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Antriebstechnik von Siemens und RockwellVom Hybridsystem zum doppelten Standard

Karl-Heinz Klumpe

Die KHS-Gruppe bietet die Antriebstechnik ihrer Verpackungsanlagen nun durchgängig in zwei verschiedenen Varianten an.

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DrehgeberHöchste Verfügbarkeit

Die Heavy-Duty-Technik des Unternehmens Hübner mit Sitz in Berlin begann bereits 1934 mit der Entwicklung eines voll gefluteten Unterwassermotors – aufgrund der damals noch unzureichenden Isolationsmaterialien eine Pioniertat. Diesen Erfahrungen folgte später die Entwicklung von Tachogeneratoren für die Antriebe eines Warmwalzwerkes und schließlich die Drehzahlsensoren in Heavy-Duty-Technik in Verbindung mit robusten inkrementalen Drehgebern der Serie OG 9, beziehungsweise POG 9 für den Einsatz an Papiermaschinen. Diese Drehgeber zeichneten sich bereits von Anfang an durch den heute zum Industriestandard gewordenen Euro-Flansch B10 mit einem Wellendurchmesser von 11 Millimeter sowie durch besondere mechanische und elektrische Attribute aus, die sich deutlich von Standard-Drehgebern unterscheiden.

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Antriebstechnik (AT),: Höchste Verfügbarkeit

Das Grundprinzip der hier beschriebenen Heavy-Duty Drehgeber kann anschaulich am Beispiel des Modells POG 9 mit einem massiven Druckguss-Gehäuse in Kombination mit einem Fliehkraftschalter gezeigt werden: Die technische Zeichnung zeigt den Drehgeber zusammen mit der (vergrößert gezeichneten) Impulsscheibe, der Elektronikplatine sowie den Leistungs-Leitungstreibern zwischen den groß dimensionierten Lagern. Auf der Verlängerung der Welle sitzt der Fliehkraftschalter zur Überwachung einer definierten Grenzdrehzahl. Wird die­se erreicht, bewegen sich die unter Feder-Vorspannung stehenden Fliehkraftgewichte in radialer Richtung und betätigen somit den Umschalter. Die Signale des Drehgebers als auch des Fliehkraftschalters stehen in den Klemmenkästen zur Weiterleitung, beziehungsweise -verarbeitung zur Verfügung. Aufgrund eines internen Lagerschilds sind beide Systeme voneinander getrennt. Die eingesetzte Spezial-Wellendichtung gewährleistet eine erhöhte Schutzart IP 56.

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Zweiseitige Lagerung

Die Konstruktion mit einer zweiseitigen Lagerung beansprucht zwar etwas mehr Platz als die einseitigen Varianten der üblichen Drehgeber, bietet aber den Vorteil, dass die Welle großen Kräften in radialer und axialer Richtung gewachsen ist. Außerdem kann ein zweites Gerät, in diesem Fall ein Fliehkraftschalter, integriert werden. Anstelle dieser mechanischen Komponente, die beim Überschreiten einer vorgegebenen Grenzdrehzahl einen Schaltprozess auslöst, kann das zweite Wellenende auch einen elektronischen Drehzahlschalter tragen. Dieser kann dann entweder mit einer oder drei einstellbaren Schaltdrehzahlen die entsprechenden Sicherheits- oder Steuerungsaufgaben in der Antriebstechnik übernehmen. Das zweite Wellenende kann aber auch ein elektrisch getrenntes, zweites Gebersystem aufnehmen, mit dem sich unabhängige Regelkreise aufbauen lassen. Die gewählten Strichzahlen können unterschiedlich oder für spezielle Sicherheitsüberwachungen auch redundant ausgelegt sein. Darüber hinaus stehen die Gebersignale als Standard mit störsicherem HTL-Pegel oder als Option auch mit TTL-Pegel zur Verfügung.

Eine zweiseitige Lagerung wird bei Hübner entsprechend den Heavy-Duty-Forderungen auch dann bevorzugt, wenn kein zweites Sensorsystem oder zweites Wellenende zum Anbau weiterer Geräte benötigt wird. Das Unternehmen hat aber auch Drehgeber mit den üblichen einseitigen Lagerungen im Programm, bei denen eine kurze Baulänge im Vordergrund steht, beispielsweise für Windkraftgeneratoren. In diesem Fall kommen bevorzugt Hybridlager mit Keramikkugeln zum Einsatz, die sich durch eine besonders lange Lebensdauer auszeichnen – allerdings auch zu einem deutlich höheren Preis im Vergleich zu „normalen“ Kugellagern.

