3D-Sensor 3D-Sensoren sind wirtschaftlich und erhöhen Detektionssicherheit

Autor / Redakteur: Reinhold Schäfer / Dipl.-Ing. (FH) Reinhold Schäfer

Die Messtechnik rückt immer weiter nach vorn in der Produktionsreihenfolge. Möglich wurde dies auch durch die Weiterentwicklung in der Sensortechnik. Ein Beispiel dafür sind 3D-Sensoren, die bei der Objekterkennung sowie bei der Breiten-, Höhen- und Positionsbestimmung verwendet werden.

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Bild 1: Die 3D-Sensorik gewinnt in der Automatisierungstechnik ständig an Bedeutung. Im Bild unterstützt der Sensor die Greifersteuerung eines Roboterarms.
Bild 1: Die 3D-Sensorik gewinnt in der Automatisierungstechnik ständig an Bedeutung. Im Bild unterstützt der Sensor die Greifersteuerung eines Roboterarms.
(Bild: Leuze Electronic)

Die 3D-Sensorik gewinnt in der Automatisierungstechnik ständig an Bedeutung (Bild 1). Sie rückt von der Hochpreisnische in den praktisch nutzbaren Bereich. „Bisher haben wir in der Optosensorik von messenden und auch schaltenden Systemen gesprochen, die mit ihrem Lichtstrahl die Entfernung oder das Vorhandensein eines Objektes feststellen können. Diese sogenannten einstrahligen Systeme enthalten in der Regel alle energetisch oder geometrisch nutzbare Abstandsinformationen“, erläutert Ulrich Balbach, Geschäftsführer bei der Leuze Electronic GmbH + Co. KG in Owen.

Vom zweidimensionalen System zur Tiefeninformation

Daneben gebe es flächenbeleuchtete, kamerabasierte Systeme, die zweidimensional in der Ebene, meist hoch aufgelöst, Flächenelemente – Bildpunkte oder Pixel – bezüglich ihrer Hell-Dunkel-Verteilung bewerten. Kombiniere man nun die Abstandsinformation der einstrahligen Systeme und deren hohen Energieeintrag ihrer Beleuchtung mit der flächigen Auswertung eines Kamerachips, erhalte man zusätzlich eine Tiefeninformation – die sogenannte dritte Dimension. „Man bekommt so entlang einer Laserlinie pro Bildpunkt nicht nur den Ort im X/Y-Koordinatensystem und den Helligkeitswert, sondern zusätzlich auch noch den Abstandswert in der Z-Koordinate“, so Balbach.

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Vorteil dieser Technik im Vergleich zu bisher üblichen sei, dass die zusätzliche Abstandsinformation die Anwender deutlich unabhängiger von Helligkeits- oder Farbunterschieden auf dem Objekt mache. Eine Körperkante beispielsweise könne auf diese Weise sicher von einem Hell-Dunkel-Übergang in der Szenerie unterschieden werden. Das bringe Detektionssicherheit. Außerdem sei der Energieeintrag unter Berücksichtigung der Augensicherheit bei der verwendeten, strukturierten Beleuchtung um den Faktor 1000 höher.

Bisher scheiterte der Einsatz von 3D-Sensoren am hohen Preis

„Eine größere Verbreitung im Markt scheiterte bislang hauptsächlich an dem hohen Preis von 3D-Sensoren sowie an der äußerst aufwendigen Weiterverarbeitung der 3D-Punktewolke“, erklärt Balbach. „Hinzu kam, dass die bis dato erhältlichen Sensoren aufgrund ihrer Baugröße schwer integrierbar waren und ihre dauerhafte Verfügbarkeit nicht sichergestellt war.“

Inzwischen gebe es äußerst kompakte Sensoren, welche die Datenvorverarbeitung bereits im Gerät enthalten. Außerdem komme das Preis-Leistungs-Verhältnis in einen Korridor, der das Verfahren in dem Serienmaschinengeschäft einsetzbar mache. Diese Sachverhalte brächten die 3D-Sensorik auf den Vormarsch.

