Optoelektronik für die Handhabungstechnik

Gute Sicht mit Licht

Technische Augen sind heute in einer Maschine etwas Alltägliches und sie sind zu unverzichtbaren Komponenten in automatisierten Fertigungsabläufen überhaupt geworden. Das menschliche Auge könnte bei Kontrollen den enormen Dauerbelastungen nicht standhalten und bei hochschnellen Vorgängen auch gar nicht mehr folgen. Außerdem sind Kontrollen immer auch mit Entscheidungen verbunden, die zeitkritisch zu treffen sind. Auch wenn die Funktionen der Augen oft nur unzulänglich nachgebildet werden können, gibt es doch eine Menge von Vorzügen, die sich in leistungsfähigen Sensoren finden lassen. Einige Beispiele sollen das erhärten.

Bild 1: Optischer Nachweis des Durchgangs bei Bohrungen. 1 Lichtquelle, 2 Fotodiode, 3 Prüfobjekt.

Kontrolleure vom Dienst
Als Beispiel nehmen wir ein Bauteil an, welches viele Bohrungen bekommen hat. Vor dem Weitergeben in die Montage ist zu prüfen, ob das Einbringen der Bohrungen überhaupt erfolgreich war. Man kann nun entweder die Bohrwerkzeuge überwachen (Länge, Vollständigkeit der Schneide), das Bohrergebnis (zeichnungsgerechte Erledigung) oder beides. In Bild 1 wird gezeigt, wie eine Durchgangskontrolle mit Licht erfolgen kann. Möglicherweise muss das Werkstück vorher einen Reinigungsgang durchlaufen, um Späne zu entfernen. Lichtsender strahlen in die Bohrungen, an deren Enden jeweils Fotodioden platziert sind, die eine Lichterscheinung erwarten. Wird Licht erkannt, dann sind die Bohrungen offenbar wie erwartet eingebracht und die Werkzeuge sind noch in einem gutem Zustand.

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Bild 2: Optisch-visuelles Schraubenprüfsystem. 1 Vollbildkamera, 2 Magnetförderband, 3 Auswerfer, 4 Triggerlichtschranke, 5 telezentrische LED-Lichtquelle, 6 Prüfobjekt Schraube.

Im zweiten Beispiel geht es um die optisch-visuelle Prüfung von Maschinenschrauben (Bild 2). Die mit dem Kopf an einem magnetischen Förderband „klebenden“ Eisenschrauben werden an einer Kamera vorbeigeführt. Um die Konturen scharf und reflexfrei abbilden zu können, ist eine gleichmäßige parallele Ausleuchtung erforderlich. Bei Belichtungszeiten von 1/10.000 Sekunden wird eine Messgenauigkeit von 40 Mikrometer erreicht. Die Taktrate beträgt bis zu sechs Schrauben je Sekunde. Ein Bild wird in 120 Millisekunden ausgewertet. Geprüft werden Gewindeaußendurchmesser und der Kerndurchmesser der Schraube, Kopfhöhe, Nennlänge und je nach Schraubentyp noch weitere Merkmale. Die Leistungsfähigkeit solcher Anlagen ist inzwischen weiter gestiegen. Es gibt auch anspruchsvolle Geräte, die die Schrauben sogar im freien Fall messtechnisch untersuchen und fehlerhafte Objekte ausgliedern.

Bild 3: Antasten der Fase eines Werkstücks mit dem Lasersensor. 1 Laserstrahl, 2 Reflexlichtstrahl, 3 abgelenkter Laserstrahl, 4 Werkstück, 5 Auswurfrinne, 6 Auswerfer, 7 Reflexlichttaster.

