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Jun 30, 2023

Zusammenstellung der richtigen linearen Positionserfassungslösung

Von Paul Heney | 26. August 2020 Von Andrew Waugh, AutomationDirect Industrieanlagen und -maschinen umfassen normalerweise eine große Anzahl rotierender und betätigender Teile. Effektive Automatisierung dieser

Von Paul Heney | 26. August 2020

Von Andrew Waugh, AutomationDirect

Industrieanlagen und Maschinen umfassen in der Regel zahlreiche rotierende und betätigende Teile. Eine effektive Automatisierung dieser Elemente erfordert Sensoren, die die Position von Aktoren und zugehörigen Mechanismen zuverlässig erkennen. Dies kann ganz einfach sein, wenn nur das Vorhandensein oder Fehlen von Hardware an einem festen Endpunkt erkannt werden muss. Selbst die Drehposition ist zwar schwieriger, ermöglicht aber dennoch die Lokalisierung eines Drehgebersensors an einer Welle.

Eine größere Herausforderung besteht jedoch darin, lineare Bewegungen und Positionen über einen viel längeren Betriebsabstand oder mit größerer Genauigkeit zu erfassen. Ein Portalkran kann beispielsweise große Entfernungen überbrücken und kann in rauen Außen- oder Fabrikumgebungen installiert und betrieben werden, erfordert jedoch ±1 Zoll. Genauigkeit. Andererseits ist eine Materialtransportmaschine möglicherweise kompakter und geschützter, erfordert jedoch eine viel genauere Rückmeldung für die Position von mehrachsigen XYZ-Trägern.

Es stehen verschiedene Optionen zur linearen Positionserfassung zur Verfügung, die von einfachen klassischen Technologien bis hin zu fortschrittlichen Geräten reichen. In diesem Artikel werden einige lineare Positionserfassungstechnologien vorgestellt und erläutert, wo die einzelnen Methoden am besten für eine genaue und zuverlässige Erkennung eingesetzt werden können.

Abbildung 1. Lineare Positionssensoren, wie der in diesem Bild mit einem roten Pfeil gekennzeichnete, werden zur Standorterkennung von Maschinen- und Anlagenteilen verwendet, damit diese verfolgt und automatisiert werden können. Alle Zahlen mit freundlicher Genehmigung von AutomationDirect.

Lass es uns klarstellenDie lineare Positionierung wird für eine äußerst spezifische, aber weit verbreitete Teilmenge von Bewegungsgeometrien verwendet, wobei mehrere Designüberlegungen für die Erfassung erforderlich sind, Abbildung 1.

Mit Drehgebern lässt sich eine Drehbewegung problemlos erfassen. Manchmal wird eine Drehbewegung mithilfe von Zahnrädern oder anderen Mechanismen in eine lineare Bewegung umgewandelt. In beiden Fällen ist es möglich, die lineare Position anhand der erfolgten Drehung abzuleiten. Wenn jedoch ein Fehler im Mechanismus auftritt, verlieren der Drehsensor und die lineare Position ihre Beziehung und die Erfassung ist nicht korrekt.

End- oder Positionsschalter sind einfach und zuverlässig, können jedoch nur an der Stelle, an der sie installiert sind, eine lineare Position erfassen. Diese Sensoren können auf mechanischen, optischen, Näherungs- oder Ultraschallmethoden basieren, liefern jedoch nur eine binäre Position oder möglicherweise eine relativ grobe Auflösung. Positionsschalter dieser Art werden normalerweise am Ende des Verfahrwegs des Mechanismus installiert, es ist jedoch auch möglich, ein Ziel an der Ausrüstung anzubringen und viele Positionsschalter entlang des Verfahrweges anzuordnen. Allerdings erfolgt die Erfassung nur an diesen Punkten. Wenn sich das Gerät also von einem Schalter entfernt, ist seine Position unbestimmt.