Auch sei es so, dass in vielen Anwendungen die einfache, punktförmige Information längst nicht mehr ausreiche. Beispielsweise erfordere die Ermittlung einer Pickposition für den Robotergreifer eine 3D-Koordinate im Raum. Oder wolle man das Volumen eines Gegenstandes feststellen, benötige man eben neben der Länge und Breite auch noch die Höhe. Aber die 3D-Sensorik eröffnet innerhalb der Automatisierungstechnik auch neue Anwendungsfelder. Überall da, wo punktförmig oder zweidimensional arbeitende Systeme nicht zum Ziel führen, könne man 3D-Sensoren einsetzen.

Linienprofilsensoren eignen sich für die Vermessung von Kleinteilen

Die Linienprofilsensoren von Leuze Electronic arbeiten nicht über einzelne Lichtspots, sondern projizieren einen divergenten Lichtstrahl mittels einer Laser-Linienbeleuchtung (Bild 2). Laser und Empfänger sind gemeinsam in einer nach Aussage des Herstellers kompakten, leicht zu installierenden Einheit untergebracht. Die Lichtschnittsensoren LPS 36 (Bild 3) bieten eine Auflösung bis 0,1 mm – sie eignen sich damit für die Vermessung von Kleinteilen. Bei Höhenabständen von 200 bis 600 mm dient der Linienprofilsensor LPS 36 HI/EN zur Objekterkennung von Teilen, die selbst kleiner als 3 mm sind. Auf einer Linienlänge von 140 mm kann der Sensor aufgrund seiner Auflösung von 0,1 bis 0,9 mm in einer Messzeit von 10 ms mit einer Messrate von 100 Hz die Abmessungen von Kleinteilen schnell und genau erfassen.

Die Übertragung der Messdaten und die Parametrierung des Sensors erfolgt über das Ethernet. Ein zusätzlicher Anschluss für Standardinkrementalencoder unterstützt die Erzeugung von kalibrierten 3D-Daten. Damit seien beispielsweise Robotersteuerungen bei Pick-and-place-Anwendungen wie auch Positionierungsaufgaben im Verpackungs- und Montagebereich hervorragend lösbar. Wo bisher aufwendige Sensorlösungen, Sensorkombinationen oder zusätzliche Auswertegeräte notwendig waren, sollen die Lichtschnittsensoren LPS 36 HI/EN mit ihrer guten Auflösung sogar Applikationsfelder erschließen, die früher den Kamerasystemen vorbehalten waren – bei, wie es heißt, niedrigeren Investitionen und in einer äußerst kompakten Bauform, denn Sender und Empfänger seien in einer leicht zu installierenden Einheit untergebracht.

Line-Range-Sensoren können per Display eingelernt werden

Neben den messenden Varianten an Line-Profil-Sensoren (LPS), die Objektprofile vermessen oder 3D-Informationen liefern, ermöglichen schaltende Line-Range-Sensoren (LRS) völlig neue Funktionen.

Den schaltenden Lichtschnittsensor LRS 36 kann man nun mit einer neuen Teach-Funktion direkt am Gerät einlernen. Die drei Standardanwendungen des LRS 36 Teach als Flächentaster, als Flächentaster mit Hintergrundausblendung und als mehrspuriges Vollständigkeitskontrollgerät (Track Scan) können nun über das Bedienfeld und die Menüführung direkt im Gerätedisplay eingelernt und parametriert werden.

Ein Flächentaster erkennt innerhalb seines Erfassungsbereichs Objekte an beliebiger Position, zum Beispiel auf einer Förderstrecke. Die zu detektierende Objektgröße könne in drei Stufen voreingestellt werden (fein, mittel, grob). Mit der neuen Teach-Funktion entfalle die ansonsten übliche aufwendige Inbetriebnahme und Parametrierung über den PC. Gleichwohl könne die Konfiguration, die per Teachen am Gerät festgelegt wurde, von der Software LRS-Soft eingelesen und detailliert weiterbearbeitet werden.

