Aufrufe
vor 1 Monat

INDUSTRIELLE AUTOMATION 4/2020

  • Text
  • Industrielle
  • Automation
  • Sensoren
  • Unternehmen
  • Maschinen
  • Sensor
  • Produkte
  • Komponenten
  • Maschine
  • Anlagen
INDUSTRIELLE AUTOMATION 4/2020

Sekundärteil mit

Sekundärteil mit Permanentmagneten Auf Performance getrimmt Integriertes magnetoresistives Wegmesssystem eröffnet der Lineardirektantriebstechnik zahlreiche neue Möglichkeiten Primärteil mit Drehstromwicklungen und integriertem Wegmesssystem 01 Immer höhere Anforderungen an Dynamik, Genauigkeit und Gleichlauf erfordern auch in der linearen Antriebstechnik neue Lösungsansätze. Ein Wetzlarer Hersteller von magnetoresistiven Sensoren hat jetzt ein neuartiges Inkrementalencoder-Konzept für Linear- und Tubular-Motoren entwickelt, das zahlreiche Vorteile im Vergleich zu konventionellen Messprinzipien zu bieten hat. In vielen Anwendungen bieten elektrische Direktantriebe deutliche Vorteile gegenüber konventionellen Antriebssystemen [1]. Der Verzicht auf mechanische Übertragungselemente bedeutet keine Elastizitäten oder Umkehrspiel im Regelkreis, was zu mehr Dynamik und höherer Genauigkeit führt. Der Wegfall von mechanischen Übersetzungsgliedern ermöglicht trägheits-, reibungs- und geräuscharme Antriebe im Vergleich zu konventionellen Linear- und Drehantrieben. Eine höhere Verfügbarkeit wird gewährleistet durch eine Begrenzung des mechanischen Verschleißes auf das Führungssystem. Dr. Rolf Slatter, Geschäftsführer der Sensitec GmbH in Wetzlar Trotz dieser vielfältigen Vorteile wurden Direktantriebe, d. h. Linear- bzw. Torque-Motoren zunächst nur in relativ eng abgegrenzten Anwendungen eingesetzt, primär in Werkzeugmaschinen oder in Maschinen für die Halbleiterfertigung (Bild 01). Teilweise liegt diese relativ langsame Verbreitung an den höheren Gesamtkosten, verursacht durch die hohen Anforderungen an den Positionsgeber und aufwändigere hochdynamische Antriebsregler. In der letzten Zeit führen jedoch Verbesserungen bei den Positionsgebern, eine Kostenreduzierung bei den Antriebsreglern sowie verbesserte Motorkonstruktionen mit höheren Leistungsdichten zu einer deutlichen Erweiterung der Anwendungsbereiche insbesondere im Bereich von Handhabungsaufgaben [2]. Vorteile: hohe Auflösung, hohe Bandbreite, exakt und kompakt Weg- oder Längenmesssysteme für Linearoder Torque-Motoren bestehen üblicherweise aus Maßstab oder Maßverkörperung und einem Abtastkopf mit Sensorelementen. Bei inkrementell arbeitenden Systemen befindet sich auf der Maßverkörperung eine Spur mit äquidistant verteilten Strichen. Der Abstand zwischen zwei Strichen wird als Teilung bezeichnet. In kommerziell verfügbaren Wegmesssystemen werden verschiedene Messprinzipien angewandt [1 - 3], u. a. optische, induktive oder magnetische Prinzipien. Für die Positionserfassung bei einem Direktantrieb sollte das Messsystem folgende Eigenschaften vereinen: n hohe Auflösung für eine hohe Regelgüte n hohe Genauigkeit für eine präzise Positionierung n hohe Bandbreite für den Einsatz bei sehr hohen Geschwindigkeiten und Drehzahlen n einfache, günstige Montage & Einrichtung n einsetzbar unter schwierigen Umgebungsbedingungen n Unempfindlichkeit gegen Schock und Vibration n geringes Bauvolumen Messsysteme basierend auf MR-Sensoren erfüllten diese komplexe Anforderungsliste vollständig. Lineare und rotatorische Geber auf MR-Basis bieten mehrere Vorteile gegenüber anderen Messprinzipien. Die höchste zulässige Einsatztemperatur für optische Geber liegt oft nur bei 85 °C und nur selten bei 100 °C. MR-Sensoren können bei deutlich höheren Temperaturen eingesetzt werden und sind bis 150 °C qualifiziert, sowohl für Industrie- als auch Automobilanwendungen. Optische und induktive Geber bieten zudem ein begrenztes Miniaturisierungspotenzial aufgrund des komplexen Aufbaus. Ein entscheidender Vorteil von magnetischen Gebern ist die deutlich höhere Robustheit und Widerstandsfähigkeit gegenüber Verschmutzung. Diese Vorteile bieten die Grundlage für den stetig stei genden Marktanteil magnetischer Mess systeme [2]. Der Clou liegt im Design MR-Sensoren von Sensitec verfügen über diverse patentierte Designmerkmale zur Optimierung von Auflösung und Genauigkeit. So sind die MR-Streifen von Sensoren mit dem Fix-Pitch-Design geometrisch auf 14 INDUSTRIELLE AUTOMATION 04/2020 www.industrielle-automation.net

