Magnetostriktiver Wegaufnehmer Industrie-Sensor analysiert Bewegungsablauf beim Speerwurf

Autor / Redakteur: Kai Weigand * / Gerd Kucera

Für gewöhnlich kommt der Wegaufnehmer MK4 in Kunststoff-Spritzgieß- und Verpackungsmaschinen zum Einsatz. Im Besonderen liefert er entscheidende Daten zur Wurftechnik von Leistungssportlern.

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Die Messgrafik: Der Weg-Zeit-Verlauf (rot), der Geschwindigkeits-Zeit-Verlauf (blau) und der Beschleunigungsverlauf des Wurfes (grün) geben darüber Aufschluss, ob das aktuelle Training in die richtige Richtung geht oder ob an den Übungseinheiten etwas geändert werden muss
Die Messgrafik: Der Weg-Zeit-Verlauf (rot), der Geschwindigkeits-Zeit-Verlauf (blau) und der Beschleunigungsverlauf des Wurfes (grün) geben darüber Aufschluss, ob das aktuelle Training in die richtige Richtung geht oder ob an den Übungseinheiten etwas geändert werden muss
(Bild: Uni Tübingen/Gefran)

Verschleiß- und wartungsfreie magnetostriktive Wegaufnehmer wie der MK4-ONDA von Gefran findet man in der Regel im industriellen Einsatz. Hier sind sie in Spritzgieß- und Blasformmaschinen der Kunststoffindustrie oder in Blechbiegemaschinen für die Metallbearbeitung eine interessante Alternative zu den bisher eingesetzten potenziometrischen Wegaufnehmern.

Doch nicht nur die Industrie, sondern auch die Sportwissenschaft macht sich die Leistungsmerkmale von magnetostriktiven Wegaufnehmer zu nutze. Jüngstes Beispiel für einen solchen nicht industriellen Einsatz ist der Wurfsimulator. Dieses Trainings- und Testgerät wurde speziell für Speerwerfer und Handballer am Institut für Sportwissenschaften der Universität Tübingen von Prof. Dr. Veit Wank und seinem Team des naturwissenschaftlich ausgerichteten Arbeitsbereichs für Bewegungswissenschaft, Biomechanik und Trainingswissenschaft entwickelt.

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Prof. Wank und seine Mitarbeiter befassen sich vor allem mit der Analyse und Optimierung von sportlichen Bewegungsabläufen. Dabei steht in der trainingswissenschaftlichen Forschung die Diagnose von Kraftfähigkeiten in Individualsportarten im Vordergrund. Der „Wurfsimulator“ entstand im Zuge aktueller Forschungen auf dem Gebiet der biomechanischen Modellierung sportlicher Bewegungen. Er dient Leistungssportlern und Profis in erster Linie zur Erfassung ihrer Wurfkraftfähigkeiten. Die Analyse und Optimierung der Wurftechnik ist ein praktischer Nebeneffekt.

Das Trainings- und Testgerät besteht im Wesentlichen aus einer geneigten Ebene mit einem linear geführten Lastschlitten, an dem wahlweise ein Speergriff oder ein Wurfball montiert werden kann. Der Sportler hat die Aufgabe, den Schlitten entweder aus dem Stand oder mit einer Auftaktbewegung die geneigte Ebene hoch zu „werfen“ und ihn dabei maximal zu beschleunigen. Die Strecke, die ihm dafür zur Verfügung steht, ist 4,5 m lang. Am Ende seiner Bahn wird der Schlitten von einem Industriestoßdämpfer abgebremst und fährt wieder in seine Startposition zurück.

Der Winkel der Zugebene kann zwischen 0° und 35° frei wählbar eingestellt und die Last des Schlittens von 2,5 bis 40 kg variiert werden. Auf diese Weise lassen sich verschiedene Bewegungskonstellationen von geraden flachen Handball- bzw. Baseballwürfen bis zu Würfen mit Winkeln, wie sie beim Speerwurf angestrebt werden, mit unterschiedlichen Widerständen trainieren und analysieren.

