Aufrufe
vor 11 Monaten

Industrielle Automation 3/2015

  • Text
  • Industrielle
  • Automation
Industrielle Automation 3/2015

02 Magnetischer

02 Magnetischer Streufluss an einer Materialinhomogenität (links); Prinzip der magnetische Streuflussprüfung (rechts) 03 Magnetische Streuflussprüfung von Wälzlagerringen Ideal für drahtlose, autonome Sensoranwendungen Magnetische Mikrosysteme in Form von magnetoresistiven (MR) Sensoren werden häufig in Fahrzeugen, Mobiltelefonen, medizinische Geräten, Windturbinen, Werkzeugmaschinen oder Industrierobotern eingesetzt, sei es für die Erfassung von Weg, Winkel, elektrische Strom oder Magnetfeldern. Diese Technologie wurde ursprünglich für die Datenspeicherung angewandt, wird aber zunehmend für Sensoren benutzt, sowohl in terrestrischen als auch in Raumfahrtanwendungen. MR-Sensoren sind robust, zuverlässig, präzise und miniaturisiert. Diese Kombination an Eigenschaften führt zu einem stetigen Wachstum des Anwendungsbereichs. Der extrem niedrige Leistungsbedarf von MR-Sensoren macht sie ideal für drahtlose, autonome Sensoranwendungen. Diese Eigenschaften eignen sich auch für Anwendungen in der zerstörungsfreien Prüfung und Zustandsüberwachung. Aktuell finden drei unterschiedliche Technologien, kollektiv xMR-Technologien genannt (siehe Bild 1 & Tabelle), in diesem Bereich Anwendung. Die drei Technologien sind komplementär und bieten vielfältige Vorteile für unterschiedlichste Einsätze, wie aus den anschließenden Anwendungsbeispielen deutlich wird. Zunehmender Einsatz in der zerstörungsfreien Prüfung In den letzten Jahren stieg das Interesse an GMR (giant magnetoresistive) Sensoren für Anwendungen in der zerstörungsfreien Prüfung stetig. Grundlage dafür ist die einmalige Kombination von Eigenschaften wie hohe Empfindlichkeit, hohe Ortsauflösung, kleine Abmessungen und vertretbare Kosten. GMR-Sensoren können auch in einem sehr weiten Frequenzbereich – von DC bis im MHz-Bereich – eingesetzt werden. Durch ihre Frequenzunabhängigkeit werden GMR-Sensoren sowohl für Wirbelstrom-basierte als auch für magnetische streuflussbasierte Verfahren angewandt. Wie in Bild 2 links dargestellt, entsteht ein magnetischer Streufluss an Stellen, wo die Permeabilität eines ferromagnetischen Bauteils sich aufgrund eines Materialfehlers z. B. ein Riss, verändert. Im Bild 2 rechts sind die wesentlichen Elemente eines Systems für die zerstörungsfreie Prüfung zu sehen, die auf diesem Effekt beruht. Dieses Prinzip wurde inzwischen mehrfach erfolgreich angewandt, zwecks zerstörungsfreier Prüfung von vielen unterschiedlichen Bauteilen oder Produkten. Beispiele sind nahtlose Stahlrohre für die Öl- und Gasindustrie, Innen- und Außenringe von Wälzlagern (Bild 3) sowie Untersuchungen von Eisen bahnschienen. Verglichen mit anderen Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung erlauben die geringen Abmessungen der GMR-Sensoren oder Arrays, bestehend aus mehreren Sensoren, den Zugang zu Messstellen mit extrem begrenztem Platz, wo Messungen mit Hall-basierten oder SQUID-basierten Sensoren nicht möglich sind. Weiterhin ermöglicht die hohe Ortsauflösung und hohe Empfindlichkeit der GMR-Sensoren die zuverlässige Erfassung von sehr kleinen Defekten, sowohl an der Materialoberfläche, als auch innerhalb des Werkstücks. Die Sensoren sind auch die Grundlage für automatisierte Prüfungen, welche eine quantitative Bewertung von Defekten und deren Entwicklung ermöglichen. MR-Sensoren für die Zustandsüberwachung Bis vor kurzem wurden fast ausschließlich Beschleunigungsaufnehmer für die Erfassung von Maschinenschwingungen oder Wirbelstromsensoren für die hochauflösende Erfassung von Auslenkungen an Wellen und für die Zustandsüberwachung von rotierenden Maschinen eingesetzt. Das Schwingungsniveau oder der Schlag einer Welle werden mit historischen Daten verglichen, um den Zustand der Maschine zu beurteilen. In der letzten Zeit sind jedoch neue Verfahren entstanden, die hochgenaue magnetische Sensoren mit hoher Bandbreite nutzen. Forschungsprojekt „Intelligente Spindel“ Im AiF-geförderte FuE Projekt „Intelligente Spindel“, kooperierten zwischen 2013 und 2015 Sensitec GmbH, das Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW) der TU Darmstadt und der Hochfrequenzspindelhersteller Levicron GmbH in der Entwicklung eines neuartigen Systems für die Zustandsüberwachung von Maschinenspindeln auf Basis integrierter MR-Sensoren, um die Wellenauslenkungen und Geschwindigkeit hochauflösend zu erfassen. Bild 4 zeigt die Lage der GMR-Sensoren, die die Zustandsüberwachung einer luftgelagerten Hochfrequenzspindel möglich machen. Die Sensoren erfassen die axiale und radiale Auslenkung der Spindelwelle im Betrieb und können jegliche unerwartete Auslenkung erfassen, die durch Kollisionen, thermische Ausdehnung oder Eintritt von Debris im Luftlager aufgrund von überhöhten Schnittkräften, erfolgt. Das Funktionsprinzip ist in Bild 5 zu sehen. GMR-basierte Zahnsensormodule werden benutzt, um die absolute Bewegung von Zahnstrukturen, die direkt auf der Motorwelle angebracht sind, zu erfassen. Sie sind klein genug um direkt im Spindelgehäuse montiert werden zu können. Tests haben bewiesen, dass Wellenverlagerungen in axialer und radialer Richtung mit einer Auflösung von besser als 0,5 µm zuverlässig messbar sind. Weitere GMR-Sensoren kommen zum Einsatz, um die Drehgeschwindigkeit und die Winkel der Spindelwelle zu messen. Diese Informationen werden nicht nur für die grundlegende Funktionalität des Spindels benutzt, sondern auch in Verbindung mit den restlichen Sensordaten, um eventuelle Schäden oder Störungen eindeutig diagnostizieren zu können. Das neue System ermöglicht Messungen bei Spindeldrehzahlen bis 100 000 1/min. Es ist zu erwarten, dass dieser neue An - 22 INDUSTRIELLE AUTOMATION 3/2015

