Czujniki widełkowe – zasada działania i zastosowanie

Czujniki widełkowe, określane również jako optyczne czujniki szczelinowe lub widełkowe bariery świetlne, składają się z nadajnika i odbiornika umieszczonych naprzeciwko siebie w jednej obudowie. Pomiędzy ramionami czujnika przebiega wiązka światła. Gdy kontrolowany element znajdzie się w szczelinie i przerwie wiązkę, czujnik zmienia stan wyjścia i przekazuje sygnał do sterownika maszyny.

Nadajnik i odbiornik są fabrycznie ustawione względem siebie. Nie trzeba więc montować dwóch oddzielnych urządzeń ani przeprowadzać ich czasochłonnego osiowania. Stała geometria układu optycznego zapewnia powtarzalny punkt przełączania, co ma szczególne znaczenie podczas kontroli niewielkich elementów i szybkich procesów produkcyjnych.

Czujniki widełkowe wykorzystuje się między innymi do wykrywania krawędzi, otworów, zębów kół, etykiet, znaczników oraz drobnych części przemieszczających się na linii produkcyjnej. Odpowiednio dobrany model może również kontrolować pozycję elementu, prędkość obrotową albo prawidłowe podawanie materiału.

Rodzaje czujników widełkowych

Standardowe czujniki widełkowe

Standardowe czujniki widełkowe serii OGS są przeznaczone do wykrywania elementów przechodzących przez szczelinę o ustalonej szerokości. W zależności od modelu szerokość szczeliny wynosi od 10 do 220 mm.

Rozdzielczość 0,4 mm umożliwia wykrywanie niewielkich części, krawędzi i otworów. Częstotliwość przełączania 2,5 kHz pozwala stosować czujniki w szybkich procesach automatyzacji. Dostępne są modele wykorzystujące światło czerwone lub podczerwone oraz wyjścia PNP albo PNP/NPN z funkcją NO/NC.

Kątowe czujniki widełkowe

Kątowe czujniki widełkowe serii OGW mają geometrię przeznaczoną do aplikacji, w których klasyczna obudowa w kształcie litery „U” nie może zostać prawidłowo zamontowana. Sprawdzają się przy ograniczonej przestrzeni oraz nietypowym kierunku prowadzenia produktu.

Dostępne modele oferują przekątną strefy detekcji wynoszącą 60 lub 100 mm, rozdzielczość 0,4 mm oraz światło czerwone albo podczerwone. Wyjście PNP NO/NC umożliwia współpracę z popularnymi sterownikami PLC.

Czujniki widełkowe do etykiet

Czujniki widełkowe do etykietrozpoznają różnicę pomiędzy etykietą a materiałem nośnym. Specjalistyczny model KGS-07-PNUK-ST3-4 może wykrywać również etykiety transparentne, których stabilna detekcja nie zawsze jest możliwa przy użyciu standardowego czujnika optycznego.

Rozdzielczość 0,3 mm pozwala rejestrować niewielkie odstępy pomiędzy kolejnymi etykietami. Funkcja uczenia umożliwia dopasowanie progu przełączania do właściwości etykiety i podkładu. Wyjście PNP/NPN NO/NC ułatwia integrację czujnika z różnymi systemami sterowania.

Laserowe jednostki centrujące

Laserowe jednostki centrujące są przeznaczone do bardzo dokładnego określania pozycji narzędzi i elementów. Rozdzielczość 0,01 mm pozwala wykorzystywać je między innymi do wyznaczania punktu TCP w robotach przemysłowych.

Modele z dwoma wyjściami PNP umożliwiają określenie kierunku odchylenia narzędzia od prawidłowego położenia. Znajdują zastosowanie w robotach spawających oraz instalacjach klejenia, dozowania i zalewania.

Jak dobrać czujnik widełkowy?

1. Rodzaj wykrywanego elementu

Najpierw należy określić, czy czujnik będzie wykrywał nieprzezroczysty detal, otwór, krawędź, etykietę czy materiał transparentny. Standardowy czujnik widełkowy sprawdzi się przy większości elementów, które wyraźnie przerywają wiązkę światła. Do etykiet przezroczystych należy wybrać model przeznaczony specjalnie do tego zastosowania.

2. Szerokość szczeliny

Kontrolowany element musi swobodnie przechodzić pomiędzy ramionami czujnika. Trzeba przy tym uwzględnić możliwe odchylenia jego położenia. Zbyt mała szczelina może utrudniać pracę maszyny, natomiast zbyt duża niepotrzebnie zwiększa wymiary czujnika i wymagane miejsce montażowe.

Dostępne są u nas czujniki widełkowe o szczelinach od 2 do 220 mm. Najmniejsze wartości dotyczą specjalistycznych urządzeń, natomiast standardowe modele OGS rozpoczynają się od szerokości 10 mm.

3. Rozdzielczość

Rozdzielczość określa najmniejszy obiekt, który czujnik może poprawnie wykryć. W standardowych modelach OGS i OGW wynosi ona 0,4 mm. Czujnik do etykiet oferuje rozdzielczość 0,3 mm, a laserowe jednostki centrujące osiągają 0,01 mm.

Przy doborze należy pozostawić odpowiedni zapas względem wielkości wykrywanego detalu. Element znajdujący się dokładnie na granicy deklarowanej rozdzielczości może wymagać przeprowadzenia próby w rzeczywistej aplikacji.

