Wegmesssystem Diagnose für unterwegs: Linear-Encoder für mobile Arbeitsmaschinen

Sick Stegmann hat seine Absoluten Wegmesssysteme für die berührungslose und integrierte Positionsmessung in Hydraulikzylindern von mobilen Arbeitsmaschinen neu entwickelt. Sie nutzen das Wirkprinzip der Magnetostriktion und verfügen über Diagnosefunktionen.

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Die Nachfrage nach linearer Sensorik für die mobile Automation und für hydraulisch betriebene Arbeitsmaschinen wächst. Jedoch wird immer häufiger nach Mehrwerten gefragt, wie sie in der industriellen Automation längst üblich sind: Wie die Erhebung von Zustands- und Prozessinformationen durch Encoder. Dieser Anforderung kommen die Linear-Encoder der Produktfamilie Max von Sick Stegmann nach. Ein Merkmal ist, dass sie eine vollständige mechanische Kompatibilität zu bestehenden Zylinderkonstruktionen, die für die Integration eines Wegmesssystems bereits vorbereitet sind, gewährleisten. Dadurch ist eine einfache und schnelle Integration in die Hydraulik-Zylinder sichergestellt. Der Max30 ist zudem besonders kompakt: Die Reduzierung des Sensorkopfdurchmessers auf 30 mm wirkt sich auf das Gehäusevolumen aus, so dass eine platzsparende Integration in kleinere Hydraulikzylinder möglich ist.

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Neues Sensorkonzept mit Magnetostriktion

Sick Stegmann hat für den Linear-Encoder ein grundlegend neues Sensorkonzept entwickelt: Es setzt auf die Nutzung der Magnetostriktion, die Optimierung der Leistungsdichte durch die Minimierung von messtechnischen Totzonen sowie die Integration von Diagnose- und Prognosefunktionalitäten, mit denen Maschinenstillstände vermieden und die Betriebspläne wie auch die Wartungsroutinen ganzer Fuhrparks optimiert werden können. Bei der Magnetostriktion handelt es sich um ein Time-of-flight-Messverfahren. Gemessen wird die Entfernung zwischen zwei Punkten anhand der Laufzeit eines kurzen Stromimpulses und dessen partieller Reflektion innerhalb eines Wellenleiters. Der Max Linear-Encoder besteht aus einer Basisbaugruppe mit Sendemodul und Signalwandler, einem Wellenleiter als Messelement sowie einem beweglichen Permanentmagneten. Der ausgesendete Stromimpuls erzeugt ein zirkulares Magnetfeld entlang des Wellenleiters. Der Permanentmagnet an der Zylinderstange ist der Positionsgeber – seine magnetischen Feldlinien verlaufen im rechten Winkel zum Impuls-induzierten Magnetfeld des Wellenleiters. Dort, wo sich beide Magnetfelder überlagern, entsteht durch Magnetostriktion eine mikrometerfeine, elastische Verformung. Diese erzeugt eine mechanische Welle, die zu einem Teil weiter am Wellenleiter entlangläuft und zum anderen Teil zurück zur Basisbaugruppe des Encoders „reflektiert“ wird. Beim Eintreffen der Welle erzeugt der Signalwandler aus der magnetostriktiven Welle ein elektrisches Signal. Aus der bekannten Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Welle im Wellenleiter sowie der Zeit zwischen dem Senden des Stromimpulses und der Detektion der zurücklaufenden magnetostriktiven Welle ergibt sich mit einer Auflösung im µm-Bereich die Entfernung des Permanentmagneten und damit die Position des Hydraulikkolbens. Mit der Magnetostriktion erfolgt die Positionsmessung absolut: Nach dem Anliegen der Bordspannung durch Starten der Arbeitsmaschine ist die exakte Kolbenposition bekannt – eine Referenzfahrt wie bei inkrementellen Sensoren ist nicht erforderlich. Im Arbeitseinsatz erweist sich die Magnetostriktion nicht nur als zuverlässig und verschleißfrei, sondern auch als robust sowohl gegen mechanische Beanspruchungen als auch gegen extreme elektrische Einflüsse beispielsweise durch eingestrahlte oder eingekoppelte Störungen im Bordnetz eines Fahrzeuges. Die hohe Betriebssicherheit der Linear-Encoder als genehmigungspflichtiges Bauteil an Kraftfahrzeugen wird durch das E1-Genehmigungszeichen des Kraftfahrtbundesamtes zertifiziert. Die Max-Sensoren verfügen unter anderem über die Messwertauflösung von 0,1 mm bei Messbereichen von bis zu 2,5 m beim Max48 und 1,5 m beim Max30. Zudem wurde die Totzone minimiert, die sich aus den auf 30 mm reduzierten Null- und Dämpfungszonen ergibt und für einen erweiterten Fluidtemperaturbereich von -30 °C bis 95 °C spezifiziert ist.

Mit integrierten Diagnosefunktionen mehr wissen

Dank der integrierten Diagnosefunktion ist mit den Linear-Encodern Überwachen und Zählen von Kolbenhüben, das Erfassen von Betriebsstunden und Spitzenlasten oder das Kontrollieren maximal zulässiger Öltemperaturen möglich. So können Aussagen über den aktuellen Zustand einer Maschine, ihren kostenoptimierten Betrieb sowie über mögliche externe Störgrößen getroffen werden. Darüber hinaus eröffnen die Linear-Encoder auch die Möglichkeit, die Arbeitsprozesse mobiler Maschinen zu automatisieren und zu überwachen. Bei Erdarbeiten vermeidet eine mögliche Tiefenkontrolle der Baggerschaufel die Beschädigung von Leitungen, Rohren oder Fundamenten; beim Abziehen von Autobahnwällen können die Bagger vollautomatisch und gradzahlgenau arbeiten. Auch im industriellen Umfeld mehren sich die Einsatzmöglichkeiten von intelligenten Linear-Encodern auf der Basis von Magnetostriktion – beispielsweise in der Holzindustrie, Gummi- und Kunststoffverarbeitung, Windenergie, Verpackungstechnik oder im Maschinenbau.

* *Alexander Hirt, Manager Linear-Encoder, Sick Stegmann

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