Lineární kodér - Linear encoder

Tři typické lineární optické kodéry
Vizualizace magnetických struktur lineárního kodéru (zaznamenaná pomocí MagView).

Lineární snímač je snímač, snímač nebo čtecí hlava spárována s stupnice , která kóduje pozici. Senzor čte stupnici za účelem převodu kódované polohy na analogový nebo digitální signál , který lze poté dekódovat do polohy pomocí digitálního odečtu (DRO) nebo pohybového ovladače.

Kodér může být přírůstkový nebo absolutní . Pohyb lze určit změnou polohy v čase. Technologie lineárního kodéru zahrnují optický, magnetický, indukční, kapacitní a vířivý proud . Mezi optické technologie patří stín, automatické zobrazování a interferometrie . Lineární kodéry se používají v metrologických nástrojích, pohybových systémech, inkoustových tiskárnách a vysoce přesných obráběcích nástrojích od digitálních posuvných měřítek a souřadnicových měřicích strojů až po stolky, CNC frézky , výrobu portálových stolů a polovodičových krokovačů .

Fyzikální princip

Lineární kodéry jsou snímače, které pro kódování polohy využívají mnoho různých fyzikálních vlastností:

Měřítko / referenční hodnota

Optický

Optické lineární kodéry dominují na trhu s vysokým rozlišením a mohou využívat principy bednění / moaré , difrakce nebo holografické principy. Optické kodéry jsou nejpřesnější ze standardních stylů kodérů a nejčastěji se používají v aplikacích průmyslové automatizace. Při specifikaci optického kodéru je důležité, aby kodér měl zabudovanou další ochranu, která zabrání kontaminaci prachem, vibracemi a dalšími podmínkami běžnými v průmyslovém prostředí. Typické přírůstkové periody se pohybují od stovek mikrometrů až po submikrometry. Interpolace může poskytnout rozlišení tak jemná jako nanometr.

Optický lineární kodér namontovaný na souřadnicovém měřicím stroji Mitutoyo

Mezi použité zdroje světla patří infračervené LED diody , viditelné LED diody, miniaturní žárovky a laserové diody .

Magnetický

Magnetické lineární kodéry využívají buď aktivní (magnetizované), nebo pasivní (variabilní reluktance) stupnice a poloha může být snímána pomocí snímacích cívek, Hallova jevu nebo magnetorezistivních čtecích hlav. S periodami hrubšího měřítka než u optických kodérů (obvykle několik set mikrometrů až několik milimetrů) jsou rozlišení v řádu mikrometrů normou.

Kapacitní

Kapacitní lineární kodéry fungují snímáním kapacity mezi čtečkou a stupnicí. Typickými aplikacemi jsou digitální posuvná měřítka. Jednou z nevýhod je citlivost na nerovnoměrné nečistoty, které mohou lokálně změnit relativní permitivitu .

Induktivní

Indukční technologie je odolná vůči nečistotám, což umožňuje posuvné měřítko a další měřicí nástroje, které jsou odolné vůči chladicí kapalině. Známou aplikací principu indukčního měření je Inductosyn.

Vířivý proud

US patent 3820110, „Digitální kodér typu vířivých proudů a reference polohy“, uvádí příklad tohoto typu kodéru, který používá stupnici kódovanou nemagnetickými materiály s vysokou a nízkou permeabilitou, která je detekována a dekódována sledováním změn indukčnosti obvodu střídavého proudu, který zahrnuje indukční snímač cívky. Maxon vyrábí ukázkový produkt (rotační kodér) (kodér MILE).

Bez váhy

Optický obrazový snímač

Senzory jsou založeny na metodě korelace obrazu. Senzor pořizuje následné obrázky z měřeného povrchu a porovnává obrazy z hlediska posunutí. Je možné rozlišení až na nanometr.

