Knickarmroboter von Posital.

Bild: Fraba Posital

Robust, präzise und batterielos Kapazitative Hollow Shaft-Montagekits mit energieautarker Multiturn-Fähigkeit

02.09.2019

Hohlwellengeber und Multiturn beim Motorfeedback – was lange nicht oder nur extrem schwer zusammenging, ist mit den neuen kapazitativen Hohlwellen-Kits von Posital ein Kinderspiel. Dank Energy Harvesting per Wiegand-Effekt kommt die integrierte Zählelektronik ohne Batterien oder aufwändige Getriebe aus – und ist komplett wartungsfrei.

Die Multiturn-Auslegung der neuen Hollow Shaft-Serie sorgt für einen Technologiesprung bei Hohlwellengebern. Da die richtige Multiturn-Technologie einfach nicht existierte, gab es klassische Durchgangsgeber bislang fast nur als Singleturn-Lösung. Genau diese Lücke schließt jetzt der Sensorhersteller Posital mit seinen neuen kapazitativen Hollow Shaft-Kits. Sie verfügen über einen integrierten Rotationszähler, der jede einzelne Umdrehung erfasst und dokumentiert. Clou des Multiturn-Systems ist, dass die Zählelektronik ohne externe Stromversorgung, stör- und wartungsanfällige Batterien oder aufwändige Getriebe auskommt. Ein von Posital seit Jahren bei Vollwellen-Gebern eingesetzter Wiegand-Harvester, der Rotationsbewegungen in elektrische Impulse umsetzt und mit viel Aufwand für das Hohlwellen-Design fit gemacht wurde, sorgt für einen komplett energieautarken Betrieb.

Robotik und mehr

Zu den bevorzugten Einsatzfeldern der neuen Hollow Shaft-Kits zählen Roboter – vom klassischen 6-Arm-Knickroboter für Industrieeinsätze bis zu deutlich leichteren und agileren Cobots, die schon länger für einigen Hype sorgen. Punkten können die Durchgangsgeber auch überall, wo es um die direkte Montage auf der Achse eines Motors geht. Was die pfiffigen Hohlwellen-Kits in der Praxis drauf haben, lässt sich am besten an typischen Robotik-Einsätzen aufzeigen. Installiert sind sie hier direkt in den Gelenken, von wo sie detailliert die dreidimensionalen Bewegungsabläufe der einzelnen Roboterarme überwachen und steuern. Wie hoch dabei die Messlatte in Sachen Präzision liegt, wird daran deutlich, dass moderne Industrieroboter mit Wiederholgenauigkeiten von bis zu
0,1 mm arbeiten.

In Cobots wie in klassischen Robotern wird die zentrale Bohrung der Hohlwellen-Kits (wahlweise 30 und 50 mm) elegant für die Führung von Kabeln und Medienschläuchen innerhalb des Robotergehäuses genutzt. Das schlanke Design (gerade mal 17,8 mm Tiefe bei einem Außendurchmesser von 80 mm) und das geringe Gewicht (mit 110 g wiegt das gesamte Assembly kaum mehr als eine Tafel Schokolade) sorgen für einfache Montage und schnelle Inbetriebnahme. Ein paar Handgriffe und Schrauben genügen und das Mess-System ist „ready-to-go“, ganz ohne schwierige Kalibrierung.

Was sich mit den Posital-Kits in der Robotik tatsächlich sparen lässt, zeigt ein Blick auf die Ist-Situation. Während für die Drehzahlüberwachung und Positionssteuerung bislang zwei parallel arbeitende Singleturn-Geber – plus Getriebe für die Synchronisation – nötig sind, schafft der neue Kit-Encoder dies im Alleingang. Aus zwei mach eins – lautet die Devise.

Kapazitative Messtechnik

Während Posital bei Drehgebern seit Jahren den Switch von optischer zu magnetischer Messtechnik forciert, wurde bei der Hollow Shaft-Baureihe gezielt ein anderer Weg gewählt. Da sich magnetische Systeme nur sehr schwer in Hohlwellen-Designs umsetzen lassen, gab man der kapazitativen Messtechnik den Vorzug. Auch sie steht für Zuverlässigkeit und Präzision – zu moderaten Kosten. Dies zeigt sich in Performance­daten wie einer elektronischen Auflösung von 18 Bit bei Singleturn- oder 16 Bit bei Multiturn-Einsätzen – gepaart mit einer Genauigkeit von ± 0,02 Grad. Key-Komponenten der kapazitativen Kits sind die mit unterschiedlichen Mustern gestalteten leitfähigen Oberflächen von Rotor und Stator. Sie erzeugen elektrische Hochfrequenzsignale, die über ASIC-Prozessoren gescannt werden. Dabei werden die aktuellen Weg- und Winkelparameter als eindeutiger Positionswert über die Open Source-Schnittstellen SSI oder BiSS C an die zentrale Steuerung gegeben. Da beim Scannen immer die komplette Oberfläche erfasst wird, lassen sich die neuen Kits auch von punktuellen Verschmutzungen nicht aus dem Takt bringen.

Herzstück des autarken Multiturn-Systems ist ein spezieller Energy Harvester, der als SMD-bestückbare Komponente von Posital industriell gefertigt wird. Hier sorgen Impulse aus einem aufwändig konditionierten Wiegand-Draht für die Energie-Ernte. Während der klassische Wiegand-Harvester beim Vollwelleneinsatz mit einem zentralen Permanentmagneten operiert, musste für das Hohlwellen-Design ein komplett neues Setup gefunden werden. Über Feldtests und intensive Magnetfeldsimulation wurde eine zuverlässige Lösung mit vier Diametralmagneten entwickelt, die gleichmäßig im Rotor platziert wurden. Die vier Magnete sorgen für ein stabiles Magnetfeld, das der im Stator installierte Wiegand-Sensor detektieren und nutzen kann. Mit jeder 360-Grad-Rotation des externen Magnetfeldes erzeugt der haarfeine, in eine Kupferspule eingebettete Wiegand-Draht einen Spannungsimpuls. Er versorgt die Zählelektronik, die jede einzelne Umdrehung exakt erfasst. Der Multiturn-Zähler verfügt über einen 43-Bit-Speicher, der für einen Messbereich von fast neun Billionen Umdrehungen ausgelegt ist.

Die Bemusterung mit den neuen Hollow Shaft-Kits erfolgt seit wenigen Monaten. „Schon jetzt ist das Echo groß, wobei wir mit einem Schub vor allem bei Neuentwicklungen rechnen, die im rasant schneller werdenden Robotergeschäft in immer kürzeren Intervallen anstehen,“ so CEO und Mehrheitsgesellschafter Christian Leeser.

Bildergalerie

  • Hollow Shaft-Kit – extrem schlank und Multiturn­fähigkeit als USP

    Bild: Fraba Posital

  • Rotor und Stator – die kapazitative Messtechnik setzt auf verschieden gestaltete leitfähige Oberflächen.

    Bild: Fraba Posital

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