Sensorik Drehgeber-Übersicht: Lösungen mit handfesten Vorteilen

Von Sebastian Human

Ob Drehzahl, -winkel, -richtung, Länge, Weg oder Geschwindigkeit, die Industrie hat viele Aufgaben für Drehgeber und ähnliche Sensorik. Ebenso vielfältig ist die Auswahl an potenziellen Lösungen. Eine Übersicht zu ausgewählten Technologien mit ihren Vorzügen.

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Parametrierbare inkrementale Drehgeber von IPF Electronic sind schnell einsatzbereit. Von links: VD589820 mit 6mm-Vollwelle, VD589821 mit 10mm-Vollwelle und VD589822 mit 12mm-Hohlwelle. Alle Geräte haben einen Gehäusedurchmesser von 58mm.
Parametrierbare inkrementale Drehgeber von IPF Electronic sind schnell einsatzbereit. Von links: VD589820 mit 6mm-Vollwelle, VD589821 mit 10mm-Vollwelle und VD589822 mit 12mm-Hohlwelle. Alle Geräte haben einen Gehäusedurchmesser von 58mm.
(Bild: IPF Electronic GmbH)

Drehgeber beziehungsweise Drehwinkelgeber erfassen Rotationsbewegungen und wandeln diese in auswertbare Signale zur Verarbeitung in einer Steuerung, also einer SPS. Drehgeber von IPF Electronic arbeiten nach dem Prinzip der optischen Abtastung. Sie verfügen hierzu über eine Impulsscheibe, auf der sich, je nach Drehgeber, eine absolute oder inkrementale Strichteilung befindet. Diese wird von einem optischen System abgetastet und über eine integrierte Elektronik in geberspezifische Ausgangssignale umgesetzt.

Absolutwertgeber haben eine eineindeutige Codierung und benötigen nach dem Einschalten keine Referenzierung, da sie stets einen absoluten Messwert liefern.

Inkrementrale Drehgeber verfügen indes über eine sich wiederholende Strichteilung und müssen daher referenziert werden, weil sie beim Einschalten keinen eindeutigen Messwert zur Positionsbestimmung liefern.

Ein-, zwei- oder dreikanalig?

Inkrementale Drehgeber können generell nach ein-, zwei- und dreikanaligen Lösungen unterschieden werden. Einkanalige Encoder arbeiten mit einem einzigen Ausgangssignal „A“ und werden zumeist für Längen- oder Drehzahlmessungen eingesetzt, also in Applikationen, in denen keine Erfassung der Drehrichtung erforderlich ist.

Zweikanalige Drehgeber liefern zwei um 90° zueinander versetzte „A“- und „B“-Signale. Die Phasenbeziehung der Signale wird über eine Elektronik ausgewertet. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise die Drehrichtung von Motoren anhand einer steigenden oder fallenden Flanke bestimmen.

Dreikanalige Drehgeber ermöglichen zusätzlich zum „A“- und „B“-Signal ein „Z“-Signal, den sogenannten Nullimpuls. Das „Z“-Signal besteht aus einem einzigen, bei konventionellen Drehgebern ab Werk kundenspezifisch vorgegebenen Impuls. Dieser wird bei jeder Drehung auf exakt der gleichen Position der Impulsscheibe ausgegeben und dient somit als ein stets fester Bezugspunkt, der für eine Referenzfahrt erforderlich sein kann, zum Beispiel um einen Wert zur exakten Ausgangsposition einer Antriebswelle zu erhalten.

Einer für alles statt kostspieliger Vielfalt

Alle bisher vorgestellten Encoder haben jedoch eines gemeinsam: Die Strichteilung auf der Impulsscheibe muss vor der Auslieferung des Gerätes vorgegeben werden, sodass sich für jede Anzahl an Teilungen ein gesonderter Drehgeber ergibt. Industriebereiche mit einem hohen Bedarf an Encodern für unterschiedliche Aufgaben benötigen somit für jede Applikation ein separates Gerät mit entsprechender Bevorratung der Varianten.

Die inkrementalen Drehgeber der Reihe VD58982x von IPF Electronic können indes direkt vor Ort mit einem PC parametriert und daher flexibel auf die jeweils erforderliche Anzahl an Impulsen (zwischen 1 und 65536 Impulsen) pro Umdrehung eingestellt werden.

Damit sind die Optionen für die Konfiguration der Geräte aber bei weitem noch nicht ausgeschöpft.

Einfache Parametrierung über Software

So lässt sich über die Software zu den Drehgebern zum Beispiel die Signalhöhe (HTL- beziehungsweise TTL-Pegel) zur Auswertung auf einer Industriesteuerung (Signalpegel entspricht der angelegten Versorgungsspannung im Bereich von 8 bis 30VDC) oder auf einem PC (TTL-Pegel) mit einem konstantem 5V-Signalpegel auswählen.

