Laserový snímač vzdálenosti Panasonic HG-F1: kompaktní a s velkým dosahem

Společnost Panasonic má ve svém sortimentu širokou nabídku optických snímačů vzdálenosti. Nyní jej doplnila o laserový snímač HG-F1, vhodný pro měření na velkou vzdálenost. Snímač je možné použít tam, kde by použití předchozích typů snímačů bylo nemožné nebo příliš nákladné.

Optické snímače vzdálenosti se používají k měření vzdáleností a odchylek polohy. V typické úloze se snímač seřídí na jmenovitou hodnotu, v ní se nastaví na nulu a potom měří odchylky v kladném i záporném směru. Takto je možné měřit průhyb pásu, rozdíly v tloušťce materiálu po jeho ploše nebo excentricitu hřídele. Snímače lze použít také k detekci přítomnosti: snímač se nastaví na nulu na referenční plochu v pozadí a potom detekuje předměty před touto plochou. Může tak detekovat např. přítomnost těsnění v drážce a současně měřit, zda je jeho tloušťka dostatečná. Měření je bezkontaktní, takže rozměr pružného těsnění není ovlivňován žádným mechanickým dotykem. Podobně je možné kontrolovat přítomnost součástek na desce plošných spojů při výrobě elektroniky a současně správnost jejich montáže nebo třídit objekty na dopravníkovém pásu podle jejich výšky.

Výsledkem měření může být analogová hodnota vzdálenosti (nebo odchylky od nulové polohy) a nebo jen dvoustavový výstup vyhověl/nevyhověl.

Vzdálenost mezi snímačem a měřeným předmětem může být od několika centimetrů po několik metrů. Tento článek se bude věnovat zvláště těm úlohám, kde je třeba měřit na velkou vzdálenost.

Přehled stávajícího sortimentu

Laserové snímače polohy pracují nejčastěji na triangulačním principu. V sortimentu firmy Panasonic jsou to např. snímače řady HG-C. Zdrojem světla je u nich červený laser a senzorem CMOS. Podle průzkumu společnosti Panasonic (z roku 2022) jde o nejmenší průmyslové laserové snímače vzdálenosti se senzorem CMOS na trhu. Princip jejich činnosti je na obr. 1, kde je i vidět, proč jsou tak kompaktní: v jejich konstrukci je zrcátko, které odráží dopadající paprsek na CMOS, čímž prodlužuje jeho dráhu a umožňuje zachovat malé rozměry krytu snímače.

Obr. 1  Laserové snímače HG-C pracují na triangulačním principu a díky vestavěnému zrcátku patří k nejkompaktnějším na trhu

 

Snímače HG-C obvykle měří na kratší vzdálenosti. Největší dosah má typ HG-C1400. Střed měřicího intervalu je ve vzdálenosti 400 mm od snímače a měřicí rozsah je ±200 mm. V sortimentu jsou i snímače s malým dosahem, například HG-C1030 se středem měřicího intervalu 30 mm a měřicím rozsahem ±5 mm.

Výkonnější z hlediska dosahu je snímač LS-H21, který využívá difuzní odraz laserového paprsku. Také zde je zdrojem světla červený laser. Dosah je sice delší, až 1 m, ale nastavení je zdlouhavější a měření nemusí být stabilní, jestliže se mění barva a povrch měřeného objektu nebo pozadí měřené scény. Tam, kde lze zajistit neměnné podmínky, ale měří zcela spolehlivě.

Problém ovlivnění stability měření barvou a povrchem materiálu řeší snímač EQ-501. Jde o dvoucestný optický snímač s nastavitelným rozsahem, který dokáže měřit až do 2,5 m. Měření neovlivňuje ani pozadí měřené scény (nejsou-li v něm zrcadlově lesklé předměty). Zdrojem světla u tohoto snímače je infračervená LED, což s sebou nese jistou obtíž: stopa měřicího paprsku není okem viditelná, takže seřízení je komplikovanější.

