Durchblick im Drehgeber-Dschungel Praktische Tipps für die richtige Auswahl von Encodern

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Die Vielfalt und der Variantenreichtum im Drehgeberbereich kann bei Anwendern leicht zu Verwirrung führen. Dieser Fachbericht von Baumer gibt Orientierung für die Beurteilung der wichtigsten Technologien. Er zeigt Möglichkeiten und Grenzen magnetischer und optischer Technologien und gibt mit Blick auf die Applikation praktische Tipps für die richtige Drehgeber-Wahl.

Sie sind robust, schockfest und sie werden immer präziser. Keine andere Drehgebertechnologie hat sich in den vergangenen Jahren so rasant entwickelt wie die magnetischen Encoder. Mittlerweile arbeiten sie mit so hoher Präzision, dass sie in vielen Applikationen optische Encoder ersetzen können. Sind optische Drehgeber also Auslaufmodelle, die auf absehbare Zeit von den magnetischen verdrängt werden? In diesem Fachbeitrag wird aufgezeigt, welche Möglichkeiten sich durch die magnetische Revolution auftun, die auch Baumer seit den 1990er Jahren massgeblich mit vorantreibt und daher heute magnetische Drehgeber mit führender Genauigkeit sowie das umfassendste Magnetgeber-Portfolio bietet. Dabei wird klar: Beide Technologien haben auch weiterhin ihre Daseinsberechtigung. Magnetische Drehgeber haben sich insbesondere durch die Steigerungen ihrer Genauigkeit inzwischen bestens etabliert. Doch es gibt zahlreiche Anwendungsfelder, in denen es ohne die unerreichte Präzision und Dynamik der optischen Encoder nicht geht. Auf die Applikation kommt es also an.

Ohne Drehgeber läuft (fast) nichts: Beispiele für Drehgeber-Applikationen

Drehgeber liefern in der Fabrikautomation und vielen anderen Anwendungsfeldern die entscheidenden Feedback-Signale für Position und Geschwindigkeit an eine Steuerung oder an einen Antrieb, häufig in Echtzeit. Ohne sie läuft im Wortsinn praktisch nichts. Ihre Signale sind unverzichtbar, um Antriebe, Förderbänder, Abfüllanlagen und natürlich Roboter punktgenau und energieeffizient zu überwachen, zu steuern und zu regeln.

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Die Stärken der magnetischen und optischen Encoder

In der Fabrikautomation herrschen diese Messprinzipien vor:

• Magnetische Drehgeber: Das Messprinzip mit den zuletzt grössten Entwicklungssprüngen. Ein viel genutzter Vorteil dieser Technologie ist ihre hohe Robustheit und die Möglichkeit der berührungslosen, lagerlosen Positionsermittlung. Magnetische Encoder ermitteln die Winkelposition mittels Magnetfeldsensoren: Auf der Geberwelle erzeugt ein Diametral- oder Multipol-Ringmagnet ein Magnetfeld, das mit der Wellenposition mitwandert und dessen Stärke von dem Sensor erfasst wird. Auf Basis der gemessenen Werte ermittelt der Encoder die Position. Weil das Magnetfeld nichtmagnetische Werkstoffe wie Kunststoff oder Aluminium durchdringt, lassen sich neben konventionellen Bauformen mit Drehgeber-Welle und Eigenlagerung auch innovative lagerlose Systeme realisieren. Magnet und Sensor sind dabei separate Baugruppen und benötigen kein eigenes Kugellager. Der Messung an sich können Verschmutzungen, Flüssigkeiten und Staub nichts anhaben.

• Optische Drehgeber: Der bewährte Klassiker unter den Encoder-Technologien. Optische Encoder erlauben eine sehr präzise und äusserst reaktionsschnelle Bestimmung von Position und Geschwindigkeit. Das liegt an ihrer Funktionsweise: Im Inneren dreht sich mit der Geberwelle eine Codescheibe mit einem definierten Muster von transparenten und lichtundurchlässigen Feldern mit höchster Auflösung und Genauigkeit. Von der einen Seite wirft eine LED Licht Richtung Scheibe. Auf der Gegenseite entstehen so unterschiedliche Lichtmuster analog zu der Stellung der Codescheibe. Fotodioden erfassen diese Muster (optische Abtastung) und ermöglichen die exakte Bestimmung der Position der Geberwelle. Je mehr unterschiedliche Felder auf einer Codescheibe rotieren, desto höher die Auflösung und Genauigkeit des optischen Drehgebers. Die Codescheiben optischer Encoder besitzen typischerweise eine hohe Grundauflösung, inkremental bis 10’000 Striche bzw. absolut bis 4‘096 Schritte / 12 Bit pro Umdrehung. Zur Erhöhung der Positionsauflösung ist meist keine oder nur eine geringe Signalinterpolation notwendig. Dies unterstützt bei bereits hoher Genauigkeit eine sehr schnelle Positionsbildung.

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