Zähne zeigen

EXKLUSIV IN KEM Der Autor Dipl.-Ing. Norbert Matthes ist Produktmanager, Geschäftsfeld Sensorik Deutschland, bei der Contrinex GmbH, Nettetal

Zahnriemen verbinden die Eigenschaften einer Kette mit denen eines Flachriemens und werden typischerweise entweder für die Übertragung großer Riemenkräfte oder für Stelltriebe eingesetzt. Die höhere Kraftübertragung ist möglich, weil die Riemen formschlüssig in gezahnten Riemenscheiben laufen. Da die Zahnung Schlupf unterbindet, eignen sich gezahnte Treibriemen auch als „Steuerkette“. Typische Riemenmaterialien sind Neopren und Polyurethan. Ein in diese Werkstoffe eingebetteter Zugstrang aus Kohlefaser, Kevlar, Stahl oder Edelstahl überträgt die Kraft. Die Qualität eines Zahnriemens ist an seiner Passgenauigkeit und einem verschleißarmen, ruhigen Laufverhalten erkennbar. Verantwortlich dafür sind die Präzision der eingesetzten Werkzeuge und exakt justierte Prozessparameter. Besonderes Augenmerk gilt dabei dem Abstand der Stahlzugträger zum Riemenzahn. Weicht dieser Wert von der Vorgabe ab, wirkt sich dies negativ auf die Passgenauigkeit und die damit verbundenen Laufeigenschaften aus. Schlechtes Einzahnverhalten und hoher Verschleiß sind die Folge.

Daher setzt die Breco Antriebstechnik Breher GmbH & Co. KG bei der Herstellung von Polyurethanriemen mit Stahlzugträgern neuerdings zwei induktive Analogsensoren zur Überprüfung des Abstands der Zugträger zum Riemenzahn ein. Das Unternehmen aus Porta Westfalica produziert mit 250 Mitarbeitern Zahnriemen, Transportkeilriemen, Flach- und Spezialriemen sowie Zahnscheiben und weitere Komponenten. Einen Schwerpunkt bildet die Entwicklung und Produktion von Spezialriemen für die unterschiedlichsten Anwendungsbereiche.

Breco platzierte die beiden Sensoren direkt im Anschluss an den Extrusionsprozess und damit zum frühestmöglichen Zeitpunkt im Produktionsprozess. „Die Schalter sind überbündig in eine nichtmetallische Platte eingelassen. Sie sind dabei so positioniert, dass der unter leichtem Andruck vorbeigleitende Zahnriemen nur wenige Zehntelmillimeter unterhalb der Sensoren liegt“, meint Johann Harms, Konstrukteur bei Breco. Das analoge Signal der induktiven Näherungsschalter wird an einen PC mit entsprechender Hard- und Software weitergeleitet, dort verarbeitet und ausgewertet.

Bevor Harms und seine Kollegen diese kontinuierliche Lösung implementierten, war die Messung des Abstands zu den Zugträgern eine aufwendige Angelegenheit: In regelmäßigen Zeitintervallen wurde der Zahnriemen aufgeschnitten und optisch vermessen. Bis Gegenmaßnahmen ergriffen werden konnten, verging viel Zeit. Der produzierte Ausschuss war dadurch vergleichsweise hoch.

Bei der Suche nach einer effektiveren und wirtschaftlicheren Messmethode war den Breco-Spezialisten früh klar, dass nur ein induktives Messverfahren die Möglichkeit bieten würde, den Abstand zu den komplett umspritzten Stahlzugträgern zu einem guten Preis-Leistungs-Verhältnis zu vermessen. Es galt, entsprechende Sensoren zu finden, die bei einem Messbereich von 10 mm einen möglichst kleinen Durchmesser aufweisen und zudem über einen Analogausgang verfügen, um die von der Firma entwickelte Auswertsoftware mit den entsprechenden Messsignalen zu versorgen.

