Getriebelos

29.09.2006 | Redakteur: MM

Neues Abtastverfahren ermöglicht verschleißarme Multiturn-Absolutdrehgeber. Drehgeber müssen im praktischen Einsatz den unterschiedlichsten Anforderungen genügen. Während bei...

Neues Abtastverfahren ermöglicht verschleißarme Multiturn-AbsolutdrehgeberDrehgeber müssen im praktischen Einsatz den unterschiedlichsten Anforderungen genügen. Während bei Präzisionswerkzeugmaschinen oder Robotern manchmal sehr hohe Geberauflösungen notwendig sind, kommt es in anderen Applikationen eher auf Robustheit und Widerstandsfähigkeit an. Typische Beispiele dafür liefern Windkraftanlagen, die im Offshore-Bereich installiert sind, aber auch Pressen und Stanzen oder Anlagen der Lebensmittelindustrie, die bis in den letzten Winkel mit Dampfstrahl gereinigt werden. Betrachtet man die Vielzahl der unterschiedlichen Einsatzfälle und die erheblich differierenden Betriebsbedingungen leuchtet es ein, dass sich mit einem einzigen Drehgebertyp nicht alle Anwendungen abdecken lassen. Extreme Robustheit bei gleichzeitig höchster Auflösung lässt sich zu akzeptablen Preisen nicht verwirklichen und ist in der Praxis meist auch gar nicht sinnvoll. Der Drehgeberspezialist IVO nutzt je nach Einsatzbereich deshalb bei seinen Multiturn-Absolutdrehgebern unterschiedliche physikalische Prinzipien: Durch die Konzepte Multivo (optisches Verfahren, mittlere Genauigkeit, Alleskönner, mittlere Kosten), Aktivo (digitale Arbeitsweise, sehr genau, aber hohe Anforderungen an den Einbau, Kosten sind höher) und Magtivo (magnetisches Prinzip, arbeitet unter extremen Umwelteinflüssen, mechanisch hoch belastbar, günstige Kosten, weniger genau) können für jeden Anwendungsfall maßgeschneiderte Drehgeberlösungen angeboten werden.Für jede Anwendung das richtige Konzept Die meisten der heute gebräuchlichen Drehgeber arbeiten nach dem optischen Verfahren: Im Singleturn-Bereich wird im Durchlichtverfahren ein Code, meist ein Gray-Code, von einer Glasscheibe ausgelesen. Die Anzahl der Umdrehungen erfasst man häufig mit einem Getriebe, vergleichbar einer Uhr. Im industriellen Alltag erweist sich dieses Getriebe jedoch oft als Schwachstelle. Wie jede Mechanik ist es Verschleiß unterworfen und der Abrieb kann die Codescheibe verschmutzen. Bei den Multivo-Multiturns setzt IVO deshalb auf ein anderes Verfahren: Es arbeitet ohne mechanisches Getriebe, stattdessen zählt ein spezieller elektronischer Schaltkreis die Umdrehungen. Auch bei hohen Drehzahlen (bis 10 000 min-1) gibt es dadurch keinen mechanischen Abrieb und selbst Betriebstemperaturen im Bereich von -20 °C bis +80 °C lässt die neue Technik zu. Durch das patentierte Touchless-Encoder-Prinzip und den Einsatz hochintegrierter Elektronik sind die Geber sehr kompakt und robust. Schocks bis 200 g verkraften sie klaglos. Ihre Vibrationsfestigkeit reicht bis zu 30 g. Sie arbeiten mit einer Auflösung von 29 Bit, wobei 13 Bit für die Winkelinformation und 16 Bit für die Umdrehungszahl verwendet werden. Es können pro Umdrehung 8192 Winkelschritte aufgelöst werden. Der Multiturnbereich kann 65 536 Umdrehungen erfassen. Damit sind sie für die meisten industriellen Einsatzbereiche geradezu prädestiniert, zumal man sie problemlos in die verschiedensten Automatisierungslösungen einbinden kann. Der gleiche Basisgeber lässt sich mit unterschiedlichen Bushauben kombinieren, in denen die entsprechende Feldbus-Elektronik integriert ist. Einschließlich Bushaube sind die Drehgeber bei einem Durchmesser von 58 mm höchstens 70 mm lang, beanspruchen also nur wenig Einbauplatz. Für Anwendungen mit sehr hohen Anforderungen an die Auflösung pro Umdrehung bieten sich die Aktivo-Drehgeber an. Sie arbeiten bereits im Singleturn-Bereich mit einer