Sensoren Wegbandsensoren als Alternative zu Seilsensoren für mobile Maschinen

In vielen Anwendungen sind Wegseilsensoren eine günstige und zuverlässige Lösung. Doch häufiges Umlenken und große Temperaturwechsel führen zu Problemen, die es mit Wegbandsensoren nicht gibt.

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Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

ASM Automation Sensorik Messtechnik GmbH

Mangels Alternativen befinden sich in mobilen Kränen und Staplern meist Messseilsensoren. Doch die haben deutliche Nachteile, wenn aus Platzgründen häufig umgelenkt wird: sie brechen leicht. Mit Wegbandsensoren gibt es eine Lösung, die den hohen Sicherheitsanforderungen beim Bau mobiler Kräne und Stapler gerecht wird. Denn Kranunfälle liefern keine schönen Bilder, und bleibt der Kranführer unverletzt, ist die Sache zumindest diesbezüglich gut ausgegangen. Oft wurden einfach die Sicherheitsstandards nicht eingehalten. Menschliches Versagen und Fehlverhalten wie Überbelastung, mangelnde Wartung und anderes mehr lassen sich nicht vermeiden. Aber die technischen Komponenten sollen bei der Entwicklung dieser mobilen Maschinen so ausgelegt sein, dass sie den hohen Sicherheitsanforderungen im Kranbau entsprechen, die in Normen wie DIN EN 12999 geregelt sind.

Zu diesen sicherheitsrelevanten Komponenten gehören die Sensoren. Sie werden beispielsweise in den Seitenauslegern eines mobilen Krans eingesetzt. Damit die Lastverteilung sicher erfolgt, müssen diese entsprechend der zu hebenden Last weit genug ausfahren. Die Sensoren sind verantwortlich für die richtige Position und müssen absolut genau und ausfallsicher arbeiten. Hinzu kommt, dass die Fahrzeuge nur über begrenzte Einbaumöglichkeiten verfügen, weshalb sie darüber hinaus eine kompakte Sensorlösung erfordern, die wenig Bauraum beansprucht. Daneben befinden sich Sensoren in den Hebevorrichtungen und Staplern. Auch hier ist Sicherheit ein zentrales Kriterium und eine Toleranz gegenüber den maximalen Beschleunigungswerten wichtig.

Zum Einsatz kamen bislang hauptsächlich Wegseilsensoren. Allerdings gibt es Probleme mit der Lebensdauer, gerade dann, wenn extreme Temperaturschwankungen auftreten oder häufiges Umlenken erforderlich ist. Die Industrie behilft sich zwar, in dem Seilkonstruktionen von 7 x 7 oder 1 x 18 + 7 x 7 benutzt werden, um so eine für die Bruchanfälligkeit relevante hohe Biegewechselzahl zu erreichen. Doch die Einzellitzen sind damit sehr dünn und empfindlich gegen äußere Beschädigung. Eine Umhüllung aus Polyamid PA12 soll sie schützen. Das bricht jedoch durch seine hohe Wasseraufnahme von 6% bei Minustemperaturen sowie bei ständigen Biegewechseln gern und das Seilzug-basierte Wegsensorsystem versagt über kurz oder lang.

Bei Kränen sind zwar extreme Temperaturschwankungen nicht an der Tagesordnung, aber es muss aus den bereits erwähnten Platzgründen oft umgelenkt werden. Sensorhersteller ASM hat deshalb bei der Sensoren-Linie Positape die Messseile durch 0,08 mm dünne Messbänder ersetzt. Stahlbänder haben gegenüber Seilen viele Vorteile: Sie können zum Beispiel im Gegensatz zum Seil nicht von der Messtrommel springen und tragen somit zu einer höheren Sicherheit bei, wenn die zulässige Beschleunigung einmal überschritten werden sollte. Aufgrund der glatten Oberfläche sind sie leicht mit externen Abstreifbürsten zu reinigen, wodurch sich die Wartungskosten verglichen mit den Wegseilsensoren verringern. Auch halten sie Temperaturschwankungen leicht aus und sind speziell für häufiges Umlenken konzipiert.

