Enkodery inkrementalne

Enkodery Inkrementalne

Zastanawiasz się, jak enkoder inkrementalny pomaga śledzić pozycję oraz prędkość obrotową? Tutaj znajdziesz wyjaśnienie jego działania, wskazówki doboru urządzenia i przykłady zastosowań w technice.

Enkodery inkrementalne przekształcają ruch obrotowy na impulsy elektryczne, mając kluczowe zastosowanie w precyzyjnym pozycjonowaniu i określaniu prędkości obrotowej w różnych gałęziach przemysłu.

Kluczowe parametry wyboru enkodera inkrementalnego to rozdzielczość determinująca precyzję pomiaru, typ sygnału wyjściowego wpływający na kompatybilność z systemem oraz średnica wałka wpływająca na stabilność montażu.

Technologia enkoderów inkrementalnych ewoluuje, oferując użytkownikom większą programowalność i funkcjonalności zapewniające elastyczność i optymalizację procesów przemysłowych.

Rola enkodera inkrementalnego w systemach pomiarowych

Enkodery inkrementalne są niezbędnym elementem wielu systemów pomiarowych. Ich głównym zadaniem jest przekształcanie ruchu mechanicznego na sygnał elektryczny. Proces polega na generowaniu prostokątnych lub sinusoidalnych impulsów elektrycznych. Te impulsy są ściśle związane z ruchem obrotowym napędu, do którego enkoder jest zamocowany.

Pomimo swojej skomplikowanej budowy, enkodery te działają na zasadzie zliczania kroków od znanego punktu referencyjnego, co umożliwia precyzyjne pozycjonowanie.

To, co wyróżnia enkodery inkrementalne na tle innych urządzeń pomiarowych, to ich zdolność do precyzyjnego pomiaru pozycji kątowej. Dzięki temu znajdują zastosowanie w wielu aplikacjach przemysłowych, gdzie wymagane jest precyzyjne pozycjonowanie i określanie prędkości obrotowej, na przykład w przemyśle motoryzacyjnym, lotniczym czy robotyce.

Ich działanie opiera się na zasadzie zliczania impulsów, które są generowane podczas ruchu względem skali.

Kluczowe parametry wybierając enkoder inkrementalny

Wybór odpowiedniego enkodera inkrementalnego nie jest prostym zadaniem. Wiele czynników wpływa na jego optymalne działanie w danym systemie. Kluczowe parametry, które należy uwzględnić, to między innymi rozdzielczość, typ sygnału na wyjściu enkodera oraz średnica wałka.

Rozdzielczość enkodera określa ilość impulsów generowanych podczas jednego pełnego obrotu enkodera (imp obr), co jest kluczowe dla precyzji pomiaru. Typ sygnału wyjściowego ma z kolei wpływ na kompatybilność enkodera z innymi elementami systemu.

Średnica wałka, na którym zamontowany jest enkoder, ma zasadnicze znaczenie dla stabilności i niezawodności działania całego układu.

Rozdzielczość enkodera, a dokładność pomiaru

Rozdzielczość enkodera ma bezpośredni wpływ na dokładność pomiaru. Jest to ilość impulsów generowanych podczas jednego pełnego obrotu enkodera.

Im większa jest rozdzielczość, tym dokładniejsze są pomiary przesunięć kątowych. Oznacza to, że nawet najmniejsze przesunięcia są wykrywane i przekazywane do układu sterującego, co zwiększa dokładność całego systemu pomiarowego.

Częstotliwość sygnału wyjściowego, czyli ilość impulsów elektrycznych wygenerowanych przez enkoder w ciągu 1 sekundy, jest funkcją rozdzielczości enkodera i prędkości obrotowej. W praktyce oznacza to, że wzrost prędkości obrotowej przy stałej rozdzielczości enkodera prowadzi do zwiększenia częstotliwości sygnału wyjściowego. Pomiar prędkości jest więc ściśle związany z liczbą impulsów.

