6.4.1 Berührungslose Pneumatik Sensoren
Im Rahmen einer Steuerungsaufgabe kommt es häufig vor, daß die Lage oder das Vorhandensein eines Bauteiles oder Werkstückes überprüft werden muß. Als besonders geeignet haben sich berührungslos arbeitende Signalgeber erwiesen. Sie beeinflussen die Bewegung eines Objektes, daß sich in ihrem Meßraum befindet, in einem vernachlässigbaren Ausmaß. Man unterscheidet Luftschranken, Staudruckdüsen und Reflexaugen. Jedes dieser drei Bauelemente hat seinen speziellen Einsatzbereich.
a) Luftschranken
Bei einer Luftschranke sind Sender und Empfängerdüse erforderlich, beide Düsen müssen koaxial angeordnet sein, denn der am Sender austretende Luftstrahl soll beim Empfänger wieder eintreten. Behindert ein Bauteil oder Werkstück diesen Luftstrom, dann liegt am Empfänger kein Druck vor. Dieser Zustand wird in der Signalverarbeitung weiterverwendet.
Symbol& Grundform:
Bild 6.8 Einfachste Bauart einer Luftschranke
Eine fast immer anzutreffende Ausführungsform stellt die Gabelluftschranke dar, sie ist in Bild 6.9 dargestellt. Sender und Empfänger sind in einem Bauteil vereint, was sich auf Grund des maximal zulässigen, kleinen Abstandes zwischen Sender und Empfänger anbietet.
Symbol Gabelluftschranke:
Bild 6.9 Gabelluftschranke
Luftschranken geben Signale ab, wenn ein Luftstrahl unterbrochen oder gestört wird.
Anwendung gewöhnlicher Luftschranken nach Bild 6.8 und 6.9 :
Bild 6.10 Anwendung einfacher Luftschranken
Diese Steuerung arbeitet ähnlich wie eine elektrische Lichtschrankensteuerung. Wenn der Luftstrom unterbrochen wird, fällt der Druck in der Empfängerleitung ab, das Signal schaltet ein Ventil. Eher selten haben Luftschranken einen Empfänger der nicht mit Druck beaufschlagt ist.
Tritt ein Objekt zwischen Sender und Empfänger, so wird das Signal gelöscht. Der Druck des Luftstromes beträgt zwischen 0,1 und 2,5 bar. Die Meßluft soll wasser- und ölfrei sein, die Luftschranke wird über einen Niederdruckregler versorgt. Um einwandfreies Arbeiten zu gewährleisten, muß der Abstand zwischen Sender und Empfänger weniger als 100 mm betragen. Oft sind Sender und Empfänger ein einem Bauteil vereint ( Gabelluftschranke). Eine Verbesserung der Grundversion erhält man durch Druckbeaufschlagung von beiden Bauteilen, sowohl Sender als auch Empfänger. Eine mögliche Schaltung wird in Bild 6.11 gezeigt.
Steuerung mit beidseitiger Druckbeaufschlagung:
Bild 6.11 Luftschranke mit beidseitiger Druckbeaufschlagung
Die Senderdüse weist einen kleineren Durchmesser als die Empfängerdüse auf. Der beim Sender austretende Luftstrahl hat einen Druck von bis zu 4 bar, der Druck des beim Empfänger vorhandenen Luftstrahles beträgt 0,5 - 0,8 bar. Wenn kein Objekt den Weg der beiden Strahlen kreuzt, hält der größere Senderdruck das Ventil geschaltet, wird der Strahl unterbrochen, kann das Ventil schalten. Eine solche Anordnung wurde z.B. in einem Stahlwerk für ein automatisches Schneidwerk verwendet, wo der Funkenflug einer Trennscheibe zu einer Verschmutzung des Empfängers geführt hätte. Dies ist nun nicht der Fall, weil der permanente Luftstrom durch die Empfängerdüse für eine Selbstreinigung sorgt. Bei dieser speziellen Anwendung wurde die Luftschranke als Endschalter für die Trennscheibe verwendet, andere Endschalter hätten wegen der Abnützung der Scheibe immer wieder nachgestellt werden müssen, oder sind wegen den schlechten Umgebungsbedingungen nicht zweckmäßig gewesen.
Eine Weiterentwicklung dieser Bauarten stellt die Luftschranke dar, wo der Empfänger mit Druck versorgt wird, und entweder am Sender oder am Empfänger ein Signalausgang vorhanden ist. In Bild 6.12 sind zwei mögliche Ausführungsformen dargestellt. Hier führt das Aufeinandertreffen zweier Drucksignale, die meist durch Drosselung ein unterschiedliches Druckniveau aufweisen, zu einem Rückstau,und am Signalausgang baut sich ein Druck auf. Werden die Luftstrahlen von einem Körper behindert, dann existiert auch kein Rückstau durch den höheren Druck der Senderdüse. Der schwache Luftstrom des Empfängers strömt aus, am Signalausgang liegt kein relevanter Druck vor.
In Ausführungsform Gabelluftschranke links, Sender -Empfänger getrennt rechts:
Bild 6.12 Bauarten mit Druckausgängen am Sender und Empfänger
Das Signal dieser Bauelemente muß verstärkt werden. Eine Schaltungsmöglichkeit derartiger Bauteile ist in Bild 6.13 dargestellt.
