Berührungslose Positionsüberwachung der Achsen

Berührungslose Positionsüberwachung der Achsen
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Positionserfassung: Unter der Abdeckung befindet sich der stationär angebrachte Lesekopf (Bildmitte links). Er erfasst berührungslos über den codierten Maßkörper die Position der Achse.
18.10.2012 | Magnetband-Längenmesssysteme in Universaldrehmaschine: "Glasmaßstäbe bieten zwar eine hohe Genauigkeit, sind aber auch mit zunehmender Länge überproportional teuer", schildert Andreas Schnöll, Hardware-Entwickler des Salzburger Werkzeugmaschinen-spezialisten Emco Maier Ges. m.b. H., seine Erfahrungen.

"Eine interessante Alternative dazu können Magnetband-Längenmesssysteme sein, wie wir sie jetzt in unseren Universalfräsmaschinen EMCOMAT  FB-450 L und FB-600 L zur Positionsüberwachung der x-, y- und z-Achsen einsetzen. Sie bieten mit einer Auflösung von 1....10 µm vollkommen ausreichende Genauigkeit, kosten allerdings nur einen Bruchteil im Vergleich zu Glasmaßstäben" so Andreas Schnöll.

Mit den BML-Wegsensoren von Balluff setzt der Werkzeugmaschinenspezialist mit Sitz und zentraler Produktionsstätte im österreichischen Hallein bei Salzburg auf ein robustes, sehr genaues und schnell arbeitendes Messsystem. Es besteht aus einem Sensorkopf und einem magnetisch codierten Magnetband-Maßkörper. Da die komplette Elektronik in das Metallgehäuse des Sensors integriert ist, findet das System auch noch in kleinen Einbauräumen seinen Platz. Für die Messung gleitet der Sensorkopf im Abstand von bis zu 0,35 mm über einen Maßkörper, ein Kunststoffband mit alternierenden magnetischen Nord- und Südpolen aus synthetisch gebundenem, ferritischem Material. Durch Zählen der magnetischen Perioden, die je nach Sensorausführung als analoges Sinussignal oder als digitales RS 422 Rechtecksignal ausgegeben werden, lässt sich dann eine präzise Aussage über den zurückgelegten Weg treffen.

Da das Messsystem magnetisch arbeitet, ist es im Gegensatz zu optischen Systemen sehr unempfindlich gegenüber Verschmutzungen, z.B. durch öl oder Staub, was für den Einsatz in rauer, staubiger Industrieumgebung geradezu prädestiniert. Die Auflösung ist frei konfigurierbar und erstreckt sich bis zu 1 µm. Dabei werden Genauigkeitsklassen von ± 10 bis ± 20 µm erreicht und dies bei einer erlaubten Verfahrgeschwindigkeit von bis zu 10m/s, die jedoch die Anforderungen der Drehmaschine von 5 Metern/ Minute bei weitem übertrifft. Trotz der sehr hohen Geschwindigkeit sind Abstände über 0,35 mm (ca. 30% der Polbreite) zwischen dem Sensorkopf und dem Maßkörper zulässig. Der gemessene Positionswert steht dann in Bruchteilen von Mikrosekunden, also in Echtzeit der Steuerung zur Verfügung.

Drehen und Fräsen mit hoher Präzision

 Drehen und Fräsen mit  hoher Präzision
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Um die Weginformation aufzunehmen, wird der Sensorkopf berührungslos über den Maßkörper geführt.

EMCO bietet mit der EMCOMAT FB-450 L und der EMCOMAT FB-600 L zwei konventionelle Universalfräsmaschinen, die sich durch vielfältige Einsatzmöglichkeiten und eine hohe Bedienungsfreundlichkeit auszeichnen. Der Anwender bekommt für sein Geld jeweils eine leistungsfähige und robuste Anlage mit 10kW-Hauptmotor, die sich durch eine hohe Dynamik und Präzision auszeichnet. Ihren Einsatz finden die Anlagen sowohl bei der Einzel- oder Kleinserienfertigung als auch bei der Fertigung einfacher oder komplexer Werkstücke. Diese bewährten Maschinen werden auch gerne in der Ausbildung eingesetzt, denn sie  verfügen als eine der wenigen am Markt für diesen Zweck zusätzlich zu ihrer konventionellen Ausstattung noch über besondere Features wie z.B. Handräder.