Dvoucestný optický snímač CX-442 má jako zdroj světla červenou LED. Mezi velké přednosti tohoto snímače patří o 60 % menší spotřeba energie než u jeho předchůdců. Snímač vyniká velkou odolností proti vlivům prostředí, včetně chladicích kapalin používaných u obráběcích strojů nebo etanolu v potravinářství. Jeho měřicí rozsah je 40 až 300 mm.

Nyní tedy přichází jako novinka snímač HG-F1 (obr. 2) určený pro detekci na velkou vzdálenost, až 3 m. Jako zdroj světla využívá červený laser. Snímač nepracuje na triangulačním principu, nýbrž na principu měření doby šíření světelného signálu (TOF, Time Of Flight).

Obr. 2  Laserový snímač HG-F1 je určen pro měření na velké vzdálenosti

Srovnání různých typů snímačů z nabídky Panasonic je v tabulce 1.

Triangulační metoda měření vs. TOF

Snímače HG-C používají triangulační metodu: vyslaný paprsek se odráží pod daným úhlem dopadu od detekovaného předmětu a dopadá na senzor snímače. Změní-li se vzdálenost mezi snímačem a detekovaným předmětem, změní se také poloha detekovaného paprsku na senzoru a z ní je možné spočítat vzdálenost.

Při měření metodou TOF, Time Of Flight, se měří doba mezi vysláním laserového pulzu a jeho detekcí na senzoru snímače. Z této doby a rychlosti světla je potom možné spočítat vzdálenost mezi snímačem a měřeným předmětem.

Výhoda použití metody TOF je v tom, že lze jedním snímačem měřit ve velkém měřicím rozsahu a na velkou vzdálenost a při měření na různé vzdálenosti má snímač stejnou opakovatelnost. Ve srovnání se snímači na triangulačním principu však neumožňuje dosahovat takové přesnosti, jaké dosahují tyto snímače zvláště při měření na krátkou vzdálenost. Opakovatelnost měření je u snímače HG-F1 do 10 mm, zatímco srovnatelný HG-C1400 má opakovatelnost 300 μm ve vzdálenosti 200 až 400 mm od snímače a 800 μm ve vzdálenosti 400 až 600 mm od snímače. Snímač HG-C1030 se středem měřicího intervalu 30 mm a měřicím rozsahem ±5 mm dokonce dosahuje pozoruhodné opakovatelnosti měření 10 μm.

Snímač HG-F1 tedy není náhradou snímačů HG-C, ale doplněním celkové nabídky snímačů Panasonic.

Základní charakteristiky snímače HG-F1

Snímač HG-F1 je laserový snímač vzdálenosti s měřicím rozsahem 0,25 až 3 m. Obsahuje červený laser třídy 1. Jeho výstup je dvoustavový (tranzistorový NPN nebo PNP) či analogový (0 až 5 V nebo 4 až 20 mA). Stejně jako snímače řady HG-C se vyznačuje malými rozměry (pouzdro z litého hliníku má rozměry 20 × 44 × 25 mm).

Nastavení limitů vzdálenosti usnadňuje displej zobrazující měřenou hodnotu, který je umístěný přímo na snímači. Snímač má externí vstupy pro nastavení nuly, učení a vypnutí laseru (vypnutí laseru může být užitečné např. tam, kde je kromě snímače vzdálenosti instalován též kamerový systém pro snímání obrazu a není žádoucí, aby v obraze rušila stopa laserového paprsku).

Příklady použití jsou detekce přítomnosti nebo nepřítomnosti objektů na velkou vzdálenost, např. při kontrole montáže v automobilovém průmyslu, detekce přítomnosti dílů za stěnou skrz malý otvor a nebo štěrbinu či detekce uloženého materiálu na paletě nebo nosiči.

