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Ein Band für die sichere Positionserfassung

01  Im Gegensatz zu den Wegseilsensoren erfassen die Wegbandsensoren die Position mit einem Edelstahlband, wodurch sie sich auch für Anwendungen mit Umlenkungen und Temperaturänderungen eignen

02  Der WB17KT ist ein kompakter Positionssensor für Messlängen von 3,5 m bis 19 m

Zu den gängigsten Positionssensoren zählen die mit Wegseil-Technologie. Das ­bekannte Messprinzip hat ASM durch eine innovative Komponente weiterentwickelt, die ihre Stärken bei mehrfachem Umlenken und großen Temperaturschwankungen ausspielt. Die Wegbandsensoren entsprechen damit den hohen Sicherheitsanforderungen im Kranbau.

Wegseilsensoren bestehen aus einem speziell gefertigten und kalibrierten Messseil sowie einer hochgenauen Messtrommel. Ihre Bandbreite an möglichen Messlängen ist sehr groß: Beispielsweise messen die Posiwire Sensoren von ASM bis zu 60 m. Da sie außerdem einfach montierbar und schnell einsatzbereit sind, eignen sie sich für vielfältige Anwendungen, wie Fahrzeugprüfstände, Strukturtests beim Flugzeugbau oder Höhenpositionierung in fahrerlosen Transportsystemen.
Meist werden für das Wegseil 18 × 1 oder 7 × 7 Seilkon­struktionen aus Edelstahl verwendet. Zum Schutz der dünnen Einzellitzen umhüllt ein PA-Mantel das Seil. Wegseilsen­soren arbeiten zuverlässig, wenn wenig umgelenkt werden muss und die Temperaturschwankungen nicht zu groß sind. Anderenfalls erhöht sich die Gefahr von Seilbruch. Selbst der PA-Mantel schützt hier wenig, da das Material bei ex­tremen Temperaturwechseln aufbricht, etwa beim Einsatz in Kühlhäusern, wo die Temperatur zwischen innen und außen von –30 °C bis 40 °C schwanken kann.
Aufgrund der hohen Sicherheitsanforderungen ist es deshalb beispielsweise im Kranbau kaum möglich, dieses Mess­prinzip auf Basis von Messseilen etwa in den Seitenauslegern von Mobilkränen einzusetzen. Dort sind die Sensoren für die richtige Position verantwortlich und es ist wichtig, dass sie absolut genau und ausfallsicher arbeiten. Da mehrfach umgelenkt werden muss, teilweise auch in gegenläufiger Richtung, sind Wegseilsensoren dafür zu anfällig.

Kein Problem mit Temperaturwechseln und ­Umlenkungen
Eine verlässliche Alternative stellen die innovativen Sensoren der Positape -Produktreihe von ASM dar. (Bild 1) Diese ­arbeiten mit Wegbändern und unterscheiden sich damit grundlegend von den bislang verwendeten Messseilen. Statt der dünnen Stahlseile wird ein 10 mm breites, 0,08 mm dünnes, flexibles Edelstahlband verwendet. Dieses Edelstahlband lässt sich verschleißfrei und ohne Bruch auch mehrfach um Umlenkrollen führen. Tests haben ergeben, dass sogar doppeltes Umlenken in gegenläufiger Richtung spielend bewältigt wird und zu Ergebnissen führt, die mit Seilen einfach nicht möglich sind. Wegbänder haben gegenüber Wegseilen bei einfacher Umlenkung eine doppelt so hohe Lebensdauer. Bei Führung des Wegbandes über zwei Rollen und gleichzeitig in gegenläufiger Richtung steigt ­dieses Verhältnis auf nahezu das Zehnfache.
Momentan gibt es fünf Positape -Modelle. Sie alle sind für den Einsatz in rauen Umgebungen konzipiert und mit analogen Ausgängen von 0,5 V bis 4,5 V bzw. 10 V und 4 mA bis 20 mA ausgestattet. Es sind Messlängen bis 25 m möglich (Bild 2). Alle Sensoren haben mindestens die Schutzklasse IP67, einige auch IP69. Aktuell wurde zudem eine offshore-taugliche Version WB100 auf den Markt gebracht. Sie bietet sich für Maschinen an, die etwa auf Bohrinseln zum Einsatz kommen, oder für Vertikalkräne in Werftan­lagen.

