29.10.2013

Das passt

Positionieraufgaben zuverlässig, hoch genau und vor allem verschleißfrei zu lösen bei gleichzeitiger Störunempfindlichkeit sowie bester Reproduzierbarkeit und Linearität - vor drei Jahrzehnten galt diese Anforderung in der Kunststoffindustrie noch als nahezu unerfüllbar. Auf der Kunststoffmesse K erlebte die Automatisierungsbranche 1983 dann eine kleine Revolution. Die damalige Philips Elektronik für Wissenschaft und Industrie GmbH stellte in ihrem Automatisierungssystem einen völlig neuen Wegaufnehmer mit außergewöhnlichen Eigenschaften vor. Es handelte sich um einen magnetostriktiven Positionssensor der Hellwig GmbH - später MTS Sensor Technologie.

Autor: Dr. Anke Hedfeld, Marketing & Kommunikation, MTS Sensor Technology GmbH


Bild 1: Magnetostriktive Positionssensoren ermitteln an verschiedenen Bewegungsachsen von Spritzgießmaschinen Positionen.
Bild: MTS Sensor Technologie GmbH & Co. KG

Bis in die 1980er-Jahre hing die Qualität der Formteile stark vom Können des Maschineneinrichters ab. Diesbezüglich steigende Anforderungen waren es schließlich, die den Einsatz der elektronischen Wegmesssysteme in Kunststoffspritzgießmaschinen forcierten. Ein wesentlicher Vorteil lag in der besseren Reproduzierbarkeit der voll geregelten Produktionsprozesse und der Möglichkeit zur visuellen und elektronischen Prozess- und Maschinenfunktionsüberwachung mit Hilfe der ausgegebenen digitalen Messwerte. Die Erwartungshaltung an eine integrierte Automatisierungslösung war daher groß. Ein hochpräzises System zur Positionsermittlung musste nicht nur den rauen industriellen Einsatzbedingungen Stand halten, sondern auch verfahrenstechnische Ansprüche erfüllen. Mit Hilfe von Voll-Hydraulikantrieben sollten Schließbewegungen genauso harmonisch und so schnell wie möglich ablaufen, wie mit einem mechanischen Kniehebelsystem. Beschleunigungen und Verzögerungen von über 8m/s² und Geschwindigkeiten von >1m/s mussten dazu in geschlossenen Regelkreisen reproduzierbar eingehalten werden. Die Positioniergenauigkeit und Wiederholbarkeit spielte auch damals nicht nur bei Verschleißminimierung, komplexen Kernzügen, Robotersynchronisierungen und Zykluszeitverringerungen eine wichtige Rolle. Auch heute noch gelten die gleichen dynamischen Anforderungen, um das geforderte Qualitätsniveau der zu fertigenden Kunststoffteile reproduzierbar zu erreichen. So ließen sich die Polster-Veränderungen von Schuss zu Schuss grafisch als Trendkurve darstellen. Mit dem Vergleich zum Werkzeug- und Schmelze-Temperaturverlauf sowie dem Forminnendruckmaximum konnten Rückschlüsse auf den Verschleißzustand der Rückstromsperre gezogen werden. Denn die magnetostriktiven Temposonics Sensoren überzeugen durch langzeitstabile präzise Datenermittlung ohne Drift. Schnelle Druck- und Geschwindigkeitsregelkreise werden analog und direkt digital lösbar. Toleranzbandüberwachte Prozessgrafiken mit ms-Auflösung des Einspritzverlaufes von Hydraulik-, Forminnendruck und des Einspritzkolbenwegverlaufes verdeutlichten erstmals präzise genug die Formfüllung: CD-Produktionen in Serienmaschinen mit ihren hohen optischen Ansprüchen an den reproduzierbaren Schmelze-Fließfrontverlauf wurden damit erst möglich, so das Resümee der Verfahrens- und Produktionsexperten der 80er-Jahre. Der Produktionsprozess wurde transparent und Sollwertrezepte, auf externe Datenträger und PCs abgespeichert, öffneten den Weg zur direkten Produktionsplanung und -steuerung über zentrale Leitrechner. Zunächst stellten verschleißbehaftete Schubstangenpotenziometer, Drehwinkelgeber und optisch abgetastete Glasmaßstäbe in der Positionsermittlung von Kunststoff verarbeitenden Maschinen das 'Maß der Dinge' dar.

Der Trick mit der Zeitmessung

In den 1970er-Jahren entwickelte der Physiker Jacob Tellerman für MTS Sensors das magnetostriktive Messverfahren, die sogenannte Temposonics Technologie. Eine simple Idee mit weitreichenden Folgen, denn die Positionsermittlung konnte nun nicht nur äußerst genau, sondern absolut, ohne erforderliche Referenzpunktanfahrt erfolgen. Die entwickelte Technik zeichnet sich durch eine große Unempfindlichkeit gegenüber Störeinflüssen von außen, eine gute Auflösung und Messwiederholbarkeit sowie beste Linearität aus. Da der zur Positionsermittlung verwendete Dauermagnet berührungslos über den Sensorstab gleitet, sind die Wegaufnehmer außerdem verschleißfrei und weisen eine nahezu unbegrenzte Lebensdauer aus. In den 1980er-Jahren begannen Temposonics-Wegaufnehmer mit dem Start-/Stopp-Signalausgang ihren Siegeszug in der Kunststoff-Technik. Auch heute noch gelten die digitalen Sensoren als einfaches und elegantes Auswerteverfahren für die Kommunikation mit schnellen Steuerungen und stehen für eine dynamische und gleichzeitig ökonomische Positionsermittlung. Darüber hinaus sind die Positionssensoren mit zahlreichen marktüblichen Ausgangssignalen und verschiedenen Bauformen für unterschiedlichste Anforderungen erhältlich.

