Lichttaster

Lichttaster – Funktion, Aufbau und Anwendung

Ein Lichttaster ist ein optoelektronischer Sensor, der Gegenstände berührungslos mithilfe von Licht erkennt. Er wird in der Automatisierungstechnik, im Maschinenbau und in CNC-Maschinen zur Anwesenheits-, Positions- und Objekterkennung eingesetzt.

Im Gegensatz zu einer Lichtschranke benötigt ein Lichttaster keinen gegenüberliegenden Empfänger und grundsätzlich auch keinen separaten Reflektor. Sender und Empfänger befinden sich gemeinsam im Sensorgehäuse. Das vom Sensor ausgesendete Licht trifft auf das zu erkennende Objekt und wird von dessen Oberfläche zum Sensor zurückgeworfen.

Dadurch kann ein Lichttaster vollständig von einer Seite des Erfassungsbereichs montiert werden.

Wie funktioniert ein Lichttaster?

Im Lichttaster befinden sich mindestens eine Lichtquelle, eine Empfangseinheit und die elektronische Signalauswertung.

Die Lichtquelle sendet sichtbares Rotlicht, Infrarotlicht oder bei bestimmten Sensoren einen Laserstrahl aus. Trifft dieses Licht auf ein Objekt, wird ein Teil davon reflektiert.

Das zurückkehrende Licht gelangt auf den Empfänger des Sensors. Die Elektronik wertet das empfangene Signal aus und schaltet den Ausgang, sobald die festgelegten Bedingungen erfüllt sind.

Das grundlegende Funktionsprinzip lautet:

Lichtsender → Objekt → Reflexion → Lichtempfänger → Auswertung → Schaltsignal

Das erzeugte Signal kann anschließend beispielsweise von einer SPS oder der Steuerung einer CNC-Fräse verarbeitet werden.

Aufbau eines Lichttasters

Ein typischer industrieller Lichttaster besteht aus:

• Lichtsender
• Sendeoptik
• Lichtempfänger
• Empfangsoptik
• elektronischer Signalauswertung
• Schaltausgang
• Statusanzeige
• Sensorgehäuse

Je nach Bauart können zusätzlich Potentiometer, Teach-in-Taster oder digitale Schnittstellen zur Einstellung des Sensors vorhanden sein.

Da Sender und Empfänger in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind, ist der Montageaufwand häufig geringer als bei einer Einweg-Lichtschranke.

Was bedeutet die Tastweite?

Die Tastweite bezeichnet den Bereich beziehungsweise Abstand, innerhalb dessen ein Lichttaster ein Objekt zuverlässig erkennen kann.

Bei einfachen energetischen Lichttastern hängt die tatsächlich erreichbare Tastweite unter anderem davon ab, wie viel Licht die Oberfläche eines Objektes zurück zum Sensor reflektiert.

Helle oder gut reflektierende Oberflächen können normalerweise leichter erkannt werden als sehr dunkle Oberflächen. Auch Material, Oberflächenstruktur, Einfallswinkel und Verschmutzungen können die Erkennung beeinflussen.

Die angegebene maximale Tastweite eines Sensors sollte deshalb nicht mit einer unter allen Bedingungen garantierten Objekterkennung gleichgesetzt werden.

Lichttaster mit Hintergrundausblendung

Eine wichtige Weiterentwicklung ist der Lichttaster mit Hintergrundausblendung.

Bei einem einfachen Lichttaster kann ein stark reflektierender Hintergrund unter ungünstigen Bedingungen ebenfalls Licht zum Sensor zurückwerfen. Dadurch könnte die Unterscheidung zwischen dem eigentlichen Objekt und dem Hintergrund erschwert werden.

Ein Lichttaster mit Hintergrundausblendung berücksichtigt zusätzlich die Position beziehungsweise Entfernung des reflektierenden Objektes.

Der gewünschte Erfassungsbereich wird festgelegt. Befindet sich ein Objekt innerhalb dieses Bereiches, wird es erkannt. Ein weiter entfernt liegender Hintergrund wird dagegen weitgehend ausgeblendet.

Das ist beispielsweise hilfreich, wenn ein Werkstück vor einer Maschinenwand erkannt werden soll.

Sensor → Werkstück → Hintergrund

Werkstück = erkennen
Hintergrund = ausblenden

Dadurch wird die Objekterkennung wesentlich unabhängiger von einem störenden Hintergrund.

