Eine Vielzahl von Fragen drängt sich beim Betrieb mobiler Maschinen auf: Welchem Verschleiß unterliegen Lenkzylinder und Federungssysteme? Wann ist der richtige Zeitpunkt zum Warten von Hebe- und Pressenmechaniken an Müllfahrzeugen? Welchen Spitzenbelastungen sind die Hydraulikzylinder ausgesetzt? Was ist die Ursache eines plötzlichen Ausfalls? Wurde die maximal zulässige Öltemperatur eingehalten? Wie viele Betriebsstunden weisen Hub-, Schwenk- und Neigezylinder an Teleskopkranen auf?

Die Messwerte und Daten des Linear-Encoders ‚Max48‘ eröffnen die Möglichkeit, einzelne Arbeitsprozesse mobiler Maschinen zu automatisieren, um beispielsweise die Arbeitstiefe beim Ausbaggern zu überwachen.

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Solcherart Fragen kann der ‚Max48‘ von Sick durch seine Diagnosefunktionalitäten beantworten, ohne zusätzliche Kosten zu verursachen. Die Möglichkeit, eine umfassende Zustandsüberwachung rund um die Arbeitsprozesse mobiler Maschinen über ein berührungsloses Positioniersystem im Hydraulikzylinder durchzuführen, ist ein Novum in diesem Sensor- und Anwendungssegment. Der Linear-Encoder zählt Einschaltzyklen und Betriebsstunden, erfasst die Qualität und Konstanz der elektrischen Versorgungsspannung, misst die Temperatur des Hydraulikfluids, addiert die Verfahrwege des Hydraulikzylinders und sammelt diese Daten in einem internen Diagnosespeicher. Damit stehen valide Informationen über den Betriebsstatus, die Auslastung, die Einsatzbedingungen und mögliche Ausfall-Ursachen von Hydraulikzylindern zur Verfügung.

Dabei geht das Sammeln der Diagnosedaten folgendermaßen vonstatten: In regelmäßigen zeitlichen Intervallen aktualisiert die Elektronik des Linear-Encoders die Zahl der Betriebsstunden, die angelegte Versorgungsspannung, die Temperatur der Elektronik (als 1:1-Indikator der Öltemperatur im Zylinder), die Zahl der Einschaltzyklen sowie den zurückgelegten Kolbenweg. Aktualisiert werden die Daten nur bei Überschreiten vorheriger Spitzenwerte. Logisch ist dies bei den Betriebsstunden, den Einschaltzyklen und dem Kolbenweg – diese Daten können ja nicht weniger werden. Versorgungsspannung und Öltemperatur werden nur überschrieben, wenn sich seit dem letzten Aktualisierungszyklus ein neuer Spitzenwert ergeben hat. Liegen aktuelle Werte also niedriger, bleiben die höheren alten Werte erhalten. Dadurch erhält das Servicepersonal bei Wartung oder Reparatur eine valide Information über die maximale Belastung des Zylinders im Betrieb. Liegt beispielsweise ein Verschleiß von Dichte-Elementen vor, kann dies auf überhöhte Betriebs-/ Öltemperaturen zurückgeführt und für eine Entscheidung Gewährleistung/ Kulanz/Berechnung an den Anwender genutzt werden. Ausgelesen werden die Daten mit einem externen Diagnosegerät, ähnlich wie beim Service am Pkw. Eine Version des Linear-Encoders mit CANopen ermöglicht es, die Prozessinformationen direkt in der Fahrzeugsteuerung abzuspeichern und aus dieser abzurufen. Dann kann die Auswertung beispielsweise im zentralen Servicetool des Fahrzeugherstellers erfolgen.

Die Messwerte und Daten des Linear-Encoders eröffnen sowohl Herstellern als auch Betreibern von Land- und Baumaschinen, logistischen Hebezeugen und Fördermitteln sowie Kommunalfahrzeugen und Flughafengeräten die Möglichkeit, eine Verbesserung von Auslastung und Verfügbarkeit zu erreichen und einzelne Arbeitsprozesse mobiler Maschinen zu automatisieren und zu überwachen.

Auf Basis der ­Magnetostriktion

Der berührungslose Positionssensor besteht aus einem magnetostriktiven Messelement sowie einem Permanentmagneten, der im Kolben integriert ist. Sein Messbereich reicht von 50 bis 2500 mm mit einer Messwert-Auflösung von 0,1 mm. Der Sensor ist vollständig integrierbar, ohne von außen sichtbare und dadurch verschleiß- oder beschädigungsgefährdete Teile. Mechanisch ist der Linear-Encoder kompatibel zu Hydraulikzylindern für mobile Maschinen, die für die Integration der Positionserfassung vorbereitet sind. Änderungen an bestehenden Zylinderkonstruktionen sind daher nicht erforderlich. Für die elektrische Integration ist der Encoder mit einer Analogschnittstelle sowie mit Interfaces für CANopen, SAEJ1939 und PWM ausgestattet.

