Bei absoluten Drehgebern teilt sich die Welt in zwei große Lager. So existieren entweder Systeme, die mittels optischer Abtastung codierte Glasoder Kunststoffscheiben auswerten, oder magnetische Abtastverfahren, die meist einen auf der Geberwelle montierten Diametralmagneten mit Hall-Sensoren abtasten. Andere Verfahren spielen bei der Mehrzahl der Anwendungsfälle nur eine untergeordnete Rolle. Absolute Drehgeber mit optischer Abtastung einer Codescheibe werden häufig mit höherer Präzision verbunden und bieten Auflösungen bis zu 16 Bit. Einige Produkte mit höheren Auflösungen existieren zwar, finden aber meist nur in Labor- und Mess-Einrichtungen sinnvolle Verwendung. Absolute Winkelgenauigkeiten von <0,05° sind bei den meisten Herstellern verfügbar und gehören somit zum Standard. Allerdings unterliegen optische Geber prinzipbedingt gewissen Alterungseffekten, da die eingesetzten LED-Lichtquellen im Laufe der Zeit ihre Leistungsfähigkeit verlieren.

Darüber hinaus führt eine mögliche Betauung auf der Codescheibe häufig zu Messwertfehlern. Ergo müssen kostenintensive Maßnahmen ergriffen werden, um optische Drehgebersysteme bei rauen Umgebungsbedingungen einsetzen zu können. Magnetische Abtastsysteme hingegen unterliegen keinen Alterungseffekten, und eine eventuelle Betauung – Feuchtigkeit auf der Maßverkörperung – kann dem Messverfahren nichts anhaben. Bis dato haben sich jedoch die geringere Auflösung und Genauigkeit nachteilig ausgewirkt, und auch das Dynamikverhalten vieler magnetischer Drehgeber ist den optischen Drehgebern unterlegen. Aber ein nicht von der Hand zu weisender Vorteil ist, dass notwendige Bauelemente für magnetische Systeme in großer Stückzahl verfügbar, kostengünstig einzukaufen und äußerst unempfindlich sind. Auch ein kompletter Verguss der Sensorik ist möglich, so dass sich Schutzarten bis IP69K realisieren lassen. Ein anderer Ansatz für absolut messende Gebersysteme existiert von Lenord+ Bauer: Durch die Abtastung einer Nonius- Scheibe erhält der Anwender die Möglichkeit, die Vorteile optischer und magnetischer Technologien in einem Produkt zu nutzen – und die Geber zu miniaturisieren.

Die magnetische Nonius-Abtastung

Die genutzte magnetische Abtasttechnologie basiert auf einer ferromagnetischen Maßverkörperung, die mittels Magneto- Resistiver (MR) Sensorelemente abgetastet wird. Die Codescheibe trägt drei Spuren, die der Noniusregel folgend jeweils unterschiedliche Stegzahlen haben. Das Oberflächenprofil wird mittels konventioneller Belichtungs- und Ätzverfahren erzeugt, wobei die kleinsten relevanten Strukturgrößen im Bereich einiger 10 bis 100 μm bei einem Stegscheibendurchmesser von rund 50 mm liegen. Die Abtastung der drei auf der Noniusscheibe codierten Spuren mit MR-Elementen erzeugt drei korrespondierende, phasenversetzte Sinussignale. Der auf 360° eindeutige Phasenversatz ermöglicht die Ermittlung einer Absolutposition. Klebeprozesse, wie sie bei optischen Systemen zur Fixierung von Codescheibe und Geberwelle anfallen, sind nicht erforderlich. Stattdessen wird die Noniusscheibe mit Hilfe selbstjustierender Technik auf der metallischen Achse montiert, was für einen geringen exzentrischen Fehler sorgt.

Die rotierenden Komponenten bilden eine formschlüssig verpresste metallische Einheit, die hohen mechanischen Beanspruchungen und Temperatur- Unterschieden von über 125 °C standhält. Sowohl Stegscheibe als auch Achse bestehen aus dem gleichen Material, woraus verbesserte thermische Eigenschaften resultieren: Da die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Geberwelle, Stegscheibe und des Zentrier-Elementes praktisch identisch sind, werden Materialspannungen und thermisch bedingte Alterungseffekte konstruktiv vermieden. Auf Basis der Nonius-Scheibenabtastung entwickelte Lenord + Bauer nun einen flachen Einbaugeber für Roboter-Anwendungen. Der „Gel 2310“ bietet 16 Bit (65 536 Schritte) Auflösung auf 360° bei einer absoluten Genauigkeit von <0,1°.

Er besitzt eine Durchgangshohlwelle mit 15 mm Wellendurchmesser und einen radialen Kabelabgang. Alternativ gibt es den Drehgeber mit offenen Lötkontakten, um eine kundenseitige Integration zu ermöglichen. Da die Bauhöhe des Drehgebers lediglich 15 mm beträgt, ist es möglich, zwei der Systeme miteinander zu kombinieren und dadurch ein redundantes Gebersystem mit zwei komplett galvanisch getrennten Einheiten zu erhalten – wobei der verwendete Bauraum dennoch geringer ist als der eines normalen Standard- Drehgebers, der meist bei über 50 mm Bautiefe liegt. Über die SSI-Schnittstelle erfolgt die Ausgabe der Positionsdaten; zusätzlich zum digitalen Positionssignal kann ein analoges Sin-/Cos-Signal ausgegeben werden. Grundsätzlich teilen sich die absoluten Drehgeber der „Sensorline“ von Lenord+ Bauer in zwei Gruppen: Eine Baureihe auf Basis des Gel 235 ermöglicht den Einsatz als Standard-Industriegeber, während sich eine Kompaktbaureihe für kundenspezifische Anwendungen eignet, in denen Bauraum von besonderer Bedeutung ist.

Beide Baureihen setzen auf ein mechanisches Getriebe und bieten eine Auflösung von maximal 28 Bit (65 536 Schritte pro Umdrehung und 4096 Umdrehungen). Ausgestattet sind sie mit Standard-Schnittstellen wie SSI, Profibus und CANopen; Industrial Ethernet ist in Vorbereitung. Die Feldbus-Schnittstellen werden in modularer Bushaubentechnik ausgeliefert. Einige kundenspezifisch initiierte Drehgeber-Varianten weichen von der Standard-Baureihe ab: Basierend auf der stets gleichen Messmethodik setzen sie statt auf das in der Standard-Baureihe verwendete Getriebe auf einen batteriegepufferten Zähler. Er bietet bis zu 12 Bit (4096 Umdrehungen) und lässt sich bei Bedarf auf mehr Umdrehungen erweitern.

Autor: Marcus Staszewski ist Produktmanager für Drehgeber bei Lenord+Bauer in Oberhausen.