Датчик угла поворота

Содержание Введение

1. Примеры энкодеров различных серий

1.1 Инкрементальный энкодер E30S

1.2 Инкрементальный энкодер серии ENA

1.3 Абсолютный энкодер серии ENP

1.4 Инкрементальный энкодер с серии ENC

2. Применение

3. Энкодеры Sendix

Вывод

Введение

Датчиками угла поворота или энкодерами называют устройства, при помощи которых можно определять положение вращающихся валов. Различают инкрементальные (инкрементные) энкодеры и абсолютные энкодеры. Инкрементальные энкодеры имеют импульсные выход, при повороте на определённый угол на выходе генерируется импульс напряжения. На выходе у абсолютных энкодеров генерируется цифровой код уникальный для каждого положения вала. Помимо контроля положения вращающихся валов, при помощи энкодеров можно ещё измерять длину, расстояние (инкрементальный энкодер с мерным колесом), или задавать перемещение инструмента на станке с ЧПУ в ручном режиме (инкрементальный энкодер штурвал).

Принцип работы энкодеров проиллюстрирован на рисунке 1. Оптический энкодер состоит из тонкого оптического диска и стационарного блока — измерительной головки, включающей в себя источник света и фотодетектор. Оптический диск включает поверхность из прозрачных и непрозрачных участков. Маркерами могут быть, например, отверстия в металлическом листе или метки на стеклянном диске. При вращении диска, в зависимости от его типа, маркеры пропускают или перекрывают луч света, направленный от светового источника к фотоприемнику.

Фотодетектор генерирует сигнал частотой, равной частоте следования кодовых элементов, в цифровой форме или аналоговый импульсный сигнал, который также может быть усилен и оцифрован. При добавлении второй пары «светодиод-фототранзистор» с угловым смещением относительно первой, соответствующим четверти периода сигнала, может быть получена вторая последовательность импульсов — канал Б с фазовым смещением относительно канала, А на 90°. Инкрементальный энкодер, который использует три оптических датчика, позволяет одновременно удваивать разрешение при измерении положения и скорости и детектировать направление.

Рис. 1 — принцип действия энкодера.

Датчики линейного и углового перемещения подключаются к модулям АЦП напрямую. Для питания датчиков можно использовать выход генератора. Разрешение инкрементальных энкодеров измеряется в импульсах за оборот.

Принцип работы абсолютного энкодера Абсолютный энкодер относится к типу энкодеров, который выполняет уникальный код для каждой позиции вала. В отличие от инкрементного энкодера, счетчик импульсов не нужен, т.к. угол поворота всегда известен. Абсолютный энкодер формирует сигнал, как во время вращения, так и в режиме покоя. Диск абсолютного энкодера отличается от диска пошагового энкодера, так как имеет несколько концентрических дорожек. Каждой дорожкой формируется уникальный двоичный код для конкретной позиции вала.

Рис. 2 — Кодовый диск абсолютного энкодера.

Абсолютный энкодер не теряет своего значения при потере питания и не требует возвращения в начальную позицию. Сигнал абсолютного энкодера не подвержен помехам и для него не требуется точная установка вала. Кроме того, даже если кодированный сигнал не может быть прочитан энкодером, если, например, вал вращается слишком быстро, правильный угол вращения будет зарегистрирован, когда скорость вращения уменьшится. Абсолютный энкодер устойчив к вибрациям.

Пусковой ток электродвигателя определяется по формуле:

I_пуск=5?I_ном (2.1.2),

После подстановки получаем следующее численное значение:

I_пуск= 5??,?? = 10,7.

1. Примеры энкодеров различных серий

1.1 Инкрементальный энкодер E30S

Инкрементальный энкодер с выступающим валом встраиваемый.

Диаметр корпуса 30 мм Диаметр вала 4 мм Питание: 12−24 VDC или 5 VDC

Тип выхода: универсальный, NPN открытый коллектор, выход по напряжению, дифференциальный выход (только 5 VDC)

Разрешение: 100, 200, 360, 500, 1000, 1024,3000 импульса на оборот Рис. 3 — Энкодер Серии Е30S.

Характеристики.