Z drugiej strony, rozdzielczość pomiarów enkodera inkrementalnego może być podwojona lub poczwórna, gdy współpracujące urządzenie zlicza półokresy lub każde zbocze w kanałach A i B. Dlatego też, liczba impulsów ma kluczowe znaczenie dla osiągnięcia odpowiedniej rozdzielczości.

Sygnał elektryczny - typy sygnałów wyjściowych

Różne typy sygnałów wyjściowych mają swoje unikalne cechy i wpływają na kompatybilność enkodera z innymi elementami systemu. Najpopularniejszym i najczęściej stosowanym interfejsem wyjściowym w enkoderach inkrementalnych jest sygnał HTL, zwany również Push Pull.

Inny typ sygnału wyjściowego, Open Collector (OC), stosowany jest przede wszystkim w prostych aplikacjach z niską częstotliwością wyjściową.

Wysoka kompatybilność elektromagnetyczna, szczególnie w aplikacjach z wysokomocowymi napędami i przemiennikami, jest preferowana dla sygnału wyjściowego HTL. Sygnał HTL w stanie wysokim obniża napięcie o około 2 do 4 V względem napięcia zasilającego, a w stanie niskim utrzymuje się na poziomie około 0.5 do 1.5 V.

Ważne jest również, aby podczas instalacji enkodera zapewnić minimalne odsunięcie przewodów od przewodów zasilających, co zminimalizuje ryzyko zakłóceń elektromagnetycznych.

Interfejs wyjściowy typu push pull

Interfejs wyjściowy push pull jest powszechnie stosowany w enkoderach inkrementalnych do przekazywania informacji o ruchu obrotowego do układów sterujących. Działa on na zasadzie zmiany stanu sygnału elektrycznego w zależności od kierunku obrotu wału enkodera.

Interfejs push pull generuje dwa sygnały cyfrowe: A i B. Sygnały te są komplementarne, co oznacza, że ​​gdy jeden sygnał jest wysoki, drugi jest niski. Stan sygnałów A i B zmienia się z każdym przejściem przez punkt zerowy tarczy enkodera. Kierunek obrotu wału enkodera można określić na podstawie kolejności zmiany stanu sygnałów A i B.

Rozdzielczość enkodera, czyli liczba impulsów na obrót, jest określona przez liczbę szczelin na tarczy enkodera. Interfejs push pull jest prosty w konstrukcji i łatwy w implementacji. Sygnały A i B są komplementarne, co czyni je odpornymi na zakłócenia elektromagnetyczne.

Enkodery z interfejsem push pull są zazwyczaj tańsze niż enkodery z innymi typami interfejsów.

Interfejs push pull jest stosowany w szerokim zakresie zastosowań, takich jak:

• sterowanie silnikami,
• robotyka,
• maszyny CNC,
• drukarki 3D,
• urządzenia medyczne.

Interfejs wyjściowy push pull, mający typ wyjścia push jest prostym, niezawodnym i niedrogim rozwiązaniem do przekazywania informacji o ruchu obrotowym w enkoderach inkrementalnych. Jest on powszechnie stosowany w różnych zastosowaniach przemysłowych i automatyzacyjnych.

Znaczenie średnicy wałka i otworu montażowego

Dobór odpowiedniej średnicy wałka i otworu montażowego ma kluczowe znaczenie dla stabilności i niezawodności działania enkodera. Standardowe średnice wałków enkoderów inkrementalnych to:

• 6mm,
• 8mm,
• 10mm,
• 12mm.

Urządzenia te są wyposażone w wyjście uniwersalne, co pozwala na dopasowanie do większości zastosowań przemysłowych. Średnica otworu montażowego ma często standardowe wymiary, umożliwiające łatwą integrację z maszynami i osprzętem.

Dobór odpowiedniej średnicy wałka enkodera jest kluczowy dla zapewnienia dokładnego i stabilnego montażu, co wyklucza luz osiowy i promieniowy. W przypadku standardowych średnic, enkodery często wyposażone są w adaptery umożliwiające montaż na wałkach o różnych średnicach.

