Drehgeber zur Winkel- und Wegmessung Rückblick, Überblick
Werbung
Drehgeber zur Winkel- und Wegmessung Rückblick, Überblick, Ausblick Versorgungsspannung, reproduzierbar. Die zweite Gruppe umfasst die Impulsoder Inkrementalgeber. Diese liefern eine bei Drehung entstehende Impulsfolge, die in einem externen Zähler als Positionswert erfasst wird. Nachteilig ist, dass bei Unterbrechung der Versorgung ein neuer Referenzpunkt angefahren werden muss, von dem aus die Messung neu beginnt. Besonders ist bei der Impulsübertragung auf die Abschirmung gegen externe Störungen zu achten. Die Drehgeber dieser Kategorie können ebenfalls zur Drehzahlmessung mit hoher Auflösung eingesetzt werden. Monotour- und Multitour-Winkelcodierer, maximale Auflösung 16 Bit, mit seriellen und Feldbus-Schnittstellen, Gehäusedurchmesser 58 mm. Das kontinuierliche Erfassen und Messen von Positionen innerhalb eines Vollkreises muss in vielen Fällen die punktuelle Signalgabe durch einzelne Schalter ersetzen. Dies hat über die letzten Jahrzehnte zur Entwicklung verschiedener Messsysteme geführt, die unter den Bezeichnungen Drehwinkelgeber, Winkelschrittgeber, Absolutwertgeber, Drehpotentiometer, Winkelcodierer, Winkelsensoren, Transmitter, Messumformer oder Impulsgeber auf dem Markt bekannt wurden. Als Oberbegriff wird heute die Bezeichnung „Drehgeber“ meist verwendet. Er ordnet sich ein unter die große Gruppe der Sensoren und Messwertaufnehmer. Absolutwertgeber und andere sind zu unterscheiden Zwei wesentliche Merkmale sind bei der Zuordnung von Drehgebern zu unterscheiden. Die erste große Gruppe ist die der Absolutwertgeber. Sie liefern ein der Winkelstellung proportionales, eindeutiges Signal in analoger Form (Spannung oder Strom) oder in digitaler Form (binär oder/und dezimal codiert). Dieses Signal hat einen definierten Nullpunkt und ist jederzeit, auch nach einem Ausfall der Codescheibe und schematischer Aufbau eines elektro-mechanischen Winkelcodierers mit 9 Bit-Auflösung (im Gehäuse mit 45 mm Durchmesser Siemens 1972) sich drehendem Differentialkondensator und einer statischen Kapazitätsmessbrücke. Anschließende Schaltungen liefern ebenfalls kalibrierte Spannungsoder Stromsignale. Beide Bauformen sind mechanisch durchdrehbar, haben aber begrenzte Messbereiche von 100° bzw. 300°. Neue Lösungen durch Digitaltechnik Mit der Einführung der Digitaltechnik bei Steuerungen und Regelungen entstand auch in den 70er Jahren der Bedarf an Drehgebern, deren Messwerte unmittelbar in digitaler Form erfasst und zur Verarbeitung weitergegeben werden können. Zur Messung von translatorischen Bewegungen und Drehzahlen wurden von mehreren Herstellern DrehImpulsgeber mit elektro-optischen oder elektro-magnetischen Sensorsystemen entwickelt. Durch Vor-Rückwärtszählung der bei Drehung, z. B: über Reibräder, gelieferten Impulse werden mechanische Größen wie Wege, Längen, Verschiebungen, Vorschübe u. ä. erfasst. Sehr verbreitet sind inzwischen Geber in der Gehäusegröße 58 mm Durchmesser und mit Auflösungen bis zu 10.000 Impulsen je Umdrehung. Als eine der kleinsten Bauformen ist ein elektro-magnetischer Impulsgeber auf dem Markt, der bei nur 22 mm Gehäusedurchmesser maximal 1024 Impulse je Umdrehung liefert. Induktive und kapazitive Systeme ohne Schleifkontakt Winkelcodierer haben ihren festen Platz gefunden Zwei Messsysteme mit berührungsloser Abtasttechnik gehörten lange Jahre zu der Gruppe von Drehgebern, die wegen ihrer Verschleißfreiheit (sieht man von der Lagerabnutzung ab) in der Messund Regeltechnik bevorzugt eingesetzt wurden. Die induktiven Drehgeber arbeiten nach dem Prinzip der Differentialdrossel und sind als