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antriebstechnik 6/2017

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STEUERN UND

STEUERN UND AUTOMATISIEREN Ein guter Wurf? Magnetostriktiver Wegsensor zeigt Sportlern die richtige Wurftechnik Nicht nur in der Industrie, sondern auch in der Sportwissenschaft werden moderne Sensortechniken eingesetzt. So liefert in unserem Beispiel ein berührungsfrei arbeitender magnetostriktiver Wegaufnehmer mit freiem Positionsgeber, wie er üblicherweise in Kunststoff-Spritzgießoder Verpackungsmaschinen eingesetzt wird, entscheidende Daten zur Wurftechnik von Leistungssportlern. Verschleiß- und wartungsfreie magnetostriktive Wegaufnehmer wie der MK4- Onda von Gefran finden sich 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 potentiometrischen Wegaufnehmern. Doch nicht nur die Industrie, auch die Sportwissenschaft macht sich die Leistungsmerkmale der magnetostriktiven Wegaufnehmer zu Nutze. Jüngstes Beispiel für einen solchen außerindustriellen Einsatz ist der Wurfsimulator – ein Trainings- und Testgerät speziell für Speerwerfer und Handballer – am Institut für Sportwissenschaften der Universität Tübingen. Entwickelt wurde das Gerät von Prof. Dr. Veit Wank und seinem Team des naturwissenschaftlich ausgerichteten Arbeitsbereichs für Bewegungswissenschaft, Biomechanik und Trainingswissenschaft. Prof. Wank und seine Mitarbeiter befassen sich vor allem mit der Analyse und Optimierung Torsten Fuchs ist Niederlassungsleiter bei der Gefran Deutschland GmbH in Seligenstadt 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. So 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. Sensor erkennt Trainingsstand 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 1 000 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 Rich- 48 antriebstechnik 6/2017

STEUERN UND AUTOMATISIEREN tung 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 und in welchem Trainingszustand er sich befindet. Es lassen sich u. a. 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. Präzise und zuverlässige 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. 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 einem hundertstel Millimeter garantiert er eine absolut präzise und zuverlässige Erfassung der Schlittenposition. Dazu nutzen Sensoren wie der MK4 das magnetomechanische Phänomen der Magnetostriktion. Hierzu wird in ein ferromagnetisches Messelement – den Wellenleiter – ein Stromimpuls geschickt, der ein Magnetfeld erzeugt, das beim Zusammentreffen mit dem magnetischen Längsfeld des Positionsmagneten einen Torsionsimpuls bewirkt. Dieser Der Aufwand anderer Messmethoden wäre unvergleichlich größer gewesen Prof. Dr. Veit Wank, Leiter des Instituts für Sportwissenschaften, Universität Tübingen Da der Sensor als Standardprodukt ohne applikationsspezifische Anpassungen preisgünstig ist, gab es keine wirkliche Alternative zu ihm. Zudem ist er verschleißfrei und langlebig, da sich zwischen dem Positionsgeber und der Führungsschiene ein drei Millimeter breiter Luftspalt befindet und der Wegaufnehmer berührungslos arbeitet. 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 exakt die Position bestimmen, die in marktüblichen Signalen ausgegeben wird. 01 02 01 Der Sportler im Trainingsgerät „wirft“ den Schlitten die schräge Ebene hinauf 02 Der magnetostriktive MK4-Sensor sitzt auf der Führungsschiene und codiert die Position des Schlittens während der Wurfbewegung durch ein analoges Spannungssignal 03 03 Der magnetostriktive Sensor MK4 ist in Längen von 500 bis 4 000 mm verfügbar antriebstechnik 6/2017 49

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