Właściwy dobór i montaż enkoderów z uwzględnieniem ich średnicy wałków i otworów montażowych ma decydujące znaczenie dla integracji mechanicznej i niezawodności działania enkodera w systemie.

Budowa i działanie enkodera inkrementalnego

Enkoder inkrementalny składa się z kilku kluczowych elementów, takich jak:

• wałek z zamontowaną tarczą kodową,
• dwa łożyska,
• układ skanujący,
• układ elektroniczny.

Główną funkcją tarczy kodowej jest generowanie impulsów, które są przetwarzane na sygnał elektryczny przez układ skanujący. Ten układ zawiera źródło światła, soczewkę, maskę i element światłoczuły, a jego zadaniem jest przekształcanie światła przechodzącego przez tarczę kodową w sygnał elektryczny.

Maska w enkoderze tworzy z pojedynczego promienia światła dwa przesunięte kanały sygnałów wyjściowych A i B, które są następnie przetwarzane na sygnał elektryczny. Enkoder inkrementalny generuje sygnał poprzez zliczanie kresek na obracającej się tarczy z prążkami przezroczystymi i nieprzezroczystymi.

Tarcza kodowa, zwykle wykonana z metalu, zapewnia długą żywotność, odporność na wibracje i wstrząsy oraz większą powtarzalność pomiaru.

Technologie wykonania enkoderów inkrementalnych

Enkodery inkrementalne mogą być wykonane przy użyciu różnych technologii. Najpopularniejsze to: enkoder optyczny i enkoder magnetyczny.

Enkodery optyczne korzystają z tarczy kodowej z niklu, która jest odporna na wstrząsy i wibracje, zapewniając długotrwałą pracę i powtarzalność pomiarów.

Z drugiej strony, enkodery magnetyczne są lepiej przystosowane do warunków zapylenia i mają mniej elementów ruchomych, co zwiększa ich odporność na wibracje. Wybór między tymi dwoma typami enkoderów powinien uwzględniać odporność na warunki środowiskowe oraz wymagania dotyczące stabilności pomiarów w środowiskach wibracyjnych.

Metody montażu i połączeń mechanicznych

Montaż enkodera inkrementalnego jest kluczowym etapem, który ma bezpośredni wpływ na jego sprawność i dokładność pomiarów. Enkodery inkrementalne można podzielić na enkodery z wałkiem i enkodery z otworem. Enkodery inkrementalne z maksymalnie oddalonymi od siebie łożyskami umożliwiają pracę przy większych siłach działających na wałek, zapewniając wiarygodność mechanizmu.

Jednak nierytmiczne drgania obudowy z otworem mogą prowadzić do uszkodzenia mechanicznego pierwszego łożyska. Przy montażu enkodera z wałkiem istotna jest sekwencja dokręcania śrub, której nieprzestrzeganie może spowodować odkształcenie wspornika i uszkodzenie łożyska. 

Aby zminimalizować ekscentryczność i dopasować wał enkodera do wału silnika, wymagana jest precyzja montażu, aczkolwiek osiągnięcie takiego poziomu precyzji jest bardzo trudne w praktyce.

Praktyczne zastosowanie enkoderów inkrementalnych

Enkodery inkrementalne oraz enkodery liniowe znajdują szerokie zastosowanie w różnych aplikacjach przemysłowych. Wykorzystuje się je do:

• liczenia obrotów silników,
• przesyłania informacji do przetworników częstotliwości, co jest istotne w aplikacjach, gdzie wymagana jest kontrola prędkości obrotowej,
• precyzyjnego określania pozycji elementów maszyny,
• określania kąta obrotu,
• mierzenia prędkości, przyspieszenia i kierunku ruchu.

Dzięki enkoderom inkrementalnym można precyzyjnie określić pozycję elementów maszyny, kąt obrotu, prędkość, przyspieszenie i kierunek ruchu, w tym ruch obrotowy.

