Lang ersehnte Wege Neue berührungslose induktive Wegmesssysteme

Das hochdynamische Erfassen von Linearbewegungen über komplette Verfahrwege hinweg konnte man im Maschinenbau vor einigen Jahren noch als Trend bezeichnen – heute ist dies Standard. Sollen dynamische Bewegungen, etwa in Pick-and-Place-Anwendungen, ohne große Totzeit erfasst werden, muss die Position der bewegten Einheit jederzeit bekannt sein. Das ist indirekt über Drehgeber am Antrieb oder direkt an der bewegten Achse über Linearwegsensoren möglich. Die unmittelbare Wegerfassung direkt an der Achse ist hochpräzise und schließt Ungenauigkeiten durch Übertragungselemente vom Antrieb zur Achse sowie Spiel aus.

Potenziometrisch, magnetostriktiv oder induktiv

Drei Messprinzipien sind tonangebend bei der Erfassung von Linearbewegungen in der Industrieautomatisierung. Das potentiometrische, magnetostriktive und seit mittlerweile fast zehn Jahren auch das induktive Messprinzip. Darüber hinaus kommen auch magnetisch kodierte oder optische Messsysteme zum Einsatz.

Potenziometrische und magnetostriktive Messsysteme sind am weitesten verbreitet. Wie jedes Messsystem haben sie ihre Vor- und Nachteile. Potenziometer arbeiten nicht berührungslos und sind somit verschleißbehaftet. Eine spielfreie Kopplung zwischen Messsystem und bewegter, zu messender Einheit ist zwingend notwendig, um den Verschleiß zu minimieren. Zuviel Druck oder Schläge auf die bewegte Einheit können den Verschleiß der Potenziometer erheblich beschleunigen. Daher ist hier viel mehr Sorgfalt in der Montage gefragt als bei anderen Systemen. Die mechanische Kopplung des Schleifers auf der Leiterbahn ist zudem problematisch, wenn Stäube oder Kondenswasser in die Geräte eindringen. Dies wird beim Verschleiß der Sensordichtungen mit zunehmender Zeit wahrscheinlicher und stört dann auch die Messung. Die Kennlinie des Sensors verändert sich, anfangs meist noch unbemerkt vom Betreiber.

Magnetostriktive Systeme arbeiten berührungslos und klammern diesen Nachteil daher aus; hohe Vibrationen und starke Schocks verschlechtern aber auch hier die Linearität, zudem verlieren Sie mit zunehmender Messlänge an Dynamik. Denn je weiter ein Messpunkt von der Auswerteeinheit entfernt liegt, desto länger muss man prinzipbedingt auf diesen Messwert warten und folglich die Abtastrate reduzieren. In metallverarbeitenden Industriezweigen ist ein ungeschützter Aufbau nicht zu empfehlen. Es haftet schnell Metallstaub am magnetischen Positionsgeber und kann so die Funktion des Sensors stören. Für den geschützten Einbau innerhalb eines Fluidzylinders ist er jedoch die optimale Lösung und wird von Turck als LTX oder LTE für den mobilen Einsatz angeboten.

Die neue Generation induktiver Wegmessungslösungen von Turck eliminiert die Nachteile potenziometrischer und magnetostriktiver Sensoren und vereint deren Vorteile. Die Li-Sensoren sind annährend so schnell und hochauflösend wie Potenziometer und dabei schockfester als magnetostriktive Systeme. Zudem punkten sie mit einer hohen Magnetfeldunempfindlichkeit, kleiner Linearitätsabweichung und hoher Wiederholgenauigkeit des Messsignals.

Die Automatisierungsspezialisten von Turck sind weltweit der erste Hersteller, der induktive Linearwegsensoren in Längen bis zu zwei Metern anbietet. Zur SPS IPC Drives stellten die Mülheimer die neue Generation vor. Die langen Varianten werden immer wieder von Kunden gefordert, die bislang auf magnetostriktive oder potenziometrische Systeme zurückgreifen und deren Nachteile in Kauf nehmen mussten. Insbesondere die bei langen magnetostriktiven Sensoren reduzierte Abtast­rate sowie die resultierende Nicht-Linearität führten oft zu suboptimalen Lösungen wie extrapolierten Messwerten. Auch Potenziometer waren bei Messlängen über einem Meter kaum eine Alternative: Die Herstellung einer so langen präzisen Leiterbahn ist sehr teuer und damit auch die Sensoren selbst. Wer es sich jedoch leisten konnte, musste mit den mechanischen Nachteilen der Potis leben.

