Faseroptik versus Micromote – Innovations­potenzial für den Maschinenbau

Bereits heute sind optische Sensoren einer der Standards in der Fabrikautomation. Da Maschinendesigns immer kompakter werden, müssen Sensoren an Stellen angebracht werden, die kaum zu erreichen sind. Für Applikationen, in denen konventionelle optische Sensoren hinsichtlich ihrer Baugröße und Leistung an ihre Grenzen stoßen, wurde das Micromote-System entwickelt, das ganz ohne Lichtwellenleiter auskommt – klein, leistungsfähig und innovativ.

Steigende Anforderungen an optische Sensoren: Umgang mit der Miniaturisierung

Sicherlich gilt die Weiterentwicklung von Sensoren heute als Pacesetter in der industriellen Automation. Generell spiegeln Sensoren unsere menschlichen Sinne auf eine Maschine. Hierzu nehmen sie physikalische oder chemische Zustände einer Maschine wahr und wandeln diese dann in elektrische Signale um. Diese dienen zum Überwachen und zum steuern des Prozessworkflows und um ihn weiter zu verbessern. Besonderen Vorzug bei den Anwendungen erhalten induktive Sensoren zur Erkennung von mechanischen Bauteilen innerhalb einer Maschine und optische Sensoren zum Erkennen von  verschiedensten Objekten. Die technischen Anforderungen an Sensoren sind im Allgemeinen, und besonders an optische Sensoren, in den letzten Jahren entsprechend gestiegen.

Abgeleitet aus den Anforderungen der Produzenten von Fertigteilen und Maschinenbauern, ist sicherlich aus Sicht eines Herstellers von Automatisierungs­komponenten im Wesentlichen das Thema Miniaturisierung eine unverändert wichtige Anforderung. Zusätzlich ist ein immer steigender Automatisierungsgrad der Maschine eine Anforderung, die es zu lösen gilt.

Mithilfe von modernen Fertigungstechnologien für Sensoren möchte man diesen Anforderungen gerecht werden. Optische Sensoren, zum Beispiel, sind bereits einige Zeit am Markt verfügbar und haben sich, auch in technischer Hinsicht, stetig weiterentwickelt. Besonders die optischen Bauelemente sind qualitativ nicht mehr so schwankend. LEDs sind kleiner und leistungsfähiger, als zu Beginn ihrer Einführung. Dank der Möglichkeiten, die die Mikroelektronik bietet, gibt es heute bereits eine Vielzahl von Sensoren mit beeindruckenden technischen Daten auf dem Markt.

Einsatz von Lichtwellen­leitern

Um mehr Möglichkeiten zu bieten Maschinen kompakt zu bauen und trotzdem Sensoren zu integrieren, wurden Lichtwellenleiter eingeführt. Lichtwellenleiter können Licht annähernd verlustfrei über größere Entfernungen übertragen. Daher kann die Distanz zur Applikation, der Ort wo auch tatsächlich das Licht benötigt wird, größer sein. Das Licht wird in einer im Schaltschrank sitzenden oder weiter entfernten externen Auswerteeinheit erzeugt und wieder aufgenommen. In automatischen Maschinen werden heutzutage Glasfasern in sehr großen und stetig wachsenden Stückzahlen eingesetzt. Die Technologie hat sich bewährt und wird häufig als Standardlösung eingesetzt.

Dennoch haben Lichtwellenleiter Nachteile, die bei den Maschinenbauern oftmals nur unbefriedigende Kompromisse erfordern. Ein Nachteil zeigt sich bereits bei der Integration. Aufgrund der Steifigkeit der Lichtwellenleiter müssen Radien größer gewählt werden, um Brüchen in der Faser vorzubeugen, die zum Leistungsverlust führen. Es kommt nicht selten vor, dass andere langfristige Wechselbelastungen (Biege- und Torsionsbelastungen) zum Ausfall des Sensors führen.

