Sinnesorgane des Systems

Dr. Jörg Lantzsch, Freier Fachautor, Wiesbaden

Ein Drehgeber wandelt eine Drehbewegung in ein analoges oder digitales Ausgangssignal um, das anschließend von einer Steuerung verarbeitet werden kann. In vielen Produktionsanlagen und Maschinen kommen solche Drehgeber zum Einsatz, um Positionieraufgaben sicher und genau zu realisieren. Unterschieden wird zwischen Inkremental-Drehgebern, die pro fest definiertem Drehwinkel beispielsweise einen Impuls ausgeben, und Absolutdrehgebern, die in Abhängigkeit der Winkellage einen eindeutigen Positionswert ausgeben.

Die beiden am häufigsten verwendeten Messprinzipien bei Drehgebern basieren auf optischen oder magnetischen Systemen. In optischen Drehgebern sind Glas- oder Kunststoffscheiben integriert, die mit einem Strichmuster versehen sind. Wenn sich die Achse dreht, bewegt sich vereinfacht gesprochen die Scheibe durch eine Lichtschranke. Das Hell-Dunkel-Muster wird dabei in ein Ausgangssignal umgesetzt. Mit diesem Prinzip lassen sich ohne Probleme hohe Winkelauflösungen beispielsweise von 12 Bit realisieren. Bei magnetischen Drehgebern ist auf der drehenden Welle ein Permanentmagnet befestigt. Das durch die Drehung erzeugte veränderliche Magnetfeld wird dann durch Hall-Sensoren registriert und in ein Ausgangssignal umgesetzt.

Beide Messprinzipien – optisch und magnetisch – haben sowohl Vor- als auch Nachteile. Der größte Vorteil optischer Drehgeber ist die relativ einfach zu erreichende hohe Auflösung. Auf den Scheiben lassen sich sehr feine Hell-Dunkel-Muster herstellen, die im Durchlichtverfahren abgetastet werden können. Die Glas- oder Kunststoffscheibe stellt aber gleichzeitig auch einen Schwachpunkt solcher Drehgeber dar: Verschmutzungen oder Alterung bzw. Trübung können schnell zu Fehlern bei der Messung führen. Auch mechanische Einwirkungen können einen Einfluss auf optische Drehgeber haben. Vibrations- oder Schockbelastung kann zu Bewegungen der Scheibe führen, die eine Beschädigung oder im schlimmsten Fall eine Zerstörung zur Folge haben. Optische Drehgeber kommen daher bei schwierigen Umgebungsbedingungen häufig an ihre Grenze.

Von Vibrationen, Schocks oder schmutzigen Umgebungsbedingungen lassen sich magnetische Drehgeber kaum stören. Daher werden Drehgeber, die nach diesem Prinzip arbeiten, bei rauen Umgebungsbedingungen bevorzugt eingesetzt. Auswirkungen auf die Funktion können unter Umständen externe elektromagnetische Felder haben. Bei magnetischen Drehgebern war es allerdings deutlich aufwändiger, eine so hohe Auflösung zu erreichen, wie sie bei optischen Drehgebern möglich ist.

Die ifm electronic GmbH hat jetzt eine neue Generation magnetischer Drehgeber vorgestellt, die in der Leistungsfähigkeit durchaus mit üblichen optischen Drehgebern mithalten können. Bei der Entwicklung hat man neben der Leistungsfähigkeit gleichzeitig Wert auf eine hohe Robustheit gelegt. Um Störungen der Signale durch elektromagnetische Felder zu vermeiden, kommt ein starker Permanentmagnet mit einer Flussdichte von 20 mT zum Einsatz. Mehrere 3D-Hallsensoren messen das resultierende Magnetfeld in allen drei Raumrichtungen. Die Hallsensoren sind zusammen mit einem leistungsfähigen Mikroprozessor auf einer Platine im Innern des Drehgebers untergebracht. Der 32-Bit-Mikroprozessor verarbeitet die analogen Rohsignale des 3D-Hallsensors direkt auf der Leiterplatte. Dadurch sind die Leitungslängen zwischen Sensor und Prozessor sehr kurz, Störungen der analogen Signale sind dadurch auf ein Minimum reduziert. Der Prozessor verarbeitet die Signale des Hallsensors, der das Magnetfeld in allen drei Raumrichtungen erfasst. Dadurch können intern bereits Plausibilitätsprüfungen des Positionswertes vorgenommen werden. Die Kombination von präzisen Hallsensoren und leistungsfähigem Prozessor zur digitalen Signalverarbeitung führt dazu, dass der Drehgeber eine Auflösung von 12 Bit entsprechend 0,08° erreicht.

