Automatisierung

Optischer Absolutwertgeber für hochdynamische Applikationen

Präzision trifft SIL3

26.04.2022 - Drehgeber für High-Performance-­Anwendungen müssen exakte Positionsdaten liefern und strenge Anforderungen an die Funktionale Sicherheit erfüllen. Ein neu entwickelter Absolut­wertgeber entspricht nun auch den Safety-Bestimmungen der Bosch-Rexroth-Steuerungen. Zudem können mit dem Drehgeber hochdynamische Motorfeedback-Applikationen realisiert werden.

Wer schon einmal eine Pick&Place-Anlage im Betrieb beobachtet hat, weiß, dass die Systeme millimetergenau arbeiten und sehr viele Bewegungen innerhalb kurzer Zeit ausführen. Damit das reibungslos funktioniert, muss der Drehgeber absolut präzise arbeiten. Er erfasst die exakte Position des Greifarms und meldet sie an die Anlagensteuerung. Diese regelt dann anhand der Daten die Bewegung des Greifarms und sorgt dafür, dass er die Teile wie gewünscht auf dem Förderband platziert oder in einem Blister ablegt.
Was für Pick&Place-Anlagen gilt, trifft auch auf CNC-Drehmaschinen oder Roboter-Applikationen zu: Hier ist neben einer hohen Positioniergenauigkeit auch eine hohe Funktionale Sicherheit gefragt. Das hängt zum einen mit den oftmals rauen Betriebsbedingungen zusammen. Zum anderen aber auch mit der geforderten ständigen Verfügbarkeit der Anlagen. Hengstler aus dem baden-württembergischen Aldingen kennt die Ansprüche der Industrie an Drehgeber für Motorfeedback-Anwendungen. Das Unternehmen fertigt seit 35 Jahren Absolutwertgeber und Inkrementalgeber für eine Vielzahl von Anwendungen.
Der optische Absolutwertgeber Acuro AD37 von Hengstler erfüllt laut Hersteller als einziger seiner Kategorie die Anforderungen des zweithöchsten Sicherheitsintegritätsniveaus (Safety Integrity Level/SIL 3). Zudem gilt der AD37 mit einer Bautiefe von 29 mm als einer der kompaktesten Multiturn-Drehgeber seiner Klasse. Hengstler hat den Acuro AD37 vor einigen Jahren zusammen mit Bosch-Rexroth entwickelt – dort arbeitete man damals gerade an einer neuen Generation von Steuerungen, die in hochdynamischen Anwendungen bis SIL3 (PLe Kategorie 3) einsetzbar sein sollten. Gemeinsam konzipierten die Partner deshalb einen Encoder, der optimale Eigenschaften für High-Performance-Motion-Control-Anwendungen bietet.

„Genauigkeit des Positionswertes entscheidet über Qualität der Anwendung“

Der Acuro AD37 zeichnet sich durch eine sehr hohe Genauigkeit (±36“) und Robustheit aus. Er erreicht im Singleturn-Modus eine Auflösung von 20 Bit, im Multiturn-Betrieb sind es 12 Bit. „Bei vielen Anwendungen ist die Präzision des Gebers nicht so entscheidend“, so Peter Elbel, Manager Application Management bei Hengstler. „Wenn aber sehr schnell und präzise positioniert werden muss, entscheidet die Genauigkeit des Positionswertes über die Qualität der Anwendung.“
Üblicherweise verfügen Motorgeber über eine direkte Welle-Welle-Verbindung. Das hat allerdings den Nachteil, dass die Motorwelle bei hochdynamischen Anwendungen sehr heiß wird und durch den engen Kontakt auch die Drehgeber-Welle erwärmt. Übersteigt die Temperatur einen gewissen Wert (etwa 120 °C) wird der Motor automatisch heruntergeregelt, da ansonsten auch der Geber zu heiß werden würde. Der Antrieb kann in diesen Applikationen also nicht die größtmögliche Leistung erbringen, da der Geber das verhindert.
Beim AD37 hingegen ist die Drehgeber-Welle mit einer Kupplungsnabe ausgestattet, über die eine Verbindung zur Motorwelle hergestellt wird. Es gibt also keinen direkten Kontakt zwischen beiden Wellen und die Kupplungsnabe sorgt für eine thermische Isolierung der Geberwelle. Diese Bauweise erlaubt es Anwendern, den Motor auch mit sehr hohen Drehzahlen zu betreiben und die sich immer weiter entwickelnden dynamischen Möglichkeiten von Elektroantrieben vollkommen auszuschöpfen. Der Geber von Hengstler eignet sich aufgrund seiner speziellen Konstruktion auch für sehr präzise und schnelle Positionieraufgaben unter hohen Lasten. Ein weiterer Vorteil der inte­grierten Kupplungsnabe ist der schnelle Wechsel des Gebers: Er kann im Motorraum axial aufgesteckt werden und muss nicht – wie Encoder anderer Hersteller – mit der Motorwelle verschraubt werden.