Des Weiteren ergeben sich erhebliche Nachteile bei Applikationen mit regelmäßigen Wartungs- oder Einstellungsarbeiten bei den integrierten Anlagenteilen z.B. während eines Formatwechsels. Hierbei muss die starr verlegten Lichtwellenleiter zumindest teilweise demontiert werden, was entsprechend Zeit und Geld kostet.

Kundenspezifische Lösungen an Gehäusen lassen sich nicht so einfach realisieren. Das liegt aber überwiegend daran, dass Lichtwellenleiter in einer Massenproduktion hergestellt werden. Neben den typischen Sensorfunktionen werden zunehmend komplexere Anforderungen an den Maschinenbau zur Herstellung von High-Tech-Produkten gestellt. Dies führt immer wieder dazu, dass maßgeschneiderten Sensorlösungen zum Einsatz kommen. Ein Sensorhersteller muss daher sein Portfolio dementsprechend flexibel aufstellen. Auch wenn es erstmal erstaunlich erscheint, dass eine Sonderlösung gerade in einem Bereich, in dem komplexe Anwendungen gelöst werden, die bessere und auch preiswerte Lösung sein soll, dies zeigt sich in einem klar durchdachten modularen Ansatz eines Systems, bestehend aus Standardkomponenten.

Ein weiterer Risikofaktor ist die optische Performance. Die Reduzierung des Öffnungswinkels des Lichtstrahls ist notwendig, um die großen Reichweiten und hohen Auflösungen zu erreichen. Dies ist bei Lichtwellenleitern nur durch den Einsatz zusätzlicher Vorsatzlinsen möglich, die aufgrund ihrer mechanischen Abmessungen den Platzvorteil, zumindest teilweise, zunichtemachen.

 

Strom statt Licht

Eine technische Alternative bietet ein System das Strom statt Licht überträgt. Die sogenannte Micromote-Serie (Der Name „MICROmote“ setzt sich aus „Microsensor“ und „Remote Amplifier“ zusammen) liefert dem Anwender eine besonders hohe optische Leistung auf kleinem Raum, die sie besonderen miniaturisierten LED, Fotodioden und Fototransistoren verdankt. Aufgrund des Baukastenprinzips kann der Anwender für nahezu jede Applikation schnell die richtige Lösung finden.

Beide Systeme, Lichtwellen­leitersysteme und Micromote-Serie ähneln sich im Grundaufbau. Beide Systeme verfügen über einen oder zwei Sensorköpfe und eine separate Auswerteeinheit. Jedoch wird bei der Micromote-Serie zur Applikation kein Licht übertragen, um Zustandsinformationen von der „Szene des Ereignisses“ zu bekommen, sondern Elektrizität. Das Licht wird genau dort erzeugt, wo es auch benötigt wird. Daher werden die Sensorköpfe (Sender und Empfänger) je nach Anwendung über ein flexibles, mit unterschiedlichsten Materialien ummanteltes elektrisches Kabel mit einem Verstärker verbunden. Die verwendeten Kabel bieten eine äußerst hohe Flexibilität (1,6 mm Biegeradius) und können deshalb mühelos, in Übereinstimmung mit den räumlichen Anforderungen der Maschine, verlegt werden – egal ob um Ecken oder Kanten. Außerdem hat das Kabel überragende Eigenschaften hinsichtlich Reiß- und Bruchfestigkeit (behandelte Kevlar-Litzen; PUR-Mantel). Das eingesetzte Kabel, das zum größten Teil mechanisch ermüdungsfrei ist, bietet ein zuverlässiges Mittel zur Übertragung des elektrischen Basissignals, auch in Schleppketten (4.000.000 Zyklen, Reißfestigkeit bis 90 kg). Dies ermöglicht auch die Integration von Sensorkabeln in Kabelbäumen oder ist aus diesem Grund auch optimal für Sensoranwendungen in oder an bewegten Maschinenteilen (z.B. in Robotergreifern und auf Schlitten) geeignet.

