Drehgeber: Funktionsweise, Bauarten und Auswahl
Ein Drehgeber meldet der Steuerung, wie weit und wie schnell sich eine Welle dreht oder in welcher Stellung sie steht. Er sitzt an Motoren, Spindeln, Messrädern und Drehachsen und ist oft das Bauteil, von dem die Genauigkeit einer ganzen Maschine abhängt. Hier erklären wir, wie Inkrementalgeber und Absolutwertgeber arbeiten, worin sie sich unterscheiden und welche Angaben wir für die Auswahl brauchen. Die technischen Werte stammen aus den Unterlagen von HENGSTLER.
Inhalt:
1. Drehgeber, Encoder, Drehimpulsgeber
Gemeint ist immer dasselbe Bauteil: ein Sensor, der eine Drehbewegung in ein elektrisches Signal umwandelt. „Encoder“ ist der englische Begriff, „Drehimpulsgeber“ betont die Impulse, die ein Inkrementalgeber ausgibt, und „Winkelcodierer“ findet man in älteren Unterlagen. Daneben gibt es Seilzuggeber, bei denen ein Drehgeber über ein Seil eine lineare Strecke misst, und Messräder für Längen von Bahnware wie Papier, Folie oder Textil.
Die wichtigste Unterscheidung ist die zwischen Inkrementalgebern, die Schritte zählen, und Absolutwertgebern, die jede Position als eindeutigen Wert kennen.
2. So funktioniert ein Drehgeber
Optisch: Auf der Welle sitzt eine Glas- oder Kunststoffscheibe mit feinen Strichen. Eine LED leuchtet hindurch, auf der anderen Seite misst ein Fotoempfänger hell und dunkel. Optische Drehgeber erreichen die höchsten Auflösungen und Genauigkeiten. Der HENGSTLER ACURO AC58 kommt so auf bis zu 22 Bit pro Umdrehung bei einer absoluten Genauigkeit von typisch ±35 Winkelsekunden.
Magnetisch: Ein Magnet auf der Welle dreht sich über einem Sensorchip, der die Richtung des Magnetfelds auswertet. Magnetische Geber sind unempfindlich gegen Schmutz, Feuchtigkeit, Schock und Vibration, lösen aber gröber auf. Sie eignen sich für Mobilhydraulik, Kräne, Offshore und die Lebensmittelindustrie.
Um den Sensor herum entscheidet die Mechanik über die Lebensdauer: Lagerung, Dichtung am Wellenaustritt, Gehäusewerkstoff und die Art, wie der Geber an der Maschine befestigt ist.
3. Inkrementalgeber
Ein Inkrementalgeber gibt bei jeder Umdrehung eine feste Zahl von Impulsen aus. Die Steuerung zählt sie und berechnet daraus Weg, Winkel oder Drehzahl. Dafür gibt es zwei Spuren, A und B, die um 90° gegeneinander versetzt sind. Welche Spur zuerst schaltet, verrät die Drehrichtung. Wertet die Steuerung alle Flanken beider Spuren aus, vervierfacht sich die Auflösung: Aus 10.000 Impulsen pro Umdrehung werden 40.000 Messschritte.
Die dritte Spur Z, der Nullimpuls, kommt genau einmal pro Umdrehung und dient als Referenzpunkt. Denn ein Inkrementalgeber kennt seine Position nicht: Nach dem Einschalten muss die Maschine erst eine Referenzfahrt machen, bis der Nullimpuls oder ein Endschalter erreicht ist.
TTL oder HTL: TTL-Ausgänge arbeiten mit 5 V und Differenzsignalen nach RS422. Sie sind schnell und störsicher, aber auf kürzere Leitungen ausgelegt. HTL arbeitet mit der Versorgungsspannung von meist 10 bis 30 V und kommt mit längeren Leitungen und SPS-Eingängen gut zurecht. HENGSTLER Inkrementalgeber gibt es auch mit Weitbereichsversorgung von 3 bis 38 V DC, das gleicht Spannungsverluste auf langen Kabeln aus.