Zusätzlich zur Drehrichtung (CW = Clockwise, CCW = Counterclockwise), also der Richtungswahl, in der die Positiv-Zählung erfolgen soll, lässt sich bei den parametrierbaren Drehgebern die Position eines Referenzsignals, also des Nullimpulses, im Bereich von 0° bis 360° frei vorgeben, sodass Anwender auch hier im Vergleich zu konventionellen Encodern flexibel bleiben. Konfigurierbar sind zudem die Breite des Referenzsignals (Z 90°/180°) und die Invertierung der Ausgangssignale (A-nA/B-nB/Z-nZ).

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Alle Einstellungen jederzeit griffbereit

Alle zuvor eingestellten Parameter der Drehgeber lassen sich zudem abspeichern und bei Austausch eines Gerätes auf den neuen Encoder übertragen, sodass erhebliche Zeit für die Inbetriebnahme eingespart wird. In diesem Zusammenhang können vor allem Maschinenbauer und Systemintegratoren von den parametrierbaren Drehgebern profitieren, da sie die Variantenvielfalt und somit auch den Lagerbestand reduzieren.

Insgesamt drei Gerätetypen mit 6mm- oder 10mm-Vollwelle sowie 12mm-Hohlwelle stehen zur Auswahl.

Absolutsystem für die variable Montage

Magnetische Drehgeber wie Winkelsensoren bestehen als zweiteilige Systeme aus einem Geber, dem Magnet, und einem Sensor. Je nachdem wie der Geber in einer Applikation gedreht wird, verändert sich, bezogen auf den Sensor, die Richtung der magnetischen Feldlinien. Der stationäre Sensor erfasst die Richtungsänderungen im Feldlinienverlauf, wodurch die genaue Position des Gebers zum Sensor ermittelt wird. Hieraus lässt sich wiederum eine Winkelinformation ableiten und in ein Analogsignal ausgeben.

Die kompakten, robusten Winkelsensoren eignen sich für die Integration in bestehende Maschinenbaugruppen, um Drehwinkel aufzunehmen. Aufgrund der getrennten Montage von Geber und Sensor eröffnen sich hierbei variable Montagemöglichkeiten. Der Drehwinkelbereich (bis 360°) wird durch die im Sensor integrierte Elektronik in ein proportionales Strom- (4...20mA) oder Spannungssignal (1...10V) für zahlreiche Steuerungs- oder Regelaufgaben umgewandelt. Winkelsensoren von IPF Electronic in IP67 sind unempfindlich gegenüber Verschmutzung und für einen Einsatztemperaturbereich von -40°C bis +85°C ausgelegt. Daher eignen sie sich für Einsätze unter widrigen Umgebungsbedingungen. Weiterer Vorteil: Als absolutes Messsystem muss die Lösung nach Inbetriebnahme weder kalibriert noch referenziert werden und ist somit sofort einsatzbereit.

Keine Probleme bei Schmutz, Öl und Erschütterungen

Wegstrecken und -richtungen beziehungsweise Drehrichtungen und Winkelveränderungen werden zumeist von Wegsensoren (Inkrementalgeber) erfasst. Der Sensor verfährt hierzu berührungslos über ein Magnetband, auf dem sich in Längsrichtung Nord- und Südpole mit exakt definierter Polbreite abwechseln.

Beim Abtasten der Magnetpole werden zwei sinusförmige Signale erzeugt und von der Elektronik des Sensors in digitale Rechtecksignale beziehungsweise -impulse umgewandelt, um hochauflösende Weginformationen zur Weiterverarbeitung über einen Zähler oder eine Steuerung zu erhalten. Solche Systeme lassen sich überdies als Drehgeber einsetzen. Hierzu dient ein Messrad, auf dem ein Magnetband mit einer Folge von Nord- und Südpolen mit ebenfalls vordefinierter Polbreite aufgebracht ist.

Magnetische Sensoren sind unempfindlich gegenüber Verschmutzung, Ölen, Feuchtigkeit und Erschütterungen. Sie eignen sich daher nicht nur für ein breites Einsatzfeld, sondern aufgrund der leichten Handhabung unter anderem auch für die Nachrüstung von bestehenden Maschinen und Anlagen.

Vielfältige Möglichkeiten für vielfältige Aufgaben

Für vielseitige Drehgeber eröffnet sich in allen erdenklichen Industriebereichen ein äußerst breitgefächertes Einsatzgebiet. Parametrierbare Drehgeber bieten hier den entscheidenden Vorteil einer bedarfsspezifischen Konfiguration, sodass Anwender mit der Wahl eines Gerätes nicht von vornherein festgelegt sind und beispielsweise Auflösung, Signalhöhe und Drehrichtung selbst festlegen können. Magnetische Drehgeber beziehungsweise Winkelsensoren sind sehr robust, weitestgehend unempfindlich gegenüber äußeren Umgebungseinflüssen und ermöglichen als zweiteiliges System eine variable, einfache Montage. Magnetische Wegmesssysteme sind gleichermaßen leicht zu handhaben, lassen sich flexibel auslegen und an veränderte Anforderungen anpassen. Mithilfe eines Messrades werden solche Systeme zu Drehgebern.

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