Absoluter Sensorgipfel

Die Zukunft der Drehgeber, Sensoren und verschiedenster Antriebselemente stand vor kurzem während der Fachtagung des Redaktionsbüros Stutensee im Mittelpunkt. Die Experten von Baumer, Balluff, Lenord+Bauer, Kübler, Pepperl+Fuchs, Wachendorff, PI und Baumüller skizzierten die Trends und ihre besten Praxisbeispiele.

Wie sieht die perfekte Kombination aus magnetischen Sensoren und abgestimmten Steuerungen für Windkraftanlagen aus, und was leistet sie? Björn Schlüter, Leiter Unternehmenskommunikation von Lenord+Bauer, erklärt dazu: „Wir programmieren unsere Steuerungen auf Codesys-Basis und bieten nicht nur ein sensorisches Gesamtpaket für Windkrafträder an, sondern erleichtern in diesen Höhen und erst recht auf dem Meer draußen vor allem den von uns standardmäßig empfohlenen Remote-Service, die Diagnose und gezielte Reparatur-Maßnahmen“, beschreibt Björn Schlüter die Bandbreite des Sensoren und Steuerungen umfassenden Lenord+Bauer-Portfolios. Als Basis für die magnetischen Sensorik dient der hauseigene Technologiebaukasten. Dieser findet eine konkrete Anwendung beispielsweise beim Einsatz an der Blattwurzel. Der hier eingesetzte GEL 2035 dient als Feedbacksystem für die Pitch-Kontrolle. In Verbindung mit einem Messritzel in der Verzahnung des Blattlagers wird die Blattlage und -geschwindigkeit ermittelt. „Neu ist unsere Sensorline GEL 2035, weil er neben einem magnetischen Multiturn-Absolutwertgeber zusätzlich noch einen Resolver besitzt. Der Drehgeber löst auf 4.096 Schritte pro Umdrehung auf. Die Multiturnstufe basiert auf einem elektronischen Getriebe, dass mechanisch verschleißfrei die Anzahl der Umdrehungen speichert. Die vollständige galvanische Trennung des Resolvers und des magnetischen Absolutwertgebers gewährleistet dabei eine echte Redundanz der absoluten Positionswerte. Da sich in der Verzahnung des Lagers Verschmutzungen wie Schmiermittelablagerungen und Verbundmaterialien des Rotorblattes sammeln, die auf das Messritzel und die Drehgeberwelle drücken, gibt es den GEL 2035 auch mit optimierter Lagerlast von radial und axial 300 N.

Ein weiterer Anwendungsfall ist der Einsatz des GEL 2351 am Schleifring zur Ermittlung der Rotornabenposition. Björn Schlüter: „Unser magnetischer Nonius-Drehgeber verfügt über eine für 0,1°-Winkelgenauigkeit.“ Sollten Multiturn-Geber benötigt werden, bietet Lenord + Bauer auch Varianten mit einem mechanischen Getriebe an. „Ein weiterer großer Vorteil unserer Geber mit Multiturn-Getriebe ist die magnetische Abtastung für jede Getriebestufe, die sofort mitteilt, wenn sich ein Rädchen nicht mehr dreht. Es ist also eine zusätzliche, automatische Ausfallerkennung, erklärt Björn Schlüter.

Falschbogenerkennung bald noch dynamischer

Unterdessen konzentriert sich Pepperl+Fuchs seit längerem auch stark auf die Falschbogenerkennung: „Bislang erfolgt in neun von zehn deutschen Druckereien noch keine Falschbogenerkennung. Beim Rest erfolgt dies hauptsächlich durch Codelesung, deren Möglichkeiten aber stark begrenzt sind. Wir können den Druckbogen direkt anhand des Druckbildes, also des Textes und der Bilder erkennen. Das geht schnell und zuverlässig bei einfachster Bedienung auch für Anwender ohne Vorkenntnisse“, unterstreicht Fabrikautomations-Experte Rainer Bönick. Sein Know-how dazu erweitert Pepperl+Fuchs mit der Übernahme sämtlicher Rechte an der Schweizer Optigraf die als Pionier auf dem Gebiet der Falschbogenerkennung gilt. „Optigraf ist Spezialist mit Erfahrung von der konventionellen Grauwertauswertung bis zur Bildverarbeitung. Unsere langjährige Erfahrung haben wir z.B. mit unseren Data-Matrix-Readern gewonnen. Deshalb können wir jetzt eine stabile Lösung anbieten, das ganz einfach das Kamerabild mit einem eingeteachten Referenzbild vergleicht“, erklärt Rainer Bönick. Die für die Überprüfung der Übereinstimmungen eingesetzten Vision-Sensoren enthalten alle notwendigen Komponenten aus Beleuchtung, Objektiv, Kamerachip und Bildverarbeitungssoftware − abgestimmt auf die konkrete Anwendung. „Eine wesentliche Stärke unseres selbst entwickelten und gefertigten Systems ist der selbstoptimierende Teachvorgang, bei dem über wenige Bögen Bildsequenzen aufgenommen werden und daraus die optimale Shutterzeit und Bildposition ausgewählt wird. Im Produktionsprozess werden dann nur noch diese ausgewählten Parameter zur Falschbogenerkennung verwendet.“ Höhere Dynamik verspricht Rainer Bönick schon „in naher Zukunft mit neuen zukunftsfähigen Vision Sensoren, die weltweit zum Standard in der Druckweiterverarbeitung gehören werden.“

