Drehgeber Programmierbare Drehgeber an der Schnittstelle zwischen Mechanik und Elektronik

Mit Hilfe von geometrischen Sensoren können Maschinen auf reibungsloses Funktionieren überwacht oder Fehler direkt in die Steuerung gemeldet werden. Magnetische Absolutwertgeber bieten eine Reihe von Vorteilen gegenüber anderen Verfahren. Der neueste Sensor aus der MAB-Reihe der Megatron Elektronik lässt sich jetzt auch einfach programmieren, selbst im eingebauten Zustand.

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MEV Elektronik Service GmbH

Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

Das Gebiet der Sensorik spielt eine entscheidende Rolle bei der Sicherstellung korrekter und reibungsloser Abläufe in der Fabrikautomation. Man könnte es auch als eine Art Sinnesorgan der Maschine bezeichnen. Während einige Sensoren für die Funktion der Anlage unverzichtbar sind, tragen andere dazu bei, deren Abläufe zu optimieren. Gibt es eine genaue Rückmeldung über die Position eines Roboterarmes an die Steuerung, kann sie die Geschwindigkeit in unkritischen Gegenden erhöhen und zu den Endlagepunkten hin wieder verringern. Dazu übernehmen Sensoren Sicherheitsfunktionen. Je mehr Zustands-informationen eine Steuerung hat, desto besser lassen sich Fehlfunktionen vermeiden.

In industriellen Produktionsprozessen arbeiten alle technischen Disziplinen bei der Fertigung des Endproduktes zunehmend fließend zusammen. In jedem mechatronischen System, anders gesagt, in jedem Fertigungsprozess, hat die Sensorik als Bestandteil des Informationsflusses einen festen Platz als Bindeglied zwischen Mechanik und Informatik (Bild1). Bei den neuen programmierbaren Drehgebern wird diese Rolle des Sensors noch erweitert. Statt als rein rückmeldendes Element zu fungieren, kann der Drehgeber an die Maschinensituation angepasst werden, um für verschiedene Drehwinkel genaue und aktuelle Messergebnisse zu liefern.

Beratungskompetenz zeigt sich bei der Auswahl

Auch wenn es keine universal gültige Sensorlösung gibt, weil Maschinen und ihre Aufgaben dazu viel zu unterschiedlich sind, zeichnet sich ab, dass magnetische Absolutwertgeber zunehmend an Bedeutung gewinnen. Denn das magnetische Messverfahren ist unempfindlich gegenüber Vibrationen, wodurch es stellenweise den optischen und den potentiometrischen Sensoren überlegen ist. Verunreinigungen beeinflussen die magnetische Messung ebenso wenig wie Feuchtigkeit oder Temperaturschwankungen. Lediglich externe Magnetfelder, die allerdings so groß sein müssten, dass sie bei den allermeisten Applikationen nicht ins Gewicht fallen, können zu Störungen führen.

Im Hinblick auf die hohe Anfälligkeit gegenüber Umwelteinflüssen, wie sie optoelektronische Sensoren aufweisen, reicht die erreichte Genauigkeit der magnetischen Sensoren für die Mehrzahl der Anwendungsfälle vollkommen aus. Wird ein Absolutwertgeber als Ersatz für ein Potentiometer eingesetzt, treten die Vorteile bei Geschwindigkeit und Genauigkeit und die erhöhte Belastbarkeit des Analogausgangs klar zu Tage.

Kundenspezifische Anpassungen entsprechend dem Firmenkonzept

Das kontaktlose Hall-Effekt-Messprinzip arbeitet verschleißfrei und ermöglicht vor allem im Vergleich zum Potentiometer, das kontaktgebunden misst, längere Standzeiten und gleichzeitig hohe Drehgeschwindigkeiten.

Die Basistechnologie, bestehend aus Chip und Magnet ist einfach und preiswert. Da die Chips programmierbar sind, können sie ohne Änderungen an der Hardware für verschiedene Anwendungen eingesetzt werden. Durch diese Technologie sind auch kundenspezifische Anpassungen entsprechend dem Firmenkonzept von Megatron einfach zu realisieren.

Dank konstanter Weiterentwicklung sind magnetische Absolutwertgeber in punkto Kosten und Lebensdauer längst konkurrenzfähig geworden. Diesem Trend entsprechen die magnetischen Absolutwertgeber der MAB-Serie genau.

