Sensoren für die Handhabungs- und Bearbeitungstechnik. Näherungsschalter. Lehrbuch FP DE

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1 Sensoren für die Handhabungs- und Bearbeitungstechnik Näherungsschalter Lehrbuch FP DE

2 Bestell-Nr.: Benennung: NAEH-SCH.LHRBCH Bezeichnung: D.LB-FP 1110-DE Stand: 09/2003 Autoren: Frank Ebel, Siegfried Nestel Grafik: Bärbel Böhland, Frank Ebel Layout: , Beatrice Huber, Anita Nrecaj Festo Didactic GmbH & Co. KG, Denkendorf, 2003 Internet: Weitergabe sowie Vervielfältigung dieses Dokuments, Verwertung und Mitteilung seines Inhalts verboten, soweit nicht ausdrücklich gestattet. Zuwiderhandlungen verpflichten zu Schadenersatz. Alle Rechte vorbehalten, insbesondere das Recht, Patent-, Gebrauchsmuster- oder Geschmacksmusteranmeldungen durchzuführen.

3 Inhalt Hinweise zur Konzeption des Buches 9 1 Einleitung Die Bedeutung der Sensortechnik Begriffe Sensor Sensorelement Sensorsystem Multisensorsystem Die typischen Ausgangssignale von Sensoren Binär- und Analogsensoren Binärsensoren Analogsensoren Näherungsschalter Übersicht Positionssensoren Betriebsspannungen Einsatzgebiete von Näherungsschaltern 18 2 Mechanische Positionsschalter Mechanisch-elektrische Positionsschalter Funktionsweise Technische Eigenschaften Einsatzhinweise Anwendungsbeispiele Mechanisch-pneumatische Positionsschalter Funktionsweise Technische Eigenschaften Einsatzhinweise Anwendungsbeispiele Aufgaben 33 Festo Didactic GmbH & Co. KG FP

4 Inhalt 3 Magnetische Näherungsschalter Reed-Näherungsschalter Funktionsweise Technische Eigenschaften Einsatzhinweise Anwendungsbeispiele Magnetisch-kontaktlose Näherungsschalter Funktionsweise Technische Eigenschaften Einsatzhinweise Anwendungsbeispiele Magnetisch-pneumatische Näherungsschalter Funktionsweise Technische Eigenschaften Einsatzhinweise Anwendungsbeispiele Aufgaben 47 4 Induktive Näherungsschalter Funktionsweise Technische Eigenschaften Einsatzhinweise Anwendungsbeispiele Aufgaben 58 5 Kapazitive Näherungsschalter Funktionsweise Technische Eigenschaften Einsatzhinweise Anwendungsgesichtspunkte Anwendungsbeispiele Aufgaben 69 4 Festo Didactic GmbH & Co. KG FP 1110

5 Inhalt 6 Optische Näherungsschalter Allgemeine Eigenschaften Sende- und Empfangselemente in optischen Näherungsschaltern Aufbau optischer Näherungsschalter Betriebsreserve optischer Näherungsschalter Varianten von optischen Näherungsschaltern Einweg-Lichtschranken Funktionsweise Technische Eigenschaften Einsatzhinweise Anwendungsbeispiele Reflex-Lichtschranken Funktionsweise Technische Eigenschaften Einsatzhinweise Anwendungsbeispiele Reflex-Lichttaster Funktionsweise Technische Eigenschaften Einsatzhinweise Anwendungsbeispiele Optische Näherungsschalter mit Lichtleitern Funktionsweise Technische Eigenschaften Einsatzhinweise Anwendungsbeispiele Aufgaben Ultraschall-Näherungsschalter Funktionsweise Technische Eigenschaften Einsatzhinweise Mindestabstände Erforderliche Mindestgröße des Objektes Art des Objektes Kleinstmögliche Entfernung des Objektes Lage des Objektes Einfluss von Umgebungstemperatur, Feuchte, Luftdruck Umlenkung des Ultraschallstrahls Einfluss der Objekttemperatur Einfluss von Umgebungsgeräuschen Anwendungsbeispiele Aufgaben 117 Festo Didactic GmbH & Co. KG FP

