Pneumatik Mikrowellen erfassen Kolbenposition bei beliebiger Zylinderlänge

Autor / Redakteur: Josef Kraus / Josef-Martin Kraus

Mit elektromagnetischen Signalen im Mikrowellenbereich können Position und Geschwindigkeit von Kolben in Pneumatikzylindern bestimmt werden. Basis dafür ist ein bekanntes Verfahrensprinzip, das Ausgang für die Entwicklung eines Sensors durch Festo war. Dieser arbeitet unabhängig von der Hublänge des Zylinders und bietet Vorteile bei der Auslegung, Montage und Überwachung pneumatischer Linearantriebe.

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Bei pneumatischen Linearantrieben erfolgt die Rückmeldung der Kolbenposition in der Regel über Näherungsschalter, die am Zylinderrohr montiert oder extern installiert sind. Daraus resultiert einerseits ein Mehraufwand bei Montage und Installation. Andererseits erfordern Wegmessungen eine Einschränkung der Zylinderlänge. Grund dafür ist, dass Wegmesssysteme nur in diskreten Längen verfügbar sind. Diesen Nachteilen will nun der Antriebs- und Esslinger Automatisierungsspezialist Festo mit einem Mikrowellensensor ein Ende setzen (Bild 1).

Er wird stirnseitig in einen pneumatischen Linearantrieb integriert, Kolbenposition und Geschwindigkeit werden über den gesamten Zylinderhub hinweg gemessen. Damit ermöglicht der Mikrowellensensor eine längenunabhängige Wegmessung zur linearen Positionserfassung. Das ist laut Festo weltweit einmalig.

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Aufgrund der kontinuierlichen Positions- und Geschwindigkeitsermittlung werden Vorteile bei der Überwachung der Kolbenbewegung gesehen, die zu Verbesserungen bei der Fehlerdiagnose und vorbeugenden Wartung führen. Dazu trage auch der Wegfall der mechanischen Justage bei – mit dem Nebeneffekt, dass der Mikrowellensensor von außen nicht zugänglich sein müsse.

Jeweilige Hublänge gibt Messbereich vor

Die Wegmessung geschieht mit Mikrowellen im Frequenzbereich von 1 bis 24 GHz. Somit nutzt Festo eine Messtechnik, die vom Verfahrensprinzip her auch in der Telekommunikation und der Automobilindustrie zur Anwendung kommt (Bild 2): Von einer einfachen Antenne wird ein elektromagnetisches Signal in das Zylinderrohr gestrahlt, am Kolben reflektiert und von der gleichen Antenne wieder aufgenommen.

Danach wird es mit einem eingekoppelten Signal verglichen. Daraus ergibt sich die Weglänge des ausfahrenden Kolbens. Der Messbereich ist dabei unbegrenzt. Er ergibt sich automatisch aufgrund der Hublänge des Zylinders. In ersten Projekten wurde diese Messtechnik bei Zylindern mit bis zu 1500 mm Hublänge angewandt.

Bezogen auf die Wegmessung können damit Messwertaufnehmer wie Potentiometer und magnetostriktive Sensoren ersetzt werden. Außerdem ermöglicht die Mikrowellenmessung, weitere Aufgaben zu übernehmen, weil das empfangene Signal zusätzliche Informationen enthält. So lässt sich bei Handlinggeräten über die Lage des Kolbens die Position des zu handhabenden Produkts überwachen. Auch ist aufgrund der unbegrenzten Hublänge die Bestimmung von Bauteildimensionen mit Pneumatikzylindern möglich. Teure Spezialsensoren würden überflüssig, zum Beispiel in der Automobilindustrie, würden nach Festo-Angaben überflüssig.

Widerstandsfähig gegen äußere Einflüsse

Im Karosserie-Rohbau entehen beim Schweißen starke elektromagnetische Felder, die herkömmliche Sensoren außer Gefecht setzen. Deshalb sind bei pneumatischen Spann- und Schweißzangen in der Regel Spezialsensoren und aufwändige Schutzmaßnahmen gegen Schweißspritzer und mechanische Zerstörung vorhanden. In diesem Bereich, der als eine Hauptanwendung angesehen wird, hat der Mikrowellensensor laut Festo erhebliche Vorteile: Er ist immun gegen Magnetfelder, robust gegen Aufbacken von Schweißspritzern, reduziert Konstruktions- und Installationszeiten. Beliebige Zylinderlängen sind möglich.

Als weiterer großer Anwendungsbereich wurde die Lebensmittel- und Verpackungsindustrie ins Visier genommen. Für diesen Anwendungsmarkt hat man korrosionsfreie und reinigungsfreundliche Antriebszylinder im Programm. Bei außen am Zylinder angebrachten Schaltern bestünde ein hygienisches Risiko, weil zusätzliche Ecken und Kanten als Schmutzfänger wirkten und sich schwer reinigen ließen, heißt es. In Edelstahlzylindern integriert, ist dagegen der Mikrowellensensor laut Festo bestens geschützt (Bild 3): gegen aggressive Medien wie Fruchtsäuren, aber auch gegen Reinigungsmittel, die mit Druck auf die Komponenten gesprüht werden.

Außerdem ist mit dem Mikrowellensensor eine Kostenreduzierung möglich. So wurden im Vergleich zu konventionellen Wegmesssystemen als Einsparpotenziale eine zeitlich kürzere Inbetriebnahme, die Einsparung von Installationsmaterial und mehr konstruktive Freiheitsgrade ausgemacht. Sie führen laut Festo zu einer drastischen Kostenverringerung in der Anwendung. Darüber hinaus sieht man in der Positionserfassung entlang des gesamten Hubs eine Verkürzung der Zykluszeiten: Die Wartezeiten bis zum Erreichen der Kollisionsfreiheit würden deutlich verkürzt.

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Weitere Informationen: Armin Seitz, Leiter Business Unit Sensors bei der Festo AG & Co. KG in 73726 Esslingen, Tel. (0711) 347-0, Fax (0711) 347-542184, sa@de.festo.com

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