Ъглови енкодери

Начало > Машини > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 4, 2007

ПОДОБНИ СТАТИИ

Планетарни редуктори за прецизни приложения

Предизвикателства при обработката на суперсплави

Приложение, видове, принципи на измерване на ротационни енкодери с висока точност

Понятието ъглов енкодер често се използва за ротационни енкодери, които имат точност по-голяма от ± 5 ъглови секунди и повече от 10 000 импулса на оборот. Ъгловите енкодери се използват в приложения, които изискват прецизни измервания на ъгли с точност само до няколко ъглови секунди.

Сред примерните приложения на ъгловите енкодери са въртящи маси на металорежещи машини, въртящи се глави на металорежещи машини, делителни апарати на стругове, измервателни устройства за трансмисии, печатни блокове на печатарски машини, спектрометри, телескопи и други.

Видове ъглови енкодери

Ъгловите енкодери се срещат в три различни механични изпълнения.

Ъглови енкодери с интегрирано лагеруване, кух вал и интегрирано закрепване към статора. Благодарение на дизайна и монтирането към статора, енкодерите трябва да поемат само силата, която е резултат от триенето в лагерите при ъгловото ускорение на вала. Затова ъгловите енкодери осигуряват отлични динамични постижения. С интегрираното закрепване към статора, точността на статичната система включва и отклонението на вала. Сред предимствата им са компактните размери, улесняващи монтажа при ограничено пространство, диаметър на отвора до 100 mm, което спомага за лесно окабеляване, както и лесният монтаж.

Ъглови енкодери с интегрирано лагеруване и с отделно куплиране на вала. Ъгловите енкодери с масивен вал са специално предназначени за приложения, където се изисква по-висока скорост и по-голям толеранс при монтаж. Свързването на вала позволява аксиални измествания в размер на ±1 mm.

Ъглови енкодери без интегрирано лагеруване. Този вид енкодери, наричани още модулни ъглови енкодери, са предназначени за интегриране (вграждане) в машинни елементи или приложения, когато са в сила следните изисквания - голям диаметър на отвора за вала (до 10 m) и висока скорост на въртене (до 40 000 об./мин.). Също така ъгловите енкодери без интегрирано лагеруване се използват в приложения, при които се налага измерването да се извърши без допълнително стартово усилие, както и такива, включващи необходимост от използването на ъглови сегменти.

Измервателни еталони

При датчиците с оптично сканиране се използват измервателни еталони на периодични структури, известни като градуировки. Тези градуировки се нанасят върху носещ субстрат от стъкло или стомана. Стъклени скали се използват предимно в енкодери за скорости до 10 000 оборота в минута. За по-високи скорости - до 40 000 оборота в минута - се използват стоманени барабани. Носещият субстрат за големи диаметри е стоманена лента.

Тези прецизни градуировки се произвеждат с различни фотолитографски процеси. Градуировките се изготвят чрез: нанасяне на изключително твърди линии от хром върху стъклени или позлатени стоманени барабани, ецване с маска на линии върху стоманена лента със златно покритие или триизмерни структури, ецвани в кварцово стъкло.

С фотолитографските методи могат да се постигат деления от порядъка на 40 mm до 4 mm при ецване в кварцово стъкло. Тези процеси позволяват много фина градуировка и се характеризират с висока степен на отчетливост и хомогенност на деленията. Заедно с фотоелектричния сканиращ метод, високата степен на отчетливост е предпоставка за високо качество на изходния сигнал.

Абсолютен измервателен метод

За абсолютните енкодери са характерни многобройните кодирани градуирани пътечки. Разположението на кодовете осигурява информация за абсолютното положение веднага след стартиране на машината. Пътечката с най-фина градуировка се интерполира, за да се получи текущата ъглова позиция и същевременно се използва за генериране на сигнал 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 случаи, обаче, това налага въртене почти на 360°. За да се ускорят или опростят такива "относителни движения", много датчици имат кодирани по разстояние реперни знаци - многобройни реперни знаци, които са разположени съгласно математически алгоритъм. Електрониката открива абсолютното съответствие след преминаване през два последователни реперни знака, което означава само няколко градуса.

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

a1=(abs A-sgn A-1)xI/2+(sgn A-sgn D)x(abs MRR)/2

A=(2 x absMRR-I)/GP2,

където a1 е абсолютна ъглова позиция на първия пресечен реперен знак към нулевата позиция в градуси, с abs е отбелязана абсолютната стойност, sgn е знакова функция (+1 или -1), MRR представлява измерено разстояние между пресечените реперни знаци в градуси, I е номиналното нарастване между два фиксирани реперни знака, с GP е отбелязана стъпката на градуировката (360°/брой деления), а с D - посоката на въртене (+1 или -1). Например, въртене надясно, гледано от страната на вала на ъгловия енкодер, се означава с +1.

