Лінійні енкодери та датчики переміщення

Що таке лінійні енкодери та датчики переміщення

Лінійні енкодери та датчики переміщення - це спеціальні пристрої, які використовуються для дуже точного вимірювання лінійного руху, тобто переміщення об'єкта по прямій лінії. Ці пристрої є критично важливими для обладнання, де потрібна висока точність, наприклад, у верстатах із числовим програмним керуванням (ЧПК), фрезерних верстатах, токарних верстатах, шліфувальних машинах та автоматизованих системах. Вони дозволяють електроніці керування завжди знати, де знаходиться рухома частина машини.

Переваги використання лінійних енкодерів

Використання лінійних енкодерів для вимірювання позиції рухомої частини машини (наприклад, супорта) називається роботою у замкнутому циклі (Closed Loop). Це означає, що система керування постійно отримує інформацію про фактичне місцезнаходження і може коригувати рух. Це допомагає усунути кілька поширених джерел помилок:

• Помилки позиціонування, спричинені тепловими змінами в механічних частинах, таких як кулькові гвинти
• Помилки реверсування (коли напрямок руху змінюється)
• Кінематичні помилки, пов'язані з неточністю кроку кульового гвинта

Енкодери також мають високі динамічні характеристики, дозволяючи досягати високої швидкості переміщення та прискорення. Завдяки контактно-безконтактному (наприклад, фотоелектричному) принципу сканування та міцній конструкції, вони забезпечують тривалий термін служби.

Лінійні енкодери HEIDENHAIN

Особливості та принципи роботи

Лінійні енкодери від HEIDENHAIN - це переважно закриті вимірювальні пристрої. Алюмінієвий корпус захищає мірну шкалу, скануючий каретку та її напрямну від стружки, пилу та бризок води. Герметичність забезпечується еластичними губами, спрямованими донизу.

Більшість енкодерів HEIDENHAIN використовують фотоелектричний принцип сканування, який є безконтактним і тому не зношується. Цей метод дозволяє виявляти надзвичайно тонкі лінії, створюючи вихідні сигнали з дуже малими періодами сигналу.

Існують два основні методи вимірювання:

• Абсолютний метод (Absolute measuring method) - енкодер завжди надає точне значення позиції, навіть одразу після ввімкнення або збою живлення. Це реалізовано в серіях LC
• Інкрементальний метод (Incremental measuring method) - позиція визначається відносно референтної мітки (початкової точки). Це реалізовано в серіях LF, LS та LB

Залежно від точності та розміру поділ шкали, використовують два принципи сканування:

• Принцип формування зображення (Imaging scanning principle) - використовується для більших періодів решітки (20 мкм та 40 мкм). Застосовується в енкодерах LC, LS та LB
• Інтерференційний принцип (Interferential scanning principle) - використовує дифракцію та інтерференцію світла для дуже тонких поділок (наприклад, 8 мкм, 4 мкм). Він забезпечує високу точність і використовується в герметичних лінійних енкодерах серії LF

Основні серії лінійних енкодерів HEIDENHAIN

Абсолютні лінійні енкодери:

• LC 400 series (наприклад, LC 415, LC 485, LC 495 S, LC 495 F, LC 495 M, LC 495 P) - для обмеженого монтажного простору
• LC 100 series (наприклад, LC 115, LC 185, LC 195 S, LC 195 F, LC 195 M, LC 195 P) - мають міцний корпус повного розміру та високу стійкість до вібрації
• LC 200 series (LC 211, LC 281, LC 291 F, LC 291 M) - для абсолютного вимірювання на великих довжинах (використовують сталеву мірну стрічку)

Інкрементальні лінійні енкодери:

• LF 485, LF 185 - для інкрементального вимірювання з дуже високою повторюваністю (використовують сталеву шкалу та малий період сигналу 4 мкм)
• LS 400 series (наприклад, LS 487, LS 477) та LS 100 series (наприклад, LS 187, LS 177) - для інкрементального вимірювання (використовують скляну шкалу з періодом 20 мкм)
• LB 383 C - для інкрементального вимірювання на великих довжинах (використовують сталеву мірну стрічку з періодом 40 мкм)

Магнітострикційні датчики переміщення Balluff

Особливості та принцип роботи

Магнітострикційні датчики Micropulse Transducers від Balluff є безконтактними, точними та абсолютними системами вимірювання лінійного положення. Вони широко використовуються в гідравлічних системах, пневматиці, а також у важкому машинобудуванні, зокрема для контролю положення поршня всередині гідроциліндрів або контролю рівня рідини.