Energetischer Lichttaster

Bei einem energetischen Lichttaster wird hauptsächlich die Intensität des zurückgeworfenen Lichts ausgewertet.

Wird ausreichend Licht vom Objekt zum Empfänger reflektiert, schaltet der Sensor.

Dieses Prinzip ist einfach und für viele Anwendungen ausreichend. Die Reflexionseigenschaften des Objektes haben allerdings einen größeren Einfluss auf die Erkennung.

Ein schwarzes Werkstück kann beispielsweise deutlich weniger Licht reflektieren als ein weißes Werkstück.

Hellschaltend und dunkelschaltend

Lichttaster können je nach Ausführung hellschaltend, dunkelschaltend oder zwischen beiden Betriebsarten umschaltbar sein.

Bei der hellschaltenden Funktion wird der Ausgang aktiv, wenn das vom Objekt reflektierte Licht erkannt wird.

Bei der dunkelschaltenden Funktion arbeitet der Schaltausgang mit umgekehrter Logik.

Welche Betriebsart verwendet wird, hängt von der Anwendung und der Auswertung durch die Maschinensteuerung ab.

PNP- und NPN-Lichttaster

Wie bei vielen anderen elektronischen Sensoren sind Lichttaster häufig mit PNP- oder NPN-Schaltausgängen erhältlich.

Bei der Auswahl muss darauf geachtet werden, welche Eingangsschaltung die verwendete Maschinensteuerung erwartet.

Insbesondere beim Austausch eines vorhandenen Sensors reicht es deshalb nicht aus, lediglich Bauform und Betriebsspannung zu vergleichen. Auch Ausgangstyp, Schaltfunktion und Anschlussbelegung müssen berücksichtigt werden.

Mehr zu diesem Thema findest du im EMPA-Wiki-Artikel PNP- und NPN-Sensoren.

Unterschied zwischen Lichttaster und Lichtschranke

Obwohl beide Sensorarten Licht zur Objekterkennung verwenden, unterscheiden sie sich deutlich im Funktionsprinzip.

Sensortyp	Sender	Empfänger	Reflektor	Erkennungsprinzip
Lichttaster	im Sensor	im Sensor	nicht erforderlich	Reflexion am Objekt
Reflexionslichtschranke	im Sensor	im Sensor	erforderlich	Unterbrechung des reflektierten Lichtwegs
Einweg-Lichtschranke	separat	separat	nicht erforderlich	Unterbrechung des Lichtwegs

Vorteile eines Lichttasters

Lichttaster ermöglichen eine vollständig berührungslose Objekterkennung. Dadurch entsteht durch den eigentlichen Schaltvorgang kein mechanischer Verschleiß.

Weitere Vorteile sind:

• kompakte Bauweise
• Sender und Empfänger in einem Gehäuse
• kein mechanischer Kontakt zum Werkstück
• schnelle Schaltvorgänge
• Erkennung unterschiedlicher Materialien
• Erfassung kleiner Objekte möglich
• einfache Integration in automatisierte Anlagen
• unterschiedliche Tastweiten verfügbar

Ein weiterer Vorteil gegenüber einem Initiator besteht darin, dass ein Lichttaster nicht grundsätzlich auf metallische Objekte beschränkt ist.

Nachteile und mögliche Störeinflüsse

Da das Funktionsprinzip optisch arbeitet, können die Umgebungsbedingungen einen erheblichen Einfluss auf die Zuverlässigkeit haben.

Mögliche Störfaktoren sind:

• Staub
• Späne
• Öl
• Kühlschmierstoff
• verschmutzte Optik
• stark spiegelnde Oberflächen
• transparente Werkstücke
• sehr dunkle Oberflächen
• Fremdlicht
• falsche Sensorausrichtung

Gerade innerhalb einer CNC-Maschine muss deshalb geprüft werden, ob ein optisches Sensorprinzip für die jeweilige Position geeignet ist.

Für die Erkennung metallischer Maschinenteile kann beispielsweise ein Initiator robuster sein.

Lichttaster in CNC-Maschinen

In einer CNC-Fräse kann ein Lichttaster verschiedene Überwachungsaufgaben übernehmen.

Denkbare Anwendungen sind die Erkennung von Werkstücken, Bauteilen, Material, Werkzeugen oder beweglichen Maschinenelementen.

Beispielsweise kann eine Steuerung prüfen, ob sich ein Werkstück an einer bestimmten Position befindet, bevor der nächste Bearbeitungsschritt gestartet wird.

