Sensoren zur Positionserfassung

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1 Sensoren zur Positionserfassung 2 Die Möglichkeiten, um eine Position zu detektieren, werden hauptsächlich an Beispielen erläutert. Die Palette erstreckt sich über elektromechanische, pneumatische, induktive, kapazitive, magnetinduktive, akustische und optoelektronische Sensoranwendungen. Es werden jeweils praktische Anwendungsfälle für die Funktionsbeschreibung ausgewählt. Auf einige Fehlerquellen wie z. B. Parallaxenfehler wird aufmerksam gemacht. Die Füllund Grenzstandsmessung kennt viele technische Ausführungen und sensorische Lösungen. Die wichtigsten Verfahren werden besprochen und an Beispielen visualisiert. Die physikalischen Effekte reichen von kapazitiven Schaltsonden bis zum Einsatz radiometrischer Sensoren. Anspruchsvoll sind Sensoren für das Führen von Schweißrobotern. Es folgt ein Abschnitt zur sensorischen Ausstattung von autonomen mobilen Robotern. Dazu gehört auch die Selbstlokalisation mit Hilfe der Odometrie und Kompasssensoren. In der Robotik werden die Greifer immer häufiger sensorisiert. Einige Beispiele zeigen die Möglichkeiten auf, was man machen kann. 2.1 Elektromechanische und elektrische Positionserfassung In der Fertigung müssen maschinelle Werkzeug- und Werkstückbewegungen laufend kontrolliert werden. Dazu ist die Position von Maschinenteilen und Objekten der verschiedensten Art zu erfassen und als Signal bereitzustellen. Oft genügt auch schon eine Kontrolle der Anwesenheit. Taktile Sensoren werden zur Ermittlung von Positionen, Formen, Temperaturen, Kräften, Momenten und Drücken eingesetzt. Zu den taktilen Sensoren gehören auch die mechanischen Positionsschalter (Grenztaster, Endschalter, Mikroschalter, Präzisionsschaltwerke), die an vielen Fertigungseinrichtungen für die Rückmeldung ausgeführter Bewegungen sorgen. Weil sie nur die Aussagen EIN oder AUS liefern, werden sie auch als Binärsensoren bezeichnet. Sie arbeiten zwar recht genau und automatisch, verschleißen jedoch und die Kontakte prellen. Sie können deshalb nicht so rasch schalten, wie berüh- Springer Fachmedien Wiesbaden 2014 S. Hesse und G. Schnell, Sensoren für die Prozess- und Fabrikautomation, DOI / _2 25

2 26 2 Sensoren zur Positionserfassung Abb. 2.1 Elektromechanische Grenztaster. a Taster, b Sprungschalter, 1 Schaltnocken, 2 Maschinenteil, 3 Kontaktzunge, 4 Kontakt, 5 bewegliches Schaltstück, 6 Stößel, 7 Zugfeder, 8 Druckfeder, 9 Tastrolle rungslos arbeitende Näherungsschalter. Das Prinzip tastender Schalter wird in Abb. 2.1 gezeigt. Grenztaster enthalten oft zur Erhöhung der Funktionssicherheit zwei Kontakte (Doppelkontakt) je Schaltstelle. Die Bewegung des Tastorgans wird auf Kontakte übertragen, die einen Stromkreis öffnen oder schließen. Um einen exakten Schaltvorgang zu gewährleisten, sind bei vielen Schaltern dieser Art Feder-Sprungmechanismen eingebaut, die ein schlagartiges Umschalten gewährleisten (Abb. 2.1b). Außerdem gibt es für die Bewegungsübertragung vom Maschinenteil zum Schalter verschiedene Betätigungsvorsätze. Neben einer Rolle sind das Rollenhebel, Kipprollenhebel mit Leerrücklauf, Federstabansätze, Zugösen u. a. Die Reproduzierbarkeit des Schaltpunktes liegt selbst bei Low-cost-Sensoren bei 0,01 mm und ist damit ausgezeichnet. Präzisionsschalter können noch um eine Zehnerpotenz genauer sein. Mechanischer Verschleiß und Kontaktabbrand begrenzen aber die Lebensdauer von Mikroschaltern auf 10 Millionen Schaltspiele. Elektromagnetische Felder beeinträchtigen die Funktion nicht. Außerdem sind sie recht preisgünstig. Man muss aber auch wissen, dass der Verschleiß von Endschaltern (limit switch) die wichtigste Ausfallursache in automatisierten Systemen ist. Der wohl älteste Positionssensor ist übrigens der 1932 von der Firma Honeywell Micro Switch entwickelte Mikroschalter mit Schnappmechanismus der Schaltzunge. Vorteile Preiswert und ohne Hilfsenergie verwendbar Schaltet Gleich- und Wechselstrom auch bei hohen Spannungen und großen Strömen Sehr gute Wiederholbarkeit des Schaltpunktes