Der Linear-Encoder setzt auf das Wirkprinzip der Magnetostriktion, ein Time-of-flight-Messverfahren. Gemessen wird die Entfernung zwischen zwei Punkten anhand der Laufzeit eines kurzen Stromimpulses und dessen partieller Reflektion innerhalb eines Wellenleiters. Der ausgesendete Stromimpuls erzeugt ein zirkulares Magnetfeld entlang des Wellenleiters. Ein Permanentmagnet an der Zylinderstange ist der Positionsgeber – seine magnetischen Feldlinien verlaufen im rechten Winkel zum Impuls-induzierten Magnetfeld des Wellenleiters des Sensors. Dort, wo sich beide Magnetfelder überlagern, entsteht durch Magnetostriktion eine mikrometerfeine, elastische Verformung. Diese erzeugt eine mechanische Welle, die zu einem Teil weiter am Wellenleiter entlang läuft und zum anderen Teil zurück zur Basisbaugruppe des ­Sensors ‚reflektiert‘ wird. Beim Eintreffen des Torsionsimpulses erzeugt der Signalwandler aus der magnetostriktiven Welle ein elektrisches Signal. Aus der bekannten Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Welle im Wellenleiter sowie der Zeit zwischen dem Senden des Stromimpulses und der Detektion der zurücklaufenden magnetostriktiven Welle ergibt sich mit einer Auflösung im µm-Bereich die Entfernung des Permamentmagneten und damit die Position des Hydraulikkolbens.

Diese Technologie bietet für den Einsatz linearer Encoder in hydraulischen Arbeitsmaschinen diverse Vorteile. Die Positionsmessung erfolgt absolut: Sofort nach dem Anliegen der Bordspannung durch Starten der Arbeitsmaschine ist die exakte Kolbenposition bekannt – eine Referenzfahrt wie bei inkrementellen Sensoren ist nicht erforderlich. Im Arbeitseinsatz erweist sich die Magnetostriktion zudem als besonders robust sowohl gegen mechanische Beanspruchungen als auch gegen extreme elektrische Einflüsse beispielsweise durch eingestrahlte oder eingekoppelte Störungen im Bordnetz eines Fahrzeugs.

Konstruktive Details

Mit Linear-Encodern wie dem ‚Max48‘ und dem ‚kleinen Bruder‘ ‚Max30‘ halten smarte Sensoren Einzug in die mobile Automation. Das Absolut-Wegmesssystem für die berührungslose Positionsmessung in Hydraulikzylindern ‚Max30‘ hat einen Messbereich bis 1,5 m, ‚Max48‘ schafft bis 2,5 m.

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Beim ‚Max48‘ wurde zum einen der Einbauraum für die elektrischen Leitungen reduziert sowie die messtechnische Dämpfungszone auf 30 mm verkürzt. Dadurch lassen sich der vorhandene Montageplatz im Zylinder besser nutzen und die Kosten für das Bohren der Kolbenstange senken. Im Betrieb sorgt die reduzierte Dämpfungszone für eine bessere kinematische und messtechnische Ausnutzung des Kolbenhubs. Dank intelligenter Materialauswahl kann der Positionsmagnet des Encoders im Gegensatz zu anderen Linear-Sensoren auf eine zusätzliche Distanzscheibe verzichten – somit müssen Zylinderhersteller weniger Teile verbauen und bevorraten.

Der Sensor ist für Öltemperaturen im Hydraulikzylinder von –30 bis +95 °C und Betriebstemperaturen bis +105 °C und für nominale Betriebsdrücke von bis zu 400 bar ausgelegt. Die Schock- und Vibrationsfestigkeit entspricht den harten Anforderungen von mobilen Arbeitsmaschinen. Zudem ist der Linear-Encoder normgerecht störsicher gegen elektrische Impulse nach den Fachgrundnormen in elektrischen Systemen und bietet hohe Störimpulsfestigkeit beim Laden von Fahrzeugbatterien. Eingekoppelte elektrische Impulse, die beim Starten von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren und Lichtmaschinen durch das Bordnetz übertragen werden können, beeinträchtigen die Funktion des Sensors nicht. Da der Linear-Encoder gemäß den EMV-Anforderungen mobiler Arbeitsmaschinen spezifiziert ist, können Hersteller, die mobile Maschinen mit Elektro- und mit Verbrennungsmotor herstellen, den gleichen Linear-Encoder für beide Antriebsarten einsetzen und so die Typenvielfalt in Lager und Service reduzieren.

Autor:
Peter Feucht ist Produktmanager Mobilhydraulik Linear Encoders im Global Business Center Motion Control Sensors bei Sick Stegmann in Donaueschingen.