Infrarot-Sensoren übertragen Daten auf dem eigenen Strahl

29.09.2006Redakteur: MM

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Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

Treston Deutschland GmbH

Renishaw GmbH

Die Infrarot-Technik ermöglicht es, mit ein- und demselben Sensor Geschwindigkeit, Beschleunigung, Entfernung sowie Reflektanz zu messen. Diese Informationen lassen sich über den Sensormessstrahl auf einen Datenempfänger übertragen. Weil die Übertragung über das Infrarot-Licht erfolgt, ist sie außerdem gegenüber elektromagnetischen Störungen unempfindlich. Ein Empfangsgerät decodiert die Modulation auf dem Messstrahl und gibt die Daten auf den Schnittstellen aus.Um wettbewerbsfähig zu bleiben, müssen Unternehmen ständig wachsende Anforderungen erfüllen - in vielen Branchen kommt es auf Positionierung, Oberflächeninspektion, Quality Vision, Produktidentifikation, Montagekontrolle und Kollisionsschutz an. Schnelle, robuste Bildverarbeitungssysteme sind die Voraussetzung dafür. Ein wichtiges Element bei Bildverarbeitungssystemen sind die Sensoren. Ein Sensor ist - laut Brockhaus - ,,ein Funktions- oder Bauelement, das mittels physikalischer oder chemischer Effekte zur Erfassung von physikalischen, chemischen oder elektrochemischen Größen und deren Umwandlung in elektronische Signale dient". Im Klartext bildet also ein Sensor eine Schnittstelle zwischen der realen Welt, die den Roboter umgibt, und dem Signal verarbeitenden System des Roboters. Oft dient die Natur bei der Entwicklung von Sensoren als Vorbild: Augen werden zu Kameras, Haut zu Drucksensoren und von der Fledermaus kommt der Radar. In einigen Bereichen, zum Beispiel bei der Temperaturmessung, wird das Vorbild Natur sogar weit übertroffen.Wir alle wissen die Existenz dieser meist unsichtbaren Sensoren zu schätzen, beispielsweise im Verkehr. Sensoren stellen fest, wie viele Fahrzeuge sich wie schnell auf einer Straße bewegen und helfen so mit, den Verkehrsfluss zu verbessern. Oder bei Airbags - kein Airbag funktioniert ohne entsprechende Sensoren.In einigen Branchen wird verstärkt mit Infrarot-Sensoren gearbeitet, zum Beispiel in der Holz-, der Automobil-, der Nahrungsmittel-, der Keramik- und der Metallindustrie. Bei dieser Sensorik wird - im Gegensatz zum Ultraschall der Fledermaus - infrarotes Licht eingesetzt. Das ist weniger störanfällig als Schallwellen und lässt sich präziser fokussieren. Einer der Anbieter auf dem Gebiet der Infrarot-Sensoren ist die IDM GmbH aus Weißensberg am Bodensee. Auch die IDM hat sich die Natur als Beispiel genommen: Die Sensorik zeigt ihre Stärken dort, wo schnelle Bewegungen kontrolliert ablaufen sollen - wie bei der Fledermaus. IDM-Sensoren erkennen Hindernisse; sie ermöglichen Maschinen, diesen schnell und sicher auszuweichen oder vor ihnen anzuhalten und bieten somit einen sicheren Kollisionsschutz. Sie erfassen Gegenstände und versetzen Handhabungsautomaten in die Lage, diese präzise und schnell in der richtigen Position aufzunehmen und verbessern damit die Effizienz von Prozessen in Fertigung und Logistik. Fahrzeuge erhalten mit diesen Sensoren die Fähigkeit, Positionen schnell und punktgenau anzufahren und beschleunigen und präzisieren auf diese Weise Positioniervorgänge. Die Sensoren können sich untereinander verständigen und wichtige Informationen weitergeben - dadurch erhöht IDM die Zuverlässigkeit und erweitert das Anwendungsspektrum der Sensoren.Dynamischer Kollisionsschutz misst RelativgeschwindigkeitDie Einsatzgebiete dieser Sensoren sind äußerst vielfältig: Mit Hilfe eines dynamischen Kollisionsschutzes beispielsweise bewahren sie Kräne vor Kollisionen untereinander. Dynamisch bedeutet in diesem Fall, neben dem Abstand wird auch die Relativgeschwindigkeit zwischen den Kränen und die Absolutgeschwindigkeit gemessen. Der Kollisionsschutz reagiert sofort, wenn zu schnell und zu dicht aufgefahren wird. Bei der automatischen Positionierung von Gegenständen im industriellen Umfeld sind Geschwindigkeit und Präzision von großer Bedeutung. Beides unterstützen die Sensoren, indem sie gleichzeitig die Geschwindigkeit und die Position des Gegenstandes messen. Mit diesen Messdaten kann die Steuerung das Lagerbediengerät oder einen Kran so lenken, dass er seine Endposition in kürzester Zeit und millimetergenau erreicht. IDM-Sensoren sind eigensicher aufgebaut, bemerken jeden im Sensorsystem auftretenden Fehler