Berührungslose Drehmomentmessung Die Evolution optischer Sensorik

Hohe Präzision und Robustheit erfüllt ein neuartiges optoelektronisches Messprinzip.
Hohe Präzision und Robustheit erfüllt ein neuartiges optoelektronisches Messprinzip.

Ein neuartiges optoelektronisches Messprinzip erfüllt durch hohe Präzision und Robustheit die steigenden Ansprüche an moderne Messtechnik. Doch wie können mechanische Größen optoelektronisch gemessen werden? Wo liegen die Vorteile des neuen Prinzips gegenüber etablierten Methoden?

Die Diskussion um Roboter und ihre Bedeutung für den Arbeitsplatz des Menschen hat unlängst tragischen Zündstoff bekommen. Nach dem Industrieroboter-Unfall an der Produktionsstätte eines großen deutschen Automobilherstellers stellt sich die Branche die Frage, wie die Automatisierung und ihre positiven Auswirkungen weiter vorangetrieben werden können, ohne den Menschen zu gefährden.

Ein Bereich, in dem die Zusammenarbeit von Mensch und Maschine mit Hilfe moderner Sensorik maßgeblich sicherer gestaltet werden kann, ist der Einsatz kollaborativer Roboter. Um in dieser leichteren und kleineren Klasse der Industrieroboter Anwendung zu finden, müssen Sensoren jedoch noch höhere Anforderungen an Genauigkeit, Geschwindigkeit und Signalgüte erfüllen. Auch in der industriellen Fertigung im Ganzen spielt die Weiterentwicklung und Optimierung bestehender Messtechnologien eine zentrale Rolle. Moderne Sensoren sollen Anlagenbetreibern helfen, mögliche Fehlerquellen rechtzeitig zu erkennen und auf diese Weise Standzeiten zu verringern. Durch präzise und zuverlässige Messergebnisse sollen sie zudem die maximale Kapazitätsauslastung der Maschinen und die Beschleunigung der gesamten Produktion ermöglichen.

Vor diesem Hintergrund hat das Münchner Unternehmen Konux eine neuartige optoelektronische Sensortechnologie für den Einsatz in der industriellen Fertigung entwickelt (Bild 1). Am Anfang der optoelektronischen Messung steht eine Leuchtdiode (LED), die Licht auf eine Photodiode strahlt. Dieses Licht wird im Empfänger in Strom und anschließend in elektrische Spannung umgewandelt. Im Ruhezustand gibt ein stabiles Signal somit die aktuelle Stellung an. Zwischen Lichtquelle und Empfänger befindet sich ein patentierter Konverter, der sich durch Krafteinwirkung verschiebt. Diese Bewegung führt wiederum zu einer Veränderung der Lichtmenge und zu einer Änderung der entstehenden Spannung. Die Bewegung des Konverters ist somit direkt proportional zum generierten Signal. Da es sich um sogenannte smarte Sensoren handelt, geben sie die Ausgangsspannung nicht ungefiltert aus. Stattdessen wird das Signal noch im Sensor verarbeitet und ausgewertet, wodurch keine aufwändige Auswertungs-Software benötigt wird.

Optoelektronische Sensoren werden in erster Linie für die präzise Bestimmung mechanischer und geometrischer Größen eingesetzt, darunter Drehmoment, Winkel, Durchfluss oder auch Neigung (Bild 2). In der Drehmomentmessung wird das optoelektronische Prinzip beispielsweise mit Hilfe zweier Konverterscheiben auf der Welle umgesetzt. Wird ein Drehmoment angelegt, so verdreht sich die Welle und die beiden Scheiben verdrehen sich zueinander. Die Torsion lässt sich durch die Messung beider Winkel bestimmen und ist direkt proportional zum angelegten Drehmoment. Die Messelektronik des Sensors ist direkt am Gehäuse befestigt. Das optoelektronische Messprinzip ermöglicht neben der Bestimmung des Drehmoments eine integrierte Winkelmessung, wodurch sich die absolute Position der Welle zu jedem Zeitpunkt bestimmen lässt.