Encoder

Encoder Definition: Was ist ein Encoder?

Encoder – auch Kodierer, Drehgeber, Winkelmesser oder Winkelgeber genannt – stammen aus der Nachrichtentechnik sowie aus der Antriebstechnik und bezeichnen jeweils etwas unterschiedliche Dinge. Während die Nachrichtentechnik unter einem Encoder den ersten Konverter beziehungsweise Wandler für digitale oder analoge Signale versteht, dienen Encoder in der Antriebstechnik zur Signalbildung aus mechanischen Bewegungen. Die Messwertgeber erkennen die Position einer Antriebseinheit (Welle) und geben diese als elektrisches Signal aus (Impulsgeber).

Encoder werden mit dem drehenden Element durch diverse Befestigungen wie Nuten oder Bohrungen verbunden. Man unterscheidet zwischen rotatorischen und linearen Kodierern. Rotatorische Drehgeber kommen an rotierenden Bauteilen (z.B. einer Motorwelle) zum Einsatz und dienen somit der Rotationsmessung. Lineare Kodierer dagegen werden üblicherweise bei Bauteilen mit geraden Bewegungen eingesetzt.

Encoder Funktion: Wie funktioniert ein Encoder?

Encoder verfügen über inkrementale (nicht absolut messende) oder absolute Maßverkörperungen. Absolut messende Encoder (sogenannte Absolutwertgeber) arbeiten auf Basis von Maßverkörperungen, die jeder Position ein klares Signalmuster zuordnen. Inkrementalgeber, also nicht absolut messende Encoder, werden beispielsweise auf Motorwellen montiert, um Parameter wie die Lautstärke einzustellen oder manuell Motorbewegungen an CNC-Steuerungen zu regulieren.

Mit ihrem Ausgangssignal versetzen Encoder Antriebseinheiten in die Lage, reproduzierbare Bewegungen auszuführen. Handelt es sich um einen Absolutwertgeber, kann die Maschine außerdem wieder genau in die Ausgangsposition zurückgebracht werden. Inkrementalgeber dagegen benötigen zum Aufsuchen der Ausgangsposition einen zusätzlichen Geber, beispielsweise einen Endschalter. Lineare Inkrementalgeber dienen zum Beispiel der optisch arbeitenden Abtastung von Strichmustern in einem Drucker. Sie ermöglichen es dem Druckwagen, eine präzise Bewegung entlang der Zeile auszuführen.

Welche Arten von Encodern gibt es?

Was die Unterschiede im mechanischen Aufbau betrifft, unterscheidet man zwischen Drehgebern mit Eigenlagerung und solchen ohne Eigenlagerung. Während Geber mit Eigenlagerung entweder direkt auf die zu messende Welle gesteckt oder aber mit einer separaten Wellenkupplung angeschlossen werden, werden Geber ohne Eigenlagerung (beispielsweise Einbaudrehgeber oder Einbau-Messgeräte) an ihrem Rotor direkt an die zu messende Welle montiert. Dafür wird der Stator an der Maschine ausgerichtet.

Darüber hinaus gibt es einige Unterschiede in der Art der Signalauswertung:

  • Inkrementalencoder: Inkrementalencoder informieren über Lage, Winkel und Umdrehungszahl. Diese Informationen entstehen durch das Messen der Zahl der Impulse pro Umdrehung, die der Encoder an die Steuerung weitergibt. Diese wiederum berechnet die aktuelle Position durch das Zählen der weitergeleiteten Impulse. Inkrementalencoder eignen sich beispielsweise optimal für die Fabrik-, Logistik- und Prozessautomation. Indem man sie zum Beispiel am Motor eines fahrerlosen Transportsystems montiert, können sie Informationen über die Fahrtrichtung und Geschwindigkeit des Systems liefern.

  • Absolutencoder: Diese Art von Kodierern misst die Drehbewegung einer Welle in Winkelschritten, denen jeweils ein eindeutiges Codemuster zugeordnet ist. Zum Teil können auch andere Informationen erfasst werden, beispielsweise die Geschwindigkeit oder Diagnosedaten. Absolutencoder werden in der Automatisierungstechnik in Fabriken und der Logistik eingesetzt, um horizontal oder vertikal ausgeführte Drehbewegung zu erfassen. In Palettieranlagen messen sie die genaue Position der Greifer.

  • Sicherheitsencoder: Diese Inkrementalencoder werden in Kombination mit sicheren Auswerteeinheiten vor allem in der Fabrik- und Logistikautomation eingesetzt. Beispielseise dienen sie der Drehzahlüberwachung stationärer Maschinen und minimieren das Verletzungsrisiko im Wartungsbetrieb, indem sie die Maschine verlangsamen und dem Bediener so das Eingreifen in den Gefahrenbereich ermöglichen.

  • Seilzugencoder: Diese Encoder sind ein Zusammenspiel von Encoder und Seilzugmechanik. Sie dienen der Messung der längenproportionalen Trommelumdrehung und der Ausgabe der entsprechenden Daten. Damit dienen sie der Positionierung auf linearen Messstrecken. Auch Seilzugencoder werden im industriellem Umfeld, beispielsweise bei logistischen Prozessen in der Automobilindustrie eingesetzt. Seilzugencoder sorgen in diesem Kontext beispielsweise für die korrekte Positionierung von Liftern, die Waren über mehrere Ebenen transportieren.

