Messgeräte für elektrische Antriebe

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1 Messgeräte für elektrische Antriebe November 2014

2 November 2013 August 2013 September 2011 für gesteuerte Werkzeugmaschinen August 2012 Produktübersicht Oktober 2007 Produktübersicht Januar 2009 September 2012 März 2012 Die in diesem Katalog aufgeführten Messgeräte stellen keine Übersicht des HEIDENHAIN-Lieferprogramms dar. Vielmehr bietet der Katalog eine Auswahl der Messgeräte für den Einsatz an elektrischen Antrieben. Drehgeber Prospekt Drehgeber Drehgeber für die Aufzugsindustrie Produktübersicht Drehgeber für die Aufzugsindustrie In den Auswahltabellen finden Sie eine Übersicht aller HEIDENHAIN-Messgeräte für den Einsatz an elektrischen Antrieben mit den dafür wichtigen technischen Kennwerten. Die Beschreibungen der technischen Eigenschaften enthalten grundlegende Informationen über den Einsatz von Drehgebern, Winkel- und Längenmessgeräten an elektrischen Antrieben. Winkelmessgeräte mit Eigenlagerung Prospekt Winkelmessgeräte mit Eigenlagerung Drehgeber für explosionsgefährdete Bereiche (ATEX) Produktübersicht Drehgeber für explosionsgefährdete Bereiche Die Anbauhinweise und die detaillierten technischen Kennwerte beziehen sich auf die speziell für die Antriebstechnik entwickelten Drehgeber. Weitere Drehgeber finden Sie im entsprechenden Produktkatalog. Für die ebenfalls in den Auswahltabellen aufgeführten Längen- und Winkelmessgeräte finden Sie die Detailbeschreibungen, wie Anbauhinweise, technische Kennwerte und Abmessungen, in den jeweiligen Produktkatalogen. Winkelmessgeräte ohne Eigenlagerung Prospekt Winkelmessgeräte ohne Eigenlagerung Magnetische Einbau-Messgeräte Prospekt Magnetische Einbau- Messgeräte Prospekt Längenmessgeräte für gesteuerte Werkzeugmaschinen Prospekt Offene Längenmessgeräte Längenmessgeräte Offene Längenmessgeräte Ausführliche Beschreibungen zu allen verfügbaren Schnittstellen sowie allgemeine elektrische Hinweise finden Sie im Katalog Schnittstellen von HEIDENHAIN- Messgeräten, ID xx. Mit Erscheinen dieses Katalogs verlieren alle vorherigen Ausgaben ihre Gültigkeit. Für die Bestellung bei HEIDENHAIN maßgebend ist immer die zum Vertragsabschluss aktuelle Fassung des Katalogs. Normen (EN, ISO, etc.) gelten nur, wenn sie ausdrücklich im Katalog aufgeführt sind.

3 Inhalt Übersicht Erläuterungen zu den Auswahltabellen 6 Drehgeber zum Einbau in Motoren 8 Drehgeber zum Anbau an Motoren 10 Winkelmessgeräte und Einbau-Messgeräte für Einbau- und Hohlwellen-Motoren 14 Längenmessgeräte für Linearantriebe 16 Technische Eigenschaften und Anbauhinweise Drehgeber und Winkelmessgeräte für Drehstrom- und Gleichstrommotoren 20 Längenmessgeräte für Linearantriebe 22 Sicherheitsbezogene Positionsmesssysteme 24 Messprinzipien 26 Messgenauigkeit 29 Mechanische Geräteausführungen, Anbau und Zubehör 32 Allgemeine mechanische Hinweise 41 Technische Kennwerte Drehgeber mit Eigenlagerung Baureihe ECN/EQN ERN ERN Baureihe ECN/EQN Baureihe ECN/EQN Baureihe ERN Baureihe EQN/ERN Baureihe ERN Drehgeber ohne Eigenlagerung Baureihe ECI/EQI Baureihe ECI/EBI Baureihe ECI/EQI 1300 EnDat01 66 Baureihe ECI/EQI 1300 EnDat22 68 Baureihe ECI/EBI Baureihe ERO Baureihe ERO Elektrischer Anschluss Schnittstellen 76 Steckverbinder und Kabel 87 Diagnose und Prüfmittel 92 Interface-Elektroniken 94

4 Messgeräte für elektrische Antriebe Regeleinrichtungen für elektrische Antriebe benötigen Messgeräte, die für den Lageund Drehzahlregler, sowie zur elektronischen Kommutierung, Messgrößen zur Verfügung stellen. Die Eigenschaften des Messgeräts haben maßgeblichen Einfluss auf wichtige Eigenschaften des Antriebs wie: Positioniergenauigkeit Gleichlaufverhalten Bandbreite und damit Führungs- und Störverhalten des Antriebs Verlustleistung Baugröße Geräuschentwicklung Sicherheit Digitale Lage- und Drehzahlregelung Drehgeber ( Positions-Istwert, Drehzahl-Istwert, Kommutierungs-Signal) ϕ i i i Drehzahlberechnung ϕ s Lage regler n s n i Drehzahlregler Entkopplung is Strom regler Umrichter HEIDENHAIN bietet sowohl für rotatorische Motoren als auch für Linearmotoren in unterschiedlichen Anwendungen jeweils eine angepasste Lösung: inkrementale Drehgeber mit und ohne Kommutierungsspuren und absolute Drehgeber inkrementale und absolute Winkelmessgeräte inkrementale und absolute Längenmessgeräte inkrementale Einbau-Messgeräte Drehgeber 4

5 Alle in diesem Katalog aufgeführten HEIDENHAIN-Messgeräte zeichnen sich dadurch aus, dass der Aufwand des Antriebsherstellers für die Montage und Verdrahtung minimiert ist. Die Baulänge bei rotatorischen Motoren lässt sich kurz halten. Selbst auf Sicherheitseinrichtungen wie z. B. Endschalter kann durch den speziellen Aufbau einiger Messgeräte verzichtet werden. Übersicht Motor für digitale Antriebssysteme (digitale Lage- und Drehzahlregelung) Drehgeber Winkelmessgeräte Längenmessgeräte 5

6 Erläuterungen zu den Auswahltabellen Die für die jeweiligen Motor-Bauformen geeigneten Messgeräte sind in den folgenden Auswahltabellen aufgeführt. Innerhalb der einzelnen Tabellen stehen Messgeräte mit unterschiedlichen Abmessungen und Ausgangssignalen für die verschiedenen Motorarten (Gleichstrom- oder Drehstrom-Motoren) zur Auswahl. Drehgeber zum Anbau an Motoren Drehgeber für Motoren mit Fremdbelüftung werden entweder an das Motorgehäuse an- oder in das Motorgehäuse eingebaut. So sind diese Drehgeber häufig dem verunreinigten Kühlluftstrom des Motors ausgesetzt und müssen daher eine hohe Schutzart von IP 64 oder mehr aufweisen. Die zulässige Arbeitstemperatur erreicht selten mehr als 100 C. In der Auswahltabelle finden Sie Drehgeber mit angebauter Statorkupplung hoher Eigenfrequenz die Bandbreite des Antriebs wird praktisch nicht begrenzt Drehgeber für separate Wellenkupplungen, die sich besonders für den elektrisch isolierten Anbau eignen inkrementale Drehgeber mit sinusförmigen Ausgangssignalen hoher Signalgüte für digitale Drehzahlregelung absolute Drehgeber mit rein digitaler Datenübertragung oder zusätzlichen sinusförmigen Inkrementalsignalen inkrementale Drehgeber mit TTL- oder HTL-kompatiblen Ausgangssignalen Hinweise auf Drehgeber, die unter der Bezeichnung Functional Safety als sicherheitsgerichtete Positionsmesssysteme lieferbar sind. Auswahltabelle siehe Seite 10 Drehgeber zum Einbau in Motoren Bei Motoren ohne Fremdbelüftung ist der Drehgeber in das Motorgehäuse eingebaut. An die Schutzart des Drehgebers werden daher keine hohen Anforderungen gestellt. Allerdings treten innerhalb des Motorgehäuses hohe Arbeitstemperaturen von 100 C und mehr auf. In der Auswahltabelle finden Sie inkrementale Drehgeber für Arbeitstemperaturen bis 120 C, absolute Drehgeber für Arbeitstemperaturen bis 115 C Drehgeber mit angebauter Statorkupplung hoher Eigenfrequenz die Bandbreite des Antriebs wird praktisch nicht begrenzt inkrementale Drehgeber für digitale Drehzahlregelung mit sinusförmigen Ausgangssignalen hoher Signalgüte auch bei hohen Arbeitstemperaturen absolute Drehgeber mit rein digitaler Datenübertragung oder zusätzlichen sinusförmigen Inkremental signalen inkrementale Drehgeber mit zusätzlichem Kommutierungssignal für Synchron-Motoren inkrementale Drehgeber mit TTL-kompatiblen Ausgangssignalen Hinweise auf Drehgeber, die unter der Bezeichnung Functional Safety als sicherheitsgerichtete Positionsmesssysteme lieferbar sind. Auswahltabelle siehe Seite 8 6