3 2.1 Elektromechanische und elektrische Positionserfassung 27 Abb. 2.2 Stückzähler mit Endtaster. 1 Mikroendtaster, 2 Fallschacht, 3 Werkstück, 4 Tastarm Nachteile Mechanische Betätigung erforderlich und damit Eingriff in den Prozess Beschränkte Lebensdauer durch abriebbelastete Bauteile Ablagerungen im mechanischen Teil und Prellen der Kontakte Eine einfache elektrokontaktierte Zähleinrichtung auf der Basis eines Mikroendtasters wird in Abb. 2.2 vorgestellt. Die Lösung ist simpel, die Nutzungsdauer ist durch mechanischen Verschleiß recht begrenzt. Der Umschaltweg beträgt etwa 0,05 bis 1 mm, die Schalthäufigkeit beträgt etwa 150 min 1. Heute werden für solche Aufgaben berührungslose Systeme eingesetzt. Um die Funktion zu sichern, muss die geometrische Anordnung der Bauteile eingehalten werden. Bei kleinen Teilen muss die jeweilige Gewichtskraft G noch ausreichend sein, um die erforderliche Betätigungskraft zu erreichen. Verkleinerte elektromechanische Taster hat man in den Anfängen der Robotertechnik auch in Greifern zur Detektion gegriffener Werkstücke eingesetzt. In Abb. 2.3 wird ein Beispiel für einen Greifer älterer Bauart gezeigt. Es werden Endtaster und ein optischer Reflextaster angewendet. Die Betätigung der Endtaster erfolgt nicht direkt, sondern über Tastplatten am Greiferfinger. Bevor der Greifer betätigt wird, muss der Reflexlichttaster die Anwesenheit eines Werkstücks im definierten Abstand zum Greifer gemeldet haben. Wegen der Stör- und Schmutzanfälligkeit bevorzugt man heute berührungslose Sensorik. Ein elektromechanischer Positionstaster kann auch eine völlig andere Form annehmen. So muss in der Schweißtechnik der Fugenverlauf festgestellt werden, wenn automatisch Abb. 2.3 Parallelbackengreifer mit Anwesenheitssensorik. 1 Mikrotaster, 2 Greiferfinger, 3 Werkstück, 4 Laserdiode, 5 Fotodiode, 6 Tastplatte gedrückt

