SICK Drehgeber und photoelektrische Sensoren: Leitfaden zur Bewegungs- und Objekterfassung

Drehgeber und photoelektrische Sensoren überwachen in einer Automatisierungslinie häufig dieselbe Bewegung, liefern jedoch unterschiedliche Informationen. Ein Drehgeber wandelt die Positions-, Geschwindigkeits- und Richtungsinformationen einer Welle oder einer auf einen Linearmechanismus übertragenen Drehbewegung in elektrische Signale um. Ein photoelektrischer Sensor erfasst dagegen durch das Senden und Empfangen von Licht die Anwesenheit, den Durchgang oder die Kante eines Objekts beziehungsweise ein bestimmtes Abstandsfenster. Die richtige Lösung beginnt daher nicht allein mit der Auswahl einer Erfassungsreichweite oder Impulszahl aus dem Katalog, sondern mit der Definition, welches physikalische Ereignis das Steuerungssystem mit welcher Genauigkeit und Reaktionszeit erfassen muss.

Dieser Katalog- und Auswahlleitfaden behandelt die inkrementale Drehgeberfamilie SICK DFS60 und die Familie der Miniatur-Lichtschranken und -Lichttaster W4 als zwei konkrete Beispiele. Dabei ist zu beachten, dass die auf Familienebene genannten Eigenschaften nicht bei jedem Bestellcode in derselben Kombination verfügbar sind. Wellentyp, elektrische Schnittstelle, Anschluss, Gehäusematerial, optisches Prinzip, Lichtquelle, Schaltausgang und Umgebungsbeständigkeit unterscheiden sich je nach Variante. Der endgültige Produktcode muss anhand aktueller technischer Daten, der Montageanleitung, der Eingangseigenschaften des angeschlossenen Geräts und eines realen Anwendungsmusters überprüft werden.

Definieren Sie zuerst das zu messende Ereignis und die Steuerungsentscheidung

Geschwindigkeitsregelung, Zuschnittlänge, Produktzählung und Stauüberwachung an einem Förderband erscheinen eng miteinander verbunden, erfordern jedoch unterschiedliche Sensorinformationen. Die Impulsfolge des Drehgebers ermöglicht es der Steuerung, den Bewegungsweg und anhand der Frequenz die Geschwindigkeit zu berechnen. Das Schaltsignal des photoelektrischen Sensors bestätigt hingegen, dass das Produkt einen bestimmten Punkt erreicht hat. Wird ausschließlich ein Drehgeber verwendet, bleiben Bandschlupf oder ein Zurückbleiben des Produkts auf dem Band möglicherweise unerkannt. Wird ausschließlich ein photoelektrischer Sensor verwendet, ist das detaillierte Bewegungsprofil zwischen zwei Erfassungspunkten nicht bekannt. In kritischen Prozessen ergänzen sich beide Signale und ermöglichen einen Vergleich zwischen der erwarteten Bewegung und dem tatsächlichen Produktdurchgang.

Die Angabe „Drehgeber“ oder „photoelektrischer Sensor“ im Lastenheft reicht nicht aus. Anzugeben sind die zu messende Achse, maximale und minimale Geschwindigkeit, Beschleunigung, Drehrichtung, erforderliche Auflösung, Objektgröße, Oberflächenfarbe, Glanz, Transparenz, Hintergrundabstand, Zykluszeit und zulässige Fehlerkennungsrate. Auch der Spannungspegel des Steuerungseingangs, die Zählfrequenz, der Eingangsfilter und die IO-Link-Master-Infrastruktur müssen vor der Sensorauswahl bekannt sein. So wird eine Lösung vermieden, die zwar mechanisch angeschlossen werden kann, elektrisch oder zeitlich jedoch nicht kompatibel ist.

Inkrementale Drehgeberfamilie DFS60: Die Schnittstelle ist ebenso wichtig wie die Auflösung

SICK positioniert DFS60 als programmierbare, hochauflösende inkrementale Drehgeberfamilie mit einem Gehäusedurchmesser von 60 mm. Auf der offiziellen Produktseite werden maximal 65.536 Impulse pro Umdrehung, Ausführungen mit Vollwelle, Sacklochhohlwelle und durchgehender Hohlwelle, die Schnittstellenoptionen TTL RS-422, HTL Push Pull und Sin/Cos sowie Anschlüsse über M12- oder M23-Stecker oder ein universelles Kabel als Familienmerkmale genannt. Auch die Schutzarten IP65 und IP67 werden aufgeführt. Diese Angaben beschreiben den Auswahlumfang der Produktfamilie; sie bedeuten nicht, dass alle Eigenschaften in einer einzigen Variante kombiniert sind.

