Weggeber Winkelcodierer bei der Automatisierung von mobilen Maschinen

Redakteur: Reinhard Kluger

Eine Sondermaschine, die zur Erweiterung eines Containerhafens vor der australischen Küste entwickelt wurde, wird mit Hilfe vieler Sensoren automatisch gesteuert. Ziel ist es, einen hohen Grad an Beweglichkeit bei Standortwechseln zu erreichen und gleichzeitig die Anpassung und Ausrichtung auf neue Arbeitsbedingungen zu ermöglichen.

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Zweiwege-Rangierlok von TransLok im Hafenbetrieb. Ein Winkelcodierer dient als Rückmelder für die Lenkung Bild: TransLok GmbH / TWK
Zweiwege-Rangierlok von TransLok im Hafenbetrieb. Ein Winkelcodierer dient als Rückmelder für die Lenkung Bild: TransLok GmbH / TWK
( Archiv: Vogel Business Media )

Damit verbunden ist die Forderung, viele Betriebs- und Steuerungsfunktionen mit geringem Personalaufwand zu erfüllen. Winkelcodierer mit elektro-optischer und elektromagnetischer Sensorik liefern als Positionsrückmelder die erforderlichen Messdaten für die Steuerung von mobilen Maschinen liefern.

Die Zweiwege-Rangierloks der TransLok GmbH zeichnen sich dadurch aus, dass sie sowohl auf Schienen als auch auf Straßen fahren können. Die Produktpalette umfasst mehrere Modelle für Dienstgewichte bis 60 t. Sie werden besonders im Hafenbetrieb zum Gütertransport eingesetzt. Beim Übergang von der Straße auf die Schiene, beim sogenannten Aufgleisen, ist die Stellung der Achse im vorderen Teil der Lok stetig zu erfassen und nachzuregulieren. Dadurch wird sichergestellt, dass die Spurführungsräder optimal in den Spurkanal der Schiene eintauchen. Die jeweilige Position der Achse wird von einem Winkelcodierer erfasst und einer SPS gemeldet. Bei Straßenfahrt wird die Fahrtrichtung durch einen Blinker angezeigt. Nach dem Einlenken zur Geradeausfahrt erfolgt die Rückstellung über den Nullpunkt

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des Winkelcodierers, dessen Messbereich ± 90° beträgt.

Zu den ganz großen mobilen Maschinen gehören die Schaufelradbagger, die im rheinischen Braunkohletagebau seit einigen Jahrzehnten eingesetzt werden. Lange Zeit dienten zur Steuerung der Betriebsabläufe End- und Nährungsschalter neben mechanischen Gestängen und Hebeln. Visuelle Überwachung und manuelle Regelungen durch mehrere Bedienpersonen waren erforderlich. Inzwischen werden viele Funktionen wie die Schwenkung der Ausleger, Höhenverstellungen, Synchronisation von Abbau- und Transportvorgängen über S7-Steuerungen automatisiert. Die Bewegung von Auslegern, Brücken- und Transportbändern mit bis zu 3 Freiheitsgraden müssen zur Vermeidung von Kollisionen aufeinander abgestimmt werden. Sensoren und Aktoren sind im PROFIBUS vernetzt. TWK-Multitour-Winkelcodierer dienen an vielen Stellen zur Positionserfassung und zur stetigen Rückmeldung an die Zentrale. Durch die Modernisierung der Großgeräte können Ortswechsel in wesentlich kürzerer Zeit vorgenommen werden. Ein oder zwei Personen erfüllen die noch erforderlichen Steuer- und Überwachungsaufgaben.

Elektro-optische Winkelcodierer für eine oder bis zu 4096 Umdrehungen

Die Sensorik für diese Bauart wird schon seit mehreren Jahrzehnten eingesetzt und hat sich im Maschinen- und Anlagenbau bewehrt. Je nach den Einsatzbedingungen werden Lebensdauer von 10 bis 20 Jahren erreicht. Robuster mechanischer Aufbau mit Kugellagern für 250 N Wellenbelastung und sorgfältig auf Lebenszeitstabilität abgestimmte Elektronik machen dies möglich. Der Arbeitstemperaturbereich beträgt –20° bis +60°C. Für besondere Fälle kann er auf –40° bis +85°C erweitert werden. Die digital erfassten Winkelwerte werden intern durch D/A-Wandler in proportionale Strom- oder Spannungssignale umgesetzt. Abhängig von dem verwendetem Steuerungsaufbau liefern sie 0 bis 10 Volt oder 4 bis 20 mA für den festgelegten Messbereich von maximal 360°. Digitale Schnittstellen sind entweder für serielle Übertragung (SSI) oder zum Anschluss an Feldbus-Netze, z.B. PROFIBUS oder CANopen verfügbar.

