Sensoren und Aktoren

• Kraft, Masse, Drehmoment

• Lage, Länge, Distanz und Winkel

• Geschwindigkeit und Beschleunigung

• Anwesenheit und Identifikation

Beide sind Beschleunigungssensoren, funktionieren aber bei der Umwandlung in ein elektrisches Signal unterschiedlich:

• MEMS-Beschleunigungssensor: Im Sensor befindet sich eine kleine bewegliche Masse an Federn. Bei Beschleunigung verschiebt sich die Masse. Dadurch ändern sich die Abstände zwischen Elektroden und damit deren Kapazität. Die Elektronik misst diese Kapazitätsänderung und bestimmt daraus die Beschleunigung.

• Piezo-Beschleunigungssensor: Auch hier bewegt sich durch die Beschleunigung eine Masse. Diese übt jedoch eine Kraft auf ein piezoelektrisches Element aus. Das Piezoelement erzeugt dadurch eine elektrische Ladung bzw. Spannung, die proportional zur wirkenden Beschleunigung ist.

Ein piezoelektrisches Element ist ein Bauteil, das mechanischen Druck oder Kraft in elektrische Ladung bzw. Spannung umwandelt.

• mechanische Sensoren

• kapazitive Sensoren

• induktive Sensoren

• optische Sensoren

• Ultraschall-Sensoren

• Funktionsprinzip: Krafteinwirkung auf Feder schließt oder öffnet elektrischen Kontakt

• Nachteil: Berührung erzeugt Verschleiß und kann Objekt beschädigen

• Vorteil: Jedes feste Objekt kann erkannt werden, günstiger Preis

• Funktionsprinzip: Messobjekt (mit ε > εLuft) verändert Kapazität, dadurch verändert sich Resonanzfrequenz

• Nachteil: manuelle Trimmung erforderlich, um Schaltabstand einzustellen

• Vorteile: Fast jedes Material kann erkannt werden, Berührungslose Messung

• Funktionsprinzip: Metallisches Messobjekt verändert Induktivität einer Spule, Spule ist Teil eines Schwingkreises

• Nachteil: Nur für metallische Gegenstände geeignet

• Vorteile: berührungslose Messung, unempfindlich gegen Verschmutzung (außer Eisenspänen)

• Einweg-Lichtschranke: Sender und Empfänger gegenüberliegend. Objekt unterbricht Lichtstrahl → wird erkannt. Große Reichweite.

• Reflexions-Lichtschranke: Sender und Empfänger zusammen. Ein Reflektor wirft das Licht zurück. Objekt unterbricht den Strahl → wird erkannt.

• Lichttaster: Kein Reflektor nötig. Das Objekt selbst reflektiert das Licht zurück. Erkennung über Lichtintensität und Reflexionswinkel.

• Gabel-Lichtschranke: Sender und Empfänger sitzen sich in einer gabelförmigen Bauform gegenüber. Bewegt sich ein Objekt durch die Gabel, unterbricht es den Lichtstrahl → Objekt wird erkannt.

• Nachteile:

  • verschmutzungsanfällig (Staub, Nebel, Öl, ...)

  • Hoher Preis

• Vorteile:

  • Berührungslose Messung

  • Messung auch über größere Entfernung

  • In Verbindung mit Lichtwellenleitern

    • wird am Messort nur ein minimaler Einbauraum benötigt,

    • kann auch im explosionsgefährdeten Bereich gemessen werden.

Funktionsprinzip: Aussenden eines Impulses, Messung der Zeit bis zum Empfang des reflektierten Impulses

• Nachteile

  • ungeeignet bei schallabsorbierenden Oberflächen (Schaumgummi, Stoff)

  • Bei ungünstigem Reflexionswinkel kann Erfassung misslingen

• Vorteile

  • Erkennt fast jedes Material: fest, flüssig, körnig, durchsichtig

Barcode, QR Code

• Vorteile:

  • Berührungslose Identifikation möglich

  • Barcodierung robuster als Binärcode

• Nachteile:

  • Anfällig gegen Verschmutzung

  • Anfällig gegen Fremdlichteinfall und Reflexion

RFID: Radio Frequency Identification

Aktive/passive Energieversorgung

• Vorteile:

  • Wiederverwendbarkeit und dynamische Datenhaltung möglich

  • Speicherkapazität bis zu mehreren KBytes

  • Kein Sichtkontakt erforderlich

  • „Pulkerfassung“

1. Inkrementell = „schrittweise“: Der Sensor erkennt nur, wie weit sich etwas bewegt hat (z. B. Anzahl der Striche auf der Scheibe). Die genaue Position kennt er erst, wenn er von einer Referenzposition aus zählt. → „Wie viel habe ich mich bewegt?“

2. Absolut = „eindeutig/fest“: Jede Winkelposition hat einen eigenen Code. Dadurch weiß der Sensor sofort, wo sich die Welle befindet – auch ohne vorheriges Zählen. → „Wo genau bin ich?“

Zur Ermittlung der absoluten Lage ist ein Bezug zu einer Anfangsreferenz erforderlich.

