Sensor Ultraschallgerät mit IO-Link-Schnittstelle – ein flexibler Allrounder

Autor / Redakteur: Carsten Heim* / Dipl. -Ing. Ines Stotz

Ein einziger Sensortyp für viele unterschiedliche Anwendungen, der mit seinem kleinen Gehäuse praktisch überall Platz findet und eine kommunikative Brücke zur Industrie 4.0 baut: Damit punktet Pepperl+Fuchs jetzt mit einem talentierten Universalgerät.

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Spiegelnde Oberflächen, Löcher und Ausbrüche – wie lassen sich Leiterplatten bei der Zuführung zum SMD-Bestückungsautomaten sicher detektieren? Ein Ultraschallsensor kann das – und noch viel mehr.
Spiegelnde Oberflächen, Löcher und Ausbrüche – wie lassen sich Leiterplatten bei der Zuführung zum SMD-Bestückungsautomaten sicher detektieren? Ein Ultraschallsensor kann das – und noch viel mehr.
(Bild: Pepperl+Fuchs)

Immer mehr Autofahrer freuen sich über Unterstützung beim Einparken in eine Parklücke. Elektronische Parkassistenten übernehmen inzwischen das Einlenken in die Lücke wie von Geisterhand. Die nützlichen kleinen Geister heißen Ultraaschallsensoren. Neben diesem Talent haben sie das Zeug zum Universalgerät für viele Einsatzbereiche. Gerade die neuen Ultraschallsensoren der Serie UC-F77 von Pepperl+Fuchs erlauben durch ihre bauartbedingten Stärken einen fast uneingeschränkten Einsatz.

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Messprinzip: Schallwellen können praktisch alle Objekte erfassen, unabhängig von Form, Farbe, Konturen oder Material. Sie lassen sich weder von spiegelnden und transparenten Oberflächen noch von Staub oder Dämpfen irritieren. Die dem Prozess zugewandte schallerzeugende und empfangende Membran des Ultraschallsensors ist schmutzresistent, weil sie ständig vibriert und mit dieser Eigenbewegung störende Ablagerungen verhindert. Der keulenförmige Sende- und Empfangsbereich des Sensors, die sogenannte Schallkeule, erfasst nicht nur einen einzelnen Punkt, sondern – je nach Auslegung – einen mehr oder weniger großen Bereich. So können auch unregelmäßige Oberflächen zuverlässig detektiert werden.

Ultraschallsensor mit IO-Link-Schnittstelle

Neben diesen prinzipiellen Stärken des Ultraschalls bieten die Geräte der Serie UC-F77 eine Reihe von Vorteilen bei Handhabung, Einbaumöglichkeiten und Leistungsfähigkeit. Die Sensoren arbeiten mit einem patentierten Pulsverfahren, das ihnen im Verhältnis zur Reichweite (bis 800 mm) die kürzeste Blindzone der auf dem Markt verfügbaren Geräte verleiht. Daraus ergibt sich ein großer Messbereich, mit dem sich viele unterschiedliche Detektionsaufgaben lösen lassen.

Die Sensoren sind in einem nur 31 mm hohen und 12 mm breiten Gehäuse untergebracht. Es entspricht zudem einer Standard-Bauform, die sich problemlos in bestehende Anlagen integrieren lässt. Für die mechanische Befestigung gibt es verschiedene Möglichkeiten, mit der „Sidelooker“-Version steht eine zusätzliche Montagevariante zur Verfügung.

Die Parametrierung ist einfach und kann sowohl am Gerät selbst oder mit der Parametriersoftware Pactware an einem Rechner durchgeführt werden. Dabei lässt sich die Form der Schallkeule präzise auf die Anwendung abstimmen, und Störziele werden ohne großen Aufwand ausgeblendet. Als einziger Sensor seiner Baugröße bietet der UC-F77 eine sensorautarke Synchronisation. Somit ist kein externer Eingriff nötig, um die Ultraschallpulse von bis zu zehn Sensoren aufeinander abzustimmen und die Geräte auf engem Raum nebeneinander zu betreiben. Ein weiteres Novum für Sensoren in dieser Bauform ist die IO-Link-Schnittstelle. Sie erschließt wertvolle Diagnosedaten und bietet zusätzliche Kommunikationsoptionen, mit denen die Geräte auch in Industrie-4.0-Umgebungen eingebunden werden können.

