Открити линейни енкодери

Измервателна техникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 3, 2007

Открити линейни енкодериОткрити линейни енкодериОткрити линейни енкодери

 

Открити линейни енкодери

Начини на измерване, точност, грешки, механични конструкции, монтаж

Откритите линейни енкодери или датчици за линейно преместване се характеризират с това, че работят без наличие на механичен контакт между сканиращата глава и градуираната лента. Иначе казано, измерват положението на линейни оси, без да използват допълнителни механични предавателни елементи. По този начин се елиминират потенциални източници на грешки, като грешка при позициониране, дължаща се на температурното поведение на реверсивната сачмено-винтова двойка; засечка; кинематична грешка, проявяваща се чрез грешка на стъпката на сачмено-винтовата двойка. В този смисъл датчиците за линейно преместване са “слънцето и въздухът” за машини с високи изисквания по отношение на точността на позициониране и скоростта на обработка. Заради множеството си достойнства по отношение на високата точност на измерване, те намират приложение в:

l

Измервателни и производствени съоръжения в полупроводниковата промишленост;

l

Машини за монтаж на печатни платки;

l

Свръхпрецизни машини, като стругове за обработка на оптични компоненти, стругове за обработка на повърхностите на запомнящи магнитни дискове и шлайф машини за ферити;

l

Прецизни машинни инструменти;

l

Измервателни устройства и компаратори, измервателни микроскопи и други прецизни измервателни устройства;

l

Директни задвижвания.

Механична конструкция

Откритите датчици за линейно преместване се състоят от скала или градуирана лента и сканираща измервателна глава, която работи без механичен контакт. Скалата на открития датчик за преместване се закрепва непосредствено върху монтажна повърхност. Следователно, гладкостта на монтажната повърхност е предпоставка за висока точност на датчика.

Принципи на измерване и измервателен еталон

При датчиците с оптично сканиране се използват измервателни еталони на периодични структури, известни като градуировки. Тези градуировки се прилагат към носещия субстрат, произведен от стъкло или стомана. Носещият субстрат за големи измервателни дължини е стоманена лента. Прецизните градуировки се изготвят с помощта на различни фотолитографски процеси. Градуировките се изготвят чрез нанасяне на свръхтвърди линии от хром върху стъкло; ецване с маска на линии върху стоманена лента със златно покритие; нанасяне на триизмерни структури върху стъкло или стоманени субстрати.

С фотолитографските производствени процеси се постигат деления на скалата обикновено от 40 микрометра до по-малко от 1 микрометър. Тези процеси разрешават много фино градуиране и се характеризират с висока отчетливост и хомогенност на деленията. Заедно с фотоелектричния сканиращ метод тази висока отчетливост е предпоставка за високо качество на изходния сигнал.

Измервателен метод с нарастване

При измервателните методи с нарастване градуировката се състои от периодична градуирана структура. Информация за положението се получава чрез броене на отделните нараствания (измервателни стъпки) от дадена начална точка. Тъй като е необходим абсолютен реперен знак, за да се определи точно положението, скалите или градуираните ленти имат допълнителна пътечка, която носи реперния знак. Абсолютното положение върху скалата, установено чрез реперния знак, се отнася точно за една измервателна стъпка. Следователно, реперният знак трябва да бъде сканиран, за да се установи абсолютно съответствие или да се намери последната избрана стойност.

В някои случай това налага движение на машината на големи разстояния в измервателния диапазон. За да се ускорят или опростят такива “относителни движения”, много датчици имат кодирани за разстояние реперни знаци - многобройни реперни знаци, които са разположени съгласно математичен алгоритъм. Електрониката открива абсолютното съответствие след преминаване през два последователни реперни знака - само на няколко милиметра. За датчиците с кодирани за разстояние реперни знаци след означението на модела се поставя знакът -С” (например, LIP 581C).

С кодирани за разстояние реперни знаци абсолютното съответствие се изчислява чрез отброяване на периодите на сигнала между два реперни знака и се използва следната формула:

P1 =(abs B -sgn B -1)x N +(sgn B -sgn D)x abs MRR,

където: B=2x MRR -N и P1 e положението на първия пресечен реперен знак в поредицата от сигнални периоди. N е нормалното нарастване между два фиксирани реперни знака в поредицата от периоди на сигнала. abs е абсолютната стойност, а sgn - знак на функцията ("+1" или "-1"). MRR е броят на периодите на сигнала между пресечените реперни знаци. D е посоката на пресичане (+1 или -1). Движението на сканиращото устройство вдясно при пресичане (ако е инсталирано правилно) е равно на +1.

