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Lidar-Sensor für die Robotik 3D-Mehrlagenscanner erkennt Teile, liefert Koordinaten und überwacht Arbeitsbereiche

| Autor / Redakteur: Thorsten Schroeder* / Dipl. -Ing. Ines Stotz

Pepperl+Fuchs hat für die technisch wie wirtschaftlich effiziente Umsetzung von 3D-Messaufgaben einen Mehrlagenscanner entwickelt. Insbesondere in Robotik-Applikationen kann das Gerät seine Stärken ausspielen.

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Im Praxiseinsatz: 3D-Messung mit dem 3D-Lidar-Mehrlagenscanner R2300 an einem Roboterarm.
Im Praxiseinsatz: 3D-Messung mit dem 3D-Lidar-Mehrlagenscanner R2300 an einem Roboterarm.
(Bild: Pepperl+Fuchs)

Seine insgesamt vier Scanebenen, mit denen der Sensor eine dreidimensionale Messgeometrie erzeugt, ermöglichen es, die Arbeitsräume von Robotern zu überwachen, die Maschinen mit Sehvermögen auszustatten und Koordinaten für unterschiedlichste Roboteraktionen zu liefern. Die Messwerte werden direkt, d. h. ohne Vorverarbeitung, ausgegeben und können von Integratoren direkt in deren Steuerungsanwendungen und Automatisierungslösungen übernommen werden, um beispielsweise die 3D-Messdaten in Positions- und Greifkoordinaten umzurechnen. Auf diese Weise hat der Integrator vollen Zugriff auf die im Sensor ermittelten Messwerte und kann so mit eigenem Know-how die Automatisierungslösung für die individuelle Aufgabe gestalten.

Baugröße und Performance für Robotikanwendungen optimiert

Unterschiedliche Eigenschaften qualifizieren den 3D-Lidar-Mehrlagenscanner (Light Detection And Ranging) zur Lösung in zahlreichen Robotik-Anwendungen. Entscheidend ist zunächst die Baugröße. Der R2300 ist 58 mm hoch und lässt sich dadurch platzsparend am Roboter selbst, aber auch in seiner Peripherie installieren. Der Sensor ist komplett mit Laser-Lichtquelle, Empfänger, Auswerteelektronik und Schnittstelle in einem Komplettgehäuse integriert. In Kombination mit der störsicheren Pulse Ranging Technology (PRT), ist das Gerät unempfindlich gegen Fremdlicht.

Eine weitere Besonderheit besteht darin, dass neben dem eigentlichen infraroten Sensor, der für die Messfunktion verwendet wird, noch ein zusätzlicher, roter Sender im Gerät verbaut ist. Dieser, auch als Pilotlaser bezeichnete Sender, wird in die optische Ebene des Gerätes eingespiegelt und dient der optimalen Ausrichtung des Gerätes. Da der Optikweg von Mess- und Pilotlaser identisch ist, sieht man als Anwender den Pilotaser somit genau an der Stelle, wo auch die Messung erfolgt. Für den Betrieb des Gerätes wird der Pilotlaser – obwohl in der Laserklasse 1 betrieben – aber abgeschaltet, so dass Irritationen von Personen ausgeschlossen sind.

Die Lichtemission des Messlasers erfolgt ebenfalls in der Laserklasse 1 – es müssen also keine zusätzlichen technischen oder organisatorischen Maßnahmen beim Einsatz des R2300 vorgenommen werden. Gleichzeitig bietet der 3D-Lidar-Sensor eine hohe Leistungsdichte für eine präzise Winkel- und Distanzmessung. Zu nennen sind insbesondere der Messbereich von 4 m auf schwarze Oberflächen und 10 m auf weiße Objekte, eine Messrate von 90 kHz sowie wählbare Scanraten von 12,5 oder 25 Hz mit bis zu 4.000 Pixeln pro Scan. Besonders hervorzuheben ist die Winkelauflösung von 0,1°.

Präzise Messung auch bei schwierigem Umfeld

Durch den Laser-typischen, kleinen Infrarot-Lichtfleck, der sich scharfkantig auf dem Objekt abbildet, ist der 3D-Mehrlagenscanner in der Lage, auch filigrane Objektstrukturen und Konturen zuverlässig zu erkennen. Der Sensor erreicht dadurch solch eine Genauigkeit, die beispielsweise beim Palettieren bzw. Depalettieren oder Aufnehmen von einem Werkstückträger oder Rack ein sicheres Greifen durch Roboter ermöglicht.

