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Magnescale Messtaster

eddylab GmbH ist Hersteller und Sensorspezialist auf dem Gebiet hochpräziser Wegmesstechnik und Ihr Ansprechpartner bezüglich Anwendungsberatung, Vertrieb, Service und Reparatur.

Auf dieser Seite lernen Sie die Funktionsweise digitaler Messtaster nach dem Magnescale-Prinzip kennen. Diese Sensoren werden in industriellen Applikationen mit höchster Anforderung an die Genauigkeit eingesetzt und müssen gleichzeitig unbeeinflusst von Temperaturschwankungen sowie widerstandsfähig gegenüber Vibration, Feuchtigkeit, Verschmutzung und externen Störfeldern sein.

Funktionsweise von Messtastern

Digitale Messtaster nach dem Magnescale-Prinzip besitzen mehrere MR-Elemente, die nach dem GMR-Effekt (engl. "giant magnetoresistance", dt. „Riesenmagnetowiderstand“) arbeiten. Die MR-Elemente ändern ihren elektrischen Widerstand abhängig von der Stärke und Richtung der magnetischen Feldstärke (Flussdichte) eines externen Magnetfeldes.

Das externe Magnetfeld wird durch einen permanent magnetisierten Neodym-Eisen-Bor-Maßstab mit wechselnder Nord-Süd-Polteilung gebildet, der durch die äußere Bewegung des Messtasters an den MR-Elementen vorbei geführt wird.

Die Widerstandsänderung im MR-Element basiert auf der Ablenkung des direkten Stromweges durch die magnetische Feldstärke (Flussdichte) aufgrund der Lorentzkraft. Durch die magnetische Feldstärke fließt der Strom nicht auf kürzestem Weg geradlinig durch das Element, vielmehr verläuft er in Zickzacklinien, die einen vergrößerten Weg und damit höheren Widerstand aufweisen. Je höher die magnetische Feldstärke ist, desto ausgeprägter ist der Zickzack-Stromverlauf und folglich der Widerstandsanstieg. Um eine hohe Widerstandsänderung und damit hohe Empfindlichkeiten der MR-Elemente zu erzeugen, bestehen die einzelnen MR-Elemente der Magnescale-Sensoren aus Bismut. Hierbei handelt es sich um ein höchst diamagnetisches Metall mit der größten Widerstandsänderung (über 100 %) aufgrund externer Magnetfelder verglichen mit anderen Elementen. Damit lassen sich Flussdichten im Bereich von 0,0001...5 mT hochgenau messen. Bismut MR-Elemente sind dadurch für die Sensortechnik besonders gut geeignet.

Der Betrieb der MR-Elemente erfolgt über Wheatstone-Messbrücken. Die MR-Elemente sind räumlich so angeordnet, dass durch die geführte Bewegung des Maßstabs an den MR-Elementen drei um 120° versetzte Sinussignale entstehen. Durch die gleichzeitige Auswertung der Sinussignale kann die Bewegungsrichtung detektiert werden und eine besonders effektive Fehlerkorrektur (Amplituden-, Phasen- und Offsetfehler) durchgeführt werden. Dies ist Garant für höchste Genauigkeiten im Submikrometerbereich und bietet deutliche Vorteile im Vergleich zu konventionellen Systemen mit nur zwei um 90° versetzten Sinussignalen.

Eine Auswerteeinheit interpoliert die Sinussignale zu einem inkrementellen TTL-Ausgangssignal mit spezifizierter Auflösung (Transistor-Transistor-Logik).

DK800S - mit höchster Präzision

Die digitalen Messtaster weisen extrem gute Linearitäten auf. Der maximal zulässige Messfehler ist über den gesamten Messbereich definiert. Jedes Gerät wird mit einem Kalibrierschein ausgeliefert und darin sind die tatsächlichen Messabweichungen sichtbar, die meist deutlich die max. zulässigen Werte unterschreiten. Für besonders hohe Anforderungen an die Genauigkeit nimmt die eddylab GmbH auf Wunsch eine Auswahl besonders hervorragender Sensoren vor.