7 Drehgeber, Einbau-Messgeräte und Winkelmessgeräte für Einbau-Motoren und Hohlwellen-Motoren Drehgeber und Winkelmessgeräte für diese Motoren verfügen über durchgehende Hohlwellen, um z.b. Versorgungsleitungen durch die Hohlwelle des Motors und damit auch durch das Messgerät führen zu können. Die Messgeräte weisen je nach Einsatzbedingungen eine hohe Schutzart bis IP 66 auf oder müssen wie z.b. Einbau-Messgeräte mit optischem Abtastprinzip durch die Maschinenkonstruktion vor Verschmutzung geschützt werden. In der Auswahltabelle finden Sie Winkel- und Einbau-Messgeräte mit der Maßverkörperung auf Stahltrommeln für Drehzahlen bis min 1 eigengelagerte Messgeräte mit Statorkupplung oder Einbau- Versionen Messgeräte mit absoluten und/oder inkrementalen Ausgangs signalen hoher Signalgüte Messgeräte mit gutem Beschleunigungsverhalten für hohe Bandbreiten im Regelkreis Auswahltabelle siehe Seite 14 Längenmessgeräte für Linearmotoren Längenmessgeräte an Linearmotoren liefern den Istwert sowohl für den Lageregler als auch den Geschwindigkeitsregler. Sie haben maßgeblichen Einfluss auf die Regelungseigenschaften des Linearantriebs. Die für diesen Einsatz empfohlenen Längenmessgeräte haben geringe Positionsabweichungen bei Beschleunigung in Messrichtung sind unempfindlich gegenüber Beschleunigung bzw. Vibration in Querrichtung sind für hohe Geschwindigkeiten ausgelegt liefern absolute Positionsinformationen bei rein digitaler Datenübertragung oder sinusförmige Inkrementalsignale hoher Signalgüte Offene Längenmessgeräte zeichnen sich aus durch höhere Genauigkeiten höhere Verfahrgeschwindigkeiten berührungslose Abtastung, d.h. keine Reibung zwischen Abtastkopf und Maßstab Offene Längenmessgeräte eignen sich für saubere Umgebungsbedingungen wie z.b. an Messmaschinen oder Produktionseinrichtungen der Halbleiterindustrie. Auswahltabelle siehe Seite 16 Gekapselte Längenmessgeräte zeichnen sich aus durch hohe Schutzart einfache Montage Gekapselte Längenmessgeräte eignen sich daher für Anwendungen in verschmutzter Umgebung wie z.b. an Werkzeugmaschinen. Auswahltabelle siehe Seite 18 7

8 Auswahlhilfe Drehgeber zum Einbau in Motoren Schutzart: bis IP 40 (EN ) Baureihe Hauptabmessungen Mechanisch zulässige Drehzahl Eigenfrequenz der Stator- Ankopplung Maximale Arbeitstemperatur Spannungsversorgung Drehgeber mit Eigenlagerung und angebauter Statorkupplung ECN/EQN/ ERN min Hz 115 C DC 3,6 V bis 14 V min Hz 90 C ECN/EQN/ ERN min 1 / 1800 Hz 115 C DC 3,6 V bis 14 V min 1 (nicht bei ERN) min C ERN 1381/4096: 80 C DC 5 V ± 0,5 V DC 5 V ± 0,25 V DC 5 V ± 0,5 V DC 5 V ± 0,25 V Drehgeber ohne Eigenlagerung ECI/EQI min 1 / min C DC 3,6 V bis 14 V ECI/EBI 1100 ECI/EQI min 1 / min C DC 4,75 V bis 10 V DC 3,6 V bis 14 V ECI min C DC 3,6 V bis 14 V EBI 100 ERO min C DC 5 V ± 0,5 V ERO min 1 70 C DC 5 V ± 0,5 V DC 5 V ± 0,25 V DC 5 V ± 0,5 V 1) 8 Functional Safety auf Anfrage 2) nach interner 5/10/20/25fach Interpolation

9 Signalperioden pro Umdrehung Positionen pro Umdrehung Unterscheidbare Umdrehungen Schnittstelle Typ Weitere Informationen (13 bit) /4 096 EnDat 2.2 / 01 mit» 1 V SS ECN 1113/EQN 1125 Seite (23 bit) EnDat 2.2 / 22 ECN ) /EQN ) 500 bis Blockkommutierungssignale «TTL ERN 1123 Seite / (13 bit) /4096 EnDat 2.2 / 01 mit» 1 V SS ECN 1313/EQN 1325 Seite (25 bit) EnDat 2.2 / 22 ECN ) /EQN ) 1024/2048/4096 «TTL ERN 1321 Seite 56 3 Blockkommutierungssignale ERN /2048/4096» 1 V SS ERN Z1-Spur für Sinuskommutierung ERN (19 bit) /4 096 EnDat 2.2 / 22 ECI ) /EQI ) Seite 62 / ) ECI 1118/EBI 1135 Seite (19 bit) /4 096 EnDat 2.2 / 01 mit» 1 V SS ECI ) /EQI ) Seite 66 EnDat 2.2 / 22 Seite (19 bit) EnDat 2.1 / 01 mit» 1 V SS ECI 119 Seite 70 EnDat 2.2 / ) EnDat 2.2 / 22 EBI /2048 «TTL ERO 1225 Seite 72» 1 V SS ERO /1 000/1 024 «TTL ERO 1420 Seite bis ) «TTL ERO /1 000/1 024» 1 V SS ERO ) Multiturn-Funktion über batteriegepufferten Umdrehungszähler 9

10 Drehgeber zum Anbau an Motoren Schutzart: bis IP 64 (EN ) Baureihe Hauptabmessungen Mechanisch zulässige Drehzahl Eigenfrequenz der Stator- Ankopplung Maximale Arbeitstemperatur Spannungsversorgung Drehgeber mit Eigenlagerung und angebauter Statorkupplung ECN/ERN 100 D 30 mm: 6000 min 1 D > 30 mm: min Hz 100 C DC 3,6 V bis 14 V DC 5 V ± 0,5 V ECN/EQN/ERN 400 Statorkupplung min 1 universelle Statorkupplung mit 2 Wellenklemmungen (nur bei durchgehender Hohlwelle): min 1 ECN/EQN/ERN 400 Spreizringkupplung min 1 / min 1 Planflächenkupplung (nicht bei ERN) min 1 Statorkupplung: Hz universelle Statorkupplung: Hz Spreizringkupplung: Hz Planflächenkupplung: 400 Hz 85 C DC 10 V bis 30 V 100 C DC 3,6 V bis 14 V DC 5 V ± 0,5 V DC 10 V bis 30 V 70 C 100 C DC 5 V ± 0,5 V 100 C DC 3,6 V bis 14 V DC 5 V ± 0,5 V DC 5 V ± 0,25 V ECN/EQN/ERN min Hz 100 C DC 3,6 V bis 14 V DC 5 V ± 0,5 V ERN C DC 10 V bis 30 V min Hz 90 C 1) Functional Safety auf Anfrage 2) nach interner 5/10/20/25fach Interpolation 3) bei Variante mit Statorkupplung auch mit TTL- oder HTL-Signalübertragung verfügbar DC 5 V ± 0,25 V 100 C DC 5 V ± 0,5 V 10

