Ferro-magnetische Stahlscheibe als Maßkörper

11.06.2007 | Autor / Redakteur: Peter Velling* / Gerd Kucera

Nicht eine optische Codescheibe, sondern eine Stegscheibe aus Stahl ist beim Absolutwertgeber GEL235 die Maßverkörperung. Ihre drei Inkrementalspuren werden von Giant-Magneto-Resistance-(GMR)-Elementen abgetastet. Ein Nonius-Algorithmus wertet die Phasenbeziehung der Sinussignale zueinander aus und definiert die Absolutposition.

Eine Vielzahl von Techniken eignen sich zum Messen rotatorischer und translatorischer Bewegungen. Kapazitive, induktive, optische und magnetische Sensoren sind (in zum Teil hoch speziellen Anwendungen) im industriellen Einsatz. Besonders häufig konkurrieren inkremental- und absolutmessende Drehgeber auf optischer oder magnetischer Basis im direkten Vergleich, wenn es um Standardanwendungen in der Automatisierung geht. Gesichtspunkte wie die anerkannte Robustheit bzw. Langlebigkeit magnetischer Systeme gegenüber der vorteilhaften hohen Auflösung/Genauigkeit optischer Systeme sowie die Kosten definieren maßgeblich die Systemauswahl.

Der neue magnetische Absolutwertgeber GEL235 setzt hier durch die Kombination der Vorteile magnetischer Systeme mit einer Singleturn-Auflösung bis 16 Bit und einer Genauigkeit besser als 0,1° neue Maßstäbe. Auf einer metallischen Codescheibe aufgebrachte Signalspuren werden mit MR-Sensorelementen abgetastet und nach dem Nonius-Verfahren ausgewertet. Basierend auf dieser Technik ist der GEL235-Absolutwertgeber mit einem 58 mm Flanschmaß für eine Vielzahl von Anwendungen in der Bewegungsautomatisierung geeignet. Er bietet darüber hinaus die Robustheit,

Langlebigkeit und Taupunktfestigkeit magnetischer Sensoren.

Ein wesentliches konstruktives Detail magnetischer Drehimpulsgeber, eine formschlüssig mit der Geberwelle verpresste metallische Maßverkörperung, wurde für den GEL235 übernommen. Mehr als drei Jahrzehnte Erfahrung in der Aufbau- und Verbindungstechnik für hochauflösende magnetische Drehgeber konnten auf die neue Absolutwertgeber-Serie angewandt werden. Diskussionen bezüglich mehr Robustheit aber weniger Auflösung und Genauigkeit gehören mit dem GEL235 der Vergangenheit an.

Als Maßverkörperung wird bei dem Absolutwertgeber GEL235 eine ferro-magnetische Stegscheibe mit Magneto-Resistiven-(MR-)Sensorelementen abgetastet. Die absolute Winkelposition ist auf der hochpräzisen Stegscheibe in drei Signalspuren codiert. Das Oberflächenprofil wird mittels konventioneller Belichtungs- und Ätzverfahren erzeugt, wobei die kleinsten relevanten Strukturgrößen im Bereich einiger 10 bis 100 µm, bei einem Stegscheibendurchmesser von ca. 50 mm, liegen. Diese Strukturgrößen werden durch moderne Verfahrenstechniken aus der Halbleitertechnik sicher beherrscht. Bei diesen Verfahren wird die gesamte Oberflächenstruktur der Stegscheibe in einem Schritt erzeugt, wodurch eine hohe Maßhaltigkeit, Strukturtreue und Homogenität erreicht werden.

Im Vergleich zu optischen Codescheiben, die als lichtdurchlässige Codescheibe aus Glas oder Kunststoff realisiert sind, lassen sich die relevanten Strukturengrößen auf der Stegscheibe deutlich größer dimensionieren. Die metallischen Stegscheiben sind daher absolut unkritisch in der Handhabung. Die einfache Montage der Stegscheibe auf der metallischen Achse durch eine selbstjustierende Technik sorgt für einen geringen exzentrischen Fehler und bringt gerade in der Serienfertigung entscheidende Vorteile.

