Sensorik für die Automation  Mit Ultraschall und Induktion zur digitalisierten Werkstückbearbeitung

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SMW-AUTOBLOK Spannsysteme GmbH

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Was passiert, wenn ein führender Hersteller von Spannsystemen mit einem eigenen Unternehmen die Entwicklung von Sensorlösungen für die Werkstücküberwachung voran treibt, zeigt dieser Beitrag. 

In der digitalen Fabrik ist alles eine Frage der Kommunikation. Manche Aktoren müssen nur noch zum „Reden“ gebracht werden. Sensoren erfassen und vermitteln Informationen, mit denen Prozesse automatisiert ablaufen können. Sie sind zum wichtigen Werkzeug in der industriellen Automation geworden.

SMW-electronics entwickelt Sensorlösungen für die Werkstücküberwachung in Spannsystemen

„Die Sensorik ist ein Schlüssel, um Prozesse für die Automation zu erschließen“, sagt Tobias Schneider, Business Development bei SMW-Autoblok. Als eines der führenden Unternehmen für die Entwicklung und Fertigung von Spannsystemen zählt die Gruppe zu den Global Playern in der Digitalisierung der Werkstückbearbeitung. 2021 bündelte der Hersteller aus Meckenbeuren im Bodenseekreis seine globalen Aktivitäten im Bereich digitalisierter Prozesse und Automation im Unternehmen SMW-electronics. Das Entwickeln von Sensorlösungen für die Werkstücküberwachung in Spannsystemen ist einer seiner Schwerpunkte.

"Für eine funktionale Automation müssen Sensoren idealerweise drei Eigenschaften erfüllen“, so Schneider. „Sie müssen ein hohes Maß an Effizienz, Flexibilität und Sicherheit bieten. Erst dann ermöglichen sie eine zuverlässige Integration ins Produktionssystem.“ Um dies mit seinem Sensorikportfolio zu bedienen, erarbeitet SMW zum Teil eigene Ansätze. 

Gebereinheit mit spitzförmiger Geometrie

Mit seinen Sensoren der Reihe LPS 4.0 konnte das Unternehmen die Effizienz deutlich erhöhen. Sie decken einen größeren Messbereich als andere Sensoren mit vergleichbarer Größe ab. Das Besondere ist dabei die Gebereinheit. Ist sie bei anderen Wegmesssystemen üblicherweise rechteckig, verfügt sie beim LPS über eine spitzförmige Geometrie. Die rechteckige Grundform wird beidseitig abgewinkelt, der Messbereich dadurch entscheidend vergrößert. „Wir können somit weiter in die Endlagen fahren und erzielen auf diese Weise ohne Mehraufwand eine höhere Genauigkeit in der Messung“, erklärt Tobias Schneider. Die Gebereinheiten für das LPS sind zwischen 11 und 19 Millimeter breit; je nach LPS-Variante sind damit Messbereiche von derzeit bis zu 120 Millimeter realisierbar.

Flexibilität dank absoluter Positionierung

Ein hohes Maß an Flexibilität erzielen die SMW-Sensoren vor allem aufgrund ihrer Positioniereigenschaften. Neben klassischen PNP-Sensoren, die ein digitales Signal ausgeben, bietet SMW auch Sensoren mit analoger Signalausgabe von 0 bis 10 V oder 4-20 mA. Während digitale Signale vor allem für die reine Anwesenheitskontrolle geeignet sind, da sie zwischen zwei Werten – 0 oder 1, „vorhanden“ oder „nicht vorhanden“ – unterscheiden, können analoge Signale eine Veränderung des Messwerts abbilden. Dadurch sind sie in der Lage, jede Position beispielsweise innerhalb eines Spannhubs kontrolliert anzusteuern.

Eine effiziente wie verlässliche Sensorik ist gut, aber letztlich nur ein Teil einer funktionalen Automation.

Tobias Schneider

Wie das in der Praxis aussehen kann, zeigt die selbstzentrierende Lünette von SMW für Drehmaschinen. Konnte bei einer konventionellen Messung mittels Näherungsschalter bislang die Endlage abgefragt werden, ermöglicht das Ultraschall-Wegmesssystem USP 4.0 von SMW ein kontrolliertes Anfahren auch von Zwischenpositionen der Lünettenhebel.

