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Was sind Drehgeber, welche Typen gibt es und wie funktionieren sie

Positionierung von Antriebssystemen
Was sind Drehgeber und wie funktionieren sie

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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. Zu den häufigsten Aufgaben eines Drehgebers gehört es, eine Positionierung des Antriebssystems zu ermöglichen.

Inhaltsverzeichnis

1. Was ist ein Drehgeber?
2. Was macht ein Encoder?
3. Welche Drehgeber gibt es?
4. Welche Messprinzipien gibt es bei Drehgebern?
5. Wie funktioniert ein Absolutwert-Drehgeber?
6. Wie funktioniert ein Inkrementaldrehgeber?
7. Für welche Applikationen werden Drehgeber eingesetzt?
8. In welchen Branchen werden Drehgeber eingesetzt?
9. Welche Normen muss man im Zusammenhang mit Drehgebern beachten?
10. Normengrundlage gemäß Maschinenrichtlinie

Was ist ein Drehgeber?

Das Grundprinzip der Drehgeber ist die Umwandlung von mechanischen Bewegungen in elektrische Signale. Dabei handelt es sich häufig um rotatorische oder lineare Bewegungen. Bei rotatorischen Bewegungen können die Drehgeber ohne großen mechanischen Aufwand eingesetzt werden. Lineare Bewegungen müssen beispielsweise mit Hilfe eines Zahnrades in Kreisbewegungen umgesetzt werden, bevor die Drehgeber eingesetzt werden können. Drehgeber werden daher oftmals auch als Encoder bezeichnet.

Was macht ein Encoder?

Encoder, Drehgeber, Winkelmesser oder Winkelgeber arbeiten alle auf Basis einer mechanischen Bewegung (Rotation), die in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt wird. Durch Befestigungen wie Flansch, Nuten oder Bohrungen kann der Encoder schnell und mühelos mit dem drehenden Element verbunden werden.

Welche Drehgeber gibt es?

Im Wesentlichen werden zwei Kategorien unterschieden, die absoluten Drehgeber und die inkrementalen Drehgeber. Absolutwert-Drehgeber werden noch in zwei verschiedene Drehgeber-Arten unterteilt: Singleturn-Drehgeber. Singleturn Drehgeber erfassen Bewegungen mit einem Winkel bis zu 360°. Multiturn-Ausführungen können Positionen über mehre Umdrehungen erfassen.

Inkrementale Drehgeber liefern pro Wellenumdrehung eine bestimmte Anzahl an Impulsen. Über die Messung der Periodendauer oder das Zählen der Impulse pro Zeiteinheit wird die Geschwindigkeit einer Bewegung oder einer Position ermittelt.

Welche Messprinzipien gibt es bei Drehgebern?

Magnetisches Messprinzip: Magnetische Drehgeber bestimmen eine Winkelposition mithilfe von Magnetfeldsensoren, die auf dem Hall-Effekt basieren. Ein Dauermagnet, der an der Welle des Drehgebers befestigt ist, erzeugt ein Magnetfeld, das vom Sensor gemessen wird, der wiederum einen unverwechselbaren, absoluten Positionsmesswert erzeugt.

Optisches Messprinzip: Ein Schlüsselbauteil eines optischen Drehgebers ist die Codescheibe, die auf dem Drehgeber montiert ist. Es handelt sich hierbei um eine Scheibe aus transparentem Material, die ein konzentrisches Muster transparenter und undurchsichtiger Bereiche trägt. Infrarotlicht von einer LED scheint durch die Codescheibe auf eine Anordnung von Fotorezeptoren. Wenn sich die Welle dreht, wird eine unverwechselbare Abfolge von Fotorezeptoren durch das Licht, dass durch das Muster auf der Scheibe vorgegeben ist, beleuchtet. Für Multiturn-Modelle gibt es ein zusätzliches Set von Getrieberädchen, das in einer Verzahnung angeordnet ist. Wenn die Hauptwelle rotiert, werden diese Getrieberädchen zusammenverzahnt, um sich wie die Räder eines Kilometermessers zu drehen. Die Rotationsposition jedes Getrieberädchens wird optisch überwacht und das Ergebnis ist eine Zählung der Nettoanzahl von Umdrehungen des Geberschafts.

Wie funktioniert ein Absolutwert-Drehgeber?

Absolute Drehgeber sind in der Lage, unverwechselbare Positionswerte von dem Moment an zu liefern, zu dem sie eingeschaltet werden, oder auch sofort nach einem Stromausfall. Dies erfolgt durch Abtasten der Position eines codierten Materials. Allen Positionen in diesen Systemen ist ein fester Code zugeordnet. Auch Bewegungen, die erfolgen, wenn das System stromlos ist, werden sofort in genaue Positionswerte umgewandelt, wenn der Geber wieder mit Strom versorgt wird.