Helmut Friedl, Leiter des Geschäftsbereiches Industriesensorik bei Megatron: „Über jeder Neu- oder Weiterentwicklung eines Produktes steht die Prämisse, anspruchsvolle Technik zu einem attraktiven Preis anzubieten. Hier werden Kunden fündig, die beim Maschinendesign aufrüsten wollen.“

Wandlungsfähig nach Einbau

Beim MAB36A P sind der Drehwinkel mit Start- und Endpunkt sowie der Richtungssinn jederzeit dynamisch von der SPS veränderbar. Dadurch kann der Messbereich entweder bei der Montage oder auch nachträglich noch geändert werden. Der Anwender spart so Maschinenstillstandszeiten. Statt über die SPS können die Funktionen des Drehgebers auch mit einem Handbediengerät gesetzt (eingeteacht) werden. Dies funktioniert sowohl bei Winkeln unter 360°, so dass diesen der volle Strom bzw. die volle Spannung zur Verfügung stehen, aber auch für größere Winkel, also im Multiturnmodus.

Muss der Sensor ausgetauscht werden, steht er nach kürzester Zeit ohne aufwändige Feinjustagen wieder zur Verfügung, was verglichen mit dem Anschluss beispielsweise über eine Busverbindung Vorteile hat. Dort ist in vielen Fällen nach dem Austausch eine Neuparametrierung des Gebers erforderlich – bei stehender Maschine. Zum Einsatz kommt dieser Geber beispielsweise in der Verpackungsindustrie, wo er dank seines stabilen und langlebigen Aluminiumgehäuses besonders geeignet ist.

Gerade zwischen preisgünstigen Potentiometern und vorhandenen hochwertigen Multiturn-Drehgeber-Lösungen besteht eine weite Spanne. Letztere verfügen in der Regel über die „True Power On“-Funktion, die auch im ausgeschalteten Zustand Drehungen erkennt. Längst nicht alle Applikationen erfordern jedoch dieses Feature. Die Eigenschaft des absoluten Messverfahrens, sofort bei Wiedereinschalten ohne Referenzfahrt die Position zu erkennen, ist hingegen bei einer großen Zahl von Einsatzfällen gefragt.

Deshalb gibt es den MAB36A P in einer Multiturn-Sonderausführung. Wenn der Strom abgeschaltet wird, darf noch ein Winkel von ± 90° gefahren werden, ohne dass der Geber seine Multiturninformation verliert. Werden größere Winkel stromlos durchfahren, so ist nach dem Einschalten eine Referenzfahrt wie bei einem Inkrementalgeber erforderlich. Friedl: „Wir versuchen, mit unseren kontaktlosen Verfahren diese Lücke zum Teil zu schließen und eine technisch ausgereifte und wirtschaftliche Lösung für die Sensorik anzubieten.“

Teilwinkel als Full Scale

Sensoren, bei denen der Anfangs- und Endpunkt einstellbar ist, nutzen das volle Strom- oder Spannungssignal bei der gewählten Winkelgröße. Wenn 360° als Full Scale eingestellt sind, ist bei kleineren Winkeln das Signal dann entsprechend weniger stark, also beispielsweise bei 180° mit 5 V oder 10 mA nur halb so kräftig. Skalierte Sensoren mit einem Teilwinkel als Full Scale-Bereich verfügen über deutlich bessere Werte bei Rauschabstand und damit bei der Signalqualität. Da der Sensor intern mit 14 Bit rechnet, erhöht sich gegenüber einem nicht skalierten Sensor die Auflösung im Teilwinkel beträchtlich.

Drehrichtung mit cw (im Uhrzeigersinn, eng. clockwise) ist voreingestellt

Viele Steuerungen können zudem leichter mit dem Full Scale arbeiten als mit einem Teilbereich. Um den gewünschten Full Scale-Bereich einzustellen, muss nur der Signaleingang StartPos oder EndPos für mindestens zwei Sekunden an Masse gelegt werden, zum Rücksetzen in den Auslieferzustand beide Eingänge. Genauso wird auch der Nullpunkt bei Multiturnanwendungen gesetzt. Der maximale Drehwinkel, also das Vielfache von 360°, ist werksseitig einprogrammiert. Auch die Drehrichtung mit cw (im Uhrzeigersinn, eng. clockwise) ist so voreingestellt. In diesem Zustand steigt der Signalpegel beim Drehen im Uhrzeigersinn an. Die Richtung kann bei jedem Setzen des Start- oder Endwinkels oder beim Rücksetzen des Sensors durch Anschließen der Steuerleitung DIR an die Masseleitung geändert werden.