Хариктиристики энкодера серии Е30S представлены в таблице 1.

Таблица 1 Технические характеристики Энкодера серии Е30S.

Диаграмма управления выходом.

— Все представленные типы схем выходов имеют одинаковые фазы A, B, Z.

— Комплементарный выход можно использовать для выхода NPN, открытый коллектор (*1) или выход по напряжению (*2).

Подсоединение.

Рис. 4а, 4б — Подсоединение энкодера серии E30S.

Инкрементальный энкодер с боковым креплением серииENA.

Рис 5 — Инкрементальный энкодер с боковым креплением серии ENA/

Прочная литая конструкция, защищающая от внешних ударов Монтируется с помощью специальных кронштейнов Соединительный тип

1.2 Источник питания 5 В, 12−24В+5%

Характеристики.

Хариктиристики энкодера серии ЕNA представлены в таблице 2

Таблица 2 Технические характеристики Энкодера серии ЕNA.

Подсоединение.

Рис 6а, 6б — Подсоединение энкодера серии ENA.

Абсолютный энкодер серии ENP.

Рис. 7 — Абсолютный энкодер серии ENP.

— Может измерять абсолютные углы в BCD коде.

— Устойчив к внешним воздействиям.

— Запоминает результаты при отключении питания.

Характеристики.

Хариктиристики энкодера серии ЕNP представлены в таблице 3.

Таблица 3 Технические характеристики Энкодера серии ЕNP.

Инкрементальный энкодер с мерными колесиками серии ENC.

Рис. 8 — Инкрементальный энкодер с мерными колесиками серии ENC.

— Применяется для измерения скорости или длины объекта с помощью мерного колеса.

— Выходной сигнал пропорционален единицам международной системы измерений.

— Источник питания (5 В, 12−24 В 5%)

Характеристики.

Хариктиристики энкодера серии ЕNС представлены в таблице 4.

Таблица 4 Технические характеристики Энкодера серии ЕNС.

Подсоединение.

Рис. 9а, 9б — Подсоединение энкодера серии ЕNС.

2. Применение Энкодеры предназначены для решения одной из самых важных задач в области промышленной автоматизации — измерению линейных и угловых перемещений, незаменимы при измерении скорости и ускорения. Инкрементальные энкодеры преобразуют механическое вращение вала в набор электронных импульсов, а абсолютные энкодеры позволяют в любой момент времени знать текущий угол поворота оси, в том числе и после пропадания и восстановления питания. Широко используются в промышленном оборудовании, подъемниках, роботах, медицинском и лабораторном оборудовании для контроля скорости и координат. 3]

Рис. 10 — Применение энкодера.

Решения Kuebler для лифтов.

Системы линейного измерения LM

Компанией Кюблер специально для лифтов были разработаны системы линейного измерения серии LM. Как известно, в лифтах самым важным является высокий уровень надежности и безопасности. Помимо этого, от лифтов требуют долгого срока службы, высокую плавность хода и низких расходов на обслуживание. Готовые к использованию системы серии LM полностью отвечают этим требованиям. Наличие высокопрочного блока подшипников позволяет добиться высокой надежности и безопасности всей системы. Устойчивый к вибрациям энкодер и специальный набор для крепежа энкодера, а также зубчатый измерительный ремень позволяют добиться высокой плавности хода лифта.

3. Энкодеры Sendix

энкодер инкрементальный датчик поворот В сердце измерительной системы LM находится энкодер. К лифтам предъявляются требования по долгому сроку службы и минимальным расходам на обслуживание, что можно достичь только при использовании компонентов высокого качества. Такими компонентами являются энкодеры Kuebler, обладающие высоким сроком службы. Среди наиболее важных характеристик энкодеров Kuebler можно выделить:

— высокий уровень защиты IP67;

— расширенный температурный диапазон работы от -30 до +80oС;

— высокая вибростойкость и ударопрочность.

— За счет усиленных подшипников, защиты от короткого замыкания исключается возможность поломки энкодера при монтаже.