Da der Prozessor eine hohe Rechenleistung bietet, kann mit ihm auch direkt eine IO-Link-Schnittstelle (siehe Kasten) zur Verfügung gestellt werden. Hierüber lassen sich einerseits die Mess- und Diagnosewerte ausgeben und zum anderen eine umfangreiche Parametrierung des Drehgebers vornehmen. Beispielsweise können unterschiedliche Betriebsmodi des Drehgebers eingestellt werden. Dieser kann etwa als Inkrementalgeber mit üblichen Schnittstellen in TTL- oder HTL-Logik verwendet werden, wobei sich die Auflösung zwischen 2 und 10 000 Impulsen pro Umdrehung frei einstellen lässt. Der Drehgeber kann auch als Zähler arbeiten, wobei die Zählrichtung und Schaltpunkte definiert werden können. Die dritte Betriebsart ist die Drehzahlüberwachung. Hierbei kann ein Drehzahlbereich eingestellt werden; wird dieser über- oder unterschritten, schaltet der entsprechende Ausgang. Der Mikroprozessor übernimmt alle Betriebsmodi und Funktionalitäten direkt im Drehgeber. Eine Programmierung dieser Funktionen in einer übergeordneten Steuerung kann dadurch entfallen. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass der Anwender die verschiedenen Betriebsmodi mit nur einem Gerät realisieren kann. Wenn er also in verschiedenen Anwendungen Inkrementalgeber, Zähler oder Drehzahlwächter benötigt, kann er jeweils auf ein und dasselbe Gerät zurückgreifen. Service und Lagerhaltung werden dadurch deutlich vereinfacht.

Zusätzlich zur IO-Link-Schnittstelle haben die neuen Drehgeber ein LED-Display, Status-LEDs und drei Tasten. Darüber lassen sich sämtliche Funktionen auch direkt am Gerät einstellen. Das Display zeigt in Abhängigkeit der Betriebsart die aktuellen Impuls-, Zähl- oder Drehzahlwerte an. An der zweifarbigen Anzeige (rot/grün) erkennt der Maschinenbediener vor Ort sofort, ob an der Maschine ggf. Grenzwerte über- oder unterschritten sind. Werden Display und Tasten nicht benötigt, weil die Parametrierung ausschließlich über IO-Link erfolgen soll, steht mit der Basic-Variante ein Modell ohne Display und Einstelltasten zur Verfügung.

Die neuen Drehgeber sind in fünf Varianten für verschiedene Flansch- bzw. Wellenanschlüsse erhältlich. Auf der Gehäuseseite erfüllen die Drehgeber die hohe Schutzart IP67 – optional sind auch höhere Schutzarten möglich. Mit ihrem robusten Aufbau eignen sich die Geräte für alle Anwendungen, bei denen Drehbewegungen auch unter rauen Umgebungsbedingungen überwacht werden müssen.

Eine durchgängige Kommunikation zwischen den verschiedenen Komponenten und Systemen innerhalb eines Produktionsbetriebs ist eine wichtige Grundvoraussetzung für Industrie 4.0. Dass die Kommunikation über alle Ebenen hinweg in Zukunft standardisiert und vereinheitlicht wird, scheint im Moment unwahrscheinlich. Hier bietet ifm erstmalig Drehgeber mit IO-Link-Schnittstelle, da sie sehr einfach Messwerte und Statusmeldungen weitergeben können, ohne dass die übergeordnete Steuerung zusätzlich belastet wird. Dadurch lassen sich etwa Systeme zur zustandsorientierten Wartung leicht realisieren. Das Essener Unternehmen hat sich auf Grund dieser Vorteile dazu entschlossen, alle neuen Sensoren grundsätzlich mit einer IO-Link-Schnittstelle auszustatten.

ifm electronic GmbH

Essen

Tel.: +49 201 2422-1411

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