Drehgeber Selbstdiagnose vermeidet Produktionsstillstände

Autor / Redakteur: Klaus Korger / Reinhard Kluger

Oft sind es die kleinen Baugruppen in Fertigungsanlagen wie etwa Drehgeber, die durch ihren fehlerbedingten Austausch einen Produktionsstillstand nötig machen und so enorme Kosten verursachen — gemessen am eigentlichen Preis des Ersatzteils ein eklatantes Missverhältnis. Abhilfe versprechen hier Drehgeber mit der Fähigkeit zur Selbstdiagnose, die auf interne Probleme hinweisen und so Wartungsmaßnahmen frühzeitig einleiten können.

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In immer mehr Fertigungs- und Windkraftanlagen nutzt man die in den neuen Drehgebern integrierte Diagnosefunktion zur Vermeidung teurer Ausfälle. Bilder: Leine & Linde
In immer mehr Fertigungs- und Windkraftanlagen nutzt man die in den neuen Drehgebern integrierte Diagnosefunktion zur Vermeidung teurer Ausfälle. Bilder: Leine & Linde
( Archiv: Vogel Business Media )

Wenn in einer Anlage oder Maschine kleine Baugruppen ausfallen, stehen die Kosten für das Ersatzteil meist in keinem Verhältnis zum Schaden durch den Produktionsstillstand. Zum Beispiel bewegen sich die Kosten pro Stunde Produktionsausfall in der Papierindustrie in einer Größenordnung von 5000 Euro und mehr. Da Drehgeber zu den Schlüsselbauteilen aktueller Maschinen- und Anlagensteuerungen gehören, liegt es nahe, diese Komponenten mit einem Diagnosesystem auszurüsten, das die Funktionalität des Drehgebers ständig überwacht und so eine Grundlage bietet, um Wartungsmaßnahmen rechtzeitig einzuleiten.

Die in heutigen Fertigungsanlagen eingesetzten Drehgeber sind oft hohen mechanischen Belastungen in Form von Schock und Vibration sowie erhöhten Temperaturen ausgesetzt. Die folgenden typischen Bauteil-Spezifikationen spiegeln solche Belastungen wider: Schwingfestigkeit bis 10 g, Stoßfestigkeit bis 100 g, axiale Last 100 N und radiale Last bis 300 N. Unter diesen Rahmenbedingungen muss immer noch eine Positioniergenauigkeit von 0,1 mm gegeben sein.

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Typische Ausfallursachen bei Drehgebern

Es ist also nicht verwunderlich, wenn sich ein Drehgeber trotz hoher Robustheit „verabschiedet“. Nachfolgend einige der typischen Ursachen für Drehgeberausfälle: Ausgelaufene Kugellager durch schlechte Montage: Die Verbindung des Drehgebers mit der Welle des Motors erfolgt entweder über eine Kupplung (typisch für Wellengeber) oder durch Aufstecken auf den Schaft des Motors (typisch für Hohlwellengeber), wobei der Drehgeber über eine Drehmomentstütze gegen die Drehung abgestützt wird. Werden die vorgegebenen Mindesttoleranzen hier nicht eingehalten, treten Unwuchten auf, die den vorzeitigen Verschleiß der Kugellager auslösen.

Die Folge ist eine Taumelbewegung der Inkrement-Scheibe. Einzelne Bereiche verlieren an Kontrast, was wiederum den Verlust einiger Impulse nach sich zieht. Der Drehgeber funktioniert zwar noch, doch der gesamte Antrieb wird unruhig, da der Umrichter diese Schwankungen auszugleichen versucht. Unwuchten am Antrieb können Lötstellen und (Klemm-) Kontakte über Gebühr beanspruchen, sodass schlechte Kontaktierungen sporadische Fehler hervorrufen.

Verschmutzung, Feuchtigkeit und Überhitzung

Bei Verschmutzung im Drehgeber können sich Staubpartikel auf der Inkrementscheibe niederlegen. Plötzlich erkennt der Drehgeber dann zwei Teilstriche als einen und liefert folglich einen Impuls zu wenig. Dies passiert zum Beispiel bei Montage unter schwierigen Bedingungen mit hohem Staubaufkommen, wenn die Anschlusshaube geöffnet wird. In diesen Fällen empfiehlt sich der Einsatz von Varianten mit außenliegendem Steckverbinder.

Feuchtigkeit im Stecker oder im Gehäuse: Werden beispielsweise zu dünne Kabel verwendet, kann durch die Kabelverschraubung Feuchtigkeit in den Drehgeber eindringen und zu sporadischen Fehlfunktionen führen. Überhitzung: Da die Drehgeber häufig hinter einem Lüfter angebracht sind, wird die Abluft des Motors über den Drehgeber geleitet. Ist nun etwa ein Lager am Motor selbst defekt, kann auch die heiße Abluft des Motors zum Geberausfall führen.

Mögliche Fehlinterpretationen durch den Umrichter

In vielen Anwendungen besteht auch ein Manko darin, dass die Drehgeberüberwachung nur am Umrichter realisiert ist. Zwischen ihm und dem Drehgeber liegen jedoch genügend Kabel und Klemmverteiler, um Probleme zu bereiten. So kann zum Beispiel ein gequetschtes Kabel zu Signalunterbrechungen führen, die vom Umrichter irrtümlich als Drehgeberfehler interpretiert werden und folglich den Anwender zum Austausch einer Komponente veranlassen, ohne den eigentlichen Fehler behoben zu haben.

Damit sich solche Fehldiagnosen und überraschende Drehgeber-Ausfälle vermeiden lassen und sich diese vielmehr vorankündigen, hat Leine & Linde mit dem „Advanced Diagnostic System“(ADSTM) ein Frühwarnsystem in seine Drehgeber integriert.

Integriertes Frühwarnsystem

Der Drehgeber überwacht intern kontinuierlich beispielsweise die Vollständigkeit der Impulse und die richtige Pulsfolge. Bereits ein einziger Zählunterschied zur programmierten Teilung wird durch das System registriert und über einen potentialfreien Schaltausgang gemeldet. Dieser kann dann zum Beispiel in einer übergeordneten Anlagensteuerung ausgewertet und angezeigt werden. Hierzu ist eine zusätzliche Drahtader nötig. Über eine Leuchtdiode auf der Gehäuserückseite wird der Fehlerfall parallel zum Schaltausgang durch Blinken signalisiert. Dies bietet bei Nachrüstungen die Möglichkeit, die Funktionalität des ADSTM ohne zusätzliche Verdrahtung zu nutzen. Vielfach sind die Drehgeber sichtbar angebaut und es genügt eine sporadische Sichtkontrolle durch den Anwender.

Die blinkende LED ist selbst aus einer Entfernung von 10 m gut erkennbar. Im Drehgeber selbst wird zum Fehlerzeitpunkt auch der entsprechende Fehlerkode abgespeichert. Dadurch hat der Anwender die Möglichkeit, nach einem Ausbau des Drehgebers die Fehlerkodes über eine RS232-Schnittstelle auszulesen und zu analysieren. Für statistische Zwecke werden zusätzlich im Drehgeber noch die Betriebsstundendauer, die Drehzahl und die aktuelle Temperatur gemessen. Ebenso wird die höchste und niedrigste Temperatur gespeichert. Zudem erfolgt eine Unterscheidung zwischen kontinuierlichen Problemen und einzeln auftretenden Fehlern.

SPS/IPC/DRIVES 2009 Halle 1, Stand 130

Klaus Korger, Geschäftsführer Leine & Linde (Deutschland), Aalen

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