Automatisierung und Industrial IoT

Annina Schopen,

Berührungslose Signal-Übertragung

Um bei mobilen Anlagen Energie und Signale zwischen stationären und bewegten Komponenten kontaktlos übertragen zu können, hat SMW-electronics induktive Koppelsysteme entwickelt. Diese Kopplung ist verschleiß- und wartungsfrei und ersetzt die klassische Übertragung mittels Kabel und Kontakten oder Schleifringen.

Die Radialkoppler wurden insbesondere für Maschinen entwickelt, bei denen auf eine mobile Maschinenkomponente beziehungsweise eine rotierende Welle die Übertragung von Energie und Signalen erfolgen soll. © SMW-electronics

Aus der fortschreitenden Automatisierung folgt der zunehmende Einsatz von Sensoren und Aktoren auch in rotierenden oder sich bewegenden Anlagenteilen. Bisher erfolgte bei diesen Systemen die Übertragung von Energie und Signalen mittels Kabel, Stecker oder Schleifringen. Diese Komponenten verschleißen allerdings und sind anfällig für Verschmutzungen. Dieses Problem wird nun durch kontaktlos arbeitende, induktive Koppelsysteme von SMW-electronics gelöst. Sie stehen in unterschiedlichen Ausführungen sowohl als Radialkoppler mit und ohne Innendurchgang als auch als zylinderförmige Koppler mit Gewinde zur Verfügung. Mit ihnen lassen sich Aktoren und Sensoren in mobilen Anlagenteilen über einen Luftspalt verschleißfrei an Bussysteme und die Energieversorgung koppeln. Auch für unbewegte Komponenten sind die Koppler oft eine ideale Lösung – etwa wenn Trennwände aus nichtmetallischem Material zu überbrücken sind.

Funktionsweise der Induktivkoppler

Die in Schutzart IP 67 ausgeführten Kopplergehäuse schützen die innenliegende Elektronik und den zur Übertragung nötigen Spulensatz vor Umwelteinflüssen wie Wasser und Staub. Die Elektronik der stationären Einheit (Base) wandelt die Gleichspannung in eine Wechselspannung mit – je nach Koppler – Frequenzen zwischen 50 und 200 Kilohertz um. Die Energieübertragung erfolgt, indem die Wechselspannung von dem Spulensatz im stationären Teil in ein wechselndes Magnetfeld umgewandelt wird und in Richtung mobile Seite (Remote) über den Luftspalt abgestrahlt wird. Auf der mobilen Seite erfolgt wiederum die Umwandlung des eingefangenen Magnetfeldes in eine elektrische Spannung mittels Spulensatz. Für die Signalübertragung wird ebenfalls ein Wechselmagnetfeld mit Frequenzen von 1 bis 30 Megahertz erzeugt. Die Signalübertragung erfolgt durch Modulation (Senderseite) und Demodulation (Empfängerseite) der sinusförmigen Grundschwingung. Analoge Koppler übertragen die Signale innerhalb von 4 bis 5 Millisekunden, digitale Koppler innerhalb von 1 Millisekunde. Bei Kopplern für Ethernet oder IO-Link beträgt die interne Durchlaufzeit nur etwa 10 Mikrosekunden. Je nach Koppler sind Luftspalte und nichtmetallische Hindernisse von 2 bis 10 Millimeter überbrückbar und ein Winkelversatz bis 20 Grad ausgleichbar.

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Aus der potenzialfreien Nahfeldübertragung über einen Luftspalt resultiert viel Flexibilität in der Applikation. Es lässt sich beispielsweise innerhalb eines Toleranzfeldes Versatz zwischen mobiler und stationärer Seite ausgleichen. Die Koppler sind auch bei hohen Drehzahlen, unter rauen Umgebungsbedingungen oder in Reinraumapplikationen einsetzbar. Standardmäßig stehen Koppler für die Leistungsübertragung von einem bis 1.500 Watt zur Verfügung; für kundenspezifische Anwendungen können auch Systeme für höhere Leistungen entwickelt werden. Begrenzender Faktor ist hier die zur Verfügung stehende Koppelfläche: Je größer sie ist, umso mehr Leistung ist übertragbar. Die Signale sind in Form von Analogsignalen (0–10 V / 4–20 mA) oder Digitalsignalen (PNP) via ethernetbasierte Feldbusse, I/O-Link und CAN-Bus übertragbar.