4 28 2 Sensoren zur Positionserfassung Abb. 2.4 Gasdüse als taktiler Sensor. 1 Schweißteil, 2 Gasdüse, a und b Abstände zum Schweißteil geschweißt werden soll. Man kann den Verlauf bei einer Ecknaht in einem Extradurchgang ausmessen und dann nach diesen Daten den Schweißbrenner steuern. Als taktiler Sensor kann dazu die Gasdüse des Brenners benutzt werden (Abb. 2.4). Der Brenner wird tastend gegen beide Flächen geführt. Bei Berührung der Gasdüse mit dem Schweißteil fließt ein Strom, wenn die Düse mit einer Messspannung beaufschlagt wird. Der dazugehörige Positionswert wird erfasst und gespeichert. Das Vermessen geschieht in einem separaten Messdurchgang. Aus den Abständen a und b ergibt sich die genaue Lage der Ecke und die programmierte Bahn kann damit in die tatsächlich vorliegende Ausrichtung der Naht transformiert werden. Nach dem Messdurchgang folgt der Schweißdurchlauf. Das Verfahren kann auch für die Nahtanfangssuche mit der Brennerspitze verwendet werden (vgl. auch Abschn. 2.11). Eine andere Form der Ermittlung der Schweißfugenmitte ist die Verwendung eines Lichtbogensensors. Beim MIG-MAG-Lichtbogenschweißen im Konstantspannungsbetrieb ergibt sich beispielsweise bei einer Änderung der Länge des Lichtbogens um 1 mm eine Stromänderung von etwa 2 %. Bei bekannter Schweißfugengeometrie kann man aus dem Betrag des Schweißstromes errechnen, in welcher Höhe der Lichtbogen auf die Flanke der Fuge trifft. Der Lichtbogensensor erfasst die Schweißstromstärke und die Lichtbogenspannung. Daraus werden dann Höhen- und Seitenkorrektursignale berechnet. Beim quer zur Schweißfuge pendelnden Lichtbogen werden jeweils in den Umkehrpunkten die Parameter gemessen. Das Prinzip wird in Abb. 2.5 gezeigt. Aus der Differenz rechts zu links wird das Seitenkorrektursignal gebildet. Es gilt: I 1 I 2 D 0: (2.1) Aus einem Vergleich der gemessenen Parameter mit vorprogrammierten Sollwerten I soll wird das Abstands-(Höhen-)Korrektursignal ermittelt. Man rechnet: I 1 C I 2 D 2 I soll : (2.2) Das Verfahren ist auf Nähte mit einer gewissen Mindestflankenhöhe beschränkt. Beim Mehrlagenschweißen mit dem Lichtbogensensor kann man die Daten der ersten Naht speichern. Die Folgelagen werden offset programmiert geschweißt.

5 2.2 Pneumatische Positionserfassung 29 Abb. 2.5 Wirkungsweise eines Lichtbogensensors. a Symmetrieregelung, b Höhenregelung, I Strom, s Weg, Pendelweg, t Zeit Der Lichtbogen kann mechanisch gependelt werden durch Bewegung des Brenners oder elektromagnetisch mit Hilfe eines am Brenner befestigten Elektromagneten. Richtwerte für das Pendeln sind: Maximale Auslenkung von 5 mm und eine Pendelfrequenz von bis zu 5 Hz. Vorteile des Lichtbogensensors Ein zusätzlicher Elementarsensor am Brenner ist unnötig. Verzögerungsarme Messwerterfassung Nachteile Eine ordnungsgemäße Funktion ist nur im Sprühlichtbogenbereich möglich. Der Brenner muss vor Schweißbeginn exakt zum Nahtanfang positioniert werden. Veränderungen bei Drahtvorschub, Schutzgasmangel und Schmutzablagerungen können zu Störungen führen. Es lassen sich nur bestimmte Nahtgeometrien richtig sensieren. 2.2 Pneumatische Positionserfassung Sensoren, die mit Luft arbeiten, werden vorwiegend als Näherungsschalter eingesetzt. Sie werden auch für die direkte Signaleingabe in pneumatischen Steuerungen verwendet. Man unterscheidet zwischen Staudruckgebern, Ringstrahlsensoren und Luftschranken. Sie sind einfach aufgebaut und verfügen prinzipbedingt über einen Selbstreinigungseffekt. Die wichtigsten Vertreter fluidischer Sensoren wurden bereits in den 1930er-Jahren entwickelt.

