Absolute magnetische Messtechnik als hochdynamisches Feedback für Linearantriebe

Der direkte Weg zum Erfolg

SIKO GmbH: Gute Nachricht für alle Anwender, die die zahlreichen Vorzüge von Linearmotoren nutzen möchten, ohne bei jedem Einschalten der Motoren referenzieren zu müssen: Mit dem Magnetsensor MSA111C von SIKO ist diese Prozedur in Zukunft überflüssig. Das absolute Messsystem baut dabei nicht nur besonders kompakt, sondern liefert der Motorregelung auch in rauen Umgebungen ein Positionsfeedback mit einer für die Größe des Systems erstaunlichen Präzision.

Auch unter besonders schwierigen Umgebungsbedingungen ist eine hochgenaue Messwert- und Positionserfassung mit den Sensoren LE100/1 und MSA111C zuverlässig umsetzbar

Der Markt für Direktantriebe expandiert merklich. Für diese Technologie sprechen so wichtige Vorteile wie ein äußerst geringer Verschleiß sowie Geschwindigkeits- und Beschleunigungswerte, bei denen die Performance „klassischer Antriebe“ nicht mehr mithalten kann. Konstruktionsbedingt entfallen bei den Direktantrieben – sowohl bei den Torque- wie auch den Linearmotoren – sämtliche mechanischen und damit verschleiß- und spielbehafteten Übertragungselemente. Dieser Umstand ermöglicht sowohl eine hohe Systemsteifigkeit wie auch die gewünschte Dynamik und damit Produktivitätssteigerung in Applikationen wie Werkzeugmaschinen, Bestückungsautomaten oder Verpackungsmaschinen.

Voraussetzung für die angestrebten Höchstleistungen ist ein fein aufeinander und auf die Erfordernisse der Applikation abgestimmtes Gesamtsystem aus Direktantrieb mit Magnetleiste, Mechanik der Vorschubachse, Servoregler und Positionsmesssystem. SIKO aus Buchenbach im Schwarzwald ist mit seinen magnetischen Messsystemen bereits erfolgreich in vielen Anwendungen mit Direktantrieben vertreten. Mit praktisch allen namhaften Linearmotoranbietern sind Applikationen realisiert. Aktuell bieten die Schwarzwälder mit dem absoluten Magnetsensorsystem MSA111C/MBA111 eine Lösung an, die sowohl durch eine hohe Auflösung wie durch ihre Kompaktheit für den Einsatz in Linearmotoren prädestiniert ist.

Direktantriebe verlangen Positionssignale mit hoher Güte

Direktantriebe stellen besonders hohe Ansprüche an die Güte der Positionssignale. „Die direkte und damit spielfreie Kopplung zwischen Last bzw. Maschine und Antrieb ermöglicht sehr hohe Verstärkungsfaktoren im Lagerregelkreis der Motoren“, präzisiert Dipl.-Ing. (BA) Andreas Wiessler, der Leiter der Produktlinie MagLine bei der SIKO GmbH. „Bei diesen hohen Verstärkungswerten wirken sich Messfehler bei der Positionsermittlung besonders stark aus und verschlechtern damit das Regelverhalten der Antriebe und somit die zu erzielende Genauigkeit und Dynamik.“ Die Vielzahl der bereits seit Jahren zuverlässig funktionierenden Linear- und Torquemotorapplikationen mit Sensoren von SIKO MagLine sind Beleg für deren gute Performance. „Die Linearmotoren erhöhen die Leistungsfähigkeit, ohne dass Abstriche bei der Positioniergenauigkeit gemacht werden müssen“, meint Andreas Wiessler. An der damit möglichen Dynamik bei einer Positioniergenauigkeit von bis zu 200nm sind auch die magnetischen Encoder beteiligt, die der Motorsteuerung ein temperaturstabiles und hochwertiges Sin-Cos-Ausgangssignal mit der Standardamplitude 1 Vss als Feedback zur Verfügung stellen.

In der Anfangszeit der Direktantriebstechnik waren es vornehmlich optische Messsysteme, die der Steuerung ein Positionsfeedback lieferten. Dieses präzise, aber entsprechend auch teure Messprinzip ist heute noch in Direktantrieben gefragt, wenn es beispielsweise um die hochgenaue Bearbeitung von Werkstücken im Werkzeugmaschinenbau geht. Im Handlingbereich dagegen stößt es recht schnell an seine Grenzen, nämlich sobald Verschmutzungen aller Art wie Staub, Späne, Öle und Fette ins Spiel kommen und diese der Optik die „Sicht versperren“. „Optische Leseköpfe bauen nicht nur größer als magnetische“, meint dazu Andreas Wiessler, „die rauen Bedingungen machen es zudem notwenig, die Optik mechanisch zu schützen und vielleicht sogar eine doppelte Abtastung vorzusehen. Dies alles bedeutet mehr Masse, was letztendlich zu Lasten der erzielbaren Dynamik geht.“

Magnetische Messtechnik ist unempfindlich gegen Verschmutzungen

Ein magnetisches Messsystem dagegen lässt sich von Schmutz und Feuchtigkeit nicht aus der Ruhe bringen, ebenso wenig wie durch starke Stöße oder Vibrationen. Das liegt am verschleißfreien Messprinzip, bei dem ein Sensor berührungslos den Magnetmaßstab abtastet und aus den detektierten Magnetfeldern die Weginformation errechnet. „Dazu lässt sich der kompakte Magnetsensor auch bei beengten Platzverhältnissen flexibel integrieren, wie die vielen bereits umgesetzten Projekte belegen.

