Optoelektronische Sensoren spielen in der Automatisierungstechnik eine zentrale Rolle. Die Bauteile arbeiten berührungslos, sind stoß- und vibrationsfest und eignen sich für den Nah- und Fernbereich.
Dietrich Homburg und Andreas Zeiff sind Fachjournalisten in Stutensee
Die Optoelektronik hat ein breites Feld an Sensortechniken hervorgebracht, die für unterschiedlichste Einsatzbereiche genaue Messdaten sicherstellen. Oft überschneiden sich die Möglichkeiten der verschiedenen Sensorarten und -ausführungen. Für den Anwender ist es dabei keine leichte Aufgabe, immer die richtige Lösung für sein spezielles Problem zu finden. Im Wesentlichen lässt sich die Optosensorik in drei Bereiche einteilen.
– Bildverarbeitungs-Systeme
Ein zentraler Einsatzbereich für optoelektronische Sensoren sind komplexe Überwachungsaufgaben. Punktuell arbeitende Lichtschranken sind an dieser Stelle überfordert. Nur über den aufwendigen Einsatz mehrerer Lichtschranken ließen sich solche Probleme lösen. Wirtschaftlicher ist hier der Einsatz von optischen CCD-Sensoren, die eine Fläche abtasten – etwa bei der Qualitätssicherung von kompletten Bauteilen.
Damit das System auch im industriellen Umfeld zuverlässig funktioniert, hat die Eltrotec GmbH, Adelberg, die Kamera „Checker“ in ein robustes, wasserdichtes Gehäuse eingebaut. Über einstellbare Objektive ist die Bildfläche exakt justierbar. Eine Objektivverriegelung sorgt auch bei Vibrationen für gleichbleibende Bildschärfe. Im Betrieb prüft der Sensorrechner eigenständig alle vorab eingestellten Parameter. Die daraus resultierenden Prüfergebnisse (gut/schlecht) werden über die digitalen Ausgänge weitergeleitet. Im Fall einer Funktionsstörung, beispielsweise wenn die Beleuchtungseinheit verschmutzt ist, warnt der Alarmausgang. Auf diese Weise ist ein unabhängiger Betrieb ohne zusätzlichen Rechner oder Bildverarbeitungs-Platine möglich.
Dank einfacher Einlernfunktionen ist das System schnell einsatzbereit. Analog zur Teach-in-Taste bei Punkt-Sensoren instruiert der Benutzer die Flächensensoren mit der Maus. Die Software läuft unter Windows und setzt keine speziellen Kenntnisse im Bereich Bildverarbeitung voraus. Nach sechs Schritten ist der Sensor per Software eingelernt.
Matte oder spiegelnde Flächen, aber auch geringe Kontrastunterschiede, müssen mit Hilfe einer zugeschnittenen Beleuchtung ausgeglichen werden. Nur mit dem richtigen Licht kann das System bis zu 3000 Teile in der Minute sicher überprüfen und vermessen. Die Beleuchtungszeiten betragen bei diesem Tempo lediglich 0,03 ms. Füllstandskontrollen von Flaschen mit gleichzeitiger Kontrolle der Etiketten und Verschlusskappen sind ebenso realisierbar wie eine komplexe Bauteilkontrolle oder Positionieraufgaben. Das Checker-System wird derzeit zu einer Farbkamera-Version weiterentwickelt, die neben Formen und Schattierungen auch Farben auswerten kann.
Ab einer gewissen Komplexität in der prüftechnischen Anwendung muss ein Bildverarbeitungs-System zum Einsatz kommen. Der aufwendige Einsatz mehrerer Lichtschranken würde sich nicht mehr rechnen. Es gilt in diesem Fall aber auch der Umkehrschluss: Für relativ einfache Prüfaufgaben ist die Lichtschranke oft die bessere Lösung: Sie ist einfach installiert, preisgünstig und findet auch in engen Maschinen und Anlagen Platz.
Es wäre falsch, auch bei einfachen Prüfungen gleich ein Vision-System einzusetzen. Dadurch wird das Messergebnis nicht besser. Bei simplen Problemstellungen ist das Bildverarbeitungs-System nicht besser als die einfachste Lichschranke.
Leider wird die Beleuchtungstechnik von vielen Bildverarbeitern unterschätzt oder völlig zur Seite geschoben. Dabei steht und fällt das Vision-System mit der Beleuchtung. Diesem Teilaspekt des gesamten System sollte mindestens ebenso viel Bedeutung zugemessen werden wie der Kamera oder dem Rechner (siehe Kasten).
