Späne und Schmierstoffe stören nicht: Magnetische Messsysteme können heute aufgrund verbesserter Verfahren auch bei CNC-gesteuerten Werkzeugmaschinen eingesetzt werden.

Späne und Schmierstoffe stören nicht: Magnetische Messsysteme können heute aufgrund verbesserter Verfahren auch bei CNC-gesteuerten Werkzeugmaschinen eingesetzt werden. Siko

Die Längenmessung gehört zu den Standardaufgaben industrieller Produktion – genaue Messwerte bilden dabei die größte Herausforderung im Maschinenbau. Während es in der Lagerlogistik vorkommen kann, dass Messstrecken von bis zu 100 m bei Temperaturen unter 0 °C erfasst werden müssen, erschweren in der Holzverarbeitung Verschmutzungen den Messvorgang: Hier müssen Sensoren trotz hoher Staubbelastung funktionieren. Bei Nassbearbeitungen in CNC-gesteuerten Fräsmaschinen sind die Sensoren dauerhaft Kühlschmierstoffen ausgesetzt. Aufgrund solch unterschiedlicher Anforderungen hat sich in der Längenmesstechnik in den vergangenen Jahren ein breites Produktspektrum entwickelt. Optische und magnetische Messsysteme besitzen je nach Anwendung verschiedene Vor- und Nachteile.

Je genauer die Messung sein muss, desto interessanter werden optische Messverfahren. Hinsichtlich der Einsatzumgebung lässt sich dagegen folgende Grundregel aufstellen: Je stärker die Umgebung durch Stäube und Flüssigkeiten verschmutzt ist, desto mehr Vorzüge haben magnetische Lösungen. Uwe Frey aus dem technischen Vertrieb Magline des im Schwarzwald ansässigen Messtechnikherstellers Siko, weiß aus Erfahrung, dass eine exakte Positionsmessung das Schlüsselkriterium bei der Suche nach passenden Sensoren ist: „In erster Linie sind die Anforderungen an die Genauigkeit entscheidend.

Lautet die Vorgabe des Kunden, einen Bereich mit einer Toleranz von ± 5 µm zu vermessen, ergibt sich daraus zwingend, ein optisches System einzusetzen. Denn mit einem magnetischen Messsystem lässt sich nur ein Genauigkeitsbereich von etwa ± 10 µm abbilden“. Doch im Bereich der magnetischen Systeme hat sich viel verändert. „Noch vor wenigen Jahren waren Werte unter 25 µm für magnetische Systeme unerreichbar. Damit mussten präzise Anwendungen zwangsläufig mittels optischer Messverfahren realisiert werden“, erläutert Frey. Die Systemgenauigkeit magnetischer Messverfahren ist heute höher: Moderne Produktionsverfahren ermöglichen eine geringere Polteilung der Messstreifen.

Optische Messsysteme: Präzise und unempfindlich gegenüber Magnetfeldern

Grundaufbau eines optischen Messbands.

Grundaufbau eines optischen Messbands. Siko

Die optischen Systeme des Unternehmens werten die erhaltenen Informationen mittels laserbasierter Technik auf einem optischen Maßband aus. Sie geben die Messschritte als digitale Zählimpulse (A, B, R) an die nachgelagerte Elektronik weiter. Die Entwickler nutzten bei dem Messprinzip den Talbot-Effekt, wodurch sie einen vergleichsweise großen Abstand zwischen Sensor und optischem Maßstab erreichten: Er beträgt 1,3 mm bis zum Band. Sehr klein kann dagegen der Sensorkopf mit einer Größe von 34,3 x 14,3 mm ausgeführt werden. Das Verfahren eignet sich daher besonders für Applikationen, bei denen das Baumaß eine kritische Größe darstellt.