Magnetische Systeme auf Basis metallischer Codescheibe

Mit einem Zentrierelement, das in die innere Kreisstruktur der Stegscheibe greift, wird diese mit der Geberwelle formschlüssig verpresst und dabei automatisch zentriert. Eine aktive Messtechnik zur Justage einer Codescheibe, wie bei optischen Systemen vor einem Klebeprozess und zum Teil noch während der Trocknungszeit erforderlich, entfällt. In der Serienfertigung liefert die selbstjustierende Technik der metallischen Stegscheibe sehr reproduzierbare Ergebnisse sowie kurze Montagezeiten.

Die Anwendung dieser etablierten Verfahrenstechnik auf eine metallische Maßverkörperung bietet entscheidende Vorteile: Die rotierenden Komponenten des GEL235 bilden eine formschlüssig verpresste metallische Einheit, die höchsten mechanischen Beanspruchungen und Temperaturunterschieden von weit über 125°C mühelos stand hält. Neben dieser extremen mechanischen Robustheit besitzt die Stegscheibe die hohe Präzision einer mittels optischer Lithographie hergestellten Maßverkörperung.

Thermisch bedingte Alterungseffekte konstruktionsbedingt ausgeschlossen

Ein weiterer nützlicher Nebeneffekt: Sowohl Stegscheibe als auch Achse bestehen aus dem gleichen Material. Bessere thermische Eigenschaften sind die Folge. Da die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Geberwelle, Stegscheibe und dem Zentrierelement praktisch identisch sind, werden Materialspannungen und thermisch bedingte Alterungseffekte vermieden. Klassische Messzähnräder für hochauflösende inkrementale Drehgeber werden seit 35 Jahren nach diesem Prinzip bei Lenord + Bauer gefertigt. Der GEL235 ist standardmäßig für einen weiten Betriebstemperaturbereich von –40 bis +85 °C ausgelegt und die Freigabe bis 105 °C befindet sich in Vorbereitung.

Typische Probleme mit mehrspurigen hochauflösenden optischen Codescheiben, wie der Verlust einzelner Spursignale durch thermisch bedingte Ausdehnung oder reduzierte Signalintensitäten aufgrund von Alterung, Verschmutzung oder Kondensation, sind beim GEL235 konstruktionsbedingt ausgeschlossen.

Der Vorteil des Drehgebers und sein magnetisches Messprinzip

Dank des magnetischen Messprinzips leidet die berührungslose Abtastung nicht unter Alterungseffekten. Ein deutlich längerer und sicherer Anlagenbetrieb sind die positiven Folgen, was insbesondere bei Anwendungen mit schwer zugänglichen Anbauorten von Vorteil ist. Die Strukturgrößen auf der Stegscheibe unterstützen die Unempfindlichkeit der magnetischen Abtastung gegenüber starken Vibrationen und Schockbelastungen sowie Verschmutzung oder Betauung. Der GEL235 ist taupunktfest und temperaturunempfindlich und kann daher auch in Bereichen mit stark wechselnder Temperatur und/oder Luftfeuchte dauerhaft betrieben werden.

Taupunktseffekte, also die Kondensation von Feuchte auf funktionalen Einheiten des Sensors, können durchaus schon bei Umgebungstemperaturen deutlich über 10 °C auftreten. Bei Anwendungen in Außenbereichen (selbst für gemäßigte Breitengrade) ist grundsätzlich mit dem Unterschreiten der Taupunktsgrenze zu rechnen. Aber auch bei Anwendungen in Werkhallen bzw. innerhalb von Prozesslinien wird die Taupunktsgrenze immer häufiger unterschritten.

Hoch dynamische Anlagensteuerungen und immer höhere Drehzahlen bewirken eine signifikante Eigenerwärmung der Drehgeber schon aufgrund der Lagerreibung. Bei Drehzahlen von etwa 5000 min-1 und höher kann die Eigenerwärmung der Absolutwertgeber bis zu 25 °C betragen. Bei hoher Betriebstemperatur kann sich eine hohe Luftfeuchtigkeit langsam im Gebergehäuse anreichern, die dann bei sinkender Temperatur kondensiert.

