Heiß und kalt geprüft 1

Auch bei Sensoren ist die Funktionalität abhängig von der Umgebungstemperatur. Daher ermittelt Balluff das Schaltverhalten in einem Prüfgerät. Dazu müssen die Schaltpunkte mit hoher Wiederholgenauigkeit angefahren werden.
Eine Lineareinheit von Oriental Motor kann das.

Die Lineareinheit besteht aus einer Kugelumlaufspindel mit einem Schrittmotorantrieb. Auf einer Führung können die zu bewegenden Teile direkt befestigt werden. Dadurch ist der Aktuator gleichzeitig vor dem Verdrehen geschützt und steht einbaufertig zur Verfügung. In vielen Applikationen wird für eine derartige motorisierte Linearlösung, vor allem wenn der benötigte Hub vergleichsweise kurz ist, eine Eigenkonstruktion verwendet, die zunächst entworfen und dann getestet werden muss, bevor sie an die Bewegungsparameter der Anlage angeschlossen werden kann. Bei DRL sind die Abstimmung sowie die optimierte Kraftübertragung bereits gegeben. Die Integration von Motor und Spindel in einem Gehäuse bringt zudem gegenüber einer Lösung aus Einzelkomponenten eine deutliche Platzeinsparung mit sich.

Der Name Balluff steht für unterschiedliche Sensoren mit verschiedenen Wirkprinzipien. Vom induktiven Verfahren mit Verdrahtung oder Fernübertragung über optoelektronische, kapazitive und Magnetfeldsensoren reicht das Spektrum hin zu Sonderformen, beispielsweise für Pneumatikzylinder. Identifikationssysteme gehören ebenso zum Programm wie ein umfangreiches Portfolio von Weg und Distanz messenden Sensoren.

Um die gründliche Funktions- und Qualitätsprüfung im Haus sicherzustellen, verfügt Balluff über einen eigenen Prüfmittelbau, in dem unter anderem das Temperaturgangprüfgerät TGPG für induktive Schalter entwickelt wurde. Der Einfluss der Umgebungstemperatur auf das Schaltverhalten eines Sensors ist eine Größe, die jeder Hersteller kennen und berücksichtigen muss, um die Applikation entsprechend aufzubauen.

Das Temperaturgangprüfgerät ist also Bestandteil der internen Qualitätskontrolle. Es besteht aus einem Temperaturschrank mit einer mechanischen Prüfeinrichtung und einem Elektronik-Einschub. Die Ansteuerung und Datenauswertung erfolgt über Industrie-PC und kann im Netzwerk erfolgen. Zur mechanischen Einrichtung gehört der zu prüfende Näherungsschalter selbst, der in einer Haltevorrichtung eingespannt ist. Ihm nähert sich eine Bedämpfscheibe, die vom DRL-Antrieb bewegt wird.

Der induktive Näherungsschalter arbeitet berührungslos und verschleißfrei. Seine Arbeitsweise beruht auf dem Wirbelstromprinzip. Das heißt, ein durch eine elektronische Schaltung erzeugtes, elektromagnetisches Feld wird durch einen metallischen Gegenstand (Bedämpfungsplatte) so weit gestört, dass es in sich zusammenbricht. Dies erzeugt am Sensorausgang entweder eine ansteigende oder abfallende Spannungsflanke.

Hat diese Flanke einen festgelegten Wert über- oder unterschritten, reagiert darauf eine nachgeschaltete externe Einheit. Man spricht dann vom Einschaltpunkt. Dies kann eine SPS oder ein Schaltrelais sein. Entfernt sich die Bedämpfungsplatte wieder aus dem Bereich des elektromagnetischen Feldes, baut sich dieses wieder auf, und der Sensorausgang ändert seinen Zustand zurück. Die Differenz zwischen Ein- und Ausschaltpunkt ist die Hysterese.

Diese drei Parameter sind bei einem Sensor sehr stark abhängig von der Temperatur. Da Sensoren im Bereich zwischen -40 und +120°C eingesetzt werden können, ist es die Aufgabe eines Entwicklungsingenieurs, diesen so zu kompensieren, dass die Schaltpunkte innerhalb des im Datenblatt angegebenen Temperaturbereichs auch den von der Norm festgeschriebenen Werten entsprechen. Um dies zu ermitteln, werden die Entwicklungsmuster in eine Messeinrichtung, bestehend aus einem Temperaturwechselofen, einer Antriebseinheit und einem Messcomputer, installiert und vermessen. Bei Balluff geschieht das in dem von ihr eigens entwickelten Temperaturgangsprüfgerät TGPG4.