6 Inhalt 8 Pneumatische Näherungsschalter Allgemeine Eigenschaften Staudrucksensoren (Staudüsen) Ringstrahlsensoren Luftschranken Einsatzhinweise Kennlinien pneumatischer Näherungsschalter Kennlinien von Staudruckgeber Kennlinien von Ringstrahlsensoren Kennlinien von Luftschranken Anwendungsbeispiele Aufgaben Auswahlkriterien für Näherungsschalter Objektmaterial Bedingungen zur Abfrage des Objektes Installationsbedingungen Umwelteinflüsse Schutzvorschriften Näherungsschalterangebot Anschluss- und Schaltungstechnik Anschlussarten Zwei-Draht-Technik Drei-Draht-Technik Vier- und Fünf-Draht-Technik Anschlussbezeichnung Plusschaltende und minusschaltende Ausgänge PNP-Ausgang NPN-Ausgang Schaltungstechnik Parallel- und Reihenschaltung von Näherungsschaltern Parallelschaltung von Näherungsschaltern in Zwei-Draht-Technik Parallelschaltung von Näherungsschaltern in Drei-Draht-Technik Reihenschaltung von Näherungsschaltern in Zwei-Draht-Technik Reihenschaltung von Näherungsschaltern in Drei-Draht-Technik Anschlusstechnik unter starker elektromagnetischer Beeinflussung Anschluss von Steuerungen, Relais und Anzeigeelementen Anforderungen an die Stromversorgung Festo Didactic GmbH & Co. KG FP 1110

7 Inhalt 11 Physikalische Grundlagen Grundlagen induktiver und kapazitiver Näherungsschalter Induktive Näherungsschalter Kapazitive Näherungsschalter Grundlagen magnetischer Näherungsschalter Dauermagnetismus Elektromagnetismus Nachweis von Magnetfeldern Grundlagen der Ultraschall-Näherungsschalter Ultraschallerzeugung Dämpfung von Ultraschall in Luft Ultraschall-Näherungsschalter Grundlagen der optischen Näherungsschalter Reflexion Brechung Totalreflexion Fotoelektrische Bauelemente Lichtleiter Schaltzeichen der Näherungsschalter Schaltzeichen nach DIN Beispiele für Schaltzeichen Begriffe aus dem Gebiet der Näherungsschalter Allgemeine Begriffe Begriffe für geometrische Kennwerte Begriffe der elektrischen Kennwerte Begriffe für Funktionsverhalten, Funktionszeiten Betätigungscharakteristiken von mechanisch-elektrischen Positionsschaltern Begriffe für Umgebungsbedingungen Normen und Schutzarten Normen Schutzarten Farbkennzeichnung Farbkurzzeichen nach DIN IEC Farbkennzeichnung nach EN Nummerische Bezeichnung nach EN Bauformen der Näherungsschalter 218 Festo Didactic GmbH & Co. KG FP

8 Inhalt 15 Spezialausführungen und Varianten von Näherungsschaltern Varianten induktiver Näherungsschalter Beispiel einer Universal-Zweidrahtausführung: Quadronorm von IFM Näherungsschalter zur Anwendung in explosionsgefährdeten Anlagen Magnetfeldfeste (schweißfeste) induktive Näherungsschalter Induktive Näherungsschalter für erhöhten Temperaturbereich Induktive Näherungsschalter für erhöhten Druckbereich Induktive Näherungsschalter mit großem Schaltabstand Induktive Näherungsschalter mit hoher Schaltfrequenz Induktiver Näherungsschalter mit Leerrücklauffunktion Selbstüberwachende Näherungsschalter Induktive Näherungsschalter mit selektivem Materialverhalten Induktive Näherungsschalter mit materialunabhängigem Schaltabstand Ringförmige induktive Näherungsschalter Schlitzförmige induktive Näherungsschalter Induktive Näherungsschalter zur Bohrerbruchkontrolle Varianten optischer Näherungsschalter Gabellichtschranken Rahmenlichtschranken Laser-Lichtschranken Reflex-Lichtschranken mit Polarisationsfiltern Druckmarkentaster Lumineszenztaster Winkellichttaster Lichtschranken für Unfallschutz Dynamische Lichtschranken Lösungen Lösungen zu den Aufgaben aus Kapitel Lösungen zu den Aufgaben aus Kapitel Lösungen zu den Aufgaben aus Kapitel Lösungen zu den Aufgaben aus Kapitel Lösungen zu den Aufgaben aus Kapitel Lösungen zu den Aufgaben aus Kapitel Lösungen zu den Aufgaben aus Kapitel Bildnachweis Stichwortverzeichnis Festo Didactic GmbH & Co. KG FP 1110