Die Impulszahl bestimmt, in wie viele Abschnitte eine mechanische Umdrehung unterteilt wird, ist aber allein kein Maß für die absolute Messgenauigkeit. Wellenversatz, Kupplungsnachgiebigkeit, Lagerspiel, Vibrationen, die Zählerkapazität der Steuerung und das mechanische Übersetzungsverhältnis tragen zur gesamten Messunsicherheit bei. Eine sehr hohe Impulszahl kann die zulässige Frequenz der Eingangshardware überschreiten. Die maximale Impulsfrequenz muss aus den Impulsen pro Umdrehung und der höchsten Drehzahl berechnet und mit dem schnellen Zählereingang der Steuerung abgeglichen werden. Die A/B-Phasen liefern die Richtungsinformation; ein gegebenenfalls vorhandener Nullimpuls unterstützt die Referenzierung. Die Signalanordnung ist anhand der gewählten elektrischen Variante zu überprüfen.

Betrachten Sie die mechanische Anbindung als Teil der Messkette

Ein Drehgeber mit Vollwelle muss über eine geeignete Kupplung mit der Motor- oder Maschinenwelle verbunden werden. Eine starre Verbindung ohne Versatzausgleich kann die Drehgeberlager mit unerwünschten radialen oder axialen Kräften belasten. Bei Hohlwellenmodellen werden Wellendurchmesser, Klemmelement und Drehmomentstütze aufeinander abgestimmt ausgewählt. Die Rechtwinkligkeit der Montagefläche, der Wellenrundlauf und der zulässige Kupplungsversatz müssen innerhalb der Herstellergrenzen liegen. Das Kabel darf nicht so gespannt sein, dass es ein Drehmoment auf das Drehgebergehäuse ausübt; in vibrationsbelasteten Bereichen sind eine geeignete Befestigung und ausreichende Biegereserven vorzusehen.

Die Gehäuseschutzart ist nur bei korrekter Montage und passender Anschlussverbindung aussagekräftig. Ein offener Steckverbinder, eine beschädigte Dichtung oder eine falsch angezogene Kabelverschraubung bieten nicht denselben Schutz. In Bereichen mit Reinigung durch Abspritzen, hoher chemischer Belastung oder zu erwartender Korrosion können die Edelstahlvarianten DFS60 Inox gesondert geprüft werden. Die Materialverträglichkeit muss jedoch anhand der verwendeten Chemikalien, der Temperatur und des Reinigungsverfahrens bestätigt werden. Mechanische Daten und Umgebungsdaten des Standard-DFS60 dürfen nicht auf die Inox-Variante übertragen werden und umgekehrt.

Programmierung reduziert die Ersatzteilvielfalt, erfordert aber eine disziplinierte Konfiguration

Dass sich bei bestimmten Varianten der DFS60-Familie Parameter wie Auflösung, Zählrichtung und Nullimpuls programmieren lassen, kann einen einheitlichen Hardwareansatz für unterschiedliche Anwendungen unterstützen. Die SICK Produktseite nennt das Handgerät PGT-10-Pro und das PC-basierte Werkzeug PGT-08-S als Programmieroptionen. Die Programmierbarkeit erhöht jedoch zugleich die Bedeutung der Produktkennzeichnung und des Sicherungsprozesses. Zwei Drehgeber mit identischer Hardware können bei unterschiedlicher Parametrierung ein völlig anderes Steuerungsverhalten verursachen.

Die bei der Inbetriebnahme verwendete Parameterdatei, der Produktcode, die Firmware- oder Werkzeugversion und das Änderungsdatum müssen in die Wartungsdokumentation aufgenommen werden. Nach einem Austausch sind nicht nur die mechanische Montage, sondern auch Ausgangspegel, Impulszahl, Richtung, Referenzsignal und Skalierungsfaktor in der Steuerung durch einen Funktionstest zu überprüfen. Wird eine Variante mit Fernrücksetzfunktion eingesetzt, sind elektrische und softwareseitige Maßnahmen gegen ein unbeabsichtigtes Auslösen des betreffenden Eingangs zu prüfen.

Miniatur-Lichtschranken und -Lichttaster W4: unterschiedliche optische Aufgaben im kompakten Gehäuse

Die SICK W4-Familie bietet zahlreiche Gehäuse-, Material- und Lichtquellenoptionen zur Erfassung unterschiedlicher Objekteigenschaften bei begrenztem Einbauraum. Die offizielle Familienseite nennt optische Ansätze wie DoubleLine, ClearSens, V-Optik und Spot Size Recognition, Funktionen wie zwei unabhängige Schaltpunkte, schnelle Abstandswertausgabe und DustAlert sowie die Lichtquellenoptionen PinPoint-Pro, PinPoint, Infrarot-LED und Rotlichtlaser. IO-Link, eine optische Ausrichthilfe und Bedienelemente am Gerät unterstützen je nach Variante die Inbetriebnahme und Diagnose.