Принцип магнітострикції полягає у наступному:

1. Усередині датчика є вимірювальний елемент - хвилевід, зроблений зі спеціального нікель-залізного сплаву
2. Короткий імпульс струму створює кругове магнітне поле всередині хвилеводу
3. Позиція вимірюється за допомогою постійного магніту (позиційного енкодера), який рухається вздовж хвилеводу
4. Там, де магнітне поле від імпульсу перетинається з полем постійного магніту, виникає пружна деформація (магнітострикція)
5. Ця деформація генерує механічну хвилю, яка поширюється до перетворювача сигналу. Час проходження цієї хвилі прямо пропорційний відстані до постійного магніту. Таким чином вимірюється положення

Ключові переваги магнітострикційних датчиків Micropulse:

• Безконтактність та відсутність зносу - це забезпечує практично нескінченний термін служби
• Абсолютне вимірювання - позиція доступна одразу після ввімкнення, без потреби у виконанні референтних пробігів
• Високий ступінь захисту - можуть мати герметичний корпус до IP 69K і витримувати високі тиски (до 600 бар)
• Вимірювання кількох позицій - можливе одночасне вимірювання кількох магнітів одним датчиком
• Стійкість до зовнішніх впливів - нечутливі до ударів, вібрацій та забруднень

Основні серії датчиків Balluff

Датчики Micropulse (7 покоління) доступні в різних конструктивних виконаннях:

Стрижневі (Rod Style) датчики (для встановлення в гідроциліндри):

• BTL7 - новітнє покоління з розширеними функціями та підвищеною продуктивністю. Моделі Micropulse та Micropulse+ (з можливістю конфігурації через USB)
• BTL5, BTL6 - попередні покоління з широким вибором інтерфейсів (CANopen, Profibus DP, Ethernet)
• Серії Compact: K BTL7, H/W BTL7, K BTL5, H/W BTL5 - компактні виконання, також для високого тиску
• Серії EX (наприклад, Rod DEX, Rod J-DEXC, Rod PEX, Rod NEX) - призначені для використання у потенційно вибухонебезпечних середовищах (Зона 0, 1)
• Rod T Redundant - мають 2 або 3 незалежні вимірювальні системи для підвищеної безпеки

Профільні (Profile Style) датчики (для зовнішнього монтажу на рамах машин):

• Profile P (BTL7, BTL5) - універсальні стандартні серії з вимірювальною довжиною до 7620 мм
• Profile PF (BTL6) - мають плоский дизайн
• Profile AT (BTL6 A1) - надійне, економічне, безконтактне рішення
• Profile BIW (BIW1) - індуктивний безконтактний датчик з високою частотою вимірювання (32 кГц)

Ключові технічні характеристики

Щоб дати уявлення про можливості цих пристроїв, розглянемо деякі типові параметри (для прикладів різних серій):

Точність та роздільна здатність:

• Лінійні енкодери HEIDENHAIN можуть мати клас точності, наприклад, ±3 мкм або ±5 мкм (для серій LC 415, LC 485)
• Максимальна похибка інтерполяції (точність всередині одного періоду шкали) може бути дуже низькою, наприклад, ±0.1 мкм (для LC 415)
• Магнітострикційні датчики Balluff можуть мати системну роздільну здатність 1 мкм, 2 мкм, 5 мкм або 10 мкм (для SSI інтерфейсу BTL7 Rod)

Фізичні параметри:

• Вимірювальна довжина енкодерів HEIDENHAIN може варіюватися від 70 мм до 2040 мм (для LC 400 series) або досягати 28 040 мм (для багатосекційних LC 200 series)
• Магнітострикційні датчики Balluff підтримують вимірювальну довжину від 25 мм до 7620 мм
• Робоча температура для багатьох моделей становить 0°C до 50°C (HEIDENHAIN) або -40°C до +85°C (Balluff)
• Максимальна швидкість переміщення може досягати 180 м/хв (HEIDENHAIN LC 415/LC 115)
• Стійкість до ударів для датчиків Balluff BTL7 Rod складає до 150 g/6 мс

Інтерфейси:

Обидва типи пристроїв підтримують різні електричні інтерфейси для передачі даних до системи керування:

• Аналогові сигнали (наприклад, 0-10 В, -10-+10 В, 4-20 мА)
• Послідовні цифрові інтерфейси (SSI)
• Промислові мережі (наприклад, EnDat 2.2, DRIVE-CLiQ, Fanuc, Mitsubishi, Panasonic для HEIDENHAIN; CANopen, Profibus DP, EtherCAT, IO-Link для Balluff)