Präziser Winkelgeber

Zuverlässige Bahnkantenabtastung in der Holzproduktion

Automatisierungstechnik macht auch vor rauen Umgebungsbedingungen nicht halt. Die hier eingesetzten Sensoren müssen dann allerdings besondere Anforderungen erfüllen. Ausreichende Genauigkeit allein genügt nicht, sondern auch hohe Robustheit ist erforderlich, denn die Sensorik sollte selbst bei starken Vibrationen, Feuchtigkeit, Staubbelastung und extremen Temperaturschwankungen möglichst ein Maschinenleben lang zuverlässig funktionieren. Dazu kommt der verständliche Wunsch nach "bezahlbarer" Technik. Für die Weg- und Winkelmessung sind deshalb in solchen Anwendungen potentiometrische Sensoren, die es heute in sehr robusten Bauformen gibt, häufig konkurrenzlos. Das zeigt auch ein Beispiel aus der Produktion von Holzwerkstoffen bei Swiss Krono.
 Holzproduktion in Heiligengrabe: Um die Bandposition zu überwachen, ist jedes der vier Förderbänder mit einer Bahnkantenabtastung ausgestattet.
Holzproduktion in Heiligengrabe: Um die Bandposition zu überwachen, ist jedes der vier Förderbänder mit einer Bahnkantenabtastung ausgestattet.Bild: Swiss Krono

Sensoren auf Potentiometerbasis sind wegen ihres günstigen Preis-/Leistungsverhältnisses in vielen automotiven, mobilen und industriellen Anwendungsbereichen weit verbreitet. Schließlich lassen sich vergleichbare Messgeschwindigkeiten, Temperaturbereiche, Auflösungen, Linearitäts- und Hysteresewerte sonst nur mit deutlich höherem Aufwand erreichen. Potentiometrische Weg- und Winkelmesser haben deshalb vermutlich einen größeren Marktanteil als alle alternativen Techniken zusammen. Das gilt ganz besonders für Bereiche, bei denen mit extremen Umgebungsbedingungen zu rechnen ist. Ein Beispiel dafür liefern die weitläufigen Produktionsanlagen der Swiss Krono Gruppe, die auf die Fertigung von Laminat, OSB- und MDF- bzw. HDF-Platten sowie von Dekoren für den Innenausbau spezialisiert ist. Die Fördertechnik am Standort Heiligengrabe in Brandenburg ist beeindruckend: Das Rohmaterial für die Holzwerkstoffe wird hier über insgesamt vier 50m lange und bis zu 3m breite Förderbänder transportiert. Die Bänder laufen im Dreischichtbetrieb und erreichen Geschwindigkeiten bis zu 50m/min, also ungefähr Schrittgeschwindigkeit. „Leider laufen die Bänder auf den Rollen von alleine nie genau da, wo sie hingehören“, berichtet Andreas Richter, Industrieelektroniker in der Elektroinstandhaltung bei Swiss Krono. „Dieser Versatz muss kontinuierlich korrigiert werden, damit weder die Bänder noch das Transportgut beschädigt werden und im schlimmsten Fall die Produktion stillsteht.“

Bahnkantenabtastung neu gedacht

Um die Bandposition zu überwachen, ist jedes der vier Förderbänder mit einer Bahnkantenabtastung ausgestattet. Ursprünglich war diese über einen Paddelschalter mit vier Schaltpunkten realisiert. Im praktischen Einsatz erwies sich diese Lösung aber als zu ungenau. Außerdem war es recht aufwendig, die Auswertung der Endschaltersignale in der SPS an unterschiedliche Bahnbreiten anzupassen. „Wir wollten stattdessen ein absolutes, stetiges Analogsignal, welches sich einfach verarbeiten lässt und dabei so wenig zusätzlichen mechanischen Aufwand wie möglich erfordert“, fährt Andreas Richter fort. Der neue Sensor sollte zudem langlebig sein und auch in der staubigen Umgebung zuverlässig funktionieren. Optische Sensoren kamen dadurch nicht infrage, zumal die gesuchte Lösung möglichst einfach und auch kostengünstig sein sollte.