Защита энкодеров Механические нагрузки при использовании энкодера в измерительной системе лифтов очень существенны. В системах LM нагрузка приходится на внешний блок подшипников, разгружая тем самым чувствительную электронную часть энкодера. Таким образом, увеличивается не только срок службы энкодера, но и всей системы в целом. Помимо этого, шкивы для ремней имеют двойные подшипники, устойчивый к вибрациям крепеж энкодера, которые все вместе позволяют добиться высокой плавности хода и низкого уровня шума.

Энкодеры Sendix — надежная сверхкомпактность Вашему вниманию представлены основные технические и конструктивные характеристики относительных и абсолютных энкодеров, разработанных компанией Fritz Kuebler GmbH (Германия) и известных под маркой Sendix. Намечены вероятные пути дальнейшего развития этого сегмента рынка датчиков.

На современных производствах для измерения угловых перемещений применяют датчики соответствующего типа — энкодеры. В современных энкодерах используются в основном оптический метод измерения угла и цифровая обработка выходного сигнала. Наибольшее распространение получили относительные (инкрементальные энкодеры) и абсолютные энкодеры.

Инкрементальные энкодеры генерируют информацию относительно положения и угла объекта в виде электрических импульсов, соответствующих положению вала. Если вал неподвижен, передача импульсов прекращается. Основным рабочим параметром датчика является число импульсов на оборот. Текущее положение объекта определяется посредством подсчета данных импульсов в точке измерений. При первом подключении питания необходимо произвести установку вала для определения абсолютного положения.

Абсолютные энкодеры (однооборотные и многооборотные) представляют информацию о положении, угле и числе оборотов вала в форме уникальных кодов. Основной рабочей характеристикой для абсолютных энкодеров является число этих кодов на оборот и число таких оборотов. Первичная установка такого датчика не требуется.

Инкрементальный оптический энкодер, как правило, состоит из пяти компонентов: источника света, кодомерного диска, маски, фотодетекторной сборки и аналого-цифровой согласующей или интерфейсной логики. Внутри энкодера жестко с валом закреплен прозрачный диск с темными рисками. Источник света и фотоприемник расположены по разные стороны от диска.

Количество света, приходящего на фотоприемник, меняется в зависимости от положения рисок. Электронная плата преобразует сигнал от фотоприемника в дискретный выходной сигнал. Число импульсов сигнала на один оборот вала в самом простом случае совпадает с числом рисок на диске.

Таблица 5. Технические характеристики абсолютных энкодеров серии Sendix.

Для абсолютного энкодера счетчик не требуется — число импульсов и угол вращения всегда известны. Такой энкодер формирует сигнал, когда вал вращается или находится в покое. Диск абсолютного энкодера отличается от диска относительного (инкрементального) энкодера — он имеет несколько концентрических дорожек, для каждой из которых формируется уникальный двоичный код, для конкретной позиции вала. Абсолютный энкодер не изменяет своего значения при потере питания и не требует возвращения в начальную позицию, а его сигнал при переключении устройств не подвержен помехам и для него не требуется точная установка вала. Кроме того, даже если кодированный сигнальный выход не может быть прочитан энкодером, в случае вращения вала со слишком большой скоростью, реальный угол вращения будет зарегистрирован в том случае, когда скорость вращения уменьшается. Настоящее немецкое качество Рассмотрим системы и датчики измерения угловых перемещений, разработанные компанией Fritz Kuebler GmbH (Германия) — одним из мировых лидеров в области разработки и выпуска оборудования данного типа. Среди наиболее перспективных направлений деятельности компании — продвижение торговой марки Sendix, в которую входят абсолютные и относительные энкодеры нового поколения, разработанные с использованием новейших, уникальных технологий (таблица). Данная серия была представлена компанией-разработчиком в июле 2006 г. и с тех пор уже успела завоевать многочисленных поклонников.

Таблица 6. Технические характеристики инкрементальных энкодеров серии Sendix

Отличительными особенностями энкодеров Sendix являются компактный дизайн и высокая производительность. В то же время универсальная модульная конструкция Sendix обеспечивает реализацию на практике подавляющего большинства необходимых контрольно-измерительных функций, а применение современных технологий и высокий уровень организации труда позволили производителю установить достаточно низкие цены на новые комплектующие.

