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<H1>www.aud24.net : C. Lamers, Dr. L. Rissing, H. Meyer: "Multiturn-Drehgeber mit 36,5 mm Durchmesser"</H1>
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Redaktion
> <B><FONT color="#CC3300">Fachbeiträge</FONT></B></TD>
<TD ALIGN=right VALIGN=bottom CLASS=detailDatum>21.01.2002</TD>
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<TD VALIGN=top CLASS=detailFirma ID=topSpace>DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH:</TD>
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<TD VALIGN=top CLASS=detailTitel>C. Lamers, Dr. L. Rissing, H. Meyer: "Multiturn-Drehgeber mit 36,5 mm Durchmesser"</TD>
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<TD VALIGN=top CLASS=detailSubtitel>Absolute Drehgeber für Servomotoren ab Achshöhen von 20 mm</TD>
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<TD CLASS=detailBildunterschrift>Der neue Multiturn-Drehgeber EQN 1125</TD>
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Clemens Lamers ist im Technischen Vertrieb für die Dr. Johannes Heidenhain GmbH tätig<BR><BR>Dr. Lutz Rissing, Fertigungstechnik Elektronik der Dr. Johannes Heidenhain GmbH<BR><BR>Hermann Meyer, Entwicklung Drehgeber,Dr. Johannes Heidenhain GmbH<BR><BR>In der Automatisierungstechnik wurde bisher für die absolute Positionserfassung an kleinen Servomotoren Drehgeber verwendet, bei denen die Anzahl der Umdrehungen mittels Batteriepufferung bzw. elektronischen Umdrehungszählern erfolgte.Diese müssen gewartet werden, bzw. können in störanfälliger Umgebung nur beschränkt betrieben werden. Multiturn-Drehgeber, die mechanische Getriebe nutzen, sind dagegen wartungsfrei und robust einsetzbar,waren aber bisher nicht so kompakt gebaut.<BR><BR>Für Anwendungen in der Fertigungsautomatisierung, Robotik und Handhabungstechnik werden vorrangig Drehstrom-Servomotoren in kleiner Bauform verwendet. Als Messgeräte wurden in diese Motoren bislang meist inkrementale Drehgeber mit Kommutierungssignalen eingebaut. Teilweise behalf man sich zur Bestimmung der Anzahl an Umdrehungen mit elektronischen Zählern bzw. batteriegepufferten Lösungen. Zunehmend werden jedoch auch für kleinere Motoren ‚voll- ständig‘ absolute Drehgeber gefordert. Ihre wichtigsten Vorteile sind der Wegfall von Referenzpunktfahrten, die Wartungsfreiheit und die Unempfindlichkeit gegenüber Störungen, da nach dem Einschalten der Spannungsversorgung oder nach einer Störung unmittelbar ein absoluter Positionswert zur Verfügung steht. Heidenhain hat deshalb eine neue Baureihe absoluter Drehgeber in Singleturn und Multiturn-Ausführung entwickelt, die mit ihrem Außendurchmesser von 36,5 mm neue Maßstäbe setzt und sich deutlich von bisher am Markt verfügbaren Lösungen abhebt. Damit können Servomotoren bereits ab Achshöhen von 20 mm mit absoluten Drehgebern ausgerüstet werden.<BR><BR>Technische Merkmale<BR><BR>Trotz der sehr kompakten Bauform mit einen Außendurchmesser von 36,5 mm und einer Länge von 39 mm handelt es sich bei dem absoluten Drehgeber um einen sogenannten ‚echten‘ Multiturn. Statt eines elektronischen Umdreh- ungszählers dient ein mechanisches Getriebe, dessen Position mit Hilfe dreier rotierender Permanentmagnete eindeutig erfasst werden kann, zur Ermittlung der Umdrehungen. Im Gegensatz zu Lösungen mit elektronischen Umdrehungszählern ist das mechanische Getriebe nicht anfällig gegen Störsignale oder Ausfall der Batteriepufferung. Es entspricht damit höchsten Anforderungen an die Betriebssicherheit und ist