Auflösung von 18 Bit, also 262144 Schritte pro Umdrehung. Diese Baureihe erreicht eine Genauigkeit von 0,005 °/Schritt. Hierzu wurde die optische Abtastung modifiziert. Mit Hilfe des Pseudo-Random-Codes lässt sich eine 12 Bit breite Absolutinformation seriell am Umfang der Codescheibe auf einer Spur unterbringen. Eine parallel dazu angeordnete Inkrementalspur, deren Sinus- und Cosinus-Signale im Geber interpoliert werden, erhöht dann noch einmal die Auflösung. Abgetastet wird die Codescheibe nicht wie üblich im Schattenwurfprinzip, sondern mit einer Abbildungsoptik. Kombiniert mit der Auflösung des Multiturnbereichs ergibt sich dann eine Gesamtauflösung von 36 Bit. Auch diese Geber lassen sich mit den oben beschriebenen Bushauben aus dem Multivo-Programm kombinieren, eignen sich jedoch durch ihre aufwendigere Optik besonders für Anwendungen, die bei verhältnismäßig geringer mechanischer Belastung hohe Messgenauigkeit und hohe Datenraten erfordern.Obwohl sich mit den beschriebenen Multiturn-Absolutdrehgebern die meisten industrieüblichen Anwendungen abdecken lassen, sind der mechanischen Beanspruchung durch das optische Prinzip bei extremen Anforderungen doch Grenzen gesetzt. Eine Optik ist immer empfindlich, der Abstand zwischen Optik und Glasscheibe muss genauestens justiert sein. Bei starker Beanspruchung der Welle kann die Glasscheibe an der Optik schleifen oder brechen, was in beiden Fällen den Ausfall des Gebers bedeutet. Damit Drehgeber den Beanspruchungen durch starke Vibrationen, Seeluft, oder Flüssigkeiten standhalten, hat sich die Herstellerindustrie schon einiges einfallen lassen, um Optik, Feinmechanik und Elektronik zu schützen. Aufwändige Gehäusetechnik und gedichtete Kugellager gehören zu den landläufigen Maßnahmen. Allerdings zeigt die Praxis, je härter die Einsatzbedingungen sind, desto zweifelhafter wird ein langfristig damit erzielbarer Erfolg. IVO geht deshalb einen anderen Weg. Neue, speziell für Heavy-Duty-Anwendungen konzipierte Magtivo-Drehgeber (Bild 2) arbeiten sowohl im Single- als auch im Multiturn-Bereich mit einem neuartigen magnetischen Abtastprinzip, das beispielsweise ein vollständiges Vergießen möglich macht.Magnetischer Sensor verbessert Technik Den Schlüssel dazu lieferte ein spezieller Hallsensor, bei dem im Prinzip vier Sensorelemente eingearbeitet sind. Kombiniert mit einer ausgeklügelten Auswertung ergeben sich dadurch für die Drehgebertechnik ganz neue Möglichkeiten. Das Verfahren ist zum Patent angemeldet und besticht durch seinen einfachen Aufbau (Bild 3):Auf der sich drehenden Welle ist ein Magnet angebracht, mit dessen Hilfe der Sensor die Winkelpositionen innerhalb einer Umdrehung erfasst. Zum Zählen der Umdrehung sind auf der gleichen Platine zwei zusätzliche Empfänger-Sensoren installiert. Um die Sensoren für den Singleturn- und für den Multiturn-Bereich anzusprechen, ist also nur ein Magnet erforderlich. Die Vorteile des neuen Verfahrens leuchten ein: Es gibt keine optischen Elemente, sodass die Geber als Kid-Lösung komplett vergossen werden können. Das bringt vor allem in rauen Einsatzbereichen Vorteile. Die Anforderungen der Schutzart IP67 lassen sich mit den getriebe- und optiklosen Multiturns problemlos erfüllen. Vor allem in Anwendungen, wo mit Betauung zu rechnen ist, wird man dies schätzen. Auch die Lebensmittelindustrie, deren aufwendige Reinigungsmaßnahmen auch vor den Drehgebern nicht Halt machen, profitiert davon und Anwendungen im Ex-Bereich sind auf Grund des geringen Strombedarfs ebenfalls möglich. Da sich das magnetische System naturgemäß nicht von Fremdlicht beeinflussen lässt, kann man bei einigen Applikationen ganz auf ein Gehäuse verzichten und den Geber direkt in die Anwendung integrieren. Aber