Die Analyse der Wurfbewegung erfolgt auf Basis einer Positionsmessung mit einem 3 m langen magnetostriktiven Sensor vom Typ MK4 der Firma Gefran. Der Sensor codiert die Position des Schlittens im Verlaufe der Wurfbewegung durch ein analoges Spannungssignal, das über einen AD-Wandler von einem PC registriert und ausgewertet wird. Das analoge Messsignal wird mit 1000 Hz abgetastet. Die Forscher leiten den Zeitverlauf der Geschwindigkeit und die Beschleunigung aus dem gemessenen Weg-Zeit-Verlauf des Wurfschlittens ab.

Die wichtigsten Auswerteparameter sind dabei die Maximalgeschwindigkeit des Schlittens, die Abwurfposition, die Beschleunigungsweglänge sowie der Zeitpunkt und die Höhe des finalen Beschleunigungsanstiegs. „Unser Ziel ist es, festzustellen, was der Athlet kann, wie erfolgreich die bisher eingesetzten Trainingsmethoden sind, ob das aktuelle Training in die richtige Richtung geht oder ob an den Übungseinheiten etwas geändert werden muss“, erklärt Prof. Wank. Zum Vermessen der Wurftechnik werden pro Athlet drei Versuche durchgeführt; zu Trainingszwecken natürlich mehr Würfe. Die Messung dient beim Training lediglich dem allgemeinen Feedback nach dem Wurf und zur Motivation der explosiven Kraftentfaltung.

Die Messergebnisse zeigen deutlich, ob der Athlet die Technik beherrscht oder nicht und in welchem Trainingszustand er sich befindet. Es lassen sich unter anderem Wurfverzögerungen, der Beginn der Hauptbeschleunigungsphase sowie die maximale Speer- bzw. Ballgeschwindigkeit ablesen. „Dabei repräsentiert die Messung genau das, was der Athlet macht – zweifelsfrei ohne Interpretationsspielraum“, so Wank. Überdies nutzen die Sportler die Anlage auch zum Trainieren von Wurftechniken und die Forscher zu wissenschaftlichen Untersuchungen in Bezug auf die Wirksamkeit neuer Trainingsmethoden zur Wurfkraftentwicklung.

So funktioniert die präzise Positionserfassung

Für die Messung der Schlittenposition wählten Wank und sein Team den magnetostriktiven absoluten Wegaufnehmer MK4 mit freiem Positionsgeber von Gefran. „Wir setzen diesen Sensor auch in anderen Analysetools ein und haben bisher nur gute Erfahrungen damit gemacht“, erklärt Prof. Wank.

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Im Vorfeld galt es lediglich zu klären, ob der Sensor die geforderte Maximalgeschwindigkeit von etwa 15 m/s leisten kann und ob er auch bei einer Länge von 3 m die erforderliche Positioniergenauigkeit von 1 mm erreicht. In beiden Fällen erfüllte der MK4 die Anforderungen problemlos. Mit einem Linearitätsfehler von unter ±0,01 % und einer Wiederholgenauigkeit von 1/100 mm garantiert er eine absolut präzise und zuverlässige Erfassung der Schlittenposition.

Dazu nutzen Sensoren wie der MK4 das magneto-mechanische Phänomen der Magnetostriktion. Hierzu wird in ein ferromagnetisches Messelement (Wellenleiter) ein Stromimpuls geschickt, der ein Magnetfeld erzeugt, das beim Zusammentreffen mit dem magnetischen Längsfeld des Positionsmagneten einen Torsionsimpuls bewirkt. Dieser läuft als Körperschallwelle mit konstanter Ultraschallgeschwindigkeit zu den beiden Enden des Wellenleiters und wird dort in einen elektrischen Impuls umgewandelt.

Aus der Laufzeit der Körperschallwelle lässt sich sehr exakt die Position bestimmen, die in marktüblichen Signalen ausgegeben wird.

Direkte Messung von Weg und Geschwindigkeit

Im Fall des Tübinger Wurfsimulators ist der MK4 in die Führungsschiene des Schlittens integriert. Eine spezielle Modifizierung war dazu nicht erforderlich – lediglich eine Vorgabe für die Sensor-Laufschiene gab es: Sie musste mindestens so lang wie die größten zu erwartenden Beschleunigungswege sein. Das sind bei Abwürfen mit einem Auftaktschritt bei großen Sportlern etwa 2,8 m. Doch da Gefran den MK4 standardmäßig in Längen von 500 bis 4000 mm anbietet, war auch das kein Problem.