wartungsfrei. Der ‚EQN 1125‘ gibt die absoluten Positionsinformationen über die schnelle serielle, bidirektionale Schnittstelle EnDat aus. Innerhalb einer Umdrehung stehen 8192 Positionsinformationen zur Verfügung. Der Multiturn kann zudem 4096 Umdrehungen unterscheiden. Zusätzlich gibt der Absolut-Drehgeber sinusförmige Inkrementalsignale aus, die in der Folge- Elektronik z.B. 4096fach unterteilt werden können. In diesem Fall stehen dann ca. 2 Mio. absolute Messschritte pro Umdrehung zur Verfügung. Dies entspricht in der Singleturn- Ausführung einer Auflösung von 21 Bit pro Umdrehung und in der Multiturn-Ausführung einer Gesamtauflösung von 33 Bit. Um ein möglichst gutes Regelverhalten des Motors zu erreichen, muss die Kopplung zwischen Geber- und Motorwelle möglichst steif ausgeführt werden. Vorzugsweise geschieht dies über eine Konuswelle. Die unvermeidlichen Fluchtungsfehler der Wellen werden dabei mittels einer sehr drehsteifen Statorkupplung, deren Eigenfrequenz über 1500 Hz liegt ausgeglichen. Weitere Bedingungen für ein gutes Regelverhalten sind natürlich auch die absolute Genauigkeit des Gerätes sowie ein geringer Oberwellenanteil der sinusförmigen Inkrementalsignale. Heidenhain garantiert hier eine Genauigkeit von ±60 Winkelsekunden. Diese beinhaltet die Positionsabweichungen in einer Umdrehung und in einer Signalperiode. Die Positionsabweichungen in einer Signalperiode sind deutlich unter +1% der Signalperiode, d.h. deutlich kleiner als +25 Winkelsekunden. Da die zunehmend kompaktere Bauform von Servomotoren zu immer höheren Arbeitstemperaturen führt, ist der neue EQN 1125 für den Einsatz bei Arbeitstemperaturen bis zu 115°C ausgelegt. Die neuen Drehgeber dieser Baureihe - der ECN 1113 als Singleturn und der EQN 1125 als Multiturn - sind mechanisch anbaukompatibel zu den entsprechenden inkrementalen Drehgebern der Baureihe ERN 1100.<BR><BR>Funktionsprinzip<BR><BR>Die Position innerhalb einer Umdrehung wird mittels eines Opto-ASIC erfasst, dessen fotoempfindliche Flächen ein spezielles Design aufweisen. Das ermöglicht eine hohe Signalgüte und damit eine hohe Unterteilung der sinusförmigen Inkrementalsignale in der Folgeelektronik. Die simultane Übertragung von Inkremental- und Absolutsignal erfolgt nicht nur im Stillstand, sondern bis hin zur maximalen Drehzahl von 12000 U/min. Bei Funktionsstörungen werden intern Warn- und Fehlermeldungen erzeugt, die über die bidirektionale EnDat- Schnittstelle ausgegeben werden. Dadurch werden moderne Sicherheitskonzepte der Steuerungshersteller unterstützt. Das ‚elektronische Typenschild‘ ermöglicht die automatische Inbetriebnahme des Messgerätes. Im Messgerät stehen zudem unterschiedliche Speicherbereiche zur Verfügung, die Parameter des Messgeräteherstellers sowie Betriebsparameter enthalten. Zusätzlich hat der Antriebshersteller die Möglichkeit eigene Daten zu speichern.<BR><BR>Hochintegrierte Elektronik<BR><BR>Um einen absoluten Drehgeber mit den genannten kompakten Abmessungen anbieten zu können, ist es insbesondere notwendig, neben der Verkleinerung der Mechanikkomponenten gerade die Miniaturisierung der Elektronik voranzutreiben. Alle zur Abtastung und Signalverarbeitung eingesetzten Elektronikkomponenten sind daher von Heidenhain speziell für diese Anwendung entwickelte kundenspezifische digitale und ‚mixed-signal‘ Bausteine. Durch modernste Aufbau- und Verbindungstechniken lassen sich die Elektronikkomponenten auf engstem Raum anordnen. Das Zauberwort zur Erreichung dieser weitreichenden