Sensorik für den festen Griff

Positionssensorik - Magnetoinduktive Sensoren ­ermöglichen eine kontinuierliche und kontaktlose ­Positionserfassung bei Greifern und eröffnen so neue Einsatzfelder für pneumatisch angetriebene Aktoren.

14. Dezember 2006

Der Einsatz von Industrierobotern ist heute ­nahezu Standard in Produktion und Fertigung. Allerdings sind die derzeitigen Systeme zumeist teure Speziallösungen, die sich nur unter hohem Aufwand an die unterschiedlichen Anforderungen anpassen lassen. Noch ist also der Weg weit bis zum »Multifunktionswerkzeug«, das so vielseitig ist, dass mit ihm wahlweise Werkstoffe bearbeitet, Montage­arbeiten aus­geführt oder auch Maschinen bestückt werden können, schließlich erfordert dies eine weitgehende Modularisierung, einheitliche Schnittstellen und eine vereinfachte Programmierung. Interessante Entwicklungen zeigen jedoch die pneumatisch angetriebenen Greifer, die mit ihren Grundfunktionen des Erfassens und Haltens eine Schlüsselrolle in der Automationstechnik einnehmen: Eine erhebliche Erweiterung ihres Anwendungsspektrum bewirkten hier vor allem Innovationen bei der Sensorik für die Positionsbestimmung, die die Öffnungs- und Schließbewegung der Greifer überwacht. Entscheidende Schritte waren dabei die Einführung neuer berührungsloser und damit verschleißfreier Messprinzipien, die Entwicklung von Sensoren mit Analogausgang sowie die stetige Miniaturisierung der Sensoren.

Zwischenstellungen ­variabel erfassen

»Am besten lässt sich dies bei den magnetoinduktiven Sensoren unserer Baureihe BIL aufzeigen«, sagt Jürgen Greger, Project Manager Business Development des Sensorspezialisten Balluff aus dem baden-württembergischen Neuhausen. Mit einem Gehäusequerschnitt von 15 x 15 Millimetern und einer Länge von 95 bzw. 230 Millimetern sind sie die ersten Linearsensoren, die an Bauräumen mit sehr wenig Platz, wie etwa Robotergreifarmen, eingesetzt werden können. Der wesentliche Vorteil der Sensoren liegt jedoch nicht allein in ihren geringen Maßen, erklärt Greger: »Die Sensoren ermöglichen es erstmals, variable Positionen oder Zwischenstellungen innerhalb eines Messbereichs von 60 oder 160 Millimetern berührungslos zu erfassen und eröffnen damit völlig neue Anwendungsfelder für pneumatisch betriebene Aktoren.«

Die Sensoren liefern dazu ein absolutes und wegproportionales analoges Ausgangssignal bei einem geringen Linearitätsfehler und mit hoher Wiederholgenauigkeit, über das sich die Öffnungsweite stufenlos steuern lässt. Bei eventuellen Anpassungen der Schaltpunkte an neue Materialien oder Positionen entfallen damit die mechanischen Umrüstzeiten. Statt dessen genügt es, in der Software die Schaltpunkte zu ändern. Ebenso einfach realisieren lässt sich ein ständiger Wechsel der Greiferstellung im fortlaufenden Prozess. Damit ermöglichen die Greifer mit magnetoinduktiven Sensoren beispielsweise Sortieraufgaben oder die sichere Erkennung von Lage und Art unterschiedlicher Teile auf einem Band ohne den Einsatz zusätzlicher Sensoren. Zudem lässt sich über das Feedback des analogen Ausgangssignals die Öffnungsweite des Greifers abrufen, um beispielsweise die Anwesenheit von Objekten zu kon­trollieren, falsch liegende Teile zu erkennen oder unterschiedlich große Klemmen zu detektieren.

Kompakt durch integrierte Auswerteelektronik

Erreicht werden die hohe Integration und die geringe Baugröße durch ein besonderes Konstruktionsprinzip: So enthalten die einteiligen magnetoinduktiven Sensoren neben dem Sensorelement eine integrierte Auswerteelektronik. Als Besonderheit dient dabei als Planarspule keine Drahtspule, sondern eine auf eine dielektrische Trägerplatine gedruckte Spule, die von einer Wechselspannung gespeist wird. Ebenso besteht auch der Kern aus einer dünnen, flexiblen, weichmagnetischen Folie, die beid- oder einseitig auf der Planarspule aufgeklebt ist. Den Weg in viele Anwendungen finden wird wohl der derzeit kleinste Sensor dieses Typs, der »Micro-BIL« mit einer Sensor­elementfläche von nur 29 x 6,2 Millimetern und einer möglichen Wegmessstrecke bis zu 10 Millimeter. Der Sensor passt exakt in die weit verbreitete TNut von Pneumatikzylindern und kann deshalb auch dort eingesetzt werden, wo sich aus Platzgründen bislang nur zwei Schaltpunkte mit Magnetfeldschaltern detektieren ließen.

Einfaches Handling, universell verwendbar

Nach wie vor am häufigsten im Einsatz an pneumatischen Aktoren sind jedoch binär schaltende Sensoren, schließlich genügt es bei Standardapplikationen meist völlig, die Endlagen präzise zu erfassen. Auch hier haben sich mittlerweile berührungslos und damit verschleißfrei arbeitende Sensoren durchgesetzt, die dem Anwender viele Wartungsintervalle und teuere Stillstandszeiten ersparen. Möglich wurde diese Entwicklung durch die deutlich gesunkenen Anschaffungskosten dieser Sensoren, die in der Regel nur noch wenige Prozent vom Listenpreis des serienmäßigen Grundgreifers betragen.

Ein erster wichtiger Schritt in diese Richtung war die berührungslose Endlagenabfrage mittels induktiver Näherungsschalter. Sie detektieren direkt die Greiferfinger-Positionen über ein Fähnchen oder ein anderes Target und sind auch heute noch das Mittel der Wahl bei Greifern ohne Dauermagneten auf der Kolbenstange.

Erheblich mehr Komfort bieten die magnetfeldempfindlichen, elektronischen Sensoren der Baureihe BMF. Sie erkennen durch die nichtmagnetische Zylinderwandung die auf der Kolbenstange befestigten Dauermagnete und wechseln ihr Ausgangssignal, sobald sich der Kolben dem Sensor nähert. Gegenüber herkömmlichen, kontaktbehafteten Reed- oder mechanischen Schaltern bieten sie ein zuverlässiges und prellfreies Schaltverhalten sowie erhebliche Funktionsreserven gegenüber Fehl- und Doppelschaltpunkten.

Auch bei den magnetfeldempfindlichen Sensoren geht ein Trend hin zu immer kompakteren Bauformen. Die Minis ermöglichen damit hochdynamische Anwendungskonzepte in der Pneumatik, etwa an Robotergreifarmen, die sich nur mit Miniatur-Bauteilen von geringem Gewicht und wenig Raumanspruch optimal realisieren lassen.

Detlef Zienert

Erschienen in Ausgabe: Wer macht was?/2007