Tuning fürs Tempo

Sensorik

Motion-Control - Konventionelle Wegsensoren genügen den hohen Ansprüchen in den Spritzgussmaschinen von Arburg nicht. Ein weiter entwickelter induktiver Sensor von Turck garantiert nun eine gleichbleibend hohe Auflösung unabhängig von der Messlänge.

12. Dezember 2012

Als Karl Hehl 1954 die erste Spritzgießmaschine für den Eigengebrauch entwickelte, legte er den Grundstein für das Unternehmen Arburg. Neben hydraulischen Kunststoff-Spritzgießmaschinen bietet das Familienunternehmen heute auch elektrische sowie Hybridvarianten an. Bei Arburg hat man es immer wieder verstanden, die Spritzgießmaschinen an den entscheidenden Punkten praxisnah zu optimieren.

Daraus entstanden ist etwa die Baureihe Allrounder Edrive, die Arburg als Einstiegsmodell in den Bereich der elektrischen Spritzgießmaschinen positioniert. Die Hauptachsen für das Einspritzen, Dosieren sowie zum Öffnen und Schließen des Werkzeugs werden in der Maschine servoelektrisch statt hydraulisch angetrieben, was die Achsenbewegungen nicht nur vollkommen unabhängig voneinander macht, sondern auch präziser als in hydraulischen Maschinen.

In der Edrive nutzt Arburg den Echtzeit-Ethernet-Bus Varan, berichtet Werner Faulhaber, Abteilungsleiter Entwicklung Elektrotechnik bei Arburg, und erklärt: »Unser Kunde wünscht eine robuste und sichere Maschine. Mit der Umstellung auf das Echtzeit-Ethernet-System können wir die Servicefreundlichkeit der Maschine weiter verbessern.«

Auch im Bereich Sensorik hat Faulhaber die Maschinen weiterentwickelt. Die an elektrischen Achsen vorwiegend eingesetzten magnetostriktiven Linearwegsensoren messen zwar berührungslos und verschleißfrei, »doch die Performance magnetostriktiver Sensoren reicht für die dynamischsten Achsen der Arburg-Maschinen nicht aus«, so Faulhaber.

Da das magnetostriktive Messprinzip auf der Messung von Körperschall-Laufzeiten basiert, haben entsprechende Sensoren eine vergleichsweise lange Signallaufzeit. Laufzeitoptimierte magnetostriktive Sensoren erreichen heute bei kurzen Längen auch eine Ausgaberate bis zu 4 Kilohertz, typisch sind jedoch eher 1 Kilohertz.

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Torsionswelle des Wellenleiters liegt bei rund 3.000 m/s, bei 1.000 Millimeter Messlänge benötigt die Welle also mehr als 300 Sekunden. Zu dieser Zeit muss die Latenzzeit der Elektronik hinzugerechnet werden. Die Laufzeit und damit die Ausgaberate sind also abhängig vom Messweg und der Elektronik – je größer der Weg, umso länger ist die Signallaufzeit magnetostrikiver Sensoren.

Manche magnetostriktiven Sensoren versuchen, die lange Signallaufzeit mit einem Vorhersage-Modus zu umgehen. Sie berechnen zukünftige Messwerte voraus, die zwischen realen Messungen liegen, und können so Interface-seitig mit Ausgaberaten von 10 Kilohertz auftrumpfen. Das funktioniert allerdings nur an Achsen mit quasi konstanter Geschwindigkeit. Vor allem die Einspritzachse der Spritzgießmaschine bewegt sich in der Positionsregelung sehr dynamisch. Magnetostriktive Sensoren, auch mit Messwert-Vorhersage, kommen für die Einspritzachse von Arburg-Maschinen daher nicht infrage.

In seinen hydraulischen Spritzgießmaschinen setzt Arburg heute auch potenziometrische Linearwegsensoren ein. Das Messprinzip ermöglicht eine kurze Signallaufzeit und bietet die nötige Auflösung, um auch sehr schnelle Achsbewegungen in Echtzeit zu erfassen. Die potentiometrischen Linearwegsensoren sind in ihrer Dynamik lediglich von der Mechanik und der Auswerteelektronik begrenzt. Wie bei allen analogen Systemen ist die Auflösung aber längenabhängig. Darüber hinaus sind Potenziometer zudem Verschleißteile.

»Ich war daher schon seit langem auf der Suche nach einem System, das berührungslos und verschleißfrei arbeitet, aber mit einer Leistung, die man heute mit einem Potenziometer erreichen kann«, erzählt Faulhaber und fährt fort: »Dafür hab ich kein anderes System gefunden als das induktive LI-System von Turck. Es ist bezüglich Genauigkeit und Auflösung absolut unabhängig von der Messlänge. Zwar gibt es weitere induktive Sensoren am Markt, doch auch deren Auflösung ist längenabhängig. Diese Sensoren eignen sich zudem als rein analoge Systeme aus Kostengründen nicht dafür, sinnvoll auf digitale Schnittstelle umgestellt zu werden.«

Berührungslos läufts besser

Faulhaber setzte daher ein Lastenheft auf, das die Anforderungen an einen Linearwegsensor zum Einsatz an den dynamischen Achsen der Maschinen skizziert. Fünf Punkte standen darin ganz oben: Der Sensor muss eine reale Ausgaberate von mindestens 5Kilohertz erreichen, er muss berührungslos, robust und verschleissfrei arbeiten und soll über den Echzeit-Bus Varan kommunizieren.