Фотоелектрично сканиране

Много датчици работят на принципа на фотоелектричното сканиране. Фотоелектричното сканиране на измервателен еталон е безконтактно и, следователно, без износване. Този метод открива много фини деления, широки не повече от няколко микрометра и генерира изходни сигнали с много къса продължителност. Колкото по-фино е градуирането на измервателния стандарт, толкова по-голямо е въздействието на дифракцията върху фотоелектричното сканиране.

При датчиците за положение се използват основно два принципа на сканиране:

l

Принцип на сканиране на изображения за растерно разстояние от 10 до 40 микрометра.

l

Принцип на сканиране на интерференция за много фини градуировки с растерно разстояние 4 микрометра и по-малко.

Принцип на сканиране на изображения

Опростено казано, принципът на сканиране на изображения работи чрез генериране на проектиран светлинен сигнал: две скални решетки с еднакви стойности на деленията се движат един спрямо друг - скала и сканираща решетка. Носещият материал на сканиращата решетка е прозрачен, докато градуировката на измервателния еталон може да се нанесе върху прозрачна или отразяваща повърхност.

Когато паралелна светлина премине през решетка, осветената и тъмната повърхност се проектират на известно разстояние. На това място се поставя решетка с променлив показател на пречупване със същата стойност на делението. Когато двете решетки се движат една спрямо друга, съпътстващата светлина се модулира: ако пролуките съвпадат, светлината преминава през тях. Светлината не преминава, ако деленията на едната решетка съвпадат с пролуките на другата.

Фотоклетките преобразуват тези изменения на интензитета на светлината в електрически сигнали. Специално конструираният растер на сканиращата решетка филтрира светлинния ток и генерира почти синусоидални изходни сигнали. Колкото по-малка е стойността на делението, толкова по-малка и с по-малък толеранс трябва да бъде пролуката между сканиращата решетка и скалата. Практическите монтажни толеранси за датчици за линейно преместване, работещи на принципа на сканиране на изображение, се постигат със стойности на делението 10 микрометра повече.

Принцип на сканиране на интерференция

Принципът на сканиране на интерференция използва дифракцията и интерференцията на светлината върху фина градуировка, за да генерира сигнали, използвани за измерване на преместването. Като измервателен еталон се използва стъпкова решетка: отражателни деления с височина 0,2 микрометра се нанасят върху гладка отражателна повърхност. Пред тях е сканиращата решетка - прозрачна фазова решетка със същата стойност на делението, както и на скалата.

Когато през сканиращата решетка премине светлина, тя се разлага на три частични вълни от редове -1, 0 и +1 с приблизително еднакъв светлинен интензитет. Вълните се пречупват от скалата по такъв начин, че по-голяма част от светлинния интензитет се намира в отразените дифракционни редове +1 и -1. Тези частични вълни се срещат отново при фазовия растер на сканиращата решетка, където се пречупват отново и се наслагват. Това произвежда основно три вълни, които напускат сканиращата решетка под различни ъгли. Фотоелектричните клетки преобразуват променливия светлинен интензитет в електрически сигнали.

Относително движение на сканиращата решетка спрямо скалата причинява фазово изместване на фронтовете на пречупените вълни: когато решетката се премести на едно деление, фронтът на вълните от първи ред се измества с една дължина на вълната в положителна посока и дължината на вълната на дифракционен ред -1 се измества с една дължина на вълната в отрицателна посока. Тъй като вълните си взаимодействат една с друга, когато излизат от решетката, вълните се изместват една спрямо друга с две дължини на вълната. В резултат на това се получават два периода на сигнала за относителното преместване само на едно деление.

Интерференционните датчици за преместване функционират за стойности на делението 8 микрометра, 4 микрометра и по-малки. Техните сканиращи сигнали до голяма степен са свободни от хармоници и могат да бъдат добре интерполирани. Следователно, тези датчици са особено подходящи за приложения, изискващи висока разделителна способност и висока точност. Въпреки това, техните широки монтажни толеранси правят възможно инсталирането им в широка гама от приложения.