Eine weitere Variante mit Heavy-Duty-Technik sind die neuen Hohlwellen-Drehgeber HOG 10 zum direkten Anbau an die Antriebe bei Papiermaschinen. Hier sind beide Kugellager im Gehäuse isoliert eingebaut, um den Wellenströmen der Antriebsmaschine keinen Weg zum geerdeten Gebergehäuse zu bieten. Diese Ströme haben negative Auswirkungen auf die Kugellager, da über die Funkenerosion bleibende Schäden an den Kugeln und den Laufflächen der Lager entstehen können. Eine Labyrinth-Dichtung hält als erste Instanz den Staub von den abgedichteten Lagern ab und erhöht damit die Schutzart auf IP 66. Ein weiteres Merkmal dieser Drehgeber sind die großen, um 180° drehbaren und EMV-gerechten Klemmenkästen, die links oder rechts vom Drehgeber einen Kabelabgang nach unten zulassen. Aufgrund dieser Anordnung wird ein Eindringen von Wasser in den Klemmenkasten auch bei nicht fachgerechter Montage des Kabels vermieden. Kundenspezifische Lösungen mit innen liegenden Kabelanschlussklemmen, Metallstecker oder herausgeführtem Kabel sind natürlich ebenfalls möglich.

Optimierung der Leitungstreiber

Die Abtastelektronik mit Inkrementalscheibe ist in der Regel zwischen den Lagern untergebracht. Aus Gründen der Schockresistenz, die beispielsweise bei einfallenden Stillstandsbremsen besonders gefordert ist, besteht sie meist aus Metall und wird in einem additiven galvanischen Prozess mit hoher Präzision hergestellt. Bei Drehgebern, bei denen eine höhere Strichzahl pro Umdrehung und weniger die Schockresistenz im Vordergrund steht, kommen Glasscheiben zum Einsatz. Die Abtastung selbst übernehmen schock- und rüttelfeste Opto-ASICs. Im Vergleich dazu werden bei höher auflösenden Drehgebern entsprechende Verstärkerschaltungen mit großflächigen Fotoelementen eingesetzt; diese Technik wird beispielsweise auch bei den Hübner-Präzisions-Sinusgebern genutzt. Die LEDs werden stromgeregelt betrieben, um die Helligkeit, die nach einer Halbwertszeit von circa 100.000 Betriebsstunden auf die Hälfte zurückgeht, konstant zu halten.

Nun werden die generierten Rechteck-Signale nicht nur über längere Strecken übertragen, sondern unterliegen oftmals auch noch elektromagnetischen Störungen, speziell dann, wenn die Signalkabel in Nachbarschaft zu Motorkabeln verlegt sind. Aus diesem Grund werden standardmäßig HTL-Signalpegel bis 30 Volt eingesetzt, um einen entsprechend hohen Signal-Störspannungsabstand zum sicheren Detektieren der Signale am Empfänger zu gewährleisten. Signalkabel weisen eine Kapazität in der Größenordnung von 100 pF/m auf, so dass beispielsweise bei einem 100 Meter langen Kabel die Push-Pull-Leitungstreiber jedes Kanals eine Kabelkapazität von 10 nF ständig mit der Ausgabefrequenz laden und entladen müssen. Bei einer Flankensteilheit der Rechtecksignale von typisch 10 V/µs ergibt sich also ein Lade- und Entladestrom von 100 mA. Bei längeren Kabeln, bei denen der Wellenwiderstand ins Spiel kommt, werden die Leitungstreiber bei Signalpegeln von 30 Volt mit Strömen bis 250 mA belastet. Aus diesem Grund sind die Leitungstreiber der Hübner-Drehgeber ab der Baureihe 9 – das entspricht rund 90 Millimeter Gehäuse-Durchmesser – für Spitzenströme bis 300 mA ausgelegt. Natürlich erfordert der Platzbedarf der Leitungstreiber und auch deren Wärmeabfuhr ein gewisses Gehäusevolumen, das aber bei den Drehgebern ab dieser Baureihe gegeben ist. Um die Verlustleistung zu begrenzen hat es sich in der Praxis außerdem bewährt, die Signalkabel nicht mit dem Wellenwiderstand, sondern mit 1 kΩ abzuschließen. Für den Fall, dass die Störung in der Umgebung besonders hoch ist, stehen die HTL-Signale auch invertiert zur Verfügung.

