unzählige Autofahrer vertrauen Ultraschallsensoren als Einparkhilfe. In der Fabrikautomatisation sind sie oft noch unterschätzte Komponenten zur berührungslosen Objekterfassung. Dabei liegt ihr Vorteil klar auf der Hand: Sie erfassen millimetergenau Objekte, unabhängig von Farbe und Oberflächeneigenschaften. Verschmutzungen beeinflussen das Messergebnis nicht. Die Sensoroberfläche reinigt sich von Flüssigkeits- oder Staubablagerungen durch hochfrequente Vibration.

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Diese Vorteile resultieren aus dem Messprinzip: Zyklisch werden kurze, für den Menschen nicht hörbare, Ultraschallimpulse ausgesandt und die Laufzeit des reflektierten Echos ausgewertet. Die zum Objektabstand proportionale Laufzeit wird mikroprozessorgesteuert präzise bestimmt. Die Stärke des reflektierten Signals ist für die Messung nicht relevant. Trotz dieser Vorteile gab es bislang Vorbehalte, welche den Einsatz erschwerten: aufwendige Inbetriebnahme und die physikalisch bedingte Blindzone. Pepperl + Fuchs hat diesen Hürden Rechnung getragen und drei neue Ultraschallsensor-Baureihen entwickelt.

Maschinen für die automatische Handhabung werden in der Regel sehr kompakt aufgebaut. Für die Sensorik steht folgerichtig nur wenig Platz zur Verfügung. Die Sensor-Baureihe UB…-F77 ist für diese Anwendungsfälle bestens gerüstet. Im dicht verschweißten Kunststoffgehäuse - die Abmessungen entsprechen ungefähr zwei Stück Würfelzucker - sind auf engstem Raum die komplette Sende- und Empfangselektronik, der Ultraschallwandler, die Signalanzeigen und der Steckeranschluss untergebracht.

Mini-Ultraschallsensor

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Durch Optimierung der Wandler konnte die Blindzone auf lediglich zehn Millimeter, in denen der Sensor keine exakte Entfernung des zu erfassenden Gegenstandes ermitteln kann, reduziert werden ohne die maximale Reichweite im gleichen Maß zu verringern. Die bei Ultraschallsensoren typische Schallkeule stellt im Gegensatz zur Linie eines Lasersensors in vielen Applikationen einen Vorteil dar. Durch den leicht flächigen Abtastfleck spielt die Ausrichtung des Objektes beziehungsweise der Kanten keine Rolle.

Störende Geräusche im Produktionsprozess, hervorgerufen durch zum Beispiel austretende Pressluft, werden von ausgeklügelten Algorithmen der Sensor Firmware zusammen mit der selektiven Empfangselektronik wirkungsvoll unterdrückt. Ein Applikationsbeispiel ist die Erkennung von Leiterplatten in einem Bestückautomaten. Der Sensor sitzt dicht unter den Führungsschienen für die Auflage der Leiterplatten. Die Anfangs- und Endposition der Leiterplatte wird vom Sensor per binärem Signal an die Steuerung gemeldet. Kleine Ausbrüche in Leiterplatten werden vom Sensor ignoriert, die Außenkontur dagegen exakt erfasst.

Mehrfarbige Bedruckung sowie silbrig glänzende, verzinnte Bereiche stören den Sensor prinzipiell nicht. Der Schaltbereich lässt sich einfach und manipulationssicher über einen Pin im Steckeranschluss einlernen. Für größere Reichweiten werden zylindrische Sensoren mit 30 Millimeter Durchmesser eingesetzt. Typische Applikationen sind Füllstandsüberwachung in Behältern, Höhenkontrolle (auch im Aussenbereich) und Abstandsmessung zur Regelung von Produktionsabläufen. Hier sind unter Umständen umfangreiche Parametriermöglichkeiten nötig, um den Sensor optimal auch an schwierige Aufgaben anzupassen.

