Что такое кодировщик? От основных принципов к применению

Энкодеры (также называемые датчиками движения или преобразователями положения) - очень важная часть автоматизации, но что такое энкодеры? Что такое энкодеры, как они работают и почему они так важны в современных машинах?

Похоже, что в условиях современной промышленной автоматизации и цифровой электроники точность уже не роскошь, а необходимое условие эффективности, безопасности и качества. Ключом к этой точности является важный компонент - валковый энкодер. Несмотря на то, что это небольшое устройство, его значение больше, чем гора. Его применение в управлении движением настолько велико, что он стал механизмом сенсорной обратной связи в этой сфере применения, позволяя перевести физическое движение в цифровой язык, который системы управления могут считывать и реагировать на него. В статье будет проведен глубокий анализ различных видов энкодеров, включая принцип их работы, различные типы доступных технологий и способы их применения, а также ключевые вопросы при выборе конкретного устройства для конкретного применения.

Что такое кодировщик? Определение его основной функции

Энкодер - это, проще говоря, устройство, которое используется для кодирования механического движения в электрический сигнал, будь то положение, скорость, направление или постоянные показания в заданном наборе. Затем этот сигнал интерпретируется каким-либо управляющим устройством; это может быть программируемый логический контроллер (ПЛК), компьютерное числовое программное управление (ЧПУ) или привод двигателя.

Его можно рассматривать как преобразователь движения. В любой замкнутой системе управления движением контроллер посылает команду на двигатель. Возникшие изменения положения измеряются энкодером, обычно подключенным к валу двигателя или другому подвижному элементу, и передают отчет контроллеру. Это и есть цепь обратной связи, которая позволяет контроллеру убедиться в том, что выданная команда была выполнена точно, и при возникновении каких-либо отклонений скорректировать ее в режиме реального времени. Такая обратная связь была бы невозможна, и поэтому системы, работающие в режиме без обратной связи или с открытым контуром, были бы очень неточными и могли бы выйти из строя из-за любых изменений в нагрузке, износа механических компонентов или даже окружающей среды. Таким образом, энкодер становится важнейшим элементом, обеспечивающим точность, повторяемость и надежность автоматизированной машины.

Как работают кодировщики: Взгляд изнутри на технологию

Метод, с помощью которого энкодер преобразует движение в сигнал, определяется технологией, лежащей в его основе. Несмотря на существование нескольких методов, подавляющее большинство промышленных энкодеров основано на оптическом или магнитном принципах, каждый из которых имеет свои преимущества в различных условиях эксплуатации.

Оптический кодировщик: Использование света для достижения максимальной точности

Наилучшим решением для высокоточных и прецизионных приложений являются оптические энкодеры. Они работают на основе концепции прерывания луча света. Что входит в их состав:

1. Светоизлучающий диод (LED), обеспечивающий постоянный источник света.
2. Индексный диск (или линейная шкала) из стекла или гибкого прочного пластика, рисунок которого представляет собой набор непрозрачных и прозрачных линий или прорезей. Этот диск устанавливается на вращающийся вал.
3. На другой стороне диска находится фотодатчик и фотодиод (PCL), который воспринимает свет, генерируемый светодиодом.

При вращении вала подключаемый диск вместе со светодиодом и фотодатчиком вставляется в кодовый диск. Прозрачные части структуры пропускают свет, а непрозрачные - блокируют его. Такое непрерывное нарушение формирует волну световых импульсов, которые фотодетектор преобразует в электрический сигнал квадратной волны. Характер и частота таких импульсов точно пропорциональны скорости и оборотам вала. Чем меньше рисунок на диске, тем большее количество импульсов производит диск за один оборот и тем выше разрешение. Абсолютные поворотные энкодеры и другие оптические типы могут иметь разрешение, превышающее десятки тысяч импульсов на оборот (PPR), что очень важно в таких областях, как обработка с ЧПУ, робототехника и медицинское оборудование, поскольку точность имеет первостепенное значение.

Магнитный энкодер: Долговечность для жестких условий эксплуатации

Магнитные энкодеры прочны и надежны, особенно там, где пыль, влага, масло и сильная вибрация могут заслонить оптическую систему. В них вместо светового луча используются магнитные поля. Важными элементами являются:

1. Магнитное колесо или кольцо с последовательными намагниченными полюсами (чередование северного и южного полюсов) по всей окружности. Это колесо крепится к вращающемуся валу.
2. Массив датчиков, обычно датчик эффекта Холла или магниторезистивный датчик, который измеряет изменение магнитного поля при вращении колеса.

Используемые датчики ощущают прохождение северного и южного полюсов, в результате чего на выходе энкодера появляется сигнал в той же форме, что и электрический сигнал. Поскольку этот процесс не зависит от наличия прямой видимости, магнитный энкодер хорошо противостоит загрязнениям. Их разрешение традиционно было меньше, чем у оптических энкодеров, но развитие систем связи, протоколов передачи данных и обработки сигналов значительно сокращает этот разрыв. В настоящее время магнитные энкодеры предлагают высокопроизводительное решение для решения сложных задач на сталелитейных заводах, сборочных линиях, таких как линии сборки автомобилей, предприятиях пищевой промышленности и т. д.

Существуют и другие технологии, такие как механические (контактные), емкостные и индукционные энкодеры, каждая из которых имеет свое специфическое применение, но оптические и магнитные энкодеры в основном доминируют в различных отраслях промышленности благодаря своей производительности и надежности.