Qualitätstests und Prüfungen

Natürlich müssen die mechanische und elektrische Robustheit auch in umfangreichen Untersuchungen überprüft werden. Zu den hausinternen Prüfungen gehören die Bereiche der Resonanzfrequenz und der Elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV). So werden die bestückten Leiterplatten schon in der Entwicklungsphase auf einem in Frequenz und Amplitude durchstimmbaren Messplatz (Sinus-Gleitprüfung von 10 bis 2000 Hz) auf Resonanzfrequenzen untersucht und optimiert. Beim dem EMV-Test wird mit einem Stoß-Spannungsmessplatz in Anlehnung an die EN 61000-4-4 und -5 die Burst-Festigkeit geprüft: Auf der einen Meter langen Koppelstrecke werden die Kabeladern kapazitiv Spannungsimpulsen bis 4 kV ausgesetzt, die von den Leitungstreibern und den Signalempfängern verkraftet werden müssen (deshalb werden auch die Hübner-Pegelumsetzer Heag 151 bis 154, die HTL-Pegel in TTL-Pegel und umgekehrt wandeln, unter den gleichen Bedingungen geprüft).

Den hausinternen Prüfungen schließen sich dann umfangreiche Untersuchungen in einem akkreditierten Prüf­institut an: Da ist zunächst die Schwingungsprüfung der kompletten Drehgeber gemäß IEC 60068-2-6 in x-, y- und z-Richtung im angetriebenen, elektrisch aktiven Zustand, sowie eine Dauerschock-Prüfung nach IEC 60068-2-27 und -29. Hier wird der Drehgeber einer Schock-Beschleunigung von 2000 m/s2 bei einer Schockdauer von 6 ms in allen drei Ebenen unterworfen. Diese Prüfung hat mittlerweile eine ganz besondere Bedeutung erlangt, da mit einem massearmen Beschleunigungsaufnehmer nachgewiesen werden konnte, dass einfallende Stillstandsbremsen Schockwellen bis 2000 g in die Antriebswelle und damit direkt auf die Hohlwellen-Drehgeber übertragen.

Zum Nachweis einer definierten Schutzart IP XY nach IEC 60529 werden die Drehgeber auf „Schutz gegen Eindringen fester Fremdkörper” (erste Ziffer) und auf „Schutz gegen Eindringen von Wasser” (zweite Ziffer) geprüft: Die Staubschutzprüfung nach IP 5Y setzt die Drehgeber für acht Stunden einer wirbelnden Luftströmung mit fein verteiltem Quarzmehl aus. Zum Nachweis der Staubdichtheit gemäß IP 6Y wird die Prüfung durch Unterdruck verschärft, indem die Drehgeber mit einer Bohrung versehen und an eine Vakuumpumpe angeschlossen werden. Bei der Strahlwasserprüfung nach IP X6 „Schutz gegen starkes Strahlwasser oder schwere See“ trifft ein Wasserstrahl mit 100 l/min und 12 bar auf den Prüfling. Die Dichtheit gemäß IP X7 wird durch Untertauchen in einem Meter Wassertiefe überprüft. Drehgeber für den maritimen Einsatz werden zusätzlich einem Salzsprüh­nebeltest und zum Nachweis der Tropentauglichkeit zusätzlich feuchter Wärme unterworfen. Weitere Prüfungen beziehen sich auf die Temperatur, den Isolationswiderstand und die Hochspannung. Interessant für die unterschiedlichen Anwendungen der Kunden ist, dass die bewährte Heavy-Duty-Technik inzwischen auch auf robuste Single- und Multiturngeber mit Hohl- oder Vollwelle erfolgreich übertragen wurde. Dr.-Ing. Lothar Wilhelmy, Hübner/ Dr. Peter Stipp

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