Enkodery , liniały optyczne , magnetyczne i inne

Enkoder liniowy to czujnik, przetwornik lub głowica odczytowa sparowana ze skalą, która koduje pozycję. Czujnik odczytuje skalę w celu przekształcenia zakodowanej pozycji na sygnał analogowy lub cyfrowy, który następnie może zostać zdekodowany na pozycję za pomocą cyfrowego odczytu (DRO) lub kontrolera ruchu. Enkoder może być przyrostowy lub bezwzględny. W systemie przyrostowym pozycja jest określana przez ruch w czasie; przeciwnie, w systemie absolutnym ruch jest determinowany przez położenie w czasie. Technologie enkoderów liniowych obejmują optyczne, magnetyczne, indukcyjne, pojemnościowe i prądy wirowe. Enkodery liniowe są stosowane w przyrządach metrologicznych, systemach ruchu, drukarkach atramentowych i wysoce precyzyjnych narzędziach obróbkowych, począwszy od suwmiarek cyfrowych , współrzędnościowych maszyn pomiarowych po obrabiarki CNC i konwencjonalne i  CNC.

 Trzy typowe liniowe enkodery optyczne

Wizualizacja struktur magnetycznych enkodera liniowego (rejestrowana za pomocą MagView).

  Enkodery liniowe to przetworniki, które wykorzystują wiele różnych właściwości fizycznych w celu kodowania pozycji, dzielimy je na:

1. Optyczne

Optyczne enkodery liniowe (liniał do głowic) dominują na rynku wysokiej rozdzielczości i mogą wykorzystywać zasady żaluzji/mory, dyfrakcji lub holografii. Enkodery optyczne są najdokładniejszym ze standardowych typów enkoderów i najczęściej stosowanym w aplikacjach automatyki przemysłowej. Wybierając enkoder optyczny, ważne jest, aby enkoder miał wbudowaną dodatkową ochronę, aby zapobiec zanieczyszczeniu kurzem, wibracjami i innymi warunkami typowymi dla środowisk przemysłowych. Typowe okresy skali przyrostowej wahają się od setek mikrometrów do submikrometrów. Interpolacja może zapewnić rozdzielczość rzędu nanometra.

Optyczny enkoder liniowy montowany na CMM Mitutoyo

Liniał optyczny zamocowany na tokarce konwencjonalnej dziś stanowi standradowe wyposażenie do obrabiarek

  Stosowane źródła światła obejmują diody podczerwieni, diody widzialne, miniaturowe żarówki i diody laserowe.  

 2. Magnetyczne

Magnetyczne enkodery liniowe  wykorzystują skalę aktywną (namagnesowaną) lub pasywną (zmienna reluktancja), a położenie może być wykrywane za pomocą cewek czujnikowych, efektu Halla lub głowic magnetorezystancyjnych. Przy grubszych okresach skali niż enkodery optyczne (zwykle od kilkuset mikrometrów do kilku milimetrów) normą są rozdzielczości rzędu mikrometra.

3 .Pojemnościowe

Pojemnościowe enkodery liniowe działają poprzez wykrywanie pojemności między czytnikiem a wagą. Typowe zastosowania to suwmiarki cyfrowe. Jedną z wad jest wrażliwość na zanieczyszczenia , które moga lokalnie zmienić względną przenikalność.  

4. Indukcyjne

Technologia indukcyjna jest odporna na zanieczyszczenia, dzięki czemu suwmiarki i inne narzędzia pomiarowe są odporne na działanie chłodziwa. Dobrze znanym zastosowaniem indukcyjnej zasady pomiaru jest Inductosyn (rodzaj indukcyjnego czujnika położenia).

 Inductosyn

 5.Prąd wirowy

Patent USA 3820110, „Cyfrowy enkoder typu prądów wirowych i odniesienie pozycji”, podaje przykład tego typu enkodera, który wykorzystuje skalę kodowaną z materiałów niemagnetycznych o wysokiej i niskiej przepuszczalności, która jest wykrywana i dekodowana przez monitorowanie zmian Bez łusek Optyczny czujnik obrazu Czujniki oparte są na metodzie korelacji obrazu. Czujnik wykonuje kolejne zdjęcia z mierzonej powierzchni i porównuje obrazy pod kątem przemieszczenia. Możliwe są rozdzielczości do nanometra.

