Modulare Sicherheit

Sensorik

Winkelmessgeräte – Mit seinen absoluten Winkelmessgeräten ECA 4000 in Functional-Safety-Ausführung ermöglicht Heidenhain auch den Einsatz in sicherheitsgerichteten Anwendungen.

07. März 2017

Sensorik und Messtechnik wandern immer mehr auch in Richtung Sicherheit. Diesen Trend berücksichtigen die neuen Winkelmessgeräte der Serie ECA 4000 von Heidenhain mit integrierter Functional Safety. Mit Trommel-Innendurchmessern von 70 bis 512 Millimetern decken sie ein breites Anwendungsspektrum ab.

Als eines der wichtigsten Anwendungsgebiete bezeichnet der Hersteller den Einsatz in der Werkzeugmaschine – vor allem bei Ausführungen mit Torquemotor, denn dort werden die Rotationsachsen üblicherweise mit nur einem Messgerät betrieben. Das macht häufig Ein-Geber-Systeme mit einer Einstufung für sicherheitsgerichtete Anwendungen nach SIL 2 oder PLd erforderlich und in Kombination mit einer sicheren Steuerung ist der ECA 4000 dafür bestens geeignet.

Um in Werkzeugmaschinen zu bestehen, sind Eigenschaften wie Robustheit und Zuverlässigkeit essentiell für das eingesetzte Messgerät. Deshalb hat Heidenhain ein besonders verschmutzungstolerantes Abtastprinzip in den ECA 4000 integriert. Alle elektronischen und optischen Komponenten sind kompakt in einem Gehäuse der Schutzart IP67 untergebracht. Außerdem sind auch alle außenliegenden optischen Flächen sehr verschmutzungsunempfindlich ausgelegt.

Das Schutzglas im Abtastkopf ist einfach zu reinigen und bietet, ebenso wie die widerstandsfähige und nahezu planare Metallur-Teilung auf der Teilungstrommel, praktisch keine Angriffsflächen für Staub, Schmutz oder Feuchtigkeit. Der ECA 4000 ist daher vor allem für Rundtische und Schwenkköpfe wie beim Fräsen ausgelegt oder für hochgenaue, schnelllaufende Rundachsen beim Schleifen und bei der Zahnradbearbeitung.

Aber auch für die Metrologie oder die Elektronikindustrie sind die absoluten Winkelmessgeräte geeignet. Denn Direktantriebe profitieren von der Signalgüte mit deutlich gesteigerter Performance und die modularen Winkelmessgeräte erfassen Winkel im Bereich von wenigen Winkelsekunden bei hohen Drehzahlen. Darüber hinaus sind sie laut Hersteller robust und bieten eine hohe Auflösung sowie ausgezeichnete Signalgüte.

Sicherheitsgerichtete Anwendungen lassen sich mit dem ECA 4000 dank Endat-Schnittstelle und mechanisch sicherer Verbindung einfach realisieren. Vor allem den Nachweis einer sicheren mechanischen Verbindung erleichtert Heidenhain mit der Functional-Safety-Ausführung des ECA 4000 erheblich.

Der Grund dafür ist schnell zu finden, denn der mechanische Fehlerausschluss ist im Rahmen einer Baumusterprüfung für einen breiten Einsatzbereich bestätigt und damit unter allen spezifizierten Betriebsbedingungen gewährleistet. So sind beispielsweise Werkstoff- und Oberflächeneigenschaften von Welle und Flanschbauteilen, Schraubenlängen, Schraubensicherungen oder Anzugsmomente definiert. Das entlastet den Maschinenhersteller deutlich.

Zentrierung über Presssitz

Die Teilungstrommel vom Typ ECA 4400 in der Functional-Safety-Ausführung wird über einen Presssitz auf der Kundenwelle auszentriert und befestigt. Wenn er für das Sicherheitskonzept keinen mechanischen Fehlerausschluss benötigt, kann der Anwender auf den Presssitz verzichten.