Die Wegstrecke lässt sich bei Messbändern auf verschiedene Weise messen. Eine Möglichkeit ist zum Beispiel eine Wickeltrommel mit zugeordneter Zähleinrichtung. Diese Einrichtung erfasst auf dem Messband angebrachte Markierungen, etwa eine gleichmäßige Lochung, und rechnet sie in eine Position um. Mit einer solchen bandintegralen Kennzeichnung, sei es durch Lochung, Aufwölbung, Verzahnung, Bedruckung, weist das Band jedoch abschnittweise mechanische Veränderungen auf, wodurch sich der Verschleiß erhöht und die Lebensdauer begrenzt.

Drehwinkelgeber oder Encoder statt Markierungen

Seine wahren Vorteile spielt ein Wegbandsensor aus, wenn er, wie beispielsweise der Positape-Sensor, ein Messband ohne jegliche Markierungen verwendet. Die Positionsbestimmung erfolgt stattdessen mittels analoger oder digitaler Drehwinkelgeber bzw. Encoder. Aufgrund der hohen Sicherheitsanforderungen im Kranbau werden Multiturn-Absolut-Encoder verwendet. Sie sind beständig gegen Schmutzstoffe, Späne, Öl und Wasser sowie robust gegenüber Stoß, Vibration und Temperaturschwankungen und erfassen Messwerte selbst dann zuverlässig, wenn in das Gehäuse Wasserkondensat eindringt, da die Sensorelektronik komplett vergossen ist.

Die Encoder sind mit der Bandtrommel direkt gekoppelt und messen den Drehwinkel der Trommel, die das Messband aufwickelt. Das Band selbst bleibt unverändert. Dadurch verschmutzt es kaum und hat keinerlei mechanische Schwachstellen, die zum Bruch führen können. Wenn das Messband nicht durch äußere Einwirkung wie Knicken, Kerben oder Beulen beschädigt wird, hat es selbst bei mehrfachem Umlenken gegenüber einem Wegseilsensor eine sehr viel höhere Lebensdauer. Tests haben ergeben, dass sogar doppeltes Umlenken in gegenläufiger Richtung spielend bewältigt wird und zu Ergebnissen führt, die mit Seilen einfach nicht möglich sind.

In vielen Fällen ist es notwendig, den Wegsensor axial möglichst schmal zu bauen, etwa wenn häufig oder auf sehr kleinen Rollen umgelenkt wird. Das lässt sich nur erreichen, indem man die dünnen Edelstahlbänder nicht nebeneinander über die Trommel wickelt, sondern Lage auf Lage ohne Abstand spiralig in einer einzigen Radialebene. Die Vorspanneinheit besteht in diesem Fall aus einer Flachspiralfeder, die koaxial zur Wickeltrommel angeordnet oder in diese integriert ist.

Der Trommelumfang nimmt mit jeder 360°-Umdrehung zu, was theoretisch zu Auswertungsproblemen führen könnte, doch das ist nur ein scheinbarer Nachteil, der sich einfach elektronisch eliminieren lässt. So wird einem bestimmten Drehwinkel nicht eine fixe Länge des Zugelements zugeordnet, sondern die Zahl der jeweils erfolgten Wicklungen berücksichtigt. Die wahre Messlänge wird also per elektronische Linearisierung über die Signalausgänge bestimmt. In der Regel sind hier Linearitätswerte von 0,25% ausreichend. Manche Anwendungen erfordern allerdings eine Linearität von bis zu 0,01%, die deshalb von den Wegbandsensoren ebenfalls unterstützt werden.

Ist es bei Kränen das häufige Umlenken, kommt bei Staplern oft noch die Temperaturschwankung hinzu, etwa wenn sie in Kühlhäusern eingesetzt werden. Temperaturunterschiede von +15 auf -30 °C sind keine Seltenheit und beanspruchen das Sensorsystem. Im Vergleich zu kühlhaustauglichen Wegseilsensoren mit Kunststoff ummantelten Seilen zeigen Wegbandsensoren einen geringeren Verschleiß und eine höhere Bruchfestigkeit. Zudem ist die Vereisungsgefahr durch die glatte Oberfläche gering.

Ohne Zweifel sind Wegseilsensoren in vielen Anwendungen eine günstige und zuverlässige Lösung. Doch wenn es um häufiges Umlenken und hohe Temperaturunterschiede geht, sind Wegbandsensoren unserer Erfahrung die bessere Wahl.

* * Klaus Manfred Steinich ist Geschäftsführer der ASM GmbH, Moosinning

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