Entwickelt für den rauen Industriealltag

Der Autor Pierre Brucker ist Leiter Marketing bei der Kübler Group – Fritz Kübler GmbH in Villingen-Schwenningen.

Position und Bewegung müssen bei fast jeder Automatisierungsaufgabe exakt erfasst werden. Grundsätzlich gilt, dass abhängig von der jeweiligen Anwendung jede Sensorlösung Vor- und Nachteile hat. Und da die Sensoren immer nahe am Geschehen platziert sein sollen, müssen sie besonderen Umweltbedingungen und mechanischen Belastungen standhalten können. Die Auswahl sollte deshalb auf folgenden Fragen basieren:

All diese Kriterien bestimmen letztlich, welche Technologie für die Anwendung am besten geeignet ist, um zuverlässig präzise Messergebnisse zu erzielen.

Etabliert haben sich im industriellen Umfeld für Drehgeber zwei Abtasttechnologien: die optische und die magnetische. Die optische Abtastung bietet sehr hohe Auflösungen und Genauigkeiten sowie eine sehr hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber elektromagnetischen oder magnetischen Störungen. Die magnetische Alternative hingegen ist schockresistent und bietet hohe Schutzgrade bis hin zu IP69K. Außerdem sind diese Geräte kompakt und sie eignen sich auch bei hohen Temperaturschwankungen. Magnetische Geber sind oft preisgünstiger – jedoch niedriger auflösend und ungenauer als optische. Kübler bietet beide Technologien für alle Drehgeberkategorien an (inkremental, absolut singleturn und multiturn sowie analog). Aus dem Baukastensystem kann so grundsätzlich die am besten geeignete Technik für die jeweilige Anwendung gewählt werden.

Bei Drehgebern sind technische Merkmale wie Schutzart (IP-Wert), Temperaturbereich, Schock- und Vibrationsfestigkeit sowie Wellenbelastbarkeit für den Anwender besonders wichtige Selektionskriterien – sie allein geben aber nicht ausreichende Sicherheit, dass der Drehgeber auch tatsächlich eine lange Lebensdauer erreicht. Denkt man etwa an Drehgeber im Außeneinsatz, so müssen diese IP67 bieten und Temperaturen bis -40 °C standhalten. Aber reicht dies aus? Sehr oft werden nämlich Drehgeber im Außeneinsatz der direkten Sonneneinstrahlung ausgesetzt, wodurch in regelmäßigen Abständen Aufwärm- und Abkühlzyklen aufeinander folgen, welche zur Kondenswasserbildung im Inneren des Drehgebergehäuses führen können. Verhindern lässt sich das durch ein besonders stabiles und kompaktes Druckgussgehäuse sowie die mehrfache Abdichtung zwischen Drehgeberflansch und Gehäuse, wie es bei den Sendix-Drehgebern von Kübler der Fall ist. Und variable Wandstärken lassen keine Schwachstellen zu, weil etwa Schrauben stets in volles Material greifen – ein Durchbohren, das später zu Schwachstellen führen könnte, entfällt. Darüber hinaus führt die Kompaktheit des Gebers zu einem Minimum an Lufträumen, wodurch eventuell auftretende Kondensationseffekte deutlich reduziert werden.

Sind die Geber auch noch zusätzlich Druckwasser oder Dampfstrahlen ausgesetzt, wie es bei der Reinigung von Baumaschinen oft vorkommt, ist sogar Schutzart IP69K erforderlich. Hier eignen sich die magnetischen Drehgeber der Sendix-Baureihe. Wichtig ist dabei, zu berücksichtigen, dass nicht nur der Drehgeber selber, sondern auch die entsprechende Anschlusstechnik (Stecker oder Kabel) die gestellten Anforderungen erfüllen muss. Neben den Umweltbedingungen sind zudem besonders die mechanischen Belastungen zu beachten. So sollte ein Drehgeber, welcher an einem Antrieb oder im Maschinenbau eingesetzt wird, eine Schockfestigkeit von mindestens 1000 m/s2 und eine Vibrationsfestigkeit von mindestens 100 m/s2 aufweisen. Bei Schwerindustrie-Anwendungen ist sogar eine Schockfestigkeit von bis zu 2500 m/s2 empfehlenswert und bei extremen Belastungen – etwa bei bestimmten Baumaschinen – sogar bis 5000 m/s2.