Ein weiterer Vorteil der optischen Systeme liegt darin, dass sie gegenüber magnetischen Störeinflüssen unempfindlich sind. Bei Linearmotoren kann beispielsweise eine elektromagnetische Strahlung auftreten, die einen Magnetsensor negativ beeinflusst oder sogar beschädigt. Bei Siko sind Linearmotoren eines der Hauptanwendungsgebiete für magnetische Sensoren – besonders wenn die Motoren unter rauen Umgebungsbedingungen eingesetzt werden. Der magnetische Einfluss der Linearmotoren ist aber nur dann bedeutsam, wenn Sensorkopf und Magnetband zu nah am Motor angebracht sind. Kritisch wird es in der Regel unterhalb 50 mm. Hält der Anwender einen definierten Sicherheitsabstand (abhängig von der Stärke der Magnetfelder) zwischen Motor und Sensor ein oder schirmt diesen ab, werden Störeinflüsse vermieden. Je weiter der Motor vom Sensor entfernt ist, desto weniger Einfluss nimmt er auf die Sensorik. Dies erfordert Platz: Der Vorteil optischer Sensoren kommt folglich dann zum Tragen, wenn enge Platzverhältnisse vorliegen oder hohe magnetische Störeinflüsse vorhanden sind.

Magnetische Messsysteme: wirtschaftlich und unkompliziert in der Handhabung

Schematische Darstellung zur Funktion eines magnetischen Messsystems.

Schematische Darstellung zur Funktion eines magnetischen Messsystems. Siko

Bei magnetischen Messsystemen verfährt der Sensor berührungslos über ein flexibles Magnetband, das sich auf einer 0,3 mm starken Stahlträgerschicht befindet. Die Magnetisierung erfolgt über definierte Polteilungen. Durch das Abtasten der Magnetpole entsteht ein Signal, das, in digitale Rechtecksignale umgewandelt, von der nachgelagerten Elektronik verarbeitet wird. Die Sensorik erkennt die Teilung des Bandes und wandelt die Information in eine Weginformation mit einer Auflösung von 0,2 µm um (abhängig von der Sensorik). Zum Auslesen der magnetischen Feldlinien ist kein direkter Kontakt erforderlich. Der Magnetsensor MSK5000 ermöglicht beispielsweise einen Abstand zur Messfläche von bis zu 2 mm. Anwender können das Band als Rollenware auf Lager legen und selbst konfektionieren. Inkrementale Codierungen ergeben robuste Allroundlösungen.

Inkrementelle Magnetsensoren MSK1000 und MSK5000, absoluter Magnetsensor MSA111C sowie inkrementeller, optischer Sensor LSC20.

Inkrementelle Magnetsensoren MSK1000 und MSK5000, absoluter Magnetsensor MSA111C sowie inkrementeller, optischer Sensor LSC20. Siko

Kostenintensiver sind dagegen Systeme mit absoluter Messinformation, dafür steigern sie die Genauigkeit der Messung: Dies wird über Absolut-Codierungen der Magnetbänder erreicht. Ausgestattet mit den passenden Absolut-Sensoren ist eine Positionserfassung auch im stromlosen Zustand möglich. Nach Stromunterbrechungen wird auch bei zwischenzeitlich veränderter Sensorposition der tatsächliche Positionswert erfasst und umgesetzt. Je nach Ausführung der Maschine kann dies für die Sicherheit relevant sein. Während die optischen Systeme bis zu 30 m lang sind, gibt es magnetische Systeme bis 100 m. In der Regel kommt es bei solchen Anwendungen – etwa im Bereich der Lagerlogistik – nicht auf extreme Genauigkeit an.

Viel wichtiger ist in der Lagerlogistik, dass die Messsysteme mechanisch belastbar und unempfindlich gegenüber Umgebungseinflüssen sind. Je größer der Messbereich ist, desto mehr können magnetische Lösungen ihre Stärke ausspielen, da sie in der Regel kostengünstiger sind. Der Temperaturbereich beträgt bei magnetischen Sensoren -10 bis 70 °C. Für Spezialanwendungen, beispielsweise im Bereich der mobilen Automation, sind jedoch bereits Systeme im Einsatz, die Temperaturen von -40 bis 85°C abdecken. Magnetische Systeme sind zudem unempfindlich gegenüber Schocks und Vibrationen.

