Induktive Linearsensoren und robuste Drehgeber:

Innovationen treiben Positionssensorik voran

Linearsensor TF1

Kontaktlos arbeitende Positionssensoren setzen sich in vielen Anwendungsbereichen immer stärker durch. Da sie praktisch verschleißfrei arbeiten, bleiben wichtige Eigenschaften wie Genauigkeit und Linearität lebenslang erhalten und zu jeder Zeit ist eine einwandfreie Funktion des Sensors sichergestellt. Weil die Entwicklung weiter geht, erschließen sich den vielseitigen Sensoren immer wieder neue Einsatzbereiche. Der Sensorikspezialist Novotechnik liefert dafür auf der SPS IPC Drives 2015 gleich einige Beispiele. Auf besonderes Interesse stoßen dürften beispielsweise ein neuer induktiver Linearsensor, der ein außergewöhnlich gutes dynamisches Verhalten zeigt, magnetische Winkelsensoren mit IO-Link-Schnittstelle sowie kompakte, dabei aber sehr robuste Single- und Multiturn-Drehgeber, die das bewährte Novohall-Verfahren bzw. den GMR-Effekt nutzen.

Induktiver Linearsensor für hochdynamische Positionieraufgaben

Der neue induktive Linearsensor TF1, der in Standardlängen von 100 bis 1000 mm angeboten wird, arbeitet nach dem berührungslosen Novopad-Verfahren (vgl. Technikkasten 1). Dadurch ist der Sensor unempfindlich gegenüber Magnetfeldern, die beispielsweise von großen Motoren, Hydraulikventilen oder Frequenzumrichtern erzeugt werden, denn die Position wird nicht über einen magnetischen, sondern über einen induktiven Positionsgeber erfasst. Er arbeitet verschleißfrei und überzeugt mit hervorragenden EMV-Eigenschaften. Kurze Totzonen am Weganfang und -ende sorgen für eine gute Ausnutzung des Messbereichs; ein Vorteil vor allem bei beengten Einbauverhältnissen.

Dank seines ungewöhnlich guten dynamischen Verhaltens eignet sich der neue Linearsensor für sehr schnelle Positionieraufgaben. Die Update-Rate des Messsystems erreicht 10 kHz bei sehr geringem Schleppfehler. Bei einer optimierten Regeldynamik gibt es auch bei raschen Bewegungswechseln kein Überschwingen. Dabei arbeitet der Sensor in der auf Genauigkeit hin optimierten Variante mit einer Auflösung von bis zu unter 1 µm. Das Messsignal wird als analoges Strom-/Spannungssignal, digital über SSI- bzw. IO-Link oder über CANopen-Schnittstelle ausgegeben; eine Ethernetschnittstelle ist in Planung. Bei der Analogvariante ermöglicht eine Teachfunktion den Abgleich von Start- und Endposition sowie die Richtungsumkehr. Typische Anwendungen finden sich z.B. bei Linearantrieben, Spritz- und Druckgussmaschinen, bei Pressen und Stanzen in der Blechbearbeitung, in Verpackungs- oder Holzbearbeitungsmaschinen oder bei der Positionserfassung an schnellen Bewegungseinheiten in Fertigungslinien. Von den außergewöhnlich guten dynamischen Eigenschaften können sich Messebesucher auf dem Stand an einem Demonstrationsmodell überzeugen.

Technikkasten 1: Induktive Wegmessung
Der induktive Linearsensor besteht aus einem Sende- und Empfangsspulensystem, die im Sensor auf einer gemeinsamen Leiterplatte aufgebracht sind sowie einem separaten, „schwebenden“ Positionsgeber. Dieser aktive Positionsgeber wird durch ein hochfrequentes Wechselfeld gespeist, das von der rechteckigen Sendespule erzeugt wird. Entsprechend der Position wird vom Positionsgeber Spannung in das Empfangsspulensystem induziert. Die Sinus-/Cosinusstrukturen des Empfangsspulensystems sind in eine Grob- und Feinspur unterteilt. Die Grobspur erfasst die ungefähre Lage des Positionsgebers, die Feinspur dient dann der hochpräzisen Positionsbestimmung. Die Phasenbeziehung der Spannung ist das Maß für die aktuelle Position des Positionsgebers und wird von der Elektronik in ein lineares Positionssignal umgerechnet.

Unempfindlich bei Einbauversatz

Die Montage des neuen Linearsensors ist einfach und praxisgerecht. Er überzeugt durch seine kompakte, flache Bauform und ein stabiles Metallgehäuse. Die Befestigung erleichtern verschiebbare Befestigungsklammern oder Nutensteine mit handelsüblichen Muttern. Wahlweise stehen ein geführter Positionsgeber zur Ankopplung an Schubstangen oder ein freier Positionsgeber für eine mechanisch entkoppelte Fixierung zur Verfügung. Bei der Montage wird ein seitlicher Versatz von bis zu 4 mm toleriert, was den Einbau deutlich erleichtert. Die Varianz beim Arbeitsabstand beträgt ebenfalls 4 mm. Der Sensor ist schock- und vibrationsunempfindlich und deckt mit -40 bis +85 °C einen großen Temperaturbereich ab. Zwei LEDs am Gerät signalisieren den jeweiligen Betriebszustand.

Magnetische Drehgeber mit IO-Link-Schnittstelle

Magnetischer Drehgeber

Magnetischer Drehgeber mit IO-Link-Schnittstelle. Messwerte und Status- bzw- Diagnosemeldungen werden gleichzeitig übertragen.

