Newsletter WObit

Przetworniki obrotowo-impulsowe z otworem na oś. Optoelektroniczne przetworniki obrotowo-impulsowe z otworem na oś znajdują wszechstronne zastosowanie w automatyce napędu i wielu innych branżach. Firma WObit specjalizuje się w dostawach przetworników do pomiaru kąta, szczególnie w technologii optoelektronicznej.

W poniższym artykule bliżej omówione zostaną przetworniki wyróżnione z uwagi na sposób mocowania bezpośrednio na osi obiektu, którego kątowe przemieszczenie ma być mierzone. W szczególności opisano przetworniki inkrementalne wykorzystujące technologię optoelektroniczną, choć podane będą też przykłady przetworników wykonane w innych technologiach.

Takie przyrostowe przetworniki nazywane są też po prostu enkoderami (w angielskim encoders, w j. niemieckim Drehgeber). Przetworniki te są dostępne w szerokim zakresie rozdzielczości, liczby kanałów, wykonaniach elektroniki, sygnałów wyjściowych, ze złączem lub kablem, w obudowach metalowych lub jako kit z tworzywa. Obszerny program dostaw WObit obejmuje wszystkie wielkości i klasy cenowe. Jest to temat sam w sobie, jako że w tych produktach można spotkać różnice cenowe sięgające 1:2000 (od kilkunastu zł do kilku tysięcy euro) zależnie od klasy, technologii i przede wszystkim rozdzielczości przetwornika.

Przetworniki impulsowe
Przetworniki impulsowe (zwane też przyrostowe czy inkrementalne) są przeznaczone do pomiaru przemieszczeń kątowych, a więc zarówno do pomiaru kąta jak i prędkości kątowych. Te przetworniki pozwalają na określenie pozycji względnej przez zliczanie impulsów. Kierunek ruchu rozpoznawany jest dzięki przesunięciu fazowemu kanałów A i B przez elektronikę współpracującą, która musi przychodzące impulsy dodawać lub odejmować (układ z kwadraturą).

W przetwornikach o większej rozdzielczości zwykle występuje też kanał zerowy C (punkt referencyjny), który wyznacza przy każdym obrocie pozycję absolutną. Znacznik zerowy może służyć do rozpoznawania poprawności przychodzących impulsów i wyznaczania pozycji zerowej. Rozdzielczość określana jest zwykle przez liczbę kresek na tarczy podziałowej przetwornika (działek), co odpowiada liczbie okresów z jednego kanału. Liczba impulsów jest 4-krotnie większa od liczby działek, jeśli jest zliczana w poprawnym liczniku kwadraturowym, czyli zauważającym wszystkie cztery zbocza sygnałów A i B na jeden okres.

Zasada funkcjonowania przetworników optoelektronicznych
Sercem przetwornika jest osadzona na tulei obrotowej przetwornika tarcza szklana z niezwykle precyzyjną podziałką kodową naniesioną w warstwie chromu napylonego w warunkach próżni na powierzchni szkła, względnie przy małej rozdzielczości tarcza metalowa z wytrawionymi precyzyjnie szczelinami lub ostatecznie tarcza z tworzywa sztucznego.

Przy wysokiej rozdzielczości lub małych wymiarach tarczy konieczne jest stosowanie zaawansowanej technologii fotolitografii (stosowanej w produkcji półprzewodników) koniecznej dla uzyskania niezwykle małych szczelin i ostrego rysunku kresek na tarczy. Już samo szkło na tarczę spełniać musi ostre wymagania równoległości płaszczyzn, gładkości i przejrzystości (braku wtrąceń). Przy wyższych rozdzielczościach nie wystarcza szkło wyciągane (flott) wg takiej technologii jak w obróbce szkła okiennego. Specjalne szkło tnie się z bloków i osobno obrabia, co podnosi znacznie koszt. Renomowani producenci mają opracowane własne receptury szkła, między innymi w celu podniesienia walorów mechanicznych szkła.

Rozdzielczość przetworników jest określona przez liczbę kresek na tarczy podziałowej. Tarcza przetwornika, mająca wyznaczone ścieżki z określoną liczbą pól ciemnych i jasnych, przemieszcza się kątowo nad podziałką maskującą. Tarcza maskująca jest oświetlana diodą IRED na światło podczerwone (dawniej żarówką). Element światłoczuły odbiera z tarczy podziałowej impulsy świetlne i przetwarza je na sygnały elektryczne. Te sygnały są wzmacniane i przekształcane w sygnały elektryczne o odpowiednim poziomie. Poziom sygnałów zależy od następującej po fotoelementach elektronice formującej impulsy wyjściowe. Elementy fotoelektryczne dostarczają zwykle przebiegi sinusoidalne przy równomiernym przemieszczaniu tarczy przetwornika. W zależności od przyłączonych do nich układów dyskryminacyjnych Schmitta przekształca się sygnał sinusoidalny na prostokątny. Sygnały sinusoidalne można wzmocnić i poddać podziałowi w tzw interpolatorze, który dzieli sygnał na wiele drobnych impulsów podwyższając w ten sposób uzyskaną rozdzielczość.