SPECIAL I SENSOR+TEST 2015 satz die Verbreitung von Zustandsüberwachungssystemen bei Hochfrequenzspindeln deutlich erhöhen wird. Bisher ist die Nutzung solcher Systeme in der Praxis nur begrenzt vorzufinden. Ausblick und Perspektiven Es zeichnet sich ab, dass die Zustandsüberwachung eine der Anwendungen sein wird, welche durch die “Industrie 4.0“ Initiative am stärksten profitiert. Die praktische Umsetzung hinkt jedoch den theoretischen Möglichkeiten hinterher. Neue magnetische Sensortechnologien können diesen Zustand demnächst ändern und es gibt weitere aktuelle Entwicklungen, beispielsweise im Bereich von extrem energieeffi zienten TMR (Tunnel magnetoresistive) Sensoren, die diesen Trend noch beschleunigen könnten. Die frühzeitige Berücksichtigung von zusätzlichen Sensoren bei der Auslegung von neuen Komponenten oder Produkten wird durch die Entwicklung von miniaturisierten Sensoren, von denen MR-Sensoren ein besonders vielversprechendes Beispiel sind, vereinfacht. Bilder: Aufmacher Fotolia, 03 BAM, 04 Levicron GmbH www.sensitec.com 04 Lage der GMR-Sensoren für Zustandsüberwachung an einer Hochfrequenzspindel 05 Lage des Sensors für die Erfassung einer radialen Wellenauslenkung Halle 11, Stand 11-336 NEU Sofort verfügbar! Flexibilität in einer neuen Dimension! Der Temperaturkalibrator TP 3M 255 E Er verbindet große Flexibilität im Einsatz und Temperaturbereiche von Raumtemperatur bis 255 °C mit dem bewährten Bedienkonzept mittels eines 7“ Farb-Touchscreens. Schnelle und sichere Kalibrierung von unterschiedlichen Prüflingen durch einfachen Wechsel zwischen Trockenblock, Mikrobad, Infrarot- und Oberflächenfühler-Kalibrator Benutzerfreundliche und intuitive Menüführung Quality by tradition Weitere Infomationen finden Sie unter: IA315.sika.net Elektronische Messund Kalibriertechnik Besuchen Sie uns: Sensor+Test 2015 - Halle 12, Stand 12-145 INDUSTRIELLE AUTOMATION 3/2015 23 STS.indd 1 23.10.2012 09:05:11 Sika.indd 1 20.04.2015 08:25:52

AUSGABE