Die Hollow-Shaft-Kits des Sensorherstellers Posital überwachen und steuern die dreidimensionalen Bewegungen der einzelnen Roboterarme. Während die kapazitative Messtechnik, die Platine mit der Auswerteelektronik sowie das Multiturn-System mit dem Wiegand-Harvester auf engstem Raum in den gegenüberliegenden Rotor- bzw. Statorscheiben integriert sind, wird die zentrale Öffnung (30 bzw. 50 Millimeter) für die Führung von Kabeln und Medienschläuchen im Innern des Roboters genutzt. Mit 110 Gramm wiegt das Kit zudem kaum mehr als eine Tafel Schokolade. Die Bauhöhe des Hohlwellen-Encoders liegt bei 7,8 Millimetern.

Einsatz in Industrierobotern und Cobots

Was sich mit den neuen Kits tatsächlich einsparen lässt, zeigt ein Blick auf die Ist-Situation. Während für die Drehzahlüberwachung und Positionssteuerung bislang zwei parallel arbeitende Singleturngeber – plus Getriebe für die Synchronisation – nötig sind, schafft der neue Kit-Encoder dies im Alleingang. Prädestiniert sind die Hohlwellen-Kits für klassische Industrieroboter sowie die hochflexiblen, deutlich kleineren Cobots. Über Adapterplatten lassen sich die Kits problemlos in unterschiedlich große Robotergelenke integrieren. Montage wie Inbetriebnahme sind einfach: Wenige Schrauben reichen und das System ist einsatzbereit – ganz ohne komplizierte Kalibrierung.

Während Posital seit Jahren bei Drehgebern mit Vollwelle, die auch in der Krantechnik zum Einsatz kommen, den Switch von optischer zu deutlich robusterer und kostengünstigerer magnetischer Messtechnik propagiert, wurde bei der Hollow- Shaft-Serie ein anderer Weg gewählt. Da sich Magnetik nur mit großem Aufwand in Hohlwellen-Designs umsetzen lässt, gab man der kapazitativen Messtechnik den Vorzug. Auch sie steht für Zuverlässigkeit, Präzision und moderate Kosten. Dies zeigt sich in Performancedaten wie einer Singleturn-Auflösung von 18 Bit und einer Genauigkeit von +0,02 Grad.

Schlüsselkomponenten der kapazitativen Messtechnik sind die mit verschiedenen Mustern gestalteten leitfähigen Oberflächen von Rotor und Stator. Sie erzeugen Hochfrequenzsignale, die über Asic-Prozessoren gescannt werden. Dabei wird die aktuelle Weg- und Winkelposition ermittelt und als eindeutiger Positionswert über „Open Source“-Schnittstellen an die zentrale Steuerung gegeben. Da immer die komplette Oberfläche gescannt wird, lässt sich das Kit auch von punktuellen Verschmutzungen nicht beirren.

Energieautark Multiturn-Auslegung

Eine Besonderheit ist die energieautarke Multiturn-Auslegung der Hollow-Shaft-Serie. Statt Batterien sorgen hier Impulse aus einem von Posital selbstgefertigten Wiegand-Draht für die notwendige Energie. Während der klassische Wiegand-Harvester, der seit 2005 erfolgreich bei Vollwellen-Gebern im Einsatz ist, im Tandem mit einem zentralen Permanentmagnet operiert, musste für das Hohlwellen-Design ein komplett neues Set-Up gefunden werden. Im Aachener F&E-Zentrum wurde eine zuverlässige Lösung mit vier Diametralmagneten entwickelt. Sie sorgen für ein stabiles Magnetfeld, das von dem auf dem Stator installierten Wiegand-Sensor detektiert werden kann. Mit jeder 360-Grad-Rotation des externen Magnetfeldes erzeugt der haarfeine Wiegend-Draht, der in eine Kupferspule eingebettet ist, einen Spannungsimpuls. Er weckt die Zählelektronik auf, die jede einzelne Umdrehung exakt erfasst. Der Multiturn-Zähler verfügt über einen 43-Bit-Speicher für einen Messbereich von fast neun Billionen Umdrehungen.

Jörg Paulus, General Manager, Sales – Europe, Posital-Fraba, Köln