Für das exakte Positionieren der Achsen und für höhere Eilgänge sind die Maschinen mit einer Kugelumlaufspindel und Linearführungen sowie für die Positionserfassung in allen drei Achsen mit Balluff Magnetband-Längenmesssystemen BML ausgestattet. Nach unten schwenkbare Späneschutztüren ermöglichen ein sauberes und sicheres Arbeiten sowie einen uneingeschränkten Zugang zum Werkstück. Vom Einsatz der BML-Systeme profitiert die Werkzeugmaschine in vielerlei Hinsicht. Die hohe Linearität und eine Auflösung von bis zu 1µm bei einer Systemgenauigkeit von bis zu ±10 µm gewährleisten eine sehr hohe Laufruhe im Antrieb.

BML - Berührungsloses Zählen magnetischer Perioden

BML - Berührungsloses Zählen magnetischer Perioden
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Andreas Schnöll ist vom Nutzen des Maganetbandmesssystems überzeugt.

Um die Weginformation aufzunehmen, wird der Sensorkopf berührungslos über den Maßkörper geführt. Diese Magnetbänder sind bei Balluff-Systemen BML durchmagnetisiert und bieten ein absolut homogenes Magnetfeld. Durch Zählen der magnetischen Perioden lässt sich dann eine präzise Aussage über den zurückgelegten Weg treffen. Im Sensorkopf befinden sich dazu zwei Magnetfeldsensoren einschließlich der kompletten Elektronik. Damit die Wegstrecke auch richtungsabhängig gemessen werden kann, sind beide Magnetfeldsensoren so angeordnet, dass sie bei ihrer gemeinsamen Bewegung entlang der Messtrecke versetzte Signale ausgeben. üblicherweise werden sie dazu im Abstand von einer halben oder eineinhalb Magnetfeldperioden zueinander im Sensorkopf angeordnet. Um eine Auflösung des Messsystems bis in den Mikrometerbereich zu erreichen, ist eine genaue Bestimmung der aktuellen Position innerhalb der magnetischen Periode notwendig. Diese Aufgabe übernimmt ein in den Sensorkopf integrierter Interpolator.
 

Einfache Handhabung und Montage

Besonderer Vorteil: Während Glasmaßstäbe immer für die entsprechende Applikation bereits fertig vorkonfektioniert mit der richtigen Länge eingekauft werden müssen, kann das Magnetband auf Rolle gekauft und spontan bei Bedarf auf die richtige Länge zugeschnitten werden. Interessant ist dies auch, da sich die Länge der Messstrecken nicht nur bei den Maschinen untereinander, sondern auch noch zwischen den jeweiligen x-, y, und z-Achsen in ihrer Länge unterscheiden. Magnetbänder bieten hier mehr Flexibilität und helfen darüber hinaus auch noch die Lagerhaltung zu vereinfachen.

Berührungslos und damit verschleißfrei arbeitend verfügen die Magnetband -Längenmesssysteme über eine nahezu unbegrenzte Lebenserwartung. "Wird das System nicht mutwillig beschädigt, hält es ein Maschinenleben lang", weiß Schnöll zu berichten. Die Montage ist einfach. Nach dem Zuschneiden auf die richtige Länge kleben die Maschinenbauer von EMCO das Band auf den jeweiligen Achsen in eine vorgefräste Nut. Anschließend muss man es lediglich noch mit einem Stahlband abdecken, um es vor Beschädigung zu schützen und die Enden mechanisch zu fixieren.

Optional ist das inkrementelle System auch mit Referenzimpuls erhältlich. Dann ist der Maßkörper in zwei Spuren, die Inkremental- und die Referenzspur geteilt, die jedoch einen eigenen Sensor im Sensorkopf erfordert. Beim Einschalten des Messsystems muss dann eine Referenzfahrt bis zum Referenzpunkt durchgeführt werden, was im schlimmsten Falle die gesamte Messlänge sein kann. EMCO hat dafür eine andere Lösung.

Hier wird ein eigener "Nullpunkt" auf der Achse, ein induktiver Näherungsschalter mit dem Motorgeber, angefahren, was eine Referenzspur auf dem Magnetband überflüssig macht.

Eine weitere interessante Alternative dazu ist das neue, absolut arbeitende Magnetbandmesssystem BML-S1H. Da es immer die absolute Position ausgibt, erübrigt sich jegliche Referenzfahrt. Das Balluff-System verfügt derzeit über die wohl weltweit kleinste Bauform eines absoluten magnetischen Messsystems. Es sorgt durch optionale Längs- oder Quermontage selbst bei extrem kleinen Platzverhältnissen dank hoher Messwertrate und Linearität für ein optimales Positionsfeedback und eine bestmögliche Regelqualität.


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