Längenmesstechnik So sorgt eine exakte Wegemessung für schnelle Fahrt durchs Wasserbecken

Redakteur: Dipl. -Ing. Ines Stotz

An der Universität Rostock werden seit mehr als 50 Jahren durch Schleppversuche Schiffsrümpfe auf ihre Strömungseigenschaften getestet. An der umfassenden Modernisierung war auch AMO aus dem oberösterreichischen St. Peter am Hart mit einem Längenmesssystem für die Positionsbestimmung des Schleppwagens beteiligt.

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An der Fakultät für Maschinenbau und Schiffstechnik der Universität Rostock werden seit mehr als 50 Jahren Schiffsrümpfe auf ihre Strömungseigenschaften getestet.
An der Fakultät für Maschinenbau und Schiffstechnik der Universität Rostock werden seit mehr als 50 Jahren Schiffsrümpfe auf ihre Strömungseigenschaften getestet.
(AMO)

Die Fakultät für Maschinenbau und Schiffstechnik der Universität Rostock verfügt seit 1961 über ein konventionelles Schleppsystem für Schiffsmodelle. Das dazugehörige Wasserbecken ist 40 m lang, 5 m breit und 3 m tief.

Mit einem im Rahmen des Programms „Großgeräte der Länder“ geförderten Neubau wurde 2012 ein neuartiges System realisiert, welches über außergewöhnliche Eigenschaften verfügt. Es gestattet, Versuchsobjekte mit Geschwindigkeiten bis 12 m/s über, auf oder unter dem Wasser zu führen. Auf Grund des verwendeten Antriebskonzepts lassen sich dabei enorme Beschleunigungen von 10 m/s² über den gesamten Geschwindigkeitsbereich erzielen.

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Dabei wird die Anlage über eine CNC-Bahnsteuerung gefahren und lässt sich auf bis zu sechs Achsen für mehrdimensionale Bewegungsvorgänge erweitern. Das eröffnet eine Möglichkeit, strömungsmechanische Effekte bei instationären mehrdimensionalen Bewegungsvorgängen zu untersuchen, wie sie auch im Bereich der Luft-Wasser-Grenzfläche bei vielen technischen Anwendungen auftreten.

Längenrekord: längster Rad-Schiene-Linearantrieb

Die Schleppwagenanlage verfügt deutschlandweit über den längsten Linearantrieb mit Rad-Schiene-Kombination. Konstruiert wurde der Schleppwagenantrieb von PASIM Direktantriebe. Kerngeschäft des Unternehmens ist die Entwicklung, die Herstellung, der Vertrieb sowie der Service von luftgelagerten Direktantrieben und Systemen. Dabei werden kundenspezifische Anforderungen mit Wegmesssystemen, Steuerungskomponenten und Führungs- sowie Gestellelementen komplett zu leistungsfähigen Systemlösungen zusammengefügt.

Im Fall des Schleppwagenantriebs verwendeten die Konstrukteure einen Direktantrieb, wie er auch in Planarmotoren zum Einsatz kommt. Dieser treibt den Schleppwagen an, der entlang einer 38 m langen Magnetbahn mit parallel dazu verlaufendem Maßband die Versuchsmodelle durch das Wasserbecken zieht. Eine besondere Herausforderung bei der Entwicklung war, dass der Schleppwagen mit bis zu 12 m/s Geschwindigkeit auch für bemannte Fahrten ausgelegt werden musste - was eine Konstruktion erfordert, die Sicherheitsklasse 3 erfüllt.

Entscheidend ist eine exakte Wegemessung

Um aussagekräftige Resultate bei den Versuchen zu erhalten, ist eine exakte Wegemessung eine elementare Voraussetzung. Da die Entwickler bei PASIM häufig mit den Längen- und Winkelmesssystem-Spezialisten von AMO zusammenarbeiten, bot sich auch für die Schleppwagenanlage diese Kooperation an. „Da bei vielen unserer Anwendungen weder optische noch magnetische Messlösungen in Betracht kommen, arbeiten wir seit 2006 in der Entwicklung eng mit AMO zusammen“, betont Oliver Matipa, Geschäftsführer Technischer Vertrieb bei PASIM. „AMO hat als einziger Anbieter Messsysteme, die die Zahnteilungen unserer Antriebe auslesen können. Außerdem ist die Feuchtigkeitsbeständigkeit der AMO-Systeme nahezu unschlagbar, umreißt Matipa einige der Hauptgründe für die Zusammenarbeit.

Positionsbestimmung mit Maßband und Abtastkopf

Zum Einsatz kommt in der Schleppwagenanlage ein 38 m langes Maßband von AMO vom Typ LMB-130 mit einer Teilungsgenauigkeit von ±20 µm/m und einer Teilungsperiode von 3.000 µm. Das 14 mm breite Edelstahl-Maßband wird ab Werk mit einer Klebeschicht für die Montage versehen.

Ausgelesen wird die Schleppwagenposition von dem dazu passenden Abtastkopf LMK-131 mit integrierter Elektronik und Sensorik. Der Abtastkopf mit der Schutzart IP 67 hat eine maximale Verfahrgeschwindigkeit von 30 m/s und erzeugt ein 1 Vss Ausgangssignal mit einer Periodenlänge von 120 µm. Die Abtastung erfolgt berührungslos. Für die Bestimmung der absoluten Position entlang der Achse sind im Maßstab abstandscodierte Referenzmarken integriert.

Magnetloses Funktionsprinzip ermöglicht präzise Positionserfassung

Das verwendete Längenmesssystem basiert auf dem induktiven AMOSIN-Messprinzip und ist magnetlos. Damit kommt es völlig ohne magnetische Komponenten, Hysterese oder Entmagnetisierungseffekte aus.

Das Messgerät besteht im Wesentlichen aus einer planaren Spulenstruktur im Messkopf und einer Maßverkörperung (Maßband). Die Spulenstruktur wird auf einem Substrat in Mikro-Multilayer-Technik gefertigt. Dabei sind die einzelnen Hauptelemente mit Primär- und Sekundärspulen in Messrichtung gestreckt. Die Maßverkörperung ist ein Edelstahlband mit einer hochgenauen, fotolithografisch geätzten periodischen Teilung.

Die relative Bewegung in Messrichtung zwischen Sensorstruktur (im Abtastkopf) und der Maßverkörperung ändert periodisch die Gegeninduktivität der einzelnen Spulen und erzeugt zwei sinusförmige 90°-phasenverschobene Signale (Sinus und Cosinus). Die ausgezeichnete Signalgüte und Stabilität gegen Umwelteinflüsse führt dazu, dass nach der Signalkonditionierung in der Auswerteelektronik Abweichungen von nur 0,1 % der Ideal-Sinusform (Oberwellenanteil) bleiben. Dies ermöglicht eine präzise Positionserfassung und eine hohe Auflösung von beispielsweise 0,125 µm.

Ein wesentliches Merkmal des Funktionsprinzips ist auch, dass nach dem AMOSIN-Verfahren durch das hochfrequente Wechselfeld keine Messhysterese entsteht – anders als beim Einsatz von magnetischen Systemen.

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