Entscheidend für die Lebensdauer der Drehgeber ist die Qualität der Lagerbaugruppe. Hier gibt die maximale radiale und axiale Lagerlast einen Hinweis auf die Lagerstärke – zu empfehlen ist für den Maschinenbau und die Montage an Antrieben eine Auslegung bis 80 N radial und 40 N axial. Dies ist jedoch nicht das einzige Qualitätsmerkmal. Der Lageraufbau an sich bestimmt auch, welchen Installationsbedingungen der Geber standhalten wird. Kübler bietet in seinen Sendix-Drehgebern den sogenannten ‚Safety-Lock‘-Lageraufbau. Dieser verfügt über zwei große Kugellager, welche mechanisch verblockt sind und einen maximal großen Abstand zueinander haben. Dies sorgt für Stabilität bei Vibrationen und verleiht eine Robustheit, die sogar Installationsfehler verzeiht – was die Wahrscheinlichkeit einer Vorschädigung des Drehgebers reduziert. Dadurch werden Maschinenstillstände und Reparaturen, die teilweise erst nach Jahren im Feld auftreten, erheblich vermindert.

Für ganz besondere Einsatzbedingungen spielt aber auch die verwendete Technologie eine entscheidende Rolle. So muss in Anwendungen, welche sehr starken Magnetfeldern ausgesetzt werden – wie zum Beispiel Antrieben mit Magnetbremsen –, sichergestellt sein, dass eine hundertprozentig magnetfeldfeste Technologie zum Einsatz kommt. Dies stellt insbesondere bei Getriebemotor-Anwendungen für Multiturn-Drehgeber eine besonders hohe technische Hürde dar, da in diesem Anwendungsfall eine durchgehende Hohlwelle mit meist großem Durchmesser benötigt wird. Dies war einer der Auslöser für die Entwicklung der Sendix-Multiturn-Drehgeber mit rein optischer Technologie. Erforderlich war dazu die Entwicklung einer Getriebe-Multiturnstufe – der ersten mechanischen Multiturnstufe mit durchgehender Hohlwelle bis 15 mm im 58-mm-Standard-Gehäuseformat. Hierbei kam Kübler die langjährige Erfahrung mit Getrieben aus dem elektromechanischen Mikrozählerbereich zugute. Der innovative Getriebeaufbau mit Spezialwerkstoffen, einer doppelt kugelgelagerten ersten Stufe und einer eigens dafür entwickelten Sonderverzahnung sichert eine lange Lebensdauer und ermöglicht sogar bei hohen Dauertemperaturen Drehzahlen bis zu 9000 min-1.

Bei permanent drehenden Anwendungen sind Multiturn-Drehgeber mit sehr hoher Multiturn-Auflösung gefragt. Die optischen Drehgeber der Sendix-F-Serie ohne Getriebe basieren hierzu auf der innovativen und patentierten ‚Intelligent-Scan-Technology‘. Durch die komplette Integration der Singleturn- und Multiturn-Funktionalität auf einem Opto-ASIC ist der Drehgeber zu 100 % magnetisch unempfindlich, und mit einer Multiturn- und einer Singleturn-Auflösung von jeweils 16 bit erreicht der Geber eine hohe Gesamtauflösung von bis zu 41 bit.

Übrigens: Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Sicherheit. Nicht zuletzt mit Inkrafttreten der EU-Maschinenrichtlinie 2006/42/EG gilt die Sicherheit als ‚integraler Bestandteil der Anlagenkonstruktion‘. Bei der Wahl des richtigen Drehgebers für die ‚Funktionale Sicherheit‘ gilt der Grundsatz, dass Sicherheit durch das intelligente Zusammenspiel von Drehgeber, Steuerung und Aktuator erreicht wird. Sendix-SIL- sind SSI-Absolut-Drehgeber mit zusätzlichem SinCos-Inkrementalausgang und Inkremental-Drehgeber in SinCos-Ausführung, zertifiziert bis SIL3.