Bei Verlust und Wiedereinschalten der Versorgungsspannung muss diese Referenz erneut hergestellt werden.

Geben in jeder Position eine vollständige Lage-Information.

Antwort: Ein Linearantrieb erzeugt direkt eine geradlinige Bewegung. Ein normaler Motor erzeugt zunächst eine Drehbewegung, die z. B. über Riemen, Ketten oder Pleuelstangen in eine lineare Bewegung umgewandelt werden muss. → Linearantriebe benötigen weniger mechanische Übertragungselemente und vermeiden dadurch Verschleiß und Ungenauigkeiten.

Antwort: Er funktioniert ähnlich wie ein normaler Elektromotor, nur „aufgeschnitten und ausgerollt“:

• Im Stator wird durch Wicklungen ein elektromagnetisches Feld erzeugt.

• Im Rotor entsteht ein Magnetfeld, z. B. durch Permanentmagnete.

• Die Wechselwirkung der Magnetfelder erzeugt eine lineare Kraft. → Der Rotor bewegt sich dadurch geradlinig am Stator entlang.

Antwort:

• Langstator: Stator befindet sich im Fahrweg, Rotor im Fahrzeug/Schlitten. → z. B. Magnetschwebebahn oder Beckhoff XTS.

• Kurzstator: Stator befindet sich im beweglichen Schlitten, Rotor bzw. Permanentmagnete befinden sich im Fahrweg.

Merksatz: Langstator = langer aktiver Fahrweg. Kurzstator = kurzer aktiver Teil fährt mit.

Antwort: Der Stator und die Positionserfassung befinden sich im Fahrweg. Der bewegliche Mover enthält Permanentmagnete und kann deshalb passiv und kabellos sein. Durch das elektromagnetische Feld des Fahrwegs wird jeder Mover gezielt bewegt und positioniert.

Hydraulik und Fluidtechnik werden in Produktion und Logistik eingesetzt, weil man damit große Kräfte einfach und zuverlässig erzeugen und übertragen kann.

Kurz unterschieden:

• Hydraulik: Flüssigkeit, meist Öl, steht unter Druck → ermöglicht sehr große Kräfte, z. B. bei Pressen oder Hebeanlagen.

• Pneumatik: Druckluft → ermöglicht schnelle, einfache Bewegungen, z. B. Greifen, Schieben oder Sortieren von Werkstücken.

• Vorteil allgemein: Bewegungen lassen sich gut steuern und automatisieren.

Ein 3/2-Wegeventil hat:

• 3 Anschlüsse: Druckluft (P), Ausgang (A), Abluft (R)

• 2 Schaltstellungen

Es schaltet zwischen:

• P → A: Luft strömt zum Verbraucher.

• A → R: Luft wird aus dem Verbraucher abgelassen.

Ein 5/2-Wegeventil hat:

• 5 Anschlüsse: 1× Druckluft (P), 2× Arbeitsanschlüsse (A, B), 2× Abluft (R, S)

• 2 Schaltstellungen

Es schaltet zwischen: P → A, B → Abluft P → B, A → Abluft

Ein 5/3-Wegeventil hat:

• 5 Anschlüsse: Druckluft (P), Arbeitsanschlüsse (A, B), Abluft (R, S)

• 3 Schaltstellungen

Zwei Stellungen: P → A oder P → B → Zylinder fährt ein oder aus.

Antwort: Bei Pneumatik und Hydraulik steuert ein Wegeventil den Fluidstrom zum Zylinder.

Steuerung → Wegeventil → Zylinder → Bewegung

• Steuerung schaltet das Wegeventil elektrisch oder mechanisch.

• Wegeventil öffnet/sperrt bzw. lenkt den Fluidstrom.

• Fluid bewegt den Zylinder linear.

• Wegeventil: meist binär → auf/zu (P-Verhalten —> Proportional zur Ansteuerung)

• Zylinderposition: kann kontinuierliche Werte annehmen (I-Verhalten).