Все энкодеры Kuebler конструктивно выполняются сегодня в двух вариантах: с обычным или с полым валом. В первом случае соединение с ведущим валом выполняется через муфту, во втором — датчик монтируется непосредственно на ведущий вал (через фланец, адаптер или разрезную втулку). Исполнение с полым валом несколько дороже и более требовательно к уровню биений вала, но зато дает возможность отказаться от соединительной муфты и обеспечивает большую компактность приводного узла.

Надежность энкодеров серии Sendix обеспечивается за счет применения двух подшипников вала: все модели энкодеров — включая версии с полым валом — оборудованы подшипниками повышенной износостойкости. Значительно увеличены максимально допустимые значения аксиальных и радиальных нагрузок на вал энкодера. Плюс ко всему конструкция нетребовательна к точности балансировки ротора. В энкодерах с полым валом разработчиками впервые применена вставная разрезная втулка, автоматически центрующая энкодер на валу двигателя (редуктора).

Использование электронных компонентов нового поколения, специальных улучшенных сальников и смазки позволили специалистам Kuebler создать серию экономичных энкодеров с расширенным диапазоном рабочих температур. Класс защиты IP67, ударопрочное исполнение корпуса с использованием оригинальной технологии Safety Lock™, устойчивость механизма к вибрации, а также способность выдерживать радиальные нагрузки до 80 Н — все это гарантирует долгий срок службы и открывает энкодерам Kuebler новые области применения.

Теперь они все чаще используются не только в точном машиностроении, станкостроении и автоматизации производства, но и в дорожной, строительной и сельскохозяйственной технике, железнодорожном и автомобильном транспорте, а также в целом ряде других отраслей промышленности. Кроме того, высокая частота импульсов (300 кГц) позволяет использовать энкодер в высокоскоростных приложениях (максимальное разрешение энкодеров Sendix в базовой версии — до 3600 имп/об).

Все продукты серии Sendix соответствуют директивам RoHS и UL и могут применяться на взрывопожароопасных производствах. Энкодеры поставляются в стандартных типоразмерах и поддерживают все общепринятые интерфейсы, а стандартное предложение включает коннекторы М12, М23, коннекторы MIL-стандарта, кабели и переходники.

Остановимся на технологиях подсчета числа оборотов, применяемых в абсолютных многооборотных энкодерах: электронной и механической (оптической). Основным преимуществом электронной технологии является компактность всего энкодера в целом (глубина и длина), а главный недостаток состоит в том, что такие энкодеры подвержены негативному воздействию магнитных полей, приводящих к общей некорректной работе прибора. Последнее накладывает определенные ограничения на применение энкодеров с электронной технологией подсчета числа оборотов в различных областях промышленности.

Основным плюсом оптической системы подсчета является практически 100% устойчивость к любым электромагнитным полям. Здесь не требуется применение источников питания, которые совершенно необходимы в энкодерах, использующих электронную технологию подсчета оборотов. Именно поэтому энкодеры нового поколения, к которым относится серия Sendix, используют оптическую технологию Хотя, с другой стороны, даже сами разработчики предпочитают не акцентировать внимание на том, какая из двух технологий лучше, эффективней и надежней. Главной мотивацией для решения в пользу энкодера с тем или иным вариантом подсчета оборотов должна стать характеристика каждого конкретного практического применения.

В целом, технология интеграции компонентов Opto-ASIC, использование специальных высокостойких материалов и применение модифицированных электронных устройств и оптических датчиков позволили инженерам упростить конструкцию нового энкодера и одновременно повысить его эксплуатационные характеристики, в том числе сделав его более устойчивым к высокои низкотемпературным воздействиям и обеспечив нормальную электромагнитную совместимость. Интересно, что в последнее время многооборотные абсолютные энкодеры даже стали активно вытеснять энкодеры инкрементальные из таких некогда традиционных для них областей применения, как редукторные электродвигатели и лифтовые устройства.

Последним направлением деятельности компании Kuebler стал запуск в середине 2007 г. в серийное производство магнитных абсолютных энкодеров Sendix, имеющих целый ряд преимуществ над традиционными оптическими энкодерами. Данное решение не стало спонтанным, а основано на тщательном изучении имеющейся на рынке продукции и перспективных разработок в области создания датчиков измерения линейных и угловых перемещений.