Halbbrücke ausgelegt. Sie bestehen aus zwei Spulen, die mit einer Oszillatorspannung gespeist werden. Eine nachfolgende Elektronik liefert ein kalibriertes Messsignal. Kapazitive Drehgeber bestehen aus einem Aufwendiger im mechanischen und elektronischen Aufbau sind Drehgeber mit absolut codierten Signalausgängen. Sie werden durchgängig inzwischen als Winkelcodierer bezeichnet. In Anlehnung an die Bauweise von Drehpotentiometern wurden zunächst Geber entwickelt, bei denen codierte Scheiben von Mehrfachbürsten abgegriffen wurden. Geringes Auflösungsvermögen, schnelle Abnutzung und Kontaktrauschen beschränkten jedoch die Verwendungsfähigkeit und führten bald zur Aufgabe dieser Realisierung. oben links: Kompakter, besonders robuster Drehgeber in Aluminium oder Edelstahl, mit verschiedenen Ausgangsschnittstellen und für Schutzarten bis IP 69K oben rechts: Winkelcodierer mit Profibus- oder CANopen-Interface können über Lichtwellenleiter angeschlossen werden. Anders und in die Zukunft weisend war die zur gleichen Zeit einsetzende Entwicklung elektro-optischer Systeme. Dabei wird eine mit einem Dunkel/HellCodemuster versehende Glas- oder Kunststoffscheibe von einer Lichtquelle abgetastet. Fotozellen nehmen das durchfallende Licht auf. Die nachfolgende Elektronik zur Signalaufbereitung liefert am Ausgang das codierte winkelproportionale Signal. Zunächst wurden Glühfadenlampen als Lichtquelle benutzt. Jeder Codebahn war eine Fotozelle zugeordnet. Bei einem Gehäusedurchmesser von 90 mm blieb dadurch die Auflösung auf 10 Bit, d. h. 1024 Teile auf 360°, beschränkt. Jedes Bit musste parallel herausgeführt und übertragen werden. Es ergab sich ein nicht unerheblicher Kabelaufwand. In mehreren Entwicklungsschritten wurden GaAlAS-Dioden als Lichtquellen, Opto-Arrays, ASiCs und Mikro-Controller in den Sensorteil und in die weitere Signalaufbereitung integriert. Durch die serielle Ausgabe der Positionsdaten konnte der Verdrahtungsaufwand auf nur 4 Anschlussleitungen reduziert werden. Bei einem Gehäusedurchmesser von 58 mm werden heute Auflösungen bis 16 Bit (1/65.536) erreicht. Seit wenigen Jahren finden kleine elektro-magnetische Winkelcodierer neue Einsatzgebiete. Bei dieser Bauform wird ein ASiC mit integrierten Hall-Elementen von einem kleinen Permanentmagneten aktiviert. Dieser Magnet kann außerhalb des Gehäuses angeordnet werden sodass sich im Gehäuse selbst keine bewegten Teile mehr befinden. Trotz des geringen Durchmesser von 22 bzw. 36 mm sind diese Modelle sehr robust. Sie können in Schutzarten bis IP 68 geliefert werden. Elektro-optische Drehgeber mit analoger Schnittstelle liefern Winkelpositionen in Auf- und Abwickelmaschinen für Papierbahnen. Die optische Datenübertragung wird von elektrischen oder magnetischen Feldern nicht beeinflusst. Alle vorstehenden Beschreibungen betreffen Drehgeber zum Erfassen einer Umdrehung bzw. eines Messbereiches von maximal 360°. oben: Elektro-optische Miniatur-Impulsgeber im Gehäuse 24 mm ø, fürAuflösung bis 5000 Impulse je Umdrehung Dementsprechend sind die Auflösungen immer auf 360° bezogen. Bei den digitalen Versionen spricht man auch von Singleturn- oder Monotour-WinkelCodierern. Eingesetzt werden sie z. B. zur Positionsrückmeldung an Fahrzeugpedalen, Stellantrieben, Klappen und Ventilen, Drehtischen, Rotorblättern von Windkraftanlagen, Kranauslegern, Schiffskreiseln und Drehtürmen. links: In großen Strangpress-Anlagen werden Kolbenvorschübe und die Position einer Fliegenden Säge von Profibus-Winkelcodierern mit Seilzügen erfasst. Zusammenfassung und Ausblick Vom Kreis zum Weg In Hochregallagern, Ablängvorrichtungen für