9 Hinweise zur Konzeption des Buches Der vorliegende Band ist Bestandteil des Funktionspaketes FP 1110 Näherungsschalter innerhalb des Lernsystems Automatisierung und Technik der Firma Festo Didactic GmbH & Co. KG. In diesem Band wird der Lernende mit dem Themenkreis Näherungsschalter vertraut gemacht. Das Funktionspaket dient sowohl zur Unterstützung von Aus- und Weiterbildungsprogrammen als auch zum Selbststudium. Das Funktionspaket besteht aus einem Gerätesatz und Lernunterlagen. Zunächst erfolgt eine Einführung in das Gebiet der Näherungsschalter mit Hinweisen auf die Anwendung, die Funktionsweise und die charakteristischen Eigenschaften. Es werden die notwendigen Grundkenntnisse vermittelt. Mit Hilfe von Übungsaufgaben wird der Lernende zum selbständigen Lösen von Näherungsschalter-Einsatzfällen geführt. Diese Übungsaufgaben werden im Lösungsteil beispielhaft gelöst. Anschließend werden die physikalischen und technischen Grundlagen der einzelnen Näherungsschaltertypen behandelt. Eine Zusammenstellung der Fachbegriffe sowie eine Übersicht über Normen zum Thema Näherungsschalter folgen. Zur Vertiefung sind außerdem Beispiele von speziellen Varianten von Näherungsschaltern angegeben. Das Register am Schluss des Buches ermöglicht Ihnen das Auffinden von Informationen anhand von Stichworten. Zur Durchführung von praktischen Übungen mit den Gerätesätzen des Funktionspaketes FP 1110 stehen als separate Ergänzung ein Arbeitbuch (Bestell-Nr ) mit Aufgabensammlung und Datenblätter zur Verfügung. Festo Didactic GmbH & Co. KG FP

10 10 Festo Didactic GmbH & Co. KG FP 1110

11 1. Einleitung 1.1 Die Bedeutung der Sensortechnik Die zunehmende Automatisierung von komplexen Fertigungsstrukturen erfordert Bauteile, die es ermöglichen, die zum Fertigungsprozess gehörenden Daten und Informationen elektronisch zu erfassen und geeignet weiterzuleiten. Sensoren erfüllen diese Voraussetzungen und sind daher in den letzten Jahren in starkem Maße zu wichtigen Gliedern der Mess-, Steuer- und Regelungstechnik geworden. Von den Sensoren erhält der nachfolgende Prozessor Informationen über die einzelnen Prozessgrößen. Prozesszustandsgrößen sind z.b. physikalische Größen wie Temperatur, Druck, Kraft, Länge, Drehwinkel, Behälterfüllstand, Durchfluss usw. Für die meisten physikalischen Größen gibt es Sensoren, die empfindlich auf eine dieser Größen reagieren und entsprechende Signale weitergeben. 1.2 Begriffe Sensor Ein Sensor ist ein technischer Wandler, welcher eine physikalische Größe (z.b. Temperatur, Abstand, Druck) in eine andere, besser auswertbare Größe (meist in ein elektrisches Signal) umsetzt. Andere Bezeichnungen für Sensoren sind: Messwertaufnehmer, Messfühler, Messwandler, Detektoren, Transducer. Die Bezeichnung Messwertgeber sollte vermieden werden. Ein Weggeber im Sinne eines Sensors erzeugt beispielsweise keinen Weg, sondern nimmt die Größe Weg auf. Ein Sensor muss nicht immer ein elektrisches Signal erzeugen. Beispiel Pneumatische Grenztaster erzeugen ein pneumatisches Ausgangssignal (in Form einer Druckänderung). Sensoren sind Geräte, die berührend arbeiten, z.b. Grenztaster, Kraftsensoren, oder auch berührungslos, z.b. Lichtschranken, Luftschranken, Infrarot-Melder, Ultraschallsensoren, magnetische Sensoren usw. Auch ein einfacher Endschalter kann als Sensor verstanden werden. Festo Didactic GmbH & Co. KG FP

