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Sensorik, die passt

Verschiedene Wirkprinzipien für die Wegmessung
Sensorik, die passt

Schnelligkeit, Flexibilität, Zuverlässigkeit, Sicherheit und Effizienz – diese Wünsche treiben die Entwicklungen in der Antriebstechnik voran. Das Bestreben, den Automatisierungsgrad stetig zu erhöhen und zudem eine gleichbleibende Qualität zu sichern, verlangt zunehmend den Einsatz einer optimalen Wegmessung. Um Anwendern das jeweils Passende anbieten zu können, schöpft Balluff aus einem umfangreichen Portfolio, in dem derzeit sechs Wegmess- Prinzipien zur Anwendung kommen.

 

Exklusiv in KEM Der Autor Bernhard Hahn ist Produktmanager Wegmesssysteme bei der Balluff GmbH in Neuhausen a.d.F.

Ob in Spritzgießmaschinen, Bestückungsautomaten, Antrieben oder bei der Materialkontrolle – ohne eine automatisierte Erfassung von Bewegungen sind solche Anwendungen heutzutage undenkbar. Dafür gibt es unterschiedliche Wegmess-Prinzipien, die aufgrund spezifischer Eigenschaften für spezielle Einsatzgebiete prädestiniert sind. Die Auswahl der Sensoren für die Wegmessung hängt von den jeweiligen Anforderungen ab.
Induktive Abstandssensoren
Induktive Abstandssensoren (BAW) arbeiten berührungslos und erfassen die Entfernung mittels der Wechselwirkung, die sich ergibt, wenn sich ein metallenes Objekt in einem von einer Spule erzeugtem elektromagnetischen Feld befindet. Die elektrischen Verluste im Objekt hängen sowohl von der Stärke des magnetischen Feldes und den Materialeigenschaften des Objekts ab, als auch vom Abstand des Objekts zur Sensorspule. Der zu messende Abstand ergibt sich also aus Messung der Spulengüte.
In der Praxis stößt die Methode durch den Spulenkerndurchmesser an ihre Grenzen, weshalb sie sich nur für Distanzen bis 20 mm eignet. Erfassen lassen sich Objekte entlang der Spulensymmetrieachse sowie radiale Bewegungen des Objekts. Typische Anwendungsgebiete sind die Messung von Papierdicken, die Detektion inhomogener Zonen ebener Metallflächen, die Lageerkennung kleinerer Teile bei der Werkstückprüfung, die Rundlaufprüfung sowie Zähl- und Überwachungsaufgaben. Mit einer Auflösung von 20 µm und einer Linearität von 100 µm erkennen diese zuverlässigen, robusten und verschmutzungsunempfindlichen Sensoren bereits die kleinsten Abstandsänderungen mit einer hohen Wiederholgenauigkeit.
Induktives Linear- Wegmesssystem
Die induktiven BIW-Wegmesssysteme repräsentieren eine neue Systemfamilie basierend auf der induktiven Beeinflussung des Kopplungsfaktors zwischen zweier Spulen. Das patentierte Funktionsprinzip erfasst die zu messende Position berührungslos mit einer beispiellosen Messwertrate von bis zu 32 KHz. Im gekapselten BIW-Wegaufnehmer-Gehäuse befindet sich das Target und ein Sender-/Empfänger-Sensorelement. Das Target ist ein passiver Schwingkreis, der als Joch ausgeführt, berührungslos über dem Sensorelement bewegt wird. Das Sensorelement besteht aus einer harten Trägerplatine, auf die mehrere Planarwindungen gedruckt sind. Geschützt durch ein Aluminium-Strangpressprofilgehäuse eignet sich das System hervorragend für den robusten Industrieeinsatz.
Das Target, der passive Schwingkreis, ist an einer Schubstange befestigt und mit dem bewegten Maschinenteil fest verbunden. Der Schwingkreis wird über das Sender-Sensorelement mit einer Messwertrate von 32 kHz kurz angeregt und koppelt an der aktuellen Position ein Signal in das Empfänger-Sensorelement ein. Die Position steht sofort am Ausgang zur Verfügung und ist absolut. Die Richtung des Ausgangssignals, steigend bzw. fallend, kann durch Verbinden der Anschlüsse „Steigungsauswahl” bestimmt werden.
Optische Distanzsensoren
Optoelektronische Abstandssensoren (BOD) liefern ein dem Objektabstand proportionales Ausgangssignal, welches möglichst wenig von der Farbe, dem Reflexionsgrad und der übrigen Beschaffenheit der Objektoberfläche abhängt. Für die Messung existieren verschiedene Varianten. Sie alle benötigen jedoch ein System aus Lichtsender und -empfänger.