Schaltungsanordnung:
Bild 6.13 Anwendungsmöglichkeit für die Bauarten nach Bild 6.12
Wird in Bild 6.13 der Luftstrahl in der Luftschranke 1.2 unterbrochen, so entsteht ein Differenzdruck am Hauptventil 1.1, und dieses kann durch den Federdruck umschalten, der Zylinder fährt aus. Solange der Luftstrahl unterbrochen bleibt, verharrt das System in diesem Zustand. Erst wenn die Luftschranke freigegeben ist, kann das System seinen Ausgangszustand einnehmen.
Alle bisher vorgestellten Systeme haben gemeinsam, daß der Abstand zwischen Sender und Empfängerdüse, der zugleich die Größe des erfaßbaren Objektes festlegt, relativ klein sein muß, um das Funktionieren der Schranke zu gewährleisten. Will man größere räumliche Abstände überwachen, so bedient man sich einer Kreuzstrahlluftschranke, das Schema ist in Bild 6.14 dargestellt.
Die beiden aus der Gabelluftschranke austretenden Strahlen werden von einem dritten Strahl unterbrochen. Die Gabelluftschranke und die Düse, aus der der dritte Strahl stammt, bilden zusammen die Kreuzstrahlluftschranke. Der Signalausgang ist drucklos. Lenkt ein Körper den Störstrahl, der aus der Einzeldüse kommt ab, dann kann sich am Signalausgang A durch den Rückstau der beiden Gabelluftstrahlen ein Druck aufbauen.
Kreuzstrahlluftschranke: Symbol:
Bild 6.14 Prinzip einer Kreuzstrahlluftschranke
Eine Verschaltungsmöglichkeit zeigt Bild 6.15. Durch Drosseln der Versorgungsdrücke von Gabelluftschranke und Einzeldüse ist die überbrückbare Entfernung einstellbar .
Anordnung:
Bild 6.15 Schaltung einer Kreuzstrahlluftschranke
Luftschranken werden eingesetzt, wenn zwischen der Anwesenheit oder der Abwesenheit eines Objektes im Meßbereich entschieden werden soll. Die Lage von Teilen kann durch Bauteilbesonderheiten (Ausbuchtungen, Nasen, etc.) festgestellt werden.
b) Staudruckdüsen
Bei einer Staudüse baut sich ein Druck in der Signalleitung auf, wenn ein Objekt direkt vor die Düse geschoben wird, d.h. der von der Zuleitung stammende Luftstrom kann nicht oder nur schlecht aus der Düse austreten, und nimmt den Weg durch die Signalleitung. Staudüsen werden mit Druck von 0,1 - 0,8 bar versorgt. Um den Luftverbrauch zu senken sollte die Schaltung so gestaltet werden, daß die Düse nur dann mit Luft versorgt wird, wenn das Signal von Interesse ist. Das Signal der Versorgungsleitung könnte beispielsweise durch eine Kaskadenschaltung abgeschaltet werden - siehe Kapitel 7 . Das Prinzip der Funktion ist in Bild 6.16 dargestellt.
Bild 6.16 Schema einer Staudruckdüse
Eine mögliche Schaltungsanordnung zeigt Bild 6.17
Schaltung:
Abb. 6.17 Anwendungsmöglichkeit von Staudruckdüsen
Nähert sich in Bild 6.17 ein Objekt der Staudruckdüse, so führt ihr Ausgangssignal zu einem Umschalten des Hauptventiles 1.1, soferne kein Signal durch 1.3 anliegt. Einen solchen Zustand würde man Signalüberschneidung nennen - siehe Kapitel 7.
Das Ventil 1.3 löst das Ausfahren des Zylinders aus.
Staudruckdüsen werden im Allgemeinen zum Überprüfen von Endlagen verwendet.
c) Reflexaugen
Bei den Reflexdüsen, tritt der zugeleitete Luftstrom aus einer Ringdüse aus. Trifft er auf ein den Luftstrahl reflektierendes Objekt, so wird die Luft in die Signalleitung zurückgeworfen. Der Speisedruck beträgt ca 0,2 bar. Es kommt zu einer Signalabgabe bei Annäherung an die Düse im Abstand von 1 bis 6 mm, bei Sonderausführungen maximal 20 mm.
Da der Druck am Reflexdüsenausgang stark entsprechend der Lage des sich annähernden Teiles variiert können Lageänderungen von bis zu 0,1 - 0,2 mm erkannt werden. Reflexdüsen sind sehr empfindliche Signalgeber, die nur in einem genau vorbestimmten Abstand zum Meßobjekt exakt arbeiten können. Dieser Abstand ist im Firmenkatalog ersichtlich, üblich sind Werte von 3mm, 4.5 mm, 5.5 mm, 6.5 mm .
Bild 6.18 Prinzipskizze eines Reflexauges
Eine Schaltungsmöglichkeit wird in Bild 6.19 gezeigt.
Anwendungsmöglichkeit:
Bild 6.19 Schaltungsmöglichkeit eines Reflexauges
Das Vorhandensein eines Körpers vor der Reflexdüse löst ein Signal aus, wodurch das Hauptventil 1.1 umschaltet, und der Zylinder ausfährt. Erst wenn der Körper wieder einen Abstand zur Reflexdüse eingenommen hat, sodaß er sie nicht beeinflußt, kann der Zylinder wieder einfahren.
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