Encoder | Industrial Ethernet und Industrie 4.0 Drehgeber

Encoder bzw. Drehgeber fungieren als Messwertaufnehmer zur präzisen Drehzahlmessung und Positionserfassung in Fertigungsprozessen, mobilen Arbeitsmaschinen und industrieller Antriebstechnik. Hier wandeln die Winkelmesser rotatorische Bewegung in digitale Signale um. Dabei arbeiten die Drehgeber mit einer verschleißfreien Abtastung, die optoelektronisch oder magnetisch erfolgt. Es gibt Inkrementalencoder und Absolutgeber. In diesem Artikel stellen wir Ihnen die Neuentwicklungen zum Thema vor: 

Inhalt

• Encoder 2024 – Das Wichtigste in Kürze
  • Präzise Drehgeber mit IIoT Funktionalität
  • Winziger Singleturn Multiturn Encoder mit Energierückgewinnung
  • Hochauflösende Profinet-Absolut-Drehgeber
  • Kompakte Encoder für thermisch hochbeanspruchte Antriebe
  • Encoder mit IO-Link für Predictive Maintenance  
  • Drehgeber für die Batterieproduktion
  • Kompakte 36 mm Absolutdrehgeber mit analoger Schnittstelle
  • Energy Harvesting Multiturn Kit-Drehgeber 
  • Industrial Ethernet-Encoder Plattform  
• Archiv für Drehgeber-Neuheiten
• Häufige Fragen

Encoder 2024 – Das Wichtigste in Kürze

Bei den neuesten Entwicklungen und Trends im Bereich Encoder stehen Präzision, Leistung, Effizienz und Netzwerkfähigkeit im Fokus. Es zeigt sich eine deutliche Entwicklung hin zu mehr Digitalisierung und Integration in moderne Technologien für Echtzeit-Anwendungen.

Mit lagerlosen Drehgebern wird der Bauraumreduzierung Rechnung getragen. Über Schnittstellen liefern die Encoder Daten für die vorausschauende Wartung. Dabei gibt es eine klare Tendenz zu Industrial Ethernet-Schnittstellen wie Profinet, Ethernet/IP, Ethercat, Powerlink oder Modbus, die durch die Anforderungen von Industrie 4.0 und dem damit verbundenen größeren Datenvolumen getrieben wird. Auch IO-Link wird zunehmend integriert.

Im Bereich der funktionalen Sicherheit erfüllen die Winkelgeber Safety-Anforderungen, indem sie mit divers redundanten Systemen und integrierten Sicherheitsfunktionen ausgestattet werden. Zudem setzen offene Systeme zunehmend proprietäre Systeme unter Druck. Einkabellösungen setzen sich durch, wofür auch die Drehgeber fit gemacht werden.

Und das sind die Drehgeber bzw. Encoder Neuheiten und Innovationen:

Präzise Drehgeber mit IIoT Funktionalität

11.11.2024 | Mit der neuen Generation der Sendix Drehgeber setzt Kübler einen zukunftsweisenden Standard in der Drehgeber-Technologie. Aufbauend auf der bewährten Zuverlässigkeit und Präzision der bisherigen Produktlinie hat das Unternehmen die Sendix K58 und K80 Modelle mit modernster Sensor- und Elektroniktechnologie ausgestattet, um die Anforderungen der vernetzten Industrieumgebungen (IIoT) zu erfüllen.

Die Modelle K58 und K80 sind in zwei Baugrößen (58 mm und 80 mm) verfügbar und bieten durch einheitliche Gehäusekonzepte maximale Flexibilität – von inkrementalen bis hin zu Single- und Multiturn-Anwendungen. Diese Plattform erlaubt es Konstrukteuren, die Drehgeber in verschiedenen Einbausituationen effizient zu integrieren. Sie schafft mehr Spielraum bei Bauraum und Befestigungsarten. Kübler setzt dabei auf bewährte Qualitätsstandards wie optimierte Materialwahl, Safety-Lock-Technologie und ein durchdachtes EMV-Abschirmkonzept, kombiniert mit einer reduzierten Anzahl an Einzelkomponenten.

