Absolute magnetische Linearmessung: präzise und zuverlässig

Der Autor Dipl.-Ing. (BA) Andreas Wiessler, Bereichsleiter des Produktbereichs Magline der Siko GmbH, Buchenbach: „Das Maßband magnetischer Absolutsysteme war bisher zu breit, um direkt in Führungen integriert zu werden. Unser Produkt mit nur 10 mm Bandbreite und kleinem Sensor löst dieses Problem.“

Rüst- und Fertigungszeiten zu minimieren bei gleichzeitig steigender Fertigungspräzision stellt hohe Anforderungen an Positions-Erfassungssysteme. Die Tendenz geht hier eindeutig zu linearen Messsystemen, die eine direkte Positionsmessung ermöglichen, ohne dass vorab die lineare Bewegung in eine rotative umgesetzt werden muss. Lineare Messsysteme stehen daher oft im Wettbewerb zu rotativen Systemen – auch als Drehgeber bekannt.

Beide Systeme haben Vor- und Nachteile. Während beim Drehgeber der Konstrukteur Einflüsse der Mechanik wie Spindelsteigung und -spiel mit ins Kalkül ziehen muss, stehen bei Linearsystemen mögliche Beeinträchtigungen durch Umgebungs- und Anbaubedingungen sowie Führungstoleranzen im Vordergrund. Entscheidend sind dann oft die Systemkosten, die beim Drehgeber unabhängig von der Gesamtmesslänge sind. Die physikalischen Messprinzipien – optisch, kapazitiv, potentiometrisch oder magnetisch sind bei beiden Systemen anzutreffen.

Bei linearen Systemen haben sich im Wesentlichen zwei Messprinzipien durchgesetzt: Für Werkzeugmaschinen vor allem optische Systeme für höchste Genauigkeitsanforderungen (5 µm) und magnetische Systeme dort, wo Messgenauigkeiten von 10 bis 50 µm ausreichen – beispielsweise an Holz-, Blech- oder Glasbearbeitungsmaschinen.

Eine typische Applikation für ein absolutes magnetisches Linearmesssystem zeigt Bild 6: An einer Rollenschneidanlage für Papier- und Folienbahnen soll die Position jedes Schneidmessers im Bereich von 1,5 bis 5 m mit einer Absolutgenauigkeit von 50 µm erfasst werden. Der Einsatz von Drehgebern ist hier nicht möglich, da beim Positionieren keine Drehbewegung als Weginformation ausgewertet werden kann. Auch können Schnittreste mit dem Messsystem in Berührung kommen. Es kommt also nur ein Schmutz unempfindliches System in Frage. Außerdem muss beim Verstellen der Messerposition im stromlosen Zustand der Positionswert nach Wiedereinschalten der Betriebsspannung ohne nochmalige Referenzfahrt zur Verfügung stehen.

Ein absolutes magnetisches Linearmesssystem löst diese Aufgabe einfach und zuverlässig. Die Maßverkörperung – ein 20 mm breites Stahlband mit kaschierter Magnetschicht – wird von der Rolle mit einer Blechschere auf die Messlänge zugeschnitten. Das 1,7 mm dicke Band ist mit einem Doppelklebeband ausgestattet und wird einfach an die Maschinenführung/-oberfläche aufgeklebt. Der Magnetsensor wird mit einer Abstandstoleranz bis zu 1 mm über dem Band montiert. Neben ihm ist im Gehäuse eine synchron-serielle Schnittstelle (SSI) zur Anbindung an eine SPS integriert. Über einem Maßband können mehrere Sensoren –- für jeden Messerkopf einer – angebracht werden.

Der für diese Aufgabe eingesetzte Magnetsensor MSA510 eignet sich für Messlängen bis 5 120 mm, bietet eine Auflösung von 0,01 mm – und dies bei einer Größe von 20 mm x 33,5 mm x 67 mm. Mit einer Wiederholgenauigkeit von 0,01 mm und einer Absolutgenauigkeit von 50 µm erfasst er exakt die Messerpositionen.

