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Hall-Sensoren ersetzen externes Mess-System

Magnetbahn gibt Positionswerte für den Linearmotor
Hall-Sensoren ersetzen externes Mess-System

Im Handhabungsgerät Speedbox sind die Linearmotor-Achsen ohne externes Mess-System bereits im Einsatz und transportieren Kleinbauteile für Einspritzventile (Bild: Felsomat)
Im Stator eines Lineardirektantriebes wechseln sich Nord- und Südpole ab. Das nutzt der Antriebshersteller Etel, um die Position zu bestimmen, damit der Anwender auf das externe Wegmess-System verzichten kann.

Von unserem Redaktionsmitglied Dr. Birgit Oppermann – birgit.oppermann@konradin.de

Die Dynamik von Linearmotoren käme der Handhabung gut zu Pass – aber die Preise für die Direktantriebe, hochwertige Führungen und entsprechende Mess-Systeme schrecken die Anwender immer noch davon ab, solche Lösungen einzusetzen. Diese Kostenfalle will der Direktantriebshersteller Etel GmbH aus Dietingen umgehen. Er verzichtet komplett auf das externe Mess-System und reduziert zusätzlich den Aufwand für die Montage seiner linearmotorgetriebenen Achse.
„Wir haben uns zu diesem Schritt entschlossen, weil in nächster Zeit nicht damit zu rechnen ist, dass die Kosten für die einzelnen Komponenten erheblich sinken“, erläutert Dr. Volker Hamann, Technischer Leiter bei Etel. Zusammen mit ihren Kollegen vom Schweizer Mutterunternehmen Etel S.A. in Môtiers haben sich die Dietinger radikal von den bisher üblichen induktiven oder elektromagnetischen Verfahren abgewendet und eine Baureihe modularer Achsen entwickelt, die auch ohne externes Wegmess-System mit einer Präzi-sion von 20 µm positionieren.
Den Verzicht gleicht der Hersteller aus, indem er den Wechsel von Nord- und Südpolen in der Magnetbahn des Synchronmotors erfasst. „Keines der herkömmlichen Systeme nutzt diese Größe“, erläutert Hamann. Das ist auch keine einfache Aufgabe und erfordert eine Menge Rechenleistung, wie sich bei der Entwicklung herausgestellt hat.
Wenn der Linearmotor verfährt, reagieren im neuen System zwei Hall-Sensoren darauf, dass sie abwechselnd über die verschieden gepolten Magnete des Stators bewegt werden. Diese Information wandeln sie in Spannungssignale um, die den Sinus-Cosinus-Signalen herkömmlicher inkrementaler Weggeber ähneln. Die Steuerung bekommt auf diese Weise Daten, die den Standards für analoge Weg-geber entsprechen. Sie berechnet daraus die Positionswerte, mit denen sich der Direktantrieb regeln lässt.
Erst die Rechenkapazität modernder Chips hat dieses Verfahren ermöglicht. Denn die Pole im Stator eines Linearmotors wechseln sich mit einer Periodenlänge von bis zu 30 mm ab. Um trotzdem auf 20 µm genau zu positionieren, muss das Mess-Signal entsprechend hochwertig interpoliert werden. Herkömmliche optische und magnetische Systeme verursachen in dieser Hinsicht weniger Aufwand, weil sie durch die engere Teilung der Maßstäbe in Abständen von rund 20 µm beziehungsweise rund 500 µm neue Daten bekommen.
Spezieller Verstärker übernimmt einen Teil der Berechnung
Einen Teil des zusätzlichen Rechenaufwandes übernimmt der Antriebsverstärker, den Etel speziell für diese Aufgabe entwickelt hat und ohne den das System nicht funktioniert. Er lässt sich jedoch über TCP/IP, Sercos oder Profibus-DP an die gängigen SPS- oder CNC-Steuerungen anbinden. Damit das Gesamtpaket preislich mit pneumatischen Achsen oder Kugelgewindetrieben mithalten kann, haben die Schweizer den Preis für die Elektronik um rund 40 % im Vergleich zu den Vorgängermodellen reduziert.
Mehr Rechenkapazität ist auch deshalb erforderlich, weil sich im Linearmotor mehrere Magnetfelder überlagern und die Messung der Sensoren beeinflussen: Zum einen das Feld der Permanentmagneten, zum anderen das der bestromten Spulen im Läufer, die für die Bewegung sorgen. „Und der Motorstrom ändert sich natürlich auch noch“, beschreibt Hamann eine weitere Schwierigkeit. Er hänge davon ab, wie schnell der Antrieb gerade verfährt oder welche Last er voranbringen muss. Diese Einflüsse lassen sich jedoch mit speziellen Auswertealgorithmen berücksichtigen, so dass die direktangetriebene Achse „bei weitem die Anforderungen erfüllt, die im einfachen Teilehandling bei Palettenwechslern gestellt werden“. Denn diese liegen nicht im Mikrometer-, sondern im Millimeterbereich, wie Hamann berichtet.
Darüber hinaus hat der Anwender laut Etel weniger Arbeit mit der Montage, weil die Hall-Sensoren mit dem Läufer des Motors verschraubt sind und nicht justiert werden müssen. „Das Justieren der Messköpfe kostet den Monteur sonst doch die eine oder andere Stunde, weil die Toleranzen so gering sind“, weiß Hamann. Das gelte sowohl bei herkömmlichen externen als auch integrierten Mess-Systemen.
In der Handhabung von Kleinteilen hat das System Erfolg
Dass sich die Daten der Hall-Sensoren tatsächlich für das Positionieren eignen, zeigt das Einsatzbeispiel der Speedbox. Dieses Handhabungsgerät für Kleinteile bis zu einem Gewicht von 100 g hat die Felsomat GmbH & Co. KG in Königsbach-Stein entwickelt. Der Spezialist für Engineering und Automation verwendet die modularen Achsen von Etel und will mit den dynamischen Direktantrieben die Nebenzeiten der Maschinen reduzieren, auf denen Präzisionsteile für Einspritzventile gefertigt werden.
Da die Komponenten für die Wegmessung bisher einen Anteil von rund 20 % an einem Antriebssystem mit Linearmotor ausmachten, ergibt sich hier ein deutliches Sparpotenzial für die Anwender. Damit ist Etel nach eigenen Angaben der Kostenfalle entkommen.
Industrieanzeiger
Titelbild Industrieanzeiger 19
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19.2021
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