Ein Highlight der neuen Drehgeber-Generation ist die innovative metallische Codescheibe, die eine bisher unerreichte Präzision mit Auflösungen bis zu 36.000 Impulsen pro Umdrehung ermöglicht – und dies bei robuster Bauweise im Vergleich zu herkömmlichen Glasscheiben. Zudem sind die Hohlwellenvarianten mit bis zu 25,4 mm (K58) und 42 mm (K80) auf größere Wellen ausgelegt, um den Anforderungen moderner Anwendungen gerecht zu werden.

Programmierbare Versionen erlauben eine individuelle Anpassung der Impulszahl, Zählrichtung, Ausgangssignale und weitere Parameter. Dank digitalem Typenschild und digitalem Zwilling lassen sich die Drehgeber nahtlos in digitale Netzwerke integrieren. Diese Konnektivität ermöglicht eine umfassende Zustandsüberwachung und vorausschauende Wartung.

Winziger Singleturn Multiturn Encoder mit Energierückgewinnung

28.09.2024 | Der Encoder der NM20-Serie von Angst+Pfister Sensors + Power ist ein kompakter, absoluter, magnetischer Drehgeber, der sowohl 18-Bit-Singleturn- als auch 24-Bit-Multiturn-Zähler integriert. Dank seiner innovativen Bauweise vereint eine einzige magnetische Einheit die Erfassung beider Positionen. Das vereinfacht die Systemintegration.

Der kleine Außendurchmesser von nur 20 mm dient gleichzeitig als magnetische Abschirmung. Damit eignet sich der NM20 für platzkritische Anwendungen. Ausgestattet mit Energy Harvesting-Technologie, unterstützt der Drehgeber verschiedene Kommunikationsprotokolle wie SSI, BiSS-C und RS485 bei Übertragungsraten von bis zu 10 Mbit/s.

Zusätzlich ist ein SPI-Protokoll verfügbar, das sich speziell für Anwendungen wie Servomotoren, Antriebe, Roboter und Laborgeräte eignet. Die hohe Störfestigkeit gewährleistet eine zuverlässige Datenübertragung in anspruchsvollen Industrieumgebungen.

Hochauflösende Profinet-Absolut-Drehgeber

19.09.2023 | Die neuen Encoder mit Profinet-Schnittstelle (Bild oben) für Echtzeit-Applikationen von Turck kommen vor allem in der Logistik, Lebensmitteltechnik und Maschinenbau zum Einsatz. Die Drehgeber Baureihen RES (Singleturn) und REM (Multiturn) setzen dabei auf das aktuelle Profinet-Encoder-Profil Version 4.2.

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Kompakte Encoder für thermisch hochbeanspruchte Antriebe

28.11.2022 | Mit den absoluten Encoder Baureihen ECI 1122 und EQI 1134 stellt Heidenhain die nächste Generation der induktiven Abtastung vor. Sie bieten niedrige Drehzahlwelligkeit, geringes Rauschen, benötigen dank Endat 3 Schnittstelle weniger Verkabelung und zeichnen Betriebszustandsdaten auf. Die erhöhte Auflösung der Singleturnposition auf 22 ermöglicht das. Sie führt zudem zu einer signifikanten Verbesserung der Regelperformance im Motor.

Über die Endat 3 Schnittstelle lässt sich die Ein-Kabel-Lösung HMC 2 anschließen. Die neuen Drehgeber erweitern damit die vielen Vorteile, die induktive Encoder für Antriebe in der anspruchsvollen Automatisierung bieten, wie Unempfindlichkeit gegenüber Magnetfeldern, Verschmutzungsresistenz, kompakte Abmessungen, hohe Arbeitstemperaturen und große Montagetoleranzen.