  • Magnetisches & Optisches Messprinzip
  • Schnittstellen: Analog, Ethernet, Feldbus, Parallel und Serielle
  • Auflösung bis zu 16 Bit
  • Multiturn- und Singleturn-Umdrehung

Absolute Drehgeber kennzeichnen jeden Punkt einer Bewegung durch ein eindeutiges digitales Signal. Durch die Fähigkeit, einer Weg- und Winkelposition jederzeit einen exakten und eindeutigen Positionswert zuordnen zu können, haben sich absolute Drehgeber zu einem der wichtigsten Bindeglieder zwischen Mechanik und Steuerung entwickelt.

  • Positionswerte auch bei Stromausfall
  • Wiegand-Technologie − keine Backup-Batterie erforderlich
  • Hohe Schock und Vibrationsfestigkeit

Singleturn-Drehgeber haben einen Messbereich von 360° (einer Umdrehung). Wird die Welle mehr als 360° gedreht, entsprechen die Ausgabeparameter der weiteren Umdrehungen dem der Ersten.

Multiturn-Drehgeber bieten durch zusätzliches Messen der Anzahl an Umdrehungen einen größeren Messbereich als 360°. Das Ausgangssignal wird von der Zahl der Umdrehungen und der Wellenposition innerhalb einer Umdrehung bestimmt.

Wie funktioniert ein Inkrementaldrehgeber?

Ein inkrementaler Drehgeber (Encoder) liefert Impulse pro Umdrehung. Je höher diese PPR beziehungsweise je mehr Impulse pro Umdrehung, desto kleiner ist der Winkel zwischen jedem Impuls. Die Impulse pro Umdrehung werden bei normalen inkrementalen Drehgebern am Werk festgelegt. Anzahl der Kanäle bei inkrementalen Drehgebern:

  • Einkanalige Drehgeber werden eingesetzt, wenn eine Richtungserkennung nicht notwendig ist. Dies ist zum Beispiel der Fall bei Längen- und Drehzahlmessungen.
  • Zweikanalige Drehgeber besitzen einen A und B Kanal, die um 90° zueinander versetzt sind. Die Phasenbeziehung wird von der Elektronik ausgewertet und erkennt die Drehrichtung anhand einer steigenden oder fallenden Flanke. Dies wird unter anderem bei der Überwachung der Drehrichtungen von Motoren angewendet.
  • Dreikanalige Drehgeber besitzen neben dem A und B Kanal noch einen Z Kanal (auch Nullimpuls genannt). Dieser Z Kanal besteht aus einem einzelnen Impuls, der bei einem Rundlauf der Codescheibe ausgegeben wird. Beim Einschalten und nach einem Stromausfall ist eine Referenzfahrt erforderlich.

Für welche Applikationen werden Drehgeber eingesetzt?

Eingesetzt werden Drehgeber in Dreh- und Fräsmaschinen, CNC-Maschinen, Motoren und in vielen anderen Maschinen. Typische Einsatzgebiete sind holzverarbeitende Maschinen, Werkzeugmaschinen, Roboter und Handhabungsautomaten, Textilmaschinen, elektronische Waagen, Plotter und Drucker aus dem EDV-Bereich sowie Prüfeinrichtungen.

In welchen Branchen werden Drehgeber eingesetzt?

  • Maschinen- und Anlagenbau
  • Lager- und Fördertechnik
  • Tür-, Tor- und Aufzugsbau
  • Medizintechnik
  • Mobile Equipment
  • Druck- und Papierindustrie
  • Verpackungstechnik
  • Automobilindustrie
  • Erneuerbare Energien

Welche Normen muss man im Zusammenhang mit Drehgebern beachten?

