Um moderne Entwicklungen bei Multiturn-Drehgebern zu verstehen, bietet sich zunächst ein Blick in die Drehgeber-Historie an: So ersetzt bei der berührungslosen Multiturn-Abtastung eine elektronische Baugruppe das früher üblicherweise eingesetzte mechanische Getriebe. Dieser Wechsel bedeutete weniger bewegliche Bauteile und damit auch eine geringere Fehleranfälligkeit gegenüber dem aufwen­digen Aufbau einer Getriebelösung. ­Zudem ließen sich durch die automatisierte Bestückung der Baugruppe auf der Leiterplatte Montagezeit und -fehler gegenüber der üblicherweise manuellen Getriebemontage signifikant senken. Darüber hinaus verbesserte die getriebelose und damit verschleißfreie Multiturn-Erfassung die Schock- und Vibrationseigenschaften absoluter Multiturn-Drehgeber, ermöglichte kleinere Baugrößen, sprengte die Beschränkungen der bis dahin limitierten Umdrehungszählung und bot erstmals erweiterte Diagnosefunktionen.

Die magnetische ­Abtastung

Bei den absoluten Multiturn-Drehgebern ‚Magres‘ mit magnetischer Abtastung von Baumer wurde die Multiturn-Abtastung nun unlängst überarbeitet: Der Umdrehungszähler basiert jetzt auf zwei Hall-Sensoren. So bietet die Umdrehungserfassung eine verbesserte Robustheit, Zuverlässigkeit und Lebensdauer – Schockfestigkeit bis 500 g und Vibrationsfestigkeit bis 30 g gehören zu den Eigenschaften.

Die magnetische Multiturn-Abtastung erlaubt ein kompaktes Gehäusedesign.

© Baumer

Im stromlosen Zustand versorgt eine Hochleistungs-Lithium-Zelle den Umdrehungszähler und seinen Speicher mit Energie. Bei Anliegen der Spannungsversorgung des Drehgebers wird die Zelle nicht beansprucht. Durch den extrem niedrigen Stromverbrauch erreicht sie eine Lebensdauer von typischerweise 20 Jahren.

Die Magres-Drehgeber sind elektrisch und mechanisch kompatibel zu den bisherigen Ausführungen. Sie bieten eine integrierte SSI- oder CANopen-Schnittstelle und arbeiten mit einer Singleturn-Auflösung von 12 Bit beziehungsweise 4096 Schritten pro Umdrehung und einer Multiturn-Auflösung von 18 Bit respektive 262.144 Umdrehungen.

Die optische Abtastung

Absolut unempfindlich gegenüber Magnetfeldern: die optische Multiturn-Abtastung.

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Die Hauptmerkmale einer rein optischen Abtastung sind hohe Singleturn-Präzision, schnelle Positionsbildung und Unempfindlichkeit gegenüber Magnetfeldern. Wesentliche Bestandteile der Umdrehungserfassung sind gepulst angesteuerte Infrarot-LEDs und lichtempfindliche Empfangselemente. Eine fest mit der Welle verbundene Unterbrecherscheibe zwischen LED und Photo-Empfangsdiode sorgt für die korrekte Erfassung der Umdrehungen und der Drehrichtung. Im Vergleich zu Getriebelösungen, bei denen mechanische Defekte üblicherweise nur mit dem Geräteausfall erkennbar sind, verbessert die Messung des Diodenstroms zudem die Diagnosemöglichkeiten ­sowie die Möglichkeiten der Fehleraufdeckung.

Auch bei der optischen Multi­turn-Technologie übernimmt im ­spannungslosen Zustand eine langlebige Hochleistungs-Lithium-Zelle die Spannungsversorgung.

Mit beiden Multiturn-Technologien lässt sich eine frühzeitige Diagnose ­realisieren, da keine mechanisch ­schaltenden Komponenten zum Einsatz kommen. Dies ermöglicht eine schnelle Fehlersuche und präventive Wartung. So ist beispielsweise der ­Zustand der Lithium-Zelle jederzeit ­diagnostizierbar. Diese Diagnosefähigkeit ist ausschlaggebend für die Umsetzung SIL2-/PLd-konformer Sicherheitsdrehgeber mit nur einer Lithium-Zelle. Auf das aufwendige, kosten- und materialintensive Design-in einer redundanten Lithium-Zelle konnte so verzichtet werden.

Von dieser Diagnosemöglichkeit profitieren auch die Standarddreh­geber, da der Zustand über einen eigenen Diagnoseausgang an die Steuerung übermittelt wird. Diese laufende ­Überwachung erlaubt bei Überschreitung eines definierten Grenzwerts die Einleitung präventiver Wartungsmaßnahmen.

Energieautarker Mikrogenerator

In Anwendungsgebieten mit extremen Anforderungen an die Robustheit bietet Baumer in den HeavyDuty-Geräten der Marke Hübner Berlin alternative Multiturn-Erfassung mittels ‚MikroGenerator‘. Dieser generiert die benötigte Energie zur Erfassung und Speicherung der Umdrehungsinformation direkt aus der Drehbewegung. Bei hohen Drehzahlen ist dies vergleichsweise einfach. Eine Herausforderung ist es jedoch, genügend Energie auch bei sehr geringen, gegen Null tendierenden Drehzahlen zu erzeugen. Das von Baumer eingesetzte System ‚MicroGen‘ verwendet eine magnetisierbare Blattfeder aus nichtrostendem Stahl, die von einer Spule umgeben ist.

Die „MicroGen“-Technologie generiert die benötigte Energie zur Erfassung und Speicherung der Umdrehungsinformation direkt aus der Drehbewegung.

© Baumer

Das Spulen-Feder-Element befindet sich etwas versetzt von der Drehachse im äußeren Bereich der Elektronik. In geringem Abstand laufen zwei gegenpolig magnetisierte Magnete knapp über der Blattfeder mit Spule. Bewegen sich die Magnete an der ­Feder vorbei, nimmt der erste Magnet die ­Feder aufgrund des Reluktanz-Effekts in Drehrichtung mit, bis ihre Federkraft die Mitnahmekraft des Magneten übersteigt. In diesem Augenblick springt die Feder schlagartig zurück, wobei sie vom zweiten Magneten eingefangen und zusätzlich beschleunigt wird. ­Dabei findet ein sehr schneller Wechsel des Magnetflusses in der Feder statt, der einen kräftigen Spannungsimpuls in der die Feder umgebenden Spule hervorruft. Kehrt sich die Bewegungsrichtung der Scheibe mit den Magneten um, wird die Feder zunächst vom zweiten Magneten mitgenommen, um dann auf den ersten Magneten zu springen. Hierbei wird ein Spannungsimpuls mit entgegengesetzter ­Polarität generiert.

Autor: Wolfgang Jarausch ist Senior Marketing Manager Motion Control bei Baumer in Villigen-Schwennigen.