Für eine hohe Lebensdauer auch in chemisch aggressiver Umgebung wie permanentem Salznebel bei küstennahen Standorten oder Off-shore, wird die metallische Codescheibe mit einer Oberflächenbeschichtung permanent geschützt. Diese Beschichtung schützt auch vor chlorhaltigen Reinigungsmittel, die in der Lebens-mittelindustrie bei hohen Temperaturen eingesetzt werden.

Stand der Technik hinsichtlich Auflösung und Genauigkeit

Mit der magnetischen Abtastung einer hochpräzisen Maßverkörperung ist der neue GEL235 anderen Absolutwertgebern, die nur die Feldlinienorientierung eines Stabmagneten (Permanentmagnet) abtasten können, deutlich überlegen.

Basierend auf dieser Direktabtastung der Feldorientierung sind diverse Systeme etablierter Hersteller auf dem Markt verfügbar, sowie die GEL2035-Serie von Lenord + Bauer. Diese Systeme benötigen keine Maßverkörperung und zeichnen sich daher durch eine einfache Konstruktion aus, erreichen allerdings in der Praxis nur eine Genauigkeit von 0,7 bis 1° bei einer Singleturn-Auflösungen von 12 Bit. Mit einem berührungslos arbeitenden elektronischen Getriebe mit ebenfalls 12 Bit Auflösung wird eine Gesamtauflösung des GEL2035 von 24 Bit erreicht. Solche Systeme sind nur für Anwendungen in rauen Umgebungen eine Alternative zu optischen Drehgebern.

Die Gesamtauflösung des GEL235-Multiturn-Absolutwertgebers hingegen steht mit 28 Bit der Auflösung optischer Sensoren in nichts nach. Die Singleturn-Auflösung ist von 8 bis 16 Bit einstellbar, wobei die garantierte Genauigkeit 0,1° beträgt. Neben einem Singleturn steht auch ein Multiturn zur Verfügung, der über ein ebenfalls magneto-resistiv abgetastetes mechanisches Getriebe mit 12 Bit Auflösung verfügt.

Der GEL235 Absolutwertgeber liefert seine Informationen im Binär- oder Gray-Code über eine schnelle SSI-Schnittstelle mit bis zu 2 MHz Taktrate (optional BISS, bis zu 10 MHz). Die minimale Taktpause zur Abfrage neuer Positionsdaten über die SSI-Schnittstelle beträgt 16 µm und kann für eine noch schnelles Feedback auf 1 µm im BiSS-Modus reduziert werden.

Zusätzlich wird ein hoch interpolierbares Sinus-/Kosinussignal mit 64-Perioden je Umdrehung ausgegeben. Kundenspezifische Anpassungen der Ausgangssignale sind möglich und bieten somit eine flexible Anpassung an bestehende Komponenten. Mittels einer programmierbaren SSI-Schnittstelle (SSI-P) sind die Singleturn- und Multiturn-Auflösung, der Ausgabecode, die Zählrichtung sowie Preset-Werte programmierbar. Die Programmierung erfolgt mittels einer einfachen Parametriersoftware und USB-Schnittstellenkarte und unterstützt so eine einfache Inbetriebnahme.

Mit einer hohen Auflösung bis 28 Bit und einer hohen SSI-Taktfrequenz bis 2 MHz (optional BISS bis 10 MBit/s) werden auch hoch dynamische Bewegungsprozesse absolut sicher erfasst. Mit einem axialen Übergabestecker werden die Sensordaten an Feldbushauben weitergeleitet. Die Feldbusprofile PROFIBUS-DP und CANopen befinden sich in der abschließenden Qualifizierung.

MR-Sensoren: höhere Empfindlichkeit, bessere Linearität

Die auf dem Hall-Effekt basierende Feldplatten-Technik hat über Jahrzehnte neue Entwicklungen bei magnetischen Sensoren vorangetrieben. Die dominierenden Anwendungsgebiete der Feldplatten lagen jedoch immer bei der konventionellen Dieselmotoren-Technik. Mit der Einführung neuer Dieseltechniken werden die Feldplatten hier nicht mehr benötigt und Ihre Produktion wurde eingestellt.