Für die Referenzierung einer Maschinenachse werden dagegen häufig Referenzschalter oder andere berührungslose Sensorprinzipien verwendet.

Bei metallischen Maschinenteilen eignet sich häufig ein Initiator. Weitere berührungslose Möglichkeiten sind der Hall-Sensor und – abhängig von der jeweiligen Anwendung – ein kapazitiver Sensor.

Lichttaster oder induktiver Sensor?

Welches Sensorprinzip besser geeignet ist, hängt von der Anwendung ab.

Ein induktiver Sensor beziehungsweise Initiator erkennt metallische Gegenstände über ein elektromagnetisches Wirkprinzip. Er benötigt daher keine freie optische Sicht auf eine reflektierende Oberfläche.

Ein Lichttaster kann dagegen auch zahlreiche nichtmetallische Gegenstände erkennen.

Für eine stark mit Kühlschmierstoff und Metallspänen belastete Umgebung kann ein induktiver Sensor Vorteile bieten. Soll dagegen beispielsweise ein Kunststoffteil, Karton oder anderes nichtmetallisches Objekt erkannt werden, kann ein Lichttaster die bessere Lösung darstellen.

Lichttaster oder Hall-Sensor?

Ein Hall-Sensor arbeitet nicht mit Licht, sondern reagiert auf ein Magnetfeld.

Dazu befindet sich beispielsweise ein Magnet am beweglichen Maschinenteil. Nähert sich dieser dem Hall-Sensor, kann dessen Position berührungslos erkannt werden.

Der Lichttaster benötigt dagegen keinen Magneten. Er erkennt das Objekt über dessen optische Reflexion.

Beide Verfahren arbeiten berührungslos, beruhen jedoch auf vollständig unterschiedlichen physikalischen Prinzipien.

Lichttaster oder Reedkontakt?

Auch ein Reedkontakt wird häufig zur Positionserkennung eingesetzt. Dabei betätigt ein Magnet die im Reedkontakt befindlichen ferromagnetischen Kontakte.

Der Lichttaster arbeitet dagegen vollständig optisch.

Ein wesentlicher Unterschied besteht darin, dass der Reedkontakt einen Magneten benötigt, während ein Lichttaster das Objekt unmittelbar über reflektiertes Licht erkennen kann.

Lichttaster oder kapazitiver Sensor?

Ein kapazitiver Sensor erkennt Veränderungen eines elektrischen Feldes und kann dadurch sowohl metallische als auch zahlreiche nichtmetallische Materialien erfassen.

Ein Lichttaster arbeitet dagegen mit ausgesendetem und reflektiertem Licht.

Welches Prinzip besser geeignet ist, hängt deshalb stark vom zu erfassenden Material, dem erforderlichen Abstand und den Umgebungsbedingungen ab.

Auswahl eines geeigneten Lichttasters

Bei der Auswahl sollten insbesondere folgende technische Eigenschaften berücksichtigt werden:

• erforderliche Tastweite
• Größe des zu erkennenden Objektes
• Material und Farbe des Objektes
• Oberflächenbeschaffenheit
• Hintergrund
• Lichtfleckgröße
• Betriebsspannung
• PNP- oder NPN-Ausgang
• Schließer- oder Öffnerfunktion
• Schaltfrequenz
• Schutzart
• Anschlussart
• Umgebungsbedingungen
• Möglichkeit zur Hintergrundausblendung

Für industrielle Anwendungen sollte der Sensor nicht ausschließlich anhand seiner maximalen Tastweite ausgewählt werden. Entscheidend ist, dass das konkrete Objekt unter den tatsächlichen Maschinenbedingungen zuverlässig erkannt wird.

Fazit

Der Lichttaster ist ein vielseitiger optoelektronischer Sensor zur berührungslosen Objekterkennung. Sender und Empfänger befinden sich gemeinsam im Sensorgehäuse. Das ausgesendete Licht wird vom zu erkennenden Objekt reflektiert und anschließend vom Sensor ausgewertet.

Besonders Lichttaster mit Hintergrundausblendung ermöglichen eine zuverlässige Trennung zwischen dem gewünschten Objekt und weiter entfernten Flächen.

In der Automatisierungs- und CNC-Technik ergänzt der Lichttaster andere Sensorprinzipien wie Initiator, kapazitiver Sensor, Hall-Sensor, Reedkontakt und Referenzschalter.

Durch die gezielte Auswahl des Sensorprinzips lässt sich für nahezu jede Erkennungs- oder Positionieraufgabe eine geeignete Lösung finden.