Magnetostriktive Wegaufnehmer arbeiten berührungslos und bieten dadurch eine nahezu unbegrenzte (mechanische) ­Lebensdauer. Sie zeichnen sich zudem durch ihre hohe EMV-Störfestigkeit aus und sind unempfindlich gegenüber Vibrationen sowie Schock. Ein Hersteller hat nun neue Linearwegaufnehmer in drei verschiedenen Varianten für unterschiedlich lange Messwege in seinem Portfolio, um den Anforderungen verschiedener Anwendungen gerecht zu werden.

Gefran, Lösungs- und Komponentenanbieter für die Bereiche Automatisierung, Antriebstechnik und Sensorik, fertigt Wegaufnehmer zur Erfassung von Position und Weg verfahrender Maschinenteile. Diese basieren entweder auf der potentiometrischen oder auf der magnetostriktiven Technologie.
„Potentiometrische Wegsensoren bestehen im Wesentlichen aus Schleiferbahn und Schleifer“, erklärt Kai Weigand, Produktmanager für den Bereich Sensorik bei Gefran. „Sie werden typischerweise im Bereich Kunststoffspritzguss, Pneumatik und Pressen eingesetzt und lassen sich einfach installieren.“ Die Auflösung des Ausgangssignals ist bei dieser Technik unendlich. Potentiometer arbeiten mit geringen Spannungen, sind in vielen verschiedenen Bauformen verfügbar und vergleichsweise preisgünstig. Allerdings sind die Komponenten auch anfällig für Verschleiß und entsprechend wartungsintensiv. Auch der Einbau in Zylinder ist nur bedingt möglich. Über die Lebensdauer kann sich zudem die Messgenauigkeit der Sensoren verändern.

Eine Alternative stellen magnetostriktive Wegaufnehmer dar. Sie arbeiten berührungslos und sind damit verschleiß- und wartungsfrei. Ihre Lebensdauer ist nahezu unendlich, bei gleichbleibend hoher Genauigkeit bis 0,01 Prozent. Die Auflösung des Ausgangssignals beträgt bis zu 0,5 µm. „Magnetostriktive Wegaufnehmer lassen sich problemlos in Hydraulikzylindern einsetzen“, so Kai Weigand. „Ihr Gehäuseaufbau entspricht einer hohen IP-Schutzklasse, weshalb die Geräte besonders beständig gegen Verschmutzungen und hohe Drücke sind.“ Aufgrund ihrer Eigenschaften eignen sie sich auch ideal für hydraulisch bewegte Achsen. Zu den weiteren Vorteilen des magnetostriktiven Messprinzips gehört die parallele Messung von zwei oder mehr Positionsgebern. Zudem kann bei Inbetriebnahme einer Anlage die Referenzfahrt entfallen, da es sich um eine absolute Wegmessung handelt. Aufgrund ihrer positiven Eigenschaften lösen magnetostriktive Sensoren nach und nach die Potentiometer ab.

Weniger Rauschen und mehr Präzision

Gefran entwickelt seine magnetostriktiven Wegaufnehmer weiter und stattet neuere Modelle mit der Hyperwave-Technologie aus. „Durch eine veränderte Anordnung der Empfängerspule wird der longitudinale Wellenanteil mechanisch ausgeblendet und nur der gewünschte torsionale Signalanteil in die Messung einbezogen“, erläutert Weigand. Das Signal-Rausch-Verhältnis ist dadurch um ein 15-faches besser als bei den Vorgängermodellen. „Damit haben wir zum einen erreicht, dass das Signal wesentlich stabiler gegenüber Vibrationen und Schock ist. Zum anderen können wir eine hohe EMV-Störfestigkeit garantieren sowie einen durchgehend präzisen und kontinuierlichen Betrieb.“
Die Positionsbestimmung erfolgt durch die Wechselwirkung zweier Magnetfelder: Das Erste wird durch einen Stromimpuls entlang des gesamten Sensors erzeugt. Es interagiert mit dem Zweiten, einem Positionsmagneten, der an der bewegten Achse befestigt wird.

