Neue Kompaktbauweise für Hydraulikzylinder mit Wegmesssystem

Ostfildern/Neuhausen. Einen besonders kompakten
Hydraulikzylinder mit Wegmesssystem haben die Hänchen Hydraulik GmbH aus Ostfildern und die Balluff GmbH aus Neuhausen entwickelt. Gemeinsam entwickelten sie den Prototyp eines Zylinders mit einem außenliegenden magnetostriktiven Wegmesssystem. Diese Sonderkonstruktion verbindet Präzision und Robustheit des bewährten Sensors mit einer besonders kompakten Bauweise.

Konstruktive Grenzen der Miniaturisierung

Beim Einsatz der wegen Präzision, Wiederholgenauigkeit und Robustheit bewährten magnetostriktiven Wegmesssysteme gab es bislang eine konstruktive Grenze bei einem Kolbendurchmesser von 40 mm und einem Stangendurchmesser von 25 mm. Denn das berührungslose Wegmesssystem war bisher auf eine hohlgebohrte Kolbenstange angewiesen. Unter den genannten Werten war eine solche Konstruktion aus Festigkeitsgründen aber nicht möglich. Eine außenliegende Konstruktion schien undenkbar, da das Sensorelement, bei magnetostriktiven Systemen ist dies der Wellenleiter, die Position über einen am Kolben befestigten Magneten erfasst und dessen Magnetfeld durch den Stahlmantel des Zylinders abgeschirmt würde. So wurden aus konstruktiven Gründen überdimenisionierte Zylinder eingesetzt, was bei kompakten Maschinen und Anlagen insgesamt zu überdimensionierten Einheiten führte.

Ohne hohlgebohrte Kolbenstange

Um bei einem Zylinder-Durchmesser von 25 oder 32 mm beziehungsweise einem Kolbenstangen-Durchmesser von 12, 16 oder 20 mm endlich magnetostriktive Wegmesssysteme einsetzen zu können, wurde ein Zylinder aus Edelstahl konstruiert, bei dem ein außenliegendes Rohr das Sensorelement enthält. Dieses Rohr ist dreh- und verwindungssicher. Da es durch eine kompakte Bauweise eng am eigentlichen Zylinderrohr anliegt, bietet es keine exponierte Stelle für mechanische Beschädigungen und ist außerdem mechanisch völlig von der Kolbenstange abgekoppelt. Und im Gegensatz zu den potenziometrischen Messsystemen enthält es keine beweglichen Teile und kann so völlig vor Umweltbedingungen abgekapselt werden. Die Magneten zur Positionsbestimmung wurden in die Außenwand des Kolbens integriert.

Herausforderung gelöst

Für den Hersteller von Wegmesssystemen stellte sich dabei vor allem die Herausforderung, das Wegmesssystem auf den wesentlich höheren Abstand zwischen Magnet und Sensorelement abzustimmen. Hänchen hatte die Aufgabe, eine stabile Außenkonstruktion zu entwerfen, die Magneten in den Kolben zu integrieren und mit magnetischen Sondermaterialien einen Zylinder zu konstruieren. Der neuentwickelte kompakte Hydraulikzylinder weist so fast alle Vorteile eines normalen Zylinders mit magnetostriktivem Wegmesssystem auf: Die Wiederholgenauigkeit liegt bei ± 5 - 10 μm, die Linearität bei Strecken bis zu 500 mm bei ± 100 μm. Das Wegmesssystem kann in der jetzt vorgestellten Version bis zu 1000 mm lang sein und bietet Schnittstellen für die gängigen Auswert-Elektroniken. Allerdings darf das System nicht in der Nähe starker Magnetfelder eingesetzt werden.

Anwendungsbereiche

Obwohl der neue Zylinder mit Micropulse Wegmesssystem bis auf weiteres nur als Sonder-Konstruktion erhältlich ist, kann er neben technischen auch aus wirtschaftlichen Gründen eingesetzt werden: Die kompakte Ausführung eines Maschinen- oder Anlagenbauteils kann ebenso Kosten sparen wie die kleinere Auslegung der Fluid-Pumpe. Die beiden Unternehmen denken beispielsweise an Einsatzbereiche in Kunststoff-Spritzmaschinen, in Hightech-Fahrzeugen oder Werkzeugmaschinen, wo kompakte Linearantriebe mit hoher Kraftdichte und großer Präzision sehr gefragt sind. Um diese zu maximieren, kann das System neben 150 auf 300 bar ausgelegt werden.
Jörg Beyer