In diesem Artikel werden verschiedene Arten von Motor-Encodern in der Automatisierung erläutert, insbesondere Linear- und Drehgeber und ihre Anwendungen.
I. Was ist ein Motor-Encoder?
Ein Motor-Encoder ist ein Gerät, das Positionsdaten für Automatisierungssteuerungssysteme oder Maschinen mit Motoren aufzeichnet, die Positionsinformationen benötigen. Von Roboterarmen bis hin zu 3D-Druckern sind sie allgegenwärtig. Encoder spielen eine entscheidende Rolle dabei, dass autonome Maschinen ordnungsgemäß funktionieren. Sie ermöglichen die präzise Messung bewegter Komponenten innerhalb eines Systems.
Motor-Encoder bieten in mehreren Bereichen Vorteile. Beispielsweise werden lineare Encoder häufig in Bahnanwendungen eingesetzt und ermöglichen CNC-Maschinen und 3D-Druckern die Herstellung von Teilen mit Präzision, während rotierende Encoder Roboterarme in der Fertigung ermöglichen. Die von ihnen übertragenen Signale aktivieren genau im richtigen Moment verschiedene Ausgänge an Steuerungen oder SPSen.
II. Wie funktionieren Motor-Encoder?
Encoder funktionieren, indem sie elektrische Informationen an Steuergeräte liefern, die auf einem von zwei unterschiedlichen Systemen basieren: rotierend oder linear. In Encodern gibt es mehrere Mechanismen, um physikalische Änderungen in elektrische Daten umzuwandeln: ohmsche, mechanische, magnetische und optische. Optische Encoder sind in der Fertigung am häufigsten anzutreffen. Sie enthalten mindestens einen Lichtsender und einen Lichtempfänger, um physikalische Bewegungen in elektrische Signale zur Steuerungsverarbeitung umzuwandeln. Unabhängig von der verwendeten Konvertierungsmethode werden Encoder immer in lineare oder rotatorische Encoder kategorisiert.
Bei optischen Encodern nutzen sowohl rotierende als auch lineare Encoder „Fenster“, die in eine feste Oberfläche geschnitten sind, sodass Licht nur schrittweise in die Empfangseinheit eindringen kann. Lineare Encoder verwenden Sensoren, um unterschiedliche Muster innerhalb eines Streifens entlang der Weglänge zu erkennen, während rotierende Encoder aus einer Scheibe mit Schlitzen bestehen, die Signale zurück an das Steuerungssystem übertragen.
In optischen Systemen sendet der Sender einen konstanten Lichtstrahl aus, der mit der Bewegung des Systems zunehmend unterbrochen wird. Immer wenn der Empfänger Licht vom Sender erkennt, sendet er ein elektrisches Signal an den Controller. Je nach Anwendung gibt es verschiedene Scheiben- oder Schienenkonfigurationen zum Blockieren/Empfangen von Licht. Dazu gehören absolute Positionsgeber und Inkrementalgeber.
III. Absolutwertgeber und Inkrementalgeber: Was ist der Unterschied?
Absolutwertgeber verwenden mehrere Lichtsensoren, um Binärcodes an die Steuerung zu senden. Sie verfügen über unterschiedliche Steckplätze, die Paaren von Lichtsendern/-empfängern entsprechen. Bei Single--Absolutwertgebern erzeugen diese Schlitze einen Binärcode, der die Winkelposition innerhalb einer Umdrehung des Motors angibt.
Bei Anwendungen, die eine höhere Präzision und einen größeren Bereich erfordern, nutzen Multiturn-Encoder Untersetzungsgetriebe und zwei Encoderscheiben, um einen größeren Bereich bekannter Positionen zu erreichen. Absolutwertgeber eignen sich besser für Szenarien, in denen Positionsdaten nach einem Stromausfall erforderlich sind, am häufigsten in Sicherheitsschaltkreisen. Inkrementalgeber verfügen über gleichmäßig verteilte Schlitze, um Impulse an die Steuerung zu senden. Diese Encoder basieren auf Impulsen, die von einer Nullposition aus gezählt werden. Daher ist es wichtig, eine bekannte Position zu haben, um die Zählung neu zu starten, wenn das System aus irgendeinem Grund die Stromversorgung verliert.