Ultraschallgeräte in verschiedenen Anwendungen

Leiterplatten-Detektion in SMD-Bestückung: Auf Leiterplatten finden sich spiegelnde Oberflächen, Löcher und Ausbrüche. Optische Sensoren, die in der Elektronikproduktion üblich sind, stoßen bei solchen Eigenschaften des Zielobjekts an physikalische Grenzen. Ultraschallimpulse hingegen werden weder von spiegelnden noch von lichtschluckenden Oberflächen beeinträchtigt und liefern immer ein zuverlässiges Schaltsignal. Der flächige Querschnitt der Schallkeule – im Gegensatz zu punktueller Erfassung bei anderen Messprinzipien – toleriert auch Ausbrüche, Löcher oder unregelmäßige Konturen ohne Fehlschaltung. Die neue Miniaturbauform passt zu den oft sehr kompakten Abmessungen in den verarbeitenden Maschinen. Sie lässt sich auch unter kleinen Förderbändern platzieren. Der Messbereich kann passend zur Montagesituation gewählt, der Umfang der Schallkeule entsprechend eingestellt werden.

Füllstandkontrolle in Druckmaschinen: Bei Druckverfahren wie Tief- und Digitaldruck befinden sich die Tintenfarben oft in kleinen Tanks, die in der Druckmaschine nah beieinander untergebracht sind. Damit die Druckwalze nicht trocken läuft, müssen die Behälter immer genügend Tinte enthalten beziehungsweise rechtzeitig aufgefüllt werden. Die Fläche, die dem Sensor für die Messung des Füllstands zur Verfügung steht, ist in Spezialdruckmaschinen manchmal nur wenig größer als eine Briefmarke. Die Füllhöhe der Tinte in den Behältern erreicht in solchen Fällen nicht selten gerade einmal 10 mm. Der Sensor muss also das Füllniveau genau bestimmen können, unabhängig von der Tintenfarbe und auch bei einer spiegelnden Oberfläche. Die kompakten UC-F77-Sensoren sind in den Tinteneinheiten angebracht, ihre Schallkeulen werden an die kleine Oberfläche angepasst. Sie messen die Füllhöhe auf den Millimeter genau. Die sensorautarke Synchronisation verhindert die gegenseitige Beeinflussung der Sensoren.

Nachschubkontrolle in Verpackungsmaschinen: Bei Verpackungsmaschinen ist die ununterbrochene Materialzufuhr eine entscheidende Voraussetzung für reibungslose Prozesse. Die benötigten Materialien werden meist als Rollenware in die Maschine geführt. Sie können in ihrer Zusammensetzung, Farbe und Oberfläche äußerst vielfältig sein. Bei der Verpackung von Pralinen zum Beispiel gelangen die Produkte in Tablaren zum Verpackungsort, wo dann weitere Verpackungselemente wie transparente Folie, schwarzes Pergament oder glänzende Klebetiketten disponiert werden. Während die Maschine diese Materialien von den Rollen abwickelt, werden die Rollendurchmesser immer kleiner. Ein Sensor pro Rolle überwacht diese Veränderung und damit das Vorhandensein ausreichenden Nachschubmaterials. Ein weiteres Gerät, das auf das laufende Materialband gerichtet ist, löst bei einem Bandriss ein Abschaltsignal aus. Diese Detektionsaufgaben erfordern eine präzise farb- und oberflächenunabhängige Erfassung. Der UC-F77 kann beide Aufgaben erledigen. Die Schallkeule lässt sich auch an sehr schmale Rollen und Materialbänder anpassen. Risse werden auch bei minimalem Abstand und schwierigen Materialien zuverlässig erkannt.

Durchhangkontrolle in kleinen Fertigungsmaschinen: Der Materialdurchhang in Stanzen, Haspeln oder Tiefziehmaschinen gleicht den zeitlichen Versatz zwischen kontinuierlichem Nachschub und schrittweiser Verarbeitung aus. Der Sensor stellt sicher, dass der Durchhang weder das definierte Mindestmaß unterschreitet, noch den Boden berührt. Das Material – Metall, Kunststoff, Papier – kann alle Farben haben, transparent sein, glänzen oder spiegeln. In kompakten Maschinen, wie etwa in Stanzen für Crimp-Kontakte, übernimmt der UC-F77 die Durchhangkontrolle. Die Regelungsparameter lassen sich mit den Programmiertasten oder mit der Parametriersoftware schnell und einfach einstellen. Der Schlaufentiefpunkt bleibt auch dann im Messfeld, wenn er sich im Prozess seitlich bewegt. Eine Verschmutzung durch Materialabrieb, Ölnebel, Materialstaub oder elektrostatisch aufgeladene Anhaftungen beeinträchtigt die Messung nicht.

* Carsten Heim, Produktmanager bei Pepperl+Fuchs

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