stringtranslate.com

Линейный энкодер

Три типичных линейных оптических энкодера
Визуализация магнитных структур линейного энкодера (записано с помощью MagView).

Линейный энкодер — это датчик, преобразователь или считывающая головка, соединенная со шкалой , которая кодирует положение. Датчик считывает шкалу, чтобы преобразовать закодированное положение в аналоговый или цифровой сигнал , который затем можно декодировать в положение с помощью цифрового считывателя (DRO) или контроллера движения.

Энкодер может быть инкрементальным или абсолютным. В инкрементной системе положение определяется движением во времени; напротив, в абсолютной системе движение определяется положением во времени. Технологии линейных энкодеров включают оптические, магнитные, индуктивные, емкостные и вихретоковые . Оптические технологии включают теневые, самовизуальные и интерферометрические . Линейные энкодеры используются в метрологических приборах, системах перемещения, струйных принтерах и высокоточных обрабатывающих инструментах: от цифровых штангенциркулей и координатно-измерительных машин до столов, фрезерных станков с ЧПУ , производственных портальных столов и полупроводниковых шаговых механизмов .

Физический принцип

Линейные энкодеры — это преобразователи, которые используют множество различных физических свойств для кодирования положения:

На основе масштаба/ссылки

Оптический

Оптические линейные энкодеры доминируют на рынке высокого разрешения и могут использовать принципы затвора/ муара , дифракции или голографии . Оптические энкодеры являются наиболее точными из стандартных энкодеров и наиболее часто используются в приложениях промышленной автоматизации. При выборе оптического энкодера важно, чтобы он имел встроенную дополнительную защиту для предотвращения загрязнения пылью, вибрацией и другими условиями, характерными для промышленных сред. Типичные периоды приращения шкалы варьируются от сотен микрометров до субмикрометров. Интерполяция может обеспечить разрешение до нанометра.

Оптический линейный энкодер, установленный на Mitutoyo CMM

Используемые источники света включают инфракрасные светодиоды , видимые светодиоды, миниатюрные лампочки и лазерные диоды .

Магнитный

В магнитных линейных энкодерах [1] используются либо активные (намагниченные), либо пассивные (с переменным магнитным сопротивлением) шкалы, а положение может определяться с помощью сенсорных катушек, датчиков Холла или магниторезистивных считывающих головок. При более крупных периодах шкалы, чем у оптических энкодеров (обычно от нескольких сотен микрометров до нескольких миллиметров), нормой является разрешение порядка микрометра.

Емкостный

Емкостные линейные энкодеры работают, измеряя емкость между считывателем и шкалой. Типичным применением являются цифровые штангенциркули. Одним из недостатков является чувствительность к неровной грязи, которая может локально изменить относительную диэлектрическую проницаемость .

Индуктивный

Индуктивная технология устойчива к загрязнениям, что позволяет использовать штангенциркули и другие измерительные инструменты, устойчивые к охлаждающей жидкости. [2] Хорошо известным применением индуктивного принципа измерения является Inductosyn. [3]

вихревой ток

В патенте США 3820110 «Цифровой энкодер вихретокового типа и опорное положение» приведен пример энкодера этого типа, в котором используется шкала с кодировкой немагнитных материалов с высокой и низкой проницаемостью, которая обнаруживается и декодируется путем мониторинга изменений индуктивности. цепи переменного тока, включающей индуктивный датчик катушки. Maxon производит пример продукта (поворотный энкодер) (энкодер MILE). [4]

Без весов

Оптический датчик изображения

Датчики основаны на методе корреляции изображений. Датчик делает последующие снимки измеряемой поверхности и сравнивает изображения на предмет смещения. [5] Возможны разрешения вплоть до нанометра. [6]

Приложения

Существует две основные области применения линейных энкодеров:

Измерение

Измерительные приложения включают координатно-измерительные машины (КИМ), лазерные сканеры , штангенциркули , устройства для измерения зубчатых колес, [7] тестеры натяжения и цифровые устройства считывания показаний (DRO).

