empfindlichkeit) eingestellt. Erreicht oder überschreitet die von einem Objekt reflektierte Lichtmenge die voreingestellte Schwelle, schaltet der Sensor. Wird nur wenig Licht vom Objekt reflektiert (geringe Intensität), dann erhält das Gerät kein Schaltsignal. Diese Taster erkennen alle Objekte sicher, die so viel Licht reflektieren, dass die eingestellte Schaltschwelle erreicht oder überschritten wird.

Autor
Christian Fiebach, Geschäftsführer von IPF Electronic