Точност на измерване

Точността на линейното измерване се определя главно от качеството на градуировката; качеството на сканиращия процес; качеството на електрониката за обработка на сигналите и грешката от направляващата на скалата върху сканиращото устройство. Прави се разлика между грешка от позициониране на големи разстояния - например, в целия измервателен обхват - и в рамките на един период на сигнала.

Грешка от позициониране по цялата измерваната дължина.

Точността на откритите датчици за линейно преместване се задава със степени на точност, които се дефинират, както следва: Крайните стойности на общата грешка на положението F лежат - по отношение на средната им стойност - в коя да е максимална еднометрова част на дължината на измерване със степен на точност ±a. При откритите датчици за линейно преместване горната дефиниция за степените на точност важи само за скалата и се нарича точност на скалата.

Грешка от позициониране в рамките на един период на сигнала.

Грешка от позициониране в рамките на един период на сигнала се определя от качеството на сканиране и от периода на сигнала на датчика. Тя не превишава приблизително ±1% от периода на сигнала в кое да е положение по цялата дължина на измерване. Колкото по-малък е периодът на сигнала, толкова по-малка е грешката от позициониране в рамките на един период. Тя е критично важна както за точността на позициониране, така и за управлението на скоростта по време на бавно, равномерно преместване на ос.

Лошото монтиране на датчиците за линейно преместване може да увеличи въздействието на грешката на направляващата върху точността на измерване. За да се поддържа резултантната грешка Аббе колкото е възможно по-малка, скалата или кутията на скалата трябва да бъде монтирана на височината на маса върху супорта на машината. Важно е монтажната повърхност да бъде паралелна на направляващите на машината.

Температурен обхват

Уредите за измерване на дължина се градуират за начална температура 20 °C. Точността на системата важи за тази температура. Работният температурен обхват показва граничните стойности на околната температура, между които уредите за измерване на напрежението функционират правилно. Температурният диапазон на съхранение -20 до 70 °C важи за устройството в опаковано състояние.

Надеждност и устойчивост

Откритите датчици за линейно преместване са оптимизирани за използване в бързи, прецизни машини. Независимо от откритата механична конструкция, те са много устойчиви на замърсяване, осигуряват висока дългосрочна стабилност и се монтират бързо и лесно. Важни за точността и надеждността на датчиците за линейно преместване са високото качество на решетката и методът за сканиране. Откритите датчици за линейно преместване често работят със сканиране на единично поле. Използва се само едно поле, за да се генерират сигнали от сканиране. За разлика от метода със сканиране на четири полета, при сканиране на отделно поле замърсяването на измервателния еталон (например, от пръстови отпечатъци по време на монтажа или от натрупване на смазка от направляващите) влияе на интензитета на светлината на сигналните компоненти и, следователно, в същата степен на сигнала от сканиране. Наистина се променя амплитудата на изходните сигнали, но не и тяхното изместване и фазово положение. Те могат лесно да бъдат интерполирани и грешката от позициониране в рамките на един период на сигнала остава малка.

Сканирането на единично голямо поле допълнително намалява чувствителността към замърсяване. В много случаи това може да предотврати отказ на датчика за линейно преместване. Дори при замърсяване от мастило на принтер, прах от печатни платки, вода или смазка с диаметър 3 mm, датчикът за линейно преместване продължава да дава висококачествени сигнали. Грешката от позициониране остава доста под посочените стойности за степента на точност на скалата.

По-доброто качество на сигнала

е предимство на датчиците за линейно преместване със сканиране на единично поле. Датчиците дължат точността си преди всичко на високото качество на градуиране на измервателния еталон. Синусоидалните изходни сигнали се интерполират, за да се постигнат ориентирани към приложението стъпки на измерване от 0,1 микрометра и по-малки. В резултат на това се получават допълнителни грешки от позициониране в рамките на един период на сигнала поради асиметричните сигнали и отклоненията от синусоидалната форма. Тези грешки от позициониране са случайни и, следователно, не могат да бъдат компенсирани.

Методът със сканиране на отделно поле има съществено влияние тук: сканирането на голямо поле и специфичното оптично филтриране генерират сигнали от сканиране, които са много постоянни и имат добра синусоидална форма по целия път на пресичане. Това намалява съществено грешката от позициониране в рамките на един период на сигнала.