Zur Auswahl geeigneter magnetischer Sensorelemente für den GEL235 wurden daher zu Entwicklungsbeginn die erforderlichen technische Eigenschaften alternativer Elemente definiert. Magneto-Resistive-(MR-)Sensoren, die auf dem Giant-Magneto-Resistiven (GMR) und dem Anisotropen-Magneto-Resistiven-(AMR-)Effekt basieren kamen für die Entwicklung in Betracht.

Diese MR-Sensoren besitzen eine höhere Empfindlichkeit und Linearität als gängige Feldplatten, sind kompakter in der Bauform und haben eine geringere Temperaturdrift. Da sie nur wenig Chipfläche benötigen, sind GMR-Elemente als Vollmessbrücke mit zwei konstanten und zwei magnetisch modulierbaren Widerstandsstrukturen verfügbar, und bieten somit eine optimale Kompensation thermischer Effekte.

GMR-Elemente werden seit fast 20 Jahren in Schreib-/Leseköpfen von Computerfestplatten verbaut, sodass die Langzeitstabilität und Serienreifen sowie die Verfügbarkeit außer Diskussion stehen. Der neue GEL235 basiert somit auf einer zukunftssicheren Technologie, die über mehrere unabhängige Lieferanten gesichert ist.

Der grundsätzliche Aufbau eines Magnetkreises zur Abtastung einer passiven Maßverkörperung besteht aus einem Stützmagneten, einem Sensorelement und einer Maßverkörperung. In einem Abstand von wenigen 100 µm sind Maßverkörperung und Sensorelement zueinander angeordnet, sodass das Oberflächenprofil der rotierenden Maßverkörperung das permanente Magnetfeld des Stützmagneten moduliert. Die Optimierung des Magnetkreises beinhaltet die geometrische Dimensionierung sowie die Auslegung des Magnetfeldstärke und -orientierung des Stützmagneten relativ zum Sensorelement.

GMR-Elemente haben eine Besonderheit gegenüber den Feldplatten

GMR-Elemente weisen aufgrund Ihres Aufbaus als Mehrschichtsystem hier eine Besonderheit gegenüber Feldplatten auf. Der GMR-Effekt ist ein Grenzschichteffekt und nur eine symmetrische Magnetfeldmodulation relativ zu diesen parallelen Grenzschichten resultiert in einer symmetrischen Änderung des elektrischen Widerstandes. In detaillierten Simulationen zur Magnetfeldorientierung zeigte sich, dass ein magnetisches Schrägfeld eine symmetrische Grenzschichtmodulation sicherstellt.

Für die eindeutige Position sorgt der Nonius-Algorithmus

Die verwendete Stegscheibe des GEL235 besitzt drei inkrementelle Spuren mit 56, 63 und 64 Stegen, die durch drei GMR-Sensoren abgetastet werden. Gemäß der Stegzahl werden Sinussignale mit entsprechender Periodenanzahl pro Umdrehung erzeugt. Mit einem hochintegrierten ASIC wird aus der Phasenbeziehung dieser Sinussignale zueinander die eindeutige absolute Position innerhalb einer Umdrehung bestimmt. Die Stegscheibe ist so dimensioniert, dass sich die drei unabhängigen Spuren trotz der engen Lage zueinander magnetisch nicht beeinflussen.

Die wesentliche Designregel besteht natürlich in der Einhaltung der Noniusbedingung auf der kreisrunden Stegscheibe in analoger Weise wie für lineare mechanische Messschieber. Auf der Stegscheibe des GEL235 befinden sich 64 Stege (2n, n=6) in einer Periodenlän-ge von rd. 2 mm auf der äußeren Masterspur. Die mittlere Noniusspur weist 63 Stege (2n-1) und die innere Segmentspur 56 Stege (2n–2n/2, n=nMaster) auf. Diese Regel gewährleistet die eindeutige Position der Stege bzw. der Phasenlage der korrespondierenden Sinussignale. Auf Basis dieser Stegscheibe ist mit nur drei Signalspuren eine Auflösung bis 16 Bit möglich.