Erfassen mit magnetischen Encodern
Wichtig ist, dass das Edelstahlband nicht durch äußere Einwirkung beschädigt wird. Enge Fertigungstoleranzen und eine Positionsbestimmung mit Hilfe von analogen oder digi­talen Drehgebern bzw. Encodern gestattet es, ein glattes Band ohne Kerben oder andere Markierungen einzusetzen, und dennoch präzise Messergebnisse zu erhalten. ASM verwendet ausschließlich magnetische Encoder. Sie sind be­ständig gegen Schmutzstoffe, Späne, Öl und Wasser sowie robust gegenüber Schock, Vibration und Temperaturschwankungen. Die in den Positape -Wegband-Sensoren verwendeten Multiturn-Absolut-Encoder erfassen Messwerte selbst dann zuverlässig, wenn in das Gehäuse Wasserkondensat eindringt, da die Sensorelektronik komplett vergossen ist.
Optische Encoder sind für solche Einsatzbedingungen, wie sie im Bereich der mobilen Arbeitsmaschinen herrschen, nicht geeignet. Die Signale sind in der Regel auf Code­scheiben aufgebracht und werden mittels Fotodioden abgelesen. Geraten Staub, Schmutz oder Wasser dazwischen, kann ein einwandfreies Messergebnis nicht mehr sichergestellt werden. Folglich ist die Positionssicherheit nicht mehr gegeben und es würde beispielsweise den Sicherheitsanforderungen im Kranbau nicht entsprochen.

Exakte Messung von der Trommel
Die mit der Bandtrommel direkt gekoppelten Drehwinkelgeber bzw. Encoder messen den Drehwinkel der Trommel, welche das Messband lagenweise aufwickelt. Die axiale Wicklung sorgt für eine kompakte Baugröße, die im Zusammenhang mit häufigem Umlenken und kleinen Umlenkrollen gefordert ist. Die Korrektur der variablen Wicklungslänge, die sich durch den zunehmenden Trommelumfang pro Wicklung ergibt, erfolgt selbstlernend, indem das Messband mehrmals vollständig in vorher festgelegten Längen von der Trommel gezogen wird. Elektronische Linearisierung über die Signalausgänge bestimmt die wahre Messlänge, die dadurch trotz zunehmendem Trommelumfang sehr präzise ist. In der Regel genügt eine Linearität von 0,25 %, wobei von den Positape -Sensoren optional bis zu 0,01 % unterstützt werden.
Die lagenweise Wicklung über eine Trommel bietet noch einen weiteren Vorteil: Während Messseile bei kurzfristigen Maximal- oder Überlasten in der Beschleunigung von der Trommel springen können, bleiben Messbänder an ihrem Platz und sind damit wesentlich sicherer.
Neben der erhöhten Sicherheit und Lebensdauer bieten die Wegbandsensoren außerdem eine einfache Wartbarkeit. Aufgrund der glatten Oberfläche lassen sich die Wegbänder leicht mit Abstreifbürsten reinigen. Sie verhindert zudem eine starke Vereisung. Ein Problem, das bei Wegseil-Sensoren oft aufgetreten ist, die starken Temperaturschwankungen ausgesetzt sind.

Fazit
Steht die Entscheidung über Sensorik an, ist also die Anzahl der Umlenkungen ein wichtiges Kriterium für die Auswahl des Messprinzips: Für die meisten Applikationen, die in der Regel wenig Umlenkung erfordern, sind Wegseil-Sensoren eine gute Wahl. Kommen hohe Sicherheitsanforderungen wie im Kranbau hinzu, wird mehrfach umgelenkt und besteht zudem das Problem der Vereisung, spricht viel für Wegband-Sensoren. Sie sind ebenso kompakt und einfach zu montieren, aber durch das Edelstahlband biegefester, zuverlässiger und weniger verschleißanfällig – selbst bei mehrfachem Umlenken und großen Temperaturunterschieden. (no)

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Autor: Klaus Manfred Steinich ist Geschäftsführer der ASM GmbH in Moosinning.