Сканиране на измервателния еталон

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 еталон, толкова по-голямо е въздействието на дифракцията върху фотоелектричното сканиране. При ъгловите енкодери се използват основно два принципа на сканиране - принцип на сканиране на изображения за растерно разстояние от 10 mm до приблизително 40 mm и принцип на сканиране на интерференция за много фини градуировки с растерно разстояние 4 mm.

Принцип на сканиране на изображения. Този принцип се състои в генериране на проектиран светлинен сигнал - две скални решетки с еднакви стойности на деленията се движат една спрямо друга - едната от тях изпълнява функцията на скала, а другата - на 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 коефициент на пречупване със същата стойност на делението. Когато двете решетки се движат една спрямо друга, светлинният поток се модулира, в случай че светлината премине и през двете решетки. Ако деленията на едната решетка съвпадат с тези на другата, светлината не преминава.

Фотоелектрическите клетки 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-малко изменение следва да бъде пропускливата част между сканиращата решетка и скалата.

Практическите монтажни толеранси за енкодери, работещи на принципа на сканиране на изображение, се постигат със стойности на делението равни и по-големи от 10 микрометра.

Принцип на сканиране с интерференция

Принципът на сканиране с 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, при която върху гладка отражателна повърхност са нанесени отражателни деления с височина 0,2 микрометра. Пред тях се монтира сканиращата решетка във вид на прозрачна фазова решетка със същата стойност на делението, както 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-голямата част от светлинния интензитет се намира в отразените дифракционни редове +1 и -1. Тези светлинни 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. Фотоелектрическите клетки преобразуват променливия светлинен интензитет в електрически сигнали.

Как работят интер-ференционните енкодери?

Относително движение на сканиращата решетка спрямо скалата води до 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. 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, се наблюдава изместването им 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.

Енкодерите, работещи на принципа на интерференцията, функционират за стойности на делението по-малки или равни на 4 микрометра. Техните сканиращи сигнали до голяма степен са свободни от хармоници и могат да бъдат добре интерполирани. Следователно, тези енкодери са особено подходящи за приложения, изискващи високи разрешаваща способност и точност. Въпреки това, техните широки монтажни толеранси правят възможно инсталирането им в широка гама от приложения.

Точност на ъгловите енкодери

Точността на ъгловите измервания се определя главно от качеството на градуировката, качеството на процеса на сканиране, качеството на електронния блок за обработка на сигналите, ексцентрицитета на градуировката спрямо лагера, радиалното биене на лагера, еластичността на вала на енкодера и връзката му с вала, както и от еластичността на статорната или роторната свръзка. При задачи, свързани с позициониране, точността на ъгловото измерване определя точността на позициониране на въртящата се ос.

Точността на една ъглова енкодерна система, която се задава в спецификацията от производителя й, обикновено се дефинира по следния начин - граничните стойности на общото отклонение на дадена позиция, отнесени спрямо средната им стойност, са в рамките на точността на системата ±a. Те се определят при крайните изпитания и се отбелязват в таблицата за калибриране.

За ъгловите енкодери с интегрирано лагеруване и интегрирано закрепване към статора тази стойност включва и отклонението, дължащо се на свързването на вала. За ъгловите енкодери с интегрирано лагеруване и отделно свързване към вала трябва да се добави ъгловата грешка от свързване. За ъгловите енкодери без интегрирано лагеруване могат да се очакват допълнителни отклонения, дължащи се на монтажа, на грешки в лагера на задвижващия вал и на настройката на сканиращата глава. Тези отклонения обикновено не се отчитат в точността на системата, която отразява отклоненията от позицията в рамките на един оборот, както и тези в рамките на един период на сигнала.

Фактори, оказващи влияние върху точността

Отклоненията от позицията в рамките на един оборот се виждат при по-големи ъглови движения. Отклоненията от позицията в рамките на един период на сигнала се виждат дори при много малки ъглови движения и при повторни измервания, следователно те водят до неравномерност на скоростта в системата за управление на скоростта. Отклоненията в рамките на един период на сигнала зависят от качеството на сканираните синусоидални сигнали и техните съставки. Върху измервателния резултат най-голямо влияние оказват следните фактори:

- Дължина на периода на сигнала,

- хомогенност и отчетливост на градуировката,

- качество на оптичните филтри на сканиращата решетка,

- характеристики на фотоелектричните детектори и

- -стабилност и динамика при по-нататъшната обработка на аналоговите сигнали.

Вижте още от Машини