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Energieautarke Hohlwellen-Kits für Multiturneinsätze

Autor / Redakteur: Jörg Paulus* / Jan Vollmuth

Multiturn-Funktionalität beim Motorfeedback in Knickarmrobotern – mit den kapazitativen Hohlwellen-Kits des Sensorherstellers Posital kein Problem, die ohne Batterie oder Getriebe auskommen.

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Das Hollow-Shaft-Kit ist nicht nur schlank, sondern bietet als Besonderheit energieautarke Multiturn-Fähigkeit.
Das Hollow-Shaft-Kit ist nicht nur schlank, sondern bietet als Besonderheit energieautarke Multiturn-Fähigkeit.
(Bild: Posital)

Mitten im Geschehen: Installiert sind Hollow-Shaft-Kits direkt in den Gelenken von Robotern und Cobots. Von hier überwachen und steuern sie die dreidimensionalen Bewegungen der einzelnen Roboterarme. Während die kapazitative Messtechnik, die Platine mit der Auswerteelektronik sowie das Multiturn-System mit dem Wiegand-Harvester, der das Energy Harvesting ermöglicht (siehe Kasten), auf engstem Raum in den gegenüberliegenden Rotor- bzw. Statorscheiben integriert sind, wird die zentrale Öffnung, mit einem Durchmesser von 30 mm bzw. 50 mm für die Führung von Kabeln und Medienschläuchen im Innern des Roboters genutzt.

Orientiert sich der Außendurchmesser des Hollow-Shaft-Kits mit 80 mm gezielt an Standardmaßen für die Robotik, sorgen das geringe Gewicht und die minimale Bauhöhe für Aufsehen: 110 g – kaum mehr als eine Tafel Schokolade – wiegt das handliche Kit, das mit einem Schutzgehäuse umhaust ist. Mit einer Bauhöhe von 17,8 mm ist der Hohlwellen-Encoder überaus schlank.

Aus zwei mach eins

Was sich mit den neuen Kits tatsächlich einsparen lässt, 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.

Prädestiniert sind die Hohlwellen-Kits für klassische Industrieroboter sowie die hochflexiblen, deutlich kleineren Cobots, die stark auf dem Vormarsch sind. Über Adapterplatten lassen sich die Kits problemlos in unterschiedlich große Robotergelenke integrieren. Montage wie Inbetriebnahme sind überaus einfach: Wenige Schrauben reichen und das System ist einsatzbereit – ganz ohne aufwändige und komplizierte Kalibrierung.

Kapazitive Messtechnik erhielt Vorzug

Während Posital seit Jahren bei Vollwellen-Drehgebern den Übergang von optischer zu deutlich robusterer und kostengünstigerer magnetischer Messtechnik vorantreibt, wurde bei der Hollow-Shaft-Serie ein anderer Weg gewählt: Da sich Magnetik nur mit großem Aufwand in Hohlwellen-Designs umsetzen lässt, gab man der kapazitativen Messtechnik den Vorzug. Auch sie steht für ein starkes Kosten-Nutzen-Verhältnis sowie für Zuverlässigkeit und Präzision. Dies zeigt sich in Performancedaten wie einer Singleturn-Auflösung von 18 Bit und einer Genauigkeit von ±0,02°.

Rotor und Stator: Die kapazitative Messtechnik setzt auf verschieden gestaltete leitfähige Oberflächen.
Rotor und Stator: Die kapazitative Messtechnik setzt auf verschieden gestaltete leitfähige Oberflächen.
(Bild: Posital)

Schlüsselkomponenten der kapazitativen Messtechnik sind die mit verschiedenen Mustern gestalteten leitfähigen Oberflächen von Rotor und Stator. Sie erzeugen Hochfrequenzsignale, die mithilfe von ASIC-Prozessoren gescannt werden. Dabei wird die aktuelle Weg- und Winkelposition ermittelt und als eindeutiger Positionswert über die Open-Source-Schnittstellen SSI bzw. BiSS C an die zentrale Steuerung weitergegeben. Da immer die komplette Oberfläche gescannt wird, lässt sich das kapazitative Kit auch von punktuellen Verschmutzungen nicht irritieren.

Energy Harvesting der besonderen Art

Der eigentliche Clou ist die Multiturn-Auslegung der Hollow-Shaft-Serie. Bislang gab es Durchgangs- bzw. Hohlwellen-Geber fast ausschließlich als Singleturn-Lösung, da die richtige Multiturn-Technologie noch gefehlt hat. Diese Lücke konnte jetzt mit einer Variante des Wiegand-Sensors geschlossen werden. Statt Batteriepower sorgen hier Impulse aus einem von Posital in Eigenregie gefertigten Wiegand-Draht für die Energie-Ernte.

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Energy Harvesting
Ein Sensor für die autarke Energieversorgung

Kompakte Wiegand-Sensoren von Posital garantieren Energy Harvesting auf engstem Raum. Über einen speziell behandelten Draht aus Vicalloy – dem besonderen Wiegand-Draht – nutzen die Sensoren magnetische Impulse aus Drehbewegungen zur komplett autarken Erzeugung von Spannung bzw. Energie. Die dabei erzeugten 7 V bzw. 190 nJ genügen laut Posital, um moderne Rotationszähler und die dazu gehörige Elektronik ständig zu aktivieren – und das ohne Batterien und wartungsfrei. Der kleinste Wiegand-Sensor WST hat eine Länge von gerade mal 15 mm. Punkten können die kompakten Wiegand-Sensoren überall, wo Rotationen präzise erfasst und gezählt werden müssen.

Während der klassische Wiegand-Harvester, der seit 2005 erfolgreich bei Vollwellen-Gebern im Einsatz ist, im Tandem mit einem zentralen Permanentmagneten operiert, musste für das Hohlwellen-Design ein komplett neues Set-Up gefunden werden. Über intensive Magnetfeldsimulation und in praktischen Feldtests wurde im Aachener F&E-Zentrum von Posital eine zuverlässige Lösung mit vier Diame­tralmagneten entwickelt, die gleichmäßig im Rotor platziert wurden.

Impuls weckt Zählelektronik auf

Diese vier Magneten sorgen für ein stabiles Magnetfeld, das von einem fest auf dem Stator installierten Wiegand-Sensor detektiert und genutzt werden kann. Mit jeder 360°-Rotation des externen Magnetfeldes erzeugt der haarfeine Wiegand-Draht, der in eine Kupferspule eingebettet ist, einen Spannungsimpuls. Dieser Impuls weckt die Zählelektronik auf, die jede einzelne Umdrehung exakt erfasst. Der Multiturn-Zähler verfügt über einen 43 Bit großen Speicher für einen Messbereich von fast 9 Billionen Umdrehungen.

Die Bemusterung mit den Hollow-Shaft-Kits erfolgt seit Sommer 2019. „Das Echo ist groß, wobei wir den stärksten Schub vor allem bei Neuentwicklungen sehen, die im wachsenden Robotergeschäft in immer kürzeren Intervallen auf dem Plan stehen,“ unterstreicht CEO und Mehrheitsgesellschafter Christian Leeser. [jv]

* Jörg Paulus, General Manager, Sales Europe, Posital-Fraba

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