Drehzahlsensor | Überwacht und steuert Antriebe

Bei den kompakten und leichten Antriebsencodern gibt es zusätzlich zu den Drehgebern Typ KCI 1319 bzw. KBI 1335 die neuen Ausführungen KCI 1318 FOT bzw. KBI 1335 FOT. Sie verfügen über eine rein serielle Endat 2.2 Schnittstelle. Mit der Fan-out Technologie (FOT) bringt der Encoder Spezialist die Elektronikbausteine und Leiterbahnen direkt auf einen Metallträger auf, der beispielsweise als Lagerschildabdeckung fungieren kann. Das reduziert die Zahl der Bauteile sowie den benötigten Bauraum. Über den Metallträger lässt sich Wärme direkt nach außen abführen. Der Teilkreis mit Nabe wird auf die Welle aufgepresst.

Encoder mit IO-Link für Predictive Maintenance  

28.10.2022 | Encoder liefern wichtige Informationen für das Condition Monitoring und tragen damit wesentlich zu Predictive Maintenance Konzepten in der Industrie 4.0 Fabrik bei. Siko präsentiert hierfür die neuen absoluten Encoder WV3650M und WH3650M mit IO-Link Schnittstelle.

Die Encoder aus der 2. Generation der 36 mm Baureihe sind besonders kompakt, robust und kommen in einer neuen Architektur daher. Wahlweise als Vollwellen- oder Hohlwellenvariante verfügbar gibt es sie mit einer SSI oder einer IO-Link Schnittstelle. Letztere ist nach dem neuesten Standard in der Version 1.1 gemäß IEC 61131-9 integriert. In Sachen Kommunikation und Diagnose überträgt die Sensorik die für die Anlagenverfügbarkeit relevanten Informationen wie Temperatur, Betriebsstunden und weitere Diagnosedaten zusammen mit den Werten für Position und Geschwindigkeit.

Die Encoder sind schnell in die Steuerung eingebunden und lassen sich auf Basis einer Vielzahl an elektrischen und mechanischen Optionen schnell und einfach in die Anlage integrieren. Singleturn, Multiturn, Stecker oder Kabelabgang, mit Vollwelle oder Hohlwelle können die Drehgeber auf die Bedürfnisse der Anwendung konfiguriert werden.  

Die Multiturnversion Varianten sind getriebe- und batterielos und erfassen über 16 Millionen Umdrehungen und einen Bereich von 24 bit. Mit einer Schutzart bis IP67, einem Temperaturbereich von -40° bis +85 °C und der hohen Schock- und Vibrationsfestigkeit eignen sich die Encoder für den Einsatz in Industrie-Anwendungen und in der Fabrikautomation. Kombiniert mit Seilzuggebern erfasst die Komponente lineare Entfernungen bis 15 m absolut und präzise.

Drehgeber für die Batterieproduktion

07.06.2022 | Beschichtete Folien sind das wichtigste Ausgangsmaterial der Lithium Ionen Batterie. Auf großen Rollen angeliefert werden sie in der Batteriefertigung von diesen abgewickelt. Die Abzugsgeschwindigkeit der Rollen messen hochpräzise Drehgeber von Pepperl+Fuchs. 

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Kompakte 36 mm Absolutdrehgeber mit analoger Schnittstelle

15.02.2022 | In der Fabrikautomation, Prozesstechnik oder Medizintechnik werden die Maschinen immer komplexer. Das wirkt sich auch auf die eingesetzte Sensorik aus. Die neuen Absolutdrehgeber AV3650M und AH3650M von Siko werden diesen Anforderungen gerecht. In einem sehr kompakten und widerstandfähigen Gehäuse messen sie präzise und zuverlässig Positionen. Die Encoder sind aber auch robust gegenüber Stör- und Umwelteinflüssen. Die Ermittlung der absoluten Positionswerte erfolgt über die integrierten analogen Schnittstellen. Die Vielzahl an Varianten umfasst 0...10 V, 0…5 V sowie 4…20 mA.

Die beiden Sensoren mit magnetischem Messprinzip haben ein auf der Energy Harvesting Technology basierendes Multiturnsystem. Dadurch ist eine Messung der Umdrehungen ohne mechanisches Getriebe oder Batterie möglich. Die Sensoren sind zudem besonders verschleiß- und wartungsfrei. Mit ihrer kleinen Bauart im Außendurchmesser 36 Millimeter erfasst der magnetische Encoder mehr als 65.000 Umdrehungen absolut und präzise. Über die integrierte Teach-In-Funktion können Anwender die analoge Strom- oder Spannungsschnittstelle einfach an den benötigten Messbereich anpassen.

