Der RSM-2800 der schwäbischen Novotechnik ist ein magnetischer Multiturn-Sensor, der den sogenannten GMR-Effekt nutzt. Er kann daher herkömmliche Multiturn-Winkelsensoren ersetzen und fahrerlose Transportsysteme (FTS) besonders wendig machen. Wie, das zeigt eine Entwicklung an der futureTEX der Technischen Universität Chemnitz. Dabei wurde eine FTS-Lösung für den Transport textiler Flächengebilde zwischen mehreren Textilmaschinen ausgestattet. Die Lösung soll der deutschen Textilindustrie helfen, ihre internationale Wettbewerbsfähigkeit zu sichern.
(Ein exklusiver Entwicklungsbericht von DI Stefan Sester*)
Magnetische Multiturn-Sensoren, die den GMR-Effekt (GMR = Giant MagnetoResistance) nutzen, arbeiten kontaktlos und liefern absolute Positionswerte. Gleichzeitig benötigen sie keine Referenzfahrten und brauchen zum Erfassen der Umdrehungen auch keine Stromversorgung oder Pufferbatterie. In vielen mobilen und industriellen Anwendungen sind die „True-Power-On“-Systeme deshalb eine praxisgerechte Alternative für Mehrgang-Potentiometer oder optische Encoder. Auch die Robotik und fahrerlose Transportsysteme (FTS) verwenden mittlerweile die vielseitigen Sensoren. In der Textilindustrie beispielsweise lassen sich mit Hilfe der hochauflösenden Multiturn-Sensoren mit GMR-Effekt neue Produktionsprozesse realisieren. Die Sensoren sorgen hier für die präzise Positionierung fahrerloser Transportsysteme (FTS), die unterschiedliche Fertigungsstationen flexibel und auf engem Raum miteinander verbinden.
GMR-Effekt in Multiturn-Sensoren integriert
Dabei sind Multiturn-Winkelsensoren herkömmlicher Funktionsprinzipien eher ungeeignet. Grunde dafür sind, dass sie einerseits eine dauerhafte Stromversorgung brauchen. Andererseits arbeiten sie mit verschleißanfälligen Getrieben. Und nicht selten sind sie für den Einsatzbereich schlichtweg zu teuer, weil sie zu aufwendig sind.
Schwäbische Entwicklung. Um hier Abhilfe zu schaffen, hat die Novotechnik in Ostfildern (Baden-Württemberg) die GMR-Technologie für die Umdrehungserfassung in die Multiturn-Sensoren der Baureihe RSM-2800 integriert. Die berührungslosen Sensoren können ohne externe Stromversorgung und Pufferbatterie bis zu 16 Umdrehungen erfassen und dauerhaft speichern. Die Auflösung des Sensors beträgt mit analoger Schnittstelle 16 Bit. Unter Verwendung digitaler Schnittstellen (SSI, SPI) werden bis zu 18 Bit Gesamtauflösung (Winkel und Umdrehung) erreicht. Geschwindigkeiten bis 800 U/min sind damit möglich. Dabei sind die Sensoren auch noch ausgesprochen genau. Über den gesamten Messbereich liegen die typischen Linearitätsabweichungen unter 0,05 Prozent.
Flexible Produktion in der Textilindustrie
Diese Eigenschaften überzeugten auch Dr.Ulrich Jugel. Er ist Entwicklungsleiter der Chemnitzer Beldrive Engineering (Freistaat Sachsen), als er für die Lenkantriebe eines fahrerlosen Transportsystems hochauflösende und gleichzeitig zuverlässige Multiturn-Sensoren suchte. Das neue FTS ist ausgelegt für den Transport textiler Flächengebilde zwischen mehreren Textilmaschinen. Damit sollen die bisher in der Textilindustrie üblichen manuellen Transportprozesse durch eine automatisierte aber dennoch flexible Verkettung abgelöst werden. Fachkräftemangel und steigender Druck zur Kostenoptimierung sind dafür die treibenden Faktoren. Denn verglichen mit anderen Branchen gibt es in der Textindustrie noch viel Optimierungsbedarf. Vor allem wenn es um die aufwendige Herstellung technischer Textilien oder spezieller synthetischer Materialien geht, beispielsweise für den Brandschutz.
FTS soll Textilindustrie 4.0 ermöglichen
Die FTS gehören zu einem Projekt, das die Textilbranche technisch auf den neusten Stand bringen will. Auftraggeber ist das Sächsische Textilforschungsinstitut e.V. (STFI) an der Technischen Universität Chemnitz.