Erkennen von Details
Besonders in der Montageautomatisierung muss man sicher sein, dass die Teile in richtiger Ausführung und Orientierung zur Verfügung gestellt werden, ehe man diese verbaut. Viele Montageteile müssen deshalb zu 100 Prozent geprüft angeliefert werden. Deshalb wird auch die Buchse in Bild 3 an der Innenkante mit einem Laserstrahl detektiert. Man will wissen, ob die Fase vorhanden ist oder die Orientierung stimmt. Liegt die Fase oben, dann läuft für einen kurzen Moment ein Reflexstrahl zurück und bestätigt damit die richtige Orientierung des Werkstücks. Fehlt aber die Fase oder liegt sie an der Unterseite des Werkstücks, dann wird der Reflexstrahl in viele nicht erfassbare Richtungen abgelenkt. Fehlerhafte Teile oder solche in Falschlage werden dann ausgegliedert. Für die Stückzählung hat man zusätzlich einen Reflexlichttaster angebaut.

Bild 4: Optische Orientierungserkennung im Durchlauf. 1 Anlagefläche, 2 Förderband, 3 Sichtrichtung, 4 Werkstück, 5 Förderrichtung, F Falschlagenteile, S Sollorientierung.

Es ist relativ einfach, kleine Formteile mit dem Vibrationswendelförderer oder einem Zntrifugalförderer zuzuführen. Aber in welcher Orientierung verlassen sie die Förderrinne? Das wird in Bild 4 an einem Beispiel demonstriert. Lässt man die Teile an einer Blende (Schlitz) vorbeilaufen, so lassen sich scheibchenweise optisch-visuelle Schattenbilder von der Werkstückkontur gewinnen. Aus dem Schattenriss und eventuell vorhandenen Durchgangsbohrungen in der Fläche lassen sich die Falschlagen und die Richtiglagen im Vergleich zur gewünschten Sollorientierung feststellen. Alle Falschlagenteile kann man nun aus dem Werkstückstrom herausführen oder wieder in den Vibratoraufsatz zurückgeben. Die Orientierung, die sich beim Fördern von selbst am häufigsten einstellt, das erfährt man aus Versuchen, sollte als Gutorientierung festgelegt werden. Das senkt die Rückweisquote. Geräte, die das leisten, werden heute mit Gutteilen angelernt. Dabei gehen auch Toleranzen der Teile mit in die Referenzdatenliste ein.

Bild 5: Anwendung von Winkellichtschranken (di-soric). a) Signalgeber an einer Eckenumlenkung von Werkstückträgern, b) Kontrolle an einer Saugertraverse, 1 Seitenführung, 2 Werkstückträger, 3 Winkellichtschranke, 4 Querförderstrecke, 5 Vakuumsauger, 6 Kabel, 7 Vakuumtraverse, 8 Saugluftleitung.

Der schräge Blick
Was ist damit gemeint? Er gelingt mit einer Winkellichtschranke und ist keineswegs mit einem „bösen Blick“ zu vergleichen. Dahinter verbirgt sich eine normale Lichtschranke, bei der man aber die Schenkel, in denen sich auch die gesamte Elektronik befindet, im rechten Winkel ausgeführt hat, also nicht in der bekannten klassischen U-Form. Diese Winkelkonstruktion bietet besonders in der Handhabungstechnik einige Vorteile. Das Bild 5 zeigt zwei Anwendungen. Beim Abstapeln von Platten lässt sich mit einer einfach zu montierenden Winkellichtschranke feststellen, ob der Griff erfolgreich war. Auch Klemmbackengreifer lassen sich in ähnlicher Anordnung mit diesem Sensor ausstatten.

In einem Transfersystem mit rechteckigem Umlauf müssen die Arbeitsplatten (Werkstückträger) auf die jeweils folgende Querstrecke umgelenkt werden. Ist ein Werkstückträger angekommen, muss sich das Querförderband einschalten. Um diese Aktion einzuleiten braucht man ein Signal für das Erreichen der Eckposition. Das liefert im Beispiel eine Winkellichtschranke. Sie passt auch in diesem Fall montagtechnisch und geometrisch gut zu einer Eckstation.

Dr.-Ing. habil. Stefan Hesse

Literatur
Hesse, S. Schnell, G.: Sensoren für die Prozess- und Fabrikautomation. 6. Aufl. Springer Vieweg Verlag, Wiesbaden 2014

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