11 Signalperioden pro Umdrehung Positionen pro Umdrehung Unterscheidbare Umdrehungen Schnittstelle Typ Weitere Informationen (13 bit) EnDat 2.2 / 01 mit» 1 V SS ECN 113 Katalog Drehgeber (25 bit) EnDat 2.2 / 22 ECN bis «TTL/» 1 V SS ERN 120/ERN 180 «HTL ERN / (13 bit) /4 096 EnDat 2.2 / 01» 1 V SS ECN 413/EQN 425 3) (25 bit) EnDat 2.2 / 22 ECN 425/EQN bis «TTL ERN 420 «HTL ERN 430 «TTL ERN bis 5 000» 1 V SS ERN (13 bit) /4 096 EnDat 2.2 / 01 mit» 1 V SS ECN 413/EQN 425 Seite (25 bit) EnDat 2.2 / 22 ECN 425 1) /EQN 437 1) bis «TTL ERN 421 Produktinfo Z1-Spur für Sinuskommutierung ERN (13 bit) /4096 EnDat 2.2 / 01 mit» 1 V SS ECN 1013/EQN 1025 Katalog Drehgeber (23 bit) EnDat 2.2 / 22 ECN 1023/EQN bis «TTL/» 1 V SS ERN 1020/ERN 1080 «HTLs ERN bis ) «TTL ERN , Z1-Spur für Sinuskommutierung» 1 V SS ERN 1085 Produktinfo 500 bis Blockkommutierungssignale «TTL ERN 1023 Seite 48 11

12 Drehgeber zum Anbau an Motoren Schutzart: bis IP 64 (EN ) Baureihe Hauptabmessungen Mechanisch zulässige Drehzahl Eigenfrequenz der Stator- Ankopplung Maximale Arbeitstemperatur Spannungsversorgung Drehgeber mit Eigenlagerung und Drehmomentstütze für Siemens-Antriebe EQN/ERN min C DC 3,6 V ± 14 V DC 10 V bis 30 V DC 5 V ± 0,5 V DC 10 V bis 30 V ERN min C DC 5 V ± 0,5 V DC 10 V bis 30 V Drehgeber mit Eigenlagerung für separate Wellenkupplung ROC/ROQ/ROD 400 RIC/RIQ Synchroflansch min C DC 3,6 V bis 14 V min 1 DC 5 V ± 0,5 V Klemmflansch DC 10 V bis 30 V 70 C 100 C DC 5 V ± 0,5 V ROC/ROQ/ROD min C DC 3,6 V bis 14 V DC 5 V ± 0,5 V 70 C DC 10 V bis 30 V DC 5 V ± 0,25 V ROD min 1 70 C DC 10 V bis 30 V ) Functional Safety auf Anfrage 2) nach integrierter 5/10fach Interpolation 3) bei Variante mit Klemmflansch auch mit TTL- oder HTL-Signalübertragung verfügbar 12

13 Signalperioden pro Umdrehung Positionen pro Umdrehung Unterscheidbare Umdrehungen Schnittstelle Typ Weitere Informationen (13 bit) 4096 EnDat 2.1 / 01 mit» 1 V SS EQN 425 Seite 58 SSI 1024 «TTL ERN 420 «HTL ERN «TTL ERN 421 Seite 60 «HTL ERN / (13 bit) /4096 EnDat 2.2 / 01 mit» 1 V SS ROC 413/ROQ 425 3) Katalog Drehgeber (25 bit) EnDat 2.2 / 22 ROC 425 1) /ROQ 437 1) 50 bis «TTL ROD 426/ROD bis «HTL ROD 436/ROD bis «TTL ROD bis 5 000» 1 V SS ROD 486/ROD (13 bit) /4 096 EnDat 2.2 / 01 mit» 1 V SS ROC 1013/ROQ (23 bit) EnDat 2.2 / 22 ROC 1023/ROQ bis «TTL ROD 1020» 1 V SS ROD 1080 «HTLs ROD bis ) «TTL ROD bis «HTL/HTLs ROD

14 Winkelmessgeräte und Einbau-Messgeräte für Einbau- und Hohlwellen-Motoren Baureihe Hauptabmessungen Durchmesser Mechanisch zulässige Drehzahl Winkelmessgeräte mit Eigenlagerung und integrierter Statorkupplung Eigenfrequenz der Stator- Ankopplung Maximale Arbeitstemperatur RCN min Hz RCN 23xx: 60 C RCN 25xx: 50 C RCN min Hz RCN 53xx: 60 C RCN 55xx: 50 C RCN 8000 D: 60 mm und 100 mm 500 min Hz 50 C Winkelmessgeräte ohne Eigenlagerung ERA 4000 Stahl-Teilungstrommel D1: 40 mm bis 512 mm D2: 76,75 mm bis 560,46 mm min 1 bis 80 C 1500 min 1 ERA 7000 für Innen- durchmesser- Montage D: 458,62 mm bis 1 146,10 mm 250 min 1 bis 80 C 220 min 1 ERA 8000 für Außen- durchmesser- Montage D: 458,11 mm bis 1 145,73 mm 50 min 1 bis 80 C 45 min 1 Einbau-Messgeräte ohne Eigenlagerung mit magnetischer Teilung ERM 200 D1: 40 mm bis 410 mm D2: 75,44 mm bis 452,64 mm min C bis 3000 min 1 ERM 2400 ERM 2900 D1: 40 mm bis 100 mm D2: 64,37 mm bis 128,75 mm D1: 40 mm bis 100 mm D2: 58,06 mm bis 120,96 mm min C 1 bis min min 1 / min 1 1) Schnittstellen für Fanuc- und Mitsubishi-Steuerungen auf Anfrage 14 2) Segmentlösungen auf Anfrage

15 Spannungsversorgung Systemgenauigkeit Signalperioden pro Umdrehung Positionen pro Umdrehung Schnittstelle 1) Typ Weitere Informationen DC 3,6 V bis 14 V ± 5 ± 2,5 ± 5 ± 2, (26 bit) (28 bit) (26 bit) (28 bit) EnDat 2.2 / 02 RCN 2380 mit» 1 V SS RCN 2580 EnDat 2.2 / 22 RCN ) RCN ) Katalog Winkelmessgeräte mit Eigenlagerung DC 3,6 V bis 14 V ± 5 ± 2, (26 bit) (28 bit) EnDat 2.2 / 02 RCN 5380 mit» 1 V SS RCN 5580 ± 5 ± 2, (26 bit) (28 bit) EnDat 2.2 / 22 RCN ) RCN ) DC 3,6 V bis 14 V ± 2 ± 1 ± 2 ± (29 bit) EnDat 2.2 / 02 RCN 8380 mit» 1 V SS RCN 8580 EnDat 2.2 / 22 RCN ) RCN ) DC 5 V ± 0,5 V bis 52000» 1 V SS ERA 4280 C Katalog Winkelmessgeräte 6000 bis ERA 4480 C ohne 3000 bis ERA 4880 C Eigenlagerung DC 5 V ± 0,25 V Vollkreis 2) bis 90000» 1 V SS ERA 7480 C DC 5 V ± 0,25 V Vollkreis 2) bis 90000» 1 V SS ERA 8480 C DC 5 V ± 0,5 V 600 bis 3600 «TTL» 1 V SS ERM 220 ERM 280 Katalog Magnetische Einbau- Messgeräte DC 5 V ± 0,5 V 512 bis 1 024» 1 V SS ERM /400 ERM ) Functional Safety auf Anfrage 15

16 Offene Längenmessgeräte für Linearantriebe Baureihe Hauptabmessungen Verfahrgeschwindigkeit Beschleunigung in Messrichtung Genauigkeitsklasse LIP m/min 200 m/s 2 bis ± 0,5 µm LIF m/min 200 m/s 2 ± 3 µm LIC 4000 Absolutes Längenmessgerät 480 m/min 500 m/s 2 ± 5 µm ± 5 µm 1) LIDA m/min 200 m/s 2 ± 5 µm ± 5 µm 1) LIDA m/min 200 m/s 2 ± 30 µm PP Koordinaten- Messgerät 72 m/min 200 m/s 2 ± 2 µm 1) nach linearer Fehlerkompensation 16