Für die Einstellung des Schaltabstandes haben sich zwei Bedienphilosophien herauskristallisiert: Potentiometer und Teach-in-Tasten. Diesem Trend wurde mit zwei unterschiedlichen Familien von M30 Sensoren Rechnung getragen: Bei der Baureihe UC…-30GM70 lässt sich über das Potentiometer der Schaltabstand einfach und intuitiv einstellen, auch ohne Anwesenheit des zu detektierenden Objektes.

Darüber hinaus kann eine sehr schnelle, bidirektionale Infrarot-Schnittstelle zur Kommunikation mit dem Sensor verwendet werden. Die elektrische Verkabelung zum Sensor wird hierbei nicht unterbrochen, ebenso wenig wird die eigentliche Messaufgabe des Sensors gestört. Zur Kommunikation wird ein kleiner Infrarot-Tranceiver mit USB-Kabel auf den M12-Stecker aufgeschnappt. Der Kunststoff im Bereich des Steckanschlusses ist für Infrarotlicht durchlässig.

Auf einem Notebook lässt sich die Einbausituation visualisieren. Mehrere Echos können zum Beispiel mit Entfernung und Empfangsamplitude angezeigt werden, um so den Sensor optimal auszurichten. Über den gleichen Weg kann der Sensor auch parametriert werden; exemplarisch zu nennen sind etwa Anpassen der Schallkeule, Ausblenden von störenden Objekten, Setzen der Schaltpunkte mit zugehöriger Hysterese, Anpassen der Analogkennlinie und so weiter. Durch die hohe Übertragungsgeschwindigkeit an der Infrarot-Schnittstelle konnte ein Echtzeitlinienschreiber in der Parametriersoftware realisiert werden. Dieser zeigt den zeitlichen Verlauf einer Abstandsänderung mit der Möglichkeit, den Ablauf in einem Datenfile auf der Festplatte aufzuzeichnen.

Ultraschallsensor mit IO-Link: Integration in die Steuerung inklusiv

Eine Anpassung von Grundparametern ohne externes Tool ist bei der Baureihe UC…-30GM-IO möglich. Mit einem Tastendruck lässt sich der Schaltabstand millimetergenau einstellen. In einem weiteren Schritt kann die Schallkeule in drei Stufen an die Applikation angepasst sowie die Funktion des Schaltausgangs von Öffner auf Schließer und umgekehrt parametriert werden. Über die IO-Link-Schnittstelle, die Parame-triersoftware PACTware sowie den gerätespezifischen Device-Type-Manager (DTM) kann der Sensor ganz gezielt an die jeweilige Applikation optimal angepasst werden.

Neben der Möglichkeit, den Sensor bei Bedarf zu parametrieren, lässt er sich via IO-Link sehr komfortabel mittels IODD in eine Steuerung einbinden. Die Ausgangsdaten des Sensors, binäre Aussage über die Position des erfassten Objektes oder analoge Abstandsinformation liegen sofort in der Steuerung vor. Wird der Sensor im Fehlerfall getauscht, können die eingestellten Parameter problemlos aus der Steuerung in den neuen Sensor geladen werden, ebenso kann bei Chargenwechsel in der Produktion zwischen Parametersätzen umgeschalten werden. Diese Möglichkeit der Kommunikation eröffnet der Einbindung des Ultraschallsensors in die Steuerung einer Maschine neue Möglichkeiten.

Durch die Möglichkeit, die Grundfunktionen einfachen per Teach-Tasten umzustellen, konnte bei der Sensor-Serie UC…-30GM-IO die Variantenanzahl reduziert werden, getreu dem Motto »Ein Sensor für alle Applikationen«. Die Serie UC…-30GM70 wurde bewusst mit einer Vielzahl von Varianten mit verschieden Ausgangsfunktionen (Öffner, Schließer) ausgestattet, für jede Applikation Temperaturkom-pensation bei den parametrierbaren Sensoren, hoher IP-Schutz und ein für industrielle Anwendungen notwendiger Betriebstemperaturbereich sowie Schutz gegen elektromagnetische Störungen zählen selbstverständlich zu den Eigenschaften der Familien.

HMI: Halle 9, Stand F28