Energie und Daten durch 5-mm-Luftspalt übertragen

Häufig müssen Sensoren und Aktoren den Bewegungen einer Maschine folgen können. Eine feste Verdrahtung der Sensoren ist dabei zumeist schwierig und störend, denn Kontakte und Kabel können den Bewegungen immer nur eine begrenzte Zeit lang standhalten. So kommt es häufig durch frühzeitigen Verschleiß zum Bruch der Verbindungen und unerwünschtem Stillstand. Abhilfe verspricht Industrial-Identification-Experte Romeo Popescu mit dem neuen induktiven Kopplersystem BIC von Balluff, das Energie und Daten gleichzeitig und berührungslos über einen Luftspalt von 5 mm übertragen kann. Im Vergleich zu früheren Remote-Systemlösungen stellen die neuen Koppler BIC höhere Leistung bei deutlich kompakterer Baugröße zur Verfügung. Außerdem kann der Anwender mit ihrer Hilfe praxisgerecht per Plug-and-Play zeitsparend konsistente Lösungen zur berührungslosen Energie- und Datenübertragung realisieren und dabei kostengünstige Standardkomponenten nutzen. Unterschiedliche Ausführungen machen zudem eine Anpassung an die jeweilige Applikation leicht. Sogar eine anspruchsvolle Aufgabe wie die Ankopplung an IO-Link für bis zu 16 Sensoren pro System lässt sich mit den neuen Kopplern realisieren. Typische Applikationen finden sich beim Werkzeugwechsel in automatischen Bearbeitungszellen ebenso wie im weiten Feld der Robotik.

Industrie-robust erst nach 100 Bauart-Endprüfungen

Wie wichtig es indes ist, dass Bediengeräte und Drehgeber industrierobust sind, unterstreicht Wachendorff-Geschäftsführer Robert R. Wachendorff, der dafür eine eigene Strategie hat: „Wenn wir von immer neuen superlativen Grenzwerten lesen, ist es aber entscheidend, dass die Werte seriös sind. Das heißt, Sie müssen die Grenzen Ihrer Produkte erst austesten und vor allem überschreiten, um die Grenzwerte sicher angeben zu können.“ Für die Prozesstechnik-Spezialisten in Geisenheim bedeutet das: Die Wachendorff-Produkte werden auf Basis des Kano-Managementmodells (Theorie von Dr. Noriaki Kano, Prof. an der Uni. Tokio, 1978) industrierobust gemacht. Um diese Produktsicherheit zu erlangen, berücksichtigt Wachendorff bei der Entwicklung neuer Geräte mehr als 400 Normen und Richtlinien. „Ohne Vorauswahl und Komponentenchecks haben unsere Geräte bei der Auslieferung 100 Bauart-Endprüfungen erfolgreich bestanden. Das zahlt sich mittlerweile aus, weil unsere Anwender, wie z.B. Fendt oder Daimler, nicht mehr überlegen, ob sie bei Wachendorff bestellen, sondern nur die für Ihre Anwendung entsprechenden Details abklären.“ Aufwändige Tests sind nach Erfahrung von Robert Wachendorff also die Basis, dass sich zwischen OEMs und Zulieferer ein nachhaltiges Vertrauensverhältnis auf der technischen Seite bilden kann. „Mit unseren Prüfungen verfolgen wir das Ziel, dass unsere Geräte unter jeden Bedingungen länger funktionieren, als die Nutzungsdauer der Fahrzeuge, in denen sie eingebaut sind“, erklärt Robert Wachendorff. Zwei neue Komponenten hat Wachendorff übrigens für die den Geschäftsbereich Gebäudetechnik im Programm: den universellen Protokollwandler, das Kommunikationszentrum Data Station Plus sowie die M-Bus-Gateways, mit dem der Ressourcenverbrauch für z.B. die Verbesserung der Energieeffizienz immer im Blick ist.

