Hohe Schule

Distanzmessung - Ob Rotativsensorik, optoelektronische Messsysteme oder absolute Längenerfassungslösungen auf Magnetbasis - es gibt viele Methoden, schienengebundene Fahrzeuge zu positionieren. Die Unterschiede sind nicht groß.

14. Dezember 2005

In der modernen Positionierungstechnik steht für jedes Einsatzgebiet ein spezialisiertes Werkzeug zur Verfügung. Die Prinzipien sind dabei so unterschiedlich wie die jeweilige Applikation. Für schienengebundene Fahrzeuge sind das:

- Automatische Kleinteilelager mit Gassenlängen bis 40 m und Bauhöhen bis 20 m.

- Hochregallager mit Fahrweglängen bis zu 150 m und 40 m Hubhöhe.

- Schwerlast-Portalkräne mit unterschiedlich langen Fahrwegen und Hubhöhen

- Groß-Portalkräne in Bahn- und Seefracht-Umschlagsplätzen mit mehreren Kilometern Fahrweg und Hubhöhen bis 30 m.

Die Entscheidung, welches Messprinzip zum Einsatz kommt, ergibt sich aus den speziellen Anforderungen. Dies sind zum einen unterschiedlich lange Messdistanzen und Umweltbedingungen, zum anderen Aspekte wie Steuerung, Datenerfassung oder Wirtschaftlichkeit. Im Einzelnen ergeben sich diverse Grundsatzfragen: Wie groß ist das Areal? Liegt die Anlage innen oder ist sie rauem Wetter ausgesetzt? Welche Schnittstellen sind zu bedienen? Reicht eine Sollwertregelung oder ist eine Istwertregelung auf der Basis direkt und absolut erfasster Daten gewünscht? Wie sieht es mit der erforderlichen Regeldynamik aus, und was kosten die verschiedenen Verfahren?

Von der Bewegung zum Signal

Drehgeber wandeln die durch eine Welle übertragenen, mechanischen Bewegungen eines Gerätes in elektrische Signale um. Gemessen werden dabei physikalische Größen wie Winkel, Drehzahl, Beschleunigung, Geschwindigkeit und Weg. Inkrementale Drehgeber mit Strichscheibe liefern pro Messschritt ein elektrisches Signal. Durch Aufsummierung in einem Zähler ergibt sich zum Beispiel die Länge eines zurückgelegten Wegs. Diese Art von Sensoren benötigt jedoch bei jedem Neustart der Maschine eine aufwändige Nullpunktjustierung. Bei Absolut-Drehgebern mit Codescheibe ist dies nur einmalig bei der Inbetriebnahme erforderlich. Danach liefern sie für jeden Messschritt eindeutige Informationen. Drehgeber sind bei der Positionserfassung auf kurzen Strecken meist die wirtschaftlichste Alternative. Sie bieten durch ihr hohes Auflösungsvermögen und ihr direktes Signal die höchste Regelungsdynamik. Versionen mit Seilzug oder Zahnriemen erhöhen die mögliche Messdistanz auf bis zu 40 m.

Lichtlaufzeitmessung

Ein typisches Einsatzgebiet sind Verfahrwege von Lastaufnahmemitteln unter Behälter, Paletten oder Container. Allerdings unterliegen Drehgeber Schlupf und Verschleiß. Diese Erscheinungen treten bei berührungslosen Laser-Entfernungsmesssystemen nicht auf. Ein Beispiel dafür ist die DME-Baureihe von Sick. Solche Geräte messen die Laufzeit zwischen der Aussendung eines Laserlichtstrahls und dem Reflektor. Daraus lässt sich die Position eines Objektes genau bestimmen. Durch die Strahlgeometrie in Verbindung mit der hohen Energiedichte hat sich die Laserlichttechnologie bei der Positionserfassung über größere Abstände durchgesetzt. Die Reichweite beim Modell ›DME5000‹ liegt je nach Version bei 70 oder 150 m. Eine weitere Verwendung optoelektronischer Geräte ist die Distanzmessung an Hochachsen, aufgrund der verbesserten Regeldynamik vor allem bei sehr hohen Fahrzeugen. Bei der Positionserfassung über besonders lange Distanzen im Freibereich stoßen die Systeme jedoch an ihre Grenzen, da Vibrationen und Wettereinflüsse ein zuverlässiges Erfassen des Signals mit zunehmender Entfernung erschweren. Auf langen Strecken besitzt das lineare Längenmesssystem klare Vorteile. Beim ›KH53‹ ermittelt ein Sensorteil berührungslos die absolute Position aus einer entlang der zu messenden Strecke angebrachten Skalierung. Diese besteht aus Aluminiumprofilen mit integrierten Dauermagneten. Deren Abstand zueinander ist fest codiert, magnetoresistive Sensoren ermitteln daraus die Position. Aufgrund der absoluten Positionserkennung ist ein Referenzlauf beim Anlagenstart nicht erforderlich. Die Funktionsweise soll auch bei Schmutz oder Feuchtigkeit sehr zuverlässig sein. Der Betriebstemperaturbereich liegt zwischen -20 und +85°C. Unabhängig von der Messstrecke liegt die Systemauflösung bei 100 µm, die Reproduzierbarkeit bei 300 µm.

Die Prinzipien ergänzen sich

Die Einsatzgebiete der verschiedenen Systeme weisen fließende Grenzen auf, so dass immer der Einzelfall über die optimale Lösung entscheidet. Häufig eignet sich eine Kombination mehrerer Sensorprinzipien, beispielsweise mit optoelektronischen Sensoren für die X- und Z-Achse sowie Drehgebern für die Z-Achse. Ein konkretes Beispiel kommt aus der Welt des Sports: Vier Laser-Entfernungsmessgeräte ›DME3000‹ steuern im Olympia-Fußballstadion von Melbourne das Öffnen und Schließen des Daches. Parallel dazu sorgt ein Linearmesssystem für eine redundante Auslegung der automatischen Positionserfassung.

Burkhard Düllo und Josef Siraky, Sick AG

Erschienen in Ausgabe: Wer macht was?/2006