6 30 2 Sensoren zur Positionserfassung Abb. 2.6 Pneumatische Sensoren. a Staudrucksensor, b Ringstrahlsensor (Reflexdüsensensor), c Luftstrahlschranke, 1 Messobjekt, 2 Schaltfahne, Objekt, 3 Freistrahl, p 1 Speisedruck, p 2 Messdruck, s Düsenabstand Der Staudrucksensor (back pressure sensor) arbeitet nach dem Prinzip Düse-Prallplatte (Abb. 2.6a). Bei konstant gehaltenem Speisedruck p 1 ist der Druck p 2 indirekt proportional dem Abstand s zwischen Düse und zu erfassendem Objekt. Der Messabstandsbereich liegt beim Staudrucksensor bei Verwendung von Kegeldüsen zwischen 0,1 und 3 mm. Das Signal kann analog und digital weiterverarbeitet werden. Der Ringstrahlsensor (reflex sensor) in Abb. 2.6barbeitetnach demreflexprinzip.ein ringförmiger Freistrahl wird gegen ein Objekt abgestrahlt. Dabei wird ein Teil des Strahls nach innen umgelenkt und es entsteht im zentralen Ausgangskanal ein Druckanstieg. Der Druckunterschied wird ausgewertet. Das Signal kann digital weiterverarbeitet werden. Der Messabstandsbereich ist kleiner als 10 mm. Wegen der nichtlinearen Kennlinie wird der Ringstrahlsensor hauptsächlich als Anwesenheitssensor verwendet. Luftstrahlschranken (air barrier) arbeiten nach dem Prinzip des Prallstrahls (Abb. 2.6c). Aus beiden Düsen strömt Luft aus. Auf der Empfängerseite (oben) wird das Messsignal abgegriffen. Die Funktionsweise entspricht der eines Ringstrahlsensors. Pneumatische Näherungsschalter sind funktionssicher, auch bei Staub und bei hohen Umgebungstemperaturen. Man kann sie in Exschutzräumen einsetzen und auch magnetische Störfelder wirken sich nicht aus. Der Messabstandsbereich reicht bis etwa 30 mm. Der Zusammenhang zwischen dem Düsenabstand s und dem Staudruck p ist allerdings nur in einem eingeschränkten Bereich linear. In Abb. 2.7 wird die pneumatische Schaltung gezeigt und in Abb. 2.8 werden der Kennlinienverlauf bzw. die Abhängigkeiten vom Schaltabstand angegeben. Pneumatische Sensoren werden oft in einer Brückenschaltung (bridge circuit) betrieben. Über eine vergleichende Düse-Prallplatte-Anordnung kann man die Ansprechschwelle des Prüfsystems voreinstellen (Balance). Geringe Veränderungen des Rückstaudruckes an der Fühlerdüse rufen einen Differenzdruck hervor. Pneumatische Sensorbrückenschal-

7 2.2 Pneumatische Positionserfassung 31 Abb. 2.7 Pneumatische Schaltkreise bei Fluidsensoren. a Schaltung mit elektrischem Schaltausgang, b Schaltung mit Druckwandler, c Brückenschaltung, 1 Druckluftquelle, 2 Filter, 3 Druckregelventil, 4 Druck-Elektrik-Wandler, 5 Vordüse, 6 Messdüse, 7 Messobjekt, 8 Druckwandler, 9 Vergleicher, 10 Messstelle, p Druck tungen sind über einen weiten Messbereich sehr empfindlich. Kennwerte einiger pneumatischer Punktsensoren werden in der Tab. 2.1 aufgelistet. Eine Vergrößerung der Rautiefe der Kontaktfläche am Werkstück hat bei gleichbleibenden Düsen- und Drosseldurchmesser eine Verminderung des Schaltabstandes zur Folge. Durch Veränderung der Kombination von Düsen- und Drosseldurchmesser sowie des Schaltdrucks am Schwellwertschalter kann der Schaltabstand (switch distance) an die jeweiligen Forderungen in bestimmten Grenzen angepasst werden. Zu beachten ist, dass bei der Einstellung des Schaltabstandes über den Schaltdruck zur Vermeidung von zu großen Abb. 2.8 Schaltabstand s pneumoelektrischer Sensorsysteme. a s = f (p s ), D = 1 mm, d = 0,46 mm, R a =0,26µm;b s = f (D; d), Rautiefe R a =0,26µm,1 Annäherung, 2 Entfernung, d = örtliche Querschnittsverengung (Drossel)

