Mit Hilfe von Laser-Triangulationssensoren lassen sich Größen wie Weg, Abstand und Position berührungslos und verschleißfrei messen. Auf die Frage, wie man mehrere Sensoren in der Fabrik miteinander vernetzen kann, lautet die Antwort IO-Link Interface.

Micro-Epsilon bietet ein breites Portfolio an Lasertriangulationssensoren an und setzt dabei Maßstäbe bei Genauigkeit und Präzision. Sensoren von Micro-Epsilon kombinieren eine kompakte Bauweise mit einem integrierten Controller und dem Bedienen per Webinterface miteinander. Eine hochpräzise Messung gelingt mittels kleinem Lichtfleck auf dem Messobjekt. Derzeit umfasst das Produktportfolio von Micro-Epsilon die Familien OptoNCDT 1220, 1320, 1420, 1900 und 2300, die auf Basis verschiedener Technologien wie Blue Laser, Laser Line sowie Long Range Laser erhältlich sind. Lasertriangulationssensoren – meist als Lasersensoren bezeichnet – kommen bevorzugt für das Messen mit hoher Genauigkeit und Auflösung zum Einsatz. Das Messprinzip der Lasertriangulation basiert auf einer einfachen geometrischen Beziehung. Eine Laserdiode sendet einen Laserstrahl aus, der auf das Messobjekt gerichtet ist. Eine Optik auf einem Empfangselement nimmt die reflektierte Strahlung auf. Der Abstand zum Messobjekt lässt sich demnach über die Dreiecksbeziehung von der Laserdiode, dem Messpunkt auf dem Objekt und dem Abbild auf dem Empfangselement bestimmen. Je nach Objektoberfläche ist die reflektierte Strahlung intensiver oder weniger intensiv.
Das optische Prinzip erlaubt je nach Bauart Messabstände von einigen Millimetern bis über einen Meter. Laseroptische Wegsensoren messen aus verhältnismäßig großem Abstand zum Objekt und mit einem sehr kleinen Lichtfleck, der Messungen von sehr kleinen Teilen erlaubt. Der Abstand zum Messobjekt lässt ebenso Messungen gegen kritische Oberflächen zu, beispielsweise bei sehr heißen Oberflächen.

Sensoren mit IO-Link Interface

Sensoren der OptoNCDT-Reihe sind mit verschiedenen Schnittstellen, darunter RS422 sowie Ethercat, Profinet und EthernetIP über ein externes Schnittstellenmodul, ausgestattet. Ab sofort verfügt die Modellreihe OptoNCDT 1220 zudem über ein IO-Link Interface. Sensoren der Reihe OptoNCDT 1220 bieten laut Hersteller ein ausgewogenes Preis-Leistungs-Verhältnis bei gleichzeitig hoher Messgenauigkeit. Die Lasersensoren sind besonders für Weg-, Abstands- und Positionsmessungen bei OEM- und Serienapplikationen in der Automatisierungstechnik prädestiniert. Sie liefern präzise Messergebnisse mit einer Messrate bis 2 kHz. Aufgrund der Active Surface Compensation (ASC) wird das Abstandssignal, unabhängig von Farbe und Helligkeit des Messobjekts, stabil ausgeregelt. Der IO-Link-Kommunikationsstandard vereinfacht die Datenkommunikation und verkürzt die Inbetriebnahme des Sensors.

IO-Link?

IO-Link ist eine feldbusunabhängige Schnittstelle, die eine herstellerunabhängige, digitale und bidirektionale Punkt-zu-Punkt-Kommunikation ermöglicht. IO-Link-Geräte lassen sich über 3-Leiter-Steckleitungen mit dem IO-Link-Master verbinden und in alle gängigen Feldbus- und Automatisierungssysteme integrieren. Um Daten aus der IO-Link-Ebene in überlagerten Systemen oder cloudbasierten Diensten nutzbar zu machen, werden IO-Link Master genutzt, welche eine Protokollumsetzung nach vordefinierten Regeln vornehmen. Anwender profitieren hierbei von geringen Kosten aufgrund einer einfachen Installation, einem geringen Programmieraufwand durch vordefinierte Funktionsbausteine sowie einer schnellen Inbetriebnahme. Zudem lässt sich die Fehlersuche mit durchgängigen Diagnoseinformationen bis in die Sensorebene vereinfachen.
IO-Link-Geräte können jederzeit Auskunft über den Gerätezustand geben. Eine Fehlermeldung gibt Hinweise auf die Fehlerursache. Hierdurch können Nutzer den Fehler in der Anlage schneller eingrenzen beziehungsweise die Einstellung des Sensors für das vorliegende Messobjekt optimieren