Bild 2 zeigt den Signalverlauf eines Singleturngebers bei einem Drehwinkel von 100° und der Drehrichtung im Uhrzeigersinn. Die Verlaufskurve ist bei Strom- und Spannungsausgang identisch. Das Signal steigt zwischen 0 und 100° Drehwinkel von 0 auf 10 V bzw. von 4 auf 20 mA an, dieser Anstieg wird in der Darstellung als Rampe bezeichnet.

Der Bereich außerhalb dieses Intervalls (Totbereich) ist in zwei gleich große Plateaus aufgeteilt, in diesem Falle je 130° (360° - 100° = 260° / 2), bei denen das minimale oder das maximale Signal gesendet wird. Auf dem maximalen Plateau springt das Signal bei 230° (100° + 130°) wieder auf Null (0 V oder 4 mA).

Diese Auslegung verzeiht mechanische Ungenauigkeiten am jeweiligen Start und Endwinkel der Applikation. Dreht die Maschine über die vorgegebene Endlage hinaus, so bleiben das Minimal- und das Maximal-Ausgangsignal zunächst unverändert.

Die MAB-Serie: Absolutwertgeber – unempfindlich, präzise und langlebig

Die magnetischen Absolutwertgeber mit Analogausgang eignen sich in vielen Fällen als Ersatz für bestehende Potentiometerlösungen mit geringem Aufwand für Redesign – besonders interessant für Retrofits oder kurzfristige Aufrüstungen von Anlagen. Die MAB-Serie enthält mehrere Typen mit Aluminiumgehäuse, die besonders unempfindlich, präzise und langlebig sind. Dank ihrer kugelgelagerten Welle erreichen sie Umdrehungs-geschwindigkeiten von 5.000 Umdrehungen pro Minute und reichen damit an die Werte optischer Drehgeber heran.

Durch eine konstruktive Verbesserung erfüllen ab sofort alle Geber der MAB Serien und deren Pendants, der MIB-Inkrementalgeber-Serien die Schutzklasse IP 65. Sie verfügen über ein Dichtschott, das die Elektronik vor eventuell eintretendem Wasser und Staub schützt, wogegen der Magnet unempfindlich ist. Die Mechanik kann allerdings von eindringendem Schmutz durchaus beeinträchtigt werden. Aus diesem Grund wurde die Ausführung mit 40 mm Gehäusedurchmesser (MAB40 und MAB40 A mit Analogausgang) mit einem zusätzlichen Simmerring ausgestattet, der die Lagerstellen gegen Verunreinigungen abschirmt und dafür sorgt, dass diese Geber der Schutzklasse IP 67 entsprechen. Die Signalausgänge sind standardmäßig als Spannungs- mit 0–10 V oder als Stromschnittstellen mit 4–20 mA sowie als synchron-serielle Schnittstelle verfügbar. Auf Kundenanfrage sind verschiedene weitere möglich.

Zusätzlich: Singleturn-Ausführung mit 12,5-mm-Gehäuse

Der MAB25 mit 25 mm Gehäusedurchmesser bietet eine Hochleistungs-Polymerlagerung der Welle. Sein Kunststoffgehäuse macht ihn besonders preiswert. Dennoch ist er robust und hält mehr als 50 Millionen Achsumdrehungen lang. Durch Dauerbelastungs- und Lebensdauertests ist sichergestellt, dass die Sensoren über die gesamte Lebensdauer einer Maschine zuverlässig arbeiten.

Zusätzlich zu den bisherigen Durchmessern von 18 bis 40 mm ist eine Singleturn-Ausführung mit 12,5-mm-Gehäuse in Vorbereitung. Die Hohlwellenversion MAB22AH kann direkt auf die Welle aufgesteckt werden.

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