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Positionssensoren für Hydraulikzylinder

Seilzuggeber in den Zylinder integriert

| Autor/ Redakteur: Mathias Roth* / Sariana Kunze

Wegmessung auf Seilzuggeber-Basis im Zylinder bis 5 m. Ein kompaktes Konstruktionsprinzip macht es möglich, Sensorik, Elektronik und Mechanik in den Zylinder zu integrieren ohne den Zylinderbauraum spürbar zu vergrößern.

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Funktionelle Seilzuggebertechnik: Über den Auszug des Seils rotiert die Seiltrommel und macht so die Wegmessung möglich.
Funktionelle Seilzuggebertechnik: Über den Auszug des Seils rotiert die Seiltrommel und macht so die Wegmessung möglich.
(Bild: Siko)

Während das bisherige Portfolio von Siko mit dem SGH10-Seilzuggeber nur einen Messbereich zwischen 0 und 1 m abdeckte, ermöglichen nun die Seilzuggeber SGH25 und SGH50 einen größeren Messbereich bis 5 m. Mit Messlängen zwischen 0 und 2,5 m eignet sich der SGH25 für mittlere Hubwege, wohingegen der SGH50 mit Hublängen zwischen 0 und 5 m für Anwendungen mit breiten Messbereichen eingesetzt werden kann. Um die Herstelleranforderung eines möglichst unveränderten Zylinderdesigns nach der Sensorintegration zu erfüllen, wurden bei den Seilzuggebern die größeren Trommeln, auf denen das Seil aufgespult ist, um 90 Grad gekippt, so dass die Einbaulänge der drei Sensoren, trotz unterschiedlicher Messlängen, identisch sind. Das kompakte Design lässt sich vollständig und platzsparend in einen Zylinder integrieren, so der Hersteller. Anstatt auf einem stangenbasierten Messprinzips basieren SGH-Sensoren auf einer flexiblen Seilzugmechanik. Fährt der Zylinder aus, wird das auf einer Seiltrommel aufgewickelte Seil ausgezogen. Die hierdurch entstehende Rotation der Seiltrommel wird von der Sensorelektronik berührungslos erfasst und in einen linearen Weg umgerechnet. Somit ist eine genaue und absolute Positions- oder Geschwindigkeitserfassung des Zylinders zu jeder Zeit möglich. Die zur Erkennung der Rotation eingesetzten Magnete werden durch die druckfeste Grundplatte der Sensoren von der Elektronik berührungslos abgetastet. Die Elektronik befindet sich vollvergossen auf der drucklosen Seite des Systems. Das komplette Messsystem ist also im Zylinder verbaut und somit optimal vor den äußeren Umgebungsbedingungen geschützt. Dadurch kann das Sensorsystem nicht beschädigt oder durch Umwelteinflüsse negativ beeinflusst oder gar zerstört werden.

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Neue Lösungen dank seilbasiertem Konzept

Das seilbasierte Konzept ermöglicht Lösungen, die bisher nicht denkbar waren. Bei der Konstruktion von Gabelstaplern dürfen beispielsweise vorgegebene Fahrzeughöhen nicht überschritten werden, sollten dabei aber trotzdem über einen möglichst großen Hub verfügen. Diese Vorgaben löst Siko durch intelligente Delokalisierung des SGH-Sensors in einem seitlich um 90 Grad zum Zylinder angebauten Gehäuse. Dadurch können die Sensoren „um die Kurve messen“ und sind hierdurch in nahezu jeden Zylinder integrierbar. Folgende Applikationen sind möglich: wo keinerlei Hubverlust akzeptiert werden kann, bei extrem kleinen Kolbendurchmessern oder bei Zylindern mit mechanischer Endlagendämpfung. Zudem müssen die Sensoren auch eine Immunität gegenüber extremen Umwelteinflüssen sowie Schocks oder Vibration aufweisen. Das Seil kann Schläge abfedern und das gesamte SGH-System zusätzlich das Hydraulikmedium als „Stoßdämpfer“ nutzen. Für die Robustheit und Widerstandsfähigkeit legt der Hersteller großen Wert darauf, den produktspezifischen Trimm aller mechanischen wie elektronischen Sensor-Bauteile selbst durchzuführen und legt Kräfteverhältnisse, Federkennlinie oder Trommeldrehzahl selbst aus. Zudem werden die SGH-Sensoren auf die Lebensdauer eines Zylinders ausgelegt und geprüft.

Das seilbasierte Konzept führt zu einer Reduzierung der Systemintegrationskosten, erklärt Siko. Vergleicht man SGH-Sensoren mit dem Aufbau magnetostriktiver Sensoren, wird deutlich: Für den Einsatz von magnetostriktiven Sensoren, bei welchen für jeden Zylinder eine andere Länge der Sensorstange notwendig ist, die exakt der Messlänge entspricht, muss eine mindestens ebenso lange Kolbenbohrung vorgenommen werden. Diese Bohrung ist bei der SGH-Technologie nicht erforderlich. Im Endergebnis wirkt sich die Einsparung dieses Fertigungsschrittes bei SGH-Sensoren positiv auf die Zylinderherstellungskosten aus, da sich Produktionszeiten verkürzen und Kostenstellen entfallen. An diese Stelle tritt bei SGH-Sensoren das Seil, welches lediglich über ein kleines Gewinde am Kolbenkopf fixiert wird. Eine bei stangenbasierten Sensoren benötigte Hohlbohrung wirkt sich generell auf die Struktur und Stabilität des Kolbens aus. Bei der SGH-Technologie werden Zylinderhersteller damit nicht konfrontiert.

