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wt-online - Ausgabe 08-2001, S. 506

Kompletter Beitrag im pdf-Format 506.pdf

Automatisierung, Antriebstechnik, Werkzeugmaschinen

Der Geber als Systembaustein

1 Achsen beziehen Position

Achsen, an denen die Position erfasst wird, findet man in nahezu allen Branchen bei allgemeinen Automatisierungssystemen, an Produktions- oder Werkzeugmaschinen, Hauptantrieben, Servoachsen sowie an Handlingachsen. Achsen an Werkzeugmaschinen werden häufig von Servomotoren angetrieben, die von Umrichtern angesteuert werden. In der übergeordneten Steuerung (zum Beispiel numerische Steuerung oder speicherprogrammierbare Steuerung) ist im Teileprogramm hinterlegt, welche Position die jeweiligen Achsen anfahren müssen. Bei Werkzeugmaschinen interpolieren oft mehrere Achsen, um auch komplizierte Werkstückkonturen bearbeiten zu können. Dazu ist es notwendig, Geschwindigkeit und Position der Achsen genau zu erfassen. Zur Geschwindigkeits- und Lageerfassung finden Drehgeber Verwendung, die mechanisch und elektrisch auf den jeweiligen Anwendungsfall zugeschnitten sein müssen, um sowohl hohe Systemleistung als auch hohe Verfügbarkeit zu gewährleisten. Einsatzbereiche sind zum Beispiel Vorschubachsen und Hauptspindelantriebe an Fräs- oder Drehmaschinen. Aber auch in anderen Branchen wie der Verpackungs- oder Lebensmittelindustrie sind Geber zur Lageerfassung erforderlich.Zur Geschwindigkeitserfassung für die Drehzahlregelung werden im Motor integrierte Drehgeber eingesetzt, um durch entsprechend steife Kopplung zwischen Motor und Geber hochdynamische Antriebe realisieren zu können. Die Geberwelle wird hierzu fest " meist über einen Konus " mit der Motorwelle verbunden. Das Gebergehäuse wird mit einer drehsteifen Statorkupplung am Lagerschild des Motors befestigt.Bei Hilfsachsen, die oft nur im gesteuerten Betrieb gefahren werden, sind die Messsysteme zur Lageerfassung häufig an der Maschine montiert. Man unterscheidet zwischen inkrementell arbeitenden Gebern und Absolutwertgebern. Bei den Absolutwertgebern liegt die Position beim Einschalten der Anlage sofort in der Steuerung vor, während bei Inkrementalgebern zuerst eine Referenzpunktfahrt zum Synchronisieren der Maschine nötig ist.