Aus der Praxis: Vermessung von Brettkonturen  

Ein Anwendungsbeispiel für Micro-Epsilon-Sensoren mit schneller und hoher Präzision auf kleinem Raum ist das Vermessen von Brettkonturen. In einem Sägewerk wird zunächst der von der Borke befreite Baumstamm mit einer Gatter-, Kreis- oder Bandsäge in Bretter zerteilt. Diese Bretter haben an den Schmalseiten noch eine sogenannte Waldkante – die ursprüngliche Oberfläche des runden Baumstamms. In der nachfolgenden Besäumanlage sollen die Waldkanten entfernt werden. Je nach Lage des Bretts innerhalb des ursprünglichen Baumstamms ist die Waldkante flacher oder steiler und das Brett an sich breiter oder schmäler. Möchte man beim Besäumen eine möglichst große Ausbeute erzielen, ist die Breite der Waldkante zu bestimmen, damit sich diese in der passenden Breite absägen lässt. Sägt man zu viel ab, wird wertvolles Material verschenkt, fällt der Beschnitt dagegen zu klein aus, sind noch Reste der Waldkante am fertigen Brett vorhanden.
Zur Lösung dieser Aufgabe setzen Sägewerksbetreiber die Lasersensoren OptoNCDT 1220 mit IO-Link von Micro-Epsilon ein – vor allem, wenn das Holz nass ist und glänzt. Hiermit haben herkömmliche optische Sensoren ihre Schwierigkeiten. Die Bretter laufen quer in die Besäumanlage ein und werden dabei vermessen. Alle 30 bis 50 cm ist ein Sensor vom Typ optoNCDT 1220 mit 200 mm Messbereich montiert, der das Profil des Bretts im Querdurchlauf vermisst. Standardmäßig erfolgt die Messung von oben. Optional kann die Besäumanlage auch mit optischen Sensoren auf der Ober- und der Unterseite ausgestattet werden. Die Lage der Bretter – Waldkante oben oder unten – ist dadurch beliebig möglich. Aufgrund des fortschrittlichen IO-Link Interfaces können Sägewerksbetreiber zudem mehrere Sensoren miteinander vernetzen und hiermit eine vorbeugende Instandhaltung betreiben.

Oberflächenreflexionen gezielt ausregeln

Im konkreten Anwendungsfall sorgt die Active Surface Compensation für ein schnelles Ausregeln von unterschiedlichen Reflexionen und erlaubt einen glatten Verlauf des Abstandssignals. Durch den Sägeschnitt und die sogenannte Waldkante entstehen permanent wechselnde Oberflächen, von glänzend über matt bis hin zu teils spiegelnd, von hell zu dunkel. Hierbei stellt die ASC sicher, dass sich die Belichtungszeit an die Bedingungen anpasst.
Zum Ermitteln der Messwerte bildet der Lasersensor einen roten Laserpunkt mit einer Wellenlänge von 670 nm auf dem Target ab. Das Laserlicht wird in einem bestimmten Reflexionswinkel zurückgeworfen und im Sensor über eine Optik auf einer CMOS-Zeile abgebildet. Beim schnellen Wechsel von einem hellen auf ein dunkles Objekt käme ohne die ASC zunächst zu wenig Licht auf der Empfangsmatrix an. Beim schnellen Wechsel von dunkler Oberfläche zu glänzenden Objekten wäre die Intensität dagegen anfangs viel zu hoch. In beiden Fällen wäre das Ergebnis ungenau oder sogar unbrauchbar. Aus diesem Grund regelt der Micro-Epsilon-Sensor über die ASC die Belichtungszeit und hiermit die Intensität des gesendeten Lichts während der Messaufgabe so aus, dass die Reflexion auf der CMOS-Zeile im Idealbereich liegt. Anschließend berechnet der Sensor die mikrometergenauen Abstandswerte. Die ermittelten Werte lassen sich als analoge oder digitale Ausgangssignale in die Anlagen- und Maschinensteuerung einspeisen.

Einbindung in Maschinen und Anlagen

Der Einsatz von modernen Sensoren – wie den Lasertriangulationssensoren von Micro-Epsilon – steigert die Qualität und verringert den Ausschuss – Unternehmen sparen sich hiermit Produktionskosten. Die kleine Bauform und der integrierte Controller ermöglichen eine einfache Einbindung in Maschinen und Anlagen, auch bei geringem Bauraum. Hinzu kommt das IO-Link Interface, mit dem sich die Sensoren in die Feldebene einbinden lassen. a

Autor
Erich Winkler, Produktmanagement Lasertriangulationssensoren

Im Gespräch: Erich Winkler, Produktmanagement Lasertriangulationssensoren bei Micro-Epsilon

Herr Winkler, die Lasersensoren OptoNCDT 1220 von Micro-Epsilon sind ab sofort mit IO-Link-Schnittstelle verfügbar. Warum hat man sich für diesen Kommunikationsstandard entschieden?

Erich Winkler: IO-Link-Sensoren können aufgrund der verwendeten Komponenten sehr kompakt gebaut werden. Die IO-Link-Schnittstelle besteht letztendlich nur aus einem umschaltbaren digitalen Ein- und Ausgang. Das macht IO-Link für einen kompakten Sensor wie dem Micro-Epsilon ILD1220 so attraktiv.

Können Sie drei Vorteile nennen, von denen Anwender beim Verwenden von IO-Link profitieren?

Erich Winkler: Zum einen sind 

das niedrigere Kosten, da die Kommunikationsschnittstelle im Vergleich zu Industrial Ethernet sehr günstig ist. Des Weiteren können ungeschirmte Leitungen verwendet werden, die günstiger sind und eine höhere Lebensdauer beim Einsatz in Schleppketten oder am Roboter haben. Außerdem kann IO-Link-Master dezentral in der Maschine installiert werden und kommuniziert mit dem Steuerungssystem.