Die besten Technologien zur echten linearen Positionserfassung liefern ein kontinuierliches analoges Ausgangssignal oder ein digitales Signal über Ethernet-Konnektivität, um die Zielposition in Echtzeit mit ausreichender Auflösung genau zu melden.

Verfügbare TechnologienIm Folgenden sind die führenden Technologien zur linearen Positionserfassung aufgeführt, mit einem kurzen Blick auf die jeweiligen Vorteile und potenziellen Probleme.

Abbildung 2: Linearpotentiometer wie diese Gefran-Sensoren sind eine grundlegende Methode zur Erkennung der Geräteposition.

Alineares Potentiometer ist eine bewährte Konfiguration, die aus einem Schleifer besteht, der sich entlang eines Widerstands bewegt, während sich das Gerät über die gesamte Hublänge bewegt, und so einen variablen Widerstand bereitstellt, der direkt mit der Position zusammenhängt, Abbildung 1. Signalaufbereiter können diesen Messwert in einen anderen elektrischen Ausgang umwandeln Ebenen. Linearpotentiometer sind einfach, kostengünstig und leicht zu handhaben, Bild 2.

Da es sich jedoch um physische Geräte handelt, die ständigen mechanischen Bewegungen ausgesetzt sind, nutzen sie sich mit der Zeit ab und müssen ersetzt werden. Sie sind möglicherweise nicht beständig gegen Flüssigkeiten und Verunreinigungen, und der Formfaktor muss groß genug sein, um den vollständig aus- und eingefahrenen Stangenhub aufzunehmen, was manchmal die Verwendung aufgrund von Einbauraumbeschränkungen einschränkt.

Magnetostriktiv Lineare Positionserfassungstechnologien ähneln möglicherweise Potentiometern, verwenden jedoch einen Magneten, der sich entlang eines starren linearen Gehäuses bewegt. Der Magnet kann auf der Oberfläche des Gehäuses oder ringförmig um dieses herum angeordnet werden, was eine große Flexibilität bei der Montage bietet und vor allem mechanische Verschleißprobleme vermeidet. Diese Sensoren verfügen normalerweise über integrierte Schaltkreise, um den Ausgang auf verschiedene gewünschte Signalpegel aufzubereiten. Magnetostriktive Technologie ist teurer als Potentiometer oder lineare induktive Lösungen, aber die zusätzlichen Vorteile gleichen oft die Mehrkosten aus, insbesondere bei anspruchsvollen Anwendungen.

Abbildung 3: Lineare induktive Positionssensoren sehen aus wie Potentiometer, sind jedoch berührungslos und vermeiden daher den Verschleiß physikalischer Sensortechnologien.

Linear induktiv Positionsgeber, Abbildung 3, liegen sowohl technisch als auch kommerziell in der Mitte zwischen Potentiometern und magnetostriktiven Geräten. Sie sehen aus wie ein Potentiometer, nutzen jedoch induktive Technologie, um den Stabhub eines Ankers zu überwachen. Diese berührungslosen Geräte mit integrierter Elektronik vermeiden den Verschleiß physischer Sensoren und liefern eine Reihe von Ausgangssignalen.

Wie magnetostriktiv,linearer variabler Differentialtransformator (LVDT)-Technologie verwendet auch einen Anker, um variable Positionen zu identifizieren. Der Anker ist frei schwebend und kann unverlierbar mit dem Ziel verbunden sein oder federbelastet sein, so dass er den Anker jederzeit aktiv in Kontakt mit dem sich bewegenden Ziel drückt. Diese Sensoren verwenden einen Magneten im Anker, dessen Position elektrisch auf die Primär- und Sekundärwicklungen im Hauptgehäuse ausgerichtet ist, durch die er verläuft. LVDTs ähneln in vielerlei Hinsicht linearen induktiven Sensoren, ein wesentlicher Unterschied besteht jedoch darin, dass sie auch für Wechselspannungskreise konzipiert werden können, was eine größere Flexibilität bei der Installation ermöglicht.