Wenn nur die Motorgeschwindigkeit erforderlich ist, kann ein analoges Signal an die Steuerung gesendet werden, sodass diese diese Daten für nützliche Anwendungen verarbeiten kann. Wenn für den Prozess Positionsdaten erforderlich sind, kann der Encoder elektrische Impulse an die Steuerung senden, um die Position des Motors innerhalb seines Grenzbereichs zu ermitteln.
IV. Wo werden Linear-Encoder eingesetzt?
Linear-Encoder übertragen elektrische Impulssignale über Sensoren oder „Kerben“ auf einer Skala an Steuerungen. Diese Impulssignale können von einer SPS dekodiert und in Anweisungen umgewandelt werden, denen das Gerät folgen muss.
Linear-Encoder eignen sich besser für Anwendungen mit verschiebbaren Positionierern, wie zum Beispiel 3D-Drucker oder CNC-Maschinen. Sie eignen sich hervorragend für Prozesse, die eine präzise Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung an Steuerungen erfordern. Bestimmte lineare Encoder, wenn es sich nicht um absolute Encoder handelt, benötigen eine Referenzposition, um nach einem Stromausfall oder einem Neustart der SPS/Steuerung den Nullpunkt zu finden.
Absolutwertgeber verwenden eine binäre Darstellung der Position, während Inkrementalgeber erst nach dem Start von der Steuerung gezählte Impulse senden. Endschalter oder Sensoren können als Referenzpunkt dienen, wenn Positionsdaten zurückgesetzt werden müssen.
Auf Absolutcode basierende lineare Encoder können ihre Position ohne Bewegung oder Referenzpunkte bestimmen. Zur Positionsbestimmung nutzen sie Binärcodes aus mehreren Maßstäben. Dies bietet eine größere Flexibilität für Anwendungsprozesse und eröffnet mehr Möglichkeiten in Bereichen, in denen Wiederanlaufsicherheit erforderlich ist.
V. Anwendungen von Drehgebern
Drehgeber bestehen aus einer kreisförmigen Skala, die an der Motorwelle befestigt ist. Während sich der Motor dreht, senden Lichtsensoren, die Muster auf der Skala lesen, Impulszählungen oder Binärcodes an die SPS. Drehgeber sind äußerst nützlich bei Anwendungen, die eine Messung der Motorgeschwindigkeit erfordern oder bei denen sich Entfernungen ohne Motordrehung nur schwer messen lassen, wie etwa bei Servomotoren in Roboterarmen. Anwendungen, die eine Motorgeschwindigkeitssteuerung erfordern, verwenden Inkrementalgeber, die Impulszählungen zur Messung der Motorgeschwindigkeit erzeugen.
Die Encoder-Skala verfügt über eine bestimmte Anzahl von Schlitzen, und die SPS zählt diese Schlitze, während sich der Motor dreht. Dieser Zählerstand kann dann in U/min umgerechnet werden. Ein Beispiel, wo dies nützlich ist, ist ein Förderbandmotor. Bestimmte Parameter erfordern möglicherweise unterschiedliche Bandgeschwindigkeiten, und die SPS kann diese entsprechend der Motordrehzahl anpassen. Sie sind auch bei Anwendungen nützlich, bei denen es auf Präzision ankommt, da sie genauere Daten liefern als absolute Drehgeber. Trotz ihrer höheren Genauigkeit können sie die Position nicht ohne Bewegung lesen und benötigen möglicherweise eine Referenzposition, wenn die Kommunikation mit der SPS unterbrochen wird.
Absolutwertgeber können auch als rotatorische Motorgeber eingesetzt werden. Diese eignen sich besser für Situationen, in denen Winkeldaten erforderlich sind. Im Gegensatz zu inkrementalen Drehgebern, die zur Datenübertragung eine Bewegung erfordern, behalten sie auch die Möglichkeit, die Position nach einem Kommunikations- oder Stromausfall zwischen Encoder und Steuerung abzurufen.