Sensortechnik Induktive Wegerfassung: Mehr Präzision bei der Spulenfertigung

Anbieter zum Thema

Novotechnik Messwertaufnehmer OHG

Heidrive GmbH

CADFEM Germany GmbH

ELBCAMPUS Kompetenzzentrum

Weg- und Winkelsensoren unterschiedlicher Funktionsprinzipien werden überall in der Automatisierungstechnik gebraucht. An einer Spulen-Wickelmaschine für Motor-, Generator- oder Transformatorenspulen beispielsweise sorgt induktive Wegerfassung durch Wegaufnehmer für eine exakte Positionierung der automatischen Klemm- und Schneidvorrichtung.

Die Qualität der Wickeltechnik bestimmt wesentlich die Eigenschaften von wicklungsbehafteten, elektromechanischen Baugruppen wie Motoren, Generatoren oder Transformatoren. Hierzu zählen die Isolationsfestigkeit, der Gütefaktor, die für eine bestimmte Leistung oder Magnetkraft erforderlichen Abmessungen oder auch das magnetische Streufeld. Weil die Anforderungen an die Energieeffizienz stark zunehmen, wachsen die Ansprüche an die automatisierte Wickeltechnik und Fertigung. 

Induktive Wegerfassung vom Spezialisten

Zu den Spezialisten in diesen Bereich gehört die Heinrich Schümann (GmbH & Co. KG) in Lübeck. Das Unternehmen entwickelt und baut halb- und vollautomatische Maschinen, die elektrische Spulen wickeln, formen, isolieren und pressen. Im Elektromaschinen- und Transformatorenbau gehören diese zur Grundausstattung. Ein Beispiel dafür ist die vollautomatische Fischspulen-Wickelmaschine Selekta 245, die sich für alle Fischspulenformen und bis zu 20 Drahtabläufe eignet (Titelbild). 

Die Drähte werden automatisch abgeschnitten, gewickelt und abisoliert. Je nach Ausstattung verarbeitet die Maschine Drähte mit unterschiedlichen Querschnitten mit hoher Präzision und Geschwindigkeit zu hochwertigen Spulenrohlingen bis zu 4 m Länge. Diese sogenannten Loops werden in den folgenden Bearbeitungsschritten dann zu Spulen für Motoren oder Generatoren (Bild 2) weiterverarbeitet.

Zuverlässige Positionserfassung beim Abtrennen

Damit ein fertig gewickelter Loop entnommen werden kann, gilt es den Verfahrschlitten mit der Klemm-/Schneid-Vorrichtung zum Abtrennen präzise zu positionieren (Bild 3). Für diese Aufgabe suchten die Lübecker Maschinenbauer nach einem kontaktlosen Sensor, der möglichst genaue und reproduzierbare Messergebnisse liefert. Gleichzeitig sollte er robust genug sein, um in der wegen der nachgelagerten Werkzeugmaschinen oft staubigen Industrieumgebung zuverlässig zu funktionieren. 

Dominik Klatt, Einkaufsleiter bei Heinrich Schümann (Bild 4), berichtet: „Wir beziehen schon seit vielen Jahren fast alle unsere Wegmesssysteme von Novotechnik (vgl. Firmenkasten), schätzen die gute Zusammenarbeit und die Vielfalt an hochwertiger Sensorik. Angefangen vom klassischen Leitplastikpotentiometer bis hin zum magnetoresistiven Messprinzip setzen wir an unseren Maschinen und Anlagen viele verschiedene Sensoren erfolgreich ein. Bei der neuen Fischspulen-Wickelmaschine entschieden wir uns für einen induktiven Sensor vom Typ TF1, im Prinzip ist er die beste kontaktlose Alternative zu einem linearen Leitplastikpotentiometer.“

Der induktive Wegaufnehmer TF1 (Bild 5), der in Standard-Messlängen von 100 bis 1.000 mm angeboten wird, ist für viele Positionieraufgaben im Maschinenbau geradezu prädestiniert. Er arbeitet nach dem patentierten Novopad-Verfahren (vgl. Technikkasten) und damit ohne mechanischen Verschleiß. Dabei ist die genutzte Technologie unempfindlich gegenüber Magnetfeldern, die beispielsweise von großen Motoren, Hydraulikventilen oder magnetisch aktivierten Spannvorrichtungen erzeugt werden. Der Sensor eignet sich auch für hochdynamische Anwendungen. Die Update-Rate des Messsystems beträgt mehr als 10 kHz, das bedeutet einen Zeitverzug von nur 0,2 ms zwischen realer Position und dem zugehörigen Messwert. Durch diese Dynamik lassen sich in Produktionsanlagen kürzere Zykluszeiten erreichen, da die jeweilige Zielposition mit höheren Geschwindigkeiten angefahren werden kann.

Induktive Wegerfassung: Genau, robust und kommunikationsfreudig

In der beschriebenen Anwendung spielt die hohe Dynamik eine eher untergeordnete Rolle. Hier ist vor allem Genauigkeit gefragt, und auch da kann der Sensor punkten. Die an der Fischspulenwickelmaschine eingesetzte Variante mit 300 mm Messbereich arbeitet mit einer Auflösung von 10 µm bei einer Reproduzierbarkeit von ebenfalls 10 µm. Dabei lässt er sich von Schwingungen und Vibrationen nicht beeinträchtigen; die zulässigen Umgebungstemperaturen liegen zwischen - 40 und + 85 °C. Dank der geschützten Profilbauform erfüllt der Sensor zudem die Anforderungen der Schutzart IP67; es kann also kein Staub eindringen. „Codierte Magnetbänder zur Positionsbestimmung des Verfahrschlittens der Klemm-Schneidvorrichtung waren schon deshalb für uns keine Alternative, weil es bei der Produktion oft staubig zugeht“, ergänzt Dominik Klatt. Auch die Montage mit Hilfe von längsverschiebbaren Spannklammern erwies sich als praxisgerecht. Zur Betriebsspannungs- und Zustandsanzeige direkt vor Ort an der Maschine hat der Sensor zwei Multifunktions-LEDs.

In der beschriebenen Anwendung kommuniziert der Sensor mit der übergeordneten Steuerung über ein 0…10 V Ausgangssignal. Das Messsignal steht aber nicht nur als analoges Strom-/Spannungssignal, sondern auch digital über SSI zur Verfügung. Außerdem werden Kommunikationsschnittstellen gemäß CANopen-Standard bzw. IO-Link angeboten. Im Maschinenbau finden sich viele weitere Anwendungen für den induktiven Wegaufnehmer, zum Beispiel bei Linearantrieben, Spritz- und Druckgussmaschinen, bei Pressen und Stanzen in der Blechbearbeitung, in Verpackungs- oder Holzbearbeitungsmaschinen oder bei der Positionserfassung an schnellen Bewegungseinheiten in Fertigungslinien. Speziell für metallverarbeitende Betriebe interessant ist auch die Tatsache, dass sich am nichtmagnetischen Positionsgeber keine Metallspäne ansammeln.