Encoder lineare - Linear encoder
.jpg)
Un encoder lineare è un sensore, trasduttore o lettore abbinato a una scala che codifica la posizione. Il sensore legge la scala per convertire la posizione codificata in un segnale analogico o digitale , che può quindi essere decodificato in posizione da un visualizzatore digitale (DRO) o da un controller di movimento.
L'encoder può essere incrementale o assoluto . Il movimento può essere determinato dal cambiamento di posizione nel tempo. Le tecnologie degli encoder lineari includono correnti ottiche, magnetiche, induttive, capacitive e parassite . Le tecnologie ottiche includono l'ombra, l'autoimmagine e l' interferometria . Gli encoder lineari sono utilizzati in strumenti di metrologia, sistemi di movimento, stampanti a getto d'inchiostro e strumenti di lavorazione ad alta precisione che vanno da calibri digitali e macchine di misura a coordinate a stadi, frese CNC , tavoli a portale di produzione e stepper per semiconduttori .
Principio fisico
Gli encoder lineari sono trasduttori che sfruttano molte proprietà fisiche diverse per codificare la posizione:
Basato su scala/riferimento
Ottico
Gli encoder lineari ottici dominano il mercato dell'alta risoluzione e possono impiegare shutter/ moiré , diffrazione o principi olografici . Gli encoder ottici sono i più precisi tra gli stili standard di encoder e i più comunemente utilizzati nelle applicazioni di automazione industriale. Quando si specifica un encoder ottico, è importante che l'encoder abbia una protezione aggiuntiva integrata per prevenire la contaminazione da polvere, vibrazioni e altre condizioni comuni agli ambienti industriali. I periodi di scala incrementali tipici variano da centinaia di micrometri fino a sub-micrometri. L'interpolazione può fornire risoluzioni fino a un nanometro.
Le sorgenti luminose utilizzate includono LED a infrarossi , LED visibili, lampadine in miniatura e diodi laser .
Magnetico
Gli encoder lineari magnetici utilizzano scale attive (magnetizzate) o passive (riluttanza variabile) e la posizione può essere rilevata utilizzando bobine di rilevamento, lettori ad effetto Hall o magnetoresistivi . Con periodi di scala più grossolani rispetto agli encoder ottici (in genere da poche centinaia di micrometri a diversi millimetri) le risoluzioni nell'ordine di un micrometro sono la norma.
capacitivo
Gli encoder lineari capacitivi funzionano rilevando la capacità tra un lettore e la bilancia. Le applicazioni tipiche sono i calibri digitali. Uno degli svantaggi è la sensibilità allo sporco irregolare, che può modificare localmente la permittività relativa .
Induttivo
La tecnologia induttiva è resistente ai contaminanti, consentendo calibri e altri strumenti di misurazione a prova di refrigerante. Un'applicazione ben nota del principio di misura induttivo è l'Inductosyn.
Correnti parassite
Il brevetto US 3820110, "Encoder digitale di tipo a correnti parassite e riferimento di posizione", fornisce un esempio di questo tipo di encoder, che utilizza una scala codificata con materiali non magnetici ad alta e bassa permeabilità, che viene rilevata e decodificata monitorando le variazioni di induttanza di un circuito CA che include un sensore a bobina induttiva. Maxon fa un prodotto di esempio (encoder rotativo) (l'encoder MILE).
Senza bilancia
Sensore di immagine ottico
I sensori si basano su un metodo di correlazione delle immagini. Il sensore acquisisce immagini successive dalla superficie da misurare e confronta le immagini per lo spostamento. Sono possibili risoluzioni fino a un nanometro.
Applicazioni
Esistono due principali aree di applicazione per gli encoder lineari:
Misurazione
Le applicazioni di misurazione includono macchine per la misurazione delle coordinate (CMM), scanner laser , calibri , misurazione degli ingranaggi, tester di tensione e letture digitali (DRO).