Gefragteste Version: Touchless Multiturn

Auf das breiteste Drehgeber-Portfolio weltweit verweist unterdessen Baumers Motion-Control-Spezialist Ralph Werren: „Wir haben derzeit vier verschiedene Multiturn-Abtastmethoden im Programm. Im Trend liegen eindeutig die absoluten Drehgeber, weil sie immer wissen, wo sie stehen und dadurch auf Referenzfahrten verzichtet werden kann. Die gefragteste Version ist derzeit unser Touchless Multiturn“. Den hat Baumer in den letzten 20 Jahren über 1 Mio. Mal verkauft. Prinzip: Zwei Reed-Kontakte werden positionsabhängig von Magneten angesteuert und liefern so die Drehrichtung und die Anzahl der Umdrehungen. „Prädestiniert für den Maschinenbau ist aber unser neuer optoTurn, der als volloptischer Drehgeber absolut unempfindlich ist gegen Magnetfelder“, erklärt Ralph Werren. Statt Magnet und Reedkontakt sind dort für die Umdrehungszählung LED, Photoelement und Unterbrecherscheibe verbaut. Die Funktion der dritten Multiturn-Variante microGen Wiegand basiert auf einem rotierenden Magnet, der präzise immer am gleichen Winkel einen Wiegand-Draht ummagnetisiert und so in einer Drahtspule schließlich einen Spannungsimpuls erzeugt. „Der große Vorteil ist, dass die Spannung direkt aus der Drehbewegung generiert wird. Sie brauchen also keine Batterie, keine definierte Geschwindigkeit und können den microGen Wiegand wegen der fehlenden beweglichen Teile überall einsetzen“, verspricht Ralph Werren. Komplett wird das Multiturn-Quartett mit dem microGen Spring, in dem eine magnetisch leitende Federzunge von einem Magnet auf einer Drehscheibe bis zu einem bestimmten Punkt mitgenommen und dann ummagnetisiert wird. microGen Spring ist sehr robust und daher ideal in Heavy Duty Anwendungen und in Magnetfeldern einsetzbar, besser noch als die Wiegand-Variante.“ Die Zukunft der Drehgeber sieht Ralph Werren vor allem in der Miniaturisierung: „In zwei Jahren könnten etwa die Multiturn-Drehgeber mit 16-, 14- oder sogar 12-mm-Durchmesser bereits Realität sein – die Technologie gibt das her.“

Trend: Mobile Automation

Für Aufsehen sorgte unterdessen Gebhard F. Kübler, Geschäftsführender Gesellschafter der Fritz Kübler GmbH Zähl- und Sensortechnik, mit einem neuen Schlagwort: „Mobile Automation: Wir definieren sie mit nicht stationären Arbeitsmaschinen, die immer mehr und vor allem speziell angepasste Drehgeber, Neigungssensoren und Linearwegsensoren benötigen.“ Einsatzgebiete seien vor allem Kräne, Baumaschinen, Untertagefahrzeuge, Feuerwehr-, land- und forstwirtschaftliche Fahrzeuge bis zu Transport-, Kommunal- und Flughafenfahrzeugen. Wichtig sind die Eigenschaften: Robustheit ist das Kriterium Nummer 1. Die Sensoren müssen viel einstecken können. „Unsere Sendix-Drehgeber funktionieren einwandfrei zwischen -40 bis 90°C. Einige Baureihen wurden unter Schock-Belastungen von 500 g und Vibrations-Belastung von 30 g erfolgreich getestet“, erläutert Gebhard Kübler. Eine spezielle Beschichtung schützt die Drehgeber beim 672-h-Salzwassersprühtest nach dem Automobilstandard. Zum Beispiel sorgt das geschützte Safety-Lock-Design für Stabilität bei Vibration und verzeiht unsachgemäße Behandlung bei der Montage. Verblockte Lager, große Lagerabstände und extra starke Außenlager vermeiden mit der Safety-Lock-Serie wirkungsvoll Maschinenstillstände und Reparaturen. Diese formschlüssige Flansch-/Lagertechnologie schützt alle magnetischen und optischen Sendix-Drehgeber.

„Mit mechanisch geschützter Wellendichtung, Edelstahlgehäuse oder auch mit komplett in Kunststoff vergossener Elektronik sind unsere Drehgeber ideal ausgerüstet für den Einsatz bei aggressiven Flüssigkeiten und feinsten Stäuben“, erklärt Branchenmanager Markus Brunner. Was passt aber konkret für den einzelnen Anwendungsfall? „Qualifizierte Vertriebsingenieure, ein Branchenmanager für die mobile Automation, wie auch nützliche Checklisten unterstützen die Kunden bei der Entscheidung für den richtigen Sensor für Ihre lineare oder rotative Aufgabe“, verspricht Gebhard Kübler. Dabei leitet die Checkliste von der Einsatzbedingung zum nötigen technischen Merkmal des Sensors. Das ergibt ein klares Profil: Schutzklasse, magnetisches oder optisches Prinzip, Miniatur- oder Standard-Größe, inkremental oder absolut bis hin zur passenden Schnittstelle. „Nehmen Sie das Beispiel FTS (fahrerlose Transportsysteme) der MLR System GmbH: Die Fahrgeschwindigkeit kontrolliert unser 2420-Miniatur-Drehgeber, die Lenkwinkelüberwachung der Kübler Sendix M36 und die Hubhöhe erfasst das B80-Seilzugsystem.“W

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