Absolutwertgeber

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Absolutwert-Drehgeber

Absolutwertgeber sind Längen- oder Winkelmessgeräte, die als Wegmessgeräte an Werkzeugmaschinen, in der Handhabungs- und Automatisierungstechnik und an Mess- und Prüfeinrichtungen eingesetzt werden. Der absolute Messwert steht ohne Referenzieren unmittelbar nach dem Einschalten zur Verfügung.

Funktionsweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Funktionsprinzip eines Absolutwertgebers

Absolutwertgeber geben die Lageinformation in Form eines digitalen Zahlenwertes aus. Da dieser Zahlenwert über den gesamten Auflösebereich des Absolutwertgebers eindeutig ist, wird keine anfängliche Referenzfahrt wie z. B. bei Inkrementalgebern benötigt. Die Übertragung der Absolutwerte vom Geber zur Steuerung bzw. zum Servoregler erfolgt teilweise seriell. Hierbei werden spezielle Protokolle wie BiSS-Schnittstelle, SSI, EnDat (Fa. Heidenhain) oder Hiperface (Sick-Stegmann, Tochterunternehmen der Sick AG) verwendet. Zusätzlich können zum aktuellen Positionswert noch andere Daten übertragen werden. Diese können aktuelle Temperaturwerte des Gebers oder die elektrischen Daten des Servomotors, auf dem der Geber montiert ist, enthalten (sogenanntes elektronisches Leistungsschild).

Neben der seriellen Übertragung die typischerweise mit der BiSS-Schnittstelle oder der SSI-Schnittstelle (Synchron-Serielle Schnittstelle) erfolgt, sind in den letzten Jahrzehnten immer mehr Absolutwertgeber mit verschiedenen Bussystemen am Markt verfügbar. Die wichtigsten Bussysteme zur Datenübertragung von absoluten Single- und Multiturninformationen sind:

Codierung, Gray-Code[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Normaler Binärcode und Gray-Code im Vergleich

Bei Verwendung eines gewöhnlichen binären Codes stellt sich das Problem, dass sich oft mehrere Bits gleichzeitig ändern. Beim Wechsel von 3 (binär 011) auf 4 (binär 100) ändern sich z.B. drei Bits auf einmal. Das kann an der jeweiligen Position zu fehlerhaften Werten führen, wenn teilweise noch Bits der alten Position gelesen werden, und manche Bits schon die nächste Position registrieren.

Um dies zu verhindern, werden Codierungen verwendet, bei denen benachbarte Posionen sich immer nur in einem einzigen Bit unterscheiden. Der Gray-Code ist hierfür das gängigste Beispiel. Dabei handelt es sich ebenfalls um einen Binärcode, der mit beliebiger Länge verwendet werden kann, wobei jeweils genauso viele Zahlen darstellbar sind, wie mit normalem Binärcode. Um einen Gray-Code durch ein zusätzliches Bit zu erweitern, wird der bisherige Code in den neuen Bereich gespiegelt. Zusätzlich wird dort das hinzugekommene Bit auf 1 gesetzt.

Singleturn- und Multiturn-Drehgeber[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Geöffneter Absolutwertgeber mit 13 bits

Bei rotatorischen Gebern unterscheidet man solche, die nur eine Umdrehung auflösen können und dann wieder bei 0 beginnen (Singleturn-Drehgeber), und solche, die mehrere Umdrehungen auflösen können (Multiturn-Drehgeber).

Durch einen Singleturn-Drehgeber wird jeder Winkelposition ein codierter Positionswert zugeordnet. Das bedeutet, dass nur innerhalb einer Umdrehung der Drehwinkel bekannt ist. Damit die absolute Position nach mehreren Umdrehungen bekannt bleibt, müssen die Umdrehungen von der Steuerung mitgezählt und beim Ausschalten gespeichert werden. Zudem muss sichergestellt sein, dass das Messsystem nach dem Ausschalten nicht aus Versehen verstellt wird.

