Czujniki ramkowe do wykrywania małych elementów – jak działają i jak dobrać odpowiedni model?

Co to jest czujnik ramkowy?

Czujnik ramkowy to optyczne urządzenie przeznaczone do bezkontaktowego wykrywania obiektów przechodzących przez otwór w obudowie. Nadajniki i odbiorniki światła znajdują się po przeciwnych stronach jednej konstrukcji, dlatego nie trzeba montować oraz ustawiać względem siebie dwóch oddzielnych elementów.

Wewnątrz ramy powstaje aktywna strefa optyczna. Jej przerwanie przez odpowiednio duży przedmiot powoduje zmianę stanu wyjścia. Informacja może zostać przekazana do sterownika PLC, licznika, przekaźnika albo innego elementu układu sterowania.

Czujnik ramkowy wykrywa obecność przedmiotu, ale standardowo nie określa jego wymiarów, materiału ani liczby elementów przechodzących jednocześnie. Jeżeli dwie części zetkną się podczas przechodzenia przez ramkę, sterownik może odebrać je jako jedno dłuższe przerwanie strefy.

Jak działa optyczny czujnik ramkowy?

Nadajniki emitują światło w kierunku odbiorników umieszczonych po przeciwnej stronie ramy. W ten sposób w otworze powstaje obszar detekcji obejmujący wiele punktów. Gdy przedmiot przerwie odpowiednią część wiązek, czujnik generuje sygnał.

Większa strefa detekcji odróżnia czujnik ramkowy od sensora wykorzystującego pojedynczą wiązkę. Element nie musi przechodzić dokładnie przez jeden wyznaczony punkt. Jest to istotne podczas kontrolowania swobodnie spadających detali oraz części poruszających się po zmiennym torze.

Czujniki ramkowe nazywane są również ramkowymi barierami świetlnymi lub ramkowymi barierami optycznymi. Wszystkie te określenia odnoszą się do urządzeń, w których obiekt przechodzi przez aktywną przestrzeń pomiędzy elementami układu optycznego.

Co może wykrywać czujnik ramkowy?

Ponieważ zasada działania opiera się na przerwaniu strefy optycznej, czujnik może wykrywać elementy metalowe i niemetalowe. Mogą to być między innymi:

• śruby, nakrętki i podkładki,
• sprężyny oraz elementy tłoczone,
• detale z tworzyw sztucznych,
• części gumowe,
• fragmenty przewodów,
• komponenty opakowań,
• niewielkie produkty przesypywane lub spadające.

Kolor obiektu zazwyczaj ma mniejsze znaczenie niż jego wymiary, sposób poruszania się i zdolność do przerwania strefy optycznej. Elementy przezroczyste, półprzezroczyste albo silnie odbijające światło powinny jednak zostać sprawdzone w rzeczywistych warunkach aplikacji.

Gdzie stosuje się czujniki ramkowe?

Czujniki ramkowe wykorzystuje się przede wszystkim w procesach, w których wymagane jest szybkie i powtarzalne wykrywanie drobnych części. Typowe zastosowania obejmują:

• liczenie elementów na linii produkcyjnej,
• kontrolę swobodnie spadających detali,
• sprawdzanie wyrzutu części z pras, form i wykrojników,
• kontrolę elementów wychodzących z podajników wibracyjnych,
• wykrywanie zatorów w prowadnicach i kanałach,
• kontrolę obecności produktu w opakowaniu,
• monitorowanie przepływu części,
• sprawdzanie ciągłości przewodu, rury albo profilu,
• nadzorowanie procesów sortowania i montażu.

W ofercie Sensor Standard dostępne są czujniki ramkowe Eickmann Elektronik z różnymi wielkościami strefy optycznej i rozdzielczościami. Pozwala to dopasować urządzenie zarówno do bardzo małych części, jak i do elementów poruszających się w szerszym obszarze.

Tryb statyczny i dynamiczny – czym się różnią?

