Drehgeber werden in immer mehr Geräten und Anlagen in der Industrie und in der Medizintechnik eingesetzt. Dabei stellt jede Applikation ihre eigenen Anforderungen an die Sensoren. Encoder für verschiedene Einbausituationen sind hier die Lösung.

Drehgeber messen in zahlreichen Anwendungen Winkelinformationen und liefern so zentrale Informationen für deren Funktion. Bei der Wahl des Sensors sollten die Hersteller von Fahrzeugen, Geräten und Anlagen sowohl auf eine möglichst präzise Messwerterfassung achten als auch auf die Bauform und die Robustheit des Encoders: Fügt er sich nicht optimal in sein Umfeld ein, kann dies einen erhöhten konstruktiven Aufwand nach sich ziehen. Ist der Drehgeber dagegen nicht ausreichend gegen raue Umgebungsbedingungen geschützt, kann das seine Lebensdauer verkürzen.

Welche Anforderungen muss der Encoder erfüllen?

Bei der Suche nach dem geeigneten Drehgeber sollten Konstrukteure zudem das Design der Komponente berücksichtigen. Passt es zu den Platzverhältnissen in der Anwendung? Ist der Drehgeber ausreichend gekapselt, damit kein Schmutz eindringen kann? Hält das Gehäuse aggressiven Reinigungsmitteln stand, wenn der Sensor in hygienekritischen Bereichen verwendet werden soll?

Solche Fragen kennt Christoph Haude, Leiter des Produktmanagements Joysticks und Sensorik bei Megatron Elektronik. Das Unternehmen aus dem oberbayerischen Putzbrunn bei München liefert seit 60 Jahren Winkelsensoren für unterschiedliche Einsatzgebiete. Ob in fahrerlosen Transportsystemen, in Anlagen zur Halbleiterproduktion oder in Extrusionsmaschinen: Encoder des Unternehmens erfassen weltweit mit hoher Präzision Winkelpositionen und Winkeländerungen.

Worauf bei der Drehgeber-Auswahl zu achten ist

„Es ist wichtig, dass der Drehgeber optimal zur Anwendung passt“, erklärt Sensorspezialist Christoph Haude. Er und seine Kollegen verfügen über das Know-how aus unzähligen Kundenprojekten und wissen, worauf bei der Wahl eines Drehgebers zu achten ist. Handelt es sich beispielsweise um eine sehr raue Einsatzumgebung, empfiehlt er die 
Encoder der HTx-Serie.

Die Halleffekt-Drehgeber im Metallgehäuse bieten je nach Modell Auflösungen von 1...20.000 Impulsen pro Umdrehung in der Ausführung als Inkrementalgeber beziehungsweise 10 bis 18 Bit als Singleturn-/Multiturn-Absolutwertgeber – je nach Ausgangsoption. HTx-Encoder gibt es mit Gehäusedurchmessern von 25 und 36 mm sowie zahlreichen elektronischen und mechanischen Optionen. Da die Drehgeber mit Gehäuse­tiefen von 35 mm bis 51,7 mm sehr kompakt sind, eignen sie sich gut für alle Applikationen in rauer Umgebung, bei denen nur wenig Bauraum zur Verfügung steht.

Messwert-Erfassung auch im spannungsfreien Zustand

Eine Besonderheit der HTx-Serie ist der HTx36E: Dieser Drehgeber ist mit Energy Harvesting-/True-Power-On-Technologie ausgestattet. Das bedeutet, dass der Encoder auch im spannungslosen Zustand die Anzahl der erfolgten Umdrehungen erfasst. Sollte es also zu einem Stromausfall im Endgerät kommen und die Mechanik während dieser Zeit bewegt werden, liefert der Drehgeber beim Einschalten trotzdem den korrekten Winkelwert. In der Singleturn-Variante bietet der Drehgeber eine Auflösung von bis zu 16 Bit, für die Speicherung der Umdrehungszahl stehen bis zu 43 Bit zur Verfügung. Digitale Schnittstellen wie CANopen, SAE J1939 und SSI sorgen für eine zuverlässige Übertragung der Messwerte an die Steuerung.

HTx-Drehgeber erfassen die Winkelstellung magnetisch und gradientenbasiert, wodurch die Sensorik weitgehend immun gegenüber elektromagnetischen Einflüssen und Temperaturschwankungen ist. Die Drehgeber verfügen zudem über eine doppelt kugelgelagerte Edelstahlwelle und ermöglichen hohe Betätigungsgeschwindigkeiten von bis zu 12.000 U/min. Alle Encoder der HTx-Serie messen also Winkelstellungen mit hoher Präzision und widerstehen rauen Umgebungsbedingungen. Da sie nach dem Baukastenprinzip gefertigt werden, lassen sich die Drehgeber an die jeweilige Anwendung anpassen.

Unempfindlich gegenüber Reinigungsmitteln

Hohe Ansprüche an Präzision, Lebensdauer und Stabilität erfüllen die Winkelsensoren der Baureihe FHx58. Diese Encoder sind mit einem massiven Edelstahlgehäuse ausgestattet und besitzen eine zertifizierte Beständigkeit gegenüber Reinigungs- und Desinfektionsmitteln (EHEDG/ECOLAB). FHx-Sensoren von Megatron können deshalb in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie verwendet werden. Die Encoder entsprechen den Anforderungen der Schutzart IP67/IP69k und bieten in inkrementaler Ausführung eine Auflösung von bis zu 25.000 Impulsen pro Umdrehung beziehungsweise als Absolutwertgeber in der Singleturn-Variante bis zu 16 Bit und als Multiturn-Drehgeber bis zu 43 Bit.