Aplikace

Existují dvě hlavní oblasti použití lineárních kodérů:

Měření

Mezi aplikace pro měření patří souřadnicové měřicí stroje (CMM), laserové skenery , posuvná měřítka , měření převodů , zkoušečky napětí a digitální odečty (DRO).

Pohybové systémy

Servo řízené pohybové systémy využívají lineární enkodér, aby poskytovaly přesný a vysokorychlostní pohyb. Typické aplikace zahrnují robotiku , obráběcí stroje , montážní zařízení plošných spojů typu pick-and-place ; manipulační a testovací zařízení polovodičů, drátové vazače , tiskárny a digitální lisy .

Formáty výstupního signálu

Inkrementální signály

Lineární kodéry mohou mít analogové nebo digitální výstupy.

Analogový

Výstupy sinus a kosinus.

Průmyslovým standardem, analogovým výstupem pro lineární snímače je sinusový a kosinový kvadraturní signál. Obvykle se přenášejí odlišně, aby se zlepšila odolnost proti rušení. Časný průmyslový standard byl 12 μA špičkové proudové signály, ale v poslední době to bylo nahrazeno 1V špičkovými napěťovými signály. Ve srovnání s digitálním přenosem pomáhá nižší šířka pásma analogových signálů minimalizovat emise EMC .

Kvadraturní sinusové / kosinové signály lze snadno sledovat pomocí osciloskopu v režimu XY k zobrazení kruhové Lissajousovy postavy . Signály s nejvyšší přesností jsou získány, pokud je Lissajousova postava kruhová (bez zisku nebo fázové chyby) a dokonale vycentrovaná. Moderní systémy kódovacích zařízení používají obvody k automatickému ořezávání těchto chybových mechanismů. Celková přesnost lineárního kodéru je kombinací přesnosti měřítka a chyb způsobených čtecí hlavou. Příspěvky v měřítku do rozpočtu chyb zahrnují linearitu a sklon (chyba měřítka). Mechanismy chyby čtecí hlavy jsou obvykle popisovány jako cyklická chyba nebo sub-divizní chyba (SDE) , protože opakují každé období stupnice. Největším přispěvatelem k nepřesnosti čtecích hlav je offset signálu, následovaný nerovnováhou signálu (elipticita) a fázovou chybou (kvadraturní signály nejsou od sebe vzdáleny přesně 90 °). Celková velikost signálu neovlivňuje přesnost kodéru, avšak výkon signálu od šumu a chvění se může snížit u menších signálů. Mechanismy automatické kompenzace signálu mohou zahrnovat automatickou kompenzaci offsetu (AOC), automatickou kompenzaci vyvážení (ABC) a automatickou kontrolu zisku (AGC) . Fáze je obtížnější dynamicky kompenzovat a obvykle se používá jako jednorázová kompenzace během instalace nebo kalibrace. Mezi další formy nepřesnosti patří zkreslení signálu (často harmonické zkreslení sinusových / kosinových signálů).

Digitální

Kvadraturní kanály A a B.

Lineární inkrementální kodér má dva digitální výstupní signály, A a B, které vydávají kvadraturní čtvercové vlny. V závislosti na svém vnitřním mechanismu může kodér odvodit A a B přímo ze senzorů, které jsou v zásadě digitální, nebo může interpolovat své vnitřní analogové signály sinus / kosinus. V druhém případě interpolační proces efektivně rozděluje periodu stupnice a tím dosahuje vyššího rozlišení měření .

V obou případech bude kodér vydávat kvadraturní obdélníkové vlny, přičemž vzdálenost mezi hranami dvou kanálů bude rozlišení kodéru. Referenční značka nebo indexový puls je také vydáván v digitální formě jako puls, který je široký od jedné do čtyř jednotek rozlišení. Výstupní signály mohou být přímo přenášeny na rozhraní digitálního inkrementálního kodéru pro sledování polohy.