Bild 5 zeigt einen weiteren typischen Einsatz: Hier ist an einer Metallsäge ein Anschlag mit 8 m Verfahrbereich mit einem Längen-Messsystem ausgerüstet. Eine Referenzfahrt ist durch den langen Verfahrweg und der relativ langsamen motorischen Anschlagverstellung nicht möglich oder nicht erwünscht, so dass nur ein absolut messendes Sys-tem in Frage kommt. Die geforderte Genauigkeit beträgt 0,1 mm und die gewünschte Auflösung sowie Reproduzierbarkeit von 0,01 mm soll eine hohe Positionierdynamik des DC-Antriebes gewährleisten. Durch begrenzte mechanische Stabilität des Anschlagsupports können sich zwischen Sensor und Maßband Toleranzen bis 2 mm und ein seitlicher Versatz bis 1 mm ergeben – kein Problem für das magnetische Längen-Mess-system.

Hier hat der Maschinenhersteller den Magnetsensor MSA511 mit dazugehörendem Magnetband gewählt. Der Sensor mit integrierter RS485/SSI-Schnittstelle erfasst Messlängen bis 20 m mit einer Auflösung von 0,01 mm und einer Absolutgenauigkeit von 0,1 mm. Anbindung an Profibus, Canbus oder Interbus-S ist möglich.

Neben Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen sowie hohen zulässigen Montagetoleranzen zeichnen sich absolute magnetische Längen-Messsysteme durch hohe Zuverlässigkeit für den codierten Maßstab aus. Bild 4 zeigt ein Schema der Codierung. Der Maßstab verfügt über eine mit Nord-/Südpolen alternierend magnetisierte Spur A und eine mit unterschiedlich langen Nord-/Südpolen magnetisierte Spur B. Diese beinhaltet die eigentliche Codierung.

Bei einer Pol-Grundlänge von 5 mm und zehn im Raster von 5 mm angebrachten Magnetfeldsensoren können 1 024 Polmus-ter detektiert werden. Bei einer Einzelpollänge von 5 mm ergibt sich so eine maximale Messlänge von 5 120 mm. Für hohe Ablesesicherheit auch zwischen Polwechseln wird jeder Pol doppelt abgetastet. Die Spur A trägt die Information für die hochauflösende Weginformation. Die alternierende Magnetisierung erzeugt einen sinusförmigen Magnetfeldverlauf, der per Interpolation in eine Weginformation umgesetzt werden kann. Bei einer Pollänge von 5 mm sind Auflösungen von 0,01 mm problemlos realisierbar. Die Synchronisierung von Grob- und Feinspur ergibt dann den Positionswert.

In der Praxis haben sich Bit- oder Einzelpollängen von 5 bis10 mm bewährt. Hierbei lassen sich Leseabstände zwischen Sensor und Band von bis zu 2 mm realisieren, so dass Führungstoleranzen ausgeglichen werden können. Die Elektronikplatine mit der SSI-Schnittstelle wird im Sensorgehäuse komplett vergossen und so eine hohe Schutzart (IP65) und Schock- und Vibrationsfestigkeit erzielt.

Da Magnetismus alle nicht ferromagnetischen Materialien durchdringt, eignet sich das Messprinzip auch zum direkten Einsatz in Medien wie Wasser oder Öl. Selbst gegen Eisenspäne ist das System aufgrund der Redundanz der Abtastung bis zum gewissen Grad resistent, so dass besondere Schutzvorrichtungen wie Abstreifer meist nicht erforderlich sind.

Die direkte Integration absoluter Messsysteme in Führungen war bislang nicht möglich, denn optische Messsysteme stehen nur gekapselt und damit in großer Bauform zur Verfügung. Bei magnetischen Absolutsystemen war bisher oft die Breite des Maßbandes (20 mm) ein Problem.

Für solche Fälle steht nun ein magnetisches Absolutsystem zur Verfügung (Bild 2). Mit nur 10 mm Bandbreite und einem Sensor mit den Abmessungen 10 mm x 25 mm x 35 mm kann es in viele Führungen direkt eingebaut werden (Bild 3). Die Auswertelektronik mit serieller Schnittstelle ist hier in einem separaten Gehäuse untergebracht, um den Sensorkopf so klein wie möglich zu halten.

Ausführliche Informationen

Absolute lineare Wegmessung