Walzgut, Hebebühnen, Bühnensteuerungen, Großraumbaggern und in vielen anderen Fällen müssen Wegstrecken, Längen, Vorschübe und ähnliche mechanische Größen gemessen werden. Dazu wurden bereits vor 40 Jahren Winkelcodierer entwickelt, bei denen bis zu 4096 Umdrehungen des MonotourTeils binär erfasst werden. Solche Codierer haben heute eine Gesamtkapazität von maximal 28 Bit. Über Getriebe, Zahnstangen oder Seilzüge werden die erwähnten translatorischen Bewegungen in Drehbewegungen des Winkelcodierers übertragen und als digitale Größe einer Steuerung zur Verfügung gestellt. Für die Anwendungen im Maschinenbau sind konstruktive Merkmale der Drehgeber wie zulässige Belastung der Wellen und Lagerungen, Schutz gegen Stoß, Erschütterungen und Feuchtigkeit sowie der Arbeitstemperaturbereich wichtige Kriterien. Mit dem Ziel, kompakte Baugruppen zu schaffen, werden zunehmend Drehgeber in Antriebselemente integriert oder als sogenannte Hohlwellengeber angeflanscht. Im Zuge der Miniaturisierung können elektro-magnetische Sensorsysteme ohne eigenes Gehäuse auch in Motoren und in Kleingeräte platzsparend untergebracht werden. Neben mechanischen Gesichtspunkten stehen gleichwertig Fragen der Datenausgabe, -übertragung und –auswertung. Die Feldbustechnik, die seit etwa 10 Jahren zunehmend Verbreitung gefunden hat, macht auch den Einsatz von Drehgebern erforderlich, die unmittelbar mit dem Bus verbunden werden können. Inzwischen gibt es daher Geräte, die mit Schnittstellen zum Anschluss an den Profibus-DP, den InterBus oder den CANopen-Bus geeignet sind. Die Implementierung intelligenter Schaltungen ermöglicht die Programmierung vieler Parameter der Codierer und dem Einsatz innerhalb eines System komplexer Steuerungen. Drehgeber gibt es mit verschiedenen Sensorsystemen, die sich zum Teil im Laufe der Zeit abgelöst haben. Digitale Schaltungen mit hoher Integrationsdichte ermöglichen heute kompakte und gleichzeitig robuste Konstruktionen. Zum industriellen Einsatz sind für den Maschinenbauer neben den mechanischen Daten das Umgebungsverhalten und die Möglichkeit der Integration in komplexe elektronische Steuer- und Regelsysteme von entscheidender Bedeutung. Heute steht dazu ein breites Auswahlspektrum an Drehgebern unterschiedlicher Bauformen zur Verfügung. Die weitere Entwicklung zielt auf die interaktive Nutzung von Positionsgebern innerhalb von Feldbus-Systemen. Die Profibus-Schnittstellen von Winkelcodierern werden z. B. durch neue Versionen komplettiert, die den azyklischen Datenverkehr oder den sogenannten Slave-Querverkehr ermöglichen. Im Zuge de vertikalen Integration mit einer durchgängigen Kommunikation von der Leitebene eines Betriebes bis zur Feldebene von Maschinen und Anlagen ist die Erweiterung von Ausgangsschnittstellen zum Anschluss an das Industrial Ethernet eine der wichtigsten Entwicklungsschritte. Dadurch werden z. B. Ferndiagnosen, Fernwartung und Firmware-Aktualisierung über das Internet möglich. (Veröffentlichung 2004) Aktuelle und historische Drehgeber Elektro-magnetische Winkelcodierer für eine und mehrere Umdrehungen. Schnittstellen: SSI, BiSS, CANopen und inkremental oder analog ► ▲ Elektro-magnetische Miniatur-Drehgeber mit absoluten, inkrementalen und analogen Schnittstellen. Drehwinkelgeber mit Leitplastik-Widerstandselementen zur Klappenund Pedal-Rückmeldung in Nutzfahrzeugen und landwirtschaftlichen Maschinen ► ◄ Zur Leuchtensteuerung in Rohrinspektions-Fahrzeugen dienen seit 1998 Drehwinkelgeber mit Leitplastik-Potentiometern. Elektro-magnetische Impulsgeber für den rauhen Industriebetrieb. Viele Impulszahlen bis zu 10.000 je Umdrehung sowie ein zusätzlicher Tachoausgang ►