  • DIN 1319 Teil 1 Grundbegriffe der Messtechnik; Allgemeine Grundbegriffe
  • DIN 1319 Teil 2 Grundbegriffe der Messtechnik; Begriffe für die Anwendung von Messgeräten
  • DIN 1319 Teil 3 Grundbegriffe der Messtechnik; Begriffe für die Messunsicherheit und für die Beurteilung von Messgeräten und Messeinrichtungen
  • DIN IEC 1319 Part 4, 1999-02 Basic concepts in metrology; Evaluations of measurements, Concepts for uncertainty of measurement and for the evaluation of measuring instruments and measuring devices
  • DIN 2257 Teil 1 Begriffe der Längenprüftechnik; Einheiten, Tätigkeiten, Prüfmittel; Messtechnische Begriffe
  • DIN 32876 Teil 2 Elektrische Längenmessung mit digitaler Erfassung der Messgröße; Begriffe, Anforderungen, Prüfung
  • DIN IEC 60068 Teil 2–6 Elektrotechnik; Grundlegende Umweltprüfverfahren; Prüfung Fc und Leitfaden: Schwingen, sinusförmig; identisch mit IEC 68-2-6: 1982 (Stand 1985)
  • DIN IEC 60068a Teil 2–27 Elektrotechnik: Grundlegende Umweltprüfverfahren; Prüfungen; Prüfung Ea und Leitfaden: Schocken; identisch mit IEC 68-2-27: 1987
  • DIN VDE 0470 Teil 1 Schutzarten durch Gehäuse (IP Code); (IEC 529_1989_, 2. Ausgabe) Deutsche Fassung EN 60 529: 1991…(to be checked)…
  • EN 60068 Part 2–27 Electrical engineering: Basic environmental testing procedures; Testing; Test Ea and guidance: Shock; identical with IEC 68-2-27: 1987
  • DIN EN 60629 2000-09 Degrees of protection provided by enclosures (IP code)
  • EN 61158, 1993 Field bus standard for use in industrial control systems
  • EN 50170, 1997-7 Universal field communication system
  • DIN 19245, 1993-5 Measuring, open-loop and close-loop control; PROFIBUS; Process field bus
  • ISO 11898, 1995-8 Traffic vehicles – exchange of digital information
  • EN 50325, 2001-5 Industrial communication subsystem, based on ISO 11898 (CAN)
  • EN 50254, 1999-7 Communication subsystem with high efficiency for small data packages
  • EIA/TIA 232 F, 1997 Interface between Data Terminal Equipment and Data Circuit Terminating Equipment Employing Serial Binary Data Interchange
  • TIA/EIA-422-B, 1994-5 Interface description
  • TIA/EIA-485-A, 1998–3 Interface description

International Patent Classification

  • G 01 B 007/30
  • G 01 P 003/42
  • G 01 B 021/22
  • EP 0 171 579 (SSI)

Normengrundlage gemäß Maschinenrichtlinie

Die Norm IEC 61508 (Funktionale Sicherheit) mit ihren Teilen 1 bis 7 ist als „umbrella standard“ (Mutternorm) bekannt. Von ihr abgeleitet finden sich verschiedenste industriespezifische Normen (C-Normen) wieder. Alternative zur IEC 61508 ist die EN ISO 13849. Beide Normen sind unterhalb der Maschinenrichtlinie als B1-Normen gekennzeichnet.

  • EN 61800-5-2: Sicherheit von elektrischen Antrieben
  • E DIN EN IEC 61800-5-3 VDE 0160-105-3:2019-07 (Anforderungen an die Sicherheit von Encodern (Gebern) – Funktional, elektrisch und umwelttechnisch/ (IEC 22G/383/CD:2018)
  • EN 13849–1 – Sicherheit von Maschinen
  • EN 62061 – Sicherheit von Maschinen
  • EN 60601 – Sicherheit für medizinische Geräte
  • EN 61511 – Sicherheit für die Prozessindustrie
  • EN 61513 – Sicherheit für Kernkraftwerke
  • EN 26262 Sicherheit von Straßenfahrzeugen
  • EN 50128 – Sicherheit von Bahnanwendungen

Aktuelle Meldungen zum Themenfeld der elektrischen Antriebstechnik (Elektromotoren) finden sich hier:
https://kem.industrie.de/elektromotoren/

Quellen:

https://kem.industrie.de/allgemein/die-referenzfahrt-entscheidet/

https://www.ifm.com/obj/ifm-magnetisch-oder-optisch-die-alternativen-bei-drehgebern.pdf

https://wiki.induux.de/Drehgeber

https://ethz.ch/content/dam/ethz/special-interest/itet/power-electronic-systems-lab/images/Education/lab-courses/highly-dynamic-drive-systems/Alpha-Theorieteil-v06.pdf

https://www.kuebler.com/de/produkte/messung/drehgeber?pk_campaign=8379801797&pk_kwd=%2Bdrehgeber&pk_source=google&pk_medium=cpc&pk_content=401472270200&gclid=EAIaIQobChMIwY3knZDB8AIVEtd3Ch0iqARWEAMYAyAAEgIFYfD_BwE#

https://www.ifm.com/at/de/category/015/015_010?gclid=EAIaIQobChMIwY3knZDB8AIVEtd3Ch0iqARWEAMYAiAAEgLL2fD_BwE

https://www.posital.com/de/produkte/absolute-drehgeber/absolute-vs-incremental.php

https://www.waycon.de/produkte/encoder-winkelgeber/messprinzip-encoder-drehgeber/

https://alders.de/fachwissen/drehgeber/

https://www.megatron.de/kategorie/inkrementalgeber.html

https://www.faulhaber.com/de/produkte/encoder/inkrementalgeber/

https://www.faulhaber.com/de/produkte/encoder/absolutwertgeber/

https://download.sew-eurodrive.com/download/pdf/16742001.pdf

https://www.turck.de/attachment/D101998.pdf

https://www.zvei.org/

https://www.gutefrage.net/frage/unterschied-zwischen-geber-und-sensor

https://files.pepperl-fuchs.com/webcat/navi/productInfo/doct/tdoct0654n_ger.pdf?v=23-MAR-20

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