Die magnetischen Sensoren der Baureihe RFC-4800 haben sich mittlerweile in vielen industriellen und mobilen Anwendungen bewährt. Sie sind kompakt, einfach zu montieren und erfassen den Drehwinkel über volle 360 Grad mit einer Auflösung von bis zu 14 Bit. Jetzt gibt es diese berührungslosen Sensoren auch mit IO-Link-Schnittstelle. In der Praxis bringt das gleich mehrere Vorteile: Die Punkt-zu-Punkt-Verbindung bietet Feldbus-Funktionalität und ermöglicht die durchgängige Kommunikation bis in die Sensorebene. Bei der Inbetriebnahme kann der Kunde Parameter wie z.B. Nullpunkt oder Drehrichtung verändern. Neben der reinen Positionsinformation können zudem weitere Informationen wie Status- bzw. Diagnosemeldungen ausgetauscht werden. Fehler im Regelkreis lassen sich dadurch rasch lokalisieren und, da die Einstellparameter zentral gespeichert sind, geht ein Sensoraustausch schnell. Letztendlich bringt IO-Link damit eine Kostenreduktion, von der sich in Automatisierungstechnik und Maschinenbau gleichermaßen profitieren lässt.

Single- und Multiturngeber

Mit den Single- und Multiturngebern der Baureihe RSB-3600 bzw. RMB-3600 stehen nun sehr robuste Ausführungen im nur 36,5 mm durchmessenden Vollmetallgehäuse und mit langlebigen Kugellagern zur Verfügung. (Bilder: Novotechnik)

Robuste Drehgeber im kompakten 36-mm-Gehäuse

Auch bei kontaktlosen Drehgebern gibt es Neuheiten: Mit den Single- und Multiturngebern der Baureihe RSB-3600 bzw. RMB-3600 stehen nun sehr robuste Ausführungen im nur 36,5 mm durchmessenden Vollmetallgehäuse und mit langlebigen Kugellagern zur Verfügung. Dank unterschiedlicher Versionen mit Voll- oder Hohlwellen sowie einer Heavy-Duty-Ausführung mit Schutzart IP69k eignen sich die neuen Drehgeber für unterschiedlichste Industrieanwendungen, z.B. für Blechbearbeitungs- und Verpackungsmaschinen oder für den Einsatz in Fertigungslinien in der Automatisierungstechnik. Die Messwerte werden als analoge Strom- oder Spannungswerte, digital über eine Inkremental- oder schnelle SSI-Schnittstelle ausgegeben. Eine CANopen-Schnittstelle wird in Kürze folgen. Außerdem stehen ein- und mehrkanalige, also auch vollredundante Ausführungen zur Wahl, die sich alle für hohe Drehzahlen bis 12.000 Umdrehungen pro Minute eignen und außerdem durch ein günstiges Preis-/Leistungsverhältnis überzeugen.

Die Drehgeber arbeiten nach dem bewährten Novohall-Verfahren (vgl. Technikkasten 2). Im Singleturnbereich wird über volle 360° mit bis zu 14 Bit Auflösung gemessen. Der Multiturn kann bis zu 16 Umdrehungen (zukünftig bis zu 40 Umdrehungen) erfassen. Er nutzt ein patentiertes Verfahren, das auf dem GMR-Effekt (Giant Magneto Resistance) basiert und kann zusätzlich zum Drehwinkelsignal im stromlosen Zustand ohne Pufferbatterie und ohne Getriebe die Umdrehungen zählen und speichern. Er liefert absolute Positionswerte und stellt den Messwert als „True-power-on“-System sofort nach dem Start zur Verfügung. Sich über die kleinen, robusten Drehgeber in Nürnberg näher zu informieren, dürfte sich damit durchaus lohnen.

Technikkasten 2: Drehgeber nutzen den Halleffekt
Wird ein Hall-Element von einem Strom durchflossen, so liefert es eine Spannung quer zum Stromfluss, wenn ein Magnetfeld senkrecht zu beiden einwirkt. Da diese Spannung proportional zur magnetischen Feldstärke verläuft, ist durch Anbringen eines Positionsmagneten auf einer drehbaren Welle auf einfachste Weise eine berührungslose Winkelmessung machbar. Diese Technologie hat in jüngerer Vergangenheit Fortschritte gemacht, die diesen Sensor zur exakten Winkelmessung ideal anbieten. Durch Kombination mehrerer Sensorelemente und Integration der kompletten Signalverarbeitung in wenigen Bauelementen sind komplexe Systeme auf kleinstem Bauraum möglich. Die Systeme arbeiten weitgehend alterungsunempfindlich und unabhängig von Feldstärkenschwankungen der Gebermagnete. Sowohl kontaktlose, wellengeführte als auch berührungslose Systeme ohne mechanische Wellenanbindung ermöglichen die Messung über volle 360° oder gar über mehrere Umdrehungen. Hohe Auflösungen bei guter Dynamik, große mechanische Toleranzen und schnelle Machbarkeit kundenspezifischer Sonderlösungen sind weitere überzeugende Eigenschaften dieser Technologie.
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Dipl.-Ing. Stefan Sester

Produktbereichsleiter Rotative Sensoren bei Novotechnik

Ellen-Christine Reiff

Ellen-Christine Reiff

Studium der deutschen Philologie, danach tätig bei Theater und Fernsehen, seit 1986 freie Journalistin beim Redaktionsbüro Stutensee mit Schwerpunkt Optoelektronik, elektrische Antriebstechnik, Elektronik und Messtechnik.

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