4. Rodzaj światła

Światło czerwone jest widoczne, co ułatwia kontrolę położenia punktu detekcji podczas uruchamiania maszyny. Światło podczerwone jest niewidoczne dla człowieka i znajduje zastosowanie w uniwersalnych procesach przemysłowych.

Światło laserowe pozwala uzyskać bardzo małą plamkę i wysoką dokładność. Jest przeznaczone do wykrywania wyjątkowo drobnych elementów lub dokładnego pozycjonowania. Podczas montażu należy przestrzegać zasad bezpieczeństwa wskazanych w dokumentacji konkretnego urządzenia laserowego.

5. Rodzaj wyjścia

Przed wyborem urządzenia należy sprawdzić wymagania wejścia sterownika. W ofercie znajdują się czujniki z wyjściem PNP NO/NC oraz modele obsługujące PNP/NPN NO/NC.

NO oznacza wyjście normalnie otwarte, natomiast NC – normalnie zamknięte. Wybór logiki powinien odpowiadać sposobowi działania maszyny i jej układu sterowania.

6. Prędkość procesu

Większość oferowanych czujników widełkowych pracuje z częstotliwością przełączania 2,5 kHz. Przy szybko poruszających się elementach należy jednak uwzględnić również ich wielkość, prędkość przesuwu oraz czas, przez jaki obiekt znajduje się w wiązce.

Zastosowanie czujników widełkowych w automatyce

Optyczne czujniki widełkowe stosuje się do:

• wykrywania i liczenia drobnych części,
• kontroli obecności elementu,
• wykrywania krawędzi i otworów,
• kontroli położenia produktu,
• wykrywania zębów kół i tarcz,
• kontroli prędkości obrotowej,
• monitorowania papieru, folii i taśmy,
• wykrywania etykiet oraz odstępów między etykietami,
• kontroli elementów w podajnikach wibracyjnych,
• nadzorowania procesów pakowania i etykietowania,
• kontroli podawania elementów do stanowisk montażowych,
• pozycjonowania narzędzi w aplikacjach robotycznych.
• Czujniki widełkowe są wykorzystywane w maszynach pakujących, etykietujących, drukujących, tnących i montażowych. Znajdują zastosowanie w przemyśle maszynowym, elektronicznym, motoryzacyjnym, spożywczym, farmaceutycznym i kosmetycznym.

Czujnik widełkowy czy czujnik ramkowy?

Czujnik widełkowy wykorzystuje precyzyjnie określoną wiązkę przebiegającą pomiędzy ramionami obudowy. Jest odpowiednim wyborem, gdy tor ruchu obiektu jest kontrolowany i wiadomo, w którym miejscu detal przetnie wiązkę.

Czujnik ramkowy tworzy większą aktywną strefę optyczną. Lepiej sprawdza się w przypadku elementów poruszających się po nieregularnym torze, spadających swobodnie albo przechodzących przez szerszy obszar.

Standardowe czujniki widełkowe służą do wykrywania obiektów i kontroli procesów. Nie są urządzeniami bezpieczeństwa i nie zastępują certyfikowanych kurtyn ani barier przeznaczonych do ochrony ludzi.

FAQ – czujniki widełkowe

Jak działa czujnik widełkowy?

Nadajnik wysyła wiązkę światła do odbiornika znajdującego się na przeciwległym ramieniu obudowy. Przerwanie wiązki przez obiekt powoduje zmianę stanu wyjścia czujnika.

Jaki najmniejszy element wykryje czujnik widełkowy?

Zależy to od rozdzielczości modelu. Standardowe czujniki widełkowe dostępne w tej kategorii wykrywają elementy od około 0,4 mm. Urządzenia do specjalistycznych zastosowań oferują rozdzielczość 0,3 lub 0,01 mm.

Czy czujniki widełkowe wykrywają metal i tworzywa sztuczne?

Tak. Optyczne czujniki widełkowe mogą wykrywać elementy metalowe i niemetalowe, jeśli obiekt odpowiednio przerywa wiązkę światła. Przy materiałach transparentnych należy zastosować wyspecjalizowany model.

Czy czujnik widełkowy wykryje przezroczystą etykietę?

Nie każdy model. Do wykrywania transparentnych etykiet należy wybrać czujnik do etykiet wyposażony w odpowiednią zasadę detekcji oraz funkcję uczenia.

Jak dobrać szerokość widełek?

Szczelina powinna być większa od kontrolowanego elementu i uwzględniać tolerancję jego położenia. Nie powinna być jednak znacznie większa, niż wymaga tego konstrukcja maszyny.

Czy nadajnik i odbiornik trzeba ustawiać osobno?

Nie. Oba elementy są umieszczone i fabrycznie ustawione w jednej obudowie. Podczas montażu trzeba jedynie prawidłowo ustawić czujnik względem toru ruchu produktu.

Czym czujnik widełkowy różni się od bariery fotoelektrycznej?

W czujniku widełkowym nadajnik i odbiornik znajdują się w jednej obudowie. Klasyczna bariera składa się z dwóch oddzielnych urządzeń, dzięki czemu może pracować na większej odległości, ale wymaga ich prawidłowego osiowania.