   Istnieją dwa główne obszary zastosowania enkoderów liniowych:  

1. Pomiar

Zastosowania pomiarowe obejmują współrzędnościowe maszyny pomiarowe (CMM), skanery laserowe, suwmiarki, pomiary kół zębatych, testery napięcia i odczyty cyfrowe (DRO).  

2. Systemy ruchu

Systemy ruchu sterowane serwo wykorzystują enkoder liniowy, aby zapewnić dokładny, szybki ruch. Typowe zastosowania obejmują robotykę, obrabiarki, sprzęt do montażu płytek PCB typu pick-and-place; sprzęt do obsługi i testowania półprzewodników, spawarki do drutu, drukarki i prasy cyfrowe.    

Enkodery liniowe mogą mieć wyjścia analogowe lub cyfrowe.  

Wyjścia Analogowe ( sinus i cosinus ) 

Standardem przemysłowym, wyjściem analogowym dla enkoderów liniowych są sygnały kwadraturowe sinus i cosinus. Są one zwykle przesyłane w sposób różnicowy, aby poprawić odporność na zakłócenia. Wczesnym standardem przemysłowym były sygnały prądu szczytowo-szczytowego 12 μA, ale ostatnio został on zastąpiony sygnałami napięciowymi 1V. W porównaniu z transmisją cyfrową mniejsza szerokość pasma sygnałów analogowych pomaga zminimalizować emisje EMC.   Sygnały sinusoidalne/cosinusoidalne kwadraturowe można łatwo monitorować za pomocą oscyloskopu w trybie XY, aby wyświetlić kołową figurę Lissajous. Sygnały o najwyższej dokładności są uzyskiwane, gdy figura Lissajous jest kołowa (brak wzmocnienia lub błędu fazy) i jest idealnie wyśrodkowana. Nowoczesne systemy koderów wykorzystują obwody do automatycznego korygowania tych mechanizmów błędów. Całkowita dokładność enkodera liniowego jest kombinacją dokładności skali i błędów wprowadzanych przez głowicę odczytową. Wkład skali do budżetu błędu obejmuje liniowość i nachylenie (błąd współczynnika skalowania). Mechanizmy błędów głowicy odczytu są zwykle opisywane jako błąd cykliczny lub błąd podpodziałowy (SDE), ponieważ powtarzają się w każdym okresie skali. Największym czynnikiem przyczyniającym się do niedokładności głowicy odczytowej jest przesunięcie sygnału, a następnie nierównowaga sygnału (eliptyczność) i błąd fazy (sygnały kwadraturowe nie są dokładnie od siebie o 90°). Ogólny rozmiar sygnału nie wpływa na dokładność kodera, jednak stosunek sygnału do szumu  mogą się pogorszyć przy mniejszych sygnałach. Mechanizmy automatycznej kompensacji sygnału mogą obejmować automatyczną kompensację offsetu (AOC), automatyczną kompensację balansu (ABC) i automatyczną kontrolę wzmocnienia (AGC). Faza jest trudniejsza do kompensacji dynamicznej i jest zwykle stosowana jako jednorazowa kompensacja podczas instalacji lub kalibracji. Inne formy niedokładności obejmują zniekształcenia sygnału (często zniekształcenia harmoniczne sygnałów sinusoidalnych/cosinusoidalnych).indukcyjności obwodu prądu przemiennego, który zawiera czujnik cewki indukcyjnej. Maxon tworzy przykładowy produkt (enkoder obrotowy).

Wyjścia sinus i cosinus.

Cyfrowy ( Kanały kwadraturowe A i B)

Liniowy enkoder przyrostowy ma dwa cyfrowe sygnały wyjściowe, A i B, które generują kwadraturowe fale prostokątne. W zależności od wewnętrznego mechanizmu, enkoder może wyprowadzać A i B bezpośrednio z czujników, które są zasadniczo cyfrowe, lub może interpolować swoje wewnętrzne, analogowe sygnały sinusoidalne/cosinusoidalne. W tym drugim przypadku proces interpolacji skutecznie dzieli okres skali i dzięki temu osiąga wyższą rozdzielczość pomiaru.   W obu przypadkach enkoder wygeneruje kwadraturowe fale prostokątne, a odległość między krawędziami dwóch kanałów będzie rozdzielczością enkodera. Znak odniesienia lub impuls indeksujący jest również wyprowadzany w postaci cyfrowej, jako impuls o szerokości od jednej do czterech jednostek rozdzielczości. Sygnały wyjściowe mogą być przesyłane bezpośrednio do interfejsu cyfrowego enkodera przyrostowego w celu śledzenia pozycji.   Głównymi zaletami liniowych enkoderów inkrementalnych są zwiększona odporność na zakłócenia, wysoka dokładność pomiaru i raportowanie zmian pozycji z małym opóźnieniem. Jednak wysokie częstotliwości i szybkie zbocza sygnału mogą powodować większe emisje EMC.