Anwendungsbeispiele für Radialkoppler

Die Radialkoppler in Scheibengeometrie wurden für Maschinen entwickelt, bei denen die Übertragung von Energie und Signalen auf eine sich bewegende Maschinenkomponente oder eine rotierende Welle erfolgen soll. Anwendungsbeispiele hierfür sind Werkzeugmaschinen oder End-of-Arm-Toolings bei Robotern: Mit den induktiven Kopplersystemen ist die Spannkraft in einem Spannfutter auch während der Rotation permanent überwachbar. Auch endlos rotierende Applikationen sind mit den Induktivkopplern problemlos realisierbar. Bei einem Robotergreifer zeigt die berührungsfreie Übertragung von Energie und Signalen ebenfalls ihre Vorteile: Da die elektromechanischen Robotergreifer teilweise so hochdynamisch beschleunigen, brechen Kabel oft nach einer gewissen Zeit durch die entstehenden Kräfte. Mit dem Kopplersystem ist diese Gefahr gebannt. Wenn am Greifer eine Kamera installiert ist, erfolgt die schnelle Signalübertragung mittels Ethernet. Die Koppelsysteme sind dank der verschleißfreien Übertragung auch in Reinräumen anwendbar.

Anwendungsbeispiele für zylinderförmige Koppler

Die zylinderförmigen Induktivkoppler unterstützen das Dynamic Pairing – die stationäre Einheit kann mit vielen unterschiedlichen mobilen Einheiten gleicher Bauart kommunizieren. Die Kommunikation einer Remote-Einheit mit verschiedenen Base-Einheiten ist ebenfalls möglich. Immer wenn Remote und Base sich gegenüberstehen, verbinden diese sich innerhalb von rund 100 Millisekunden miteinander, sodass die Energie- und Signalübertragung erfolgen kann. Die Koppler sind somit ideal geeignet zum Beispiel für Transportsysteme: Bei Conveyor-Systemen arbeitet eine Base-Einheit mit vielen Remote-Einheiten zusammen. Diese Lösung bietet sich an für ein Band mit Werkstückträgern, auf denen die Remote-Einheiten angebracht sind. Passieren diese Werkstückträger die Base, erfolgt schnell die Kopplung, und die Medienübertragung kann erfolgen. Auch die zylinderförmigen Koppler sind in Reinräumen einsetzbar.

Auch für robuste Anwendungen mit mobilen Maschinen stehen schockresistente zylinderförmige Koppler in IP 67 zur Verfügung. Beispielsweise kann durch die Induktivkoppler ein schneller und mannloser Werkzeugwechsel erfolgen, etwa das Anbringen von unterschiedlichen Sortiergreifern an Baggern. Hierfür wird am Aufnehmer des Baggerarms die Base befestigt und an den Sortiergreifern jeweils eine Remote-Einheit. Beim Wechsel wird der Greifer innerhalb von 100 Millisekunden gekoppelt, und die zuverlässige Kommunikation zwischen Bagger und Anbauwerkzeug startet. Der Fahrer muss dafür die Baggerkabine nicht verlassen. Verschleißbehaftete und schmutzanfällige Stecker gehören somit der Vergangenheit an. Die Signalqualität wird auch bei den in Baumaschinen auftretenden starken Vibrationen und Stößen nicht beeinträchtigt. Bei Bedarf können die Koppler auch kundenspezifisch angepasst werden.

Dieser Artikel erschien in der Ausgabe 12/23

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