Окончательное руководство по типам энкодеров: От управления движением до машинного обучения

Введение: Что такое кодировщики и зачем они нужны?

Современные технологии - это сложный танец, в котором главное - точность. Будь то роботизированные руки, собирающие смартфоны, или алгоритмы, подсказывающие вам, что купить в следующий раз, способность воспринимать, интерпретировать и оперативно реагировать на данные - вот что определяет разницу между успехом и неудачей. Основным элементом такой точности является энкодер. По сути, кодировщик - это устройство, датчик или алгоритм, который изменяет формат информации одной вещи на другую. Это определение неточно, но оно применяется очень конкретно и сильно.

В физическом смысле в машиностроении и автоматизации энкодер - это электромеханический компонент, преобразующий механическое движение или перемещение, например, оси в системе автоматизации, например, вращение вала двигателя, или линейное перемещение компонента, в электрический сигнал. Сигнал дает информацию о положении, скорости, направлении или количестве оборотов вала, позволяя станкам работать с высокой степенью контроля и точности. Бесперебойная работа станков с ЧПУ, автоматизация конвейеров и сложных роботов была бы невозможна без использования энкодеров. Они играют жизненно важную роль в современном оборудовании, поскольку являются органами чувств, контролирующими интеллектуальную деятельность в различных областях применения и в различных условиях окружающей среды.

Алгоритм преобразования данных (а именно категориальных переменных, например, красный, зеленый, синий) в числовое представление, которое может быть прочитано и проанализировано моделями машинного обучения, в цифровом контексте науки о данных и машинного обучения называется кодером. Такое преобразование - основной принцип подготовки данных к анализу, позволяющий алгоритмам видеть некоторые закономерности и делать прогнозы.

Таким образом, знания о разновидностях кодеров не просто теоретические. Это очень важная потребность инженеров, специалистов по обработке данных, разработчиков и системных интеграторов. Тип энкодера - от фактического устройства, используемого с двигателем, до программного метода, применяемого с набором данных, - оказывает непосредственное влияние на производительность, надежность и эффективность системы. В этом руководстве мы рассмотрим микромир энкодеров и расскажем об используемых технологиях, а также дадим вам возможность принять обоснованное решение о выборе приложения.

Различные типы кодирующих устройств: Обзор и основные различия

Мир кодировщиков, по сути, разделен на две разные вселенные - кодировщики данных и физические кодировщики, измеряющие движение. Они не похожи друг на друга по форме и абсолютно различны по своим функциям, несмотря на то что у них общее название и главный принцип, например преобразование.

Физические кодировщики - это аппаратные кодировщики, которые должны измерять движение. Они являются органами чувств, которые служат обратной связью в тысячах автоматизированных машин. Основное различие в этой группе связано с типом движения, которое они вычисляют:

• Поворотные энкодеры: Эти устройства предназначены для измерения вращательных движений. Они крепятся на вращающемся диске, например, на валу двигателя, и выдают выходной сигнал, связанный с угловым положением или скоростью вращения вала. Практически их можно встретить повсюду в системах управления вращением.
• Линейные энкодеры: Линейные энкодеры, напротив, измеряют линейное перемещение. Они представляют собой преобразователь (или считывающую головку) и шкалу, которая измеряет относительное положение как перемещение на заданное расстояние. Они играют очень важную роль, например, в станках, 3D-принтерах и трехмерных принтерах, а также в координатно-измерительных машинах (КИМ).

Кодировщики Data Science Алгоритмические процессы, используемые при предварительной обработке данных в рамках рабочего процесса машинного обучения. Они направлены на преобразование нечисловых данных в числовое представление, в котором могут быть применены математические модели. Важными из них являются:

• Категориальные кодировщики: Эти алгоритмы используют переменные, которые являются категориальными. Типичными примерами кодирования являются One-Hot Encoding или кодирование, при котором в столбец каждой классификации вводится двоичное значение, а также Label Encoding, при котором каждой классификации присваивается отдельный код. Выбор той или иной техники зависит от характера данных и потребностей модели машинного обучения.
• Изучение особенностей Энкодеры (например, автокодировщики): Feature Learning Encoders (например, автокодировщики): Это более совершенные конструкции нейронных сетей, которые направлены на поиск эффективных сжатых представлений данных. Автоэнкодер состоит из кодера, который преобразует входные величины в низкоразмерное скрытое пространство, и декодера, который восстанавливает исходные величины во входном пространстве путем преобразования сжатых отношений между входными величинами и сжатым представлением. Они могут применяться в таких задачах, как уменьшение размерности, извлечение признаков и обнаружение аномалий.

