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Lichtschnittsensorik

Produktkontrolle bei Brita Wasserfilter
Lichtschnittsensorik

Als Lichtblick für die Lösung automatisierter Steuerungs- und Kontrollprozesse erweist sich in zahlreichen Applikationen der Lichtschnittsensor DMH. Laserlicht, Triangulationsverfahren und ein 1024 Bit-Empfänger-Array sorgen hier für die schnelle, präzise und wirtschaftliche Überwachung von Höhenprofilen, z. B. bei der Inhaltskontrolle von Blistern oder tiefgezogenen Verpackungen, bei der Profilerkennung von Objekten, dem Zählen von Zeitungen und Zeitschriften oder bei der Überwachung von Füllhöhen. So setzt die Brita Wasserfilter GmbH den DMH zur millimetergenauen Kontrolle der automatischen Befüllung von Wasserreinigungskartuschen mit Enthärtungsgranulat ein.

Simone Silvery, Produktmanagerin Automatisierungstechnik, SICK AG, Waldkirch

Der optische Sensor bietet die Funktionalität einer Lichtschranke und kommt ohne separate Beleuchtung und externen Auswerterechner aus. Ausgewertet werden Höhensprünge oder Höhendifferenzen. Vorwiegend eingesetzt wird der Sensor zur Automatisierung von industriellen Produktions- und Prüfabläufen, in denen aus der Höheninformation anlagenrelevante Stellparameter geregelt werden. Das Gerät steht mit einem Messbereich von 20 mm zur Verfügung. Es eignet sich für die direkte 2D-Erfassung von kleineren Objekten oder Objektausschnitten. Der DMH stößt in Anwendungsbereiche vor, für die bisherige Lösungen häufig ”overengineered” sind oder die bisherigen Lösungen aus absoluten oder relativen Kostengründen vorenthalten bleiben.
Höhe als Regelungs- oder Qualitätskriterium
Automatisierte Produktions- und Prüfprozesse müssen in der Regel mit relativ hoher Geschwindigkeit arbeiten, um wirtschaftlich zu sein. Dies schließt das visuelle 100%-Kontrollieren durch die Bediener einer Maschine oder separates Prüfpersonal weitgehend aus. Ermüdungserscheinungen, subjektive Beurteilung von Prüfmerkmalen sowie Störungen führen nicht zu verlässlichen, automatisch dokumentierten und jederzeit nachvollziehbaren Ergebnissen. Zu den Anwendungen, in denen der Lichtschnitt-Sensor DMH anstelle einer Prüfperson prozessimmanente Höheninformationen auswertet, gehören u. a.
– die Schuppenerkennung, d.h. das Erkennen und Zählen von Zeitungen und Zeitschriften im Auslauf von Druckmaschinen,
– die Regelung von Bahnkanten, z. B. bei der Papier-, Kunststofffolien- oder Vliesstoffherstellung,
– die Lageerkennung von Teilen auf einem Förderband,
– die Inhaltskontrolle von Verpackungen,
– die Erfassung von Füllhöhen fester und flüssiger Medien oder
– die Überwachung kontinuierlich erzeugter Profile direkt an der Maschine, z. B. in der Süßwaren-, Lebensmittel-, Kunststoff- oder Gummiindustrie.
Obwohl die genannten Anwendungen hinsichtlich ihrer Auswertekriterien stark voneinander abweichen, können sie alle mit dem Lichtschnittsensor DMH gelöst werden. Das Gerät enthält integrierte Softwareprogramme, die in fünf verschiedenen Betriebsarten, sogenannten Modes, hinterlegt sind und über einen Auswahlschalter abgerufen werden können. Auf diese Weise ist der DMH ohne speziellen Programmieraufwand universell einsetzbar.
Arbeitsweise
Der DMH besteht neben seinen Logikkomponenten aus einem Lichtsender und dem im gleichen Gehäuse untergebrachten Empfänger-Array. Hierbei handelt es sich um ein zweidimensionales Empfangsfeld, das aus 32 x 32 einzelnen Empfangselementen besteht. Der Sender arbeitet mit Laserlicht der Schutzklasse 2 und legt eine Lichtlinie unter einem definierten Winkel über das Tastobjekt. Trifft die Lichtlinie auf die Objektoberfläche, so wird sie entsprechend dem Profil verändert. Durch den fest eingestellten Winkel zwischen Sende- und Empfangsachse wird die auf ein Objekt treffende Lichtlinie auf dem Empfänger-Array als eine Kontur abgebildet, die dem Höhenprofil des Objekts entspricht. Das Gerät vergleicht den Verlauf der Kontur mit den zuvor gespeicherten Referenzwerten, gibt je nach Mode die Werte über einen 4 … 20 mA- Analogausgang an die Anlagensteuerung aus und löst bei n. i. O. ein entsprechendes Schaltsignal aus.