2 Funktionsprinzip von Drehgebern

Drehgeber wandeln eine Drehbewegung in elektrische Signale um. Ein weit verbreitetes System ist die fotoelektrische Abtastung von Strichteilungen oder Codescheiben. Dieses Abtastverfahren ist preiswert und gleichzeitig robust realisierbar und liefert auch über eine lange Betriebsdauer Signale hoher Genauigkeit. Hierbei fällt paralleles Licht durch eine Blende und die auf der Geberwelle befestigte Impulsscheibe auf Fotodioden. Bei drehender Impulsscheibe werden durch geeignete Anordnung der Strichmuster auf der Blende jeweils zwei Fotodiodenpaare im Wechsel beleuchtet oder abgedunkelt (Bild
1).Die Fotodioden setzen diese Lichtwechsel in elektrische Signale um. Mit einer nachgeschalteten Elektronik werden diese Signale bei Inkrementalgebern entweder auf einen Signalpegel von 1
VSS verstärkt oder in Rechtecksignale umgesetzt. Als Ausgangssignale liefern die Drehgeber zwei um 90µ elektrisch phasenverschobene Signale
A und B sowie ein einer elektrischen Periode eindeutig zugeordnetes Referenzsignal. Aufgrund der Phasenverschiebung von 90µ ist eine einfache Drehrichtungserkennung in der übergeordneten Steuerung gewährleistet. Der Positionswert wird durch Zählen der Inkremente in der Steuerung ermittelt.Bei Absolutwertgebern sind auf einer Scheibe mehrere Spuren angeordnet, die durch geeignete Abtastung ein Codewort (ein Bitmuster) liefern. Dieses Codewort entspricht einer eindeutigen Position der Geberwelle. Mit zum Beispiel zwölf Spuren lassen sich somit 212 entsprechend 4096 Schritte codieren. Als Code wird zumeist ein einschrittiger Code (beispielsweise Graycode) verwendet, um stets eindeutige Abtastwerte zu erhalten. Bei Gebern mit einer Scheibe wird die Lage innerhalb einer Umdrehung absolut codiert; die Geber werden als Singleturn-Geber bezeichnet.Oftmals ist es jedoch notwendig, die Position auch über mehrere Umdrehungen absolut zu erfassen. Geber für diesen Anwendungsbereich werden als Multiturngeber bezeichnet. Hierfür werden mehrere Codescheiben über Getriebeuntersetzungen kaskadiert angeordnet. Beim Verwenden von beispielsweise drei jeweils 16::1 untersetzen Codescheiben zu jeweils vier Bit können bis zu 212
=
4096 Umdrehungen unterschieden werden (Bild
2). In Verbindung mit dem vorn beschriebenen Singleturnteil entsteht damit ein Datenwort mit insgesamt 24
Bit. Dies entspricht einem Verfahrbereich von 4096 Schritten pro Umdrehung mal 4096 Umdrehungen, also 16
777
216 Schritten. Ein Verfahrweg von 16
m kann damit auf 1
mm genau unterteilt werden.Der Vorteil der Absolutwertgeber gegenüber Inkrementalgebern liegt darin, dass der Positionswert bereits beim Einschalten der Steuerung vorliegt, ein zeitaufwendiges Referenzpunktfahren der Maschine entfällt. Durch den Aufbau der Geber mit Getriebe wird zudem eine Lageerfassung auch bei ausgeschalteter Stromversorgung gewährleistet, da das Getriebe immer im Eingriff ist. Die Lageinformation wird meist seriell oder über Feldbussysteme an die übergeordnete Steuerung übertragen.

3 Einbaugeber

Einbaugeber werden, wie der Name schon sagt, in Motoren eingebaut. Sie dienen der Rotorlageerfassung für die Steuerung des Motors sowie der Geschwindigkeitserfassung zur Drehzahlregelung. Bei modernen Antriebskonzepten haben sie eine Schlüsselfunktion für das Gesamtsystem, ist die Signalqualität doch ausschlaggebend für eine qualitativ hochwertige Ist-Wert-Erfassung. An Einbaugeber werden auch hohe Forderungen bezüglich der zulässigen Betriebstemperatur gestellt, da sie in unmittelbarer Umgebung der aktiven Motorteile betrieben werden. Die Forderungen an die Schutzart sind hingegen relativ gering, da bereits die Motoren selbst die zur Umgebung passende Schutzart haben.Bei modernen Antriebskonzepten mit digitalem Drehzahlregler wird von einem Gebersystem die Rotorlage zur Steuerung des Motors sowie aus der Inkrementalspur das Drehzahl-Ist-Wert-Signal für die Drehzahlregelung gewonnen. Für den übergeordneten Lageregelkreis wird zudem die Lage zur Verfügung gestellt. Bei AC-Synchronmotoren haben die Einbaugeber neben der Inkremental- und der Referenzspur eine weitere Spur mit einer elektrischen Periode pro Umdrehung. Diese Spur wird zur Rotorlageerkennung nach dem Einschalten ausgewertet, um den Motor phasenrichtig ansteuern zu können.