– Farbsensoren
Moderne Farbsensoren können, ähnlich wie Lichtschranken, nur punktuell messen. Dies ist aber für viele Bereiche in der Automatisierung ausreichend. Sensoren für schnelle Online-Messungen arbeiten nicht mit der absoluten Farbmessung, die langsam und obendrein auch noch teuer ist, sondern verwenden das so genannte Dreibereichsverfahren. Dabei unterscheidet man zwischen dem Passiv- und dem Aktiv-Verfahren.
Im Passiv-Verfahren wird das Prüfobjekt im Auf- oder Durchlicht mit Weißlicht bestrahlt. Das reflektierte oder durchscheinende Licht trennt der Empfänger über einen Filter in die Spektralbereiche Rot, Grün und Blau auf. Die jeweiligen Farbwert- und Intensitätsanteile der Einzelfarben werden anschließend mit den Referenzdaten verglichen und ausgewertet.
Leuchtdioden können das Objekt auch direkt mit Rot-, Grün- oder Blaulicht bestrahlen. Bei diesem Aktiv-Verfahren wird die rückgestrahlte Intensität der Farben im Empfänger ausgewertet. Leuchtdioden bieten zwar große Wartungsintervalle und eine lange Lebensdauer. Die Farbkonstanz ist jedoch nicht so hoch wie bei der Halogenbeleuchtung im Passiv-Verfahren. Der Anwender muss das System daher immer wieder neu einlernen, obwohl sich die zu prüfende Farbe nicht geändert hat.
Der Adelberger Hersteller hat mehrere Farbsensoren im Sortiment. Bei beengten Platzverhältnissen – wie beispielsweise bei der Online-Qualitätssicherung – lassen sich Sensoren mit flexibler Glasfaseroptik und ein oder vier Farbspeichern einsetzen. Bei einer Schaltfrequenz von 1000 Hz werden Farben und Intensitäten in 7 bis 8 Bit aufgelöst. Der Sensor wird dabei mit Referenzfarben eingelernt. Da die Halogenlampen eine hohe Farbkonstanz besitzen, gibt es weniger Farbverschiebungen. Dies wiederum hat zur Folge, dass der Anwender das System nicht nachlernen muss.
– Lichtschranken
In vielen Anwendungen sind Lichtschranken nach wie vor die beste Lösung. Denn diese Technik bietet eine geringe Baugröße und lässt sich auch bei beengten Verhältnissen in die Fertigung integrieren. Lichtschranken eignen sich für Positionskontrollen in Zuführsystemen oder für die Verpackungstechnik. Aber auch in der Förder- und Robotertechnik sind die Systeme anzutreffen. So genannte Gabellichtschranken erkennen Markierungen und Risse. Weitere Anwendungsfelder sind die Vorschubkontrolle und die Feinpositionierung.
Bildverarbeitungs-Systeme: Ohne die richtige Beleuchtung läuft nichts
Seine volle Leistungsfähigkeit kann ein Sensor nur ausspielen, wenn das Zubehör stimmt. Gerade bei Farbsensoren oder Druckmarkenleser ist die Art der Beleuchtung ausschlaggebend. Matte, stumpfe Oberflächen erfordern andere Beleuchtungslösungen als Hochglanzoberflächen und stark reflektierende oder durchscheinende Objekte. Der Einsatz einer Halogenbeleuchtung bringt eine große Lichtstärke bei eingeschränkter Lebensdauer. Zudem bietet diese Lösung eine hohe Farbkonstanz sowie eine hohe Auflösung von Farbnuancen. Der Sensor muss auch bei anspruchsvollen Aufgaben nur selten nachgelernt werden. LED-Beleuchtung hingegen garantiert eine längere Lebensdauer und geringeren Energieverbrauch. Allerdings ist die Farbkonstanz durch Alterungserscheinungen eingeschränkt. Leuchtdioden eignen sich daher eher für Standardaufgaben.
Für die richtige Wahl der Lichtquelle ist auch ihre Form und Ausführung wichtig. Bei spiegelnden oder transparenten Flächen kann polarisiertes Licht unerwünschte Effekte eliminieren. Andere Anwendungen liefern mit Ringleuchten, Flächenbeleuchtung oder Lichtzufuhr über Glasfaser zufriedenstellende Ergebnisse. Ein und derselbe Sensor kann je nach Beleuchtungsauslegung für verschiedene Aufgaben herangezogen werden.
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