Признание концепции на этом уровне является начальным шагом. В случае с инженером выбор лежит между различными физическими датчиками с точки зрения движения, технологии и выходных данных. Для исследователей данных основная дилемма заключается в том, какой алгоритм будет наиболее адекватно представлять данные, учитывая модель.

Поворотные энкодеры: Самое распространенное решение для управления движением

Ни одно устройство не является более фундаментальным и масштабным, чем поворотный энкодер, в отношении управления движением. Его применение очень важно: обратная связь в режиме реального времени определяет угловое положение, скорость и направление вращающегося вала. Это основная часть любой замкнутой системы управления, поскольку она позволяет механизму динамически адаптировать свою работу для достижения точных параметров. Будь то микроперемещения роботизированной руки или скорость упаковочной машины выше среднего, поворотный энкодер играет решающую роль в безупречном выполнении команд.

Поворотные энкодеры в автоматизации и робототехнике слишком важны, чтобы их недооценивать. Они позволяют системе управления двигателем убедиться в том, что вал достиг нужного угла, что скорость вращения находится на оптимальном уровне и что он движется в правильном направлении. Именно это необходимо в автоматизации для обеспечения повторяемости, точности и безопасности. Системы без такой эффективной реакции должны работать в режиме “открытого контура”, фактически оценивая, что их команды были выполнены, а это неприемлемо для любой высокоточной системы.

Абсолютные и инкрементальные энкодеры: Какой из них подходит для ваших нужд?

Среди класса поворотных (и линейных) энкодеров, пожалуй, одно из самых значительных различий - абсолютные и инкрементальные. Выбор одного из них зависит от того, требуется ли в конкретном случае информация о положении, особенно при запуске системы, а также при потере мощности.

Инкрементальные энкодеры - это “кони труда” многочисленных систем управления движением. Они работают за счет серии импульсов, которые непрерывно генерируются при вращении вала. Обычно они имеют два выходных канала (A и B), расположенных на 90 градусов вне фазы, что позволяет системе управления определять, в какую сторону должен вращаться вал. Эти импульсы также можно назвать количеством импульсов, измеряя которое, система может определить относительное положение и скорость. Но инкрементальный энкодер может сказать сам себе, что он переместился и на какое расстояние; он не знает, где он находится. Поэтому в таких системах при запуске или после потери питания система должна пройти процедуру "самонаведения", которая представляет собой движение к известной исходной точке или концевому выключателю для достижения нулевого исходного положения.

• Лучше всего подходит для: Приложения, требующие контроля скорости и умеренного измерения длины, а также приложения, в которых допускается последовательность самонаведения. Они в значительной степени менее дороги и менее сложны в изготовлении.

Абсолютные энкодеры вместо этого предлагают отличительный цифровой код для каждого из положений вала. Питание может быть выключено и включено, при возвращении оно возвращает энкодер в его фактическое положение без необходимости возврата к точке отсчета. Для этого используется диск с индивидуальным рисунком, представляющим каждое из положений. Многооборотные абсолютные энкодеры могут отслеживать даже количество полных оборотов, что делает их пригодными для детального позиционирования.

• Лучший вариант для: Абсолютные энкодеры вместо этого предлагают отдельный цифровой код для каждого из положений вала. Питание может быть выключено и включено, а когда оно возвращается, энкодер возвращается к своему фактическому положению без необходимости сбрасывать себя в точку отсчета. Для этого используется диск с индивидуальным рисунком, представляющим каждое из положений. Многооборотные абсолютные энкодеры могут отслеживать даже количество полных оборотов, что делает их пригодными для детального позиционирования.

Технологии кодирования: Оптические, магнитные и механические

Второй важной деталью, определяющей производительность, долговечность и пригодность энкодера в конкретной среде, является внутренняя технология, используемая для определения движения, как, например, в оптических поворотных энкодерах. Их три: оптическая, магнитная и механическая.

Наиболее распространенные и популярные из них называются оптическими кодировщиками и отличаются высоким разрешением и точностью. Они активируются светодиодным светом, проходящим через предварительно вытравленный диск (кодовый диск) с рисунком из прозрачных и непрозрачных линий. Этот рисунок считывается оптическим датчиком на противоположной стороне и преобразуется в цифровой электрический сигнал.

• Преимущества: Это самые точные и самые надежные из доступных. Они являются эталоном в отрасли, когда требуются высокоточные приложения, например, в обработке полупроводников и высокоточной метрологии.
• Ограничения: Возможны удары, вибрации и чувствительность внутренней оптики к загрязнениям, что может привести к засорению светового тракта (пылью или маслом), что приведет к ошибкам сигнала - особенно в сложных условиях эксплуатации.