12 1. Einleitung Sensoren sind innerhalb eines gesteuerten Prozesses die Augen, die den Prozess überwachen, Störungen melden, Zustände erfassen und diese Informationen an andere Prozesskomponenten weiterleiten. Beim Menschen z.b.: Auge Gehirn (Sehzentrum) Gliedmaßen. Ein Sensor wird erst wertvoll in Verbindung mit der Verarbeitung bzw. Auswertung, z.b. Auge + Sehzentrum Mustererkennung, Farbe, 3D-Sehen, Bewegungsabläufe Sensorelement Unter einem Sensorelement wird häufig derjenige Teil eines Sensors oder Sensorsystems verstanden, welcher die Messgröße erfasst, aber noch keinen selbständigen Einsatz erlaubt, da eine zusätzliche Signalaufbereitung und Konfektionierung (Gehäuse, Anschlüsse) nötig ist Sensorsystem Ein Sensorsystem besteht aus mehreren Mess- und Auswertekomponenten, häufig mit einem wesentlichen Anteil an Signalaufbereitungsfunktionen. Die Komponenten sind oft modular und in einer Produktfamilie austauschbar. Zur Signalaufbereitung sind neben den Sensoren z.b. Signalprozessoren, Mikrorechner und datengerechte Schnittstellen vorhanden. Beispiele Bildverarbeitungssysteme mit CCD-Bildsensoren, Laser-Messsysteme, Identifikationssysteme. Sollen die Signalverarbeitungsfähigkeiten hervorgehoben werden, so ist auch von intelligenten Sensoren oder von smart sensors die Rede. 12 Festo Didactic GmbH & Co. KG FP 1110

13 1. Einleitung Multisensorsystem Sensorsystem mit mehreren gleichartigen oder verschiedenartigen Sensoren. Beispiele Temperatur- und Feuchtesensor oder Druck- und Temperatursensor, jeweils in einem gemeinsamen Gerät. Kombination mehrerer Näherungsschalter zur Form- und Materialunterscheidung von Werkstücken. Verbund mehrerer chemischer Sensoren für Gase, wobei die Sensoren überlappende Ansprechbereiche haben und in ihrer Gesamtheit durch intelligente Auswertung mehr Information liefern als einzelne Sensoren. Verwendung mehrerer menschlicher Sinnesorgane (Geruch, Geschmack, optischer Eindruck, Tastsinn der Zunge) bei der Nahrungsaufnahme. 1.3 Die typischen Ausgangssignale von Sensoren Typ A Beim Einsatz von Sensoren ist es wichtig, die verschiedenen Arten der elektrischen Ausgangssignale zu kennen. Sensoren mit Schaltsignalausgang (Binärsignalausgang). Beispiele Näherungsschalter Druckschalter Füllstandsgrenzschalter Bimetallschalter Diese Sensoren sind in der Regel unmittelbar an Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) anschließbar. Typ B Sensoren mit Impulsfolgen-Ausgang. Beispiele Inkrementale Längen- und Drehwinkelsensoren. Meist stehen SPS-kompatible Schnittstellen zur Verfügung. Anforderungen an die SPS: Hardware- und Software-Zähler mit u. U. großer Wortlänge. Festo Didactic GmbH & Co. KG FP

14 1. Einleitung Typ C Sensorelemente mit Analogausgang ohne integrierte Verstärker- und Umformelektronik, welche sehr kleine, nicht unmittelbar verwertbare analoge Ausgangssignale liefern (z.b. im Millivoltbereich) oder erst nach äußerer Beschaltung ein verwertbares Signal liefern. Beispiele Piezoresistive oder piezoelektrische Sensorelemente Pt-100- oder Thermoelemente Feldplatten- und Hall-Sensorelemente ph- und Leitfähigkeitsmesssonden Linearpotentiometer Es handelt sich häufig um Anwendungen, bei denen bei größeren Stückzahlen der Anwender eigene Elektroniklösungen wählt. Typ D Sensoren mit Analogausgang und integrierter Verstärker- und Umformelektronik, welche unmittelbar verwertbare Ausgangssignale liefern. Beispiele der Ausgangssignale 0 10 V 1 5 V V 0 20 ma 4 20 ma ma Typ E Sensoren und Sensorsysteme mit standardisierten Signalausgängen, z.b. RS-232-C, RS-422-A, RS-485 oder mit Datenbusschnittstellen wie z.b. Feldbus (Profibus, Sensor-Aktor-Bus). 14 Festo Didactic GmbH & Co. KG FP 1110