Sistemi di movimento
I sistemi di movimento servocontrollati utilizzano un encoder lineare in modo da fornire un movimento accurato e ad alta velocità. Le applicazioni tipiche includono la robotica , le macchine utensili , le apparecchiature di assemblaggio PCB pick-and-place ; apparecchiature per la manipolazione e il collaudo di semiconduttori, saldatrici a filo , stampanti e macchine da stampa digitali .
Formati del segnale di uscita
Segnali incrementali
Gli encoder lineari possono avere uscite analogiche o digitali.
Analogico
L'uscita analogica standard del settore per gli encoder lineari è costituita da segnali in quadratura seno e coseno. Questi sono solitamente trasmessi in modo differenziale in modo da migliorare l'immunità al rumore. Uno standard industriale iniziale era costituito da segnali di corrente picco-picco da 12 μA, ma più recentemente è stato sostituito con segnali di tensione picco-picco da 1V. Rispetto alla trasmissione digitale, la larghezza di banda inferiore dei segnali analogici aiuta a ridurre al minimo le emissioni EMC .
I segnali in quadratura seno/coseno possono essere monitorati facilmente utilizzando un oscilloscopio in modalità XY per visualizzare una figura circolare di Lissajous . I segnali di massima precisione si ottengono se la figura di Lissajous è circolare (nessun guadagno o errore di fase) e perfettamente centrata. I moderni sistemi di codifica utilizzano circuiti per tagliare automaticamente questi meccanismi di errore. La precisione complessiva dell'encoder lineare è una combinazione della precisione della riga e degli errori introdotti dal lettore. I contributi di scala al budget di errore includono linearità e pendenza (errore del fattore di scala). I meccanismi di errore del lettore sono generalmente descritti come errore ciclico o errore sub-divisionale (SDE) poiché si ripetono ad ogni periodo di scala. Il maggior contributo all'inesattezza del lettore è l'offset del segnale, seguito dallo squilibrio del segnale (ellitticità) e dall'errore di fase (i segnali di quadratura non sono esattamente a 90° di distanza). La dimensione complessiva del segnale non influisce sulla precisione dell'encoder, tuttavia, le prestazioni segnale-rumore e il jitter possono peggiorare con segnali più piccoli. I meccanismi di compensazione automatica del segnale possono includere la compensazione automatica dell'offset (AOC), la compensazione automatica del bilanciamento (ABC) e il controllo automatico del guadagno (AGC) . La fase è più difficile da compensare dinamicamente e di solito viene applicata come compensazione una tantum durante l'installazione o la calibrazione. Altre forme di imprecisione includono la distorsione del segnale (spesso distorsione armonica dei segnali seno/coseno).
Digitale
Un encoder incrementale lineare ha due segnali di uscita digitali, A e B, che emettono onde quadre in quadratura. A seconda del suo meccanismo interno, un encoder può derivare A e B direttamente da sensori che sono fondamentalmente di natura digitale, oppure può interpolare i suoi segnali analogici seno/coseno interni. In quest'ultimo caso, il processo di interpolazione suddivide efficacemente il periodo della scala e quindi raggiunge una risoluzione di misurazione più elevata .
In entrambi i casi, l'encoder emette onde quadre in quadratura, con la distanza tra i bordi dei due canali che è la risoluzione dell'encoder. Anche la tacca di riferimento o l'impulso indice viene emesso in forma digitale, come impulso largo da una a quattro unità di risoluzione. I segnali di uscita possono essere trasmessi direttamente a un'interfaccia encoder incrementale digitale per il tracciamento della posizione.
I principali vantaggi degli encoder incrementali lineari sono una migliore immunità ai disturbi, un'elevata precisione di misurazione e la segnalazione a bassa latenza dei cambiamenti di posizione. Tuttavia, i bordi del segnale ad alta frequenza e veloci possono produrre più emissioni EMC.