Bei dem inkrementalen Encoder LE100/1 beträgt der Abstand zwischen zwei Polen auf dem Magnetband 1 mm. Das Messsystem bietet eine Genauigkeitsklasse von 10 µm mit einer Periodenlänge von 1000 µm und einem maximalen Abstand zwischen Sensor und Band von 0,4 mm. Im Jahre 2009 hat SIKO diesen Encoder nochmals überarbeitet und ihn in ein robustes und schützendes Metallgehäuse integriert. Weitere Verbesserungen gab es an der Elektronik in punkto Temperaturkompensation, Offset-Abgleich und Signalkorrektur zur Verbesserung der Signalgüte. Ein weiteres Messsystem der Schwarzwälder für den Einsatz in Direktantrieben hört auf den Namen MSK1100 (ebenfalls mit dem Magnetband MB100). Die beim LE100/1 genannten Systemdaten treffen auch auf diesen Sensor zu, und beide Geräte besitzen eine Status-LED-Anzeige. Zusätzlich verfügt der MSK1100 über zwei im Metallgehäuse integrierte Endlagenschalter, was dem Anwender klare Vorteile in Bezug auf Kostenersparnis, reduzierten Aufwand bei der Montage und zuverlässigen Betrieb bietet. Da beide Typen – LE100/1 wie auch MSK1100 – inkrementell arbeiten, muss nach jedem Einschalten des Antriebs die Motorkommutierung gesucht und eine Referenzfahrt durchgeführt werden.

Absolute Positionswerte machen lästiges Referenzieren überflüssig

Und genau hier lag für viele Anwender, insbesondere auch aus dem Handlingbereich, der Knackpunkt: Der zusätzliche Aufwand für die Referenzierung sollte zukünftig unterbleiben. Ab sofort gelingt das mit dem absolut messenden Magnetsensor MSA111C, zusammen mit dem Magnetband MBA111. Andreas Wiessler bringt die Alleinstellungsmerkmale des neuen Produktes auf den Punkt: „Wir sind momentan der einzige Hersteller, der diese Kombination aus absolutem Messprinzip, hoher Kompaktheit und dabei noch recht beachtlicher Auflösung von 1 µm bei einer Genauigkeitsklasse von 10 µm anbieten kann.“ Dafür hat das Unternehmen auch sehr viel Entwicklungsarbeit investiert. „Es ist uns gelungen, die Breite des Absolutmaßstabes von 20 auf nur noch 10 mm zu reduzieren, das neue Magnetband mit seinen beiden Kodierungen für den Absolut- und den Inkrementalwert ist also nicht genauso schmal wie der bisherige einspurige Inkrementalmaßstab“, meldet der Ingenieur nicht ohne Stolz.

Der MSA111C-Sensor erfasst die absolute Weginformation des magnetischen Maßstabs, und die Auswerteelektronik setzt diese in SSI- oder alternativ RS485-Signale zur Weiterverarbeitung um. Parallel dazu werden die analogen 1Vss-Sin/Cos-Signale der Inkrementalabtastung des Sensors für eine Echtzeitauswertung ausgegeben. Beim Hochfahren der Anwendung stellt das Messsystem den absoluten Positionswert in Echtzeit zur Verfügung (bei Verfahrgeschwindigkeiten bis 1,5 m/s) und macht so die Referenzfahrt überflüssig. Das stellt sowohl bei langen Verfahrwegen als auch bei besonders schweren Lasten eine wesentliche Erleichterung dar. Befinden sich die Antriebe dann im normalen Betriebszustand, ist für die Motorregelung nur noch das inkrementelle Messsignal von Bedeutung.

Magnettechnik führend bei Kosten und Robustheit

SIKO hat bereits mehrere Pilotanwendungen des neuen Absolutsystems am Laufen, in den Bereichen Holzbearbeitung, Verpackung und Handling. „Hier käme ein optisches Messsystem schnell an seine Grenzen“, meint Andreas Wiessler, „und außerdem wäre es schlicht zu teuer: Unsere Neuentwicklung ist nicht nur wesentlich robuster, sondern auch noch um fast 50 Prozent günstiger als vergleichbare optische Systeme.“ Schließlich machen nicht nur die zahlreichen Vorteile der Direktantriebe diese Technologie immer attraktiver für den Markt, sondern auch ein möglichst wirtschaftlicher Preis. Andreas Wiessler jedenfalls blickt zuversichtlich nach vorne: „Ich gehe davon aus, dass sich in den nächsten Jahren der Markt für Direktantriebe deutlich erweitern wird, unter anderem auch wegen der sinkenden Kosten für die Technik. Wir bei SIKO rechnen deshalb auch mit einem besonders großen Wachstumspotenzial für das MSA111C-System.“