In vielen Roboter-Applikationen geht es um das Handling von Teilen, also um gezieltes Greifen, Positionieren, Übergeben oder Ablegen. Die Aufgabe wird umso anspruchsvoller, je schwieriger diese Teile zu detektieren sind. Komplexe Strukturen, reflektierende oder gar glänzende Oberflächen, aber auch Licht fast vollständig absorbierende Materialien, stellen hohe Anforderungen an die 3D-Erfassung.

Der R2300 meistert diese Herausforderungen unter Nutzung von PRT, die sich bereits in einer Vielzahl anderer Sensoren der Automatisierungstechnik aus dem Haus Pepperl+Fuchs bewährt. Die kurzen, energiereichen Lichtpulse, die der Halbleiter-Laser aussendet, werden vom Zielobjekt reflektiert und von einem Empfangselement im Sensor wieder erfasst. Die Zeit zwischen den Sende- und Empfangszeitpunkten korreliert direkt und linear mit der Entfernung zum Objekt, beispielweise einem Werkstück auf einer Fördereinrichtung oder einem Gegenstand im Arbeitsraum des Roboters.

Die Folge davon sind unter anderem große Messbereiche und Funktionsreserven, eine außergewöhnliche Präzision und die weitgehende Unabhängigkeit von Objekt- und Oberflächeneigenschaften. Hinzu kommt ein sehr hohes Maß an Störfestigkeit gegen in Bezug auf die Umfeldbedingungen wie Fremdlicht oder HF-Lampen.

Gerade für Applikationen in der Robotik sind Detektionsqualität, Maschinenverfügbarkeit und Prozesssicherheit entscheidende Faktoren für die Eignung eines messenden Sensors. Dafür, dass die Messungen auch bei ungünstigen optischen Erscheinungsbildern der Objekte oder bei Fremdlichteinfall aus dem Einsatzumfeld in das Messfeld, sehr präzise und wiederholgenau erfolgen, sorgt der bis zu 1.000-mal höhere Energiegehalt der ausgesendeten Einzelpulse im Vergleich zu Messverfahren mit permanent modulierten Lichtquellen.

Buchtipp

Das Buch Industriesensorik beschreibt die Entwicklung und die praktische Anwendung der wichtigsten Sensoren. Durch anwendungsbezogene Fehleranalysen von Messsystemen, Sensoren und Sensorsystemen, jeweils ergänzt durch viele detaillierte, vollständig durchgerechnete Anwendungsbeispiele, eignet sich das Buch nicht nur für Studenten, sondern auch für Ingenieure und Techniker verschiedener Fachrichtungen.

Adaptierbar für verschiedenste Applikationen

Der R2300 hat einen Messwinkel von 100°, was sich besonders gut in zahlreichen Applikationen der Roboterführung oder Arbeitsraumüberwachung erweist. Dieses Standard-Sichtfeld lässt sich jedoch je nach erforderlichem „Sehvermögen“ einschränken oder auch vergrößern. Zum einen ist durch gezieltes Ausblenden an den Außenseiten des Detektionsfeldes ein individuelles Messfenster konfigurierbar. Nicht relevante Messbereiche liefern somit keine Messdaten, was die Rechenaufwand im Sensor wie auch die Datenausgabelast reduziert und eine performantere Leistung nachgelagerter Applikationen ermöglicht.

Zum anderen besteht die Möglichkeit mit einem zweiten, side-by-side montierten R2300 das Sichtfeld auf 180° zu vergrößern, sollten spezielle Randbedingungen von Applikationen dies erfordern. Das Sensorgehäuse ist durch entsprechende seitliche Schrägen hierfür bereits entsprechend vorbereitet. Schließlich lässt sich auch jede der vier Scanebenen des 3D-Mehrlagenscanners nutzen, um im Sichtfeld jeweils einzelne Objekte oder Zustände unabhängig voneinander zu detektieren.

Robust auch unter schwierigen Bedingungen

Werden Lidar-Sensoren in einer schmutz- oder staubbelasteten Umgebung eingesetzt, wird mit zunehmender Verschmutzung der Lichtaustrittsfläche ein immer größerer Teil des Lichts direkt in den Empfänger zurück reflektiert. Damit entsteht eine Art „optischer Kurzschluss“ und die Performance des betroffenen Sensors sinkt dramatisch bis zu einer „Erblindung“.

Beim R2300 hat Pepperl+Fuchs daher Sender und Empfänger innerhalb der Optikeinheit mechanisch getrennt. Mögliche Reflektionen haben so keine Chance direkt zum Empfänger zu gelangen. Dadurch werden optische Kurzschlüsse vermieden. Für den Anwender bedeutet dies zudem minimierte Stillstandszeiten, deutlich längerer Reinigungsintervalle und höhere Prozesssicherheit.

* Dipl.-Ing. Thorsten Schroeder, Produktmanager bei Pepperl+Fuchs

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