Treiber des Systemwechsels

Treiber des Systemwechsels

Innovationen bei Drehgebern und Neigungssensoren für Krantechnik und mobile Maschinen

Frische Ideen haben Konjunktur, wenn es in Portalkranen oder mobilen Maschinen um präzise Positionsüberwachung und Motion-Control-Abläufe geht. Wo früher aufwendige und sperrige Drehgeber zum Einsatz kamen, erledigen heute deutlich schlankere Encoder den Job – und das bei Multiturneinsätzen sogar ganz ohne Batterien und wartungsfrei. Im Trend liegen derzeit bewegungskompensierte Neigungssensoren, die sich von heftiger Vibration und extremen Beschleunigungen nicht aus dem Takt bringen lassen – und auch unter widrigsten Umständen klare Messsignale liefern.

1. Magnetischer 16-Bit-„IXARC“-Geber 
und optischer Drehgeber 
(beide für Multiturn-Einsätze) (Quelle: Posital-Fraba)
2. Energy Harvesting statt Batterien oder Getriebe (Quelle: Posital-Fraba)
3. Verrauschtes Signal versus klares Messergebnis durch Kombination aus Beschleunigungssensor und Gyroskop (Quelle: Posital-Fraba)
4. Typisches Einsatzfeld für den neuen „TILTIX"-Sensor mit dynamischer Beschleunigungskompensation (Quelle: Posital-Fraba)

Bei Drehgebern vollzieht sich schon länger der Switch von komplexen optischen Systemen hin zu wesentlich kompakteren Geräten mit magnetischer Messtechnik. Entscheidend für den Systemwechsel war die Verfügbarkeit von zentralen Hardware-Komponenten wie Mikrocontrollern mit noch mehr Rechenpower. In Kombination mit Quantensprüngen bei der Software – etwa Algorithmen für die intelligente Signalverarbeitung – konnte so der Weg zu hochpräzisen magnetischen Absolutgebern geebnet werden. Mit einer Auflösung von 16 Bit und einer Genauigkeit von 0,09 Grad konnten sie vor gut fünf Jahren erstmalig die Performance-Lücke zu den Opto-Sensoren schließen – und sich dauerhaft für Präzisionseinsätze qualifizieren. Diese galten lange als Domäne von Gebern mit optischer Messtechnik, bei denen die Codescheibe, ein „Opto-ASIC-Chip“ zur Bewegungserkennung und aufwendige Getriebe beziehungsweise ein durch Batterien gepuffertes System für Multiturneinsätze zur Basisausstattung gehören.

Treiber des Systemwechsels war der Kölner Drehgeber- und Positionssensorik-Spezialist Posital, der – obwohl selbst einer der Premiumhersteller von optischen Gebern – sich bereits vor gut zehn Jahren der Aufgabe verschrieben hatte, nach Alternativen für die klassische absolute Positionserfassung zu suchen. Der endgültige Durchbruch erfolgte 2013 mit der Vorstellung der magnetischen „IXARC“-Serie, die voll auf Augenhöhe mit der Performance etablierter optischer Geber war.

Wichtige Daten in Echtzeit gefiltert

Die magnetischen Drehgeber der „IXARC“-Serie, die mittlerweile auf mehrere hunderttausend individuell konfigurierbare Typen angewachsen ist, basieren auf Hall-Sensoren, deren analoge Ausgangssignale von einem separaten, leistungsstarken 32-Bit-Mikrocontroller verarbeitet und digital weitergegeben werden. Aufwendige Algorithmen, die das firmeneigene F&E-Zentrum gezielt für die Hightech-Chips entwickelte, sorgten für den Durchbruch. In Echtzeit filtern sie die wichtigen Daten aus dem Messsignal und garantieren so die Kalibrierung und Genauigkeit der magnetischen 16 Bit-Encoder. Mit einer Updaterate von weniger als 100 µs arbeiten sie in Echtzeit – und sind so bestens für zeitkritische Positionieraufgaben geeignet.

Mit der Performance auf der Habenseite konnten sich die magnetischen „IXARC“-Geber vor allem dank ihrer Unempfindlichkeit gegen Nässe, Schmutz und Vibrationen, aber auch aufgrund der deutlich kompakteren Bauweise rasch im Markt etablieren. Als großes Plus entpuppt sich hier der energieautarke Betrieb der Zählelektronik für Multiturneinsätze, bei dem das von Posital intensiv forcierte Energy-Harvesting per Wiegand-Effekt greift.

Genutzt werden dabei magnetisch induzierte Spannungsimpulse aus Drehbewegungen, die mit sieben Volt stark genug sind, um den Rotationszähler zu betreiben – ganz ohne wartungsintensive Batterien und sperrige Getriebe. Allein durch den Wegfall des Getriebes warten magnetische Geber mit einer Gewichts- bzw. Platzersparnis von bis zu 50 Prozent gegenüber einem optischen Artgenossen auf.

