Industrielle Automation 3/2017

SENSOR+TEST

SENSOR+TEST 2017 I MESSE Auf dem Vormarsch Magnetische Drehgeber-Generation löst optische Systeme ab Während in Präzisionsanwendungen lange Zeit nur hochauflösende optische Systeme zum Einsatz kamen, sind nun magnetische Drehgeber im Kommen. Sie bieten eine elektronische Auflösung von 16 Bit und aufwendige Filtertechniken, die eine hohe Genauigkeit bei hochdynamischen Positionieraufgaben gewährleisten. Zugleich profitiert der Anwender von der mechanischen Widerstandsfähigkeit und einer kleinen Baugröße. Drehgeber wandeln eine Drehbewegung in ein Signal um. Dabei kommen in der Regel optische oder magnetische Messprinzipien zum Einsatz. Optische Drehgeber messen genauer, magnetische sind robuster – so die landläufige Meinung. Lange galten optische Drehgeber als ‚Nonplusultra’ in Sachen Genauigkeit und Auflösung. Die Winkelmessung innerhalb einer Umdrehung (Singleturn) erfolgt hier mittels Codescheibe und eines optischen Chips zur Bewegungserkennung, während die Erfassung der Anzahl von Umdrehungen (Multiturn) durch ein optisch abgetastetes Getriebe, vereinzelt auch durch batteriegepufferte Systeme, stattfindet. Erst die Weiterentwicklung der magnetischen Sensorzellen (Hall Sensoren) und immer leistungsstärkere Mikrocontroller – gepaart mit intelligenter Signalverarbeitung – ebneten den Weg zu magnetischen Absolutwertgebern, die auf höchstem Niveau Jörg Paulus, General Manager, Sales – Europe, Posital-Fraba, Köln operieren. Problemlos erreichen aktuelle magnetische Drehgeber eine Auflösung von 16 Bit bei einer Genauigkeit von 0,09 ° – und damit Werte, mit denen früher nur opti ­ sche Geber aufwarten konnten. Dank ihrer Unempfindlichkeit gegen Feuchtig ­ keit, Schmutz und Vibrationen, aber auch aufgrund der kompakteren Bauweise bieten sich die neuen, hochpräzisen magnetischen Encoder in immer mehr Anwendungen als Alternative zu klassischen optischen Drehgebern an. Absolute Multiturn- Positionsmessungen Trendsetter bei dem Systemwechsel war der Kölner Sensorhersteller Posital, der schon vor Jahren mit der Suche nach Alternativen für die absolute Positionserfassung begonnen hatte. Kostengünstige magnetische Single-Turn-Drehgeber, bei denen ein Hall-Sensor und ein Permanentmagnet die Winkelposition der Welle messen, waren bereits aus der Automobiltechnik bekannt. Allerdings fehlte diesen ersten magneti­ schen Gebern noch die Fähigkeit, mehrere Umdrehungen auch bei Unterbrechung der externen Spannungsversorgung zu erfassen. Gelöst wurde das Problem mithilfe einer Wiegand-Sensorik, die als autarkes Energy- Harvesting-System ausgelegt ist. Herzstück des Wiegand-Sensors, der auf eine Fingerkuppe passt, ist ein magnetischer Draht aus Vicalloy mit ungewöhnlichen Eigenschaften. Der nur 20 mm lange Wiegand-Draht, der sich entlang einer Richtung magnetisiert, ist eingebettet in eine Kupferspule und reagiert auf das Magnetfeld des rotierenden Permanentmagnets. Kommt es hier zu Positions- bzw. Richtungswechseln, erzeugt der Draht energiereiche Spannungsimpulse – unmittelbar und unabhängig von der Geschwindigkeit einer Drehbewegung. Der so erzeugte Impuls liefert mit 7 V genug Spannung, um den Rotationszähler und die dazu gehörige Elektronik zu aktivieren. Dieses Prinzip garantiert absolute Multiturn-Positionsmessungen – ohne Batterien und wartungsfrei. Hohe Genauigkeit und präzise Kalibrierung Der Clou der hochgenauen magnetischen Ixarc-Serie, die Posital vor gut drei Jahren gestartet und zu einem modularen Baukasten mit über 320 000 absoluten Drehgeber- Varianten ausgebaut hat, ist die intelligente Verarbeitung der über die Sensorik bereitgestellten Signale. Gebündelt und ausgewertet werden die analogen Singleturn­ Signale der vier Hall-Sensoren sowie die Multiturn-Daten aus dem Wiegand-Sensor in einem leistungsstarken 32-Bit-Mikroprozessor. Der Schlüssel zum Erfolg liegt primär in der auf dem Hightech-Chip hinterlegten Software. Erst aufwendige Filtertechniken und komplexe Algorithmen, die vom IT- und F&E-Team von Posital in mehrjähriger Projektarbeit entwickelt wurden, garantieren die hohe Genauigkeit und sorgen für eine präzise Kalibrierung der magnetischen 16-Bit-Encoder-Serie. Mit einer Updaterate der Position von weniger als 100 µs Zykluszeit arbeiten die Drehgeber in Echtzeit – und sind so für zeitkritische Anwendungen wie hochdynamische Positionieraufgaben oder Motorfeedback prädestiniert. Die magnetischen Drehgeber bieten gegenüber elektromagnetischen Einflüssen eine hohe Sicherheit. Spezielle Abschirmmechanismen verhindern mögliche EMV- Störungen. Selbst neben elektronischen Bremsen am Motor funktionieren die Geber störungsfrei und sicher. Breit gestreut ist das Anwendungsspektrum der XARC-Serie. Es reicht von Fabrikautomation und Robotik über mobile Ma­ 16 INDUSTRIELLE AUTOMATION 3/2017

