Weltweit erster induktiver Drehgeber arbeitet berührungslos und verschleißfrei Encoder 2.0 – KEM
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Encoder 2.0

Weltweit erster induktiver Drehgeber arbeitet berührungslos und verschleißfrei
Encoder 2.0

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Mit dem induktiven Drehgeber RI360P-QR24 hat Turck den weltweit ersten Drehgeber entwickelt, der berührungslos selbst hochaufgelöste Drehbewegungen erfassen kann. Damit steht jetzt ein Drehgebertyp zur Verfügung, der verschleißfrei arbeitet und dauerhaft dicht bleibt – und nicht irgendwann als Elektroschrott endet.

Der Autor: Michael Troska ist Produktspezialist Linearwegsensoren und Drehgeber bei Turck in Mülheim

Die Drehgeber-Welt ist gespalten. Auf der einen Seite stehen die Verfechter optischer und potenziometrischer Encoder, auf der anderen die Anhänger magnetischer Systeme. Optische Drehgeber sind als absolute oder inkrementelle Drehgeber weit verbreitet. Ihre Stärken sind ihre Fähigkeit, hohe Auflösungen und Drehzahlen zu erfassen, sowie ihre Magnetfeldresistenz. Unpraktisch ist hingegen, dass die Geräte hohe Auflösungen nur mit großen Gehäusequerschnitten erreichen.
Der größte Nachteil ist aber die konstruktionsbedingte direkte mechanische Kopplung der drehenden Welle mit der codierten Glasscheibe. Schläge auf die Welle können die Impulsscheibe zerstören. Allein der Betrieb an vibrierenden Wellen setzt der empfindlichen Konstruktion auf Dauer zu. Das System arbeitet zwar elektrisch verschleißfrei – doch das hilft wenig, wenn die Mechanik vorzeitig kapituliert. Die Hersteller kennen diese Achillesferse der optischen Encoder und versuchen daher, Vibrationen zu minimieren. Montagezubehör wie Kupplungen und Federelemente sollen die mechanische Dauerlast dämpfen. Andere Hersteller statten ihre Drehgeber mit paarigen Kugellagern aus oder setzen auf getriebelose Varianten.
All diese Versuche können den prinzipiellen Konstruktionsschwachpunkt der Geräte nur abfedern. Die mechanische Verbindung zwischen Maschinenwelle und Encoder bringt über kurz oder lang Verschleißschäden mit sich – sei es an Federelementen, Dichtungen oder am Encoder selbst. Ähnlich verhält es sich mit den potenziometrischen Drehgebern: Auch sie erreichen hohe Auflösungen auf Kosten ihrer Robustheit.
Mit den magnetischen Systemen verhält es sich spiegelverkehrt. Ihre Stärke liegt in einer relativ hohen mechanischen Belastbarkeit. Magnetische Drehgeber messen berührungslos und elektronisch verschleißfrei. Die Schwächen der auf dem Markt erhältlichen magnetischen Drehgeber sind allerdings ihre EMV-Anfälligkeit sowie ihre Intoleranz gegen Versatz des Positionsgebers, weshalb auch sie in einem Gehäuse betrieben werden müssen, das den Geber exakt positioniert. Die begrenzte Auflösung der magnetischen Geräte ist zudem abhängig von der Drehzahl der Welle, an die sie gekoppelt sind.
Induktives Resonator-Messprinzip
Für Anwender, die weder die Schwächen der optischen noch die der magnetischen Systeme in ihren Anlagen vernachlässigen können, hat Turck jetzt eine neue Drehgeberklasse entwickelt, die auf Basis des induktiven Resonator-Messprinzips arbeitet, das der Automatisierungsspezialist bereits seit zwei Jahren erfolgreich in seinen Weg- und Winkelsensoren einsetzt. Die induktiven Drehgeber der Reihe RI360P-QR24 vereinen die Vorteile der bisherigen Lösungen und eliminieren gleichzeitig deren Nachteile. Sie sind nicht nur absolut verschleißfrei, sondern auch hochauflösend, vibrationsbeständig, magnetfeldfest, hochdrehend und erfüllen dauerhaft Schutzart IP69K.
Das Resonator-Messprinzip erlaubt eine Konstruktion ohne Dichtungen mit vollständig vergossenem Sensorgehäuse, das vom Positionsgeber getrennt ist. Das Eindringen von Staub oder Wasser in die Elektronik ist so absolut ausgeschlossen. Vibrationen und Versatz bis zu 4 mm kompensiert der Encoder mit seinem berührungslosen Messprinzip. Magnetfelder stören das Messverfahren ohnehin nicht, da der Positionsgeber nicht auf einem Magneten, sondern auf einem induktiven Spulensystem basiert, bei dem Sensor und Positionsgeber (Resonator) einen Schwingkreis bilden.
RI-Drehgeber im Solarturmkraftwerk