Draht ziehen Bei Sensoren handelt es sich eigentlich um rotierende Geräte, die durch mechanisches Ein- und Ausziehen eines Kabels in das Gerät betrieben werden. Das Kabel ist an der beweglichen Ausrüstung befestigt, wobei das Gehäuse des Seilzugsensors in einer festen Position ist. Dies ähnelt in gewisser Weise einem Maßband, jedoch mit einem Drehpotentiometer oder Encoder an der Aufwickelvorrichtung, um die Messung durchzuführen. Diese werden häufig zur Positionierung über große Entfernungen verwendet, wenn ein Hublängengerät nicht sinnvoll installiert werden kann.

Bei bestimmten physikalischen Konfigurationen kann eine lineare Positionserfassung durch die Installation einer Skala entlang der Weglänge erreicht werden. Derlinearer Encoder , das optisch, magnetisch oder sogar kapazitiv sein kann, ist so angeordnet, dass es dieses Band „sieht“, während es während der Bewegung an ihm vorbeiläuft. Optische Einheiten sind in der Vergangenheit häufiger anzutreffen und liefern ein gutes lineares Signal, indem sie einen geschlossenen Einweglichtschranken verwenden, um codierte Lücken mithilfe von Lichtimpulsen zu lesen. Magnetische Versionen verwenden eine codierte Magnetskala, die langlebiger ist und für längere Längen installiert werden kann. Sie bieten außerdem eine bessere Auflösung und sind immun gegen negative Umwelteinflüsse.

Wenn Genauigkeit wichtig ist und die Installationsumgebung angemessen geschützt werden kann, aLaser -basierter linearer Positionssensor bietet oft die beste Lösung. Lasergeräte bieten eine hervorragende Auflösung und reaktionsschnelles Feedback, allerdings nur, wenn die Sichtlinie frei bleibt und das Ziel ordnungsgemäß vorbereitet ist. Diese Geräte arbeiten völlig berührungslos, diese Technologie funktioniert jedoch möglicherweise nicht, wenn Umgebungsbedingungen, Oberflächenreflexionen oder sogar physische Störungen das Signal beeinträchtigen.

Feldinstallation Viele der oben genannten Positionssensorgeräte verfügen über ähnliche Gehäuseformen und Formfaktoren, sodass sie einfach zu verwenden, auszutauschen und aufzurüsten sind – wobei spezifische Lösungen basierend auf den Anforderungen der Anwendung ausgewählt werden. Zylindrische Gehäuse in ½-Zoll. und ¾-in. sind ebenso üblich wie rechteckige Einheiten.

Die praktischen Installationspraktiken für viele lineare Positionserfassungsgeräte sind oft recht ähnlich: Ein Sensorgehäuse ist auf einer festen Oberfläche montiert und der Schaftteil ist mit dem zu messenden beweglichen oder sich bewegenden Objekt verbunden. Einige Montageaufsätze sind schwenkbar, um einen gewissen Bewegungsfreiheitsgrad zu gewährleisten und gleichzeitig die lineare Bewegung entlang einer einzelnen Achse zu verfolgen. Sensoren können formschlüssig an ihren Zielen befestigt sein oder federbelastet sein, um Bewegungen zu verfolgen und gleichzeitig ein gewisses Gleiten zu akzeptieren.

Lineare Positionslösungen Lineare Positionsmessungen werden häufig zur Überwachung und Steuerung des Betriebs von Maschinen und Anlagen benötigt. Mit den richtigen Konfigurationen wird die Position der Zielhardware zuverlässig und mit ausreichender Präzision für eine bestimmte Umgebung erkannt.

Benutzer können aus vielen Technologien wählen, die von einfach bis fortgeschritten reichen, um die beste Lösung für ihre Anwendungen zu erhalten. Bei Fragen können Lieferanten mit einem breiten Spektrum an Lösungen um Empfehlungen und Best Practices gebeten werden.