Hier ist seit 2020 eine Industrie-4.0-Demofabrik für die Textilbranche in Betrieb: Das futureTEX Forschungs- und Versuchsfeld (Fraunhofer IWU) zeigt anhand einer Beispielproduktion, wie Industrie-4.0-Lösungen in den Bereichen Digitalisierung, Automatisierung und Vernetzung in der Praxis funktionieren.
Textilindustrie wettbewerbsfähig machen. Diese Demofabrik ist innerhalb des Projektkonsoritums futureTEX entstanden. Sie verfolgt das Ziel, die führende Position bei der Umsetzung der vierten industriellen Revolution im Textilmaschinenbau und in der Textilindustrie zu erringen. Damit soll dann bis 2030 das modernste textilindustrielle Wertschöpfungsnetzwerk Europas aufgebaut werden. Neben Plattformen wie der Industrie 4.0 Demofabrik und dem Textile Prototyping Lab sind weitere Lösungen in den Bereichen Produktionsdigitalisierung, digitale Technologien und disruptive Produktinnovationen entstanden. Beispiele dazu wären etwa das Carbonrecycling, der textile Leichtbau und die digitale Textilveredlung.
Alle futureTEX-Projekte haben gemein, die Position Deutschlands als Weltmarktführer im Textilmaschinenbau zu stärken. Gleichzeitig sollen sie den Weg zu einer globalen Spitzenposition bei technischen Textilien bis 2025 weiter ebnen.
FTS mit Wicklersystem
In der flexiblen Produktion des futureTEX Forschungs- und Versuchsfeldes spielt das FTS eine zentrale Rolle. Ausgestattet mit einem Wicklersystem fährt es für die einzelnen Fertigungsschritte zwei Produktionsmaschinen an. An diesen ist entweder eine Hotmelt-Beschichtung aufgebracht oder es wird lasergestützt eine Textilvorbehandlung durchgeführt. Die Hotmelt-Beschichtungsanlage und den flexiblen Wickler hat Suchy Textilmaschinenbau in Korbußen (Freistaat Sachsen) entwickelt. Suchy stellt Maschinen für die Be- und Verarbeitung vorwiegend technischer Textilien her. Der Wickler auf dem FTS nimmt nach den einzelnen Bearbeitungsschritten das Material direkt an der Maschine auf und gibt es bei Bedarf an der nächsten wieder ab. Seine Betriebsspannung und die Steuersignale erhält er über ortsfeste hochpolige Steckersysteme an der jeweiligen Maschine.
Präzises Andockmanöver wichtig. Für eine sichere Kontaktierung in den Andockstationen ist ein exaktes Einfahren in die Haltepositionen notwendig. Ausrichtung und Position des Fahrzeugs müssen daher sehr genau erfasst und reproduzierbar eingehalten werden. Gleichzeitig muss sich das Fahrzeug beliebig zwischen den Maschinen manövrieren lassen. Hier geht es oft sehr eng und verwinkelt zu. Außerdem gilt es, die Maschinen aus unterschiedlicher Richtung anzufahren, je nachdem ob Zwischenprodukte auf- oder abgewickelt werden. Neben engen Kurvenfahrten kann das FTS deshalb auf der Stelle gedreht und seitlich verfahren werden. Es ist darum wendiger als konventionelle Stapler. Auch Wartezeiten während der teilweise langwierigen Produktionsschritte sind für das fahrerlose Fahrzeug unerheblich. Ein Fahrer müsste fürs Warten bezahlt oder anderweitig sinnvoll beschäftigt werden.
Hohe Präzision beim Einfahren in die Halteposition
„Um den Anforderungen der flexiblen Produktionsumgebung gerecht zu werden, hat das fahrerlose Transportsystem zwei Fahr-Lenk-Einheiten, die über eine exakte Einstellung der Winkelstellung der Fahrantriebe die große Bewegungsvielfalt ermöglichen“, erläutert U. Jugel die Funktionalität des Gerätes. „Zur präzisen Winkelbestimmung beim Anfahren der Andockstationen nutzen wir die kontaktlosen Multiturngeber RSM-2800. Ihre hohe Auflösung und Linearität, zusammen mit der Regelgenauigkeit unserer Außenläufer-Direktantriebe, bilden die Grundlage für ein sehr exaktes Manövrieren.“
Es geht um Millimeter-Bruchteile. An jeder Lenkeinheit erfasst ein Sensor die Winkelstellung des Fahrantriebes mit so hoher Genauigkeit, dass die Fahrzeuge auf Bruchteile eines Millimeters genau positioniert werden können. Dazu werden bis zu zehn Umdrehungen des Lenkantriebs erfasst.