Besondere Präzision bietet die DK800S-Serie aufgrund der neu entwickelten Wellennutlagerung. Die Kugeln des Linearkugellagers laufen in Rundnuten, die präzise in den Stößel eingearbeitet sind. Dadurch ergibt sich eine 5-fach höhere Lagertragfähigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Kugelbuchsen. Außerdem erlaubt diese Lagerungstechnik ein kleineres Lagerspiel zwischen Stößel und Lagerbuchse. Durch die Wellennutlagerung ist der Stößel spielfrei verdrehgesichert. Hierdurch wird der DK800S noch präziser und widerstandsfähiger und erreicht dank der geringeren Reibung eine Lebensdauer von über 130 Millionen Zyklen.

DK800S mit Wellennutlagerung - Garant für höchste Präzision

 

Die Vorteile der Wellennutlagerung im Überblick:

- höchste Präzision und Wiederholgenauigkeit
- 5-fach höhere Lagerbelastbarkeit
- verringerte Reibungskraft
- spielfreie Verdrehsicherung des Stößels
- deutlich höhere Lebensdauer von über 130 Mio. Messzyklen

Das TTL-Signal

Ähnlich wie bei inkrementalen Drehgebern werden die Pulse des Messsystems als TTL-Signal ausgegeben. Das TTL-Signal besteht aus High- und Low-Pegeln, die sich durch ihre Spannungshöhe unterscheiden. Während ein High-Pegel einen Spannungswert nahe der Betriebsspannung von 5 V darstellt, besitzt der Low-Pegel einen Spannungswert von nahezu 0 V. Da analoge Spannungen auf ihrem Übertragungsweg (Kabel) hinsichtlich Verstärkung und Offset etwas verfälscht und verzerrt werden, eignet sich die TTL-Signalausgabe besonders gut, da die Höhe der Signalpegel unabhängig von der Genauigkeit des Messsystems ist. Es muss nur festgestellt werden, ob ein High- oder ein Low-Pegel anliegt, welcher Spannungswert dies genau ist, spielt dabei keine Rolle. Übertragen werden nur die diskreten Zustände high oder low. Die Auflösung des inkrementellen Messsystems kann so störungsfrei übertragen werden. Bewegt sich der Stößel eines inkrementellen Tasters mit einer Auflösung von 0,1 µm um beispielsweise 1 µm, werden 10 Pulse ausgegeben (1 Puls pro 0,1 µm). Das Ausgangssignal wird durch zwei Kanäle A und B gebildet, die 90° phasenversetzt ausgegeben werden. Ein Puls entspricht dabei immer einer steigenden oder fallenden Flanke des A- oder B-Signals (4-fach Flankenauswertung).

ABZ-Pulse

 

Die DK- und DK800S-Serien von Magnescale besitzen zusätzlich einen Referenzpunkt (Z-Signal). Dieser kann zur Referenzierung des Systems genutzt werden. Beispielsweise kann in einer Endlage mit dem Z-Signal der Zählerstand in der Maschinensteuerung oder das Display einer Zähleranzeige auf Null gesetzt werden.

TTL-Ausgangssignale sind industriell weit verbreitet und können über Zählereingänge bzw. Encodereingänge von Maschinensteuerungen (SPS), Zähleranzeigen oder Messkarten für Computer verarbeitet werden. Dies erlaubt eine einfache und störungsfreie Adaption an alle gängigen Maschinensteuerungen.

Vibrations- und Schockbeständigkeit

Magnescale Messtaster besitzen eine ausgezeichnete Vibrations- und Schockbeständigkeit, da kein empfindlicher Glasmaßstab verbaut ist. Neodym-Eisen-Bor bildet das Basismaterial des Maßstabes. Dieses wird mit einer Schutzschicht überzogen und anschließend gehärtet. Ein Bruch des Maßstabes durch starke Schockbelastung ist nicht möglich. Dies stellt einen außerordentlichen Vorteil gegenüber Messtaster mit Glasmaßstab dar.

Die Gehäuse sind robust aus Edelstahl und Zinkdruckguss ausgeführt. Die Stößellagerung ist bei der DT-Serie durch eine Gleitlagerung, bei der hochgenauen DK und DF-Serie mittels Linearkugellager ausgeführt. Die Stößel der Sensoren sind gehärtet und besitzen eine Hartchromschicht. Dadurch wird die Verschleißfestigkeit extrem erhöht und die Lebensdauer beträgt über 100 Mio. Zyklen. Die Stößel der DT-Serie erhalten eine zusätzliche, reibungsmindernde DLC-Gleitschicht.