Segnali di riferimento assoluto
Oltre ai segnali di uscita incrementali analogici o digitali, gli encoder lineari possono fornire riferimenti assoluti o segnali di posizionamento.
Segno di riferimento
La maggior parte degli encoder lineari incrementali può produrre un impulso di indice o di tacca di riferimento che fornisce una posizione di riferimento lungo la scala da utilizzare all'accensione o in seguito a una perdita di potenza. Questo segnale indice deve essere in grado di identificare la posizione all'interno di un periodo unico della scala. Il segno di riferimento può comprendere una singola caratteristica sulla scala, un pattern di autocorrelatore (tipicamente un codice Barker ) o un pattern chirp .
I segni di riferimento codificati a distanza (DCRM) sono posizionati sulla scala secondo uno schema univoco che consente un movimento minimo (tipicamente oltre due segni di riferimento) per definire la posizione del lettore. È inoltre possibile posizionare sulla bilancia più segni di riferimento equidistanti in modo tale che, dopo l'installazione, il marker desiderato possa essere selezionato, solitamente tramite un magnete o deselezionato otticamente o non desiderato mediante etichette o mediante verniciatura.
Codice assoluto
Con scale opportunamente codificate (multitraccia, nonio , codice digitale o codice pseudo-casuale) un codificatore può determinare la propria posizione senza muoversi o dover trovare una posizione di riferimento. Tali encoder assoluti comunicano anche utilizzando protocolli di comunicazione seriale. Molti di questi protocolli sono proprietari (ad es. Fanuc, Mitsubishi, FeeDat (Fagor Automation), Heidenhain EnDat, DriveCliq, Panasonic, Yaskawa) ma ora stanno comparendo standard aperti come BiSS , che evitano di legare gli utenti a un particolare fornitore.
Interruttore d'arresto
Molti encoder lineari includono interruttori di finecorsa incorporati; ottici o magnetici. Sono spesso inclusi due finecorsa in modo tale che all'accensione il controllore possa determinare se l'encoder è a fine corsa e in quale direzione guidare l'asse.
Disposizione fisica e protezione
Gli encoder lineari possono essere chiusi o aperti . Gli encoder lineari chiusi sono impiegati in ambienti sporchi e ostili come le macchine utensili. Tipicamente comprendono un estruso di alluminio che racchiude una scala di vetro o metallo. Le guarnizioni a labbro flessibili consentono a un lettore guidato interno di leggere la scala. La precisione è limitata a causa dell'attrito e dell'isteresi imposti da questa disposizione meccanica.
Per la massima precisione, l'isteresi di misurazione più bassa e le applicazioni con attrito ridotto, vengono utilizzati encoder lineari aperti.
Gli encoder lineari possono utilizzare scale trasmissive (vetro) o riflettenti, impiegando Ronchi o reticoli di fase . I materiali della bilancia includono cromo su vetro, metallo (acciaio inossidabile, acciaio placcato oro, Invar ), ceramica ( Zerodur ) e plastica. La bilancia può essere autoportante, termosaldata al substrato (tramite nastro adesivo o adesivo) o montata su binario . Il montaggio su binario può consentire alla bilancia di mantenere il proprio coefficiente di espansione termica e consente di smontare apparecchiature di grandi dimensioni per la spedizione.
Termini dell'encoder
- Risoluzione
- Ripetibilità
- isteresi
- Rapporto segnale / rumore / rumore / jitter
- Figura di Lissajous
- quadratura
- Indice/segno di riferimento/dato/ fiduciario
- Tacche di riferimento codificate a distanza (DCRM)
Guarda anche
Riferimenti
Ulteriori letture
- Nyce, David S. (2003). Sensori di posizione lineari: teoria e applicazione . New Jersey, Stati Uniti: John Wiley & Sons Inc.
- Hans Walcher (1994). Rilevamento della posizione: misurazione dell'angolo e della distanza per gli ingegneri . Butterworth-Heinemann .