Hohe Präzision durch digitale Winkelberechnung

Überall dort, wo Werte exakt per Hand eingegeben werden müssen, kommen die Winkelsensoren der ETx-Serie von Megatron zum Einsatz. Diese Encoder führen die Winkelberechnung mittels eines integrierten digitalen Signalprozessors (DSP) durch – schnell und hochgenau. Die ETx-Winkelsensoren aktualisieren Messwerte mit einer Geschwindigkeit von bis zu 96 µs und mit einer Auflösung bis maximal 14 Bit (abhängig vom Sensormodell).

Die störungsfreie Messwerterfassung des Drehgebers wird durch einen diametral magnetisierten Magneten gewährleistet. Diesem stehen vier Hall-Elemente gegenüber, die im Winkel von 90° zueinander angeordnet sind. Durch die differentielle Auswertung der Ausgangssignale zweier gegenüberliegender Hall-Elemente (Differenzverstärkung) lässt sich die Richtung des Magnetfeldes bestimmen, sodass die Sensoren stabil gegen magnetische Fremdfelder sind.

Endanschläge ermöglichen Einsatz in Bedienpulten

Die Drehgeber der ETx-Serie gibt es in verschiedenen Ausführungen. Hervorzuheben sind der ETx25 mit einem Gehäusedurchmesser von 25 mm und der ETx25F mit Vollwelle zur Flanschmontage. Allen ETx-Drehgebern gemeinsam sind die vielfältigen Anschlussmöglichkeiten und Ausgangssignale, die dem Konstrukteur maximale Flexibilität bei der Integration der Drehgeber in seine Applikation bieten.

Für Anwendungen mit manueller Eingabe ist die Variante mit Vollwelle und Zentralgewinde geeignet. Sie wird von Megatron auf Wunsch mit einer Drehhemmung sowie mit Endanschlägen ausgestattet. Mit dieser Modifikation eignen sich die ETx-Drehgeber für den Einsatz in Bedienpulten.

Optische Sensoren für hochsensible Applikationen

So präzise die Drehgeber der Serien HTx und ETx auch arbeiten: In manchen Anwendungen empfiehlt sich der Einsatz optischer Encoder. Da optische Drehgeber besonders saubere Inkrementalsignale liefern, sind sie meist die erste Wahl, wenn inkrementale Signale von hoher Güte gefordert sind. Zudem werden die Signale von optischen Encodern besonders schnell übermittelt.

Die optischen Inkrementalgeber der Serie SPM von Megatron wurden für Anwendungen in der Medizintechnik entwickelt: Ihre definierte Drehhemmung ermöglicht eine komfortable und präzise Einstellung der erforderlichen Parameter am jeweiligen Gerät. Zudem zeichnen sich die Drehgeber der SPM-Serie durch eine Bautiefe von weniger als 19 mm, ein hochvergütetes Metallgleitlager und eine Lebensdauer von über 100 Millionen Wellenbewegungen aus.

Kit-Varianten mit unbegrenzter Lebensdauer

Viele Drehgeber aus dem Produktprogramm gibt es auch als Kit-Variante, also ohne Welle und Lager. Sie werden auch als fremdgelagert bezeichnet. „Kit-Winkelsensoren sind bei unseren Kunden sehr beliebt“, so Christoph Haude. Hier befestigt der Kunde den passenden Magneten oder die passende Encoderscheibe – je nachdem, ob es sich um einen optischen oder magnetischen Encoder handelt – an seiner Mechanik und kann so berührungslos Messwerte erfassen. Diese Encoder können in Anwendungen mit sehr hohen Drehzahlen verwendet werden, für die Gleit- oder auch Kugellager nicht geeignet sind. Die Lebensdauer der Kit-Dehgeber ist quasi nicht begrenzt, da kein Lager verbaut ist, das verschleißen könnte.

Der HTx25K beispielsweise zeichnet sich durch eine robuste Bauweise aus, lässt sich präzise einbauen und eignet sich sowohl für Gabelstapler als auch für Spezialfahrzeuge im Heavy-Duty-Bereich. So erfassen die Drehgeber in Prallbrechern in Steinbrüchen unter anderem die exakte Position der Rotorblätter. Für die Lenkwinkelmessung in fahrerlosen Transportsystemen wird hingegen gerne der ETx25K genutzt, da er mit einer Gehäusetiefe von 8 mm besonders flach ist und somit auch in den engen Bauräumen der Fahrzeuge Platz findet. Der MKI wiederum ist ein inkrementeller Hall-Encoder mit bis zu 8.192 Impulsen/Minute, der sich in kompakte Messgeräte mit kleiner Mechanik einfügt.

Teach-In ermöglicht individuelle Programmierung

Bei den analogen Winkelsensoren HTA25PM und HTA36PM sowie bei allen vergleichbaren Encodern der ETA- und HTA-Serien profitiert der Kunden von einer Teach-in-Funktion. Damit lassen sich die Start- und Endwerte des elektrisch wirksamen Drehbereichs mit einem Programmiergerät (Megatron Programmer) oder einer geeigneten Schaltung direkt in der Applikation programmieren und so die Parameter optimal an die Anwendung anpassen. Abweichungen, die durch mechanische Toleranzen der einzelnen Komponenten entstehen (sogenannte Toleranzkette), können so nahezu eliminiert werden. Zudem modifiziert Megatron jeden Encoder bereits ab kleinen Stückzahlen nach Kundenwunsch.

Autor
Matthias Herrmann, Marketingmanager