Rozsah měření 250 až 3 000 mm umožňuje měřit i na velkých dílech a sestavách, např. na dílech karoserií v automobilovém průmyslu. Snímač může být díky velkému měřicímu rozsahu umístěn mimo zónu pohybu robotu nebo manipulátoru a nebo tam, kde nehrozí, že bude překážet pohybujícím se osobám.

Naměřená hodnota se zobrazuje na digitálním displeji a k dispozici jsou rovněž analogové výstupy 4 až 20 mA nebo 0 až 5 V.

Statické rozlišení závisí kromě měřené vzdálenosti také na pracovních podmínkách a prostředí, mj. i na barvě a struktuře povrchu detekovaného předmětu. Hrubší rozlišení je u černých předmětů, jemnější u bílých. Snímač má volitelnou dobu odezvy 35 ms, 100 ms, 300 ms a 2 s. Čím delší je doba odezvy, tím lepší je statické rozlišení.

Zaměření laserového paprsku

Na rozdíl od snímačů EQ-501, které také dokážou měřit na poměrně velkou vzdálenost, mají snímače HG-F1 paprsek malého průměru. Je tomu tak proto, že EQ-501 má jako zdroj infračervenou LED, jejíž paprsek má mnohem větší divergenci než u laseru (obr. 3). Malý průměr paprsku znamená, že snímač je schopen detekovat i drobné předměty. Konkrétně ve vzdálenosti 2 m má paprsek snímače EQ-501 průměr 56 mm (nebo typ EQ-34 46 mm), kdežto HG-F1 má ve stejné vzdálenosti paprsek o průměru 14,4 mm.

Obr.  3  Průměr a divergence laserového paprsku

Stopa červeného laserového paprsku je navíc, na rozdíl od infračervené diody, viditelná okem. Jenomže malý průměr stopy laserového paprsku má i nevýhodu – bod se při nastavování snímače v měřené scéně obtížně hledá. Snímač má proto speciální režim, v němž laser po dobu 2 min bliká s periodou 1 s s vyšší intenzitou než v měřicím režimu (obr. 4).

Obr. 4  Režim zaměření laserového paprsku, zleva vypnutý laser, laser při měření, laser v režimu zaměření paprsku – po dobu 2 min bliká s periodou 1 s

Nastavení snímací vzdálenosti a limitů

Uvedení snímače HG-F1 do provozu je jednodušší než u jiných snímačů, protože k nastavení či potvrzení snímací vzdálenosti je možné použít aktuální měřenou hodnotu zobrazenou na lokálním displeji a potvrzovací tlačítka. Je-li třeba nastavit několik snímačů na stejnou vzdálenost (např. při měření tloušťky pásového materiálu uprostřed a na okrajích), stačí nastavit jeden snímač a u dalších vzdálenost a limitní hodnoty zadat tlačítky. Snímače není zapotřebí nastavovat každý zvlášť pomocí otočného ovladače nebo intenzity světla. Na rozdíl od snímačů HG-C není nutné snímače umístit do středu měřicího rozsahu (např. snímač HG-C1400 musí být namontován ve vzdálenosti 400 mm od nominální polohy měřeného objektu).

Možnosti použití

Na obr. 5 je několik možností použití snímače HG-F1. Kromě automobilového průmyslu najde uplatnění také v mnoha jiných průmyslových oborech: při výrobě plastů, v papírenském průmyslu, v metalurgii atd.

Obr. 5  Příklady použití snímače HG-F1

Kam pro další informace

Další informace o snímačích pro automatizaci výrobních strojů a zařízení zájemci najdou na webu https://bit.ly/3jcvYM4. Zde je k dispozici také vyhledávač produktů, který pomůže technikům se základním výběrem vhodných snímačů.

Odkazy:

[1] Long Range Laser Distance Sensor HG-F1 Series. Prezentace, Panasonic Industry, leden 2023.

[2] New Compact and Long Range Laser Distance Sensor HG-F1. Katalog, Panasonic Industry, prosinec 2022.

Autor: Petr Bartošík
(Obrázky: Panasonic Industry)