SENSORIK UND MESSTECHNIK Sekundärteil mit Permanentmagneten Primärteil mit Drehstromwicklungen MR-Sensorchip mit polangepasster Widerstandsstruktur Linearführungen Lesekopf (MR-Sensoren) 02 Maßverkörperung (Linearmaßstab) 03 Maßverkörperung (Linearmaßstab) 01 Lineardirektantrieb mit integriertem Wegmesssystem 02 Lineardirektantrieb mit externem Wegmesssystem 03 FixPitch Sensoren: die MR-Streifen sind geometrisch auf eine Pollänge abgestimmt eine bestimmte Pollänge des magnetischen Maßstabs abgestimmt (Bild 03). Die Sinus-/Kosinus-Signale werden durch die Verteilung der Wheatstone-Brückenwiderstände entlang des einzelnen Poles erzeugt. Dank dieser geometrischen Anordnung werden Oberwellen unterdrückt und die Empfindlichkeit auf Störfelder verringert. Das PurePitch Design ist eine Erweiterung des Fix-Pitch-Konzepts, in dem die MR-Widerstände über mehrere Pole verteilt sind. Damit erfolgt eine Mittelung, die dazu beiträgt, die Auswirkungen von Maßstabsfehlern ohne zusätzliche Signallaufzeiten zu minimieren. Da über Nord- und Süd-Pole gemittelt wird, werden auch externe, homogene Störfelder noch stärker unterdrückt. Diese Optimierungen machen sich bemerkbar in einer höheren Regelgüte. Um höchste Anforderungen an Signalqualität zu erfüllen, werden die MR-Streifen im Perfect-Wave- Design ausgeführt. Die Streifen haben eine spezielle Positionierung im Sensordesign, die zur Oberwellenfilterung bei der Abbildung der Magnetfeldrichtung in ein elektrisches Signal genutzt wird. Diese Filterung wird durch die spezielle Geo metrie und Anordnung der MR-Streifen realisiert und verursacht keine zusätzlichen Signallaufzeiten. Für hochdynamische Anwendungen prädestiniert Das Anwendungsbeispiel in Bild 02 zeigt einen eisenlosen Lineardirektantrieb mit externem Wegmesssystem auf MR-Basis. Die Maßverkörperung wird am Bett des Linearantriebs fixiert und der Abtastkopf am beweglichen Primärteil des Motors angebracht. In diesem Beispiel handelt es sich um einen hochdynamischen und hochpräzisen Lineardirektantrieb für Anwendungen in Maschinen für die Halbleiter fertigung. Das Wegmesssystem nutzt einen 3-Spur Nonius Polmuster und AMR (anisotroper MR-Effekt)-Längensensor vom Typ AL802, um eine absolute Positionierung zu ermöglichen. Die Wiederholgenauigkeit der Achse liegt deutlich unter 1 µm. Bei der Anwendung von Hall-Sensoren sind typische absolute Genauigkeiten von ca. 250 µm/m, Auflösungen im Bereich 3 bis 5 µm und Wiederholgenauigkeiten > 10 µm erreichbar. Diese Leistungsparameter sind für manche Anwendungen ausreichend, aber mehr Applikationen werden zugänglich, wenn eine deutlich höhere Genauigkeit erreicht werden könnte. Integriertes Wegmesssystem mit MR-Sensoren Um diese Marktbedürfnisse zu bedienen arbeitet Sensitec seit ca. 3 Jahren an verbesserten integrierten Wegmesssystemen für Linearmotoren. Die daraus entstandenen Lösungen liefern nicht nur Positionsinformation, sondern auch