Enkodery inkrementalne znajdują zastosowanie również w bardziej specjalistycznych aplikacjach. Przykładowo, wykorzystuje się je w:

• maszynach do pomiaru impedancji PCB, które są niezbędne w produkcji elektroniki wysokiej częstotliwości, gdzie wymagane jest bardzo dokładne pozycjonowanie,
• urządzeniach medycznych, takich jak tomografy komputerowe, które wymagają precyzyjnego pomiaru pozycji,
• robotach przemysłowych, które muszą dokładnie kontrolować ruchy i pozycję,
• systemach nawigacji satelitarnej, które wykorzystują enkodery do precyzyjnego określania pozycji.

Co więcej, enkodery inkrementalne umożliwiają pomiar drogi poprzez zastosowanie koła pomiarowego i obliczanie drogi na podstawie obwodu koła oraz rozdzielczości enkodera.

Enkodery inkrementalne, a inne typy enkoderów

Chociaż enkodery inkrementalne są niezwykle przydatne, nie są jedynym rodzajem enkoderów dostępnych na rynku. Równie popularne są enkodery absolutne, które różnią się od enkoderów inkrementalnych metodą pomiaru i zachowaniem informacji o pozycji.

Enkodery absolutne przypisują unikalny kod każdemu sektorowi ich skali, co umożliwia im natychmiastowe raportowanie aktualnej pozycji, podczas gdy enkodery inkrementalne mierzą relatywną pozycję kątową, licząc impulsy na podzielonym dysku i nie odczytują bezpośrednio absolutnej pozycji kątowej.

W przypadku awarii zasilania, enkodery absolutne zachowują informację o swojej pozycji, natomiast enkodery inkrementalne tracą dane o pozycji i wymagają znalezienia pozycji odniesienia po przywróceniu zasilania.

Co więcej, enkodery absolutne komunikują się z kontrolerem za pomocą dwukierunkowej komunikacji szeregowej, co stanowi wyraźną przewagę nad enkoderami inkrementalnymi, które oferują jednokierunkową komunikację poprzez sygnały analogowe lub cyfrowe.

Nowoczesne rozwiązania w enkoderach inkrementalnych

Z roku na rok technologia enkoderów inkrementalnych staje się coraz bardziej zaawansowana, oferując użytkownikom większą programowalność, elastyczność i dodatkowe funkcjonalności. Programowalne enkodery umożliwiają:

• zmianę rozdzielczości do dowolnej wartości od 1 do 65536 impulsów na obrót,
• zmianę interfejsu wyjściowego na TTL lub HTL,
• zawieranie funkcji generowania impulsu na kanale Z,
• szybką zmianę kierunku dodatniego liczenia impulsów,
• powiązanie czasu trwania impulsu na kanale Z z kątem obrotu wału mechanicznego.

W ofercie producentów enkoderów można znaleźć również specjalistyczne serie terminali, takie jak EL51xx od Beckhoff, które ułatwiają analizę enkoderów 5V przy użyciu integracji w systemie sterowania w celu oszczędności miejsca i redukcji kosztów. Takie terminale oferują szereg zintegrowanych funkcji wspierających dodatkowe aplikacje, takie jak funkcja osi obrotowej, pomiar przedmiotów pracy i monitorowanie bezruchu w ramach terminala. Warto również zwrócić uwagę na line driver, który może być stosowany w systemach enkoderów.

Enkodery inkrementalne od Aserto

Enkodery inkrementalne to niezwykle zaawansowane urządzenia, które stanowią kluczowy element wielu systemów pomiarowych. Dzięki nim możliwe jest precyzyjne sterowanie maszynami, robotami czy pojazdami. Wybór odpowiedniego enkodera inkrementalnego jest kluczowy dla osiągnięcia optymalnej wydajności systemu pomiarowego, a jego montaż wymaga precyzji i uwzględnienia sekwencji dokręcania śrub. Oferując programowalność, elastyczność i dodatkowe funkcjonalności, nowoczesne enkodery inkrementalne stanowią istotny element w przemyśle 4.0.

Na sklepie internetowym Aserto znajdziesz szeroki wybór enkoderów inkrementalnych, w dużej dostępności i konkurencyjnych cenach!