4 Anbaugeber

Nicht immer ist die indirekte Lageerfassung mit dem im Motor integrierten Geber in ausreichender Genauigkeit möglich. In vielen Fällen wird die Drehbewegung des Servomotors über Getriebe oder Riemen auf Kugelrollspindeln übertragen. Um bei der Lageerfassung die hierbei auftretenden Fehler wie Lose, Elastizitäten oder Schlupf zu eliminieren, finden direkte Messsysteme an der Maschine Verwendung.Die optimale Messung wäre deshalb die direkte Lageerfassung am Werkstück oder Werkzeug. Dies kann zum Beispiel mit Linearmaßstäben erfolgen. Diese Messsysteme erfassen lineare Bewegungen, die Lage wird durch Abtasten von linearen Strichteilungen, ähnlich wie beim Drehgeber, realisiert. Da Linearmaßstäbe jedoch wesentlich teurer sind als Drehgeber, werden sie nur bei Maschinen mit sehr hohen Genauigkeitsanforderungen eingesetzt. Eine kostengünstige Alternative sind hier die Anbaudrehgeber.Anbaugeber werden meist direkt an der Maschine montiert. Aufgrund der Montage an der Maschine sind störende Einflüsse durch mechanische Übertragungselemente weitgehend vermeidbar. Die Kopplung zur Mechanik der Maschine erfolgt schlupffrei entweder über Zahnriemen oder Wellenkupplungen. Anbaugeber, die direkt an Motoren montiert werden, verlieren aufgrund der bei modernen Antrieben bereits im Motor integrierten Einbaugeber zunehmend an Bedeutung.

4.1 Varianten der Anbaugeber

Da die Anbaugeber in unterschiedlichen Anwendungsgebieten zum Einsatz kommen, ist hier eine Optimierung der Geber auf die verschiedenen Einsatzfälle notwendig. Mit dem umfangreichen Produktspektrum "Simodrive sensor" bietet Siemens für nahezu jede Anwendung den erforderlichen Geber.

4.2 Montage

Zur einfachen und schnellen Montage sind die Anbaugeber in den Ausführungen Synchroflansch und Klemmflansch lieferbar. Die Ausführung mit Synchroflansch benötigt wenig Platz bei der Baulänge. Die Befestigung des Gebers erfolgt mit drei Spannpratzen.Die Vorteile des Klemmflansches sind die schnelle Montierbarkeit und die einfache Justage (bedeutet Zeitersparnis). Aufgrund der dickeren Welle mit 10
mm Durchmesser ist die Wellenbelastbarkeit größer und das Wellenlager hält größeren Querkräften stand. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn der Geber über einen Riemen angetrieben wird.Die Verbindung der Geberwelle mit der Welle an der Maschine erfolgt über eine Federscheibenkupplung oder eine steckbare Kupplung zur einfacheren Montage. Die Kupplung gleicht kleine Winkelfehler, Radialversatz und Axialversatz aus.

4.3 Anschlussart

Der elektrische Anschluss am Geber erfolgt entweder über eine Flanschdose direkt am Geber oder über eine Anschlussleitung mit Stecker. Beide Versionen sind elektrisch kompatibel. Als Systemlieferant bietet Siemens vorkonfektionierte und auf Steuerung und Geber abgestimmte Leitungen an. Damit spart der Anwender Zeit bei der Inbetriebnahme und gewinnt an Sicherheit im Betrieb.Beide Anschlussarten können entweder auf der Rückseite des Gebers (axial), oder an der Gehäuseseite (radial) angebracht sein. So kann die je nach Maschinenkonstruktion günstigere Ausführung eingesetzt werden.Bei den Absolutwertgebern mit Profibus-DP-Schnittstelle erfolgt der Anschluss in einer am Geber montierte Haube. Die Haube umfasst neben den Anschlussklemmen auch die Adress-Einstellung, den schaltbaren Busabschlusswiderstand sowie Leuchtdioden zur raschen Bus-Diagnose. Mit dieser Anschlusstechnik ist ein Tausch des Gebers ohne Unterbrechung des Busbetriebes möglich. Zudem können teuere externe T-Koppler zur Busanschaltung entfallen (Bild
3).

5 Elektrische Schnittstelle und Funktionen

5.1 Spannungsversorgung

Bei Sinumerik, Simodrive und vielen Steuerungen anderer Hersteller sind 5
V Betriebsspannung der Standard. Bei speicherprogrammierbaren Steuerungen Simatic bieten die Varianten mit dem Betriebsspannungsbereich 10
V bis 30
V die Möglichkeit auch große Distanzen zu überbrücken, da der Spannungsabfall auf den Spannungsversorgungsleitungen unwesentlich ist.