MESSE I SENSOR+TEST 2017 schinen, Lager- und Fördertechnik, erneuerbare Energien, Öl und Gas bis zur Medizintechnik. Um für möglichst viele Anwendungen fit zu sein, wurde in die passenden Schnittstellen investiert. Aktuell werden alle marktgängigen Interfaces bedient: von Profibus, CanOpen, DeviceNet, J1939 und Interbus über EtherCAT, Ethernet/IP, Profinet, Powerlink, Modbus TCP bis hin zu Analog und SSI. Vielfalt herrscht auch bei der mechanischen Auslegung: Aufsteckhohl- oder Vollwellen mit mehreren Durchmessern können mit verschiedenen Flansch- und Gehäusegrößen kombiniert werden. Als Gehäusematerial stehen Edelstahl (V4A und V2A) sowie Aluminium zur Auswahl. Online individuelle Produkte generieren Konfiguriert und bestellt werden die magnetischen Anbaudrehgeber online über einen interaktiven Produkt-Finder, der den punktgenauen Zugriff auf den großen Lösungsbaukasten von Posital ermöglicht, in dem über eine Million Drehgeber, Neigungsund Linearsensoren verfügbar sind. Hinter dieser Zahl steckt ein systematisch angelegter Baukasten mit rund 3 000 Modulen, aus denen über logische Verknüpfungen individuelle Produkte generiert werden. Die Module sind den Baugruppen zugeordnet, aus denen ein Drehgeber besteht. Dies sind Mechanik (mit Flansch und Welle), Grund- Sensorik, die Schnittstellen, das Gehäuse sowie die Kabel- bzw. Steckeranbindung. Gefertigt wird ausschließlich auftrags- und kundenbezogen – in einer digital vernetzten Produktion. Über das Online-Portal findet der Kunden nach ein paar Eingabeschritten den Ixarc- Drehgeber, der zu seiner Anwendung passt. Abgefragt werden elektronische bzw. mechanische Parameter wie Messbereich, Pulszahl, Schnittstelle, Auflösung, Schutzart und Wellen- bzw. Flanschgrößen, die konkret gefordert sind. Am Ende gibt es ein detailliertes Datenblatt für das spezifizierte Produkt. Bestellt werden kann ab Losgröße eins. www.posital.de 02 Der magnetische Draht des Wiegand-Sensors erzeugt, unabhängig von der Geschwindigkeit einer Drehbewegung, energiereiche Spannungsimpulse 01 Mit einer Updaterate der Position von weniger als 100 µs Zykluszeit arbeitet die magnetische Encoder-Serie in Echtzeit und ist somit prädestiniert für zeitkritische Anwendungen