Tryb dynamiczny jest przeznaczony do wykrywania krótkotrwałych zmian w strefie optycznej. Stosuje się go przy częściach znajdujących się w ruchu, na przykład spadających z podajnika albo wyrzucanych z formy. Sprawdza się również podczas liczenia produktów.

Tryb statyczny pozwala wykrywać przedmiot, który pozostaje wewnątrz ramki przez dłuższy czas. Może służyć do kontroli obecności, wykrywania zatorów albo monitorowania materiału przesuwającego się w sposób ciągły.

Wybór niewłaściwego trybu może powodować pomijanie elementów lub nieprawidłową interpretację sygnału. Przed uruchomieniem trzeba zatem ustalić, czy obiekt tylko przechodzi przez aktywną strefę, czy może się w niej zatrzymać.

Jak dobrać czujnik ramkowy?

Rozdzielczość a wielkość elementu

Rozdzielczość informuje, jak mały obiekt może zostać wykryty przez urządzenie. Im niższa wartość podana w milimetrach, tym mniejsze części może rejestrować czujnik.

W dostępnej gamie najmniejsza strefa optyczna ma wymiary 50 × 35 mm i rozdzielczość 0,5 mm. Największe modele obejmują strefę do 250 × 244 mm, ale ich rozdzielczość wynosi 4 mm. Większa ramka nie zawsze będzie więc najlepszym wyborem.

Najmniejszy wymiar detalu powinien być większy niż rozdzielczość czujnika. Warto pozostawić zapas i nie projektować aplikacji tak, aby obiekt znajdował się dokładnie na granicy możliwości urządzenia. Znaczenie ma również orientacja części. Wydłużony detal może podczas spadania obrócić się w taki sposób, że w kierunku działania wiązek będzie miał mniejszy przekrój.

Wielkość strefy optycznej

Strefa optyczna powinna obejmować cały obszar, w którym może pojawić się kontrolowany element. Jeżeli części przesuwają się w prowadnicy o szerokości 60 mm, ramka musi uwzględniać zarówno ten wymiar, jak i możliwe odchylenia toru ruchu.

Zbyt mała strefa może powodować pomijanie detali przechodzących blisko krawędzi. Z kolei wybór znacznie większej ramki może niepotrzebnie obniżyć dostępną rozdzielczość.

Prędkość procesu i odstępy pomiędzy częściami

Dostępne modele oferują częstotliwość przełączania do 5 kHz. Nie oznacza to jednak automatycznie możliwości policzenia 5000 elementów w ciągu sekundy.

Na rzeczywistą wydajność wpływają również:

• długość obiektu w kierunku ruchu,
• jego prędkość,
• odstęp pomiędzy kolejnymi częściami,
• ustawiony czas impulsu wyjściowego,
• szybkość wejścia sterownika PLC,
• czas wykonywania programu sterującego.

Dwa stykające się albo zachodzące na siebie detale mogą zostać zarejestrowane jako jeden obiekt. W aplikacji liczącej trzeba więc kontrolować również sposób ich rozdzielania.

Tryb pracy i wydłużenie impulsu

Krótki sygnał pochodzący od szybko poruszającej się części może być zbyt krótki dla wolniejszego wejścia sterownika. W takiej sytuacji przydatna jest możliwość wydłużenia impulsu wyjściowego. Czas impulsu nie powinien być jednak ustawiony zbyt długo, ponieważ sygnały od kolejnych części mogą się połączyć.

Sposób podłączenia

Modele dostępne obecnie w kategorii wykorzystują wyjście PNP NO oraz konektor M8. Przed wyborem należy sprawdzić zgodność sygnału z wejściem sterownika PLC, liczbę pinów, napięcie zasilania i schemat połączeń.

Do wykonania instalacji trzeba zastosować kompatybilne przewody do czujników M8. Parametry konkretnego połączenia zawsze należy potwierdzić w dokumentacji wybranego urządzenia.

Warunki środowiskowe

Czujnik powinien być dobrany do temperatury, zapylenia, wilgotności oraz możliwości kontaktu z wodą, olejem lub chłodziwem. Stopień ochrony IP67 zabezpiecza urządzenie przed pyłem i czasowym zanurzeniem w warunkach określonych przez normę, ale nie potwierdza odporności na każde medium chemiczne ani mycie pod wysokim ciśnieniem.