  • Linearencoder: Linearencoder setzen sich aus einem Sensor, das heißt einem Lesekopf, und dem Referenzmaßstab zusammen. Sie arbeiten berührungslos und dienen daher der verschleißfreien Positionierung. Beispielsweise übernehmen die Encoder die Positionsbestimmung der Laufkatzen von Kranen sowie deren Fahrwegpositionierung.

  • Messradencoder: Messradencoder erfassen lineare Bewegungen eines Rades und übersetzen diese in Geschwindigkeits- oder Positionswerte. Zum Einsatz kommen sie zum Beispiel bei Druckmaschinen. Sie messen die Geschwindigkeit des Druckmediums und tragen mit dieser Information entscheidend zur richtigen Position des Drucks und der Druckqualität bei.

  • Neigungssensoren: Neigungssensoren überwachen die Position verschiedenster Objekte und messen ihren Neigungswinkel im Verhältnis zur Gravitation der Erde. Bei Erntemaschinen beispielsweise ist es unerlässlich, dass sich der Neigungswinkel der Maschine bestmöglich an den Untergrund anpasst.

Was misst ein Drehgeber?

Kodierer messen Bewegungen und bilden diese in elektrischen Signalen ab. Neben optischen Encodern gibt es auch solche, die magnetisch oder mechanisch mit Kontakten arbeiten.

Inkrementalgeber messen die Zahl an Impulsen pro Umdrehung mittels Magnetrad, Strichscheibe oder Zahnradflanken. Als Referenz dient ein sich mit jeder Umdrehung wiederholender Nullimpuls. Indem man zwei verschiedene, um einen Viertelimpuls versetzte Spuren auswertet, liest man neben der Geschwindigkeit auch die Richtung der Drehung aus.

Absolutwertgeber dagegen nutzen eine Kodierscheibe, um Umdrehungen und Drehwinkel zu erfassen. Auf dieser ist jede Position eindeutig, sodass man keine Referenz braucht. Ein angeschlossenes Getriebe oder Impulsdrahtsensoren messen die Zahl der Umdrehungen.

Encoder messen Impulse und damit Bewegungsgrößen oder -mengen, die den Zustand eines sich in fortschreitender Bewegung befindlichen Objekts definieren. Die Impulsfrequenz, die am Encoder auftritt, ist durch die maximale Drehzahl bestimmt und ergibt sich aus ihrer Auflösung pro Umdrehung. Die maximale Drehzahl muss bereits vorab bekannt sein, da Encoder keine beliebigen Drehzahlen aufnehmen können.

Was ist der Unterschied zwischen einem Encoder und einem Decoder?

Ganz allgemein handelt es sich bei einem Decoder um ein System zur Entschlüsselung von Daten. In einem modernen technologischen Umfeld, in dem Informationen ständig übertragen, gespeichert und interpretiert werden müssen, spielen daher sowohl Encoder als auch Decoder eine Schlüsselrolle.

Während der Encoder Informationen von einem Format (binärer Code) in ein anderes konvertiert beziehungsweise kodiert, stellt der Decoder die Komponente dar, die den Prozess umkehrt. Er konvertiert die Daten also wieder in ihre ursprüngliche oder in eine andere zugängliche Form. Das bedeutet, dass es für jedes Codierungsverfahren ein äquivalentes Decodierungssystem gibt. Nur so lassen sich Informationen abrufen.

Wo werden Encoder eingesetzt?

Da sich Encoder besonders gut für die exakte Positionsbestimmung in der Automatisierungstechnik eignen, kommen sie vor allem in der Industrie zum Einsatz. Sie messen sowohl Drehzahl und Geschwindigkeit als auch die Beschleunigung von Bauteilen oder Antriebswellen sehr zuverlässig.

Auch in komplexen Anwendungsbereichen arbeiten hochauflösende optische und magnetische Encoder perfekt zusammen und ermöglichen präzise Messungen. Dazu zählen alle Bereiche der verarbeitenden Industrie und des Metallbaus, insbesondere der Einsatz in Dreh- und Fräsmaschinen, CNC-Maschinen, Motoren und vielen anderen Maschinen. Auf deren Genauigkeit kommt es auch bei der Herstellung von Industrieersatzteilen an.

Fazit

Egal, ob digitales oder analoges Gerät, Computer- oder Softwaresystem – für den Betrieb elektronikbasierter Systeme spielen die Übertragung, die Speicherung und die Auswertung von Informationen eine zentrale Rolle. Daher finden Drehgeber in allen Bereichen der Industrie Anwendung. Dabei unterscheidet man zwischen rotativen und linearen Messaufgaben. Während lineare Encoder lineare Bewegungen, deren Position und Gleichlauf messen, kontrollieren rotative Encoder Drehbewegungen. Letztere unterteilt man in Inkremental- und Absolutencoder. In der linearen Messtechnik wiederum gibt es Seilzug- und Linearencoder mit Maßverkörperung sowie Neigungssensoren, die Winkel berührungslos erfassen können.

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