Gemeinsam genauer

Sensorik - Die Winkelmessung bei großen Innendurchmessern überfordert oft einen einzelnen Messkopf. Abhilfe schafft hier die Mehrkopfabtastung.

02. August 2007

Hochgenaue Winkelmessungen in Rundachsen sind das Haupteinsatzgebiet des neu entwickelten MHS-Winkelmesssystems mit Kalibrierfunktion der AMO GmbH in Dunningen. Es basiert auf dem patentierten induktiven Abtastprinzip Amosin. MHS steht für Multiple Head Scanning (Mehrkopfabtastung). Das System eliminiert den Einfluss der Exzentrizität und erhöht die Systemgenauigkeit bis zum Faktor vier. Der Anwender kann Kosten bei Herstellung und Zusammenbau von Rundachsapplikationen einsparen und die Genauigkeit an einer fertig aufgebauten Rundachse steigern. Damit ergibt sich speziell für den Werkzeugmaschinenbau eine ganze Reihe von Anwendungen.

Ein zentrales Thema bei Winkelmessungen ist die Integration in optimierte mechanische Konstruktionen. Hier kommt nicht jeder Standardgeber in Frage, da die Durchmesser von Torquemotor und Lagerung oft eng aufeinander abgestuft sind und die Ingenieure einen großen Innendurchmesser favorisieren, der bauartbedingt höchste Drehmomente und Haltekräfte ermöglicht. Für solche Einsatzfelder bieten sich deshalb ringförmige Winkelmesssystem mit großem Innendurchmesser an. AMO integriert die Winkelmessung dazu in unmittelbarer Nähe zum Lagersitz.

Grundlage der Bauteile ist ein stabiler 0,65 Millimeter dünner und 10 Millimeter breiter Maßbandring aus Stahl, der mittels Presspassung auf das jeweilige Teil montiert wird. Die Schutzart IP 67 erlaubt dabei den Betrieb in einem Ölbad oder in unmittelbarer Nähe zu einer Lagerung.

Es entsteht ein steife und platzsparende Konstruktion mit geringer Masse und damit verbunden einem geringen Trägheitsmoment und ohne mechanische Kupplungen zum Gebersystem mit ihrem störenden Umkehrspiel oder Elastizitäten. Unterschiedliche Bauformen der Abtastköpfe ermöglichen einen optimierten Einbau in axialer oder radialer Richtung. Für beengte Platzverhältnisse gibt es einen Miniaturkopf von lediglich 12 x 12 x 36 Millimetern Größe, der in Verbindung mit einer Steckerelektronik eingesetzt wird.

Einfluss durch Exzentrizität

In der Praxis bewirken geometrische Einflüsse unterschiedliche Einbußen in der Genauigkeit der Winkelmessung in Rund­achsen. Ein wichtiger Einfluss ist dabei die Exzentrizität, weil eine hohe Genauigkeit der Winkelmessung eine zentrische Ausrichtung von Mechanik und Winkelmesssystem erfordert.

Bei der Anbindung dieser Systeme an die Mechanik einer Rundachse wird deshalb erfahrungsgemäß ein hoher Aufwand getrieben: Lagersitz, Aufnahme oder Kupplungselemente werden sorgfältig gefertigt und zusammengebaut. Dennoch addieren sich systematische Messfehler. Als ideale Anbindung bietet sich darum die steife und spielfreie Montage eines Messflansches zentrisch auf der Motorwelle an. Die Standard-Winkelmesssysteme von AMO verfügen deshalb sowohl über eine solche Zentrierung, als auch über eine Presspassung zur bestmöglichen zentrischen Montage, dennoch unterliegen die Systeme der Exzentrizität bedingt durch Fertigungstoleranzen, einem endlichen Lagerrundlauf sowie durch den Zusammenbau.

Mehr Messköpfe, weniger Messfehler

Eine Rundachsmessanordnung birgt zwei Arten von Fehlern: Systematische, also wiederholbare Fehler bei jeder Umdrehung sind die Exzentrizität von Messflansch zu Drehachse, die Teilungsfehler des Messflansches als Abweichung von einer idealen Teilung sowie die Rundlauffehler der Lagerung. Zu den zufälligen Fehler gehören das Lagerspiel und lastabhängige Verformungen. Da systematische Fehler in der Praxis nicht völlig zu vermeiden sind, gibt es eine wirtschaftliche Möglichkeit, sie zu kompensieren: der Einsatz mehrerer Messköpfe. Dieses Verfahren eliminiert Exzentrizitätsfehler und mindert systematische Fehler um den Faktor 2 oder 4. Durch die aktive Kompensation von Abstandsänderungen erfasst jeder Messkopf nur die tangentiale Winkelbewegung der Exzentrizität.