Die HENGSTLER ICURO Baureihen reichen von 30 bis 76 mm Gehäusedurchmesser und bis 10.000 Impulse pro Umdrehung, mit Vollwelle, Sackloch-Hohlwelle oder durchgehender Hohlwelle, bis IP67 und für −40 bis +100 °C. Den RI58 gibt es als RI59 auch im Edelstahlgehäuse. Gängige Typen finden Sie im Onlineshop unter Inkrementalgeber.
4. Absolutwertgeber
Ein Absolutwertgeber gibt für jede Winkelstellung einen eindeutigen Zahlenwert aus. Er kennt seine Position deshalb sofort nach dem Einschalten, auch wenn die Welle im ausgeschalteten Zustand bewegt wurde. Eine Referenzfahrt entfällt.
Singleturn heißt: Der Geber unterscheidet die Stellungen innerhalb einer Umdrehung, beim ACURO AC58 bis 22 Bit, also rund 4,2 Millionen Schritte. Multiturn-Geber zählen zusätzlich die Umdrehungen, beim AC58 mit 12 Bit bis 4.096 Umdrehungen. Das geschieht entweder über ein mechanisches Getriebe im Geber, wie beim AC58, oder elektronisch ohne Getriebe und ohne Batterie, wie bei der robusten Baureihe ACURO AR62.
Den Wert überträgt der Geber über eine Schnittstelle an die Steuerung. Bei HENGSTLER sind das SSI und BiSS, Feldbusse wie CANopen, DeviceNet und Profibus sowie Industrial Ethernet mit Profinet, EtherCAT und EtherNet/IP. Der AC58-I liefert zusätzlich zum SSI-Wert inkrementelle Signale in TTL oder HTL, etwa für eine schnelle Drehzahlregelung.
Absolutwertgeber im Shop: ACURO AC58, AC59 und AC61.
5. Inkremental oder absolut?
| Inkrementalgeber | Absolutwertgeber | |
|---|---|---|
| Position nach dem Einschalten | unbekannt, Referenzfahrt nötig | sofort bekannt |
| Signal | Impulse A, B, Z in TTL oder HTL | Zahlenwert über SSI, BiSS, Feldbus oder Ethernet |
| Drehzahl erfassen | sehr gut, einfache Auswertung | möglich, je nach Schnittstelle |
| Auswertung | Zählereingang oder Zähler wie HENGSTLER tico | Steuerung mit passender Schnittstelle |
| Preis | günstiger | höher, vor allem Multiturn und Ethernet |
| Typischer Einsatz | Drehzahl, Längenmessung, Motorrückführung, Aufzugsantrieb | Positionierachsen, Schwenkachsen, Hubwerke, Medizintechnik |
Faustregel: Muss die Maschine nach einem Spannungsausfall ohne Referenzfahrt weiterlaufen, ist ein Absolutwertgeber die richtige Wahl. Geht es um Drehzahl oder um relative Wege, reicht meist ein Inkrementalgeber.
6. Diese Angaben brauchen wir
Für einen neuen Drehgeber oder einen Ersatz klären wir mit Ihnen:
- Art und Auflösung: inkremental mit Impulsen pro Umdrehung oder absolut mit Bit Singleturn und Multiturn
- Signal oder Schnittstelle: TTL, HTL, SSI, BiSS, CANopen, Profinet, EtherCAT oder ein anderer Bus
- Versorgungsspannung und Leitungslänge bis zur Steuerung
- Welle: Vollwelle mit Durchmesser oder Hohlwelle mit Bohrung, beim ACURO AC58 zum Beispiel 6 bis 12 mm Vollwelle und 9,52 bis 14 mm Hohlwelle
- Befestigung: Klemmflansch, Synchroflansch, Quadratflansch oder Federblech als Drehmomentstütze für Hohlwellengeber
- Anschluss: Kabelabgang axial oder radial, Stecker M12 oder M23
- Umgebung: Temperatur, Schutzart bis IP67 oder IP69K, Schock und Vibration, Edelstahl, Ex-Bereich
Für einen Ersatz genügt oft die vollständige Typbezeichnung vom Typenschild und ein Foto der Einbausituation. Für explosionsgefährdete Bereiche gelten eigene Regeln, die wir im Ratgeber Drehgeber und Zähler für Ex-Bereiche zusammengefasst haben. Für Maschinen aus den USA bieten wir auch Drehgeber der HENGSTLER-Schwestermarke Dynapar an.
