ASM Wegbandsensoren für extreme Anwendungen 1

Temperaturschwankungen und häufiges Umlenken bringen Wegseilsensoren an ihre Grenzen. Seilbruch oder Ausfälle durch Vereisung sind die Folge. Wegsensoren, die mit Messbändern anstelle von Seilen arbeiten, sind deshalb in diesen Anwendungsbereichen die bessere Alternative.
Messseile sind in der Positionsmessung seit Jahrzehnten Stand der Technik. Sie haben ihre Zuverlässigkeit unter Beweis gestellt, unabhängig davon, ob die Messlänge 50 mm oder 60 m beträgt. Allerdings gibt es Probleme mit der Lebensdauer, gerade dann, wenn extreme Temperaturen auftreten oder häufiges Umlenken erforderlich ist. Bei derartigen Bedingungen waren bislang oft weder Hersteller noch Anwender mit dem Einsatz von Wegseilsensoren glücklich.

Müssen Seilzugsensoren beispielsweise im Kühlhaus arbeiten, so entstehen durch den ständigen Temperaturwechsel von etwa +15°C bis +40°C auf -30°C hohe Anforderungen. Vor allem, wenn die Seile zusätzlich noch über Umlenkrollen laufen müssen. Nicht kühlhaustaugliche Sensoren fallen vorzeitig aus. Die Industrie behilft sich, indem sie Seilkonstruktionen von 7 x 7 oder 1 x 18 + 7 x 7 benutzt, um so eine für die Bruchanfälligkeit relevante hohe Biegewechselzahl zu erreichen. Doch die Einzellitzen sind damit sehr dünn und somit empfindlich gegen äußere Beschädigung. Sie werden deshalb meist mit Polyamid 12 umhüllt. Wer meint, das Problem sei damit vom Tisch, irrt. Da dieses Polyamid PA12 eine relativ hohe Wasseraufnahme von sechs Prozent hat, gefriert der Mantel bei Temperaturen von -30° C, wie sie in Kühlhäusern vorherrschen. Bei diesen Temperaturen und ständigen Biegewechseln bricht der PA-Mantel auf und das seilzugbasierte Wegsensorsystem versagt über kurz oder lang. Somit sind Messseile durch Seilbruch- und Vereisungsgefahr für derartige Anwendungen nur bedingt geeignet.

Eine bessere Alternative sind Messbänder. Anstelle einer Wegbestimmung mittels Messseil lässt sich der zu messende Weg auch über die abgezogene Länge eines Stahlbandes bestimmen. Stahlbänder haben gegenüber Seilen viele Vorteile, die gerade bei extremen Anwendungen zum Tragen kommen. Wegen der glatten Oberfläche ist die Vereisungsgefahr gering. Dass sie sich dadurch auch leicht mit externen Abstreifbürsten reinigen lassen, unterscheidet sie zudem von der Seiltechnologie. Geht es bei Messseilen nur mit Umhüllung, können die Stahlbänder auch in temperaturvariablen Bereichen ohne Kunststoffmantel verwendet werden.

Für die Messung der Wegstrecke gibt es mehrere Möglichkeiten, wie beispielsweise über eine Wickeltrommel mit zugeordneter Zähleinrichtung. Auf dem Messband angebrachte Markierungen, etwa eine gleichmäßige Lochung, lassen sich erfassen und in eine Position umrechnen. Mit einer solchen bandintegralen Kennzeichnung, sei es durch Lochung, Aufwölbung, Verzahnung, Bedruckung, weist das Band jedoch abschnittsweise mechanische Veränderungen auf, wodurch sich der Verschleiß erhöht. Eine Bandstruktur soll jedoch auch über längere Zeit und nach einer großen Zahl von Auf- und Abwicklungen unverändert aufrechterhalten bleiben. Markierte Bänder haben folglich nur eine sehr begrenzte Lebensdauer.

Seine wahren Vorteile spielt ein Wegbandsensor aus, wenn er wie die Positape-Sensoren von ASM ein Messband ohne jegliche Markierungen verwendet. Die Positionsbestimmung erfolgt hier mittels analoger oder digitaler Drehwinkelgeber oder Encoder. Sie sind mit der Bandtrommel direkt gekoppelt und messen den Drehwinkel der Trommel, die das Messband aufwickelt. Das Band selbst bleibt unverändert. Dadurch verschmutzt es kaum und hat keinerlei mechanische Schwachstellen, die zum Bruch führen können. Wenn das Messband nicht durch äußere Einwirkung wie Knicken, Kerben oder Beulen beschädigt wird, hat es selbst bei mehrfachem Umlenken gegenüber einem Wegseilsensor eine sehr viel höhere Lebensdauer. Tests haben ergeben, dass sogar doppeltes Umlenken in gegenläufiger Richtung spielend bewältigt wird und zu Ergebnissen führt, die mit Seilen einfach nicht möglich sind.

Gewickelt wie eine archimedische Spirale
In vielen Fällen ist es notwendig, den Wegsensor axial möglichst schmal zu bauen, etwa wenn häufig oder auf sehr kleinen Rollen umgelenkt wird. Das lässt sich nur erreichen, indem man sehr dünne, flexible Bänder aus hochwertigem Edelstahl verwendet und diese nicht nebeneinander über die Trommel wickelt, sondern spiralig in einer einzigen Radialebene – wie eine Archimedische Spirale, Lage für Lage, ohne jeglichen Abstand. Die Vorspanneinheit besteht in diesem Fall aus einer Flachspiralfeder, die koaxial zur Wickeltrommel angeordnet oder in diese integriert ist. Messlängen bis 25m sind derzeit von ASM verfügbar.