Mezi hlavní výhody lineárních inkrementálních kodérů patří vylepšená odolnost proti šumu, vysoká přesnost měření a hlášení změn polohy s nízkou latencí. Vysokofrekvenční a rychlé hrany signálu však mohou produkovat více emisí EMC.

Absolutní referenční signály

Stejně jako analogové nebo digitální inkrementální výstupní signály mohou lineární snímače poskytovat absolutní referenční nebo poziční signály.

Referenční značka

Většina inkrementálních lineárních kodérů může produkovat puls indexu nebo referenční značky poskytující nulovou polohu podél stupnice pro použití při zapnutí nebo po ztrátě energie. Tento indexový signál musí být schopen identifikovat polohu v rámci jedné jedinečné periody stupnice. Referenční značka může obsahovat jeden prvek na stupnici, vzor autokorektoru (obvykle Barkerův kód ) nebo vzor chirpu .

Distančně kódované referenční značky (DCRM) jsou umístěny na stupnici v jedinečném vzoru umožňujícím minimální pohyb (obvykle pohybující se kolem dvou referenčních značek) k definování polohy čtecí hlavy. Na měřítko lze také umístit více rovnoměrně rozmístěných referenčních značek, takže po instalaci lze požadovanou značku buď vybrat - obvykle pomocí magnetu nebo opticky nebo nechtěně zrušit výběr pomocí štítků nebo přelakovat.

Absolutní kód

S vhodně zakódovanými stupnicemi (vícestopý, vernierový , digitální kód nebo pseudonáhodný kód) může kodér určit svou polohu bez pohybu nebo nutnosti najít referenční polohu. Takové absolutní kodéry také komunikují pomocí sériových komunikačních protokolů. Mnoho z těchto protokolů je proprietární (např. Fanuc, Mitsubishi, FeeDat (Fagor Automation), Heidenhain EnDat, DriveCliq, Panasonic, Yaskawa), ale nyní se objevují otevřené standardy jako BiSS , které zabraňují vázání uživatelů ke konkrétnímu dodavateli.

Koncové spínače

Mnoho lineárních kodérů obsahuje zabudované koncové spínače; optické nebo magnetické. Často jsou zahrnuty dva koncové spínače , takže při zapnutí může řídicí jednotka určit, zda je kodér na konci dráhy a ve kterém směru pohnout osu.

Fyzické uspořádání a ochrana

Lineární kodéry mohou být uzavřené nebo otevřené . Uzavřené lineární snímače se používají ve špinavých a nepřátelských prostředích, jako jsou obráběcí stroje. Obvykle obsahují vytlačování hliníku obklopující skleněnou nebo kovovou stupnici. Pružná těsnění na rty umožňují vnitřní stupnici číst vnitřní čárku. Přesnost je omezena kvůli tření a hysterezi vyvolané tímto mechanickým uspořádáním.

Pro nejvyšší přesnost, nejnižší hysterezi měření a aplikace s nejnižším třením se používají otevřené lineární snímače.

Lineární kodéry mohou používat transmisivní (skleněné) nebo reflexní váhy využívající Ronchiho nebo fázové mřížky . Mezi měřítkové materiály patří chrom na skle, kov (nerezová ocel, pozlacená ocel, Invar ), keramika ( Zerodur ) a plasty. Stupnice může být samonosná, tepelně upravená k podkladu (pomocí lepidla nebo lepicí pásky) nebo namontovaná na kolejnici . Upevnění koleje může váze umožnit udržení vlastního koeficientu tepelné roztažnosti a umožňuje rozebrat velké zařízení pro přepravu.

Podmínky kodéru

Viz také

Reference

Další čtení

  • Nyce, David S. (2003). Lineární snímače polohy: teorie a aplikace . New Jersey, USA: John Wiley & Sons Inc.
  • Hans, Walcher (1994). Snímání polohy: Měření úhlu a vzdálenosti pro inženýry . Butterworth-Heinemann .