Системы движения

В системах движения с сервоуправлением используется линейный энкодер, обеспечивающий точное и высокоскоростное движение. Типичные области применения включают робототехнику , станки , оборудование для сборки печатных плат; оборудование для обработки и тестирования полупроводников, устройства для склеивания проводов , принтеры и цифровые печатные машины . [8]

Форматы выходного сигнала

Инкрементные сигналы

Линейные энкодеры могут иметь аналоговые или цифровые выходы.

Аналоговый

Синусоидальные и косинусоидальные выходы.

Стандартным аналоговым выходом линейных энкодеров являются синусоидальные и косинусоидальные квадратурные сигналы. Обычно они передаются дифференциально , чтобы улучшить помехозащищенность. Ранним отраслевым стандартом были сигналы пикового тока 12 мкА, но в последнее время он был заменен сигналами пикового напряжения 1 В. По сравнению с цифровой передачей меньшая полоса пропускания аналоговых сигналов помогает минимизировать электромагнитные излучения.

Квадратурные синусоидальные/косинусные сигналы можно легко отслеживать с помощью осциллографа в режиме XY для отображения круглой фигуры Лиссажу . Сигналы с наивысшей точностью получаются, если фигура Лиссажу имеет круглую форму (без усиления или фазовой ошибки) и идеально центрирована. Современные системы кодирования используют схемы для автоматической коррекции этих механизмов ошибок. Общая точность линейного энкодера представляет собой комбинацию точности шкалы и ошибок, вносимых считывающей головкой. Вклад масштаба в бюджет ошибок включает линейность и наклон (ошибку масштабного коэффициента). Механизмы ошибок считывающей головки обычно описываются как циклическая ошибка или ошибка подразделения (SDE), поскольку они повторяются каждый период масштабирования. Наибольший вклад в погрешность считывающей головки вносит смещение сигнала, за которым следует дисбаланс сигнала (эллиптичность) и фазовая ошибка (квадратурные сигналы не расположены точно на 90° друг от друга). Общий размер сигнала не влияет на точность энкодера, однако соотношение сигнал/шум и джиттер могут ухудшаться при использовании сигналов меньшего размера. Механизмы автоматической компенсации сигнала могут включать автоматическую компенсацию смещения (AOC), автоматическую компенсацию баланса (ABC) и автоматическую регулировку усиления (AGC) . Фазовую компенсацию сложнее динамически компенсировать, и она обычно применяется в качестве однократной компенсации во время установки или калибровки. Другие формы неточности включают искажение сигнала (часто гармоническое искажение синусоидальных/косинусоидальных сигналов).

Цифровой

Квадратурные каналы A и B

Линейный инкрементный энкодер имеет два цифровых выходных сигнала, A и B, которые выдают квадратурные прямоугольные импульсы. В зависимости от своего внутреннего механизма кодер может получать A и B непосредственно от датчиков, которые по сути являются цифровыми по своей природе, или может интерполировать свои внутренние аналоговые синусоидальные/косинусоидальные сигналы. В последнем случае процесс интерполяции эффективно разделяет период шкалы и тем самым обеспечивает более высокое разрешение измерения .

В любом случае кодер будет выводить квадратурные прямоугольные сигналы, при этом расстояние между краями двух каналов будет разрешением кодера. Референтная метка или индексный импульс также выводятся в цифровой форме, как импульс шириной от одной до четырех единиц разрешения. Выходные сигналы могут передаваться непосредственно на интерфейс цифрового инкрементального энкодера для отслеживания положения.

Основными преимуществами линейных инкрементальных энкодеров являются повышенная помехоустойчивость, высокая точность измерений и сообщение об изменениях положения с малой задержкой. Однако высокочастотные и быстрые фронты сигнала могут привести к усилению ЭМС-излучений.

Абсолютные опорные сигналы

Помимо аналоговых или цифровых инкрементных выходных сигналов, линейные энкодеры могут обеспечивать сигналы абсолютного задания или позиционирования.

Контрольная отметка

Большинство инкрементных линейных энкодеров могут генерировать импульс индексной или референтной метки, обеспечивая исходное положение по шкале для использования при включении питания или после его отключения. Этот индексный сигнал должен позволять идентифицировать положение в пределах одного уникального периода шкалы. Контрольная метка может содержать один элемент шкалы, шаблон автокоррелятора (обычно код Баркера ) или шаблон ЛЧМ .