15 1. Einleitung 1.4 Binär- und Analogsensoren Binärsensoren Binärsensoren sind Sensoren, welche einen diskreten physikalischen Messwert in ein binäres Signal wandeln (in der Regel in ein elektrisches Schaltsignal mit den Zuständen EIN oder AUS ). Beispiele von Binärsensoren Grenztaster Näherungsschalter Druckschalter Füllstandsgrenzschalter Temperaturschalter Analogsensoren Analogsensoren sind Sensoren, welche einen physikalischen Messwert in ein Analogsignal wandeln (in der Regel ein elektrisches Analogsignal wie Spannung oder Strom). Beispiele von Analogsensoren Sensoren für Länge, Abstand, Weg Sensoren für Translations- und Rotationsbewegung Sensoren für Fläche, Form, Geometrie Kraftsensoren Gewichtssensoren Drucksensoren Drehmomentsensoren Durchflusssensoren (für Gase und Flüssigkeiten) Durchsatzsensoren (für feste Stoffe) Füllstandssensoren Sensoren für Temperatur und andere thermische Größen Sensoren für optische Größen Sensoren für akustische Größen Sensoren für elektromagnetische Größen Sensoren für physikalische Strahlung Sensoren für chemische Stoffe Sensoren für physikalische Materieeigenschaften Festo Didactic GmbH & Co. KG FP

16 1. Einleitung 1.5 Näherungsschalter In vorliegendem Lehrbuch stehen Sensoren für die Größe Diskrete Position im Mittelpunkt, d.h. Sensoren, welche erkennen, ob ein Objekt sich an einem bestimmten Ort befindet oder nicht. Diese Sensoren werden als Näherungsschalter bezeichnet. Solche Sensoren liefern eine Aussage Ja oder Nein, je nachdem ob die zu bestimmende Position vom Objekt eingenommen wird oder nicht. Man bezeichnet solche Sensoren, welche nur zwei Zustände melden, auch als binäre Sensoren oder auch seltener als Initiatoren. Bei vielen Fertigungseinrichtungen werden für die Rückmeldung ausgeführter Bewegungen mechanische Positionsschalter verwendet. Andere Bezeichnungen sind Mikroschalter, Endschalter oder Grenztaster. Durch das berührende Abgreifen einer Bewegung sind hier entsprechende konstruktive Voraussetzungen zu erfüllen. Außerdem sind diese Elemente einem Verschleiß ausgesetzt. Im Unterschied dazu arbeiten Näherungsschalter elektronisch und berührungslos. Die Vorteile von berührungslos arbeitenden Näherungsschaltern sind: Präzise und automatische Erfassung von geometrischen Positionen Berührungslose Erfassung von Objekten und Vorgängen; mit elektronischen Näherungsschaltern ist kein Kontakt zwischen Sensor und Werkstück erforderlich Schnelles Schaltverhalten durch die elektronisch erzeugten Ausgangssignale sind die Sensoren prellfrei und erzeugen keine Fehlimpulse Verschleißfreie Funktion elektronische Sensoren enthalten keine beweglichen Teile, die sich abnutzen können Unbegrenzte Anzahl von Schaltspielen Es existieren Ausführungen, die auch unter schwierigen Umweltbedingungen einsetzbar sind (z.b. in explosionsgefährdeter Umgebung). Aus den vorgenannten Gründen werden Näherungsschalter heute in der Industrie an vielen Stellen eingesetzt. Sie dienen der Ablaufsteuerung von technischen Anlagen. Hierbei werden sie auch zur Kontrolle und zur Sicherung des Prozessablaufes eingesetzt. Sensoren werden dabei zum frühzeitigen, schnellen und sicheren Erkennen von Störungen im Produktionsablauf verwendet. Die Verhütung von Schäden für Mensch und Maschine ist hier ein weiterer wichtiger Aspekt. Eine Reduktion der Stillstandszeiten von Maschinen lässt sich gleichfalls mit Sensoren erreichen, da Ausfälle schnell erkannt und gemeldet werden. 16 Festo Didactic GmbH & Co. KG FP 1110

