Линейный энкодер

— 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, начиная от цифровых штангенциркулей и координатно-измерительных машин и заканчивая этапами, фрезерными станками с ЧПУ , производственными портальными столами и полупроводниковыми шаговыми механизмами .

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 затвора/ муара , дифракции или голографии принципы . 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.

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

Магнитный

Магнитные линейные энкодеры ^[1] используются либо активные (намагниченные), либо пассивные (переменное сопротивление) шкалы, и положение может определяться с помощью сенсорных катушек, эффекта Холла или магниторезистивных считывающих головок. При более грубых 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 , 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 помехоустойчивость. 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/косинусоидальные 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 в себя автоматическая компенсация смещения (AOC), автоматическая компенсация баланса (ABC) и автоматическая регулировка усиления (AGC) . Фазовую компенсацию сложнее динамически компенсировать, и она обычно применяется в качестве однократной компенсации во время установки или калибровки. Другие формы неточностей включают искажение сигнала (часто гармоническое искажение синусоидальных/косинусоидальных сигналов).

Цифровой

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 абсолютного сигналы задания или позиционирования.

Контрольная отметка

Большинство инкрементальных 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 будут отменены с помощью меток или закрашены.

Абсолютный код

С помощью шкал с соответствующим кодированием (многодорожечный, нониусный , цифровой код или псевдослучайный код) 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 являются открытыми стандартами, такими как BiSS. ^[9] сейчас появляются, позволяющие избежать привязки пользователей к конкретному поставщику.

Концевые выключатели

Многие линейные энкодеры имеют встроенные концевые выключатели; оптический или магнитный. Часто включаются два концевых выключателя , чтобы при включении питания контроллер мог определить, находится ли энкодер в конце пути и в каком направлении двигаться по оси.

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, содержащий 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 использованием 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

Разрешение
Повторяемость
Гистерезис
Отношение сигнал/шум / шум / дрожание
Фигура Лиссажу
Квадратура
Индекс/референтная метка/база/ метка
Референтные метки с кодировкой расстояния (DCRM)

См. также

Поворотный энкодер

Ссылки

^ «Линейные магнитные энкодеры» . СБН. Архивировано из оригинала 10 октября 2009 г. Проверено 30 октября 2009 г.
^ «Микрометр для проверки охлаждающей жидкости штангенциркуля ABS» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 3 ноября 2013 г. Проверено 15 ноября 2011 г.
^ «Баровая шкала» . Ruhle Companies, Inc. 9 марта 2015 г. Архивировано из оригинала 27 мая 2020 г. Проверено 27 мая 2020 г.
^ «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 )
^ «ИНТАКТОН ФРАБА» . ФРАБА, Инк. 23 апреля 2012 г. Архивировано из оригинала 25 апреля 2012 г. Проверено 2 ноября 2011 г.
^ «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.
^ «Производство зубчатых колес – Промышленность – Wenzel UK – Координатно-измерительные машины – КИМ» . Венцель CMM. Архивировано из оригинала 28 марта 2009 г. Проверено 28 октября 2009 г.
^ «Цифровые печатные машины Océ Production — цветные высокоскоростные принтеры» . Архивировано из оригинала 10 октября 2009 г. Проверено 29 октября 2009 г.
^ «Интерфейс БиСС» .

Дальнейшее чтение

Найс, Дэвид С. (2003). Датчики линейного положения: теория и применение . Нью-Джерси, США: John Wiley & Sons Inc.
Ганс, Вальхер (1994). Определение положения: измерение угла и расстояния для инженеров . Баттерворт-Хайнеманн .

[R1-1] «Линейные магнитные энкодеры» . СБН. Архивировано из оригинала 10 октября 2009 г. Проверено 30 октября 2009 г.

[R2-2] «Микрометр для проверки охлаждающей жидкости штангенциркуля ABS» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 3 ноября 2013 г. Проверено 15 ноября 2011 г.

[R3-3] «Баровая шкала» . Ruhle Companies, Inc. 9 марта 2015 г. Архивировано из оригинала 27 мая 2020 г. Проверено 27 мая 2020 г.

[R4-4] «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 )

[R5-5] «ИНТАКТОН ФРАБА» . ФРАБА, Инк. 23 апреля 2012 г. Архивировано из оригинала 25 апреля 2012 г. Проверено 2 ноября 2011 г.

[R6-6] «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.

[R7-7] «Производство зубчатых колес – Промышленность – Wenzel UK – Координатно-измерительные машины – КИМ» . Венцель CMM. Архивировано из оригинала 28 марта 2009 г. Проверено 28 октября 2009 г.

[R8-8] «Цифровые печатные машины Océ Production — цветные высокоскоростные принтеры» . Архивировано из оригинала 10 октября 2009 г. Проверено 29 октября 2009 г.

[R9-9] «Интерфейс БиСС» .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]