17 Messlängen Grenzfrequenz 3 db Spannungsversorgung Signalperiode Schaltausgang Schnittstelle Typ Weitere Informationen 70 mm bis 420 mm DC 5 V ± 0,25 V 2 µm 250 khz» 1 V SS LIP 481 Katalog Offene Längenmessgeräte 70 mm bis 1020 mm DC 5 V ± 0,25 V 4 µm 300 khz Homing-Spur Limit-Schalter» 1 V SS LIF mm bis mm DC 3,6 V bis 14 V EnDat 2.2 / 22 Auflösung 0,001 µm LIC mm bis mm LIC mm bis mm DC 5 V ± 0,25 V 20 µm 400 khz Limit- Schalter» 1 V SS LIDA mm bis mm LIDA 487 bis mm DC 5 V ± 0,25 V 200 µm 50 khz» 1 V SS LIDA 287 Messbereich 68 mm x 68 mm DC 5 V ± 0,25 V 4 µm 300 khz» 1 V SS PP

18 Gekapselte Längenmessgeräte für Linearantriebe Schutzart: IP 53 bis IP 64 1) (EN ) Längenmessgeräte mit kleinprofiligem Maßstabsgehäuse Baureihe Hauptabmessungen Verfahrgeschwindigkeit Beschleunigung in Messrichtung Eigenfrequenz der Ankopplung Messlängen LF 60 m/min 100 m/s Hz 50 mm bis 1220 mm LC Absolutes Längenmessgerät 180 m/min 100 m/s Hz 70 mm bis 2040 mm 3) Längenmessgeräte mit großprofiligem Maßstabsgehäuse LF 60 m/min 100 m/s Hz 140 mm bis 3040 mm LC Absolutes Längenmessgerät 180 m/min 100 m/s Hz 140 mm bis 4240 mm 140 mm bis mm 120 m/min (180 m/min auf Anfrage) 100 m/s Hz 3240 mm bis mm LB 120 m/min (180 m/min auf Anfrage) 60 m/s Hz 440 mm bis mm (bis mm auf Anfrage) 1) 2) 3) 4) nach Anbau laut Montageanleitung Schnittstellen für Siemens-, Fanuc- und Mitsubishi-Steuerungen auf Anfrage ab Messlänge 1340 mm nur mit Montageschiene oder Spannelemente Functional Safety auf Anfrage 18

19 Genauigkeitsklasse Spannungsversorgung Signalperiode Grenzfrequenz 3 db Auflösung Schnittstelle 2) Typ Weitere Informationen ± 5 µm DC 5 V ± 0,25 V 4 µm 250 khz» 1 V SS LF 485 Katalog Längenmessgeräte für gesteuerte Werkzeugmaschinen ± 5 µm DC 3,6 V bis 14 V bis 0,01 µm EnDat 2.2 / 22 LC 415 4) ± 3 µm bis 0,001 µm ± 2 µm; ± 3 µm DC 5 V ± 0,25 V 4 µm 250 khz» 1 V SS LF 185 Katalog Längenmessgeräte für gesteuerte Werkzeugmaschinen ± 5 µm DC 3,6 V bis 14 V bis 0,01 µm EnDat 2.2 / 22 LC 115 4) ± 3 µm bis 0,001 µm ± 5 µm DC 3,6 V bis 14 V bis 0,01 µm EnDat 2.2 / 22 LC µm 250 khz EnDat 2.2 / 02 mit» 1 V SS LC 281 bis ± 5 µm DC 5 V ± 0,25 V 40 µm 250 khz» 1 V SS LB

20 Drehgeber und Winkelmessgeräte für Drehstrom- und Gleichstrommotoren Allgemeine Hinweise Gleichlaufverhalten Für ein gutes Gleichlaufverhalten des Antriebs wird vom Messgerät eine große Anzahl von Messschritten pro Umdrehung benötigt. HEIDENHAIN hat daher Geräte im Lieferprogramm, die abgestimmt auf das geforderte Gleichlaufverhalten entsprechend viele Signalperioden pro Umdrehung ausgeben. Ein besonders günstiges Verhalten zeigen die HEIDENHAIN-Drehgeber und -Winkelmessgeräte mit Eigenlagerung und Statorkupplung: Fluchtungsabweichungen der Welle innerhalb eines gewissen Toleranzbereichs (siehe technische Kennwerte) verursachen keine Positionsabweichungen und das Gleichlaufverhalten wird nicht beeinflusst. Bei niedrigen Drehzahlen wirken sich die Positionsabweichungen innerhalb einer Signalperiode des Messgeräts auf die Gleichlaufgüte aus. Bei Messgeräten mit rein serieller Datenübertragung geht das LSB (Least Significant Bit) in die Gleichlaufgüte ein. (Siehe auch Messgenauigkeit) Übertragung der Messsignale Um bei digitaler Drehzahlregelung ein gutes dynamisches Verhalten des Antriebs zu erreichen, sollte die Abtastzeit des Drehzahlreglers ca. 256 µs nicht überschreiten. Die Istwerte für den Lage- und Drehzahlregler müssen dazu möglichst verzögerungsfrei in der Regeleinrichtung zur Verfügung stehen. Um diese engen zeitlichen Anforderungen an die Übertragung der Positionswerte vom Messgerät zur Regeleinrichtung mit einer seriellen Datenübertragung zu erfüllen, sind hohe Taktfrequenzen notwendig (siehe auch Schnittstellen; Absolute Positionswerte). HEIDENHAIN-Messgeräte für elektrische Antriebe geben deshalb die Positionswerte über die schnelle rein serielle EnDat-2.2-Schnittstelle aus oder übertragen zusätzliche Inkrementalsignale, die nahezu verzögerungsfrei in der Folge-Elektronik zur Drehzahl- bzw. Lageregelung zur Verfügung stehen. Als HEIDENHAIN-Messgeräte für Standard-Antriebe werden vor allem die besonders robusten absoluten Messgeräte ohne Eigenlagerung ECI/EQI oder Drehgeber mit TTL- bzw. HTL-kompatiblen Ausgangssignalen bei permanent erregten Gleichstromantrieben mit zusätzlichen Kommutierungssignalen eingesetzt. Für die digitale Drehzahlregelung an Maschinen mit hohen Anforderungen an die Dynamik ist eine hohe Anzahl von Messschritten erforderlich üblicherweise mehr als pro Umdrehung. Für Applikationen mit Standardantrieben sind, analog zum Resolver, ca Messschritte pro Umdrehung ausreichend. HEIDENHAIN-Messgeräte für Antriebe mit digitaler Lage- und Drehzahlregelung sind daher mit dem rein seriellen EnDat22-Interface ausgestattet oder sie geben zusätzlich sinusförmige Inkrementalsignale mit Signalpegeln von 1 V SS aus (EnDat01). Die hohe geräteinterne Auflösung der EnDat22-Geräte ermöglicht Auflösungen größer 19 Bit ( Messschritte) bei induktiven Systemen bzw. größer 23 Bit (ca. 8 Millionen Messschritte) bei photoelektrischen Geräten. Die sinusförmigen Inkrementalsignale der EnDat01-Geräte können aufgrund ihrer hohen Signalgüte in der Folge- Elektronik hoch unterteilt werden (Diagramm 1). Selbst bei Drehzahlen von min 1 erhält man bei der Signalübertragung für die Eingangsschaltung der Regeleinrichtung lediglich Frequenzen von ca. 400 khz (Diagramm 2). 1-V SS -Inkrementalsignale erlauben Kabellängen bis 150 m. (Siehe auch Inkrementalsignale 1 V SS ) Diagramm 1: Signalperioden pro Umdrehung und resultierende Anzahl an Messschritten pro Umdrehung in Abhängigkeit vom Unterteilungsfaktor Messschritte pro Umdrehung Unterteilungsfaktor 20 Signalperioden pro Umdrehung