Die IP67 Sensoren sind so robust und widerstandsfähig, das sie Schmutz, Vibrationen und Feuchtigkeit unter Temperaturen von -40° bis +85 °C standhalten. Somit liefern die Encoder auch in anspruchsvollen Industrieanwendungen zuverlässige Positionswerte. Die Varianten AV3650M und AH3650M sind sehr fexibel bei der Montage an den Maschinenkörper. Den AH3650M gibt es mit verschiedenen Hohl-Wellen Durchmessern von 6 bis 10 Millimeter. Bei dem AV3650M stehen verschiedenen Voll-Wellen Ausführungen zur Verfügung. Beide Sensoren gibt es mit den gängigen Montagearten. Dadurch lassen sie sich einfach in das Gesamtsystem integrieren.

Energy Harvesting Multiturn Kit-Drehgeber 

11.01.2022 | Der Energy Harvesting Multiturn Kit-Encoder NYS35K von Megatron arbeitet auch im spannungsfreien Zustand extrem präzise. Auf Basis von Energy Harvesting bietet er hervorragende Präzisions- und True-Power-On-Multiturn Eigenschaften. Diese waren bisher nur High-End Applikationen vorbehalten. Als Multiturn-Kit-Absolut-Encoder oder Singleturn-Drehgeber erfasst der NYS35K Winkel größer 360° auch im spannungsfreien Zustand mit höchster Genauigkeit (16 Bit Multiturn/20 Bit Singleturn).

Das Produktdesign des NYS35K ist auf das Wesentliche reduziert und umfasst hochwertige Sensor-Elemente mit Elektronik und Elektronikträger. Auf ein Gehäuse und ein Wellenlager haben die Entwickler zugunsten einer kompakten Bauweise verzichtet. Mit Durchmesser 35 mm und Tiefe von nur 20,4 mm passt der Sensor selbst in kleinste Bauräume. Der Encoder eignet sich den Einsatz in Robotik, Stellantrieben für Oberlichter, Toren, Rührwerken oder Abfüllanlagen und Motorfeedback.

In der Singleturn Ausführung beträgt die Auflösung 20 Bit, in der True-Power-On-Multiturn-Kit-Encoder Variante ist sie 16 Bit. Aufgrund dieser Parameter misst die Multiturnausführung Absolutwerte mit einer Präzision von 1.048.576 Schritten pro Umdrehung der Welle und Winkel bis 65.536 Umdrehungen. Das gestattet eine absolute Winkelmessung von mehr als 23 Millionen Grad.

Spezielle Messwerterfassung und Signalverarbeitung

Die Messwerterfassung, Signalbildung und -verarbeitung sind besonders hinsichtlich Kodierung interessant: Der Encoder misst grundsätzlich Winkeländerungen mithilfe eines optischen Kodierrades. In der Multiturn-Variante wurde im Zentrum vom Kodierer ein Magnet verbaut. Dieser regt einen Energiedraht auf dem darüber liegenden PCB (Printed Circuit Board) an. Sogar im Falle eines spannungsfreien Zustands stellt der Draht ausreichend Energie bei Betätigung der Welle bereit, um die Information über die Anzahl der Umdrehungen in einem Eerom zu speichern. Auch in solchen Situationen steht so nach Wiederanliegen der Versorgungsspannung diese Info am Signalausgang zur Verfügung. Die True-Power-On-Funktion arbeitet batterie- und getriebelos auf Basis der patentierten Energy-Harvesting Technolgie nach Wiegand.

Ethernet Switch | Der Datenlenker im Netzwerk

Für den Einsatz in skalierten vollautomatisierten Produktionsanlagen gibt es den Sensor optional mit einer Kalibriereinheit. Diese eliminiert eventuelle Montagetoleranzen elektronisch durch Kalibrierung (Phase Calibration Kit). Da der NYS35K kein Gehäuse hat, könnte es je nach Applikation erforderlich sein, einen zylinderförmigen Hohlkörper über dem Drehgeber zu platzieren, der als magnetische Abschirmung bzw. als IP-Schutz dient.