Während der Suche stieß Faulhaber auf den induktiven Linearwegsensor LI von Turck. Mit seinem berührungslosen und magnetfreien Resonator-Messprinzip vereint der IP67-Sensor die Leistung und Magnetfeldfestigkeit eines Potenziometers mit der Robustheit und Verschleißfreiheit eines magnetostriktiven Sensors. Prinzipbedingt ist der LI unempfindlich gegen magnetische Fremdfelder.

Allerdings reichte die Ausgaberate von damals 1 Kilohertz nicht aus, um die hochdynamische Einspritzachse der Arburg-Maschine zu erfassen. »Vom physikalischen Messprinzip gibt es dafür keinen Grund«, erkannte Faulhaber. »Der Turck-Sensor hat das Potenzial, den Messwert schneller auszugeben. Im Unterschied zu einem magnetostriktiven Sensor ist er nicht vom Messprinzip her limitiert, sondern nur durch seine Elektronik.« Motion Control erfordert neben präzisen, hochaufgelösten Messwerten eine extrem schnelle Messwertberechnung und entsprechende Ausgaberaten.

Die LI-Sensoren waren ursprünglich nicht für regelungstechnische Aufgaben befähigt worden, doch nach der Anfrage durch Arburg wollte Turck das Potenzial seines Messprinzips nutzen und die LI-Serie fit machen für eine hochdynamische Positionserfassung. In enger Zusammenarbeit zwischen Turck und Arburg entstand im Rahmen eines Pilotprojekts der neue Highspeed-Linearwegsensor, der die hohen Forderungen des Kunden restlos erfüllen konnte.

Die induktiven Linearwegsensoren von Turck liegen mit einer Signallaufzeit von 130µs deutlich unter den von Arburg geforderten 200µs. Die Herausforderung lag also darin, die Auswerteelektronik zu befähigen, eine Ausgaberate von 5 Kilohertz zu erreichen. Hierzu verwendet Turck nun eine neue, leistungsfähigere Generation von Signalprozessoren.

Eine enge Abstimmung des Sensor-Frontends von Turck mit dem Varan-Interface von Arburg ermöglicht eine besonders schlanke Architektur des Gesamtsystems. Linearisierung und Synchronisierung des Signals sowie Geräteprofil- und Schnittstellendefinition wurden vollständig in einem FPGA-Baustein implementiert. »Die Zusammenarbeit mit Turck auf der Arbeitsebene war ausgezeichnet, was so nicht ganz alltäglich ist«, hebt Faulhaber hervor.

Da der neue LI-Sensor jetzt fit für Motion-Control-Einsätze ist, setzt ihn Arburg zunächst an den dynamischen Achsen der elektrischen Maschinen ein. Doch auch an hydraulischen Achsen könnte der Sensor in Zukunft Wege erfassen. Die Konstrukteure profitieren dabei von der absoluten Magnetfeldfestigkeit des Sensors. Magnetostriktive Sensoren, die häufig an hydraulischen Achsen eingesetzt werden, müssen mit Aluminium-Bauteilen befestigt werden.

Zudem müssen sie vor elektromagnetischen Feldern in der Nähe geschützt werden, die das Messergebnis verfälschen. »Die Turck-Linearwegsensoren mit induktivem Messprinzip können ohne Probleme in der Nähe von starken Feldern oder elektromechanisch betätigten Ventilen und Ventilspulen verbaut werden«, sagt Faulhaber. Aber auch die niedrige Bauform mit extrem kurzen Überlängen komme den Konstrukteuren entgegen.

Standard mit SSi-Schnittstelle

Nicht nur technisch hat die Zusammenarbeit funktioniert. »Ein entscheidender Faktor zum Gelingen des Projekts war auch der aktive Einsatz der Turck-Vertriebsspezialisten, die das Projekt in ihrem eigenen Unternehmen massiv gefördert haben«, berichtet Faulhaber. Turck hat frühzeitig erkannt, dass es für Motion-Control-Applikationen im Linearweg-Bereich keine Lösungen auf dem Markt gibt und dieses Projekt mit Nachdruck vorangetrieben. So ist nicht nur die kundenspezifische Lösung für Arburg entstanden, sondern parallel ein Standard-Produkt mit SSI-Schnittstelle zur Serienreife entwickelt worden.

Erschienen in Ausgabe: Industrie Handbuch/2013