21 Auch absolute HEIDENHAIN-Messgeräte für digitale Antriebe liefern zusätzlich sinusförmige Inkrementalsignale mit den gleichen Eigenschaften. Absolute Messgeräte von HEIDENHAIN haben zur seriellen Datenübertragung von codierten Positionswerten und weiteren Informationen zur automatischen Inbetriebnahme, Überwachung und Diagnose die EnDat- Schnittstelle (Encoder Data). (Siehe Absolute Positionswerte EnDat) Damit kann beim Einsatz von HEIDENHAIN-Geräten immer dieselbe Folge-Elektronik und Verkabelungstechnik eingesetzt werden. Zur automatisierten Inbetriebnahme können wichtige Messgerätekennwerte aus dem Speicher des EnDat-Gerätes ausgelesen und motorspezifische Kenngrößen im OEM-Speicherbereich des Messgerätes abgelegt werden. Die nutzbare Größe des OEM-Speichers beträgt bei den Drehgebern der aktuellen Kataloge mindestens 1,4 KByte ( 704 EnDat-Worte). Die meisten absoluten Messgeräte unterteilen die sinusförmigen Abtastsignale bereits im Gerät mit einem Faktor von oder höher. Bei diesen Systemen kann bei hinreichend schneller Datenübertragung der absoluten Positionswerte (z. B. EnDat 2.1 mit 2 MHz bzw. EnDat 2.2 mit 8 MHz Taktfrequenz) auf inkrementale Signalauswertung verzichtet werden. Vorteile dieser Datenübertragungstechnik sind höhere Störsicherheit auf der Übertragungsstrecke und kostengünstige Stecker und Kabel. Drehgeber mit EnDat-2.2-Interface bieten zusätzlich die Möglichkeit, einen externen Temperatursensor, der sich z. B. in der Motorwicklung befindet, auszuwerten. Die digitalisierten Temperaturwerte werden ohne zusätzliche Leitung im Rahmen des EnDat-2.2-Protokolls übertragen. Bandbreite Die erreichbaren Verstärkungen des Lageregelkreises und des Drehzahlregelkreises und damit die Bandbreite des Antriebs bezüglich Führungs- und Störverhalten können durch die Steifigkeit der Ankopplung der Messgerät-Welle an die Motorwelle und die Eigenfrequenz der Statorkupplung begrenzt werden. HEIDENHAIN bietet daher Drehgeber und Winkelmessgeräte für Wellen-Ankopplungen hoher Steifigkeit an. Die am Gerät angebauten Statorkupplungen haben hohe Eigenfrequenzen 1800 Hz. Bei Einbau-Messgeräten und induktiven Drehgebern werden Stator und Rotor fest mit dem Motorgehäuse bzw. der Welle verschraubt (siehe auch Mechanische Geräteausführungen und Anbau). Fehlerausschluss für mechanische Ankopplung HEIDENHAIN-Messgeräte, die für funktionale Sicherheit ausgelegt sind, können so montiert werden, dass sich die Rotor- bzw. Statorbefestigung nicht unbeabsichtigt löst. Baugröße Die Baugröße des Motors kann bei gleichem Drehmoment um so kleiner sein, je höher die zulässige Arbeitstemperatur ist. Da sich die Temperatur des Motors auch auf die Temperatur des Messgeräts auswirkt, gibt es Drehgeber für zulässige Arbeitstemperaturen bis 120 C. Dadurch lassen sich Motoren kleiner Baugröße realisieren. Verlustleistung und Geräuschentwicklung Die Verlustleistung des Motors und die damit verbundene Erwärmung sowie die Geräuschentwicklung werden bei laufendem Motor durch die Positionsabweichungen des Messgeräts innerhalb einer Signalperiode beeinflusst. Daher setzt man bevorzugt Messgeräte mit einer hohen Signal güte (besser ± 1 % der Signalperiode) ein. (siehe auch Messgenauigkeit) Bitfehlerrate Bei Drehgebern mit rein serieller Schnittstelle zum Einbau in Motoren empfiehlt HEIDENHAIN grundsätzlich eine Typprüfung zur Bitfehlerrate durchzuführen. Eigenschaften und Anbau Diagramm 2: Drehzahl und resultierende Ausgangsfrequenz in Abhängigkeit von der Anzahl der Signalperioden/Umdrehung Ausgangsfrequenz [khz] Signalperioden pro Umdrehung Bei Einsatz von funktional sicheren Geräten ohne geschlossenes metallisches Gehäuse und/oder Kabelbaugruppen, die nicht den elektrischen Anschlussrichtlinien entsprechen (siehe Allgemeine elektrische Hinweise) ist in jedem Fall die Bitfehlerratenmessung als Typprüfung unter Applikationsbedingungen durchzuführen. Datenübertragung in Hybridkabeln Für besonders beengte Platzverhältnisse in Maschine oder Schleppkette können Motoren, die Messgeräte mit EnDat22-Interface beinhalten, über Hybridkabeltechnik an die Folge-Elektronik angeschlossen werden. Die Hybridkabel HMC 6 sind besonders platzsparend, da sie die Leitungen für Messgeräte, Motor und Bremse beinhalten. Kabellängen bis zu 100 m sind zulässig. Drehzahl [min 1 ] 21

22 Längenmessgeräte für Linearantriebe Allgemeine Hinweise Auswahlkriterien für Längenmessgeräte HEIDENHAIN empfiehlt den Einsatz von offenen Längenmessgeräten, sofern in der Maschine keine für optische Systeme relevante Verschmutzung auftritt und vergleichsweise hohe Genauigkeiten angestrebt werden, z. B. für hochpräzise Bearbeitungsmaschinen, Messeinrichtungen sowie Fertigungs- und Prüfeinrichtungen der Halbleiterindustrie. Für den Einsatz insbesondere bei spanenden Werkzeugmaschinen, die mit Kühl- Schmiermitteln arbeiten, empfiehlt HEIDENHAIN gekapselte Längenmessgeräte. Bei gekapselten Längenmessgeräten sind die Anforderungen an die Montageflächen für den Anbau und an die Führungsgenauigkeit der Maschine geringer als bei den offenen Ausführungen, d. h. es ergeben sich kürzere Montagezeiten. Gleichlaufverhalten Um bei Linearantrieben ein gutes Gleichlaufverhalten zu erzielen, muss das Längenmessgerät in Abhängigkeit vom Geschwindigkeitsregelbereich ausreichend feine Auflösungen ermöglichen: An Handhabungseinrichtungen reichen Auflösungen im Bereich mehrerer Mikrometer aus. Für Vorschubantriebe an Werkzeugmaschinen sind Auflösungen von 0,1 µm und kleiner erforderlich. An Produktionseinrichtungen der Halbleiterindustrie benötigt man Auflösungen im Bereich weniger Nanometer. Einen wesentlichen Einfluss auf das Gleichlaufverhalten des Linearantriebs bei niedriger Verfahrgeschwindigkeit haben die Positionsabweichungen innerhalb einer Signalperiode. (Siehe auch Messgenauigkeit) Verfahrgeschwindigkeiten Offene Längenmessgeräte arbeiten ohne mechanischen Kontakt zwischen Abtastkopf und Maßstab. Die maximal zulässige Verfahrgeschwindigkeit wird hier nur durch die Grenzfrequenz ( 3 db) der Ausgangssignale eingeschränkt. Bei gekapselten Längenmessgeräten ist die Abtasteinheit am Maßstab über Kugellager geführt. Dichtlippen schützen Maßstab und Abtasteinheit vor Verschmutzung. Kugellager und Dichtlippen lassen mechanisch Verfahrgeschwindigkeiten bis 180 m/min zu. Signalperiode und resultierender Messschritt in Abhängigkeit vom Unterteilungsfaktor Unterteilungsfaktor Messschritt [µm] Signalperiode [µm] 22