Industrial Ethernet Encoder-Plattform  

29.09.2021 | Kübler präsentiert mit dem Sendix Profisafe-Encoder seinen ersten sicheren Industrial Ethernet Drehgeber, nachdem das Unternehmen vor zwei Jahren bereits einen Profinet Drehgeber vorgestellt hat. Der neue Sendix S58 Profissafe ist SIL3/PLe zertifiziert.

Die Industrial Ethernet-Encoder basieren auf der neuen Industrial Ethernet-Drehgeber Plattform, die Kübler sukzessive mit weiteren Protokollen und den damit verbunden Features ausbauen wird. Daraus entstehen optische Encoder als Singleturn und Multiturn Version in kompakter Bauform in Baugröße 58 mm. Die Multiturn Drehgeber Bauformen gibt es mit Multiturn Getriebe oder optisch mit der patentierten Intelligent Scan Technologie getriebelos. Aufgrund ihres neues Designs ohne klassische Feldbushaube eignen sich die neuen Encoder auch für engste Einbauräume.

Kübler hat bei der Entwicklung der neuen Plattform besonders Wert darauf gelegt, dass diese zukunfstfähig ist. Das schließt auch die Umsetzung besonderer Kundenwünsche mit ein. Firmware und auch hardwareseitig können Telegramme, speziellen Default Konfigurationen, Zulassungen (Ex 2/22), Oberflächenschutz für extreme Anforderungen, optionale Features wie Shared Device, Shared Inputs, I&M Records 1-4, CiR, FSU u.v.m realisiert werden.

Weitere Funktionen können über Updates hinzugefügt werden. Das erfolgt problemlos über den integrierten Webserver im Encoder. Aktuelle Protokollstacks bringen deutlich mehr Features mit sich. Auch sind die Plug-and-play Industrial Ethernet Encoder kompatibel zu bestehenden Ethernet Encodern des Herstellers. Die Ethernet Drehgeber werden eine eigene Verwaltungsschale erhalten, sodass der Anwender über die Cloud auf die erfassten Daten zur Realisierung von Condition Monitoring und Predictive Maintenace zugreifen kann.

Plattform für alle Ethernet Schnittstellen

Mit der Entwicklung der Industrial Ethernet Plattform bietet Kübler sukzessive alle gängigen Industrial Ethernet Protokolle an. Begonnen mit klassischen Industrial Ethernet Protokollen wie Profinet kommen Profidrive oder Profienergy, Ethercat und Ethernet/IP hinzu. Der integrierte Webserver und Cyber Security sind ebenfalls Teil der neuen Plattform. Ethernet Protokolle für funktionale Sicherheit wie Profisafe, FSoE oder CIP-Safety sind in Planung.

Positionssensoren für Spezialeffekte im großen Blockbuster Kino

Künftig werden OPC UA und MQTT die Vorteile der Industrial Ethernet Plattform im Sinne eines konvergenten Netzwerks bieten. Kübler möchte als langfrisitges Ziel alle gängigen Industrial Ethernet Schnittstellen auf der gemeinsamen Plattform bedienen, bei der sich die Encoder von Mechanik, Gehäuse und Elektronik nicht unterscheiden. 

Features des Profisafe Encoders

Der Sendix S58 Profisafe Drehgeber überträgt als sicherer Singleturn Encoder bis zu 16 Bit safe bzw. bis zu 24 Bit non-safe und eine voll redundante Multiturn Information von 12 Bit safe. Wie der Profinet Encoder im 58 mm Gehäuse ist der Sendix S58 Profisafe mit den aktuellsten Profilen (Profinet v2.35 / Profisafe Profil v2.6, Profidrive Profil v4.2, Encoder Profil v4.2,) ausgestattet. Er entspricht dabei der Encoder Class 4 / S2. Die erfassten Mess- und Diagnosedaten stellt der Encoder über Safety Telegramme 36/37 bereit. Dank der robusten Eigenlagerung im Safety-Lock Design und Schutzart IP67 eignen sich die neuen Profisafe Drehgeber beinahe für jede Anwendung.