Schockfest bis 200 g

Die gesamte Reihe der neuen induktiven Linearwegsensoren Li wurde neben der Messlänge auch in anderen wesentlichen Eigenschaften verbessert. Alle Geräte halten jetzt noch höheren Schocks bis 200 g und starken Vibrationen Stand. Im Unterschied zu anderen Systemen halten sie aber auch während der Schocks und Vibrationen ihre Linearitätswerte ein. Bei magnetostriktiven Systemen hingegen wellt sich im Moment des Schocks der Wellenleiter im Metallstab. Seine Länge verändert sich indirekt zur Auswerteeinheit und damit geben magnetostriktive Systeme einen verfälschten Messwert aus. Liegt das Schockspektrum auf der Eigenfrequenz des magnetostriktiven Sensors, ist eine Messung permanent ausgeschlossen.

Zugute kommt den induktiven Li-Sensoren seine elektromechanische Konstruktion. Das System toleriert einen Versatz des Positionsgebers quer und horizontal zum Sensorprofil, ohne dass das Positionssignal abreißt. Gerade beim Einsatz auf vibrierenden Maschinen sichert diese Funktion einen zuverlässigen Messwert – beispielsweise in großen Pressen.

Die Abtastrate der Geräte wurde ebenfalls konsequent messlängenunabhängig und durchgängig auf fünf Kilohertz erhöht. Das minimiert Schleppfehler in hochdynamischen Applikationen. Magnetostriktive Systeme können diese Abtastraten messprinzipbedingt ohne Interpolation nicht erreichen, zudem werden diese immer langsamer, je länger die Messstrecke wird. Die prinzipbedingte Torsionswelle, die sich vom Positionsgeber Richtung Auswerteinheit bewegt, ist verglichen mit der Geschwindigkeit des elektrischen Signals schlicht zu langsam.

16 Bit Auflösung

Außerdem wandeln alle Li-Sensoren jetzt digital mit 16 Bit Auflösung in das entsprechende Ausgangssignal, analog zum Beispiel von 4 - 20 Milliampere oder 0 - 10 Volt. Mit den neuen Geräten führt Turck zudem einen Fehlerdiagnosewert ein. Erkennt das Gerät seinen Positionsgeber nicht, wird das Ausgangsignal auf 22 Milliampere beziehungsweise auf 11 Volt gesetzt. Gerade zur Online-Diagnose des Sensors oder zur Erkennung von mechanischen Defekten an der Maschine ist diese Funktion nützlich und spart dem Maschinenbetreiber aufwändige Fehlersuchen.

Die neuen Li-Geräte sind zuerst als analoge Variante mit kombiniertem Spannungs-/Stromausgang erhältlich. Beide Werte gibt das Gerät im Werkszustand parallel aus, den Spannungswert über Pin 4 und Stromwert über Pin 2. Der Anwender kann so beispielweise einen Wert nutzen, um ein Kontroll-Anzeigegerät vor Ort zu betreiben und den anderen Wert an die übergeordnete Maschinensteuerung geben. Auch zur Diagnose ist ein zweites Positionssignal hilfreich. Solange die die Absolutposition des Ausgangssignals von Pin 4 dem Signal auf Pin 2 gleicht, ist alles in Ordnung.

Leichte Inbetriebnahme und Montage

Über Turcks Easy-Teach-
Funktion können auch alle Li-Sensoren auf den Anfangs- und Endpunkt der Messstrecke eingestellt werden. Ferner kann so auch das Messsignal invertiert werden, also Anfangs- und Endpunkt der Messung getauscht. Die Status-LED am Sensorkopf melden dem Bediener einen erfolgreichen Teach-Vorgang direkt zurück. Dieses Einlernen erlaubt eine flexible Anpassung an die Gegebenheiten vor Ort und unterstützt so eine erleichterte Inbetriebnahme.

Linearwegsensoren für großen Pressen

Die präzise lineare Positionserfassung mit Messlängen über einem Meter sind vor allem in großen Maschinen gefragt. Bisher musste man hier alternative Messsysteme einsetzten und mit deren Nachteilen leben, sprich bei der Performance des Sensors und der Maschine Abstriche machen. Das sind zum Beispiel Applikationen in Pressen, bei denen hohe Schocks auftreten, aber dennoch präzise Messergebnisse gefordert werden.

Auch in Holzbearbeitungsmaschinen, in denen oft große Messlängen erforderlich sind, werden Linearwegsensoren durch Vibration und Schocks belastet, Sägemehl und Staub leisten ihr Übriges. Hier sind IP67-Komponenten Pflicht. Der neue Li-Q25 erfüllt beide Anforderungen und setzt damit die Messlatte in der linearen Wegerfassung erneut ein Stück höher.