verbindungstechnischen Fortschritte heißt COB-Technik. Das Kürzel COB steht dabei für Chip On Board und bedeutet, dass die hochintegrierten Halbleiterschaltungen nicht, wie es allgemein üblich ist, im Gehäuse, also beispielsweise als SMDBauelemente auf die Leiterplatte aufgelötet werden, sondern der ‚nackte‘ Chip wird auf die Leiterplatte aufgebracht, elektrisch kontaktiert und zum Schutz abschließend verkapselt. Durch diese Maßnahme lässt sich Platz sparen, wodurch die komplette Elektronik auf einer Leiterplatte untergebracht und auf störanfällige, teure und platzintensive Leiterplattenverbinder verzichtet werden kann. Da die bei herkömmlichen Bauteilen notwendige Lötverbindung entfällt, reduziert sich die Anzahl der Kontaktierungen auf die Hälfte. All dies unterstützt die hohe Zuverlässigkeit des Drehgebers.<BR><BR>Spezielle Fertigungseinrichtungen<BR><BR>Die Verbindungen zwischen Chip und Leiterplatte werden mittels Drahtverbindungen geschaffen, die nur halb so dick sind wie ein menschliches Haar. Das setzt natürlich spezielle Fertigungseinrichtungen für die Elektronikfertigung voraus. So ist es notwendig, die Fertigung der Elektronikbaugruppen, sowohl der COB-, als auch der SMD-Bestückung in Reinräume zu verlagern, um Verschmutzungen z.B. durch Staub zu unterbinden. Dabei garantiert nur eine hochautomatisierte Serienfertigung eine bedienerunabhängige, gleichbleibende Qualität. Zur Sicherung der Qualität werden zudem kontinuierlich Zuverlässigkeitstests prozessbegleitend vorgenommen.<BR><BR>Fazit und Ausblick<BR><BR>Heidenhain hat mit der Entwicklung der absoluten Drehgeber in kleiner Bauform das bereits bestehende Produktprogramm an Einbau- Drehgebern für Antriebe ergänzt. Dem Anwender steht damit neben den seit langem bewährten ‚großen Brüdern‘ aus der Baureihe mit Außendurchmesser 58 mm mit den neuen kleinen absoluten Drehgebern ein Produktprogramm zur Verfügung, das alle Anforderungen an moderne Antriebssysteme mit hoher Genauigkeit, Dynamik und Gleichlaufgüte abdeckt. Die Durchgängigkeit dieses Programms hat für die Motorenhersteller wesentliche Vorteile. So sind die Drehgeber innerhalb einer Baureihe mechanisch untereinander anbaukompatibel und mit der EnDat-Schnittstelle steht für alle absoluten Messgeräte eine einheitliche elektrische Schnittstelle zur Verfügung. Das Motor-B-Schild bleibt unabhängig von der Wahl des Gebers - absolut oder inkremental -<BR>identisch.<BR><BR>Technische Daten des Drehgebers EQN 1125<BR>Absolute Positionswerte EnDat-Schnittstelle<BR>8192 Positionen pro Umdrehung<BR>4096 unterscheidbare Umdrehungen<BR>Inkrementalsignale 512 Perioden pro Umdrehung ~1 VSS Genauigkeit1) ±60_<BR>Spannungsversorgung 5 V±5%<BR>max. Stromaufnahme 200 mA<BR>OEM-Speicherbereich 192 Byte<BR>Vibrationsfestigkeit 200 m/s2 (55 Hz bis 2000 Hz)<BR>1000 m/s2 (Schock, 6 ms)<BR>Arbeitstemperaturbereich -40 °C bis 115 °C<BR>Zulässige Drehzahl Singleturn: 15000 min-1<BR>Multiturn: 12000 min-1<BR>Hauptabmessungen Baulänge: 39 mm<BR>Durchmesser: 36,5 mm<BR><BR>1) enthält Positionsabweichungen in einer Umdrehung und in einer<BR>Signalperiode und wird innerhalb der Montagetoleranzen<BR>garantiert.<BR><BR><BR>Abb. 1: Der neue Multiturn-Drehgeber EQN 1125<BR>Abb. 2: Getriebebox mit Permanentmagneten<BR>Abb. 3: Leiterplatte mit vergossenen COB-Bauteilen<BR>Abb. 4: COB-Bestückung im Reinraum</TD>
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<P><I>Diese Seite wurde am 22.09.2006, 13:55 Uhr aktualisiert</I></P>
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