Ein hochgenaues Winkelmesssystem mit Mehrkopfabtastung bietet eine deutlich höhere Systemgenauigkeit gegenüber einer Einkopflösung. Ein mögliches Problem ist jedoch die Wirtschaftlichkeit: Zu welchem Preis lässt sich die vierfach verbesserte Systemgenauigkeit und Kompensation der Exzentrizität erreichen? Um die Kosten zu senken, arbeitet das MHS-Winkelmesssystem von AMO in der Praxis mit der Genauigkeit eines Mehrkopfsystems, im Betrieb wird jedoch nur ein Messkopf benötigt: Ein zweiter Messkopf wird nur zur Kalibrierung angeschlossen.

Das MHS-System besteht aus einem Messflansch, einem Messkopf, der Signal­elektronik und dem nur für die Kalibrierung notwendigen Kalibrierkopf. Bei der Inbetriebnahme montiert der Techniker Messkopf und Messflansch in seiner endgültigen Position. Für die Kalibrierung wird der Kalibrierkopf um 180 Grad beziehungsweise 90 und 270 Grad versetzt zum Messkopf temporär montiert. An der Stecker­elektronik des Kalibrierkopfes befindet sich ein DIP-Schalter, mit dem die Position der Datenerfassung voreingestellt wird. Bei einer folgenden Drehbewegung erkennt der Messkopf eine Referenzmarke und startet den Kalibriervorgang. Die ­Positionswerte von Messkopf und Kalibrierkopf werden an die Elektronik übertragen. Nach einer Umdrehung ist die Datenerfassung abgeschlossen und die Abweichungen zwischen Mess- und Kalibrierkopf ermittelt. Bei der Kalibrierung für eine Vierkopf-Abtastung wiederholt sich der Vorgang an den weiteren Positionen. Nach der dritten Fahrt ist der Kalibriervorgang für das Vierkopfsystem abgeschlossen. Während des typischen Betriebs ist aber lediglich ein Messkopf angebaut.

Bei größeren Messdurchmessern steigt die Genauigkeit proportional, das System läuft absolut noch genauer. Für Hersteller von großen Rundachsen und Bearbeitungstischen drängt sich diese Möglichkeit auf, weil sie das Winkelmesssystem nicht mehr im Zentrum anbringen und durch einen angebauten Geber den zur Verfügung stehenden Bauraum einengen müssen. Zudem erfolgt die Messung mit hoher Auflösung genau dort, wo es bei der Bearbeitung genauer Teile ankommt: am Umfang. Da der prinzipielle Aufbau der MHS-Systeme unabhängig von der Baugröße ist, benötigen sie für besonders große Messdurchmesser lediglich mehr Maßband. Ein großes Winkelmesssystem fällt damit im Verhältnis zur Baugröße preislich moderat aus.

In der Praxis lassen sich die hoch auflösenden direkten Messsysteme besonders gut in die Konstruktion von Rund- und Schwenkachsen, in Maschinentische und Winkelfräsköpfe integrieren. Auch bei Rundachsen mit Torquemotor und konventionell angetriebenen Achsen profitieren Konstrukteure vom variablen Innendurchmesser der MHS-Systeme, sie steigern durch den Einsatz des direkten Messsystems die Bearbeitungsgenauigkeit ihrer Anlagen.

Martin Koblitz, AMO GmbH/mk

Fakten:Eigenschaften von Amosin:

- variable Durchmesser möglich,

- Schutzart IP 67,

- Hohe Genauigkeit,

- Mehrkopfsysteme und Kompen­sationsverfahren,

- hohe Strichzahlen, hohe Signalgüte, ideal für Torquemotoren,

- unempfindlich gegen Magnetfelder,

- große Abstandstoleranzen,

- Miniaturausführungen,

- Innen- und Außenabtastung möglich

Erschienen in Ausgabe: DIGEST/2007