Zukunftssichere Positionsmessung in Hydraulikzylindern

Die Nachfrage nach linearer Sensorik für die mobile Automation im Allgemeinen und für hydraulisch betriebene Arbeitsmaschinen im Besonderen wächst. Der quantitative Aspekt ist dabei nur die eine Seite der Medaille – immer mehr Fahrzeugherstellern, Integratoren und Betriebsverantwortlichen geht es auch um qualitative Innovationen. Es sind Mehrwerte gefragt, wie sie in der industriellen Automation längst üblich sind: die Erhebung von Zustands- und Prozessinformationen durch die Encoder. Die präzise und performante Positionsmessung soll in Zukunft ergänzt werden durch die Möglichkeit, mit Hilfe von Sensorinformationen detaillierte Analysen durchzuführen, um mit ihnen Assistenzsysteme zu unterstützen oder um beispielsweise plötzliche Maschinenausfälle zu vermeiden, Wartungsroutinen zu optimieren und insgesamt die Verfügbarkeit von Maschinen zu steigern. In der Hydraulikmesstechnik für die mobile Automation sind die Linear-Encoder der Produktfamilie Max derzeit die einzigen Geräte ihrer Art, die diese Mehrwerte bieten können.

Ein entscheidendes Merkmal der neuen Linear-Encoder von Sick ist, dass sie eine vollständige mechanische Kompatibilität zu bestehenden Zylinderkonstruktionen gewährleisten, die für die Integration eines Wegmesssystems bereits vorbereitet sind. Dadurch ist eine einfache und schnelle Integration in die Hydraulikzylinder sichergestellt. Mit dem Max 30 bietet die Produktfamilie zudem den laut Unternehmensangaben derzeit kompaktesten Linear-Encoder für Hydraulikzylinder. Die Reduzierung des Sensorkopfdurchmessers auf dreißig Millimeter geht nicht zu Lasten des Gehäusevolumens – sodass eine platzsparende Integration in entsprechend kleinere Hydraulikzylinder möglich ist.

Ein Blick in das Innere der Linear-Encoder zeigt – laut Unternehmensangaben verglichen mit dem Marktstandard – eine Reihe technologischer Unterschiede und Innovationen. So hat Sick Stegmann mit seinen mehr als 25 Jahren Erfahrung auf dem Gebiet der linearen Wegmesstechnik für mobile Arbeitsmaschinen zunächst die Marktanforderungen untersucht und darauf aufbauend ein grundlegend neues Sensorkonzept entwickelt. Dessen Eckpfeiler sind unter anderem die Nutzung der Magnetostriktion, die Optimierung der Leistungsdichte durch die Minimierung von messtechnischen Totzonen sowie die Integration von Diagnose- und Prognose-Funktionalitäten, mit denen Maschinenstillstände vermieden und die Betriebspläne wie auch die Wartungsroutinen ganzer Fuhrparks optimiert werden können.

Bei der Magnetostriktion handelt es sich um ein Time-of-flight-Messverfahren. Gemessen wird die Entfernung zwischen zwei Punkten anhand der Laufzeit eines kurzen Stromimpulses und dessen partieller Reflektion innerhalb eines Wellenleiters. Der neue Linear-Encoder von Sick besteht aus einer Basisbaugruppe mit Sendemodul und Signalwandler, einem Wellenleiter als Messelement sowie einem beweglichen Permanentmagneten. Der ausgesendete Stromimpuls erzeugt ein zirkulares Magnetfeld entlang des Wellenleiters. Der Permanentmagnet an der Zylinderstange ist der Positionsgeber – seine magnetischen Feldlinien verlaufen im rechten Winkel zum Impulsinduzierten Magnetfeld des Wellenleiters. Dort, wo sich beide Magnetfelder überlagern, entsteht durch Magnetostriktion eine mikrometerfeine, elastische Verformung. Diese erzeugt eine mechanische Welle, die zu einem Teil weiter am Wellenleiter entlangläuft und zum anderen Teil zurück zur Basisbaugruppe des Max reflektiert wird. Beim Eintreffen der Welle erzeugt der Signalwandler aus der magnetostriktiven Welle ein elektrisches Signal. Aus der bekannten Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Welle im Wellenleiter sowie der Zeit zwischen dem Senden des Stromimpulses und der Detektion der zurücklaufenden magnetostriktiven Welle ergibt sich mit einer Auflösung im Mikrometer-Bereich die Entfernung des Permamentmagneten und damit die Position des Hydraulikkolbens.

Die Technologie der Magnetostriktion bietet für den Einsatz linearer Encoder in hydraulischen Arbeitsmaschinen eine Reihe von Vorteilen. Die Positionsmessung erfolgt absolut: sofort nach dem Anliegen der Bordspannung durch Starten der Arbeitsmaschine ist die exakte Kolbenposition bekannt – eine Referenzfahrt wie bei inkrementellen Sensoren ist nicht erforderlich. Im Arbeitseinsatz erweist sich die Magnetostriktion nicht nur als zuverlässig und verschleißfrei, sondern auch als robust sowohl gegen mechanische Beanspruchungen als auch gegen extreme elektrische Einflüsse, beispielsweise durch eingestrahlte oder eingekoppelte Störungen im Bordnetz eines Fahrzeuges. Die hohe Betriebssicherheit der Max-Linear-Encoder als genehmigungspflichtiges Bauteil an Kraftfahrzeugen wird durch das E1-Genehmigungszeichen des Kraftfahrtbundesamtes zertifiziert.

Mit der Produktfamilie Max geht Sick Stegmann in vielerlei Hinsicht neue Wege. Produkttechnisch zu nennen ist unter anderem die Messwertauflösung von 0,1 Millimetern bei Messbereichen von bis zu 2,5 Metern beim Max 48 und 1,5 Metern beim Max 30. Eine weitere Besonderheit der Linear-Encoder ist die deutlich minimierte Totzone, die sich aus den auf 30 Millimeter reduzierten Null- und Dämpfungszonen ergibt. Entsprechend größer als bei marktüblichen Positionssensoren sind die Messbereiche – was wiederum eine bessere Ausnutzung des Kolbenhubs im beengten Einbauraum des Zylinders ermöglicht. Schließlich sind die Max-Sensoren für einen erweiterten Fluidtemperaturbereich von minus 30 bis plus 95 Grad Celsius spezifiziert.