Profil- oder Stabbauform je nach Bedarf

Gefran bietet die neuen Wegaufnehmer in Profil- oder Stabbauweise an. Die Profilvariante ist universell einsetzbar und lässt sich mit Halterungen direkt an der zu messenden Struktur montieren. Der Positionsgeber ist wahlweise frei oder geführt.
Die Wegaufnehmer in Stabbauform aus Edelstahl AISI 316L eignen sich vor allem für den Einbau in Hydraulikzylindern mit Betriebsdrücken bis 350 bar und erfassen dort die Position des Kolbens in Echtzeit. Sie können durch eine magnetische Schwimmerausführung auch als Füllstandsensor verwendet werden. Beide Bauformen sind mit Analogsignal oder digitalen Schnittstellen ausgestattet, wie zum Beispiel SSI oder ab dem dritten Quartal 2020 auch I/O-Link für Industrie-4.0-Anwendungen und kommunizieren über die Protokolle CANopen, Profibus und Profinet. Dabei ermöglicht die Auswahl an Analogausgängen die direkte Messung von Weg und Geschwindigkeit sowie die inverse Messung mit hoher Präzision und maximaler Wiederholgenauigkeit bei einem sehr geringen Nichtlinearitätsfehler. Hyperwave-Sensoren eignen sich je nach Ausstattung für ein breites Temperaturspektrum von -30 °C bis +90 °C und beweisen auch bei Extremwerten besonders hohe Zuverlässigkeit. Zudem sind die Geräte mit einem wasserdichten Gehäuse nach Schutzart IP67 ausgestattet. Aufgrund dieser Eigenschaften sind die berührungslosen magnetostriktiven Wegaufnehmer optimal für den Einsatz in anspruchsvollen Umgebungen geeignet.

Zwei Bauarten in drei Varianten

Beide Hyperwave-Bauarten sind in drei verschiedenen Varianten erhältlich: General mit einem Messbereich von bis zu 1.500 mm, Plus bis zu 2.500 mm und Advanced bis zu 4.000 mm. Zu den typischen Anwendungen im Advanced-Bereich der Hyperwave-Serie gehört die Messung der Werkzeugbewegung in Spitzgießmaschinen. „Im Spritzguss spielt vor allem die Genauigkeit eine Rolle und dass die Wiederholbarkeit gegeben ist sowie natürlich die Schock- und Vibrationsfestigkeit des Sensors“, berichtet Kai Weigand. Über die Positionsmessung des Werkzeuges kann sichergestellt werden, dass die Maschinenbewegungen insgesamt sicher aufeinander abgestimmt sind und Kollisionen zum Beispiel mit Greifrobotern ausgeschlossen werden. Gerade in Spritzgussprozessen kommt es häufig auf Reaktionen im Bereich von Millisekunden an“, so Weigand weiter. Die Fertigung und Entnahme von Spritzgussteilen müssten exakt ineinander übergehen. Weitere Vorteile der Hyperwave-Technologie seien das geringe Signalrauschen, sprich die hohe Auflösung und die Flexibilität in der Länge der Messwege mit Abstufungen bis hin zu vier Metern.
Auch für die Gleichlaufregelung – zum Beispiel bei der Steuerung von Zylindern in Metall-, Kunststoff- oder Gummipressen mit Messungen im Mikrometerbereich – sind die Wegaufnehmer der Advanced-Serie geeignet. Dabei bewegen sich beim Zufahren der Presse vier Zylinder. Um ein Verkanten in der Maschine oder Unebenheiten beim Pressen des jeweiligen Bauteils zu vermeiden, ist ein exakter Gleichlauf der Komponenten wichtig. Jeder Zylinder muss daher eine eigene Servoregelung und ein eigenes Wegmesssystem bekommen, damit die jeweilige Position bis auf 10 µm genau gleich ist. Ab dem letzten Quartal 2020 wird die Advanced-Serie mit einer Profinet-Schnittstelle erweitert, die speziell auf die Anforderungen der Metallindustrie ausgelegt ist.
Die Wegaufnehmer der Plus-Serie eignen sich zur Positionserfassung in Anwendungen, die keine besonders hohe Auflösung erfordern, aber zum Beispiel eine hohe Beständigkeit gegen Vibrationen und Stößen – wie bei Wickelanwendungen – oder einen erweiterten Einsatztemperaturbereich haben wie beispielsweise Siebwechsler in Kunststoff-Recycling-Maschinen. „Der flüssige Kunststoff wird von Verunreinigungen befreit, indem er durch ein Metallsieb gedrückt wird“, erklärt Kai Weigand. „Siebwechsler können über Druckmessungen erkennen, wenn das Sieb ausgetauscht werden muss.“ Durch eine hydraulische Bewegung wird dann das alte Sieb herausgezogen und das Neue eingesetzt.
In anderen Applikationen kommt es in erster Linie auf die Wirtschaftlichkeit, Robustheit und Langlebigkeit der magnetostriktiven Weggeber an. Dazu zählen unter anderem Dosieranwendungen oder die Tänzerregelung in der Spulen- und Wickeltechnik. Hier finden die verschleißfreien Sensoren der General-Serie Verwendung.