Durch einen Multiturn-Drehgeber wird jeder Winkelposition und jeder vollen Umdrehung ein codierter Positionswert zugeordnet. Eine Nullstellung oder Referenzierung entfällt. Damit die absolute Position nach mehreren Umdrehungen bekannt bleibt, müssen die Umdrehungen im Messsystem auch nach dem Ausschalten weiter gezählt werden. Optische Multiturn-Drehgeber verwenden zur Erfassung der Umdrehungen entweder mehrere Codescheiben, die intern über ein Getriebe verbunden sind, oder elektronische Zähler mit Stützbatterie. Seit 2007[1] gibt es auch Multiturn-Drehgeber, die ohne Getriebe und ohne Batterie die Umdrehung erfassen können. Bei diesem als Energy Harvesting bekannten Funktionsprinzip liefert ein Wiegand-Draht bei Änderung des Magnetfeldes genügend Energie, um die Umdrehungen in einem nichtflüchtigen FRAM-Speicher zu zählen. Mittlerweile wird dieses Prinzip von verschiedenen Herstellern aufgegriffen.[2][3][4][5]

Abtastverfahren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Schleifkontakte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Beim Schleifkontakt sind auf einer Codescheibe elektrisch leitende und nicht leitende Bereiche aufgebracht. Eine Reihe von Schleifkontakten tastet diese Bereiche ab. Aus der Kombination aus geöffneten und geschlossenen Kontakten kann die Position ermittelt werden.[6] Durch eine Reihe von Nachteilen wie Verschleiß, begrenztes Auflösungsvermögen und beschränkte Drehzahl, ist dieses Verfahren heute nicht mehr gebräuchlich.

Heutzutage wird zwischen optischen (meist hochauflösender) und magnetischen Drehgebern (meist robuster) unterschieden. Jüngste Entwicklungen heben diese Unterscheidung jedoch langsam auf. So gibt es beispielsweise mittlerweile optische Geber mit SIL-Zertifizierung oder hochauflösende magnetische Absolutwertgeber auf Nonius-Basis.

Optisch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bei Systemen mit optischer Erfassung erfolgt die Codierung über eine innenliegende Codescheibe. Auf diese Scheibe sind mehrere Codespuren aufgebracht, diese werden mit Hilfe eines optischen Elementes parallel abgetastet und digital ausgegeben.

Magnetisch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bei magnetischen Systemen erfolgt die Codierung entweder durch Lageauswertung eines rotierenden Magneten oder durch Auswertung eines durch eine Maßverkörperung modulierten Magnetfeldes per Nonius-Formel.

Kapazitiv[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Kapazitive Drehgeber bestehen aus mindestens zwei asymmetrisch geformten Elektroden. Durch Verdrehung der Elektroden gegeneinander ändert sich die Kapazität. Aus dieser Kapazitätsänderung kann auf die Winkelposition geschlossen werden.[7]

Induktiv[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Induktive Drehgeber bestehen aus mindestens zwei asymmetrisch geformten Elektroden. Durch Verdrehung der Elektroden gegeneinander ändert sich die Induktivität. Aus dieser Induktivitätsänderung kann auf die Winkelposition geschlossen werden.

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Spannungsautarke Drehgeber - Energie durch Eigendynamik (Deutsch, pdf) POSITAL GmbH. S. 7. April 2007. Abgerufen am 13. Februar 2013.
  2. http://www.wachendorff-automation.de/pressemitteilung.html
  3. Technische Revue: »Multiturn-Technologie EnDra«
  4. White Paper Magnetic Encoder (English, pdf; 365 kB) FRABA Inc.. S. 7. Abgerufen am 6. November 2013.
  5. iC-Haus Energy Harvesting Multiturn Counter/Encoder
  6. Digitiser als Analog-Digital-Wandler in der Steuer-Mess- und Regeltechnik (Deutsch, pdf; 2,1 MB) Fraba. S. 4. Mai 1963. Abgerufen am 6. November 2013.
  7. Capacitive Absolute Encoder (PDF; 117 kB) Camille Bauer. Abgerufen am 6. November 2013.