Референтные метки с кодировкой расстояния (DCRM) размещаются на шкале по уникальному шаблону, позволяющему минимальное движение (обычно перемещение мимо двух референтных меток) для определения положения считывающей головки. На шкале также можно разместить несколько контрольных меток, расположенных на равном расстоянии друг от друга, так что после установки нужный маркер можно будет либо выбрать - обычно с помощью магнита, либо оптически или ненужные отметки отменить с помощью меток или закрасить.

Абсолютный код

С помощью соответствующим образом закодированных шкал (многодорожечных, нониусных , цифровых кодов или псевдослучайных кодов) энкодер может определять свое положение без перемещения или необходимости находить опорное положение. Такие абсолютные энкодеры также обмениваются данными, используя протоколы последовательной связи. Многие из этих протоколов являются проприетарными (например, Fanuc, Mitsubishi, FeeDat (Fagor Automation), Heidenhain EnDat, DriveCliq, Panasonic, Yaskawa), но сейчас появляются открытые стандарты, такие как BiSS [9] , которые позволяют избежать привязки пользователей к конкретному поставщику.

Концевые выключатели

Многие линейные энкодеры имеют встроенные концевые выключатели; оптический или магнитный. Часто включаются два концевых выключателя , так что при включении питания контроллер может определить, находится ли энкодер в конце хода и в каком направлении двигать ось.

Физическое расположение и защита

Линейные энкодеры могут быть закрытыми или открытыми . Закрытые линейные энкодеры используются в грязных и агрессивных средах, таких как станки. Обычно они представляют собой алюминиевый профиль, заключенный в стеклянную или металлическую шкалу. Гибкие манжетные уплотнения позволяют внутренней направляемой считывающей головке считывать шкалу. Точность ограничена из-за трения и гистерезиса, возникающих из-за этого механического устройства.

Для обеспечения высочайшей точности, минимального гистерезиса измерения и минимального трения используются открытые линейные энкодеры.

В линейных энкодерах могут использоваться пропускающие (стеклянные) или отражательные шкалы с применением решеток Ронки или фазовых решеток . Материалы шкалы включают хром на стекле, металл (нержавеющая сталь, позолоченная сталь, инвар ), керамика ( Zerodur ) и пластик. Шкала может быть самонесущей, термически прикрепленной к подложке (с помощью клейкой ленты или липкой ленты) или прикрепленной к направляющей . Монтаж на гусеничном ходу может позволить весам сохранять собственный коэффициент теплового расширения и позволяет разбирать крупногабаритное оборудование для транспортировки.

Условия кодирования

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Линейные магнитные энкодеры». СБН. Архивировано из оригинала 10 октября 2009 г. Проверено 30 октября 2009 г.
  2. ^ "Микрометр для проверки охлаждающей жидкости суппорта ABS" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 3 ноября 2013 г. Проверено 15 ноября 2011 г.
  3. ^ "Баровая шкала". Ruhle Companies, Inc. 9 марта 2015 г. Архивировано из оригинала 27 мая 2020 г. Проверено 27 мая 2020 г.
  4. ^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 13 августа 2010 г. Проверено 5 ноября 2009 г.{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )
  5. ^ "ИНТАКТОН ФРАБА". ФРАБА, Инк. 23 апреля 2012 г. Архивировано из оригинала 25 апреля 2012 г. Проверено 2 ноября 2011 г.
  6. ^ «MICSYS — 2D-датчик наноразрешения» (PDF) . Цифровые весы и системы УЦИ. Митутойо. Сентябрь 2009 г. Бюллетень № 1976. Архивировано из оригинала (PDF) 13 октября 2011 г. Проверено 15 ноября 2011 г.
  7. ^ «Производство зубчатых колес - Промышленность - Wenzel UK - Координатно-измерительные машины - CMM» . Венцель CMM. Архивировано из оригинала 28 марта 2009 г. Проверено 28 октября 2009 г.
  8. ^ «Цифровые печатные машины Océ Production — цветные высокоскоростные принтеры» . Архивировано из оригинала 10 октября 2009 г. Проверено 29 октября 2009 г.
  9. ^ «Интерфейс BiSS».

дальнейшее чтение