Besonderheiten rotativer Systeme

Die Wegmessung kreisförmiger Bewegungen stellt besondere Anforderungen an Messsysteme dar, obwohl Drehen und Schwenken zu den Standardanwendungen im Maschinenbau gehören. Siko bietet magnetisch codierte Messbänder als flexible Magnetringe ohne Flansch oder mit verklebtem Flansch an. Beim Aufkleben des Flansches auf den Ring würden Stoßstellen entstehen, die ungenaue Messwerte hervorrufen. Um diese zu vermeiden, fertigt das Unternehmen die Magnetringe selbst: Das Magnetband wird erst auf den Flansch aufgebracht und anschließend codiert. Die Systemgenauigkeit beträgt hier ± 0,05°. Neben Standardgrößen mit verschiedenem Durchmesser sind kundenspezifische Anpassungen möglich. Anwender können die Bänder ab einem Flanschdurchmesser von 30 mm selbst aufbringen, um Winkelmessungen unter 360° zu erzielen. Die fertig verarbeiteten Messringe für magnetische Sensoren erreichen Messungen über 360°.

Bei optischen Sensoren werden keine Messringe, sondern Messbänder auf den Flansch aufgeklebt, sodass Winkelfunktionen unter 360° ab einem Durchmesser von 300 mm gemessen werden können. Die Handhabung der Rollenware ist bei den optischen Bändern anspruchsvoller und muss durch geschultes Personal erfolgen. Mit optischer Sensorik können zwar Schwenkachsen gemessen werden, jedoch keine fortlaufenden Drehbewegungen. Mit diesem Verfahren lassen sich beispielsweise die Schneidewinkel einer Gehrungssäge problemlos erfassen. Die Umdrehungen eines Elektromotors können dagegen derzeit nur über magnetische Systeme ausgewertet werden.

Technik im Detail

Die Produktsparte ‚Magline Micro‘ für magnetische Längen- und Winkelmessung ist das beste Pferd im Stall von Siko. Sensoren der Linie verfügen über die höchsten System- und Wiederholgenauigkeiten. Der digitale Magnetsensor MSK1000 beispielsweise kann Auflösungen von bis zu 0,2 µm realisieren und verfügt über eine Wiederholgenauigkeit von ±1 µm. Stärken der optischen Systeme ‚Optoline‘ liegen in ihrer Genauigkeit: Der Sensor LSC20 erzielt Messwerte mit einem Toleranzbereich von ± 5 µm. Gegenüber einem magnetischen System mit einer Genauigkeit von ± 10 µm bedeutet das eine Steigerung der Genauigkeit um den Faktor 2. Mit einer Auflösung von 0,05 µm punktet das optische System ebenfalls: Magnetische Systeme leisten hier derzeit nur 0,2 µm.

Fazit optische und magnetische Messsysteme

Durch moderne Produktionsverfahren lassen sich im magnetischen Bereich mittlerweile Messbänder herstellen, die frühere Schwächen dieses Verfahrens weitgehend überwunden haben. Messgenauigkeiten bis ±10 µm ermöglichen es nun, die Sensorik auch im Bereich CNC-gesteuerter Werkzeugmaschinen einzusetzen. Die geringe Anfälligkeit gegenüber Verschmutzungen durch Späne und Schmierstoffe hat Vorteile gegenüber Glasmaßstäben. Anders als letztere sind die magnetischen Messstreifen als Rollenware verfügbar und können flexibel eingesetzt werden. Als Kompromiss zwischen den traditionellen Glasmaßstäben und der magnetischen Sensorik haben sich konfektionierbare optische Messsysteme etabliert. Sie können ebenfalls auf Lager gelegt und dem Messgegenstand angepasst werden. Genauer als Magnetsysteme, erfordern sie jedoch bestimmte Umgebungsbedingungen: Verschmutzungen oder Kondensationsfeuchtigkeit können die Messergebnisse verfälschen. Eine Stärke der optischen Systeme liegt darin, dass sie unempfindlich gegenüber Magnetfeldern sind. Sie eignen sich daher besonders für Anwendungen im Bereich der Lineartechnik.