Оптические абсолютные энкодеры имеют жестко закрепленный на валу стеклянный диск, на который нанесена оптическая шкала. Когда объект вращается, датчик считывает информацию, а электроника преобразовывает ее в последовательность дискретных электрических импульсов. Магнитные же абсолютные энкодеры регистрируют прохождение магнитных полюсов вращающегося объекта непосредственно вблизи чувствительного элемента датчика.

От аналогичной продукции конкурентов магнитные энкодеры компании Kuebler отличаются применением двух уникальных технологий — Sensor Protect™ и Safety Lockplus™. Первая подразумевает наличие полностью герметичных электронных компонентов и отдельной механической сборки, что обеспечивает высокую степень защиты в соответствии со стандартом IP69k, а также повышает устойчивость к шоковым нагрузкам (>500 g) и вибрациям (>30 g). В совокупности это позволяет обеспечить высокую функциональную безопасность новых энкодеров и избежать дорогостоящих ремонтов и техобслуживания.

Технология Safety Lockplus™ позволяет обеспечить высокий уровень защиты (стандарт IP69k), в том числе и на фланцах. Тем самым имеется возможность применить очистку элементов энкодера паром или водой под давлением, что требуется в отдельных областях машиностроения и не может быть применимо к энкодерам многочисленных марок, имеющимся сегодня на рынке. Еще одной отличительной особенностью технологии Safety Lockplus™ является наличие хорошо защищенных усиленных подшипников и механической защиты уплотнения на валу, что позволяет избежать поломок в случае ошибок персонала при монтаже или же при попадании посторонних частиц в процессе эксплуатации.

Будущее — за миниатюрными высокоинтеллектуальными датчиками Энкодеры к настоящему времени нашли весьма широкое применение во многих отраслях промышленности. В частности, абсолютные и относительные (инкрементальные) энкодеры используются в качестве элементов приводов в бумагои картоноделательных машинах, упаковочных агрегатах, лесозаготовительных машинах и деревообрабатывающих станках (центрах), различных продольнои поперечнорезательных машинах, прокатных станах, приводах лифтов и подъемных кранов, а также суппортах токарных станков и координатных столов.

Отличительной чертой абсолютных энкодеров является наличие функции сохранения текущего значения углового перемещения даже при выключенном питании. Например, при снятом напряжении имеется возможность контролировать положение вала, что позволило активно использовать абсолютные энкодеры в системах с высокими требованиями точности и безопасности. В первую очередь это относится к робототехнике, координатным системам, станкам с числовым программным управлением.

Корпуса современных датчиков линейных и угловых перемещений разрабатываются с учетом особенностей их практического применения и рассчитаны на максимальное продление срока службы в условиях данной окружающей среды, подчас весьма агрессивной. По оценке специалистов, материалы, использующиеся сегодня при изготовлении корпусов, уступят место устойчивым к воздействию ультрафиолета пластмассам, предназначенным для использования вне помещений, материалам для пищевой промышленности и высококачественным маркам нержавеющей стали 304−316. К тому же, полным ходом идет революция в сфере миниатюризации, что в скором времени может привести к появлению миниатюрных интеллектуальных датчиков с расширенными возможностями и невысокой стоимостью.

По прогнозам ведущих экспертов мира, дальнейшее развитие рынка промышленных датчиков приведет к более активному освоению новых технологий, таких как интеллектуальные системы, беспроводная связь, микроэлектромеханические компоненты, технология Plug and Play, а также различные методы повышения точности

Вывод Энкодеры к настоящему времени нашли весьма широкое применение во многих отраслях промышленности. В частности, абсолютные и относительные (инкрементальные) энкодеры используются в качестве элементов приводов в бумагои картоноделательных машинах, упаковочных агрегатах, лесозаготовительных машинах и деревообрабатывающих станках (центрах), различных продольнои поперечнорезательных машинах, прокатных станах, приводах лифтов и подъемных кранов, а также суппортах токарных станков и координатных столов.