Kontaktlos für hohe Sicherheit

Einen hohen Stellenwert in der SMW-Entwicklung hat die Sicherheit der Automationsprozesse. Das Unternehmen setzt ausschließlich auf berührungsfreie Messmethoden. Diese sind verschleiß- und wartungsfrei, was ungeplante Stillstandzeiten verringert und die Anlagenverfügbarkeit erhöht. Das Wegmesssystem USP 4.0 misst den Abstand zu Objekten mittels der Ultraschallwellen. Dabei kann dieses aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Selbst die Oberfläche flüssiger Medien erfasst das USP. Die Sensoren der SMW-Reihen LPS 4.0 und IPS 4.0 messen ebenfalls kontaktlos. Ihre Wegmessung erfolgt induktiv mittels eines elektromagnetischen Wechselfelds.

„Eine effiziente wie verlässliche Sensorik ist gut, aber letztlich nur ein Teil einer funktionalen Automation“, sagt Tobias Schneider. SMW entwickelt daher auch prozessnahe Lösungen, mit denen sich seine Sensoren in das Produktionssystem einbinden lassen. Induktive Koppelsysteme übertragen Energie und Signale berührungslos zwischen mobilen und stationären Einheiten. Der Austausch erfolgt über einen Luftspalt und damit komplett abriebfest ohne Kabel, Stecker oder Schleifringe. Das macht die Systeme nicht nur verschleiß- und wartungsfrei, sondern ermöglicht auch die Bewegungsfreiheit für mobile Einheiten.

Systemintegration ohne Kabel

Je nach Anwendung sind verschiedene Formate der induktiven Koppelsysteme erhältlich, die SMW auf Wunsch auch gemeinsam mit der Sensorik oder weiteren Komponenten als umfassende Turnkey-Solution aus einer Hand anbietet. Das kubische Koppelsystem C40 ist vor allem für Greifwechselsysteme im End-of-Arm-Tooling und für Wechselpaletten in der Intralogistik geeignet. Die scheibenförmigen Koppelsysteme der F-Reihe sind in beide Richtungen endlos rotierbar, was sie vor allem für den Einsatz in Werkzeug-, Verpackungs- oder auch in Automationsprozessen in der Medizintechnik prädestiniert. Das jüngste Beispiel ist die Hybrid Rotary Union (HRU). Die Hybrideinheit ist in der Lage, neben der induktiven Energie- und Signalübertragung auch eine Versorgung mit Luft, Öl oder Kühlmittel herzustellen. Auch hier ist eine endlose Rotation möglich, selbst bei hohen Drehzahlen.

Positionierung von Werkstücken per Luftanlagenkontrolle erfassen

„Zum Teil erschließen solche Systemlösungen Anwendungen für die Automation, die zuvor für die Robotik nicht zugänglich waren“, sagt Schneider. Als Beispiel nennt er die Messmethode der Luftanlagenkontrolle, mit der mittels Unterbrechung eines Luftstroms die Anwesenheit beziehungsweise korrekte Positionierung von Werkstücken erfasst wird. „Diese funktioniert lediglich bis 20µ. Um verlässlich zu arbeiten, muss das Automationssystem aber die genaue Position des Objekts kennen.“ Eine Messung per Ultraschall oder Induktion erweitert diesen Bereich erheblich, die Information dazu wird dann induktiv via Koppelsystem an die Steuerungsebene der digitalen Fabrik übertragen.

Nächster Schritt: Machine Learning

Die Koppelsysteme sieht Schneider als wichtigen Ausgangspunkt für den nächsten Schritt. „Dieser wird in Richtung künstliche Intelligenz (KI) und Machine Learning gehen“, sagt er. Eine KI könne dann beispielsweise aus regelmäßig auftretenden Fehlern bei der automatischen Werkstückpositionierung Handlungsempfehlungen ableiten und eigenständig eine Qualitätssicherung durchführen. Tobias Schneider von SMW ist sich sicher: „Ohne das effiziente, genaue und sichere Erfassen sowie Übertragen von Signalen wäre dieser Schritt undenkbar.“ 

Petra Müller arbeitet im Marketing bei SMW-Autoblok in Meckenbeuren.