7. Wo Drehgeber arbeiten
- Aufzüge: Motorrückführung und Schachtposition, inkremental und absolut, siehe Drehgeber für Aufzüge, zum Beispiel mit dem AC37 und AC38 mit CANopen Lift
- Medizintechnik: Patiententische, Röntgen- und CT-Positionierung, Therapiegeräte, mit kompakten Absolutwertgebern wie dem ACURO AD36
- Verpackung und Lebensmittel: Formatverstellung und Taktsynchronisation, im Nassbereich in Edelstahl, mehr dazu unter Verpackung und Lebensmittel
- Windkraft: Pitch- und Azimutverstellung mit robusten Gebern, die hohen Vibrationen und Schocks standhalten
- Kräne, Offshore und Fahrzeuge: die Baureihe ACURO AR6x mit Edelstahlgehäuse bis IP69K, DNV-Zulassung für den maritimen Einsatz und CANopen mit E1-Zulassung für Fahrzeuge
- Robotik und fahrerlose Transportfahrzeuge: Achspositionen und Antriebe, siehe Robotik und Automation
- Papier, Druck und Textil: Bahngeschwindigkeit und Schnittposition, auch mit Messrädern
Wie wir solche Aufgaben mit HENGSTLER gelöst haben, zeigen die Praxisbeispiele auf der HENGSTLER-Seite, vom Absolutwertgeber an der Papiermaschine bis zum Inkrementalgeber auf dem Bohrgerät.
Häufige Fragen
Was macht ein Drehgeber?
Er wandelt die Drehung einer Welle in ein elektrisches Signal um. Daraus berechnet die Steuerung Position, Winkel, Weg oder Drehzahl.
Wie funktioniert ein Inkrementalgeber?
Eine Strichscheibe erzeugt pro Umdrehung eine feste Zahl von Impulsen auf zwei versetzten Spuren A und B. Die Steuerung zählt die Impulse und erkennt an der Reihenfolge der Spuren die Drehrichtung.
Wie funktioniert ein Absolutwertgeber?
Jeder Winkelstellung ist ein eindeutiger Code zugeordnet, den der Geber über eine Schnittstelle wie SSI oder Profinet ausgibt. Multiturn-Geber zählen zusätzlich die Umdrehungen.
Welche Vor- und Nachteile hat ein Inkrementalgeber?
Er ist günstig, einfach auszuwerten und ideal für Drehzahl und relative Wege. Nachteil: Nach dem Einschalten kennt er seine Position nicht und braucht eine Referenzfahrt.
Was bedeuten Singleturn und Multiturn?
Singleturn-Geber messen die Stellung innerhalb einer Umdrehung. Multiturn-Geber zählen zusätzlich, wie viele Umdrehungen die Welle gemacht hat, beim ACURO AC58 bis 4.096.
Sind Encoder und Drehgeber dasselbe?
Ja. Encoder ist der englische Begriff, Drehimpulsgeber eine andere deutsche Bezeichnung für Inkrementalgeber.
Quellen: Produktunterlagen und Datenblätter von HENGSTLER, unter anderem ACURO AC58 mit EtherCAT und Profinet. Verbindliche Werte stehen im jeweiligen Datenblatt.