Von der Multitour-Version werden bis zu 4096 Umdrehungen absolut erfasst, d.h. dass auch nach einer Unterbrechung der Versorgungsspannung der aktuelle Positionswert verfügbar ist. Die in den erwähnten Schaufelradbaggern eingesetzten Winkelcodierer sind mit PROFIBUS-Schnittstellen bestückt und werden über rückseitige Hauben mit integrierten Abschlusswiderständen und Teilnehmeradresse mit dem Bus verbunden.

Bei der Erzgewinnung und beim Hafenausbau

Als Weiterentwicklung der im Straßenbau eingesetzten Deckenfräsen der WIRTGEN-GROUP entstanden die sogenannten Surface Miner. Sie dienen zum Abbau von erzhaltigem Gestein, das sich in dünnen Flözen nahe der Erdoberfläche befindet. Solche Vorkommen gibt es z. B. in Australien. Die Surface Miner schneiden, fördern und zerkleinern das Gestein in mehreren Arbeitsabläufen und befördern es gleichzeitig über Laufbänder in Transportfahrzeuge. Vier Winkelcodierer dienen als Rückmelder für die Steuerung der Raupen im Fahrbetrieb. Ein Drehkranz zur Schwenkung des Schüttgutauslegers ist mit einem Multitour-Winkelcodierer bestückt und liefert die Daten für einen Schwenkbereich bis 180 Winkelgrad.

Als quasi-mobile Maschine könnte man das Aggregat bezeichnen, das vor der australischen Küste dazu dient, den Meeresboden zur Erweiterung des Containerhafens von Sidney aufzubereiten. Dort müssen 60 Hektar Fläche aufgeschüttet werden, um den Boden in etwa 30 m Tiefe zur Aufnahme der schweren Betonwände zu verfestigen. Die erwähnte Sonderkonstruktion aus einem Rohrgerüst von 20 x 25 m Grundrahmen und einem Seitenrahmen von 20 m Höhe dient als Halterung und zur Führung eines Rohrtrichtersystems, mit dem das Schüttgut auf den Meeresboden transportiert wird. Dieses System kann zweiachsig innerhalb des Grundrahmens bewegt werden. Zur Positionierung und Gleichlaufsteuerung dienen an jeder Achse zwei TWK-Winkelcodierer. Zusammen mit der übrigen Sensorik und Aktorik sind die Winkelcodierer im PROFIBUS vernetzt und mit einer S7-Steuerung verbunden. Das beschriebene Aggregat wird etappenweise versetzt, wenn die Grundfläche von 20 x 25 m aufgeschüttet ist. Die jeweilige Position der Maschine wird über GPS bestimmt. Die Steuerung der Maschine wurde von der österreichischen Firma EFW konzipiert und realisiert. Die Aufschüttung einer Maschinenfläche dauert etwa einen Tag. Innerhalb von sechs Monaten wurde etwa die Hälfte der für den Hafenausbau benötigten Fläche aufgeschüttet.

Elektromagnetische Winkelcodierer in Zwei-Kammer-Bauweise

Die eingesetzten Winkelcodierer sind in Zwei-Kammer-Bauweise ausgelegt. Die Verstellwelle mit zwei robusten, gedichteten Kugellagern befindet sich mit einem Permanentmagneten in einer Kammer. Getrennt durch eine Metallwand liegt die Elektronik mit Hall-Elementen, Signalaufbereitung und Ausgangsschnittstellen in der Hauptkammer. Diese ist voll vergossen und bietet daher höchste Sicherheit gegen Feuchtigkeit und Vibrationen. Ihr Arbeitstemperaturbereich liegt zwischen -40 °C und +85 °C. Für Sonderfälle ist die Auslegung für Temperaturen bis + 125° C möglich. Die Winkelcodierer haben eine Auflösung von 12 Bit, d. h. 4096 Schritte je Umdrehung. Schutzarten bis zu IP69K werden gewährleistet. Zur Anpassung an die vom Anwender eingesetzte Steuerung werden sie mit analoger oder digitaler Schnittstelle, z.B., CANopen oder SSI, geliefert.

Die beim Hafenausbau verwendeten Multitour-Winkelcodierer sind mit dem SPC PROFIBUS-Controller bestückt. Gehäuse, Welle und Kabelanschlüsse sind in Edelstahl ausgeführt. Das Verbindungskabel wurde im Hinblick auf Beständigkeit gegen Meereswasser und Flexibilität ausgewählt. Für den Einsatz im Tiefenbereich wird eine Druckfestigkeit von 3 bar vorausgesetzt. Jeder Winkelcodierer ist mit einem Kunststoffritzel bestückt, das in einen Zahnkranz der Antriebskonstruktion eingreift. Zur Feinsteuerung des Bewegungsablaufs werden die Verschiebungen der Trichterführung in mehrere Umdrehungen der Winkelcodierer umgesetzt. Dazu ist in den Codierern ein Umdrehungszähler integriert, der von einer Lithium-Batterie langer Lebensdauer versorgt wird und die eine absolute Positionserfassung ermöglicht.

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