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Maßgenaue Anwendungen

Die Anwendungsmöglichkeiten für Positionssensorik sind schon in Standard-Spritzgießmaschinen vielfältig. Hier benötigen insbesondere die Maschinenbewegungen auf der Schließ- und auf der Spritzseite eine hochgenaue und dynamische Positionsregelung. Wesentlichen Einfluss auf die Qualität des Endprodukts hat die richtige Materialdosierung über die Schnecke. Die Menge, der in das Werkzeug eingespritzten Kunststoffschmelze ist abhängig von dem zurückgelegten Einspritzweg. In Kombination mit den entsprechenden Drücken und Geschwindigkeiten bestimmt dieser direkt die Qualität der Formteile, weshalb die Schneckenbewegung einen hochgenauen Antrieb benötigt. In Spritzgießmaschinen moderner Bauart erfolgt dies mittels Regelung auf der Basis der vom Positionssensor übermittelten Messwerte. Des Weiteren ermittelt ein Wegsensor präzise die Position der Einspritzeinheit, die an das Werkzeug heranfährt, um den Aufbau des Anpressdrucks freizugeben und damit die Zykluszeiten zu minimieren. Auf der Schließseite sind die Wege der beweglichen Werkzeughälfte bzw. der Werkzeugaufspannplatte sowie der Weg des Auswerfers wichtig für das Entformen der Formteile. Positionssensoren ermitteln diese Bewegungsabläufe des Werkzeugs, um einerseits Zykluszeit zu sparen (das heißt, möglichst schnell zu fahren), andererseits hochpräzise geregelt zu werden und sanft die Endlage anzufahren. Mangelnde Präzision kann langfristig das Werkzeug durch mechanische Beanspruchung beschädigen. Ein nicht vollständiger Verschluss des Werkzeugs wiederum kann Gratbildung bedeuten. Nicht nur das injizierte Materialvolumen, sondern auch der Innendruck des Werkzeugs beeinflusst die Qualität des Spritzgießprodukts maßgeblich. Um die Auswirkungen der hochdynamischen Druckverhältnisse auf der Schließseite zu überwachen, ermitteln zusätzliche Positionssensoren die Holmendehnungen, sodass bei Abweichungen durch thermische und mechanische Einflüsse nachjustiert werden kann. Nach dem Abkühlvorgang sorgt schließlich der Auswerfer für das Entfernen des Kunststoffprodukts aus dem geöffneten Werkzeug, dessen Bewegungsablauf ebenfalls mit Hilfe eines Positionssensors geregelt wird.

Vielfältige Vorteile

In kostensensiblen Kunststoffspritzgießmaschinen eignen sich die kompakten und kosteneffizienten Temposonics E-Serie Sensoren bestens für die Positionserfassung. Neben den bereits beschriebenen guten Leistungseigenschaften, zeichnen sie sich neben einem guten Preis-/Leistungsverhältnis durch viele Vorteile aus: Die kompakten Bauformen lassen eine Installation auch in kleinen Einbauräumen zu, sie benötigen weniger Platz als Schubstangenpotenziometer, ihre geschlossenen Bauformen machen sie unempfindlich gegenüber Staub, Verschmutzungen und elektromagnetischen Störeinflüssen. Die verschleißfreie Positionsermittlung garantiert eine lange Lebensdauer und eine beständige Messung ohne Drift über den gesamten Lebenszyklus. Sie sind in standardisierten Längen von 50 bis 3.000mm erhältlich und um weitere Kosten und Platz zu sparen, können bei einem mit zwei Magneten ausgerüsteten Sensor zwei Positionen gleichzeitig erfasst werden. So lassen sich z.B. Formbewegung und Auswerfer mit je einem Magneten auf einen gemeinsamen Sensor koppeln. Ebenso kann das Spritzaggregat gemeinsam mit der Dosierschnecken-/ Einspritzkolben-Position über einen zweiten Sensor ausgewertet werden. Noch mehr Optionen, wie z.B. eine Multipositions-Messung mit bis zu 30 Magneten, vielfältige Bauformen sowie einzigartige mechanische Designs runden die Sensorserie ab.

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Vorbildfunktion für weitere Märkte

Nach den Spritzgießmaschinen folgten in den 1980er-Jahren die anderen Kunststoffverfahrenstechniken und statteten ihre Applikationen mit den unkomplizierten Wegaufnehmern aus. Insbesondere die komplexen Blasformanlagen und Spritzblasmaschinen erlebten dadurch eine freizügigere Flexibilität bei der Aufgabenanpassung und Umrüstung. Seit Jahren lassen sich die Sensoren mit Direktanschluss an alle gängigen Feldbus-Systeme erwerben. In der Kunststoff-Industrie sind dies vor allem CANopen neben Profibus DP. In letzter Zeit mehren sich international allerdings auch Anwendungen mit den auch in der Euromap 75 definierten Realtime-Ethernet-Verbindungen. Weiterhin stark verbreitet ist das klassische direkte digitale Punkt-zu-Punkt-Protokoll SSI. Schnell bei hoher Auflösung und preiswert in der Einzelverkabelung sind dort anerkannte Kernmerkmale.

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MTS Sensor Technologie GmbH
Heilind Electronics GmbH - Oktober