Die Temperaturgangprüfgeräte TGPG4 sind in der jetzigen Form mit der automatisierten Lösung seit 2005 im Einsatz. Sie löste eine vorherige manuelle Bewegung des Bedämpfungselementes ab. Die so erfolgte Arbeitserleichterung ist nur ein Vorteil der neuen Geräte. Die hohe Wiederholgenauigkeit der im DRL eingesetzten Kugelumlaufspindel macht die Ergebnisse besonders aussagekräftig.

Da die DRL-Einheit die von Balluff geforderte Genauigkeit liefern konnte, entschied man sich bei der Entwicklung des TGPG4 für die einbaufertige Lösung aus Düsseldorf. Balluff prüft mit dem TGPG seine induktiven Sensoren. Diese Produkte finden in den unterschiedlichsten Anwendungen in der Automatisierung und im Maschinenbau Verwendung.

Gängige Temperaturschränke müssen zur Verwendung mit einer DRL-Einheit eine definierte Rohrdurchführung und eine serielle Bedienschnittstelle besitzen. Das Softwarepaket für das Prüfgerät bei Balluff ist für die Schränke von zwei Herstellern angepasst worden.

Übergreifende Qualitätsprozesse
Die Geräte kommen überall dort zum Einsatz, wo bei Balluff Entwicklungsarbeit geleistet wird. Sie werden in der Produktqualifikation verwendet, bevor ein neu entwickelter Sensor die Freigabe zum Fertigungsstart erhält oder wenn im Zuge einer Requalifzierung ein Produktaudit stattfindet. Insgesamt sind über zehn dieser Einheiten weltweit im Einsatz.

Reinhard Schnell leitet für den Bereich Sensoren bei Balluff die Qualitätssicherung und legt in dieser Funktion die Anforderungen an ein Prüfverfahren fest: „Die Temperaturgangprüfung ist ein wichtiger Bestandteil der Qualifizierung eines Produktes.“

Die Prüfgeräte sind mit einer zentralen Steuerung verbunden, sodass die Messdaten jederzeit im laufenden Prozess überprüfbar sind. Wird ein in Deutschland entwickeltes Teil dann beispielsweise in der Schweiz qualifiziert oder umgekehrt, können alle Standorte die gleichen Prüfparameter zugrunde legen. Für solche übergreifenden Qualitätsprozesse spielt die Reproduzierbarkeit und Kompatibilität aller am Aufbau beteiligten Komponenten natürlich eine große Rolle.

Da im worst case eine Temperatur-Range von 160° gefahren wird, muss sichergestellt sein, dass die Eigenschaften aller Komponenten vom Messergebnis abgekoppelt werden können, also deren eigenes Temperaturverhalten keinen Einfluss auf die Messergebnisse hat. Schnell: „Die Bewegung der Bedämpfungsscheibe stellt ja nur einen Teil der komplexen Prüfeinrichtung dar. Daher haben wir uns für eine einbaufertige Lösung entschieden und profitieren von deren einwandfreiem Betrieb.“

Andreas Rey, Vertrieb Oriental Motor, ergänzt: „ Es gehört zur Philosophie von Oriental Motor, dass man dem Interessenten das Produkt ausgiebig vorführt und erklärt. Bei der Inbetriebnahme spart es dem Kunden ganz einfach viel Zeit und Nerven, wenn jemand dabei ist, der das Produkt genau kennt und es in die Applikation einpassen kann.“
In den Temperaturgangprüfgeräten kommen DRL-Antriebe der Baugröße 42 mm mit gerollter Kugelgewindespindel zum Einsatz. Die Wiederholgenauigkeit dieser Spindel beträgt ± 0,02 mm. Mit dem Gehäusedurchmesser 42 mm wird eine Hublänge von 40 mm erreicht.