Te elektroniki są najczęściej zintegrowane w przetworniku, mogą być jednak dostępne również na zewnątrz. W wielu nowych przetwornikach elektronika ta jest już zintegrowana nawet z elementami fotoczułymi w postaci jednego układu scalonego. W produkowanych masowo przetwornikach o małej rozdzielczości w obudowie z tworzywa stosuje się też tarcze metalowe i układy refleksyjne zawierające wszystkie niezbędne do działania enkodera układy w jednym czipie (oświetlające i badające światło odbite). Dobrym przykładem taniego rozwiązania jest tu przetwornik z otworem na oś ME22 o rozdzielczości 200, 250 lub 300działek na obrót. Przetwornik ten świetnie da się zamontować na małym silniku DC.

Producenci małych silników prądu stałego często sięgają po własne rozwiązania w celu utrzymania niskiej ceny komponentu napędu. Przykładem mogą być enkodery z firm produkujących małe silniki DC jak Buehler Motor lub Dunkermotoren. Enkodery te dopasowane są do konstrukcji silników, ale najczęściej występują tylko w ograniczonej liczbie rozdzielczości (najczęściej 100, 500 działek). Występują tu często płaskie konstrukcje, bo tuleja z tarczą mocowana jest na osi silnika a moduł optoelektroniczny (taki jak HEDS5540 firmy Agilent, dawniej HP) w obudowie z tworzywa pasującej do pokrywy łożyskowej silnika.

Konstrukcje takie jak np. HEDS5540-H06 z otworem na oś o średnicy 6,35mm instaluje się wygodnie na silnikach krokowych rozmiaru 56 z tylną osią i przygotowanymi otworami. Popularne są tu rozdzielczości 200, 400 i 1000 działek.

Zainstalowany na silniku krokowym enkoder ułatwia przy odpowiednim sterowaniu silnika precyzyjną kontrolę pozycji z reguły sięgającą wyżej niż dokładność silnika. W odpowiedzialnych zadaniach sprzężenie zwrotne z enkodera służy też do badania poprawności zachowania elektroniki sterującej. Enkodery te dostarczane są jednak najczęściej tylko w określonym standardzie zasilania i standardzie wyjść. Zwykle jest to zasilanie 5VDC i wyjście kanałów A, B o poziomach TTL.

Standardowe enkodery z otworem
Najpopularniejszym enkoderem z otworem stosowanym w przemyśle jest enkoder o klasycznej budowie jak przetwornik MHK40. W takich enkoderach występuje największa różnorodność rozdzielczości, standardów zasilania i standardów sygnałów wyjściowych. Bierze się to stąd, że konstrukcja przetwornika niewiele odbiega od tej typowego enkodera z osią. Wręcz elektronika i obudowa są często te same (tutaj enkoder z otworem MHK40-8-2000-5-BZ-N i jego brat enkoder MOK40-2000-5-BZ-N z osią).

Przetwornik MHK40 wykonywany jest standardowo z otworem o średnicy 8mm, ale dostępny jest w zakresie średnic otworu od 6mm do 12mm. Obszar zastosowań tych enkoderów jest praktycznie nieograniczony, od integracji we wnętrzu specjalizowanej maszyny budowanej na zamówienie, poprzez małe i średnie napędy z silnikami DC lub indukcyjnymi, których falowniki oczekują sygnału sprzężenia zwrotnego, do zastosowań w maszynach CNC bezpośrednio na wale śruby tocznej.

Przetwornik MHK40	Przetwornik MHK80

Enkodery zabudowane z łożyskiem o dużej średnicy
Enkodery podobne w konstrukcji do poprzednio opisanego, ale o zwiększonym otworze wymagają dużych pierścieniowych łożysk, co podnosi ich koszt. Przetworniki te przeznaczone są do mocowania bezpośrednio na wale większego silnika napędowego głównie w celu kontroli prędkości napędu. Przetworniki te występują już w ograniczonym asortymencie wykonań. Najpopularniejsza jest rozdzielczość 1024 działek na obrót, zasilanie +5VDC i wyjście typu nadajnik linii. Przykładowy przetwornik MHK80 o średnicy obudowy 80mm wykonywany jest z otworem na wał o średnicy 30mm. Typowe zastosowania to dźwigi, windy, robotyka. W układach sterujących windami w szybach stosuje się specjalnie zdublowane układy enkoderów w celu spełnienia wymagań nakładanych na maszyny wyciągowe.

Inne enkodery o takiej konstrukcji i zwiększonej rozdzielczości celują w aplikacje pomiarowe i astronomiczne (często połączone z enkoderem kodowym) osiągając też wysokie ceny. Ścieżki kwadraturowe dają wtedy sygnał do napędu wykorzystywany do regulacji prędkości a informacja słana szeregowo podaje absolutna pozycję o wysokiej dokładności i rozdzielczości sięgającej nawet 27 bitów.