Datenübertragung bietet ein hohes Maß an Funktionaler Sicherheit

Der Acuro AD37 ist weltweit in zahlreichen sicherheitskritischen Anwendungen im Einsatz. Das hängt nicht nur mit seiner Robustheit und Präzision zusammen, sondern auch mit der Art der Signalübertragung: Im Gegensatz zu vielen marktüblichen Drehgebern sendet der AD37 innerhalb eines Reglerzyklus' immer den kompletten Positionswert an die übergeordnete Steuerung. So können etwaige Fehler schnell erkannt und umgehend Gegenmaßnahmen ergriffen werden. Motoren mit diesem Geber lassen sich daher hochdynamisch betreiben. Marktübliche Drehgeber senden die Positionsdaten dagegen meist über mehrere Zyklen hinweg: Deshalb dürfen Antriebe mit diesen Gebern nur mit gedrosselter Leistung arbeiten, um im Falle eines Fehlers rechtzeitig eingreifen zu können.

Schnittstelle ermöglicht 4-Draht-Anwendungen

Seine hohe Performance verdankt der Acuro AD37 der von Hengstler entwickelten Schnittstelle Acuro link. Da sowohl sie als auch der Drehgeber über eine hohe Funktionale Sicherheit verfügen, kann der Encoder an Motoren mit Drehzahlen von bis zu 12.000 min-1 verbaut werden. Die komplette Datenverschlüsselung erfolgt im Geber und im Safety-Modul der Steuerung – alle Fehler, die dazwischen auftreten, führen nicht zu einer Fehlpositionierung.
Hengstler hat den AD37 aber nicht nur für sehr dynamische Applikationen mit hohen Safety- und Genauigkeitsanforderungen konzipiert. Zielgruppe sind auch Anwender von Bosch-Steuerungen und Motorenhersteller, die Antriebe für diese Steuerungen anbieten möchten. Da Bosch-Steuerungen besonders in High-End-Anwendungen in der Industrie weit verbreitet sind, muss auch der dazugehörige Drehgeber hohe Anforderungen im Hinblick auf Performance und Safety-Aspekte erfüllen. Die Acuro-link-Schnittstelle überträgt deshalb neben den Safety-relevanten Daten zum Beispiel auch die Wicklungstemperatur des Motors, die für die Antriebsleistung von großer Bedeutung ist. Anders als bei herkömmlichen Gebern ist beim AD37 für die Übertragung der Temperaturdaten allerdings keine Extra-Leitung erforderlich: „Sie werden stattdessen einfach in den Geber geladen und dem Positionsprotokoll hinzugefügt, dass der Geber ohnehin an die Steuerung überträgt“, erklärt Peter Elbel. Auf diese Weise unterstützt der AD37 auch Single-Cable-Lösungen (4-Draht-Anwendungen), durch deren Einsatz sich der Verdrahtungsaufwand deutlich verringern lässt.

Datenübertragung auch über lange Distanzen

Ein weiteres Alleinstellungsmerkmal des Drehgebers ist die sehr hohe Signalgüte: Der Geber kann deshalb auch für Anwendungen mit Kabellängen von bis zu 100 m verwendet werden. In Kombination mit der hohen Funktionalen Sicherheit ist das einmalig am Markt: „Meines Wissens bietet kein anderer SIL3-Geber die Voraussetzungen dafür. Wer also einen Encoder für hochdynamische sicherheitskritische Applikation mit großen Datenübertragungsdistanzen sucht, kommt am AD37 von Hengstler kaum vorbei “, so Elbel.

Autor
Leslie Wenzler,
Marketing & Communications Manager

Das Hengstler-Portfolio umfasst:

• Singleturn- und Multiturn-Encoder für
High-Performance-Motion-Control
• Drehgeber für Functional-Safety-Anwendungen
(SIL2, PLd oder SIL3, PLe, Kategorie 3)
• Single Cable Solution mit Acuro link interface für
4-Draht-Anwendungen
• kompaktester Absolut-MT-Drehgeber seiner
Klasse (Bautiefe 29 mm)
• Eingang für Wicklungstemperatursensor des Motors
• maximale Auflösung: 20 Bit ST+ 12 Bit MT
• weiter Arbeitstemperaturbereich (-40 °C ... +115 °C)
• großer Drehzahlbereich bis 12.000 U/min
• Motor- und Geberdaten im Drehgeber
„Electronic Data Sheet (EDS)“ speicherbarBild: Hengstler

Kontakt

Hengstler GmbH

Uhlandstr. 49
78554 Aldingen
Deutschland

+49 7424 89 0
+49 7424 89 500

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