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Datenlieferanten halten die Fertigung auf Trab

Analoge Abstandssensoren stoßen in neue Dimensionen vor
Datenlieferanten halten die Fertigung auf Trab

Sensoren der neuesten Generation sind kompakt, intelligent und unverwundbar. Sie lassen sich in praktisch jeder industriellen Umgebung einsetzen und liefern zuverlässige Daten – weder wechselnde Temperaturen noch Kühlschmiermittel verfälschen die Signale.

Manfred Jagiella, Dr. Sorin Fericean und Markus Fritton sind Mitarbeiter bei der Balluff GmbH in Neuhausen a. d. Fildern

Was bei analogen Abstandssensoren möglich ist, hat der Sensorikspezialist Balluff GmbH, Neuhausen, in den letzten Jahren gezeigt: Zu den Neuerungen gehörten beispielsweise berührungslos arbeitende, induktive Abstandssensoren mit Analogausgang und drei programmierbaren Schaltausgängen in einem kompakten M18-Gehäuse. Ein ebenfalls berührungslos arbeitender, induktiver analoger Abstandssensor im M8-Gehäuse wurde im Jahr 2000 als Weltneuheit vorgestellt und ist bis heute konkurrenzlos.
Mit entsprechendem Know-how in Elektronik und Fertigungstechnik lassen sich diese High-Tech-Produkte noch übertreffen. Neuester Spross der schwäbischen Sensor-Spezialisten ist ein Abstandssensor mit integrierter Auswerteelektronik, der bei 6,5 mm Durchmesser und 30 mm Länge hinsichtlich seiner technischen Eigenschaften größere Sensoren übertrifft.
Miniaturisierung ist in der Elektronikbranche ein zentraler Begriff. Was das in der Praxis bedeutet, macht sich der Benutzer selten klar. Gerade bei Mischprodukten wie Sensoren, bei denen nicht nur elektronische, sondern auch elektrotechnische und mechanische Komponenten wie Spulen oder Gehäusematerialien eine Rolle spielen, stößt der Hersteller schnell an die Grenzen der Physik. Werden Messfehler beispielsweise durch Temperaturschwankungen größer als das eigentliche Mess-Signal, dann ist der Entwickler gefordert. Doch der Anwender ist oft auf kompakte Sensoren angewiesen, weil bestimmte Applikationen dadurch erst möglich werden. Mini-Sensoren sind beispielsweise für Einsätze in der Robotik und im Handlingbereich wie geschaffen. Da sie zudem sehr leicht sind, lassen sie sich auch bei bewegten Applikationen problemlos einsetzen.
Ein weiterer Vorteil ist die integrierte Auswerteelektronik der Sensoren. Dadurch spart der Anwender Platz im Schaltschrank und der Montageaufwand wird geringer. Außerdem wird die Signalübertragung störunempfindlicher. Es müssen keine Millivoltspannungen zwischen Sensorkopf und Auswerteelektronik übertragen werden, sondern störfeste Signale. Der Sensor ist in einem leitfähigen Stahl-Gehäuse untergebracht und bietet wegen seiner geringen Abmessungen nur wenig Einkoppelfläche für Störungen. Ein optimiertes Sensor-Innenleben erhöht zudem den Messbereich. Die neuen Produkte arbeiten über Distanzen von 0,5 bis 2 mm und erreichen damit Werte, wie sie sonst nur von den größeren M12-Sensoren her bekannt sind.
Die Grundlage für die Sensor-Entwicklung liefern Simulationsverfahren, die alle relevanten Parameter für die Modellierung, Analyse und Optimierung des Sensorelements berücksichtigen. Mit dieser Technik und einer großen Portion Erfahrung lassen sich innerhalb kurzer Zeit Materialien und Geometrien von Spule, Ferrit und Gehäuse so optimieren, dass der Sensor über den gesamten Messbereich präzise arbeitet.
Zuverlässige Funktionalität im industriellen Umfeld
Die Kennlinie linearisieren die Balluff-Entwickler mit Hilfe einer patentierten Oszillatorschaltung. Ein Korrekturstrom gleicht Linearitätsfehler weitgehend aus. Alle Parameter, die die Oszillatoramplitude beeinflussen – auch Eigenschaften der Vergussmasse oder der Einbaulage des Sensorelements im Gehäuse – werden bei der Kalibrierung im Sensor-Endzustand berücksichtigt und bei der Endkontrolle lückenlos überprüft. Das Resultat kann sich sehen lassen: Unter stabilen Bedingungen arbeitet das Produkt nach Angaben des Herstellers mit einer Reproduzierb-arkeit von typischerweise 1 µm.