Verschmutzung und Schutzklasse

Die Magnescale Messtaster gibt es in unterschiedlichen Schutzklassen bis IP67 und ermöglichen daher auch den Einsatz in feuchter Umgebung. Üblicherweise wird der Stößel durch einen Faltenbalg geschützt oder die Stößellagerung mit einem System aus verschiedenen Wellendichtringen ausgeführt. Dies macht die Wegaufnehmer sehr widerstandsfähig gegenüber Verschmutzung mit Wasser, Öl und Staub und gewährleistet eine hohe Lebensdauer selbst in harter Industrieumgebung. Des Weiteren ist das Magnescale Messprinzip unempfindlich gegenüber Verschmutzung, da die Abtastung über die magnetische Polteilung und Erfassung über ein MR-Element erfolgt. Dies ist ein entscheidender Vorteil gegenüber optischen Messsystemen mit Glasmaßstab.

Für reine Laborumgebungen mit höchsten Anforderungen an die absolute Genauigkeit und Wiederholbarkeit werden die Geräte ohne jegliche Schutzklasse ausgeführt. Dies hat den Vorteil, dass die Lagerung des Stößels nahezu reibungsfrei ausgeführt werden kann und dadurch ein Stick-Slip-Effekt vermieden wird. Kleinste Bewegungen im Submikrometerbereich mit wechselnder Bewegungsrichtung werden hochpräzise und hysteresefrei erfasst.

Pneumatik- und Vakuumbetätigung

Die Magnescale Messtaster sind optional als pneumatisch betriebene Variante oder Vakuumvariante verfügbar. Per Druckluft betätigbare Sensoren der DT-Serie erhalten einen optionalen Luftabheber, der die Tastspitze im drucklosen Zustand einzieht. Dies verhindert zuverlässig Kollision im passiven Zustand. Bei Beaufschlagung von Druckluft im Bereich von 2,5 … 7 bar wird der Stößel zur Messung ausgefahren. Ebenso kann über den applizierten Druck die Messkraft der Tastspitze auf das Objekt eingestellt werden.

Über das Drosselventil kann die Ausfahrgeschwindigkeit eingestellt werden, um ein Prellen der Messspitze auf das Messobjekt zu vermeiden oder ein sanftes Aufsetzen bei besonders empfindlichen Messobjekten zu erreichen. Geräte der Serie DK800 (Version L) besitzen einen direkten Luftanschluss, der via Vakuum den Stößel einzieht. Im vakuumlosen bzw. drucklosen Zustand wird dieser durch die interne Druckfeder zur Messung herausbewegt.

Betrieb mit Luftabheber:

- Luftschläuche mit einem Außendurchmesser von 4 mm können verwendet werden.
- Die zugeführte Luft sollte mit einem Filter gereinigt werden.
- Ohne Luftabheber drückt eine Feder im Sensor den Stößel nach außen.
- Mit Luftabheber wird der Stößel von einer stärkeren Feder im Luftabheber nach innen gezogen.
- Bei Beaufschlagung mit Druckluft wird der Stößel zur Messung ausgefahren.
- Die Geschwindigkeit des Ausfahrvorganges bei Druckluftbeaufschlagung kann mittels Drosselventil am DZ176 eingestellt werden.

Einsatzgebiete

Die maximale Einsatztemperatur von 50 °C qualifiziert die Wegaufnehmer sowohl für reine Laborbedingungen als auch für industrielle Umgebungen. Hochgenaue Messungen werden häufig zur Qualitätssicherung benötigt wie z.B. für Bauteileprüfungen im Wareneingang sowie zur kontinuierlichen Überwachung von Fertigungsprozessen und Montagevorgängen. Die digitalen Messtaster sind sehr kompakt aufgebaut und lassen sich vielfältig konfigurieren, so dass sie nahezu universell in Maschinen, Vorrichtungen, Prüfständen und Anlagen zur Fabrikautomation einsetzbar sind.

Anschlussmöglichkeiten Messtaster

Die digitalen Magnescale-Messtaster können sowohl als „Stand-Alone“ als auch in Verbindung mit Multifunktionsanzeigen oder Interface-Modulen betrieben werden. Hierdurch ergeben sich viele schnelle und unkomplizierte Möglichkeiten zur Installation. Ebenso können Magnescale-Messtaster mit TTL-Schnittstelle an unterschiedliche Steuerungen oder Anzeigen eines Fremdherstellers angeschlossen werden.

