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Die Referenzfahrt entscheidet

Absolute und inkrementale Drehgeber im Vergleich
Die Referenzfahrt entscheidet

Bei der Auswahl zwischen Absolut- und Inkremental-Drehgebern müssen Anwender mehr kennen als den Unterschied zwischen Meterstab und Abakus-Rechenmaschine.

Wer einen Geber für die eigene Anwendung sucht, muss die Unterschiede kennen: Grundsätzlich unterschieden wird in inkrementale und absolute Versionen. Da Absolut-Drehgeber ihre aktuelle Position speichern, sind auch nach einem Stromausfall keine Referenzfahrten nötig. Inkremental-Drehgeber sind dagegen nicht in der Lage, Positionsinformationen nach dem Ausschalten zu speichern. So scheinen die Anwendungen klar zu sein – dennoch gibt es Anforderungen, wo beide einsetzbar sind.

Inkremental- Drehgeber
Inkremental-Drehgeber erzeugen für jeden Schritt einer Bewegung einen Impuls. Durch Zählen von Teilungsperioden und Strichgittern auf einer rotierenden Scheibe werden nur Informationen über eine Veränderung erkannt. Inkremental-Drehgeber können ihre aktuelle Position nicht speichern – diese Aufgabe übernimmt die Steuerung. Wird die aktuelle Position benötigt, muss das Gerät in eine Referenz- oder Ausgangsposition gefahren werden.
Inkremental-Drehgeber sind einfacher aufgebaut und kostengünstiger als absolute Versionen, obwohl Zähler und zusätzliche Hard- oder Software erforderlich sein können. So ist der Vergleich der Systemkosten ratsam, welche auch Zubehör-, Installa-tions-, Wartungs- und Umrüstkosten der Anlage berücksichtigen.
Speziell für elektrische Antriebe werden Inkrementalgeber mit zusätzlich integrierten Signalen für die elektronische Kommutierung des Motors angeboten.
Temperaturbeständig bis 120 °C ermöglichen modulare Drehgeber M15 und M21 der Hengstler GmbH, aber auch die F-Serie mit eigenständiger Lagerung die optimale Ausnutzung blockkommutierter Servomotoren und sind deshalb eine preiswerte Lösung für einfache Positionierachsen. Die integrierte Statorkupplung und der montagefreundliche Servoflansch machen sie einbaukompatibel zu bestehenden Resolverlösungen.
Für Anwendungen in gehobenen Leistungsklassen der bürstenlosen Servomotoren sind die Sinus-Einbaugeber S21 mit einer Feinspur von 2048 Sinus- und Cosinus-Signalperioden pro Umdrehung für die Ermittlung der Geschwindigkeit und Position der Motorwelle sowie einer Grobspur für die Startkommutierung die ideale Lösung.
Absolut- Drehgeber
Absolut-Drehgeber kennen stets ihre aktuelle Position. Das ist besonders bei Werkzeugmaschinen und CNC-Bearbeitungszentren vorteilhaft. Ist bei Stromausfall das Werkzeug noch im Eingriff, kann es automatisch wieder freigefahren werden. Bei verketteten Transferstraßen kann dies viel Zeit und Geld sparen.
Auch bei Servomotoren ist die absolut geführte Bewegung gewünscht. Die Absolutposition der Motorwelle in sehr hoher Auflösung steht neben der tatsächlichen Kommutierungsinformation sofort zur Verfügung.
Absolut-Drehgeber verfügen über eine Codescheibe, deren Spuranzahl von der Auflösung abhängt. Bei 13 Bit Winkelauflösung werden beispielsweise 13 Spuren parallel erfasst und ausgewertet. Durch Interpolation können noch höhere Auflösungen erreicht werden. Ein 22-Bit Rotationsdrehgeber unterteilt beispielweise eine Umdrehung in 222 oder 4, 194, 304 Teile, das heißt 360° werden auf 1 Bit Winkelsekunden aufgelöst.
Wird nur eine Umdrehung der Welle erfasst, spricht man von Singleturn-Absolutgebern und die Ausgangscodes werden bei jeder Umdrehung der Geberwelle wiederholt.
Für Erfassungsbereiche von mehr als einer Umdrehung werden Multiturns benötigt. Zusätzlich müssen die Anzahl der Achsumdrehungen separat und stromausfallsicher erfasst werden. Die zuverlässigste Multiturnlösung nutzt einen mechanischen Speicher und besteht aus einem integrierten Getriebe mit zusätzlichen Coderädern. Das mehrstufige Stirnradgetriebe arbeitet wartungsfrei ohne Batterie und erfasst bis 4096 Umdrehungen.
Die Batterie gepufferte Zählung der Umdrehungen ist im industriellen Einsatz nicht empfehlenswert, da versehentlich Störimpulse mitgezählt werden können und die Batterielebensdauer begrenzt ist.
Abtast- Technologien
Mit Drehgebern werden vorwiegend optische und magnetische Abtastungsverfahren eingesetzt. Optische Geber verwenden eine Scheibe oder Linearmaßstab mit Strichmuster. Auf oder durch dieses Muster fällt Licht. Das durchtretende oder reflektierende Licht wird in Photohalbleitern (Phased-array oder Optoasic) aufgenommen. Optoasics übernehmen die Signalaufbereitung direkt auf dem Chip und bieten weitere Möglichkeiten wie Sendestromregelung für die LED sowie Warnungs- und Alarmfunktionen bei kritischen Betriebszuständen.