Elektrische Kupplungen für die schnelle Kabeltrennung ohne Sensorausbau

Betrachten wir noch einmal die beiden Systeme Faseroptik vs. Micromote genauer. Beim Formatwechsel ist eine schnelle Trennung der Kabel an einer geeigneten Stelle (z.B. Steckdose) die ideale Lösung. Solche Fassungen sind für Lichtwellenleiter, zumindest in wirtschaftlich vertretbarer Form, nicht verfügbar. Durch solche elektrischen Kupplungen können die Sensoren eingebaut und unverändert bleiben. Die elektrischen Leitungen zur Messstelle sind ausschließlich an der Steckverbindung getrennt. Danach können die Arbeiten an den ausgebauten Bauteilen einfach und damit schnell erledigt werden. Dann wird das Modul installiert und die Sensorleitungen wieder angeschlossen. Es ist möglicherweise nicht einmal notwendig, eine Neueinstellung des Sensorsystems durchzuführen. Außerdem kommen bei dem Micromote-Systemgedanke standardisierte M8 Steckverbinder, sowohl zur Versorgung als auch zum Sensorkopf, zum Einsatz.

Die Vorteile dieser Alternative zum Lichtwellenleitern beschränken sich jedoch nicht nur auf die Verwendung einer elektrischen Signalübertragung von Sensorkopf zu externer Auswerteeinheit. Die verwendeten LED- oder Fototransistorelemente der Micromote-Sensoren mit integrierter Hochleistungsoptik in verschiedenen Größen, die in den Sensorköpfen verbaut werden, ermöglichen bei vergleichbaren Abmessungen der Sensorelemente und größeren Objektivabständen in der Regel eine deutlich höhere Auflösung, was zu einer erheblichen Leistungsverbesserung führt. Zum anderen haben sie keinen der typischen Nachteile, die mit dem Faseroptiksystemen verbunden sind. Sie können im Gegenteil sogar entscheidende Vorteile vorweisen, wie z.B. das einfache Umsetzen von kundenspezifischen Anforderungen (z. B. Form, Material, Länge) – diese können schnell und kostengünstig realisiert werden. Dieser Ansatz stellt also sowohl für den OEM als auch für den Endverbraucher, in jeder Hinsicht, häufig die bessere Wahl dar.

BOH Lightband

Fazit

Die Miniaturisierung bleibt in nahezu allen Bereichen der elektrischen Automation der allgemeine Trend. Die Faseroptik war hier Vorreiter im Bereich der optischen Sensoren. Viele Bereiche der industriellen Automatisierung sind heute ohne Lichtwellenleiter nicht mehr denkbar, obwohl sie in einigen Bereichen erhebliche Nachteile aufweisen. Jedoch werden aufgrund seiner spezifischen Vorteile Lichtwellenleiter auch in Zukunft in vielen Bereichen die bevorzugte technische Lösung bleiben, beispielsweise in Situationen mit erhöhten individuellen Temperaturen (typische Anwendung für Faseroptik) oder in sehr starken elektromagnetischen Feldern (z.B. Schweißfeldern).

Der grundsätzliche kostengetriebene Trend zur Standardisierung bei Sensoren im Maschinen- und Anlagenbau begegnet wachsenden Anforderungen an die optische Leistungsfähigkeit. Aber auch dem Wunsch nach „designed to fit“, also nach spezifischen Sensorlösungen, die den konkreten Rahmenbedingungen des Unternehmens Rechnung tragen und in der entsprechenden Anwendung realisiert werden können, also überall dort, wo extreme Flexibilität erforderlich ist, sei es bei Sensorkabeln oder bei den verwendeten Materialien oder den optischen Bauteilen. Dort ist also der Micromotesystemansatz eine bessere Alternative zu Lichtwellenleitern.

[youtube https://www.youtube.com/watch?v=18nKPoHmwz8]

Erfahren Sie mehr über Möglichkeiten und das Produktportfolio der Micromote-Serie auf balluff.de

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