Die Auswertung dieser Phasenlage ist bereits für magnetische Systeme mit bis zu 128 Stegen sowie für optische Systeme mit bis zu 4096 Strichen bzw. einer Periodenlänge von 50 µm nachgewiesen.

Mit einem hochintegrierten ASIC wird neben der Noni-us-Auswertung und diversen Überwachungsfunktionen auch der elektronische Abgleich der GMR-Sensoren durchgeführt. Mechanische Fertigungstoleranzen in der Aufbau- und Verbindungstechnik sowie dem vollautomatischen bleifreien SMD-Prozess werden so ohne manuelles Eingreifen abgeglichen.

Beim GEL235 Multiturn wird für die Singleturn-Stufe das Nonius-Verfahren auf eine dreispurige Stegscheibe angewandt und innerhalb der Multiturn-Stufe auf ein kompaktes dreistufiges mechanisches Getriebe. Das mechanische Getriebe ist äußerst kompakt und flach in den Gehäuseboden konstruiert, wobei Stützmagnete bereits vergossen in den Hauptachsen integriert sind. Durch eine Direktabtastung der Magnetfeldorientierung mit MR-Elementen wird eine Auflösung von 12 Bit bzw. 4096 Umdrehungen erreicht.

Der GEL235 Multiturn basiert somit vollständig auf einer magnetischen Abtastung mittels elektronisch abgeglichener MR-Sensoren und Nonius-Auswertung. Zusätzliche Regelschleifen bzw. Potenziometer zum Amplituden-, Phasen- und Offsetabgleich von insgesamt sechs Sensorelementen entfallen wodurch weitere Bauelemente eingespart und die MTBF weiter verbessert wird.

Mit dem hochauflösenden GEL235 und dem GEL2035 mit Direktabtastung bietet Lenord + Bauer sowohl eine mechanische als auch eine elektronische Multiturn-Stufe mit jeweils 12 Bit Auflösung an. Der Kunde kann damit selbst entscheiden welche Technik er bevorzugt bzw. welche Lösung für seine spezielle Anwendung den Sicherheitsanforderungen genügt.

Bemerkenswertes zur Aufbau- und Verbindungstechnik des Gebers

Die mechanischen und elektronischen Komponenten des neuen Sensors sind präzise aufeinander abgestimmt, um eine optimale Aufbau- und Verbindungstechnik für die Serienfertigung zu erreichen. Der innere Aufbau der kompakten Singleturn- und Multiturn-Absolutwertgeber in einem Gehäuse von nur 47 mm Länge ist komplett ohne Schraub- und Steckverbindungen sowie Kabel realisiert.

Die einzelnen Komponenten sind über extrem widerstandfähige flexible Leiterbahnen fest miteinander verbunden. Auch die Verbindung zum Steckerabgang erfolgt kabellos über eine flexible Leiterbahn. Neben den Steck- und Kabelverbindungen gehören auch interne Schraubverbindungen bei dieser neuen Gebergenerati-on der Vergangenheit an. Nur der M23-Ausgangsstecker bzw. Kabelabgang werden noch mit dem Grundgehäuse verschraubt.

Mit weiteren hochwertigen Komponenten, wie eloxierten Aluminium-Gehäusen, säurefesten Dichtungen aus Viton (Option IP 67) sowie langlebigen 12-mm-Kugellagern, wird ein hochwertiger Absolutwertgeber realisiert. Für den GEL235 Singleturn ist eine Drehzahl von 12.000 min-1 zulässig, und auch das mechanische Getriebe des GEL235-Multiturn ist kurzzeitig bis 12.000 min-1 belastbar.