Магнитные энкодеры отличаются повышенной прочностью и долговечностью. Они основаны на намагниченном роторе (и серии магнитных полюсов, которые воспринимаются магнитными датчиками (обычно это эффект Холла или магниторезистивный датчик). Ротор вращается, а датчики наблюдают за изменением магнитного поля и вырабатывают сигнал.

• Преимущества: Очень ударопрочные, устойчивые к вибрации, влаге и пыли. Их прочный внешний вид позволяет использовать их в жестких условиях, таких как сталелитейные заводы, строительное оборудование и мойка.
• Ограничения: Хотя современные магнитные энкодеры намного лучше, их разрешение и точность ниже, чем у оптических энкодеров.

Наиболее простыми и базовыми являются механические энкодеры (также называемые контактными энкодерами). Для определения положения они полагаются на пару физических контактов и проводящие дорожки на печатной плате. Вал вращается, а контакты следуют за проводящими дорожками по схеме, размыкая и замыкая цепь для формирования кодированного сигнала.

• Преимущества: Низкая стоимость и простая конструкция.
• Ограничения: Они подвержены механическому износу, так как физически находятся в контакте, поэтому имеют короткий срок годности и могут быть ненадежными. Кроме того, они страдают от отскока контакта и имеют очень низкое разрешение, поэтому не подходят для прецизионного управления движением.

Выбор правильного энкодера для вашего приложения

Выбор идеального энкодера требует систематической оценки специфических потребностей вашего приложения. Помимо основных типов, необходимо учитывать несколько ключевых параметров производительности для обеспечения оптимальной функциональности и долговечности.

Вот практические факторы, которыми следует руководствоваться в процессе выбора:

1. Разрешение: Это количество точек измерения на один оборот (для поворотных) или на единицу длины (для линейных). Часто указывается в импульсах на оборот (PPR) для инкрементальных энкодеров или в битах для абсолютных энкодеров (например, 12-битный энкодер имеет 2^12 или 4 096 уникальных позиций). Более высокое разрешение позволяет обеспечить более точное управление, но не всегда является необходимым и может увеличить стоимость.
2. Точность: Не следует путать с разрешением, точность означает, насколько близко выходной сигнал энкодера соответствует истинному физическому положению. Энкодер с высоким разрешением не обязательно обладает высокой точностью. Точность имеет решающее значение для метрологии и приложений точного позиционирования.
3. Окружающая среда: Учитывайте условия эксплуатации. Будет ли энкодер подвергаться воздействию пыли, влаги, экстремальных температур, сильных ударов или вибрации? Магнитный энкодер лучше подходит для грязного, высоковибрационного заводского цеха, в то время как оптический энкодер будет лучше работать в чистой, контролируемой среде.
4. Скорость (об/мин): Энкодер должен выдерживать максимальную скорость вращения вала вашего приложения без потери импульсов или возникновения ошибок.
5. Физические и монтажные требования: Убедитесь, что физические размеры энкодера, размер вала (или размер отверстия для энкодеров с полым валом) и схема монтажа соответствуют вашей механической конструкции.
6. Тип выхода: Электрический выход (например, HTL, TTL, открытый коллектор) должен быть совместим с вашей системой управления (ПЛК, контроллер движения и т. д.).

Обзор выбора энкодера Таблица

Как используются поворотные энкодеры в робототехнике и автоматизации

Поворотные энкодеры в области робототехники и промышленной автоматизации играют не только вспомогательную роль, но и роль точного позиционирования и точности. Сложное оборудование способно выполнять задачи, обладающие сверхвысокой повторяемостью и точностью, благодаря возможности получения точной обратной связи в режиме реального времени.

В промышленной робототехнике каждый из шарниров многоосевого привода роботизированной руки оснащен высокоточным абсолютным энкодером. Когда контроллер, установленный на роботе, дает команду на работу шарнира под определенным углом, энкодер обеспечивает обратную связь, чтобы проверить, когда шарнир достиг этого определенного угла. Благодаря такому управлению с обратной связью и замкнутому контуру манипулятор может двигаться по запрограммированной траектории с точностью до миллиметра, необходимой при сварке, покраске и подборе деталей. Абсолютный характер энкодеров также означает, что робот всегда будет знать свою позу, так что даже в случае полного отключения повторная калибровка не будет длительной и, скорее всего, опасной.

