Berührungslos und somit verschleißfrei arbeitende Sensoren ersparen dem Anwender viele Wartungsintervalle und teure Stillstandzeiten. Seitdem ihre Anschaffungskosten meist nur noch wenige Prozent vom Listenpreis des serienmäßig hergestellten Grundgreifers betragen, erfreuen sie sich wachsender Nachfrage. Und da sie in immer kleinerer Bauform hergestellt werden können, erschließen sie den pneumatischen Greifern zusätzliche Einsatzmöglichkeiten. Gleichzeitig steigen die Ansprüche der Anwender: Wo es früher häufig noch genügte, mittels binärer Schalter die Endlagen zu erfassen, erfordern heute immer mehr Applikationen den Einsatz von Sensoren mit Analogausgang, da sich mit ihnen beliebig viele Positionen oder Zwischenstellungen erkennen lassen. Hilfskonstruktionen wie Fähnchen am Greiferfinger oder ein anderes Target zur direkten Erfassung der Kolbenposition gelten inzwischen als überholt – schließlich können moderne elektronische Sensoren durch die nicht magnetische Zylinderwandung schauen und die Kolbenposition erfassen.

Ein Minigreifer mit „BMF“-Miniatursensor.

Sollen nur einzelne Positionen wie zum Beispiel die Endlagen ermittelt werden, sind binär schaltende Sensoren eine gute Wahl. Gefragt sind hier insbesondere Sensoren mit einer günstigen Kosten-Nutzen- Relation, die ein zuverlässiges und prellfreies Schaltverhalten bei ausreichend großen Funktionsreserven gegenüber Fehl- und Doppelschaltpunkten bieten. Bislang genutzte kontaktbehaftete Reedoder mechanische Schalter konnten dies nicht immer leisten. Eine Alternative sind voll elektronische, magnetfeldempfindliche Sensoren, wie sie beispielsweise Balluff in der Baureihe BMF anbietet. Sie fragen die Kolbenstellung pneumatischer Aktoren verschleißfrei ab und erkennen durch die nicht magnetische Zylinderwandung die auf der Kolbenstange befestigten Dauermagnete. Sobald sich der Kolben nähert, springt das Ausgangssignal in den anderen Zustand über. Die Sensoren sind ohne individuelle Anpassungen mit nahezu jedem Zylindertyp kombinierbar, was die Lagerhaltung vereinfacht. Aufgrund einer Vielzahl an Bauformen und Befestigungsmaterialien lassen sich die verschiedensten Zylinderfabrikate und -größen abdecken. Dazu müssen sie lediglich direkt in die Nut des Zylinders eingeführt, justiert und arretiert werden. Bei großen Zylindern sind dies überwiegend eine T- oder eine C-Nut, während bei kleinen Bauformen aus Platzgründen in der Regel Zylinder mit einer C-Nut anzutreffen sind.

Daneben gibt es Bauformen, die gänzlich ohne zusätzliche Haltewinkel auskommen. Sie werden direkt von oben in die Nut eingeführt. Für besondere Anforderungen, etwa im Bereich von Hochtem-peratur-Anwendungen, bieten sich Sensoren an, die mit Metallgehäuse und hochtemperaturfestem Kabel ausgeführt sind. Durch hohe Temperaturtoleranzen lassen sie sich beispielsweise an Greifern mit Hochtemperatur-Blockzylindern einsetzen. Robuste Geräteversionen gegen Schweißspritzer und -ströme werden unter anderem an pneumatisch betätigten Schweißzangen in der Automobilindustrie eingesetzt.

Positionen variabel ansteuern

Eine andere Möglichkeit der Sensorik für pneumatische Greifer sind magneto-induktive Linearwegsensoren mit Analogausgang, wie sie Balluff beispielsweise mit der Baureihe BIL anbietet. Mit ihnen lassen sich variable Positionen oder Zwischenstellungen innerhalb eines Messbereichs von 60 beziehungsweise 160 mm berührungslos erfassen. Dank ihres Gehäusequerschnitts von lediglich 15 mm × 15 mm und zwei Ausführungen mit einer Länge von 95 respektive 230 mm sind diese Linearsensoren an Bauräumen mit wenig Platz wie etwa Robotergreifarmen einsetzbar. Sie arbeiten bei Geschwindigkeiten von bis zu 5 m/s ohne nennenswerten Schleppfehler. Die Geräte liefern ein absolutes und wegproportionales Ausgangssignal von 4 bis 20 mA beziehungsweise 0 bis 10 V. Die geringe Baugröße resultiert aus einem speziellen Konstruktionsprinzip: Magneto-induktive Sensoren sind einteilige Sensoren, die neben dem Sensorelement eine im Sensor integrierte Auswerte-Elektronik enthalten. 

Ein montierter Linearwegsensor „Micro-BIL“: Die vom Sensorelement konstruktiv getrennte Auswerte-Elektronik lässt sich beispielsweise seitlich am Greifer anbringen.

Die Besonderheit ist, dass als Planarspule keine Drahtspule verwendet wird, sondern eine auf eine dielektrische Trägerplatine gedruckte Spule, die von einer Wechselspannung gespeist wird. Ihre Windungen sind asymmetrisch angeordnet, um die Position des Gebermagneten detektieren zu können. Der Kern besteht aus einer dünnen, flexiblen, weichmagnetischen Folie – anstelle einer brüchigen und wenig flexiblen Kernstruktur aus ferritischem Material, die beidoder einseitig auf die Planarspule geklebt ist. Bewegt sich der magnetische Positionsgeber entlang der mit hochfrequentem Strom erregten Planarspule, bewirkt dies lokal eine lage-abhängige Änderung der Spuleninduktivität. In Kombination mit der Auswerte-Elektronik erhält der Anwender somit eine monotone und nach Optimierung der Spulentopologie lineare Kennlinie.

Aus der Tatsache, dass sich beliebig viele Schaltpunkte setzen lassen, resultiert vor allem Flexibilität: Sind Anpassungen an neue Materialien oder Positionen vorzunehmen, entfallen die mechanischen Umrüstzeiten; lediglich die Schaltpunkte in der Software müssen geändert werden. Auch ein ständiger Wechsel der Positionen im fortlaufenden Prozess lässt sich so realisieren, da sich die Greiferstellungen über die Software beliebig oft ändern lassen. Bei der kleinsten Bauform dieses Typs beträgt die Sensorelement-Fläche bei einer Wegmessstrecke von 0 bis 10 mm nur 29 mm × 6,2 mm.

Das Gehäuse ist so dimensioniert, dass der Sensor exakt in die T-Nut von Pneumatikzylindern passt. Aufgrund des absoluten, analogen Ausgangssignals ist die Öffnungsweite dieser Aktoren stufenlos steuerbar und abrufbar. Dieses Feedback lässt sich nutzen, um beispielsweise falsch liegende Teile zu detektieren oder auch unterschiedlich große Hülsen oder andere Komponenten sicher zu identifizieren. Darüber hinaus lässt sich die Steuerung auch so programmieren, dass immer eine Rückmeldung erfolgt, sobald der Greifer ins Leere greift oder das gewünschte Teil sich sicher zwischen den Greiferbacken befindet. Mit Hilfe eines Tasters ist der Miniatursensor an die individuelle Magnetfeldstärke des Greifers anpassbar.

Autor: Daniel Rauscher ist Produkt Marketing Manager Magnetfeldsensoren bei Balluff in Neuhausen.