Direkt am Rotor befindet sich ein Rillenkugellager für die Aufnahme axialer Lasten. Durch den Wegfall einer Kupplung und die Positionierung des Lagers am äußeren Teil der Kugelgewindemutter verkürzt sich die Gesamtlänge enorm. Die Reduzierung der bewegten mechanischen Teile erhöht außerdem die Zuverlässigkeit des Systems. Auch trägt die effektive Nutzung des Hohlraums zwischen Rotor und Stator ebenfalls zur Verkleinerung des Aktuators bei, wobei ein größtmöglicher Hub gewährleistet wird, der beim DRL der Baugröße 28 mm mit einer Gesamtlänge von nur 58 mm demnach 30 mm beträgt. Damit kann dieser Typ bisherige vergleichbare Lösungen mit Längen von 128 mm ersetzen, also mehr als die Hälfte an Einbaulänge einsparen. Das Gewicht des Aktuators beträgt in dieser Größe nur 250 g, das der mit 20 mm kleinsten Baugröße sogar nur 140 g.

Zur Realisierung einer großen Vorschubkraft wurde zwischen Kugelgewindemutter und Rotor ein Abstand gelassen, wodurch der Rotorinnendurchmesser verkleinert und eine ausreichende Magnetfläche geschaffen wurde. Als Axialwellenlager befinden sich zwei Rillenkugellager mit großem Durchmesser am äußeren Teil der Kugelumlaufspindel. Bei der Baugröße 28 mm beträgt der Lagerdurchmesser 24 mm. Dieses Lager nimmt Axiallast auf und reduziert gleichzeitig die Vibrationen der Kugelgewindemutter, wodurch sich die Lebensdauer der Einheit verlängert.

Die gerollte Spindel hat in der 28 mm-Ausführung eine Steigung von 1 mm. Je nach verwendetem Motor kann diese in 500 oder 1000 Schritte unterteilt werden; dadurch wird die Positionierung ausgesprochen präzise und der Vorschub im Mikrometerbereich mit einer Wiederholgenauigkeit von 4 µm pro Schritt möglich. Bei den Typen 42 und 60 mm beträgt die Steigung 2 beziehungsweise 4 mm. Seit kurzer Zeit kann durch den Einsatz einer geschliffenen Spindel die Wiederholgenauigkeit auf ± 0,005 mm gesteigert werden.Neben dem Einstellknopf steht mit einer elektromagnetischen Bremse eine weitere Ausstattungsoption zur Verfügung.

Als Antrieb dient ein 5-Phasen-Schrittmotor. Besonderes Merkmal dieser Motoren ist ihre hohe Positioniergenauigkeit. Zusammen mit dem 5-Phasen-Mikroschritttreiber der CRD-Serie erreicht er bereits im Vollschrittbetrieb eine Auflösung von 0,002 mm (2 µm) bei einer Spindelsteigung von 1 mm.

Geringe Vibrationen
Viele Schrittmotorantriebe von Oriental Motor sind mit der Smooth-Drive-Funktion ausgestattet, die den Mikroschritt-Antrieb automatisch betreibt, ohne dass Schrittwinkel, Pulsanzahl und -frequenz geändert werden müssen. Der Antrieb garantiert damit geringe Vibrationen und hält den Geräuschpegel niedrig. Vor allem im niedrigen Drehzahlbereich von 60 U/min oder darunter bringt dies eine deutliche Verbesserung bei den Vibrationswerten. Dank Mikroschritt erfolgt der Wechsel des Motorstroms sanft, sodass sich der magnetische Fluss nicht abrupt ändert, der Geräuschpegel bleibt ebenso niedrig, was sich wiederum besonders deutlich im unteren Geschwindigkeitsbereich bis zu 300 U/min bemerkbar macht.

Balluff in Kürze
Verschiedene Wirkprinzipien
Im Jahr 1921 gründete Gebhard Balluff in Neuhausen auf den Fildern nahe Stuttgart eine Reparaturwerkstatt für Zweiräder und Nähmaschinen. Mit der Entwicklung patentierter elek-tromechanischer Grenztaster begann 1956 die Zusammenarbeit mit der Automobil- und Werkzeugmaschinenindustrie. Seit 1968 produziert Balluff induktive Näherungsschalter. Heute gehören weltweit 23 Tochtergesellschaften und mehr als 1900 Mitarbeiter zum Unternehmen. Der Name Balluff steht für unterschiedliche Sensoren mit verschiedenen Wirkprinzipien. Vom induktiven Verfahren mit Verdrahtung oder Fernübertragung über optoelektronische, kapazitive und Magnetfeldsensoren reicht das Spektrum hin zu Sonderformen, beispielsweise für Pneumatikzylinder. Identifikationssysteme gehören ebenso zum Programm wie ein umfangreiches Portfolio von Weg und Distanz messenden Sensoren.