Es steht eine breite Palette mechanischer Varianten mit Klemm- und Synchroflansch sowie eine Aufsteckhohlwelle mit axialen oder radialen Stecker-/Kabelabgängen zur Verfügung. Für alle gängigen Applikation kann auf direkt verfügbare und wirtschaftliche GEL235-Standardgeber zurückgegriffen werden, sodass teuere Sonderlösungen entfallen. Neben konventionellen Kabelverschraubungen mit rd. 2 cm Aufbauhöhe ist für den GEL235 ein besonders flach bauender axialer montierter Kabeldeckel von nur 9 mm Höhe verfügbar. Der Axialflex-Kabeldeckel hält hohen Zugbelastungen (IP 67) stand und schützt vor einem Abscheren des Kabels.

Für die Aufsteckhohlwelle wird spezielles Zubehör angeboten. Ausgehend von einem maximalen Innendurchmesser von 15 mm kann der Innendurchmesser mit elektrisch isolierenden Reduzierhülsen auf 12, 10 oder 8 mm reduziert werden. Neben Standardblechen als Drehmomentsstütze und zur platzsparenden Montage stehen Federbleche zur Verfügung, die dauerhaft axialem Lagerspiel von einigen mm stand halten. Mit einem mäanderförmigen Design wird eine hohe mechanische Flexibilität und gleichförmige Kraftverteilung erreicht.

Applikationen des Absolutwertgebers mit Stahlcodescheibe

Der GEL235 ist für ein sehr breites Anwendungsspektrum geeignet, da er hohe Robustheit mit hoher Auflösung und Genauigkeit kombiniert. Die Absolutposition kann über eine schnelle SSI-Schnittstelle (optional BiSS) ausgetaktet werden. Am Ausgang steht grundsätzlich ist ein hochinterpolierbares Sinus-/Kosinus-Differenzsignal mit 1 Vss zur Verfügung. Mit einer Auflösung von 16 Bit werden dynamische Regelungen über die schnellen digitalen und analogen Ausgangssignale ebenso unterstützt wie präzise Gleichlaufregelungen extrem langsamer Bewegungen.

Zum Beispiel in der Folien-, Papier- bzw. Verpackungsindustrie sind sehr hohe Taktraten bei hoher Präzision gefordert und auch permanente Feinstäube dürfen die Sensortechnik nicht beeinflussen. In Windkraftanlagen mit über 70 m Höhe sind die Absolutwertgeber starken Temperatur- und Feuchteschwankungen. In der Stahlindustrie eignet sich der GEL235 für die Regelung von Abluftklappen oder Überwachung von Schrägaufzügen unmittelbar am Hochofen ebenso wie in der Weiterverarbeitung in Walzstraßen und Pressen mit hohen Vibrations- und Stoßbelastungen.

Dank einer für Singleturn und Multiturn gleichen Bau-länge von nur 47 mm kann der Geber Platz sparend im Maschinen- und Apparatebau sowie in Antriebe eingesetzt werden. Wechselnde Umgebungsbedingungen im laufenden Betrieb spielen eine untergeordnete Rolle.

Mit der Aufsteckhohlwelle lassen sich Einbauraum und -zeit minimieren, weil der Geber nur auf ein Wellenende aufgesteckt und gegen Verdrehen gesichert wird. Kupplungen und ggf. Montageglocken oder -winkel für die Montage von Vollwellengebern entfallen. Als Aufsteckhohlwelle hat der GEL235 diese Vorzüge bereits an leistungsstarken Antriebsmotoren in der Bahntechnik als Motor-Feedback-Geber unter Beweis gestellt. Selbst starke äußere Magnetfelder beeinflussen die Funktion des GEL235 aufgrund des optimierten Magnetkreises nicht.

Für die hohen Hygieneanforderungen der Lebensmittelindustrie und Reinigungsprozeduren mit chlorhaltigen Substanzen im 80°C heißen Dampfstrahl sind beständige Dichtungen aus Viton sowie optional ein Gehäuse aus Edelstahl verfügbar. Auch für hochpräzise Anwendungen wie etwa in der Medizintechnik oder im modernen Werkzeugmaschinenbau ist der Drehgeber qualifiziert.

*Dr. Peter Velling ist Produktmanager Sensoren bei

Lenord, Bauer & Co. GmbH, 46145 Oberhausen.

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