Aus dem Teilungsgitter werden bei Inkremental-Gebern zwei um 90° phasenversetzte Ausgangssignale erzeugt, die zur Drehrichtungserkennung dienen, über entsprechende Interpolatoren höher auflösbar sind und mit zusätzlichen Leistungstreibern auch als Rechtecksignale ausgegegeben werden.
Bei Absolut-Drehgebern ist auf dem Informationsträger ein Gray- oder Binärcode aufgebracht. Beim Gray-Code ändert sich zwischen zwei benachbarten Informationen jeweils nur ein Bit des Codewortes, was den maximalen Abtastfehler auf ein Bit begrenzt.
Magnetische Drehgeber sind robust. Hier finden beispielsweise magnetoresistive Sensoren und Hall-Elemente Anwendung. Die Maßverkörperung besteht aus einer aktiven magnetischen Teilung oder einer Stahlteilung auf Basis wechselnder magnetischer Reluktanz, die durch geätzte Schlitze hergestellt wird. Hochwertige magnetische Inkrementaldrehgeber besitzen Auflösungen bis zu 2500 Impulse pro Umdrehung. Einfache magnetische Zahnrad-Sensoren werden bevorzugt für Geschwindigkeitsmessungen eingesetzt.
Einsatz von Inkremental-Drehgebern
Die Entscheidung zugunsten von Inkremental-Drehgebern fällt, wenn keine Information über die absolute Position erforderlich ist oder diese sich einfach ermitteln lässt. Inkremental-Drehgeber sind klein und leben länger als ihre komplex aufgebauten Verwandten. Dadurch liegen ihre Kosten zwischen 40 und 60 % unter denen von Absolut-Drehgebern. Andererseits wurde die Anzahl der Komponenten bei absoluten Drehgebern erheblich reduziert und damit ihre Wirtschaftlichkeit stark verbessert.
So wird die Wahl zwischen absolutem und inkrementellem Messsystem nicht ausschließlich durch die Produkt-Einzelkosten bestimmt: Neue Optoasic-Technologien ermöglichen neue Sicherheitskonzepte bezüglich Diagnose- und Alarmfunktionen. Ebenso lässt sich der Positions-Nullpunkt an Absolutgebern elektronisch zurücksetzen ohne den Drehgeber mechanisch zu verdrehen.
Inkrementale Drehgeber finden Anwendung in Geschwindigkeitsregelungen. Zwar sind analoge Systeme meist preiswerter, doch müssen sie stets kalibriert werden, was zu erhöhtem Inbetriebnahmeaufwand führt. Auch fällt auf der Steuerungsseite höherer Aufwand für die Digitalisierung der analogen Signale an. Optische Drehgeber leben aber länger als Tachogeneratoren, da sie keine verschleißanfälligen Bürstenkontakte aufweisen.
Vorteile von Absolut-Drehgebern
Absolut-Drehgeber sind die erste Wahl, wenn die Referenzposition schwierig oder gar nicht zu ermitteln ist oder wenn die Zeit zum Zurückfahren kostspielige Ausfallzeiten der Maschine verursachen. Folgende Beispiele verdeutlichen das.
In Rollendruckmaschinen steuert ein Schwingarm die Vorspannung des Endlospapiers mit Hilfe eines Absolut-Drehgebers. Ein Inkremental-Drehgeber wäre hier eine schlechte Wahl, da ein kurzer Störimpuls dazu führen kann, dass die Position des Arms verloren geht und der gesamte Fertigungsablauf bis zum Wiederherstellen der richtigen Vorspannung gestoppt werden muss. Mit absolut geführter Winkelmessung ist bei Störung die sofortige Ausgangsposition erkennbar und die Fertigung kann ungehindert weiter gehen.
In anderen Fällen ist eine Referenzposition überhaupt nicht feststellbar: Bewegungsarme in Bestückungsvorrichtungen können sich beim Einschalten in beliebigen Positionen befinden und die Nullstellung ist willkürlich in Relation des zu bestückenden Teils. Auch hier kann nur ein Absolut-Drehgeber die aktuelle Position des Bestückungsarms jederzeit ausgeben.
Schnittstellen und Bussysteme
Absolut-Drehgeber können über parallele und serielle Schnittstellen kommunizieren: Neben geschützten Analogschnittstellen SSI, Hiperface und Endat stehen für allgemeine Industrieanwendungen offene Feldbusschnittstellen wie Profibus DP, Devicenet, Canopen und Interbus zur Verfügung.
Als neue bidirektionale Schnittstelle für hochdynamische Servomotoren etabliert sich Biss. Sie wurde gezielt ausgelegt, um mit geringem Aufwand in Sensoren implementiert zu werden. Die lizenzfrei verfügbare, voll digitale Schnittstelle ist rückwärtskompatibel zu SSI und bietet mit nur sechs Leitungen eine synchrone und serielle Verbindung zwischen Geber und Steuerung bei einer Geschwindigkeit bis 10 MBaud und Leitungslängen über 50 m. Sicherheitsfunktionen wie Telegrammsicherung durch CRC, Warnungs- und Alarmanbits sowie Multizyklusdatenfunktion sind integriert.
 

Hengstler GmbH
Uhlandstr. 49
D-78554 Aldingen
Tel.: +49 (0) 7424-890
E-Mail: info@hengstler.com
Jochen Feiler, Martin Klimek

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