Това се наблюдава добре на XY дисплея на осцилоскопа: Изходните сигнали на датчика за линейно преместване със сканиране на отделно поле имат по-закръглена форма и съдържат по-малко шум. Това е предпоставка за както за малка грешка от позициониране в рамките на един период на сигнала, така и за добро качество на управлението за директни задвижвания, което означава подобрено, фино настроено управление на скоростта, и от друга страна - висока повторяемост.

Дори високите електрически допустими напречни скорости стават възможни поради високото качество на изходните сигнали при сканиране на отделно поле. Тъй като амплитудите на изходните сигнали зависят слабо от скоростта, стабилните изходни сигнали гарантират надеждна интерполация дори при повишени напречни скорости.

Монтажни толеранси

Много кратки периоди на сигналите обикновено се получават при много тесни монтажни толеранси за пролуката между сканиращата глава и градуираната лента. Това се получава в резултат на дифракция, причинена от решетъчната структура. Това може да доведе до 50% затихване на сигнала при промяна на пролуката само с ±0.1 mm. Благодарение на принципа на сканиране на интерференция и иновативната решетка с променлив показател на пречупване при датчиците за линейно преместване на принципа на сканиране на изображение, е възможно осигуряване на широки монтажни толеранси вместо кратки периоди на сигналите.

Монтажните толеранси на откритите датчици за линейно преместване влияят слабо върху изходните сигнали. По-специално, зададеният толеранс на пролуката между скалата и сканиращата глава (сканиращ геп) причинява само пренебрежима промяна на амплитудата на сигнала. Това поведение е от съществено значение за високата надеждност на откритите датчици за линейно преместване.

Видове механични конструкции

Линейни скали.

Откритите датчици за линейно преместване се състоят от два компонента: сканираща глава и скала или градуирана лента. Тяхното положение една спрямо друга се определя единствено от направляващите на машината. Поради тази причина машината трябва да бъде конструирана от самото начало така, че да отговаря на следните изисквания:

l

Направляващата на машината трябва да бъде конструирана така, че да бъдат спазени толерансите в монтажното пространство на датчика.

l

Носещата повърхност на скалата трябва да отговаря на изискванията за гладкост.

l

За да се улесни настройката на сканиращата глава към скалата, тя трябва да бъде захваната с конзола.

Сканиращи глави.

Тъй като откритите датчици за линейно преместване се сглобяват на машината, те трябва да бъдат настроени прецизно след монтажа. Тази настройка определя окончателно точността на датчика. Следователно, препоръчително е машината да бъде конструирана така, че настройката да се извършва възможно най-лесно, както и да се гарантира възможно най-стабилна конструкция.

За точна настройка на сканиращата глава към скалата, тя трябва да може да се извършва по пет оси. Тъй като разстоянията за настройка са много малки, обикновено е достатъчно да се предвидят продълговати отвори на ъглова конзола.

Монтиране на линейни енкодери

Мястото за монтиране на датчиците за линейно преместване трябва да бъде внимателно подбрано, за да се гарантира както оптимална настройка, така и възможно най-дълъг срок на служба. В това отношение е важно да се отбележи, че датчикът трябва да бъде монтиран възможно най-близко до работната равнина, за да се поддържа грешката Аббе малка. За да функционират правилно, датчиците за линейно преместване не трябва да бъдат подлагани на продължителни, силни вибрации. По-твърдите елементи на машинния инструмент представляват най-добрата монтажна повърхност в това отношение; датчиците не трябва да бъдат монтирани върху кухи части или посредством адаптиращи приспособления Датчиците за линейно преместване трябва да бъдат монтирани и далече от източници на топлина, за да се избегнат температурни влияния.

Степен на защита (IEC 60529)

Характерна за сканиращите глави на откритите датчици за линейно преместване е степен на защита IP 50. Скалите нямат специална защита. Трябва да се вземат защитни мерки, ако съществува вероятност от замърсяване.

Ускорения

Датчиците за линейно преместване са подложени на различни видове ускорения по време на работа и монтаж. Посочената в техническите характеристики максимална стойност за вибрации важи за честоти от 55 до 2000 Hz (IEC 60 068-2-6). Всяко ускорение, превишаващо допустимите стойности, например, в резултат на резонанс, могат да повредят датчика. Необходимо е да бъдат извършени подробни изпитания на цялата система. Максимално допустимите стойности на ускорението (полу-синусоидален удар) за удар и динамично въздействие са валидни за интервал от 11 ms (IEC 60068-2-27).




Новият брой 8/2017

брой 8-2017

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top