8 32 2 Sensoren zur Positionserfassung Tab. 2.1 Kennwerte einiger pneumatischer Punktsensoren Sensorprinzip Messbereich in mm Empfindlichkeit in kpa/mm Speisedruck in kpa Ständiger Luftverbrauch in cm 3 /s Düse-Prallplatte 0,1 bis 0,5 < bis 100 Ringstrahlsensor 5bis30 10 bis bis 2000 Strahl-Standdüse <0,8 40 bis bis bis 200 Abb. 2.9 Pneumatisch geführtes Zentrieren. 1 Greifbacke, 2 Druckluftanschluss, 3 Montagebasisteil, 4 Montageteil, F Fügekraft Messunsicherheiten der Arbeitspunkt des Sensorsystems im Bereich eines kleinen Differenzquotienten s : p s liegt. Man kann pneumatische Sensoren in verschiedener Weise z. B. für Positionieraufgaben einsetzen. Dazu zeigt Abb. 2.9 einen Fügekopf für rotationssymmetrische Werkstücke. Das Verfahren ist für Fügeteile mit und ohne Fasen an den Fügeteilen geeignet. Die Sensoren sind an die beweglichen Greiferfinger angebaut und berühren die Werkstückoberfläche eher als der Bolzen. Die durch Versatz des Bolzens relativ zur Bohrung entstehenden Druckdifferenzen werden ausgewertet und dienen zur Nachstellung der Basisvorrichtung oder des Roboters. Man kann damit innerhalb von 0,1 s Zentriergenauigkeiten von etwa 10 Mikrometer erreichen. Die Staudrucksensoren lassen sich z. B. im Vorrichtungsbau zur Auflagekontrolle von zur Bearbeitung eingelegten Teilen verwenden. Wie in Abb zu sehen, wird kontrolliert, ob das Teil exakt aufliegt, was nicht der Fall ist, wenn sich Schmutz oder Späne an den Auflageflächen abgelagert haben. Dazu wird der Staudruck an allen Düsenauflagen ausgewertet. Ist der gemessene Abstand z. B. kleiner als 0,05 mm, dann liegt das innerhalb der Toleranz und der Druckschalter spricht an. Das Werkstück wird nun gespannt und kann bearbeitet werden. Im Beispiel müssen dazu vier Freigabesignale von allen vier Auflagekontrollpositionen anliegen. Der Ejektor und der Druckschalter im Vakuumansaugkanal bewirken eine Kompensation von Speisedruckschwankungen [1]. Eine andere interessante Anwendung pneumatischer Sensoren ist in Abb zu sehen. Der Sensor dient hier als Binärsensor in einer Maschinenstruktur und erfüllt die Aufgaben eines Endlagentasters. Die Stellschraube schlägt am Anschlag an, der als Staudrucksensor ausgebildet ist. Dadurch wird die Düse verschlossen. Die Druckänderung

9 2.2 Pneumatische Positionserfassung 33 Abb Prinzip einer pneumatischen Auflagekontrolle (Festo). 1 Aufnahme- bzw. Spannvorrichtung, 2 Auflage mit eingearbeiteter Düse, 3 Ejektor (Strahlpumpe), 4 Drucksensor, 5 Werkstück wird als Schaltsignal verwendet. Vorteilhaft ist hier, dass die Sensorisierung mit geringstem Aufwand in eine Maschine integriert werden kann, auch noch nachträglich. Die Erfassung besonderer Merkmale erfordert problemangepasste Sensoren. In Abb. 2.12a wird eine pneumatische Sonde in die Gewindebohrung eingeführt, um festzustellen, ob das Gewinde auch wirklich vorhanden ist. Beim Ein- und Ausfahren schwankt das Messsignal im Rhythmus der Gewindegänge. Die Lösung ist sehr einfach, erfordert jedoch noch die Umwandlung des Drucksignals in ein elektrisches Signal. Bei etwas größeren Gewindebohrungen kann die Prüfung auch mit einem Lichtreflextaster mit dünnem, am Ende abgewinkeltem Lichtwellenleiter erfolgen (Abb. 2.12b). Abb Pneumatischer Anschlagsensor. 1 Druckluftsignal, 2 Speisedruck, 3 Maschinenschlitten, 4 Stellschraube, Anschlagschraube Abb Messung des Bohrungsdurchmessers, Prüfung des Gewindes und Verschmutzungskontrolle. a pneumatisch, b optisch, 1 Werkstück, 2 Messdüse, 3 Lichtwellenleiter, p 1 Speisedruck, p 2 Messdruck

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