Am Schlitten ist ein Magnet befestigt, über den der Sensor die Position des Schlittens ermittelt. Dazu sendet der magnetostriktive Wegaufnehmer 500 bis 1000 Informationen pro Sekunde über den aktuellen Standort des Magneten an die Steuerung. Da der Wegaufnehmer über eine große Auswahl an Analogausgängen (Spannung oder Strom) für die direkte Messung von Weg und Geschwindigkeit oder die inverse Messung (nur Weg) besitzt, stehen die von ihm gelieferten Signale unmittelbar zur Auswertung zur Verfügung.

Aufgrund dieser Leistungsmerkmale ist die Serie MK4-A ONDA eben auch bestens geeignet für den Einsatz in Kunststoff-Spritzgieß- und Blasformmaschinen sowie allgemein im Bereich der Werkstoffbearbeitung: von Maschinen für die Metallumformung, die Holzbearbeitung oder die Papierindustrie bis hin zu Verpackungsmaschinen.

Das Team der Uni Tübingen entschied sich für einen MK4 mit analogen Ausgängen, da Umsetzung und Auswertung dieser Variante sehr einfach sind. Gefran bietet den magnetostriktiven Wegaufnehmer jedoch auch mit direkten digitalen Ausgängen an. Damit kann der Positionswert wahlweise über eine SSI- oder CANopen-Schnittstelle direkt und ohne Verzögerung in die Steuerung eingelesen werden.

Keine wirklichen Alternativen zum Wegaufnehmer

„Wir hätten die Messung auch mit Hochgeschwindigkeitskameras durchführen können. Doch der Aufwand wäre unvergleichlich viel größer. Schließlich erfordert dies die Befestigung von Markerpunkten an verschiedenen Körperpositionen und die anschließende Digitalisierung der Markerkoordinaten“, meint Wank. Auch die Reibungswiderstandsmessung oder der Einsatz eines translatorischen Inkrementalgebers wären Alternativen zur magnetostriktiven Messmethode gewesen. Die Reibwiderstandsmessung ist jedoch im Vergleich zur magnetostriktiven Messung bei der geforderten Sensorlänge sehr teuer und gleichzeitig mit Verschleiß und elektrostatischer Aufladung verbunden.

Einem translatorischen Inkrementalgeber fehlt die feste Anfangsposition, was die Messung sehr aufwendig macht. Doch Wank und sein Team kennen den Gefran-Sensor MK4 bereits seit 10 Jahren und setzen ihn sehr erfolgreich in anderen Testverfahren ein. Da der Sensor darüber hinaus als Standardprodukt ohne applikationsspezifische Anpassungen sehr preisgünstig ist, gab es keine wirkliche Alternative zu ihm. Zudem ist er verschleißfrei und extrem langlebig, da sich zwischen dem Positionsgeber und der Führungsschiene ein 3 mm breiter Luftspalt befindet und der Wegaufnehmer berührungslos arbeitet.

Der MK4 funktioniert erwartungsgemäß zuverlässig und präzise. Und auch die Vibrationen des Systems, die entstehen, wenn der 2 bis 3 kg schwere Schlitten, der mit bis zu 40 kg Zusatzlast beladen werden kann, am Dämpfer an der Endposition der Führungsschiene anschlägt, verträgt der Sensor gut. Hier wird die Zeit zeigen, ob sich diese untypische Dauerbelastung nachteilig auf die Sensorleistung auswirkt, denn bisher gibt es keinerlei Erfahrungswerte, wie sich der Sensor bei solchen Stößen verhält. Wank geht nicht von einer Beeinträchtigung aus, denn der MK4-Sensor ist weder mechanisch anfällig noch empfindlich gegenüber Erschütterungen und Vibrationen.

* Kai Weigand ist Produktmanager Sensoren bei Gefran Deutschland, Seligenstadt.

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