Dazu werden bis zu zehn Umdrehungen des Lenkantriebs erfasst. Das ist notwendig, weil die Motoren eine Zahnriemenübersetzung besitzen. Diese liefert die hohen Lenkkräfte, die für die unterschiedlichen Gewichte des gewickelten Produkts gebraucht werden. Die RSM-Sensoren sind dabei ein echtes True-Power-On System; der Geberwert bleibt bei Spannungsabschaltung erhalten und Umdrehungen werden auch stromlos erfasst. Nach jedem Abschalten ist das Fahrzeug also ohne Referenzierung sofort wieder betriebsbereit. „Der Sensor ist zudem sehr leichtgängig und mit den von uns gewünschten Funktionen das kleinste und gleichzeitig auch preiswerteste Produkt, das wir am Markt gefunden haben“, ergänzt U. Jugel. „Mit einem Durchmesser von lediglich 28 mm ließ er sich gut integrieren.“
RSM-2800 – Robust und einfach zu montieren
Der RSM-2800 erfüllt serienmäßig die Anforderungen bis Schutzart IP67. Stöße und Vibrationen beeinträchtigen die Funktion nicht. Das Gehäuse besteht aus hochwertigem temperaturbeständigem Kunststoff. Befestigungslaschen mit Langlöchern ermöglichen einen einfachen Anbau und eine bequeme mechanische Justierung. Die spielfreie Steckkupplung erlaubt eine schnelle und einfache Montage. Mit vorkonfektioniertem z.B. M12-Anschlussstecker an kurzem Kabel ist der elektrische Anschluss mit einem Handgriff erledigt. Das geschirmte Anschlusskabel, ist für hohe Robustheit direkt ins Gehäuse eingegossen.
Breites Einsatzfeld. Diese Eigenschaften erschließen dem RSM-2800 ein breites Einsatzfeld. Die kompakte Multiturn-Lösung kann vielerorts aufwendige Getriebelösungen überflüssig machen und somit helfen, Gesamtkosten einzusparen. Anwendungsbereiche finden sich deshalb z.B. auch in Druckmaschinen, Antriebs- und Lenksystemen, als Seillängengeber, bei Tür- und Torantrieben, in mobilen Arbeitsmaschinen, Papiermaschinen, Hebebühnen oder ganz allgemein als Ersatz von Mehrgangpotentiometern oder Encodern.
Der GMR-Effekt – Umdrehungszahlen stromlos speichern
Der Multiturn-Sensor RSM-2800 arbeitet auf mikromagnetischer Basis und nutzt den GMR-Effekt. Dieser wird in Strukturen beobachtet, die aus sich abwechselnden magnetischen und nichtmagnetischen dünnen Schichten mit einigen Nanometern Schichtdicke bestehen. Der Effekt bewirkt, dass der elektrische Widerstand der Struktur von der gegenseitigen Orientierung der Magnetisierung der magnetischen Schichten abhängt. Er ist bei Magnetisierung in entgegengesetzte Richtungen deutlich höher als bei Magnetisierung in die gleiche Richtung. Dieser Unterschied kann genutzt werden, um mittels eines speziell designten Sensorelementes mit mehreren Widerstandssegmenten Umdrehungen zu erfassen und gleichzeitig speichern zu können. Das funktioniert auch im stromlosen Zustand. Der Positionswert wird z.B. als SSI-Signal ausgegeben. Varianten mit digitaler SPI- oder analoger Schnittstelle sind verfügbar.
Novotechnik in Kürze
Seit 1947 ist Novotechnik mit Stammsitz im schwäbischen Ostfildern wegweisend in der Weiterentwicklung der Messtechnik. Inzwischen arbeiten allein in Deutschland über 200 Mitarbeiter an Spitzenleistungen. Das Ergebnis sind leistungsstarke Weg- und Winkelsensoren, die weltweit aus Fertigung, Steuer- und Messtechnik oder aus dem Automobil nicht mehr wegzudenken sind. Die breitgefächerte Produktpalette umfasst Weg- und Winkelsensoren unterschiedlicher Funktionsprinzipien, spezielle Lösungen für den Automotive-Bereich sowie Messwertumformer und Messgeräte. Das deckt praktisch alle denkbaren Aufgabenstellungen ab; für spezielle Anwendungsbedürfnisse werden spezifische, auf die jeweilige Anwendung optimal passende Lösungen erarbeitet.
(*DI Stefan Sester ist Leiter technischer Vertrieb bei Novotechnik)
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