23 Übertragung der Messsignale Für die Übertragung der Messsignale gelten im Wesentlichen die Hinweise wie sie bei den Drehgebern und Winkelmessgeräten aufgeführt sind. Möchte man z. B. bei einer Abtastzeit von 250 µs eine minimale Geschwindigkeit von 0,01 m/min fahren, und sollte pro Abtast zyklus eine Änderung von mindestens einem Messschritt stattfinden, so wird ein Messschritt von ca. 0,04 µm be nötigt. Um den Schaltungsaufwand in der Folge- Elektronik gering zu halten, sind Eingangsfrequenzen kleiner als 1 MHz anzustreben. Für hohe Verfahrgeschwindigkeiten und kleine Messschritte sind daher Längenmessgeräte mit sinusförmigen Ausgangssignalen oder absoluten Positionswerten nach EnDat 2.2 am besten geeignet. Insbesondere erlauben sinus förmige Spannungssignale mit Pegeln von 1 V SS eine 3 db-grenzfrequenz von ca. 200 khz und mehr bei einer zulässigen Kabellänge bis zu 150 m. Den Zusammenhang zwischen Ausgangsfrequenz, Verfahrgeschwindigkeit und Signalperiode des Längenmessgeräts zeigt die untenstehende Abbildung. Selbst bei einer Signalperiode von 4 µm und Verfahrgeschwindigkeiten bis 70 m/min werden lediglich Frequenzen von 300 khz erreicht. Verfahrgeschwindigkeit und resultierende Ausgangsfrequenz in Abhängigkeit von der Signalperiode Bandbreite Eine weiche Ankopplung des Längenmessgeräts an die Maschine kann an Linearmotoren eine Begrenzung der Bandbreite des Lageregelkreises bewirken. Wesentlichen Einfluss darauf hat der Anbau des Längenmessgeräts an der Maschine. (Siehe Geräteausführungen und Anbau) Bei gekapselten Längenmessgeräten ist die Abtasteinheit am Maßstab geführt. Eine Kupplung verbindet den Abtastwagen mit dem Montagefuß und gleicht die Fluchtungsabweichungen zwischen Maßstab und Maschinenschlitten aus. Dadurch lassen sich vergleichsweise hohe Montagetoleranzen erzielen. Die Kupplung ist in Messrichtung sehr steif und quer zur Messrichtung beweglich ausgeführt. Ist die Steifigkeit dieser Ankopplung in Messrichtung zu gering, so ergeben sich in der Rückführung für den Lage- und Geschwindigkeitsregelkreis niedrige Eigenfrequenzen, welche die Bandbreite des Antriebs begrenzen können. Die von HEIDENHAIN für Linearmotoren empfohlenen gekapselten Längenmessgeräte haben in der Regel Eigenfrequenzen der Ankopplung in Messrichtung von über 650 Hz bzw. über 2 khz, und liegen damit in den meisten Anwendungen mindestens um den Faktor 5 bis 10 über der ersten mechanischen Eigenschwingung der Maschine und auch über der Bandbreite des Geschwindigkeitsregelkreises. HEIDENHAIN-Längenmessgeräte für Linearmotoren begrenzen die erreichbare Bandbreite des Lage- und Geschwindigkeitsregelkreises damit praktisch nicht. Signalperiode Ausgangsfrequenz [khz] Verfahrgeschwindigkeit [m/min] Weitere Informationen zu den Längenmessgeräten für Linearantriebe finden Sie in den Katalogen Offene Längenmessgeräte und Längenmessgeräte für gesteuerte Werkzeugmaschinen. 23

24 Sicherheitsbezogene Positionsmesssysteme Unter der Bezeichnung Functional Safety bietet HEIDENHAIN Messgeräte an, die in sicherheitsgerichteten Anwendungen eingesetzt werden können. Sie arbeiten als Ein-Geber-Systeme mit rein serieller Datenübertragung über EnDat 2.2. Basis für die sichere Übertragung der Position sind zwei voneinander unabhängig gebildete, absolute Positionswerte sowie Fehlerbits, die der sicheren Steuerung bereitgestellt werden. Grundprinzip Die HEIDENHAIN-Messsysteme für sicherheitsgerichtete Anwendungen sind nach den Normen EN ISO (Nachfolger der EN 954-1) sowie EN und EN geprüft. In diesen Normen erfolgt die Beurteilung sicherheitsgerichteter Systeme unter anderem auf Basis von Ausfallwahrscheinlichkeiten integrierter Bauelemente bzw. Teilsysteme. Dieser modulare Ansatz erleichtert den Herstellern sicherheitsgerichteter Anlagen die Realisierung ihrer Komplettsysteme, da sie auf bereits qualifizierte Teilsysteme aufbauen können. Diesem Konzept wird beim sicherheitsbezogenen Positionsmesssystem mit rein serieller Datenübertragung über EnDat 2.2 Rechnung getragen. In einem sicheren Antrieb bildet das sicherheitsbezogene Positionsmesssystem ein derartiges Teilsystem. Das sicherheitsbezogene Positionsmesssystem besteht aus: Messgerät mit EnDat 2.2-Sendebaustein Übertragungsstrecke mit EnDat 2.2-Kommunikation und HEIDENHAIN-Kabel EnDat 2.2-Empfängerbaustein mit Überwachungsfunktion (EnDat-Master) Das Gesamtsystem Sicherer Antrieb besteht in der Praxis aus: Sicherheitsbezogenem Positionsmesssystem Sicherheitsgerichtete Steuerung (inkl. EnDat-Master mit Überwachungsfunktionen) Leistungsteil mit Motorleistungskabel und Antrieb Mechanische Anbindung zwischen Messgerät und Antrieb (z. B. Rotor-/ Statoranbindung) Einsatzbereich Sicherheitsbezogene Positionsmesssysteme von HEIDENHAIN sind so konzipiert, dass sie als Ein-Geber-Systeme in Anwendungen mit Steuerungskategorie SIL 2 (nach EN ), Performance Level d, Kategorie 3 (nach EN ISO ) eingesetzt werden können. SS1 Safe Stop 1 Sicherer Stopp 1 SS2 Safe Stop 2 Sicherer Stopp 2 SOS Safe Operating Stop SLA Sicherer Betriebshalt Safely-limited Acceleration Sicher begrenzte Beschleunigung SAR Safe Acceleration Range Sicherheitsbezogenes Positionsmesssystem Bestimmte Messgeräte können durch zusätzliche Maßnahmen in der Steuerung bis SIL 3, PL e, Katagorie 4 eingesetzt werden. Die Eignung dieser Geräte ist in der Dokumentation (Kataloge / Produktinformationen) entsprechend gekennzeichnet. Dabei können die Funktionen des sicherheitsbezogenen Positionsmesssystems für folgende Sicherheitsfunktionen des Gesamtsystems genutzt werden (siehe auch EN ): Sicherer Beschleunigungsbereich SLS Safely-limited Speed Sicher begrenzte Geschwindigkeit SSR Safe Speed Range Sicherer Geschwindigkeitsbereich SLP Safely-limited Position Sicher begrenzte Position SLI Safely-limited Increment Sicher begrenztes Schrittmaß SDI Safe Direction Sichere Bewegungsrichtung SSM Safe Speed Monitor Sicherheitsfunktionen nach EN Sichere Rückmeldung der begrenzten Geschwindigkeit EnDat-Master Antrieb Messgerät Sichere Steuerung Leistungskabel Leistungsteil 24 Gesamtsystem Sicherer Antrieb