Neben der Linearität ist bei induktiven Sensoren eine geringe Temperaturabhängigkeit wichtig. Nur so kann der Anwender eine zuverlässige Funktion im industriellen Einsatz erwarten. Die Robustheit bezüglich Kälte und Hitze hängt vom Temperaturgang des Sensorelements ab, sprich vom Resonanzwiderstand der Spule.
Bei analogen Abstandssensoren stellt die Kompensation des Temperaturgangs eine Herausforderung dar, da der gesamte Kennlinienverlauf des Sensors unabhängig von der Umgebungstemperatur sein soll. Um das Problem zu lösen, wird unter anderem eine Temperaturkompensation in die Elektronik integriert, die den Spulentemperaturgang im spezifizierten Bereich ausgleicht. Der Sensor arbeitet in der Praxis dadurch nahezu temperaturunabhängig. Lediglich eine Abweichung von 500 ppm/°C (ppm = parts per million) bleibt bestehen. Unter günstigen Voraussetzungen liegt dieser Wert sogar nur bei 100 ppm/°C. Der Sensor stößt damit in einen Bereiche vor, die in der Vergangenheit lediglich in der Präzisionsmesstechnik zu finden waren.
Um einen derart kleinen Sensor konstruieren zu können, braucht es nicht nur Kompetenz in der Elektronikentwicklung, sondern auch fertigungstechnisches Know-how. Die hohe Funktionalität und die miniaturisierte Bauform ist nur durch konsequente Integration möglich. Die aufwendige Elektronik für die induktive Wegmessung konnten die Entwickler in zwei ASIC integrieren. Eine weitere Voraussetzung zur Entwicklung der Zwerge ist die so genannte Flip-Chip-Technologie. Diese macht es möglich, in dem lediglich 30 mm langen Gehäuse die komplette Auswerteeinheiten mit Verstärker unterzubringen.
Mini-Sensor verhindert Maschinenschäden und Stillstandszeiten
Für hochgenaue, kompakte Abstandssensoren gibt es ein weites Feld von Anwendungen. Zu den typischen Einsatzbereichen gehört neben dem Robotik- und Handlingbereich beispielsweise die dynamische Zahnradvermessung. Anhand des Ausgangssignals lässt sich die Zahl der Zahnräder überprüfen. Mit binären Näherungssensoren wäre das nicht möglich, denn diese integrieren bei schnellen Bewegungen und kleinen Lücken über die Fläche und liefern demnach keine verlässlichen Signale.
Ein anderes Anwendungsbeispiel ist das Erkennen der Lage und Form von Kleinteilen wie beispielsweise Muttern. Am Ausgangssignal des Sensors lässt sich erkennen, ob die gerundete oder flache Seite nach oben zeigt. Diese Lösung ist nach Ansicht von Balluff erheblich preiswerter und einfacher als die Alternative mit einer Kamera und darüber hinaus absolut unabhängig vom Verschmutzungsgrad der Kleinteile.
Hersteller für Spindeln nutzen Miniatur-Sensoren, um die Position einer kegelförmigen Spindel zu überwachen, die in einem automatischen Bearbeitungszentrum das Futter für die Werkzeugaufnahme öffnet und spannt. Aus der Entfernung zwischen den Sensor und der schiefen Ebene des Spindelkegels lässt sich ableiten, ob sich im gespannten Futter ein Werkzeug befindet. Stillstandszeiten oder gar Maschinenschäden durch fehlende Werkzeuge lassen sich auf diese Weise verhindern. In der Vergangenheit arbeitete man hier mit drei binären Näherungsschaltern, die jedoch periodisch neu justiert werden mussten.
Der neue Abstandssensor bringt einen weiteren Zusatznutzen: Der Temperaturausgang lässt sich nutzen, um die Schmiermitteltemperatur zu überwachen. Der Einsatz direkt in der Flüssigkeit ist unproblematisch, denn der Sensor erfüllt serienmäßig die Anforderungen der Schutzart IP67, ist also vollkommen staubdicht und eintauchgeschützt.
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