In solchen Fällen kommt auch die hochgenaue Teilungstrommel ECA 4402 mit Dreipunktzentrierung häufig zum Einsatz. Dabei ermöglicht ein Anbauassistent in Verbindung mit dem Prüfgerät PWM 20 von Heidenhain die einfache und sichere Inbetriebnahme, zum Beispiel durch die Überprüfung der korrekten Durchmesserkombination von Abtastkopf und Teilungstrommel.

Außerdem gehörten Referenzfahrten mit dem ECA 4000 der Vergangenheit an. Denn die modularen Winkelmessgeräte verfügen über eine Teilungstrommel aus Stahl mit zweifacher Axialteilung: Auf dem Umfang der Teilungstrommel sitzen eine hochgenaue Inkrementalteilung und eine absolute Teilung direkt nebeneinander. Die Absolutinformation ist mit hoher Redundanz ausgeführt, um fehlerhafte Bits zu erkennen und zu korrigieren. Die Inkrementalinformation wird nach dem Prinzip der Einfeldabtastung ausgewertet. Ein spezieller ASIC verrechnet die Daten in Echtzeit. Das Ergebnis ist eine hochaufgelöste, absolute Positionsinformation sofort nach dem Einschalten.

Hohe Auflösung garantiert

In der Elektronikindustrie liegt das Augenmerk ganz besonders auf der erzielbaren Auflösung und den kurzperiodischen Abweichungen. Hier erzielt der ECA 4000 bei der Einfeldabtastung und speziellen optischen Filterungen hohe Werte. So erreichen die absoluten Winkelmessgeräte geringe Positionsabweichungen innerhalb einer Signalperiode von ± 0,2 bis ± 0,04 Winkelsekunden.

Gerade in Metrologie-Anwendungen, beispielsweise bei der Vermessung von Zahnrädern, erwarten die Anwender, dass ein Messgerät die definierten Genauigkeitswerte in der Applikation auch tatsächlich erreicht.

Deshalb hat Heidenhain die Teilungstrommel ECA 4402 mit Dreipunktzentrierung so gestaltet, dass die Genauigkeit der Teilung von ± 3 bis ± 1,5 Winkelsekunden auch durch den Montageprozess nicht beeinflusst wird. Die Dreipunktzentrierung bezeichnet das Unternehmen als zuverlässige Methode, um Restexzentrizitäten und daraus resultierende Winkelabweichungen zu minimieren.

Eine einfache Montage sollen großzügige Anbau- und Betriebstoleranzen erleichtern. Die bei manchen Winkelmessgeräten notwendige Feinjustage entfällt, wie das oft notwendige Einstellen des Gier- beziehungsweise Moirewinkels.

Ein im Messgerät integrierter Sensor erkennt und kompensiert die Abweichung permanent. Dank der großen zulässigen axialen Betriebstoleranz ist eine relative Verschiebung zwischen Teilungstrommel und Abtastkopf von ± 0,4 Millimetern um die Mittenlage problemlos möglich.

Schnell in Betrieb

Der Anschluss der Winkelmessgeräte über die bidirektionale Schnittstelle EnDat 2.2 bietet zahlreiche Vorteile wie zum Beispiel die automatische Inbetriebnahme. Dabei überträgt das Messgerät ohne zusätzliche Signalleitungen alle hinterlegten, messgerätespezifischen Informationen wie Auflösung, Daten über die Schnittstelle und Identnummer an die Folge-Elektronik.

Während des Betriebs ermöglicht die EnDat-Schnittstelle eine weitgehende Überwachung und Diagnose des Messgeräts. Dazu können sogenannte Bewertungszahlen zyklisch aus dem Messgerät ausgelesen werden, die den aktuellen Zustand des Messgeräts wiedergeben und die Funktionsreserve bestimmen.

So lässt sich eine vorbeugende Wartung planen und der Anwender kann unnötige Wartungszyklen vermeiden. Das erhöht die Verfügbarkeit der Maschine. Neben der EnDat-Schnittstelle unterstützt das ECA 4000 auch die Schnittstellen von Fanuc, Mitsubishi und Panasonic. Über die externe Interface-Box EIB 2391S können die ECA-4000-Geräte auch in sicherheitsgerichteten Anwendungen mit Drive-CLiQ-Schnittstelle von Siemens eingesetzt werden. mk

Erschienen in Ausgabe: 02/2017