Specjalne enkodery pierścieniowe o dużej średnicy.
W nieco innej technologii optoelektronicznej produkowane są też enkodery o dużej rozdzielczości do zastosowań pomiarowych np. w precyzyjnych stołach obrotowych. Przetwornik pomiarowy z serii RESM firmy Renishaw, specjalizującej się w precyzyjnych systemach pomiarowych, ma zamiast tarczy podziałowej niskoprofilowy pierścień stalowy z naniesioną podziałką o stałej 20um na zewnętrznym obwodzie pierścienia. Niewielka głowica o wymiarach 15,6x16,5x36mm czyta metodą refleksyjną przemieszczenie zapewniając rozdzielczość i powtarzalność 0,02 sekundy łukowej. Zaletą, oprócz wysokiej dokładności sięgającej +-0,5sekundy łukowej, są małe rozmiary pierścienia i wybór różnych średnic pierścieni od 52mm do 413mm, co pozwala dostosować się do wymiarów aplikacji. Z pierścienia o średnicy 52mm głowica czyta 8192 linie, a z pierścienia o największej średnicy 413mm aż 64800 linii. Interpolator zewnętrzny może podnieść rozdzielczość od 4- do 1000-krotnie. Głowica odczytowa ma wysoki stopień ochrony IP65, a pierścieniowi nie jest w stanie zaszkodzić maszynowe chłodziwo czy inne płyny.

Inne technologie. Bezstykowe przetworniki impulsowe kąta wykonywane są nie tylko w technologii optoelektronicznej, ale i technologii magnetycznej, pojemnościowej i innych. Praktycznego znaczenia nabiera technologia magnetyczna, w której kilku znanych producentów dostarcza enkodery impulsowe zarówno o najniższych jak i dużych rozdzielczościach. Przykładem ekonomicznego rozwiązania jest enkoder magnetyczny WMK16 bazujący na pierścieniu ferrytowym namagnesowanym pierścieniowo (16 biegunów).

Pierścień wklejony jest na tuleję mocującą z aluminium, którą zakłada się na oś o średnicy 6mm lub w innej wersji na oś o średnicy 6,35mm. Cała zawartość elektroniczna enkodera mieści się w układzie scalonym przypominającym tranzystor. Obudowa o wymiarach 4,5x6mm i grubości 1,5mm zawiera dwa hallotrony precyzyjnie umieszczone w odległości 1,5mm od siebie. Hallotrony, wzmacniacz, komparator, układ zasilania i stopień wyjściowy zintegrowane są w jednej strukturze półprzewodnikowej A3422 firmy Allegro.
 

Przetwornik ten nadaje się do zastosowań masowych, ale i pojedynczych z uwagi na cenę i łatwość aplikacji. Czip nie musi być precyzyjnie justowany, a wystarczy, że jest zbliżony do obracającego się pierścienia. Dostarcza na wyjściu w standardzie OC sygnały A, S (zmultiplikowany już sygnał z obu kanałów A, B) i wyróżniony sygnał kierunku. Dzięki temu może być stosowany bezpośrednio do liczników bez kwadratury.

W podobnej technologii dostępne są też enkodery o wysokiej rozdzielczości. Różnica polega głównie na zaawansowaniu głowicy czytającej zmiany sygnału pola magnetycznego, mechanice pierścienia, sposobach magnesowania. Technologia magnetyczna pozwala też na budowanie enkoderów absolutnych, tzn dostarczających informacji o położeniu bezwględnym.
I

nteresujący enkoder wykonany w innej technologii opisywano już na łamach tego czasopisma. Mimo, że technologia pojemnościowa jest znana od dawna, dopiero obecnie pojawiają się udane technicznie i ekonomicznie rozwiązania. Przykładem jest enkoder REE52 firmy Netzer Precision, który oprócz sygnałów kwadraturowych dostarcza po łączu SSI informacji o położeniu absolutnym. Przetwornik ma bardzo płaską budowę i mocuje się go na osi silnika bez konieczności precyzyjnego ustawiania. Przetwornik w szerokim zakresie temperatur od -40 do 125oC zapewnia dokładność +-0,05stopnia.

Przetworniki te stosowane są głównie z silnikami bezszczotkowymi do kontroli pozycji, ale w tej technologii dużo jest zastosowań nawet militarnych. W tej samej technologii wykonywany jest też płaski enkoder o średnicy 168mm z wewnętrzną średnicą 107mm o rozdzielczości do 524288działek na obrót.

Porównanie
Tabela poniżej przybliża porównanie zupełnie różnych enkoderów z otworem.

Niniejszy artykuł miał za zadanie pokazanie różnorodności rozwiązań enkoderów z otworem. Aplikant może się łatwo pogubić w parametrach technicznych, szczególnie jeśli sprzedawca zachwala odpowiednio swoje produkty. Użytkownikowi potrzebne jest więc rzetelne inżynierskie podejście sprzedającego, aby wykorzystać przede wszystkim jego wiedzę, a dopiero potem doprowadzić do ewentualnego zakupu.

Zastrzeżone znaki towarowe i nazwy firm są własnością odpowiednich firm i użyto je w artykule wyłącznie w celach informacyjnych.