In der Fertigung helfen 3D-Sensoren, Energie einzusparen

LRS werden beispielsweise bei Hiller in Monheim eingesetzt. „Verglichen mit einem schaltenden Lichtgitter haben die LRS keine separaten Sender- und Empfängerkomponenten, was uns die Installation im Kühltisch recht einfach ermöglicht“, erzählt Hans-Joachim Hopf von der APT Hiller GmbH. Er kommt damit auf die besonderen Umstände bei der Herstellung von Aluminium-Strangpressprofilen zu sprechen. Denn die APT Hiller Group, zu der das Monheimer Werk gehört, stellt Aluminiumhalbzeuge für die wichtigsten Märkte in Europa her.

In Ausziehlängen bis 60 m werden die Profile über riesige Querförderer mit Transportbändern zum Kaltsäge-Rollgang befördert.

Die Querförderer dienen gleichzeitig als Kühltische, auf denen die rund 500 °C heißen Profile aus der Presse auf 30 bis 40 °C herunterkühlen. Ventilatoren, die von unten Luft durch die Förderbänder blasen, beschleunigen diesen Vorgang (Bild 4). Der Kühltisch ist mit vier Lüfterreihen à 45 Lüftern ausgerüstet. Jeder Lüfter hat einen Durchmesser von 500 mm. „Zusammen ergibt sich daraus eine Anschlussleistung von rund 80 kW, die prozessbedingt von Sonntagabend bis Samstag nach der letzten Schicht durchläuft“, berichtet Hans-Joachim Hopf.

3D-Sensoren steuern Lüfterreihen nach Bedarf

Weil aber durch die flexible Produktion unterschiedlicher Profile der Kühltisch nicht immer gleichmäßig gefüllt ist, hat Hans-Joachim Hopf eine Lösung gesucht, um die Lüfterreihen nach Bedarf zu steuern: also um diejenigen Lüfter abzuschalten, über denen sich momentan keine Profile befinden. Was der Hiller-Mitarbeiter Hopf brauchte, war eine Sensorlösung, die das Vorhandensein von Profilen erkennt und zwar unabhängig von deren Stärke, Form, Lage und Position. Außerdem wollte er eine Lösung, die keine gegenüberliegende Installation erfordert, wie beispielsweise Reflektoren oder Empfänger.

Ein mechanischer Aufbau über dem Kühltisch kam für Hans-Joachim Hopf aus Kostengründen und letztlich auch, um eine Anordnung der Sensoren im heißen Luftstrom zu vermeiden, nicht infrage. Obwohl bei der Montage von Sensoren unter den Förderbändern die Gefahr besteht, dass diese durch mögliche Verschmutzung der Optik in ihrer Funktion beeinträchtigt werden könnten, war die Lösung unterhalb der Förderbänder priorisiert.

Die besonders kompakte Bauform der LRS-36-Geräte hat die Unterbringung zwischen den Lüftern erleichtert (Bild 5). Außerdem ist ausreichend Abstand zur Förderebene gegeben, sodass die Aufweitung des Lichtstrahls letztlich bis auf die Transporthöhe der Profile einen ausreichend breiten Erfassungsbereich ergibt, der die Spurbreite der Lüfter von 500 mm überdeckt.

Energieverbrauch sinkt durch Line-Range-Sensoren

Weil die Line-Range-Sensoren vorhandene Profile unabhängig von ihrer Lage über den gesamten Erfassungsbereich erkennen, genügt zunächst ein einzelner Sensor pro Lüfterreihe. Die Profile werden jedoch in unterschiedlicher Länge mit mindestens 20 m hergestellt und je nach Profiltyp können durch die normale Wärmeausdehnung Bögen entstehen oder auch Profile schräg liegen.

Deshalb hat man im Abstand von 18 m eine zweite Reihe an Lichtschnittsensoren installiert. Damit sei sichergestellt, dass Profile auch im ungünstigsten Fall von mindestens einem Sensor erfasst werden.

Sobald beide Sensoren kein Profil detektieren, wird die Lüfterreihe mit einer kurzen Zeitverzögerung abgeschaltet. „Mit dieser Energiesparmaßnahme reduzieren wir die Betriebsdauer der Lüfter um etwa 25 %. Was das monetär bei einer Leistung von 80 kW bedeutet, lässt sich leicht nachrechnen“, freut sich Hiller-Mann Hans-Joachim Hopf.

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