Die Wahl fiel schließlich auf ein robustes Industriepotentiometer von Novotechnik (vgl. Firmenkasten), das speziell für den Betrieb unter extremen Umgebungsbedingungen entwickelt wurde und sich zum Beispiel auch in mobilen Anwendungen bewährt hat. Ausgestattet mit einem Leitplastik-Widerstandselement und einem langzeitstabilen Mehrfinger-Edelmetallkontakt ist das IPX-7900 für den Dauerbetrieb bestens geeignet. Staub, Schmutz und Nässe beeinträchtigen seine Funktion nicht. Da Potentiometer nach dem Spannungsteilerprinzip arbeiten, haben auch Temperaturschwankungen keinen Einfluss auf die Messgenauigkeit und selbst bei starken Vibrationen liegt die zu erwartende Lebensdauer bei über 100 Mio. Bewegungen.

Novotechnik

Seit 1947 ist Novotechnik mit Stammsitz im schwäbischen Ostfildern wegweisend in der Weiterentwicklung der Messtechnik. Inzwischen arbeiten allein in Deutschland über 200 Mitarbeiter an Spitzenleistungen. Das Ergebnis sind leistungsstarke Weg- und Winkelsensoren, die weltweit aus Fertigung, Steuer- und Messtechnik oder aus dem Automobil nicht mehr wegzudenken sind. Die breitgefächerte Produktpalette umfasst Weg- und Winkelsensoren unterschiedlicher Funktionsprinzipien, spezielle Lösungen für den Automotive-Bereich sowie Messwertumformer und Messgeräte. Das deckt praktisch alle denkbaren Aufgabenstellungen ab; für spezielle Anwendungsbedürfnisse werden spezifische, auf die jeweilige Anwendung optimal passende Lösungen erarbeitet.

Einfache Lösung, großer Nutzen

Die massive und mit 79 x 35mm² dennoch kompakte Bauweise erlaubt den direkten Anbau an eine Achse ohne zusätzliche Schutzmaßnahmen. Verschiedene Wellenvarianten ermöglichen die Anlenkung über Hebel oder andere Mitnahmeelemente. Andreas Richter erklärt: „Für die Abtastung der Bahnkante haben wir den Winkelsensor mit einem Auslegerarm kombiniert, an dem eine kleine Rolle sitzt, die wiederum von einer Feder an die Bahnkante gedrückt wird.“ Der gemessene Winkel wird in der Steuerung mit der Hebellänge verrechnet, um den tatsächlichen Bandlauf in Millimeter weiter zu verarbeiten und die Position der Bahn gegebenenfalls zu korrigieren. Die mechanischen Auslenkungskräfte für das Wegmesssystem sind niedrig, sodass auch sehr elastische Produkte gemessen werden können. „Unser Prototyp funktioniert anstandslos“, freut sich Andreas Richter. „Wir werden das System nach und nach an allen Messpunkten in den Anlagen in Deutschland und international einsetzen.“

Das Heavy-Duty-Potentiometer wird für Erfassungsbereiche von 120°, 200° und 350° angeboten, mechanisch ist es voll durchdrehbar. An den Förderbändern in der Holzproduktion ist der Erfassungsbereich 200°. Alle Varianten gibt es wahlweise in einkanaliger oder zweikanaliger, redundanter Ausführung mit zwei separaten Anschlüssen. Der Winkelsensor arbeitet mit einer Auflösung von 0,01° bei einer Wiederholgenauigkeit von 0,002% und einer unabhängigen Linearität von besser als 0,1%. Ein typischer Anwendungsbereich für die robusten Winkelsensoren ist beispielsweise auch die Istwert-Erfassung direkt an der gelenkten Achse bei elektrisch-hydraulischen Lenksystemen. Schlaglöcher, Streusalz und andere Belastungen im Einsatz direkt über der Straße beeinträchtigen die Funktion nicht. Das Gehäuse aus eloxiertem Aluminium und die Edelstahlwelle erhöhen den Korrosionsschutz und machen den Sensor salznebelbeständig.

Dipl.-Ing. Stefan Sester, Leiter technischer Vertrieb, Novotechnik Messwertaufnehmer OHG / Ellen-Christine Reiff M.A., Redaktionsbüro Stutensee

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