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Selbst bei Parallel- oder Winkelversatz übertragen die induktiven Koppler der NIC-Serie 12 W über maximal 7 mm Luftspalt. Bild: Turck
Induktivkopplung

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Verschleißfreier Steckverbinder

Text: Sander Makkinga, Turck
Mit berührungsloser Energie- und Datenübertragung auf Basis induktiver Kopplung lassen sich Verschleißprobleme von hochbeanspruchten Verbindungen lösen.

Roboter mit Wechselwerkzeugen oder Rundtakttische verschleißen Steckverbindungen und Kontakte besonders stark. Berührungslose induktive Koppler bieten eine Alternative zur klassischen Verbindungstechnik. Sie übertragen digitale Daten bis zu 12 W Leistung und sind damit eine verschleißfreie Alternative zu Schleifringen oder mechanisch stark beanspruchten Steckverbindungen. Das Prinzip der induktiven Kopplung ist nicht wirklich neu, der massenhafte Einsatz im Consumer-Bereich lässt aber immer noch auf sich warten. Die Ladefunktion für elektrische Zahnbürsten und schnurlose Telefone bleiben bis dato die einzigen Massenanwendungen im Alltag.

Ihre Stärken kann die induktive Kopplung zur Leistungsübertragung eher in den Nischenmärkten ausspielen. So sind beispielsweise Herzschrittmacher und andere medizinische Implantate oft mit der Möglichkeit zur kontaktlosen Strom- und Signalübertragung ausgestattet. Der Vorteil liegt hier auf der Hand: Schon die Vorstellung eines USB-Ports am Brustkorb zum Laden des Herzschrittmachers erinnert eher an Horror- oder Science-Fiction-Filme als an seriöse Medizintechnik.

Verschleiß als Kostentreiber

Ein großer Vorteil der induktiven Kopplung zur Signal- und Leistungsübertragung kommt bei diesen Beispielen aber kaum zu tragen: Induktive Kopplung ist absolut verschleißfrei.Anders als beim Privatgebrauch kann das im Industrieeinsatz ein zentrales Entscheidungskriterium sein. Schließlich sind die resultierenden längeren Wartungsintervalle, kürzere Stillstandzeiten und höhere Taktraten von Maschinen für Einkäufer und insbesondere Produktionsplaner schlagkräftige Argumente.

Gerade in Applikationen, in denen sehr häufig Kontakte gesteckt und gelöst werden müssen, ist Verschleiß ein großes Problem und ein entscheidender Kostentreiber. Wenn Hersteller von Anschluss- und Verbindungstechnik dazu übergehen, Kontakte zu vergolden, wird deutlich, dass hier ein echter Bedarf an verschleißfreien Lösungen besteht. Allein zur Zierde kommt niemand auf Idee, Gold einzusetzen. Denn Gold ist bekanntlich teuer, und auch wenn das Edelmetall die Abnutzung der Kontakte stark reduziert, so nutzt es sich doch nach und nach mechanisch ab.

Applikationen mit stark beanspruchten Verbindungen, sei es durch Vibration oder das häufige Schließen und Trennen einer Verbindung, sind somit ein ideales Einsatzgebiet für eine berührungslose Steckverbindung. Roboter mit Wechselwerkzeugen oder Rundtakttische sind Beispiele für solche Applikationen.

Induktive Koppler als kontaktlose Steckverbinder bestechen außerdem durch die Bewegungsfreiheit, die sie den gekoppelten Komponenten ermöglichen: Zum Beispiel bei Robotern mit drehenden Werkzeugen oder bei Wellen, aus denen Sensorsignale ausgeleitet werden müssen. Ein kontaktloser Anschluss der Schnittstelle ist hier von Vorteil. Der Schleifring als Alternativlösung ist zwar in der Industrie etabliert, wird aber aufgrund seines Verschleißes wenig geschätzt. Ein anderes Einsatzgebiet für induktive Koppler sind Elektrohängebahnen, wie sie die Automobilindustrie einsetzt.

Turck bietet mit seinem NIC-System induktive Koppler an, die jeweils aus einem Primärteil (dem Sender auf der Steuerungsseite) und einem Sekundärteil (dem Empfänger auf der Sensor-/Aktorseite) der Verbindung bestehen. Die NIC-Koppler übertragen bis zu acht PNP-Schaltsignale und bis zu 500 mA starke Ströme mit 12 W Leistung. Damit lassen sich Sensoren und Aktoren wie Lichtvorhänge, Piezoventile oder auch kleinere Ventilinseln betreiben, ohne dass auf der Sekundärseite ein zusätzlicher Verstärker erforderlich wäre.