auch in der Gehäuseversion sind die Drehgeber ausgesprochen kompakt. Die weit verbreiteten Gehäusegrößen mit 58 mm [ sind bei gleichem Durchmesser etwa 12 mm kürzer als die bereits erwähnten elektronischen Multiturn-Drehgeber des gleichen Herstellers. Zusätzlich bietet diese neue Abtast-Technologie für Multiturn-Absolutgeber dem Hersteller erstmals die Möglichkeit, auch Baureihen mit wesentlich kleinerem Gehäusedurchmesser von maximal 42 mm anzubieten. Wellenbelastungen sind unkritisch Außerdem sind bei den neuen Drehgebern Wellenbelastungen unkritisch. Selbst wenn sich durch axiale mechanische Überbelastung der Welle der Magnet verschieben sollte, arbeitet der selbstabgleichende Geber immer noch. Er fällt im Gegensatz zu optischen Drehgebern nicht komplett aus, weil der automatische Selbstabgleich versucht, den Fehler zu kompensieren. Ein Maschinencrash wird dadurch vermieden. Der Abstand zwischen Magnet und Hallsensor darf bis zu 2,0 mm betragen. Bei optischen Systemen sind zwischen Optik und Codescheibe lediglich 0,2 mm zulässig; das heißt, das neue Verfahren lässt an Welle und Lagerung größere Toleranzen zu, die Anforderungen an die Wellenkupplungen sinken und höhere Lagerkräfte sind möglich. Auch gegenüber magnetischen Störungen und Temperaturschwankungen erweist sich das System als sehr stabil. Betrachtet man die Signalauswertung etwas näher, wird schnell klar warum. In Abhängigkeit von der jeweiligen Winkelposition liefert der Hallsensor trigonometrische Signale. Eventuelle Störungen, die beispielsweise durch statische oder dynamische externe Magnetfelder verursacht werden, wirken sich auf alle Ursprungssignale gleichermaßen aus. Sie werden durch die anschließenden Differenz- und Quotientenbildung in der Auswertung kompensiert.Ausgeklügelte Auswertung sorgt für Störsicherheit Dabei erreicht das Verfahren eine absolute Genauigkeit von etwa 0,5 °. Die Singleturn-Auflösung erreicht 10 Bit und im Multiturn-Bereich liegt die Auflösung bei 16 Bit und es können damit ebenfalls 65 536 Umdrehungen erfasst werden. Wie bei den optischen und digitalen Systemen sind auch beim Magtivo-Konzept Drehzahlen bis 6000 min-1 möglich. Auch beliebige funktionale Zusammenhänge zwischen Drehwinkel und Ausgangswert können problemlos realisiert werden, weil hierfür nur der Inhalt der Zuordnertabelle angepasst werden muss. Auch die neuen Multiturns sind programmierbar und lassen sich über SSI- oder alle üblichen Feldbus-Schnittstellen in übergeordnete Automatisierungslösungen einbinden. Die aus dem Multivo-Programm bekannten Bushauben sind weiterhin verwendbar. Die Drehgeber sind sehr kompakt, robust und arbeiten mit einer Auflösung von 29 Bit, wobei 13 Bit für die Winkelinformation und 16 Bit für die Umdrehungszahl verwendet werden. Für Anwendungen, die höhere Genauigkeit und hohe Datenraten bei geringerer mechanischer Belastung erfordern, bieten sich die Aktivo-Multiturns an, die bereits im Singleturn-Bereich mit einer Auflösung von 18 Bit arbeiten, mit einer Genauigkeit von 0,005 °. Weil sich bei extremen Umgebungsbedingungen die optische Abtastung im Singleturn-Bereich jedoch prinzipbedingt als Schwachstelle erweisen kann, geht IVO bei den speziell für Heavy-Duty-Anwendungen konzipierten Magtivo-Multiturns einen anderen Weg: Sie arbeiten im Single- und im Multiturn-Bereich mit einem neuartigen magnetischen Abtastprinzip, das ein vollständiges Vergießen möglich macht. Das Verfahren erreicht eine absolute Genauigkeit von 10 Bit, mit einer Genauigkeit von 0,5 °. Ebenso wie die anderen Geberserien lassen sich auch die Magtivo-Multiturns einfach in unterschiedliche Automatisierungskonzepte einbinden, indem man auf den Basisgeber einfach die gewünschte Bushaube aufsteckt.