Kernstück eines Seilzuggebers ist eine gelagerte Trommel, auf deren Umfang ein Seil aufgewickelt ist. Das Aufwickeln erfolgt über eine Federrückstellung. Mit einem Drehgeber oder Potentiometer wird die Anzahl der Umdrehungen gemessen. Ist der Umfang der Rolle bekannt, kann hieraus die Länge berechnet werden. Seilzüge wandeln also Linearbewegungen in drehende Bewegungen um. Qualitätsmerkmale sind hier – neben dem Drehgeber selber – in erster Linie die Aufwickelmechanik, die Stabilität des Seilzugmechanik-Gehäuses sowie natürlich des Seiles an sich und dessen Fixierung. Wesentliche technische Merkmale sind die Linearität, die maximale Beschleunigung, welche die Mechanik aushält, sowie die Lebensdauer als Anzahl möglicher Zyklen – wobei zu beachten ist, ob auch von richtigen Vollzyklen gesprochen wird (also Auszug und Einzug des Seiles über die gesamte Seillänge).

Bei der Entwicklung seiner neuen Generation von Seilzuggebern hat Kübler deswegen einen besonderen Schwerpunkt auf das robuste Design gelegt. Je nach Bauform liegt der Messbereich zwischen 0,25 und 42,5 m Messlänge. Die Systeme bieten eine Linearität bis hinab zu nur ±0,05 % und werden auf Wunsch mit einem entsprechenden Kalibrierungszertifikat ausgeliefert. Das gleichmäßige Aufwickeln erfolgt über einen dynamischen Federantrieb mit Konstantkraftfeder, der eine hohe Verfahrgeschwindigkeit von bis zu 10 m/s und eine Beschleunigung bis 140 m/s2 zulässt – optional sogar bis 255 m/s2. Damit ist das System für dynamische Applikationen bestens geeignet und erreicht dennoch die hohe Lebensdauer von circa 2 Mio. Vollzyklen. Aufgrund des titaneloxierten Aluminiumgehäuses erweist sich der Aufbau als besonders robust und unempfindlich gegenüber Umwelteinflüssen. Das Seil selbst besteht aus Edelstahl und ist mit einem Durchmesser von 0,5 mm besonders strapazierfähig. Zudem sorgt eine diamantpolierte Keramikführung für einen verschleißfreien Seilaustritt. Die Fixierung des Seiles erfolgt wahlweise mit einem Seilclip mit Drallfänger oder per M4-Schraubbefestigung. Möglich ist auch eine Schutzart bis IP67 und optional eine Hart-Coat-Beschichtung. Die Montage erfolgt übrigens einfach und sehr schnell mit zwei Schrauben. Dabei sind auf Grund der flexiblen Gehäusetechnik unterschiedliche Versionen für verschiedene Montagevarianten möglich.

Als Alternative zu Seilzugsystemen stehen auch sogenannte lineare magnetische Messsysteme (Limes) zur Verfügung. Diese bestehen aus einem Lesekopf und einem Magnetband. Auflösungen von bis zu 0,005 mm sind hiermit realisierbar sowie Messlängen von bis zu 48 m bei inkrementalen und bis zu 20 m bei absoluten Systemen. Da es sich hierbei um ein berührungsloses System handelt und die Leseelektronik vergossen ist, bietet das System von sich aus eine besonders hohe Umweltfestigkeit und Robustheit. Im Gegensatz zu Standardgeräten mit Kunststoffgehäuse verwendet das System Limes ein besonders stabiles Druckgussgehäuse, welches zusätzlich noch eine optimale Schirmung der Elektronik bietet. In Kombination mit den robusten Magnetbändern mit Edelstahlabdeckung entsteht so ein lineares Messsystem, das selbst in rauer industrieller Umgebung dicht bleibt und eine hohe Sicherheit gegen Feldausfälle bietet. co