25 Funktion Das Sicherheitskonzept des Positionsmesssystems basiert auf zwei im Geber erzeugten, voneinander unabhängigen Positionswerten und zusätzlichen Fehlerbits, die über das EnDat-2.2-Protokoll an den EnDat- Master übertragen werden. Der EnDat- Master übernimmt verschiedene Überwachungsfunktionen mit deren Hilfe Fehler im Messgerät und der Übertragung aufgedeckt werden. Beispielsweise wird ein Vergleich der beiden Positionswerte durchgeführt. Anschließend stellt der EnDat-Master die Daten für die sichere Steuerung bereit. Die Steuerung überwacht die Funktionalität des sicherheitsbezogenen Positionsmesssystems durch periodisch ausgelöste Tests. Die Architektur des EnDat 2.2-Protokolls ermöglicht es, alle sicherheitsrelevanten Informationen bzw. Kontrollmechanismen im uneingeschränkten Regelbetrieb zu verarbeiten. Dies wird ermöglicht, weil die sicherheitsrelevanten Informationen in so genannten Zusatzinformationen hinterlegt sind. Die Architektur des Positionsmesssystems gilt laut EN als einkanaliges, getestetes System. Einbindung des Positionsmesssystems Dokumentation Eine bestimmungsgemäße Verwendung des Positionsmesssystems stellt sowohl Forderungen an die Steuerung, den Maschinenkonstrukteur, sowie den Monteur, den Service etc. In der Dokumentation zu den Positionsmesssystemen werden die notwendigen Informationen gegeben. Um ein Positionsmesssystem in einer sicherheitsgerichteten Applikation einsetzen zu können, ist eine geeignete Steuerung zu verwenden. Der Steuerung kommt die grundlegende Aufgabe zu, die Kommunikation mit dem Messgerät und die sichere Auswertung der Messgerätedaten durchzuführen. Die Anforderungen zur Einbindung des EnDat-Masters mit Überwachungsfunktionen in die sichere Steuerung werden in dem HEIDENHAIN-Dokument beschrieben. Hierin enthalten sind beispielsweise Vorgaben zur Auswertung und Weiterverarbeitung der Positionswerte und Fehlerbits, zum elektrischen Anschluss und zu zyklischen Tests der Positionsmesssysteme. Ergänzend dazu werden im Dokument Maßnahmen beschrieben, die einen Einsatz geeigneter Messgeräte in Anwendungen bis SIL 3, PL e, Kategorie 4 ermöglichen. Anlagen- und Maschinenhersteller müssen sich um diese Details nicht selbst kümmern. Diese Funktionalität muss von der Steuerung bereitgestellt werden. Für die Auswahl eines geeigneten Messgeräts sind die Informationen aus den Produktinformationen bzw. Katalogen und den Montageanleitungen relevant. In der Produktinformation bzw. im Katalog sind allgemeine Angaben zur Funktion und zum Einsatz der Messgeräte sowie technische Daten und zulässige Umgebungsbedingungen enthalten. Die Montageanleitungen enthalten detaillierte Angaben zur Montage der Geräte. Aus der Architektur des Sicherheitssystems und den Diagnosemöglichkeiten der Steuerung definieren bzw. detaillieren sich evtl. noch weitere Anforderungen. So muss in der Betriebsanleitung der Steuerung explizit darauf hingewiesen werden, ob ein Fehlerausschluss für das Lösen der mechanischen Verbindung zwischen Messgerät und Antrieb erforderlich ist. Daraus resultierende Vorgaben sind vom Maschinenkonstrukteur z. B. an den Monteur und an den Service weiterzugeben. Messwertermittlung Übertragungsstrecke Messwertempfang Sichere Steuerung Schnittstelle 1 Position 1 Position 2 EnDat Interface (Protokoll und Kabel) EnDat Master Schnittstelle 2 Zwei unabhängige Positionswerte. Interne Überwachung. Protokollbildung. Serielle Datenübertragung Maßnahmenkatalog Positionswerte und Fehlerbits über zwei Prozessorschnittstellen. Überwachungsfunktionen. Wirksamkeitstest. Weitere Informationen zum Thema Funktionale Sicherheit finden Sie in den Technischen Informationen Sicherheitsbezogene Positionsmesssysteme und Sicherheitsbezogene Steuerungstechnik sowie in den Produktinformationen der Functional Safety-Messgeräte. Sicherheitsbezogenes Positionsmesssystem 25

26 Messprinzipien Maßverkörperung HEIDENHAIN-Messgeräte mit optischer Abtastung benutzen Maßverkörperungen aus regelmäßigen Strukturen sogenannte Teilungen. Als Trägermaterial für diese Teilungen dienen Glas- oder Stahlsubstrate. Bei Messgeräten für große Durchmesser dient ein Stahlband als Teilungsträger. Die feinen Teilungen stellt HEIDENHAIN durch speziell entwickelte, photolithografische Verfahren her. AURODUR: mattgeätzte Striche auf einem vergoldeten Stahlband; typische Teilungsperiode 40 µm METALLUR: verschmutzungsunempfindliche Teilung aus metallischen Strichen auf Gold; typische Teilungsperiode 20 µm DIADUR: äußerst widerstandsfähige Chromstriche (typische Teilungsperiode 20 µm) oder dreidimensionale Chromstrukturen (typische Teilungsperiode 8 µm) auf Glas SUPRADUR-Phasengitter: optisch dreidimensional wirkende, planare Struktur; besonders verschmutzungsunempfindlich; typische Teilungsperiode 8 µm und kleiner OPTODUR-Phasengitter: optisch dreidimensional wirkende, planare Struktur mit besonders hoher Reflexion; typische Teilungsperiode 2 µm und kleiner. Bei magnetischen Messgeräten dient als Teilungsträger eine magnetisierbare Stahllegierung. In ihr wird die aus Nord- und Südpolen bestehende Teilung mit typisch 400 µm Teilungsperiode erzeugt. Feinere magnetische Teilungen sind aufgrund der kurzen Reichweite elektromagnetischer Wechselwirkungen und des damit verbundenen engen Abtastspalts nicht mehr praxisgerecht. Messgeräte mit induktivem Abtastprinzip arbeiten mit Teilungsstrukturen auf Kupfer-/ Nickelbasis. Die Teilung ist auf einem Trägermaterial für gedruckte Schaltungen aufgebracht. Beim absoluten Messverfahren steht der Positionswert unmittelbar nach dem Einschalten des Messgeräts zur Verfügung und kann jederzeit von der Folge-Elektronik abgerufen werden. Ein Verfahren der Achsen zum Ermitteln der Bezugsposition ist nicht notwendig. Diese absolute Positionsinformation wird aus der Teilung der Teilscheibe ermittelt, die als serielle Codestruktur aufgebaut ist bzw. aus mehreren parallelen Teilungsspuren besteht. Kreisteilungen absoluter Drehgeber Beim inkrementalen Messverfahren besteht die Teilung aus einer regelmäßigen Gitterstruktur. Die Positionsinformation wird durch Zählen der einzelnen Inkremente (Messschritte) von einem beliebig gesetzten Nullpunkt aus gewonnen. Da zum Bestimmen von Positionen ein absoluter Bezug erforderlich ist, verfügen die Teilscheiben über eine weitere Spur, die eine Referenzmarke trägt. Eine separate Inkrementalspur bzw. die Spur mit der feinsten Teilungsperiode wird für den Positionswert interpoliert und gleichzeitig zum Erzeugen eines optionalen Inkrementalsignals verwendet. Bei Singleturn-Drehgebern wiederholt sich die absolute Positionsinformation mit jeder Umdrehung. Multiturn-Drehgeber vermögen zusätzlich Umdrehungen zu unterscheiden. Die mit der Referenzmarke festgelegte absolute Position ist genau einem Messschritt zugeordnet. Bevor also ein absoluter Bezug hergestellt oder der zuletzt gewählte Bezugspunkt wiedergefunden wird, muss die Referenzmarke überfahren werden. 26 Kreisteilungen inkrementaler Drehgeber