Поворотные энкодеры являются основой многих промышленных процессов. Инкрементальные энкодеры устанавливаются на двигатели конвейерных лент и разливочных машин на высокоскоростной линии розлива. Они обеспечивают обратную связь по скорости, благодаря чему ленты движутся с абсолютно синхронизированной скоростью, захватывая бутылки и предотвращая их застревание или проливание. При использовании станка с ЧПУ серводвигатели, используемые для перемещения по осям X, Y и Z, оснащены энкодерами для позиционирования режущего инструмента с высочайшей степенью точности, что позволяет станку вырезать даже сложные формы с практически точными допусками.

Типы кодировщиков в науке о данных и машинном обучении

Если перенести это в цифровую область, то кодировщики в области науки о данных используются практически с той же целью: для преобразования информации в форму, с которой может взаимодействовать система. В данном случае система или рабочий алгоритм - это алгоритм машинного обучения, а язык - математика. Многочисленные модели машинного обучения, такие как линейная регрессия и нейронные сети, работают с числами в качестве данных. Есть вероятность, что весь набор данных будет содержать категориальные признаки, то есть это будет либо тип продукта, либо географическое положение клиента, либо ответы в опросе; в таком случае модель вообще не может быть обучена, пока она не будет закодирована в числа.

Основная цель процедуры кодирования категориальных переменных - получить числовое значение, которое сохраняет информацию, содержащуюся в исходных категориях, не запутывая алгоритм. Наиболее популярными являются два метода:

• Кодирование меток: Кодирование меток кодирует каждую категорию уникальным целым числом. Например, красный, зеленый и синий цвета можно заменить на 0, 1 и 2. Это просто и может вызвать затруднения. Когда эти числа вводятся в модель, можно допустить ошибку, предположив, что существует порядковая зависимость (например, что синий > зеленый > красный), когда она не выполняется. Это наиболее важно при работе с переменными, имеющими естественную последовательность (например, низкий, средний, высокий).
• Кодирование в одну точку: Это самый безопасный и популярный метод для номинальных (неупорядоченных) категориальных переменных. При этом один категориальный столбец меняется на несколько новых бинарных столбцов, по одному столбцу на категорию. Для отдельного наблюдения столбец, представляющий его категорию, кодируется как 1, а остальные - как 0. При этом не возникает проблемы предложенного порядка, но если переменная включает множество категорий, то получится большой набор значений (высокая размерность).

Помимо простого категориального кодирования, автокодировщики являются дальнейшим расширением этого понятия кодирования в сторону извлечения признаков и уменьшения размерности. Они представляют собой экземпляр неконтролируемой нейронной сети, которая обучается воссоздавать свой вход. Затем модуль кодировщика сети обучается сокращать представление до разреженной низкой размерности и, следовательно, захватывать наиболее важные аспекты данных. Затем это закодированное представление может быть использовано в других моделях машинного обучения, что позволяет повысить производительность и ускорить процесс обучения.

Почему поворотные энкодеры OMCH - идеальный выбор для прецизионных применений

В мире прецизионного управления движением качество компонентов определяет качество результатов. Каждый выбор, особенно выбор устройства обратной связи, оказывает непосредственное влияние на точность, надежность и долговечность системы. Именно поэтому взыскательные инженеры и системные интеграторы обращаются к надежному источнику для решения своих самых важных задач.

Почему стоит выбрать поворотные энкодеры OMCH для своих проектов?

Если говорить о выборе подходящих поворотных энкодеров, то компания OMCH может считаться лучшей по качеству и надежности. Мы производим поворотные энкодеры высочайшего качества, с высокой точностью и долговечностью, которые подходят для различных отраслей промышленности и потребностей в автоматизации. Мы знаем, что там, где вы работаете, нет права на ошибку. Качественная производственная практика, подкрепленная контролем качества, дает вам гарантию стабильной, повторяемой работы каждого энкодера OMCH. Наши энкодеры являются надежной основой управления движением при разработке передовых роботизированных устройств или совершенствовании критически важных промышленных процессов. Посетите OMCH, чтобы ознакомиться с нашим ассортиментом и подобрать идеальный энкодер, отвечающий вашим требованиям.

Мы также применяем нашу приверженность к своей продукции к нашим клиентам. У нас есть специалисты, которые помогут вам выбрать подходящий энкодер, соответствующий вашим требованиям к разрешению, долговечности и устойчивости к воздействию окружающей среды. Выбор OMCH означает не только покупку детали, но и инвестирование в деловое партнерство с гарантией качества и вашего конечного успеха.