Insbesondere bei sicherheitsrelevanten Anwendungen, in denen künftig die Sendix S58 Profisafe Encoder zur Kommunikation mit der Cloud eingesetzt werden, sind diese mit dem Feature Cyber Security nach IEC 62443 ausgestattet. Damit wird die Anlage vor einem Gesamtausfall durch die Bedrohung von Hacker-Angriffen maximal geschützt.

Häufige Fragen

Was macht der Encoder?

Ein Encoder, auch Drehgeber, ist ein Gerät, das mechanische Bewegungen in elektronische Signale umwandelt. Er wird häufig in Motion-Control-Systemen eingesetzt, wo er Position, Geschwindigkeit oder Richtung einer Drehbewegung präzise erfasst und zu überwacht. Diese Informationen werden zur präzisen Steuerung und Regelung von mechanischen Systemen in vielen Anwendungen benötigt, darunter Robotik, Fertigungsautomation oder Fahrzeugsteuerung.

Welche Encoder gibt es?

Es gibt hauptsächlich zwei Arten von Encodern: Inkrementalgeber und Absolutwertgeber.

1. Inkrementalgeber generieren eine Reihe von Impulsen, die eine Bewegung in Bezug auf eine Startposition darstellen. Sie werden benötigt, um Bewegung, Geschwindigkeit und Richtung zu messen. Allerdings benötigen Inkrementale Drehgeber nach jedem Stromausfall eine Referenzfahrt, weil sie keine absolute Position speichern.
2. Absolutwertgeber liefern für jede Position einen eindeutigen Code, sodass die genaue Position auch nach einem Stromausfall oder beim Einschalten sofort bekannt ist. Sie sind in Single-Turn- und Multi-Turn-Varianten erhältlich, wobei Single-Turn-Encoder die Position innerhalb einer einzelnen Umdrehung und Multi-Turn-Encoder die Anzahl aller durchgeführten Umdrehungen erfassen.​

Wie funktioniert ein Inkrementaldrehgeber?

Ein Inkrementaldrehgeber bzw. Inkrementalgeber oder Inkrementalgeber funktioniert, indem er mechanische Bewegungen in eine Serie von elektrischen Impulsen umwandelt. Diese Impulse entsprechen Inkrementen der Bewegung. Der Drehgeber besteht aus einer Scheibe mit Markierungen, die entweder optisch oder magnetisch gelesen werden können. Bei jeder Bewegung der Scheibe generieren Sensoren Impulse, die die Bewegung in digitale Signale umsetzen. Diese Signale werden dann von einem Steuerungssystem ausgewertet, um Informationen über Position, Geschwindigkeit und Richtung der Bewegung zu erhalten. Da Inkrementalgeber nur relative Bewegungen messen, ist eine Referenzfahrt nach jedem Einschalten oder Stromausfall notwendig, um die absolute Position zu bestimmen.

Wie funktioniert ein Absolutwertgeber?

Ein Absolutwertgeber, auch bekannt als Absolutgeber oder Absolutencoder, ermittelt und liefert eine eindeutige Positionsinformation für jede Winkelstellung. Im Gegensatz zum Inkrementalgeber, der nur relative Änderungen misst, speichert der Absolutwertgeber für jede Position einen spezifischen Code. Dies bedeutet, dass er auch nach einem Stromausfall oder Neustart die genaue Position ohne Referenzfahrt sofort kennt. In der Praxis funktioniert ein Absolutwertgeber durch eine codierte Scheibe, die für jede Winkelposition einen einzigartigen digitalen Code hat. Sensoren im Gerät lesen diesen Code und übermitteln die Information über die Position als digitales Signal. Diese Codierung kann optisch oder magnetisch sein und ermöglicht eine präzise und unmittelbare Positionsbestimmung unabhängig von vorherigen Bewegungen oder Stromunterbrechungen.

Quellenangabe: Dieser Beitrag basiert auf Informationen folgender Unternehmen: Angst+Pfister, Heidenhain, Kübler, Megatron, Pepperl+Fuchs, Siko, Turck.