Winkelsensoren für die Eingabe per Hand: So funktioniert es

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Handeinsteller sind Winkelsensoren, die für die Eingabe per Hand optimiert sind. Da sie als Interface zwischen Mensch und Maschine fungieren, ist die Wahl des richtigen Typs entscheidend. Die technischen und haptischen Möglichkeiten bestimmen darüber, wie Anwender die Qualität der Applikation empfinden.

Winkelsensoren: Handeinsteller werden aufgrund des direkten haptischen Feedbacks und der intuitiven Bedienung überall dort eingesetzt, wo Sollwerte mit hoher Präzision zügig eingestellt werden müssen. Das ist häufig der Fall, wenn das Bedienpersonal Handschuhe trägt oder mit schmutzigen Händen arbeitet. Dabei können Anwender zwei Funktionen erwarten: das Drehen und Drücken der Drehgeberwelle. Das klingt banal, ist jedoch keineswegs trivial für die Entwicklung des optimalen Bedienkonzepts.

Die Vorteile von Handeinstellern

Allein das Drehen mit den Möglichkeiten der Anpassung einer Drehhemmung, der Wahl von mechanischen Rastungen mit Rastmoment oder von Endanschlägen zur Begrenzung der Drehbewegung gibt einen großen gestalterischen Freiraum. Ähnlich verhält es sich mit dem integrierten Taster zum Quittieren der Eingabe. Es kann entscheidend sein, wie weit (Tastweg) und wie fest (Tastkraft) gedrückt werden kann oder soll. Das Zusammenspiel all dieser Eigenschaften rechtfertigt den Einsatz von Handeinstellern. Insbesondere dann, wenn eine unbeabsichtigte Sollwertänderung verhindert werden soll, sind Handeinsteller mit erhöhter Drehhemmung und optimiertem Tastweg das bevorzugte Eingabemedium.

Megatron bietet eine große Auswahl an Winkelsensoren

Neben Potentiometern werden optoelektronische Impulsgeber eingesetzt. Megatron führt in seinem Portfolio zudem Drehencoder mit magnetischer Sensorik auf Hall-Basis mit Analog- oder Inkrementalausgang. Inkrementale Handeinsteller stellen für eine Drehrichtungsdetektion zwei um 90° zueinander versetzte Rechtecksignale A/B zur Verfügung und werden meist in Verbindung mit einem applika­tionsseitigen Mikro-Controller eingesetzt, um die steigenden und fallenden Flanken der Rechtecksignale als Zustandsänderung auszuwerten. Bei Absolutwertgebern ist die Signalausgangsfunktion in Bezug zur Drehung der Welle linear steigend oder fallend. Diese Handeinsteller werden vornehmlich für eine möglichst stufenlose/kontinuierliche Änderung von Sollwerten genutzt.

Auch wenn bei Handeinstellern nicht immer das sensorisch maximal mögliche Potential abgerufen werden muss, ist ein kontaktloser Inkrementalgeber einem kontaktbehafteten Geber mit Inkrementalausgang weit überlegen. Die haptischen Möglichkeiten lassen sich mit kontaktlosem optoelektronischen Winkelsensoren hervorragend umsetzen.

Neben stabilen elektrischen Signalen spielen die Verarbeitungsqualität und die Auswahl der Komponenten eine wichtige Rolle. Eine hochwertige Anzeige und ein präzises Tastenfeld trösten nicht über einen ungenau operierenden Handeinsteller hinweg – zumal oft nur wenige Euro Preisdifferenz den Unterschied zwischen einem Top- und einem Flop-Produkt ausmachen.

Gleichbleibende Haptik über die gesamte Lebensdauer

Ein entscheidendes Qualitätskriterium ist eine möglichst unveränderte Haptik über die gesamte Lebensdauer. Hochwertige Handeinsteller sind für die unterschiedlichsten Ausführungen von Betätigungsknöpfen und Krafteinleitungsrichtungen auf die Drehgeberwelle ausgelegt. Basis hierfür sind ein hochvergütetes Gleitlager und eine Welle aus gehärtetem Metall in Kombination mit einem Dämpfungsfett.

Als zuverlässiger Rastmechanismus hat sich die Konstruktion für optoelektronische Handeinsteller bewährt, in der zwei Spiralfedern der Drehgeberwelle gegenüberliegend angeordnet sind, an deren Enden jeweils eine Metallkugel sitzt. Diese Kugeln werden durch die Federkräfte gegen einen auf der Welle befestigten Zahnkranz gedrückt. Der Reibungsverschleiß zwischen Kugeln und Zahnkranz wird durch den Einsatz eines speziellen Additivs mit schmierender Wirkung minimiert. Diese Konstruktion ist herkömmlichen Rastmechanismen auf Basis einer geformten Flachfeder weit überlegen.

Winkelsensoren: Mechanische Kraftbegrenzung durch Metallring

Für eine stabile und präzise Tastfunktion ist darauf zu achten, dass die auf den Taster ausgeübte Kraft eine mechanische Begrenzung erfährt. Der Hintergrund: Die Tastfunktion wird über die Welle getätigt, und Schaltkontakt sowie Platine befinden sich in optoelektronischen Handeinstellern unter der Welle. Die Erfahrung zeigt, dass im hektischen Arbeitsalltag nicht immer ein sanfter Druck zur Betätigung des Tasters ausgeübt wird. Kurze, schlagende Einwirkungen sind durchaus üblich. Zur Kraftbegrenzung verwendet Megatron daher einen in der Drehgeberwelle eingesetzten Metallring, der losgelöst von der Position des verwendeten Knopfes übergroße Kräfte begrenzt.

Darüber hinaus verlangen Anwendungen im industriellen Umfeld häufig nach einem hohen wellenseitigen IP-Schutz. Um dieser Forderung nachzukommen, sind im Handeinsteller Wellendichtelemente eingebaut. Für Forderungen mit erhöhtem IP-Schutz kommen zusätzliche Dichtelemente zwischen dem Gehäuse des Sollwertgebers und dem Panel zum Einsatz, welche ein Eindringen von Schmutz und Fluiden in die Applikation unterbinden.

Die Produkte im Einzelnen: MRS und MRX50

Die kleinen, vielseitigen Sollwertgeber der MRS-Serie eignen sich für zahlreiche Anwendungen. Mit Abmessungen von 15 x 16 x 8,5 Millimetern gehören sie zu den kompaktesten Handeinstellern im Portfolio. Vier unterschiedliche Rastungen und sechs verschiedene elektrische Anschlussvarianten stehen zur Wahl: Dazu gehören Stiftleisten für eine automatisierte Schwallbadlötung ebenso wie ein integrierter FPC-Connector für Folienkabel. Die Handeinsteller sind serienmäßig mit Schutzart IP40 erhältlich, werden auf Wunsch aber auch mit einer Wellenabdichtung ausgestattet und erreichen dann IP65.

Die Serie MRX50 bietet 50 Rastungen/Impulse in einem kompakten und robusten Gehäuse. Diese Drehgeberserie wurde bereits für industrielle Handbedien­terminals von Marktführern in aufwendigen Prüfverfahren qualifiziert und kommt in deren Produkten zum Einsatz.

Der Autor Alexander Niedergesäß ist Produktmanager bei Megatron Elektronik.

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