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INDUSTRIELLE AUTOMATION 6/2019

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INDUSTRIELLE AUTOMATION 6/2019

STEUERN UND ANTREIBEN

STEUERN UND ANTREIBEN Technologiesprung Was Hollow Shaft-Montagekits mit energieautarker Multiturn-Fähigkeit alles leisten Hohlwellengeber und Multiturn beim Motorfeedback. Was lange nicht oder nur extrem schwer funktionierte, ist mit den neuen Hohlwellen-Kits von Posital ein Kinderspiel. Dank Energy Harvesting per Wiegand-Effekt kommt die integrierte Zählelektronik ohne Batterien oder aufwändige Getriebe aus – und ist komplett wartungsfrei. Das Design der Hohlwellen-Einbau-Kits prädestiniert sie für viele Anwendungen in der Positionssteuerung Die Multiturn-Auslegung der neuen Hollow Shaft-Serie sorgt für einen Technologiesprung bei Hohlwellengebern. Da die richtige Multiturn-Technologie bislang einfach nicht existierte, gab es klassische Durchgangsgeber nahezu ausschließlich als Singleturn-Lösung. Genau diese Lücke schließt nun der Sensorhersteller Posital mit seinen neuen kapazitativen Hollow Shaft-Kits. Sie verfügen über einen integrierten Rotationszähler, der jede einzelne Umdrehung erfasst und dokumentiert. Clou des Multiturn-Systems ist, dass die Zählelektronik ohne externe Stromversorgung, wartungsanfällige Batterien oder aufwändige Getriebe auskommt. Ein von Posital seit Jahren bei Vollwellen-Gebern eingesetzter Wiegand-Harvester, der Rotationsbewegungen in elektrische Impulse umsetzt und mit viel Aufwand für das Hohlwellen- Design fit gemacht wurde, sorgt für komplett energieautarken Betrieb. Roboter im Fokus Zu den bevorzugten Einsatzfeldern der neuen Hollow Shaft-Kits zählen Roboter – Jörg Paulus, General Manager Sales Europe, Posital Fraba, Köln vom klassischen 6-Arm-Knickroboter für Industrieeinsätze bis zu deutlich leichteren und agileren Cobots, die schon länger für besonderen Hype sorgen. Punkten können die Durchgangsgeber auch überall, wo es um die direkte Montage auf der Achse eines Motors geht. Was die neuen Hohlwellen- Kits in der Praxis draufhaben, lässt sich am besten an typischen Robotik-Einsätzen zeigen. Installiert sind sie hier direkt in den Gelenken, von wo sie die dreidimensionalen Bewegungsabläufe der einzelnen Roboterarme exakt überwachen und steuern. Wie hoch die Messlatte hier in Sachen Präzision liegt, wird daran deutlich, dass moderne Industrieroboter mit Wiederholgenauigkeiten von bis zu 0,1 mm arbeiten. Im Handumdrehen installiert In Cobots wie in klassischen Robotern wird die zentrale Bohrung der Hohlwellen-Kits (wahlweise 30 und 50 mm) elegant für die Führung von Kabeln und Medienschläuchen innerhalb des Robotergehäuses genutzt. Das schlanke Design (gerade mal 17,8 mm Tiefe bei einem Außendurchmesser von 80 mm) und das geringe Gewicht (mit 110 g wiegt das gesamte Assembly kaum mehr als eine Tafel Schokolade) sorgen für einfache Montage und schnelle Inbetriebnahme. Ein paar Handgriffe und Schrauben genügen und das Mess-System ist voll einsatzfähig – ganz ohne schwierige Kalibrierung. Wie groß das Sparpotenzial in der Robotik ist, zeigt ein Blick auf die Ist-Situation. Während für die Drehzahlüberwachung und Positionssteuerung bislang zwei parallel arbeitende Singleturngeber – plus Getriebe für die Synchronisation – nötig sind, schafft der neue Kit-Encoder dies im Alleingang. Aus zwei mach eins – lautet die Devise. Kapazitative Messtechnik – präzise und robust Während Posital bei Drehgebern seit Jahren den Switch von optischer zu magnetischer Messtechnik forciert, wurde bei der Hollow Shaft-Serie gezielt ein anderer Weg gewählt. Da sich magnetische Systeme nur sehr schwer in Hohlwellen-Designs umsetzen Hollow Shaft kompakt n einfache Installation, keine Kalibrierung n Multiturn – energieautark und wartungsfrei n kapazitative Messtechnik – robust und resistent gegen Schmutz und Feuchtigkeit n direkt auf Antriebswellen montierbar n Open Source-Schnittstellen 56 INDUSTRIELLE AUTOMATION 6/2019