„Photoelektrischer Sensor“ bezeichnet kein einheitliches Erfassungsprinzip. Bei einer Einweg-Lichtschranke befinden sich Sender und Empfänger in zwei getrennten Gehäusen; das Objekt wird erkannt, sobald es den Lichtweg unterbricht. Bei einer Reflexions-Lichtschranke befinden sich Sender und Empfänger im selben Gehäuse, gegenüber ist ein Reflektor angeordnet. Ein Reflexions-Lichttaster wertet das vom Objekt zurückgeworfene Licht aus; eine Ausführung mit Hintergrundausblendung hilft, Zielobjekt und Hintergrund anhand des Abstands zu unterscheiden. Das geeignete Prinzip wird anhand von Objektoberfläche, Montagezugänglichkeit, Verkabelung, Erfassungsreichweite und Risiko unerwünschter Reflexionen ausgewählt.

Bewerten Sie Objekt und Hintergrund anhand realer Muster

Dunkle, glänzende, gelochte, unebene oder transparente Produkte stellen unterschiedliche optische Herausforderungen dar. Dunkle Oberflächen werfen wenig Licht zurück, während glänzende Oberflächen den Empfänger durch direkte Reflexion täuschen können. Ein gelochtes Objekt kann einen kleinen Lichtfleck intermittierend passieren lassen und dadurch ein Flattern des Ausgangssignals verursachen. Transparente Folien, Flaschen oder Schalen erzeugen bei einem Standard-Reflexions-Lichttaster möglicherweise keinen ausreichenden Kontrast. Die geeignete Technologie und Lichtquelle innerhalb der W4-Familie müssen mit dem Zielmuster und dem Hintergrund bei unterschiedlichen Abständen und Winkeln getestet werden.

Die Lichtfleckgröße ist zusammen mit dem kleinsten zu erfassenden Detail und dem Arbeitsabstand zu betrachten. Ein sehr kleiner Lichtfleck kann eine feine Kante erfassen, bei Vibrationen oder gelochten Oberflächen jedoch stärker schwankende Ergebnisse liefern. Eine Linienoptik kann auf unregelmäßigen Oberflächen eine stabilere Abtastung ermöglichen. Die Erfassungsreichweite sollte nicht anhand des maximalen Katalogwerts gewählt werden; für einen zuverlässigen Betrieb sind Reserven für Ausrichttoleranzen, Verschmutzung und das geringste Reflexionsvermögen des Zielobjekts vorzusehen. Nahe gelegene glänzende Maschinenteile und das Licht gegenüberliegender Sensoren sind ebenfalls in die Testszenarien einzubeziehen.

Betrachten Sie IO-Link nicht nur als Kommunikationskabel

Bei geeigneten W4-Varianten kann IO-Link die Verwaltung der Sensorparameter über das Steuerungssystem sowie den Abruf von Abstands-, Remissions-, Betriebsstunden- oder Diagnoseinformationen unterstützen. Diese Struktur ist wertvoll für das rezeptabhängige Laden von Parametern bei Produktwechseln, die Überwachung der Erfassungsqualität und die Weiterleitung von Verschmutzungswarnungen an das Wartungssystem. Das Vorhandensein von IO-Link bedeutet jedoch nicht, dass alle W4-Produkte dieselben Prozessdaten und Funktionen bieten. Gerätebeschreibungsdatei, Prozessdatenlänge, Zykluszeit, Portklasse und Master-Kompatibilität müssen für den jeweiligen Bestellcode überprüft werden.

Die PNP- oder NPN-Ausführung des Schaltausgangs, das Ein-/Ausschaltverhalten, das Anschlussschema und der Laststrom müssen auf den PLC-Eingang abgestimmt werden. Teach-in oder Einstellungen am Gerät werden im Inbetriebnahmeprotokoll dokumentiert. Auch bei Verwendung von IO-Link müssen ein sicherer Standardzustand, das Verhalten bei Verbindungsverlust und die Prüfung der Wertegültigkeit im PLC-Programm definiert werden. Das Signal eines Standard-Photoelektriksensors darf nicht als Ersatz für eine sicherheitszertifizierte Schutzeinrichtung verwendet werden.

Kombinierter Einsatz: Vergleichen Sie die erwartete Bewegung mit dem tatsächlichen Produkt

In einer Schneid-, Etikettier- oder Verpackungsmaschine berechnet der Drehgeber aus der Bandbewegung die theoretische Produktposition; der photoelektrische Sensor erfasst die tatsächliche Vorderkante des Produkts und überprüft damit die zeitliche Abstimmung. Die PLC kann durch Überwachung der Differenz zwischen beiden Signalen Schlupf, eine unterbrochene Bewegungsübertragung oder einen Produktstau diagnostizieren. Bei diesem Ansatz müssen die Schaltverzögerung des photoelektrischen Sensors und die Drehgeberskalierung ausdrücklich in der Steuerungslogik berücksichtigt werden. Statt die Sensorposition unbegrenzt über einen Software-Offset zu korrigieren, sollte die mechanische Montagereferenz beibehalten werden.