Mit jeder 360°-Umdrehung nimmt dabei zwar der Trommelumfang zu, was theoretisch zu Auswertungsproblemen führen könnte, doch das ist nur ein scheinbarer Nachteil, der sich einfach elektronisch eliminieren lässt. So wird einem bestimmten Drehwinkel nicht eine fixe Länge des Zugelements zugeordnet, sondern die Zahl der jeweils erfolgten Wicklungen berücksichtigt. Die Korrektur der variablen Wicklungslänge erfolgt selbstlernend, durch mehrmaliges, vollständiges Abziehen in definierten Längenschritten des Messbands von der Wicklungstrommel. Elektronische Linearisierung über die Signalausgänge bestimmt also die wahre Messlänge. In der Regel sind hier Linearitätswerte von 0,25 Prozent ausreichend. Manche Anwendungen erfordern allerdings eine Linearität von bis zu 0,01 Prozent, die deshalb von den Wegbandsensoren ebenfalls unterstützt werden. Das lässt sich nur umsetzen, wenn die Fertigung der Stahlbänder mit engen Toleranzen erfolgt.

Eine Anwendung, der solche Wegbandsensoren auf den Leib geschneidert sind, ist die Positionsbestimmung der Seitenausleger von mobilen Kränen und Plattformen. Der Kranbau erfolgt unter hohen Sicherheitsanforderungen, welche in diversen DIN-Normen geregelt sind, wie beispielsweise der DIN EN 12999. Damit die Lastverteilung sicher erfolgt, müssen die Seitenausleger entsprechend der zu hebenden Last weit genug ausfahren. Die Sensoren sind verantwortlich für die richtige Position und müssen deshalb absolut genau und ausfallsicher arbeiten. Da die Fahrzeuge nur über begrenzte Einbaumöglichkeiten verfügen, erfordern sie darüber hinaus eine kompakte Sensorlösung, die wenig Bauraum beansprucht. Wesentlich ist bei den mobilen Maschinen auch eine Toleranz gegenüber den maximalen Beschleunigungswerten, etwa bei der Hebevorrichtung. Messbänder können im Gegensatz zum Seil nicht von der Messtrommel springen und tragen somit zu einer höheren Sicherheit bei, wenn die zulässige Beschleunigung einmal überschritten werden sollte.

Beständig gegen Schmutz, robust gegen Vibration
Bei Wegseilsensoren besteht durch die vielfältigen Einsatzbereiche eine große Flexibilität in der Wahl des Encoders, ob optisch oder magnetisch, ob inkremental oder absolut. Die extremen Umweltbedingungen, unter denen Wegbandsensoren oft eingesetzt werden, lassen sich ausschließlich mit mechanischen Encodern bewältigen. Optische Encoder sind für solche Umgebungen nicht geeignet. Da die Signale in der Regel auf Codescheiben aufgebracht und mittels Fotodioden abgelesen werden, können Staub, Schmutz und Wasser dazwischen geraten und das Messergebnis verfälschen. Dann ist die Positionssicherheit nicht mehr gegeben und es würde beispielsweise den Sicherheitsanforderungen im Kranbau nicht mehr entsprochen. Magnetische Encoder sind beständig gegen Schmutz, Späne, Öl und Wasser, sowie robust gegenüber Schock, Vibration und Temperaturschwankungen. Die in den Wegbandsensoren verwendeten Multiturn-Absolut-Encoder erfassen Messwerte selbst dann zuverlässig, wenn in das Gehäuse Wasserkondensat eindringt, da die Sensorelektronik komplett vergossen ist. Die 0,08 mm dünnen Stahlbänder kommen nicht nur bei Temperaturschwankungen und häufigem Umlenken als Alternative zu Wegseilsensoren in Betracht, sondern wegen ihres geringen Abriebs auch in der Lebensmitteltechnik, dem pharmazeutischen Bereich oder in Reinräumen.

Drei Fragen an Manfred Steinich, Geschäftsführer von ASM

Manfred Steinich, Geschäftsführer von ASM

Könnten Sie bitte kurz und knapp formulieren, welche Vorteile Ihre Wegbandsensoren dem Anwender bieten?
Wegbandsensoren haben ihre Vorteile dort, wo häufig über Seilrollen umgelenkt werden muss, auch in gegenläufiger Richtung, wo wenig Platz zur Verfügung steht oder wo große Temperaturunterschiede zu bewältigen sind.

Und Ihre Wegseilsensoren?
Diese haben weiterhin ihre Berechtigung. Die Wegband-Technologie ist eine Ergänzung für Anwendungsbereiche, in denen Wegseilsysteme nicht die ideale Wahl waren, aber mangels Alternativen eingesetzt werden mussten.

Haben Sie schon Ideen, wohin Ihre Reise bei den Sensoren in Zukunft geht? Planen Sie neue Entwicklungen?
Langfristig werden wir das Angebot an Wegband-Sensoren noch weiter ausbauen, etwa um redundante Versionen mit zwei unabhängigen Ausgängen. Mittelfristig wird die Entwicklung von Sensoren für sicherheitsgerichtete Anwendungen ein Thema sein. Fragen Sie nach der nahen Zukunft, können wir hier ankündigen, dass es von ASM schon bald einen Wegband-Sensor in Spritzgusstechnik mit bis zu 15 m Messlänge geben wird.