„Abgedeckt in unserem riesigen Portfolio, auf das der User schnell und direkt über einen intuitiv ausgelegten Online-Konfigurator zugreifen kann, sind alle gängigen Interfaces“, so Klaus Matzker, „IXARC“-Produkt-Manager. „Hierzu gehören auch die bei mobilen Maschinen und in der Krantechnik besonders gefragten Feldbusse CANopen und SAE J1939 sowie diverse Analog-Schnittstellen.“ Das Einsatzspektrum der „IXARC“-Serie reicht von der Überwachung von Schwenkgetrieben in Portalkranen bis zur Steuerung von Scannern in Reach-Stackern für den Containerumschlag.

Exakter Positionswert ist jederzeit zuzuordnen

Während Drehgeber – als echte Kernkomponenten in Sachen „Motion Control“ – Rotationsbewegungen in Signale umwandeln und dabei einer Weg- und Winkelposition jederzeit einen exakten Positionswert zuordnen, geben Neigungssensoren Auskunft über die tatsächliche Neigungsposition. In vielen Anwendungen – auch bei mobilen Maschinen – kommen sowohl Drehgeber wie Neigungssensoren zum Einsatz. Gebündelt und verwertet werden ihre komplexen Signale in der zentralen Steuereinheit, die für den ordnungsgemäßen Betrieb der Anlage zuständig ist.

Auch bei Neigungssensoren greifen technologische Innovationen und neue Lösungsansätze. Jüngstes Beispiel sind Neigungssensoren mit dynamischer Beschleunigungskompensation, die auch bei anliegenden Beschleunigungskräften oder kräftigen Erschütterungen präzise Positionsdaten liefern. Anders als konventionelle Neigungssensoren, die sich bei ihren Messungen auf einen einzigen Beschleunigungssensor verlassen, kommt bei dem Newcomer ein duales Mess-System zum Zuge. Dem Sensor wurde ein Gyroskop zur Seite gestellt, mit dem sich die tatsächliche Drehgeschwindigkeit in den unterschiedlichen Achsen ermitteln lässt.

Beseitigt wurde so die zentrale Schwachstelle herkömmlicher Neigungssensoren, bei denen ruckartige Bewegungen und Vibration automatisch zu einem Verrauschen der ermittelten Signale – und damit zu Fehlern bei der Winkel- und Positionsmessung – führen. Im Duo sorgen Beschleunigungssensor und Gyroskop, deren Signale über innovative Algorithmen verknüpft und mit Rechenpower ausgewertet werden, für eine präzise Bestimmung der tatsächlichen Neigungsposition.

Kompakte Geräte und komplexe Elektronik

Auch bei der Entwicklung dieser auf Dynamik und Robustheit ausgelegten Neigungssensoren stand Posital einmal mehr in der ersten Reihe. Auf der Bauma stellen die Kölner im Rahmen ihrer „TILTIX“-Baureihe voll markterprobte Neigungssensoren mit dynamischer Beschleunigungskompensation vor. Die kompakten Geräte, deren komplexe Elektronik in einem besonders strapazierfähigen Aluminiumdruckgussgehäuse vergossen ist, sind bis zu 100 g schockresistent und für Schutzklasse IP69K ausgelegt.

„Was sich so einfach anhört, erwies sich bei der praktischen Umsetzung als sehr zeit- und arbeitsintensiv“, so Tobias Schubert, Produktmanager für die „TILTIX“-Reihe. „Allein in die Entwicklung des Algorithmus haben wir fast drei Jahre investiert. Dabei wurden immer wieder Feldtests bei Pilotkunden durchgeführt und zusammen analysiert.”

Dank ihrer Signalqualität sorgen die dynamischen „TILTIX-Sensoren“ in einer Vielzahl von Outdoor-Anwendungen, bei denen es zumeist nicht zimperlich zugeht, für ein hohes Maß an Betriebssicherheit. Zum Einsatzspektrum der Heavy-Duty-Sensoren, die mit CAN open und SAE J1939 über die für mobile Maschinen und schwere Nutzfahrzeuge relevanten Schnittstellen verfügen, gehören auch Material Handling und Krane.

Schwingungen analysieren, Überlast rechtzeitig erkennen

So kann der neue Sensor etwa in Gabelstaplern eingesetzt werden, um die Neigung des Staplers sowie der Gabeln zu überwachen. Durch Auslesen der Beschleunigungskräfte lassen sich Schwingungen analysieren, um frühzeitig zu erkennen, ob etwa die Last das maximal zulässige Gewicht überschreitet. Auf Containerbrücken bzw. in Spreadern werden die cleveren Sensoren genutzt, um während der kompletten Bewegung vorgegebene Neigungswerte einzuhalten und so das Nachschwingen der Container zu minimieren. Kommt es zu Abweichungen, wird die Steuerung aktiviert, um über gezielte Gegenschwingungen die Bewegungsabläufe zu beruhigen.

Darüber hinaus lässt sich mit den dynamischen Sensoren auch Zeit sparen – etwa bei schwerem Baugerät wie Baggern, die ihre Arbeit bislang immer wieder kurzzeitg stoppen mussten, um klare Messsignale über die Neigungs-Sensorik zu erhalten. „Mit den neuen Sensoren können diese kostspieligen Zwangspausen komplett entfallen“, so Schubert. „Zeit und Geld sind immer starke Kaufargumente!“

Technische Logistik 04/2019 PDF-Download (1.69 MB) Autor: J. Paulus