Bei variabler Geschwindigkeit kann eine Steuerung, die ausschließlich mit einer festen Zeitverzögerung arbeitet, zu Positionsfehlern führen. Eine drehgeberbasierte Wegauslösung hält den physischen Abstand trotz Geschwindigkeitsänderungen konstanter; der photoelektrische Sensor bestätigt, dass das Produkt tatsächlich vorhanden ist. Für zuverlässige Ergebnisse wird jedes Signal hinsichtlich Zeitstempel, Eingangsfilter und PLC-Taskzyklus bewertet. Bei sehr schnellen Objekten müssen die Sensoransprechzeit und die minimale Ausgangsimpulsbreite innerhalb der von der Steuerung erfassbaren Grenzen liegen.

Abnahmeplan für Inbetriebnahme und Wartung

Bei der Inbetriebnahme des Drehgebers werden mechanischer Versatz, fester Sitz der Verbindungen und Kabelschirmung überprüft. Bei niedriger Geschwindigkeit werden Richtung und Impulszählung getestet, anschließend bei Höchstgeschwindigkeit Frequenz und Signalstabilität. Nach dem Aus- und Wiedereinschalten der Spannungsversorgung wird der Referenzierungsablauf beobachtet. Beim photoelektrischen Sensor werden die hellsten, dunkelsten, glänzendsten und transparentesten Muster sowie das leere Band, unterschiedliche Hintergründe und die zu erwartenden Verschmutzungsbedingungen getestet. Die gleichzeitige Beobachtung der Sensor-LED und des PLC-Eingangs erleichtert die Unterscheidung zwischen optischer Erfassung und Programmverhalten.

Der Wartungsplan beschränkt sich nicht auf den Austausch nach einem Ausfall. Drehgeberkupplung, Wellenverbindung, Kabel und Steckverbinder werden regelmäßig auf mechanische Schäden geprüft. Die Linsen der optoelektronischen Sensoren werden mit einem geeigneten Verfahren gereinigt; Reflektor, Halterung und Ausrichtung werden kontrolliert. Sicherungskopien der Einstellungen parametrierbarer Geräte werden versionskontrolliert aufbewahrt. Nach einem Austausch werden Konfiguration, Verdrahtung und Funktionsprüfung erneut durchgeführt, auch wenn der Produktcode identisch erscheint.

Erforderliche Daten für Angebot und Auswahl

1. Funktion angeben: Geben Sie an, ob Geschwindigkeit, Position, Zählung, Anwesenheit, Kantenerkennung oder Synchronisation benötigt wird.
2. Bewegungsprofil angeben: Teilen Sie Wellendurchmesser, Drehzahl, Beschleunigung, Drehrichtung, mechanische Übertragung und zulässigen Versatz mit.
3. Zu erfassende Objekte definieren: Geben Sie die kleinsten und größten Abmessungen an und stellen Sie Beispiele für Farbe, Glanz, Transparenz, Oberfläche und Hintergrund bereit.
4. Steuerungsschnittstelle angeben: Geben Sie Versorgung, TTL/HTL/Sin-Cos, Eingangsfrequenz, PNP/NPN, IO-Link-Master und Kabellänge an.
5. Umgebungsbedingungen erfassen: Geben Sie Temperatur, Wasser, Staub, Öl, Chemikalien, Vibrationen, Umgebungslicht und Reinigungsverfahren an.
6. Einbauraum vermessen: Bewerten Sie Flansch, Welle, Halterung, Steckverbinderabgang, Kabelbiegung und Wartungszugang dreidimensional.
7. Abnahmekriterien festlegen: Definieren Sie den zulässigen Zähl-/Positionsfehler, zulässige Fehlerkennungen, die maximale Geschwindigkeit und das Verhalten nach einem Fehler.

Oskon beginnt die Auswahl von Drehgebern und optoelektronischen Sensoren nicht beim Produktnamen, sondern bei der Messkette. Ziel ist nicht die Auswahl des höchsten Katalogwerts, sondern eine Lösung, die innerhalb der mechanischen, optischen und elektrischen Grenzen reproduzierbare Daten liefert, korrekt in das Steuerungssystem integriert ist und vor Ort getestet werden kann. Produktverfügbarkeit und Lieferzeit werden zum Angebotsdatum gesondert bestätigt; dieser Leitfaden enthält keine Zusage zur Lagerverfügbarkeit oder zur automatischen Eignung für die Anwendung.