Die Programmierung der Höheninformationen erfolgt im sogenannten Teach-In-Verfahren. Ein Referenzobjekt wird unter der Lichtlinie des DMH positioniert und der Einlernvorgang per Knopfdruck am Gerät oder über die External Teach–Eingabeleitung durch den Eingabeimpuls z. B. einer SPS ausgelöst. Während des Teachvorgangs wird die auf dem Photoarray des Empfängers vorliegende Lichtverteilung ausgewertet und unter Berücksichtigung der gewählten Toleranzstellung im E²PROM abgelegt. Eine gelbe LED als Funktionsanzeige signalisiert den erfolgreich durchgeführten Teachvorgang. Danach wird der Programmwahlschalter am DMH auf die Position RUN oder RUN DELAY gestellt – der Lichtschnittsensor ist betriebsbereit.
Das Verfahren der Auswertung von Höheninformationen hat für den Anwender gegenüber der Kontrastauswertung einen entscheidenden Vorteil: die Qualität der Auswertung wird nicht mehr von problematischen Material-oberflächen und –strukturen beeinflusst. Dadurch steigt die Zuverlässigkeit der Prüfung.
Ohne Zusatzbeleuchtung und Sondersoftware
Da der DMH sein Licht ”selbst” erzeugt, ist weder eine separate Beleuchtungseinheit noch eine Kompensation für eine im Zeitverlauf einsetzende Lampendrift erforderlich. Die durch die eigene Lichtquelle gegebene, hohe Fremdlichtunempfindlichkeit des Gerätes bedeutet, dass am Ort der Detektion nicht mehr unter teilweise hohem Aufwand für stabile Lichtverhältnisse gesorgt werden muss. Der DMH ist in einem kompakten Metallgehäuse in Schutzart IP67 untergebracht und bietet hinsichtlich seiner einfachen Montier- und Bedienbarkeit die Funktionalität einer Standardlichtschranke.
Zusätzliche Hardware-Komponenten, z. B. ein Rechner zur Auswertung der erkannten Profillinien, sind nicht erforderlich. Aufwendige Aufbauten zur Realisierung eines Triangulationsverfahrens entfallen ebenso wie anwendungs-spezifische Programmierung und Anpassung einer Software bei Änderungen der jeweiligen Geometrie einer Aufgabenstellung.
Die im Vergleich zu Kameralösungen deutlich geringere Anzahl auszuwertender Empfangselemente ermöglicht eine schnelle Verarbeitung und Auswertung des Profilverlaufs und damit den Einsatz des DMH in schnell laufenden Prozessen und Anlagen.
Um den Lichtschnittsensor für vielfältige Applikationen einsetzbar zu machen, wurden bisher fünf verschiedene, häufig anzutreffende Aufgabenstellungen als Softwareprogramme in das Gerät integriert.
Die Modes
– Auswertung eines Anfangs- und Endbereichs,
– Höhensprungauswertung,
– Profilerkennung,
– Füllstandsmessung und
– Kantenregelung
werden über den Mode-Auswahlschalter am Gerät eingestellt. Je nach Aufgabenstellung handelt es sich bei den Messungen um Absolut- oder Differenzmessungen. Die Vorzugsrichtung des Objekts für das Auswerten von Höheninformationen kann quer oder parallel zur Lichtlinie verlaufen. Alle Modes, in denen dies sinnvoll ist, bieten die Möglichkeit, die Sensordaten über eine Analogschnittstelle auszugeben. In der Betriebsart 4 ist nicht nur eine Füllstandsregelung, sondern es sind auch andere verknüpfte Zweipunktregelungen, sogenannte Min-Max-Regelungen, möglich.
Brita Wasserfilter überwacht exakte Granulatbefüllung
Der Herstellungsprozess der Kartuschen für die Brita-Wasserfilter ist weitgehend automatisiert. Ein Arbeitsschritt ist die maschinelle Befüllung der Wasserreinigungskartuschen mit Enthärtungsgranulat. Dieses wird von einer Dosiereinheit in einen Becher gegeben und bildet dort einen Schüttgutkegel mit zufälliger Kontur, wodurch punktuelle Messverfahren zur Füllstandsermittlung zwangsläufig ebenso zufällig sind. Statt einer zufallsbehafteten Höhendetektion erfasst der DMH mittels seiner Lichtlinie das gesamte Granulaltprofil. Der Sensor legt per Laser eine Lichtlinie über die gesamte Breite des Messfeldes und wertet die vom Granulat empfangene Remission auf seinem Empfänger-Array aus. Die Minimal- und Maximalwerte werden durch Einlernen der entsprechenden Referenzwerte per Tastendruck vorgegeben. Mit der millimetergenauen Auflösung ist es nun zuverlässig möglich, die nur drei Millimeter auseinanderliegenden Grenzwerte für Über-oder Unterfüllung sicher zu erkennen und den Füllvorgang entsprechend zu steuern. Der Erfolg: weniger Ausschuss in der Produktion und Wasser so weich wie gewünscht.
Durch das Lichtschnittverfahren des DMH können multifunktionale, berührungslos arbeitende Prüfsysteme für die 100%-Überwachung von Objekten realisiert werden, die vielfach – wie bei Brita geschehen – die automatisierte Kontrolle eines Produktionsschrittes überhaupt erst ermöglichen.
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