Kanały kwadraturowe A i B

 Oprócz analogowych lub cyfrowych przyrostowych sygnałów wyjściowych, enkodery liniowe mogą dostarczać bezwzględne sygnały odniesienia lub sygnały pozycjonowania.  

Znak referencyjny Większość inkrementalnych enkoderów liniowych może generować impuls indeksu lub znaku referencyjnego, zapewniając położenie odniesienia wzdłuż skali do użycia przy włączaniu lub po utracie zasilania. Ten sygnał indeksu musi być w stanie zidentyfikować pozycję w jednym, unikalnym okresie skali. Znak odniesienia może zawierać pojedynczą cechę na skali, wzór autokorelatora (zazwyczaj kod Barkera) lub wzór świergotania.   Znaczniki odniesienia z kodowaniem odległości (DCRM) są umieszczane na skali w unikalnym wzorze umożliwiającym minimalny ruch (zwykle przesuwanie się poza dwa znaczniki odniesienia) w celu zdefiniowania położenia głowicy odczytowej. Na skali można również umieścić wiele równomiernie rozmieszczonych znaczników odniesienia, tak że po instalacji można wybrać żądany znacznik - zwykle za pomocą magnesu lub optycznie lub niechcianych odznaczyć za pomocą etykiet lub przez zamalowanie.  

Kod bezwzględny Dzięki odpowiednio zakodowanym wagom (wielościeżkowym, noniuszowym, cyfrowym lub pseudolosowym) enkoder może określić swoją pozycję bez ruchu lub bez konieczności znajdowania pozycji referencyjnej. Takie enkodery absolutne komunikują się również za pomocą protokołów komunikacji szeregowej. Wiele z tych protokołów jest zastrzeżonych (np. Fanuc, Mitsubishi, FeeDat (Fagor Automation), Heidenhain EnDat, DriveCliq, Panasonic, Yaskawa), ale obecnie pojawiają się otwarte standardy, takie jak BiSS, które pozwalają uniknąć wiązania użytkowników z konkretnym dostawcą.

  Wyłączniki krańcowe Wiele enkoderów liniowych zawiera wbudowane wyłączniki krańcowe; albo optyczny, albo magnetyczny. Często dołączone są dwa wyłączniki krańcowe, dzięki którym po włączeniu sterownik może określić, czy enkoder znajduje się na końcu ruchu i w jakim kierunku napędzać oś.

  Fizyczny układ i ochrona Enkodery liniowe mogą być zamknięte lub otwarte. Zamknięte enkodery liniowe są stosowane w brudnych, nieprzyjaznych środowiskach, takich jak obrabiarki. Zawierają one zazwyczaj wytłoczkę aluminiową obejmującą skalę szklaną lub metalową. Elastyczne uszczelki wargowe umożliwiają wewnętrznej, prowadzonej głowicy odczytowej odczyt skali. Dokładność jest ograniczona ze względu na tarcie i histerezę narzucone przez ten układ mechaniczny.   Aby uzyskać najwyższą dokładność, najniższą histerezę pomiaru i aplikacje o najniższym współczynniku tarcia, stosowane są otwarte enkodery liniowe.   Enkodery liniowe mogą wykorzystywać skalę transmisyjną (szklaną) lub refleksyjną, wykorzystującą siatki Ronchi lub fazy. Materiały skalujące to chrom na szkle, metal (stal nierdzewna, stal pozłacana, Invar), ceramika (Zerodur) i tworzywa sztuczne. Skala może być samonośna, montowana termicznie do podłoża (za pomocą kleju lub taśmy samoprzylepnej) lub montowana na szynie. Montaż na szynie może umożliwić wadze utrzymanie własnego współczynnika rozszerzalności cieplnej i umożliwia rozłożenie dużych urządzeń na czas transportu.