Przy silnym zabrudzeniu trzeba przewidzieć możliwość okresowego czyszczenia powierzchni optycznych. Zanieczyszczenia utrzymujące się w strefie mogą być interpretowane jako obecność obiektu.

Praktyczny przykład doboru czujnika ramkowego

Załóżmy, że urządzenie ma liczyć metalowe elementy o najmniejszym wymiarze 1,2 mm, spadające przez kanał o szerokości 45 mm.

W takim przypadku strefa 50 × 35 mm może być zbyt wąska, jeżeli rzeczywisty tor ruchu przekracza 35 mm. Model z większym otworem lepiej obejmie kanał, ale trzeba jednocześnie sprawdzić jego rozdzielczość. Czujnik o rozdzielczości 2 mm nie będzie właściwym rozwiązaniem dla detalu o wymiarze 1,2 mm.

Konieczne może być więc zmniejszenie obszaru swobodnego spadania, zastosowanie prowadnicy albo indywidualne dobranie geometrii urządzenia. Przykład pokazuje, dlaczego wielkości ramki i rozdzielczości nie można rozpatrywać oddzielnie.

Czujnik ramkowy czy czujnik widełkowy?

Czujniki ramkowe i widełkowe wykorzystują podobną zasadę optyczną, ale różnią się wielkością kontrolowanego obszaru.

Czujniki widełkowe sprawdzają się, gdy obiekt jest prowadzony po dokładnie określonym torze. Stosuje się je między innymi do wykrywania krawędzi, otworów, etykiet i zębów kół.

Czujnik ramkowy jest korzystniejszy, gdy detal może pojawić się w różnych miejscach większego obszaru, spada swobodnie albo ma nieregularny tor ruchu. Ostateczny wybór powinien zależeć od geometrii aplikacji, a nie wyłącznie od deklarowanej rozdzielczości.

Najczęstsze błędy podczas doboru czujnika ramkowego

Do najczęściej popełnianych błędów należą:

• wybór urządzenia wyłącznie na podstawie wymiarów ramki,
• pominięcie najmniejszego wymiaru i orientacji detalu,
• brak zapasu względem deklarowanej rozdzielczości,
• nieuwzględnienie prędkości oraz odstępów pomiędzy częściami,
• zastosowanie niewłaściwego trybu pracy,
• zbyt długie wydłużenie impulsu,
• niezgodność wyjścia czujnika z wejściem PLC,
• brak testów dla elementów przezroczystych,
• montaż w miejscu narażonym na stałe zabrudzenie strefy optycznej.

Czy czujnik ramkowy jest urządzeniem bezpieczeństwa?

Standardowy czujnik ramkowy służy do detekcji przedmiotów i kontroli procesu. Nie zastępuje certyfikowanej kurtyny ani bariery bezpieczeństwa.

Nie wolno stosować go jako jedynego zabezpieczenia w aplikacji, w której od sygnału urządzenia zależy ochrona człowieka. Do takich zadań przeznaczone są urządzenia bezpieczeństwa mające odpowiednie funkcje, parametry i certyfikaty.

Podsumowanie

Czujnik ramkowy pozwala kontrolować większą strefę niż sensor wykorzystujący pojedynczą wiązkę. Dzięki temu sprawdza się podczas wykrywania małych, szybko poruszających się i swobodnie spadających części.

Przy wyborze trzeba łącznie przeanalizować rozdzielczość, wielkość aktywnej strefy, orientację detalu, prędkość procesu, odstępy pomiędzy elementami, tryb statyczny lub dynamiczny, sposób podłączenia oraz warunki środowiskowe.

Aby dobrać model do konkretnej aplikacji, warto przekazać Sensor Standard wielkość najmniejszego detalu, szerokość toru ruchu, prędkość procesu, rodzaj sterownika oraz informację, czy element może zatrzymać się w strefie detekcji.


Autor tekstu
Karolina K.
Aktualizacja 14.09.2026