Kommutierungsinformation für den Motor. Die o. g. Fix-Pitch- Sensorelemente sind verfügbar für Maßverkörperungen mit einer Teilung bis 5 mm. Bei den meisten Lineardirektantrieben ist die Teilung zwischen den Statormagneten deutlich größer und daher muss ein Array von Sensoren nach dem sog. „Multi-Fix- Pitch“ Prinzip zum Einsatz kommen. Anstatt eines einzelnen Sensorelementes wird ein Array von AMR-Sensoren in einem vorab über Simulation hergeleiteten Abstand auf einer Leiterplatte positioniert. Zum Einsatz kommt ein speziell auf die Anwendung optimierter Längensensor mit Fix-Pitch- und Perfect-Wave-Design. Das Sensormodul wird im beweglichen Primärteil des Motors integriert, nah an den Drehstromwicklungen. Aus der Praxis Bild 01 zeigt ein praktisches Anwendungsbeispiel für einen Lineardirektantrieb der Fa. Kessler Energy GmbH mit integriertem Wegmesssystem. Ziel bei der Entwicklung war es, auf ein externes Wegmesssystem zu verzichten, um Kosten zu sparen für preissensitive Anwendungen, ohne signifikante Einbuße bei der Genauigkeit. Es handelt sich um die neue SLM Baureihe mit Nennkräften bis 10 kN und Geschwindigkeiten bis 300 m/ min. Der Linearantrieb verfügt über eine sehr kompakte Bauweise und der Motor ist rastwellenoptimiert für geringe Kraftwelligkeit. Wie oben schon erwähnt konnten Wiederholgenauigkeiten < 1 µm unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen erreicht werden, was die Eignung des neuen Motors für viele Handlingsaufgaben unterstreicht. Prädestiniert für Anwendungen in Handling-Systemen Das neue Sensormodul wurde schon an sehr unterschiedlichen Motorbauformen erfolgreich eingesetzt, daher nicht nur bei eisenlosen Linearmotoren, sondern auch bei zylindrischen Linear- und Torque-Motoren. Es bietet eine interessante Ergänzung zu konventionellen externen Wegmesssystemen für Direktantriebe. Externe Wegmesssysteme sind weiterhin unumgänglich, wenn es um Anwendungen mit sehr hohen Anforderungen bezüglich Genauigkeit geht, z. B. absolute Genauigkeit < 10 µm/m, Wiederholgenauigkeit < 1 µm, Auflösung deutlich < 1 µm. Trotzdem bietet das MR-Sensor basierte Modul eine sehr interessante Lösung zur preiswerten Positionserfassung für Anwendungen im Handlingbereich mit mittleren Genauigkeitsanforderungen. Bilder: Aufmacher asharkyu/Shutterstock, 01 Kessler Energy GmbH, 02 ITK Dr. Kassen GmbH, 03 Sensitec GmbH Literaturhinweise: [1] Gißler, J.; Elektrische Direktantriebe – Vorteile der Direktantriebstechnik praktisch nutzen, Franzis Verlag, Poing, 2005 [2] Gieras, J.F. et al; Linear Synchronous Motors – Transportation and Automation Systems (2nd Edition), CRC Press, Boca Raton, USA, 2011 [3] Basler, S.; Encoder und Motor-Feedback-Systeme – Winkellage und Drehzahlerfassung in der industriellen Automation, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2016 www.sensitec.com www.industrielle-automation.net INDUSTRIELLE AUTOMATION 04/2020 15

AUSGABE