Drei Varianten – IO-Link inklusive

Die induktiven Koppler lassen sich so einfach anschließen wie eine Kabelverbindung aus Stecker und Buchse. Ein Sensor oder eine andere Signalquelle wird an den Sekundärteil des Kopplersystems angeschlossen, das Primärteil wird gegenüber des Sekundärteils positioniert und mit einem Standard M12-4Pin-Steckverbinder an eine Steuerung oder ein Feldbusgerät angeschlossen. Dieses Basissystem kann mit einem einfachen Splitter, der an den Sekundärkoppler angeschlossen wird, zwei PNP-Schaltsignale berührungslos übertragen. Die Luftschnittstelle kann dabei bis zu 7 mm breit sein.

Mit dem gleichen System aus Primär- und Sekundärkoppler kann der Anwender auch Signale von analogen IO-Link-fähigen Sensoren übertragen. Der Primärkoppler muss dazu lediglich an einen IO-Link-Master angeschlossen werden, auf der Sekundärseite schließt der Anwender entsprechend einen IO-Link-Sensor oder ein anderes IO-Link-fähiges Gerät an. Bidirektionale IO-Link-Kommunikation ist so inklusive aller Features wie Parametrierung und Diagnosedaten möglich.

Die dritte Lösungsvariante kommt zum Einsatz, wenn mehr als zwei Schaltsignale übertragen werden sollen: Das IO-Link-Protokoll wird in diesem Fall zur Übertragung von bis zu acht Schaltsignalen verwendet. So lassen sich mit einem Primär- und Sekundärteil sowie einem IO-Link-Sensor-Hub auf der Sekundärseite acht digitale PNP-Signale über die berührungslose Schnittstelle anbinden. Der hier eingesetzte Primärkoppler fungiert dabei als IO-Link-Master, der IO-Link-Sensor-Hub als Slave. Da das Primärteil mittels Standardsteckverbinder an herkömmliche PNP-Eingänge eines Feldbusgeräts angeschlossen wird, merkt der Anwender nicht, dass das System intern mit IO-Link arbeitet.

Diagnose mit Metallerkennung

Neben den acht PNP-Sensorsignalen stellt das System zwei Pins für Diagnosesignale zur Verfügung. Ein Signal zeigt die Anwesenheit des Sekundärteils an, das zweite Signal dient zur Foreign Object Detection. Sollten sich Fremdobjekte aus Metall zwischen Primär- und Sekundär­koppler befinden und die Übertragungsqualität reduzieren, wird ein Fehlersignal an die Steuerung gegeben. Damit ist die Fehlerquelle lokalisierbar. Wird ein IO-Link-Gerät angeschlossen, stehen die Diagnosedaten auch der Steuerung zur Verfügung.

Luftschnittstelle schafft Freiräume

Turcks induktive Koppler erreichen eine maximale Luftschnittstelle von 7 mm. Dabei können Primär- und Sekundärteil auch gegeneinander verdreht werden. Insbesondere bei Applikationen mit drehenden Elementen ergeben sich daraus neue Konstruktionsfreiräume für Maschinenbauer.

Wenn die Applikation eine lineare Montage der beiden Kopplerteile unmöglich macht, können die Kopplersysteme auch abgewinkelt zueinander montiert werden. Bei 5 mm Abstand zueinander ist hier ein Winkel bis zu 20° möglich. Auch bei stärkeren Neigungen bricht das Signal nicht direkt ab. Die Leistung nimmt kontinuierlich ab und kann, je nach Applikation, dennoch ausreichen.

Betriebsbereit in Millisekunden

In Applikationen mit häufig wechselnden Verbindungen spielt zudem die Bereitschaftszeit des Sekundärteils eine Rolle. Gerade bei Wechselwerkzeug-Robotern sind die Taktzeiten, die mit der Verbindungslösung gefahren werden können, ein zentrales Entscheidungskriterium. Das Sekundärteil des Turck- Kopplers ist in weniger als 10 ms betriebsbereit. Mit dieser Start-up-Zeit ist das System eines der schnellsten am Markt.

Das feststehende Primärteil wird ohnehin permanent versorgt. Primärteile lassen sich mit beliebig vielen Sekundärteilen kombinieren – und umgekehrt. Dieses Dynamic Pairing ermöglicht auch komplexere Applikationen mit mehreren Primär- und Sekundärteilen.

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