Mehrkanalschnittstellen ermöglichen wirtschaftlich und platzsparend bis zu 100 Messtaster gleichzeitig zu betreiben. Das CC-Link- und EtherNet-Interface der MG50-Serie garantiert eine sehr schnelle und sichere Übertragung aller Messwerte und ist kompatibel zu Beckhoff Steuerungen. Mit Hilfe der neu entwickelten MG70 mit Profibus und ProfiNET lassen sich Messtaster in Anlagen mit Siemens Steuerungen schnell und einfach integrieren.

Zusätzlich bietet die eddylab GmbH auch flexible Multi-Interfaces für die digitalen Messtaster an. Über ein RS-232C-Interface, welches auch optional mit BCD-Schnittstelle erhältlich ist, können bis zu 64 Messtaster angeschlossen werden.

Über Multifunktionsanzeigen oder via Interface-Modul können die Daten direkt mit dem PC aufgezeichnet werden.


Modulares Interfacemodul mit Ethernet


Mit einem effektiven Messbereich von bis zu 110 mm können auch für Federtaster eher untypische Messbereiche realisiert werden. Die DK155- und DK205-Serie decken einen Messbereich von 155 bzw. 205 mm ab. Anstelle einer internen Feder, verwenden diese Wegaufnehmer eine magnetische Tastspitze zur Befestigung des Stößels an das Messobjekt.

Vorteile magnetischer inkrementeller Messtaster

  • Hohe Genauigkeit über den kompletten Messbereich

  • Hervorragend geeignet für raue Umgebungen: Öl, Wasser, Staub, Vibrationen und Stöße

  • Sehr stabile Messergebnisse über einen langen Zeitraum, kaum thermische Ausdehnung

  • Hervorragende Eigenschaften gegenüber elektromagnetischer Strahlung

  • Sehr hohe Ansprechgeschwindigkeit

Bauformen digitaler Messtaster


DT-Serie - universal einsetzbar

Die DT-Messtaster bieten den kostengünstigsten Einstieg in die digitale Messtasterwelt für Messbereiche mit 12 und 32 mm. Das Rechteckgehäuse besitzt eine kurze Baulänge und der Spannschaft besitzt einen Spanndurchmesser von 8 mm. Die Befestigung kann direkt über die beiden Gehäusebohrungen oder über den 8 mm Spannschaft erfolgen. Diese Serie ist als Federtaster ausgeführt und kann zusätzlich auch pneumatisch betrieben werden. Es wird eine Auflösung von 1 µm und eine Genauigkeit von ±6 µm erreicht.

Digitaler Messtaster der DT-Serie


DK-Serie - robuste Bauweise bis 205 mm

Die DK-Messtaster sind in besonders robuster Bauweise ausgeführt. Die Gehäuse besitzen einen vergrösserten Durchmesser mit 20, 25 und 32 mm und stabilen Messstößeln mit Durchmesser 6 bis 8 mm je nach Messbereich. Die Geräte mit 155 und 205 mm haben keine interne Feder. Der Stößel wird mit Hilfe der Magnetkraft des am Stößel angebrachten Neodym-Magneten am Objekt gehalten. Dadurch entfällt die Federkraft auf das Objekt und es bleiben nur geringste Reibungswiderstände der Stößelabdichtung, die auf das Objekt wirken.

 Messtaster DK10PLR5


DK800S-Serie - ø8 mm hochpräzise Ausführung

Die hochpräzisen Messtaster der DK800S Serie bieten eine Auflösung von 0,1 µm. Durch ihre schlanke Bauform mit einem Schaftdurchmesser von 8 mm sind sie universell einsetzbar, auch in beengten Einbausituationen oder dynamischen Anwendungen. Die DK800S-Serie ist in vielen verschiedenen Ausführungen erhältlich. Es kann zwischen radialem und axialem Kabelausgang gewählt werden. Zusätzlich sind Flanschausführung mit komfortablen Befestigungsmöglichkeiten verfügbar. Auch stehen pneumatisch angetriebene Varianten mit Druckluft- oder Vakuum-Funktion zur Verfügung.

 Verschiedene Messtaster der Serie DK800S

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