5.2 Inkrementalgeber

Als Standard-Schnittstelle bei Inkrementalgebern zu nahezu allen Steuerungen wie Sinumerik oder Simatic, ist die TTL-Schnittstelle mit Differenzsignalen nach RS
422 verfügbar. Für die digitalen Antriebe Simodrive
611
D und die Numerischen Steuerungen Sinumerik
810D und 840D sind Geber mit Analogsignalen mit 1
VSS verfügbar. Mit den Analogsignalen wird gegenüber den TTL-Signalen eine höhere Interpolation (Vervielfachung) ermöglicht. Das führt zu einer höheren Auflösung und Positioniergenauigkeit.

5.3 Absolutwertgeber

Die Absolutwertgeber sind in zwei unterschiedlichen Schnittstellenversionen lieferbar. In der Ausführung mit SSI (Synchron Serielles Interface) bieten sie die Möglichkeit zum Anschluss an viele Steuerungssysteme. Die Schnittstelle ist im Markt fest etabliert.Zunehmend an Bedeutung gewinnt die Ausführung mit Profibus-DP-Schnittstelle. Die Gründe hierfür sind zum einen in der einfachen Verdrahtung und der damit verbundenen Kosteneinsparung zu sehen, zum anderen aber auch in den umfangreichen Möglichkeiten der Parametrierung. So können neben der Auflösung je Umdrehung und der Gesamtauflösung auch die Zählrichtung, Preset-Werte sowie Endschalter und ein Geschwindigkeitssignal parametriert werden. Weitere Vorteile bietet der Teach-In-Betrieb. Dieser gestattet, Getriebefaktoren komfortabel automatisch vom Geber ermitteln zu lassen. Dies bietet Zeitersparnis und damit einen weiteren Kostenvorteil bei der Inbetriebsetzung. Die Geber sind im Schnittstellencenter systemgeprüft und gemäß den Richtlinien der PNO (Profibus Nutzer Organisation) zertifiziert. Das gewährleistet dem Anwender eine problemlose und rasche Inbetriebsetzung.

6 Ausblick

Zukünftig werden die Simodrive-sensor-Absolutwertgeber auch den taktsynchronen Profibus mit Querverkehr unterstützen. Durch die Taktsynchronität werden Totzeiten klein gehalten und absolut konstant sein. Das garantiert auch bei mehreren Achsen eine gleichzeitige Lageerfassung ohne Jitter, was bei hochdynamischen Anwendungen (zum Beispiel in der Druckbranche) notwendig ist.Mit der Funktion Querverkehr werden zukunftsweisende Automatisierungslösungen mit intelligenten dezentralen Konzepten ermöglicht. Hier ist der schnelle direkte Austausch von Daten zwischen Slaves (also zum Beispiel Antriebssystemen und Gebern) ohne Beteiligung der Master möglich.Mit dem Produktspektrum Simodrive sensor rundet Siemens das Angebot an Steuerungen, Antrieben und Zubehör ab. Bei den Motoren sind die auf Antriebsbelange optimierten Geber integriert. Die Servomotoren der Baureihe 1FT6 und 1FK6 sind sowohl mit eingebautem Inkrementalgeber als auch mit eingebautem Absolutwertgeber lieferbar. Bei den Anbaugebern liefert Siemens ein breites Spektrum an inkrementalen und absoluten Gebern sowie das dazu notwendige Zubehör (wie Montagezubehör, Kupplungen oder konfektionierte Anschlussleitungen). Somit bietet Siemens seinen Kunden die Komplettlösung " ein Gesamtsystem aus einer Hand. Bereits bei der Projektierung, aber auch bei Service und Support steht dem Kunden ein weltweites Vertriebsnetz zur Verfügung.

The encoder as system component

Abstract Nearly all automation systems are provided with axes the position or speed of rotation of which has to be sensed. In many cases, this task is fulfilled by means of incremental shaft encoders and absolute value encoders. This document gives an overview of the various rotary measuring systems, their method of operation as well as fields of application in automation systems.

Autor:
Rechinger, D.

Der vollständige Beitrag ist erschienen in:
wt-online 08-2001, Seite 506
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