STEUERN UND ANTREIBEN 02 01 lassen, gab man der kapazitativen Messtechnik den Vorzug. Auch sie steht für Zuverlässigkeit und Präzision – zu moderaten Kosten. Dies zeigt sich in Performancedaten wie einer elektronischen Auflösung von 18 Bit für die Singleturn-Abtastung – gepaart mit einer Genauigkeit von ± 0,02°. Key-Komponenten der kapazitativen Kits sind die mit unterschiedlichen Mustern gestalteten leitfähigen Oberflächen von Rotor und Stator. Sie erzeugen elektrische Hochfrequenzsignale, die über ASIC-Prozessoren gescannt und ausgelesen werden. Dabei werden die aktuellen Weg- und Winkelparameter als eindeutiger Positionswert über die Open Source-Schnittstellen SSI oder BiSS C an die zentrale Steuerung gegeben. Da beim Scannen immer die komplette Oberfläche erfasst wird, lassen sich die neuen Kits auch von punktuellen Verschmutzungen nicht irritieren. Energy Harvesting dank Wiegand-Effekt Herzstück des autarken Multiturn-Systems ist ein spezieller Energy Harvester, der als SMD-bestückbare Komponente von Posital industriell gefertigt wird. Hier sorgen Impulse aus einem aufwändig konditionierten Wiegand-Draht für die Energie-Ernte. Während der klassische Wiegand-Harvester beim Vollwelleneinsatz mit einem zentralen Permanentmagnet operiert, musste für das Hohlwellen-Design ein komplett neues Setup gefunden werden. Über Feldtests und intensive Magnetfeldsimulation wurde eine zuverlässige Lösung mit vier Diametralmagneten entwickelt, die gleichmäßig im Rotor platziert wurden. Die vier Magnete garantieren ein stabiles Magnetfeld, das der im Stator installierte Wiegand-Sensor detektieren und nutzen kann. Mit jeder 360°-Rotation des externen Magnetfeldes erzeugt der haarfeine, in eine Kupferspule eingebettete Wiegand-Draht einen Spannungsimpuls. Er versorgt die Zählelektronik, die jede einzelne Umdrehung exakt erfasst. Der Multiturn- Zähler verfügt über einen 43-Bit-Speicher, der für einen Messbereich von fast neun Billionen Umdrehungen ausgelegt ist. Die Bemusterung mit den neuen Hollow Shaft-Kits läuft seit einigen Monaten. „Schon Jährlich eine Million Wiegand-Sensoren 01 Rotor und Stator – die kapazitative Messtechnik setzt auf verschieden gestaltete leitfähige Oberflächen 02 ‚Mini-Kraftwerke’ – Die Wiegand- Sensoren sorgen für den energieautarken Multiturn-Betrieb jetzt ist die Resonanz groß, wobei wir mit einem Schub vor allem bei Neuentwicklungen rechnen, die im Roboter geschäft in immer kürzeren Intervallen anstehen“, so CEO und Mehrheitsgesellschafter Christian Leeser. Bilder: Posital Fraba www.posital.com Beim Wiegand-Effekt handelt es sich um Energy Harvesting pur. Die magnetisch induzierte Energie kommt direkt aus der Rotation. Herz des Wiegand-Systems ist ein haarfeiner Draht aus Vicalloy. Am Ende eines komplexen Fertigungsprozesses mit Kaltumformung und Tempern verfügt er über einen weichmagnetischen Kern und einen hartmagnetischen Mantel. Der Clou dieser Kombination: Bei der Ummagnetisierung des Wiegand-Drahts durch ein äußeres Magnetfeld entsteht ein Impuls, der sich in Energie umwandeln lässt. Praktisch umgesetzt wird der spezielle Effekt in kompakten Wiegand-Sensoren, von denen Posital jährlich eine Million Stück fertigt. Datenanalyse- und Grafiksoftware Weil ein Bild mehr sagt als tausend Worte Mit Origin schnell und einfach aussagefähige, publikationsreife Grafiken und Reports aus Ihren Datenanalysen erhalten. www.additive-origin.de

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