27 Abtastverfahren Photoelektrische Abtastung Die meisten HEIDENHAIN-Messgeräte arbeiten nach dem Prinzip der photoelektrischen Abtastung. Die photoelektrische Abtastung erfolgt berührungslos und damit verschleißfrei. Sie detektiert selbst feinste Teilungsstriche von wenigen Mikrometern Breite und erzeugt Ausgangssignale mit sehr kleinen Signalperioden. Die absoluten Drehgeber mit optimierter Abtastung ECN und EQN enthalten anstelle der einzelnen Photoelemente einen großflächigen, fein struktu rierten Photosensor. Seine Strukturen entsprechen in ihrer Breite der Gitterstruktur der Maßverkörperung. Dadurch kann auf die mit dem Gegengitter versehene Abtastplatte verzichtet werden. Die Drehgeber ERN, ECN, EQN, ERO sowie ROD, RCN, RQN sind nach dem abbildenden Messprinzip aufgebaut. Das abbildende Messprinzip arbeitet vereinfacht beschrieben mit schattenoptischer Signalerzeugung: Zwei Strichgitter mit beispielsweise gleicher oder ähnlicher Teilungsperiode Teilkreis und Abtastplatte werden zu einander bewegt. Das Trägermaterial der Abtastplatte ist lichtdurchlässig, die Teilung der Maßverkörperung kann ebenfalls auf lichtdurchlässigem oder auf reflektierendem Material aufgebracht sein. Fällt paralleles Licht durch eine Gitterstruktur, werden in einem bestimmten Abstand Hell-/Dunkel-Felder abgebildet. Hier befindet sich ein Gegengitter mit gleicher oder ähnlicher Teilungsperiode. Bei einer Relativbewegung der beiden Gitter zueinander wird das durchfallende Licht moduliert: stehen die Lücken übereinander, fällt Licht durch, befinden sich die Striche über den Lücken, herrscht Schatten. Ein strukturierter Photosensor bzw. Photoelemente wandeln diese Lichtänderungen in annähernd sinusförmige elektrische Signale um. Praktikable Anbautoleranzen eines Messgeräts mit abbildendem Messprinzip werden bei Teilungsperioden von 10 µm und größer erzielt. Lichtquelle LED Kondensor Teilscheibe Inkrementalspur Absolutspur Strukturierter Photosensor mit Abtastplatte Photoelektrische Abtastung nach dem abbildenden Messprinzip Andere Abtastprinzipien Einige Messgeräte arbeiten nach anderen Abtastverfahren. Die Messgeräte ERM haben als Maßverkörperung eine permanent-magnetisierte MAGNODUR-Teilung, die über magneto-resistive Sensoren abgetastet wird. Die Drehgeber ECI/EQI/EBI sowie RIC/RIQ arbeiten mit dem induktiven Messprinzip. Hier wird ein hochfrequentes Signal durch bewegte Teilungsstrukturen in seiner Amplitude und Phasenlage moduliert. Der Positionswert wird durch Rundumabtastung immer aus den Signalen aller gleichmäßig über den Umfang verteilten Empfängerspulen gebildet. Dies ermöglicht große Anbautoleranzen bei hoher Auflösung. 27

28 Elektronische Kommutierung mit Positionsmessgeräten Kommutierung bei permanenterregten Drehstrom-Motoren Bei permanenterregten Drehstrom-Motoren muss vor Anlauf des Motors die Rotorposition als absoluter Wert für die elektronische Kommutierung zur Verfügung stehen. HEIDENHAIN-Drehgeber gibt es für verschiedene Arten der Rotorpositions-Erkennung: Absolute Drehgeber in Single- und Multiturn-Ausführungen liefern unmittelbar nach dem Einschalten eine absolute Positionsinformation. Daraus lässt sich sofort die genaue Lage des Rotors ableiten und zur elektronischen Kommutierung verwenden. Teilkreis mit serieller Codespur und Inkrementalspur Inkrementale Drehgeber mit einer zweiten, sogenannten Z1-Spur liefern ein zusätzliches Sinus- und Cosinus-Signal (C und D) pro Motorwellen-Umdrehung. Zur Sinuskommutierung wird lediglich eine Unterteilungs-Elektronik und ein Signal-Multiplexer benötigt, um sowohl die absolute Rotorposition mit einer Genauigkeit von ± 5 aus der Z1-Spur, als auch die Positionsinformation zur Drehzahl und Lageregelung aus der Inkrementalspur zu erhalten (siehe auch Schnittstellen Kommutierungssignale). Inkrementale Drehgeber mit Block- Kommutierungsspuren geben zusätzlich drei Kommutierungssignale U, V und W aus. Damit wird die Leistungselektronik direkt angesteuert. Es gibt diese Drehgeber mit unterschiedlichen Kommutierungsspuren. Typische Ausführungen zeigen 3 Signalperioden (120 mech.) oder 4 Signalperioden (90 mech.) je Kommutierungssignal und Umdrehung. Unabhängig davon dienen die inkrementalen Rechtecksignale zur Lage- und Drehzahlregelung. (siehe auch Schnittstellen Kommutierungssignale) Kommutierung von Synchron- Linearmotoren Wie bei den absoluten Drehgebern und Winkelmessgeräten erhält man von den absoluten Längenmessgeräten der Baureihe LIC und LC sofort nach dem Einschalten die exakte Position des beweglichen Motorteils. Dadurch ist bereits im Stillstand maximale Haltekraft möglich. Teilkreis mit Z1-Spur Teilkreis mit Block- Kommutierungsspuren Bitte beachten Sie das Einschaltverhalten der Messgeräte (siehe Katalog Schnittstellen von HEIDENHAIN-Messgeräten, ID xx). 28

29 Messgenauigkeit Die für Längenmessgeräte spezifischen Einflussgrößen sind in den Katalogen Längenmessgeräte für gesteuerte Werkzeugmaschinen und Offene Längenmessgeräte aufgeführt. Die Genauigkeit der Winkelmessung wird im Wesentlichen beeinflusst durch: die Güte der Teilung die Güte der Abtastung die Güte der Signalverarbeitungs-Elektronik die Exzentrizität der Teilung zur Lagerung Abweichungen der Lagerung die Ankopplung an die zu messende Welle die Elastizität der Statorkupplung (ERN, ECN, EQN) bzw. Wellenkupplung (ROD, ROC, ROQ, RIC, RIQ) Diese Einflussgrößen teilen sich auf in messgerätespezifische Abweichungen und anwendungsabhängige Faktoren. Zur Beurteilung der erzielbaren Gesamtgenauigkeit müssen alle einzelnen Einflussgrößen berücksichtigt werden. Messgerätespezifische Abweichungen Die messgerätespezifischen Abweichungen sind bei den Drehgebern in den Technischen Kennwerten als Systemgenauigkeit angegeben. Die Extremwerte der Gesamtabweichungen einer beliebigen Position liegen bezogen auf ihren Mittelwert innerhalb der Systemgenauigkeit ± a. Die Systemgenauigkeit beinhaltet die Positionsabweichungen innerhalb einer Umdrehung und die Positionsabweichungen innerhalb einer Signalperiode sowie bei Drehgebern mit Statorkupplung die Abweichungen der Wellenankopplung. Positionsabweichungen innerhalb einer Signalperiode Die Positionsabweichungen innerhalb einer Signalperiode werden gesondert betrachtet, da sie sich bereits bei sehr kleinen Drehbewegungen und bei Wiederholmessungen auswirken. Insbesondere im Geschwindigkeits-Regelkreis führen sie zu Drehzahlschwankungen. Die Positionsabweichungen innerhalb einer Signalperiode ± u resultieren aus der Güte der Abtastung und bei Messgeräten mit integrierter Impulsformer- bzw. Zähler-Elektronik der Güte der Signalverarbeitungs- Elektronik. Bei Messgeräten mit sinusförmigen Ausgangssignalen sind dagegen die Abweichungen der Signalverarbeitungs- Elektronik durch die Folge-Elektronik bestimmt. Im Einzelnen beeinflussen folgende Faktoren das Ergebnis: die Feinheit der Signalperiode die Homogenität und Periodenschärfe der Teilung die Güte der Filterstrukturen der Abtastung die Charakteristik der Sensoren die Stabilität und Dynamik der Weiterverarbeitung der analogen Signale Diese Abweichungen sind in den Angaben zur Positionsabweichung innerhalb einer Signalperiode berücksichtigt. Sie sind bei Drehgebern mit Eigenlagerung und sinusförmigen Ausgangssignalen besser als ± 1 % der Signalperiode bzw. besser als ± 3 % bei Geräten mit rechteckförmigen Ausgangssignalen. Diese Signale eignen sich für PLL-Unterteilung bis max. 100fach. Die Positionsabweichungen innerhalb einer Signalperiode ± u sind in den Technischen Kennwerten der Winkelmessgeräte angegeben. Aufgrund der höheren Reproduzierbarkeit einer Position sind aber auch noch deutlich kleinere Messschritte sinnvoll. Positionsabweichungen innerhalb einer Umdrehung Positionsabweichung innerhalb einer Signalperiode Positionsabweichung Positionsabweichung innerhalb einer Signalperiode Positionsabweichung Position Signalpegel Signalperiode 360 el. 29