und melden ihn an das Steuerungssystem. Ein Sensorsystem mit redundanter Sensorik ermöglicht es, einen einzeln auftretenden Sensorausfall zu überbrücken und trotzdem sicher weiterzuarbeiten. Mit einem integrierten Sensorsystem können zwei unterschiedliche physikalische Messprinzipien kombiniert werden. Das Sensorsystem kann sowohl den Kollisionsschutz als auch die Positionierung des Krans mit Millimetergenauigkeit unterstützen. Die Software kann individuell auf die jeweiligen Kundenwünsche angepasst werden und ermöglicht einen flexiblen Einsatz der Sensoren. Die Hardware basiert auf Standardkomponenten.Bei all diesen Einsatzgebieten sind Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit ein absolutes Muss. Daher funktionieren die Sensoren auch unter Extrembedingungen wie Umgebungseinflüsse durch Staub und Schmutz, bei unterschiedlichen Einsatztemperaturen (-40 bis 85°C). Außerdem sind sie robust gegen Witterungseinflüsse wie hellen Sonnenschein, Nebel oder Regel. Die Infrarot-Technik ermöglicht es, mit ein- und demselben Sensor Geschwindigkeit, Beschleunigung, Entfernung sowie Reflektanz zu messen. Diese Informationen lassen sich über den Sensormessstrahl auf einen Datenempfänger übertragen. Mit dieser Technik ist keine Funkübertragung mehr nötig. Damit lassen sich Anwendungen wie Masse- und Volumenauswertungen, Klassifizierung und Ortsvermessung durchführen.Die so genannte integrierte Datenübertragung eröffnet viele neue Möglichkeiten. Bei einem System mit zwei Kränen kann beispielsweise der Kollisionsschutz zwischen den Kränen und zu den Endanschlägen mit nur zwei Sensoren realisiert werden. Ohne die Datenübertragung wären vier Sensoren und wesentlich größere Reflektoren notwendig. Auch lassen sich teure Verbindungstechnik wie Schleppkabel, Laserdatenstrecken oder andere Datenübertragungseinrichtungen einsparen. Weil die Übertragung über das Infrarot-Licht erfolgt, ist sie außerdem gegenüber elektromagnetischen Störungen durch große Motoren, Schleifer, Mobiltelefone und Ähnliches vollkommen unempfindlich. Diese Lösung wird durch den Einsatz des IDM-Infrarot-Daten-Empfangs-Modul DEM in Kombination zwei Distanz-Sensoren, AKL 500 und PLE 500, ermöglicht; die Mess- und Datenübertragung findet unidirektional von den Distanz-Sensoren zum DEM statt. Die Daten werden auf dem Messstrahl eines Distanz-Sensors moduliert und codiert übertragen. Das DEM decodiert die Modulation auf dem Messstrahl und gibt die Daten auf den Schnittstellen aus.Messdaten liegen beim Sensor und beim Reflektor vorWie der Einsatz dieser Sensoren im Arbeitsalltag aussieht, zeigen zwei Anwendungsbeispiele: Auf einer Krananlage im Hafen soll ein Kransystem montiert werden. Weil die Kräne übereinander fahren, die Kranbahn uneben ist, zusätzliche bauseitig bedingte Unebenheiten auftreten und zwischen den beiden Enden der Kranbahn ein nicht unerheblicher Höhenunterschied besteht, ist das Anbringen der Sensoren an den Kränen problematisch. Denn unter diesen Voraussetzungen ist es sehr wahrscheinlich, dass ein am Kran montierter Sensor mit seinem Sensorstrahl den Reflektor am Kranbahnende nicht immer erreicht. Für dieses Problem hat die IDM eine neuartige Technik eingesetzt: Am Kran wird ein Reflektor, am Kranbahnende ein Sensor montiert. Weil der Reflektor mit einem Messdatenempfänger ausgestattet ist, liegen die Messdaten auf beiden Seiten, am Sensor und am Reflektor, vor. Regelung und Steuerung lassen sich jetzt wie gewohnt durchführen. Außerdem wird jederzeit gewährleistet, dass der Sensor den Reflektor im Blickfeld hat. Auf dem Kran oder dem Fahrzeug reicht nun ein relativ kleiner Reflektor, da die Fahrzeugbewegungen nicht mit aufgenommen werden müssen. Das neueste Produkt aus dem Hause IDM ist der Infrarot-Sensor LS 100. Seine typischen Einsatzgebiete sind Markiermaschinen, Kransysteme, automatische Transportsysteme und Logistik. Fahrer von Van Carriers, die für den Transport von Containern in einem Containerlager eingesetzt werden, erhalten durch den LS 100 beispielsweise die notwendigen Informationen, um die Spur einhalten zu können. Der Infrarot-Sensor misst die Position einer Linie oder eines Reflektors, diese Position wird über ein Bussystem, eine serielle Schnittstelle oder ein Analogsignal weitergegeben. Läuft der Van aus der Spur, setzt automatisch die Spurführung ein - und das mit einer Unsicherheit unter 1 cm innerhalb eines Messfensters von 1 m Länge.