Bei der Abstandsmessung nach dem Prinzip der Triangulation visieren zwei fixe Punkte das zu erfassende Objekt an. Da der Abstand der beiden Punkte bekannt ist, kann die Entfernung des Objekts eindeutig bestimmt werden. Bei der Lichtlaufzeitmessung, unterteilbar in Pulslaufzeit- und Phasenlaufzeitverfahren, wird das vom Sender emittierte Licht am Objekt reflektiert und vom Detektor empfangen. Die Zeit von der Aussendung zum Empfang ist ein Maß für den Objektabstand.
Messwege bis 5000 mm, eine Auflösung von 1000 µm und eine Linearität von 2000 µm prädestinieren optische Distanzsensoren für die Dicken- und Höhenmessung, die Konturbestimmung bei bewegten Objekten in der Qualitätskontrolle oder zum Sortieren nach unterschiedlichen Kriterien, die Dicken- und Volumenmessung an Holz, Blech und anderen Werkstoffen, die Positionskontrolle von Werkzeugen, die Lageerkennung von Teilen sowie die Toleranzvermessung in der Produktion.
Magnetostriktive Wegsensoren
Das Funktionsprinzip von magnetostriktiven Wegmess-Systemen (BTL) erlaubt es, die Sensoren in hermetisch dichte Gehäuse einzubauen, wodurch sie die Schutzarten IP 67 oder IP 68 erreichen. Magnetostriktion bezeichnet alle von Magnetisierungsprozessen hervorgerufenen Änderungen der geometrischen Abmessungen von Körpern, speziell von Ferro-, Antiferro- und Ferrimagneten. Unterschieden werden die volumeninvariante Gestaltänderung und die forminvariante Volumenänderung. Diese elastische Verformung des Körpers führt zu einer Richtungsänderung der remanenten Magnetisierung, welche sich über Induktionsspulen nachweisen lässt.
Bei dieser Art der Wegmessung lassen sich Distanzen von 50 bis 7800 mm erfassen, mit Auflösungen von 1 bis 100 µm und einer Linearität von +/- 30 µm. Zu den Anwendungen zählen beispielsweise die Zylinderpositions- und die Ventilsteuerung, die Turbinen- und Rotorstellung in Windkraftanlagen, die Formateinstellung und die Tänzerkontrolle.
Wegsensoren mit magnetisch kodiertem Maßkörper
Messsysteme dieser Art bestehen aus einem Sensorkopf, welcher die Magnetfeldsensoren und die komplette Elektronik integriert, und einem kodierten Maßkörper. Dieser besteht meist aus einem flexiblen magnetisierbaren Kunststoffband auf einem Trägermaterial (BML). Auf dem Kunststoffband befinden sich abwechselnd magnetische Nord- und Südpole. Die Feldlinien zwischen den Polen bilden ein dreidimensionales Vektorfeld, dessen Periode der doppelten Polbreite des Maßkörpers entspricht. Die beiden Magnetfeldsensoren im Sensorkopf messen entweder die Komponente des Magnetfeldvektors in Richtung ihrer Empfindlichkeit oder den Winkel des magnetischen Vektorfeldes zur Bewegungsrichtung. Eine Aussage über den zurückgelegten Weg lässt sich durch Zählen der magnetischen Perioden treffen.
Über eine Strecke von 20 bis 48 000 mm misst das Magnetband mit Auflösungen von 1 bis 10 µm und einer Linearität von +/- 10 µm. Die hohe Auflösung und Genauigkeit qualifizieren das System zum Einsatz in der Metallverformung und in einfachen Werkzeugmaschinen. Die Unempfindlichkeit gegenüber Verschmutzungen wie Öl oder Staub erlaubt den Einsatz in rauer und staubiger Industrieumgebung, wie beispielsweise in der Holz- und Steinbearbeitungsindustrie. Sicheres Positionserfassen auch bei Geschwindigkeiten bis 20 m/s prädestinieren das System für die Antriebstechnik sowie bei Montage- und Handlinganwendungen.
Fazit
Sich allein nach dem Messweg für ein bestimmtes System zu entscheiden, führt in den meisten Fällen nicht zum gewünschten Erfolg. Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten, ein geeignetes Wirkprinzip auszuwählen und nicht selten kommen verschiedene Wirkprinzipien für eine Aufgabe infrage. Balluff weiß um die Besonderheiten jedes einzelnen Prinzips bestens Bescheid und kann deshalb seine Kunden nicht nur optimal beraten, sondern ihnen die unterschiedlichen Systeme auch bereitstellen. Mit seinem umfangreichen Wegmesssortiment kann Balluff für jede Aufgabe die beste Lösung anbieten und folgt mit seinen Neu- und Weiterentwicklungen den kommenden Trends in der Automatisierungstechnik.
Balluff, Tel.: 07158 173-0, E-Mail: balluff@balluff.de
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