Die ersten Kunden warten bereits auf den neuen Encoder. Unter ihnen ein Solarturmkraftwerk in Spanien. In diesen sogenannten Heliostat-Kraftwerken gerieten alle bislang eingesetzten Drehgeber, die zum Ausrichten der Spiegel auf den zentralen Turm verwendet werden, an ihre Grenzen. Da die Spiegel bis zu 1 km vom Turm entfernt stehen, müssen Neigungsänderungen im Milliradbereich (1 Millirad = ca. 0,06 °) umgesetzt werden, um das Licht exakt auf den Turm zu projizieren. Magnetische Drehgeber kommen aufgrund der mangelnden Auflösung hier nicht infrage. Optische Drehgeber sind den klimatischen Herausforderungen in Wüstenregionen auf Dauer nicht gewachsen: Heiße Tage und kalte Nächte führen zu starker Kondenswasserbildung. Bei einem ungekapselten System lassen sich Wassereinschlüsse nicht verhindern. Das eindringende Wasser stört die Elektronik und die Optik, der Sensor fällt aus.
Der wartungsfreie RI-Drehgeber ist den optischen Encodern hier weit überlegen, wie die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung zeigt: Im genannten Kraftwerk sind rund 20 000 optische Drehgeber verbaut. Pro Jahr mussten die Betreiber rund ein Drittel davon austauschen, weil sie defekt oder kurz vor einem Ausfall waren. Bei einem Stückpreis von 100 Euro entstand ein Schaden von fast 700 000 Euro im Jahr. Hinzu kommen die Kosten für Servicetechniker und der Schaden durch ausgefallene Stromerzeugung. Der Gesamtschadenallein in diesem Projekt belief sich damit jährlich auf rund 1 Mio. Euro.
Universal-Drehgeber ersetzt mehrere 100 Typen
Mit Turcks neuem Drehgeber erübrigen sich alle Anstrengungen, Drehgeber über Federn oder Doppellager vor mechanischer Belastung zu schützen. Neben der Störsicherheit und der Verschleißfreiheit des Systems profitiert der Anwender vom Parametrierungs- und Montagekonzept, das dieses Modell zum Universal-Drehgeber für viele Anwendungen macht – es kann mehrere 100 verschiedene Drehgebertypen ersetzen. Das Montagekonzept setzt den Universalansatz fort: Über Adapterringe kann der Anwender Positionsgeber auf Wellen mit unterschiedlichen Durchmessern bis 20 mm einsetzen. So muss er für diese Anwendungen nur noch einen einzigen Drehgeber vorrätig halten.
Die erste verfügbare Variante des Drehgebers ist eine parametrierbare SSI-Version, über deren Schnittstelle der Anwender die Charakteristik und alle Parameter individuell abstimmen und die Single- oder Multiturn-Auflösung an die Bedürfnisse der Anwendung anpassen kann. Der Drehgeber kann hohe Auflösungen bis 18 Bit realisieren, selbst bei sehr hohen Drehzahlen. Auch die Ausgangssignale kann der Anwender individuell parametrieren: als SSI-, Graycode oder Binar-Signal in 24, 25 oder 26 Bit. Der SSI-Version werden in Kürze weitere Modelle folgen: Versionen mit analogem Ausgang (Strom und Spannung), Inkrementalversionen, IO-Link-Geräte, eine Variante mit Modbus-RTU-Anschluss und ein nach e1-Richtlinie konstruiertes Modell für mobile Maschinen.
Flexibles Montagekonzept
Ebenso flexibel wie das Parametrierungskonzept ist auch das Montagekonzept. Über Wellenadapter ist der Drehgeber auf allen gängigen Voll- und Hohl-Wellenstärken bis 20 mm einsetzbar. Der Sensor hat die Form eines Donuts und kann mit seinem Mittelloch auch über die Welle geschoben werden, der Positionsgeber lässt sich wahlweise dahinter oder davor positionieren.
Dass das neue Drehgebermodell sich nicht in die vorhandenen Schubladen einordnen lässt, zeigt auch der Wunsch eines Kunden aus der Werkzeugmaschinenbranche. Diese Applikation bewegt sich an der CNC- Maschine im Multiturn-Bereich und verlangt die Erfassung mit bis zu 25 000 min-1. Die Geschwindigkeit ist für den Drehgeber kein Problem, denn er ist mechanisch nicht auf eine Maximaldrehzahl begrenzt.
Die Absatzmärkte für die neue Drehgeberklasse sind vielfältig: Unter anderem in den Bereichen Mobile Maschinen, Erneuerbare Energien, Verpackungsmaschinen, Werkzeugmaschinen sowie Logistiksysteme und -anlagen sieht Turck ein hohes Potenzial. Konzeptionsbedingt ist die neue Drehgeberklasse aber für alle Absatzmärkte und nahezu alle Anwendungsfelder eine Lösung. I

Info & Kontakt
Hans Turck GmbH & Co. KG Michael Troska, Produktspezialist Linearwegsensoren und Drehgeber Tel.: 0208 4952-276 michael.troska@turck.com www.turck.de
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