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Interview: Bewegungsabläufe von Zylindern kontrollieren und optimieren

Mathias Roth ist Branchenmanager Mobile Automation bei Siko.
Mathias Roth ist Branchenmanager Mobile Automation bei Siko.
( Bild: Bild: Siko )

Was ist das Besondere an der SGH-Technologie?

Mit den Seilzuggebern der SGH-Serie verfügt Siko als bisher einziger Messtechnikspezialist über eine komplett integrierte Technologie zur Positionsmessung von Hydraulikzylindern, Teleskopzylindern oder Kolbenspeichern. SGH-Sensoren auf Seilzuggeberbasis lassen sich vollständig in Zylinder integrieren. Durch das seilbasierte Funktionsprinzip sind die SGH-Sensoren darüber hinaus die weltweit einzigen integrierten Positionssensoren, die auch in Teleskopzylindern eingesetzt werden können.

Welche Herausforderungen gab es bei der Entwicklung der Technologie zu bewältigen?

Sensorik-Lösungen, die für Hydraulikzylinder bestimmt sind, müssen eine zentrale Anforderung erfüllen: Sie sollten sich nicht auf die Länge eines Zylinders auswirken. Um diese Anforderung zu erfüllen, nutzen wir ein Funktionsprinzip, das eine bis dato noch nicht bekannte Kompaktheit erreicht. Die SGH-Hubmesstechnologie verfolgt dabei einen ganz anderen Ansatz als andere Messsysteme am Markt, die mit stangenbasierter, induktiver oder Hall-basierter Technologie betrieben werden. Zur Erfassung des Hubs oder der Verfahrgeschwindigkeit setzen die SGH-Systeme von Siko eine flexible Seilzugmechanik ein, die direkt im Zylinder verbaut ist.

Wie genau funktioniert das?

Das Seil der Seilzugmechanik wird in den Kolbenkopf gehängt. Wenn der Zylinder ausfährt, wird das auf einer Seiltrommel aufgewickelte Seil ausgezogen. Dabei dreht sich die Trommel, es entsteht eine Rotation. Diese Drehbewegung wird von der Sensor- elektronik erfasst und in einen linearen Positionswert umgerechnet. Dadurch ist eine exakte und absolute Positionserfassung des Zylinders zu jeder Zeit möglich. Elektronik, Mechanik und Sensorik sind dabei vollständig im Zylinder verbaut und deshalb optimal vor den äußeren Umwelteinflüssen geschützt. Aus diesem Grund besitzt die SGH-Serie auch die Schutzklasse IP69K.

Wie sieht es mit der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) aus?

Ein wichtiger Aspekt. Weil bei mobilen Maschinen die Sensoren über das Bordnetz versorgt werden und diese deutlichen Schwankungen und anderen externen EMV-Einflüssen unterliegen, müssen sie eine sehr hohe elektromagnetische Verträglichkeit aufweisen. Deshalb ist bei diesen Anwendungen eine extrem hohe EMV notwendig.

Wo werden die Positionssensoren sonst noch eingesetzt?

Anwendungsbereiche sind generell überall dort zu finden, wo Bewegungsabläufe von Zylindern kontrolliert und optimiert werden sollen. Ein besonderes Augenmerk liegt aber natürlich auf Nutzfahrzeugen. Dort werden die Seilzugwegaufnehmer in Hydraulik- und Teleskopzylindern von Baumaschinen, Landmaschinen oder Forstmaschinen integriert. Ein weiterer Einsatzbereich sind Kolbenspeicher.

Sensor kann kommunizieren und lernen

Bei der Variantenvielfalt leistet die Teach-in-Funktion gute Dienste. Sie gehört in allen SGH-Versionen zur Grundausstattung. Ein SGH-Sensor lässt sich auf beliebige Messlängen programmieren. Innerhalb des Messbereiches bildet diese Funktion alle Messlängen mit einem einzigen SGH-Sensor ab. Um die Übertragung der Positionsinformation zur Maschinensteuerung einer möglichst breiten Anzahl von Maschinen zu gewährleisten, zeichnen sich SGH-Sensoren durch eine hohe Schnittstellenvielfalt aus. So kann die SGH-Technologie entweder mit analoger Schnittstelle für die Messwertübertragung bezogen werden oder alternativ mit den digitalen Schnittstellen CANopen oder SAE J1939. Selbst sicherheitskritische Applikationen können mit CAT3- bzw. PLd-konformen Versionen (nach EN 13849) und redundanten analogen Schnittstellen, redundantem CANopen, redundantem SAE J1939 oder CANopen Safety bedient werden. Die Schutzklasse IP69K belegt, dass die SGH-Sensoren maximalen Schutz vor Umwelteinflüssen bieten. Deshalb wurden die Sensoren mit IP69K-konformen KV1H-Stecksystemen ausgestattet. Der modulare Charakter der KV1H-Verbindungen senkt Aufwand und Kosten sowohl in Herstellung, Service, Konstruktion als auch in der Logistik, da das System streckbar ist. Somit bleibt der Sensor auch für diverse Kabellängen oder Anschlussarten immer gleich. Insgesamt führt das Funktions- und Konstruktionsprinzips zu einer minimierten Variantenvielfalt, da SGH-Sensoren ganze Messbereiche abdecken und nicht, wie bei üblichen Lösungen, je Messlänge eine separate Sensorik vorgesehen werden muss.

* Mathias Roth, Branchenmanager Mobile Automation, Siko

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