17 1. Einleitung Übersicht Positionssensoren Eine Einteilung der verschiedenen Arten von berührungslos arbeitenden Positionssensoren nach ihren physikalischen Prinzipien und ihren Ausführungsformen zeigt Bild Jede Sensorart ist dabei grundsätzlich als analoger oder als binärer Sensor möglich. Hier interessieren nur die binären Ausführungsarten. analog:... Magnetische Positionssensoren Induktive Positionssensoren binär: magnetische Näherungsschalter analog:... binär: induktive Näherungsschalter kontaktbehaftet kontaktlos pneumatischer Ausgang Kapazitive Positionssensoren analog:... binär: kapazitive Näherungsschalter analog:... Optische Positionssensoren binär: optische Näherungsschalter Lichtschranken Reflex- Lichttaster Einweg, mit/ohne LWL Reflex, mit/ohne LWL mit LWL ohne LWL analog:... Ultraschall Positionssensoren binär: Ultraschall Näherungsschalter Ultraschall-Schranken Ultraschall-Taster Pneumatische Positionssensoren binär: pneumatische Näherungsschalter Staudrucksensoren Ringstrahlsensoren Luftschranken Bild 1.5.1: Einteilung der Sensoren zur Positionserfassung (LWL = Lichtwellenleiter) Festo Didactic GmbH & Co. KG FP

18 1. Einleitung Betriebsspannungen In europäischen Ländern werden Näherungsschalter überwiegend mit nominal 24 V Gleichspannung betrieben, wobei die Sensoren meist für den Bereich V oder V ausgelegt sind. In Südostasien, in Nord- und Südamerika sowie in Australien und Südafrika wird ein Anteil von schätzungsweise 30 % an induktiven und optischen Näherungsschaltern mit Wechselspannungsanschluss eingesetzt. Induktive, kapazitive und optische Näherungsschalter sind meist sowohl für Gleichspannung als auch für Wechselspannung erhältlich, wobei die Wechselspannung häufig 24 V, 110 V, 120 V oder 230 V beträgt. Es existieren auch induktive, kapazitive und optische Näherungsschalter in Universalspannungsausführungen, welche sowohl an Gleich- als auch an Wechselspannung angeschlossen werden können, beispielsweise in den Bereichen V Gleichspannung oder V Wechselspannung. Andere Hersteller bieten beispielsweise Ausführungen für V Gleich- oder Wechselspannung (z.b Hz.) an. Eine andere Bezeichnung ist Allstromausführung oder UC- Ausführung (= Universal Current). 1.6 Einsatzgebiete von Näherungsschaltern Typische Einsatzgebiete von Näherungsschaltern liegen in den Bereichen: Automobilindustrie Maschinenbau Verpackungsindustrie Holzindustrie Druck- und Papierindustrie Getränkeindustrie Keramik- und Ziegelindustrie Die Einsatzmöglichkeiten von Näherungsschaltern in der Automatisierungstechnik sind so zahlreich und verschiedenartig, dass eine umfassende Beschreibung nicht möglich ist. Im Folgenden ist dazu eine Auswahl von typischen Anwendungsbeispielen zusammengestellt. 18 Festo Didactic GmbH & Co. KG FP 1110

19 1. Einleitung Objekterkennung Einsatz zur Abfrage, ob ein Objekt an einer bestimmten Position vorhanden ist; z.b. bei Betätigung von Pneumatikzylindern, von elektrischen Antrieben, von Greifern, von Schutzgittern, in Aufzugsanlagen, von Türen. Bild 1.6.1: Berührungslose Betätigung Positionierung Einsatz zur Positionierung von Werkstücken, z.b. in Bearbeitungszentren, von Werkzeugschlitten, von Pneumatikzylindern. Bild 1.6.2: Positionierung von Werkstücken Festo Didactic GmbH & Co. KG FP

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