Dabei musste zunächst geklärt werden, wie die Auswertung der nicht-linearen Messsignale im Bereich von sieben bis neun Volt erfolgen sollte. Denn anders als beispielsweise bei der Vermessung einer Stahlplatte, war im vorliegenden Fall eine individuelle Aufbereitung der Signale erforderlich, um exakte Abstandswerte zu erhalten. „Bei der Recherche nach solchen Sensoren war Contrinex der erste Hersteller, der die induktive Vermessung der Zugstranglage für erfolgversprechend hielt“, sagt Harms, der sich von den Schweizer Sensorikspezialisten gut beraten fühlte. Aufgrund der Vorgaben war schnell klar, was für die Anwendung infrage kam: Der induktive Näherungsschalter vom Typ DW-AS-509-M18-320 mit Analogausgang erfüllte alle Anforderungen und überzeugte mit Präzision und Zuverlässigkeit sowie durch seine Robustheit und Kosteneffektivität.

Für Entfernungsmessungen wie in dieser Anwendung sind induktive Sensoren mit Analogausgang geeignet, da sie den gesamten Bewegungsablauf erfassen, und nicht nur – wie Digitalsensoren – einen Absolutwert liefern. Dieser Schaltertyp bietet sich damit für die Messung von Abständen und Winkeln und zur Erkennung von Bewegungen an.

Das lineare Spannungs- und Stromsignal des Sensors ändert sich proportional zum Abstand zwischen Zahnriemen und aktiver Sensorfläche. Der Analogsensor gibt den Bewegungsablauf wahlweise als analoges Spannungs- oder als Stromsignal aus. Dabei stehen jeweils zwei Varianten zur Verfügung: 0…5 V oder 0…10 V und 1…5 mA oder 4…20 mA. Damit können die Sensoren auch kleine oder sich schnell bewegende Teile sehr gut erkennen. Dank des von Contrinex entwickelten und patentierten Condist-Verfahrens ist der Erfassungsbereich dieser Sensoren außergewöhnlich groß. Bei den von Breco verwendeten Sensoren liegt er in einem Bereich von 0 bis 10 mm und damit deutlich über dem Marktstandard.

Die Analogsensoren besitzen nicht nur einen großen Erfassungsbereich. Sie ermöglichen Auflösungen im µm-Bereich und bieten hohe Präzision und Temperaturstabilität im Bereich von – 25 bis + 70 °C sowie eine hohe Wiederholgenauigkeit (± 0,02 mm bei TA = konst.) und nur geringe Exemplarstreuung. Auf Grund der geringen Temperaturdrift von weniger als ± 5 % bei Temperaturen von 0 bis + 70 °C beziehungsweise weniger als ± 10 % im Bereich von – 25 bis 0 °C sowie ihrer Fähigkeit, ferromagnetische und Nichteisenmetalle zu identifizieren, eignen sie sich für viele Anwendungen. Ihr Einsatzspektrum in der Montage- und Handlingtechnik ist groß: Analoge Näherungsschalter finden auch in der Dickemessung, bei Zähl- und Überwachungsaufgaben sowie bei die Welligkeitserkennung oder zum Positionieren und Sortieren Anwendung.

Überdies können die präzisen induktiven Sensoren mit Analogausgang auch Konzentrizitäts- und Vibrationsprüfungen durchführen. Damit sind sie eine kostengünstige Alternative zu den üblicherweise für diesen Zweck eingesetzten Messwandlern. Das Übertragungsverhalten der Geräte ist nicht linearisiert. Sie verfügen über eine sehr gute Auflösung und ihr Schaltpunkt lässt sich in Verbindung mit einer selbst programmierenden Steuerung (SPS) durch Teach-in einstellen. Sämtliche Analogsensoren von Contrinex verfügen standardmäßig über einen Kurzschluss- und Polaritätsumkehrschutz sowie über einen Temperaturbereichsausgleich. Die angebotenen Größen reichen von M8 (8 x 8 mm) bis zu M30 als Kabel oder Steckversion.

Mit der Leistung der Näherungsschalter und dem gewählten Messverfahren ist Breco ausgesprochen zufrieden. „Die Platzierung der Sensoren zu einem so frühen Zeitpunkt im Produktionsablauf und die Entscheidung für ein kontinuierliches Messsystem verkürzen die Reaktionszeiten für eine Nachjustierung deutlich“, erklärt Johann Harms. Sobald ein Messwert den vorgegebenen Toleranzbereich verlässt, erhält der Maschinenbediener umgehend einen entsprechenden Hinweis und kann passende Gegenmaßnahmen ergreifen. Damit eröffnet diese Methode zur Vermessung der Zugstranglage neue Fertigungsmöglichkeiten und verringert die Einricht- und Produktionszeiten.

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