Основные типы выходов кодировщиков: От базовых сигналов до интеллектуальных коммуникаций

Хотя энкодеры принято группировать по технологии считывания (оптические, магнитные, емкостные и т. д.), существует и другой, но, возможно, более практичный способ классификации энкодеров: по типу вырабатываемого ими сигнала. Именно выходной сигнал определяет способ передачи данных о положении или перемещении на контроллер и, наконец, определяет, насколько энкодер совместим с определенной системой. Знание этих типов выходов важно при выборе подходящего энкодера, который должен использоваться в вашем приложении.

1. Инкрементный вывод: Основа обратной связи по движению

Энкодеры с инкрементным выходом выдают серию электрических импульсов в зависимости от перемещения. Отклик является абсолютным в том смысле, что энкодер не сообщает определенную позицию, где вы были, но движение энкодера имело место. Такие сигналы обычно генерируются по двум каналам, которые представляют собой квадратурные квадратные волны (A и B), поэтому система может измерять как направление, так и скорость. Дополнительный третий Z-канал выдает опорный импульс один раз за оборот.

Примеры использования
Идеальное решение для измерения скорости, обратной связи по скорости вращения двигателя и простого позиционирования в ситуациях, когда потеря питания может быть вызвана. Используется в конвейерных системах, в текстильных машинах и при автоматизации упаковки.

2. Абсолютный выход: Позиция, которая никогда не забывает

Определение
Абсолютные энкодеры используются для получения исключительно цифрового значения вместо каждого положения вала. Этот выход всегда указывает на фактическое положение даже после цикла питания, поэтому такие энкодеры незаменимы в системах, где повторное наведение дорого или невозможно. Состояние обычно представляется в двоичной, серой или другой форме и может передаваться последовательно (пример циклической передачи, параллельно (пример параллельной шины) или как простой цифровой выход.

Примеры использования
Области применения включают использование в робототехнике, медицинском оборудовании и станках с ЧПУ, где важна системная память и детерминированное восстановление.

3. Выход последовательной связи: Эффективная передача данных с высоким разрешением

Определение
Выходные энкодеры с последовательной связью передают информацию о положении в цифровых протоколах связи, чаще всего по двум или четырем проводам. Эти протоколы (например, SSI, BiSS-C, EnDat или Hiperface) способны передавать информацию о положении с высоким разрешением и низкой задержкой, а также часто включают диагностику или другую информацию о состоянии. Последовательные интерфейсы являются тактовыми синхронными, невосприимчивыми к шумам, в отличие от выходов необработанных сигналов, и поэтому обладают повышенной целостностью на больших расстояниях.

Примеры использования
Наиболее распространены в высокоточных сервоприводах, станках и полупроводниковых конструкциях. Они часто встречаются в приложениях, где требуется высокая точность обратной связи в микронном диапазоне и повышенная надежность связи.

4. Выход на сетевую шину: Интеллектуальные кодирующие устройства для подключенных систем

Определение
Сетевые (полевая шина или промышленный Ethernet) выходные энкодеры являются интеллектуальными компонентами системы автоматизации. Они работают с использованием промышленных стандартов связи в реальном времени, таких как CANopen, PROFINET, EtherCAT, Modbus и DeviceNet, обеспечивая не только определение положения и скорости, но и диагностику, конфигурирование и координацию работы нескольких осей. Такие энкодеры могут иметь встроенное микропрограммное обеспечение и процессоры.

Примеры использования
Он идеально подходит для сложных, распределенных сетей автоматизации, где важны большие объемы, например, на линиях сборки автомобилей, упаковочных заводах, логистических центрах и производственных роботизированных комплексах. Обеспечивает возможность предиктивного обслуживания, удаленной диагностики и подключения к современным ПЛК или контроллерам.

Сводная таблица: Типы выходов в сравнении с типами кодировщиков

Понимание ключевых спецификаций: Технические характеристики

Выбор кодера требует понимания его ключевых параметров производительности:

• Разрешение: Определяет наименьшее приращение перемещения, которое может обнаружить энкодер. Для инкрементальных энкодеров он измеряется в импульсах на оборот (PPR) или линиях на оборот (LPR). Для абсолютных энкодеров он определяется значением количество выходов (бит). Например, 13-битный абсолютный энкодер обеспечивает 8 192 уникальные позиции за один оборот.
• Точность: Измеряет отклонение между положением, сообщаемым энкодером, и истинным физическим положением.
• Повторяемость: Измеряет способность энкодера стабильно сообщать одно и то же значение для одного и того же физического положения.
• Выходные сигналы: Относится к электрическим характеристикам выхода. В цифровой электронике они могут включать форматы TTL или HTL.

Ключевые приложения в промышленной автоматизации и робототехнике

Практическое применение энкодеров охватывает практически все уголки промышленного мира. Их способность обеспечивать точную обратную связь является основополагающим фактором для общая производительность системы современной техники.

• Робототехника: Каждый шарнир промышленного робота оснащен абсолютным энкодером, обеспечивающим точную обратную связь с положением манипулятора.
• Обработка с ЧПУ: Энкодеры на серводвигателях обеспечивают обратную связь по положению для осей машины.
• Конвейерные системы: Инкрементные энкодеры используются для контроля скорости конвейерных лент.
• Упаковка и маркировка: Энкодеры обеспечивают точность синхронизации.
• Печать и плоттеры: Энкодеры контролируют положение головки для высокая точность выходы.
• Линии сборки автомобилей: Энкодеры синхронизируют роботов и конвейеры для точного производства автомобилей.
• Медицинские приборы: Кодировщики поддерживают системы визуализации и роботизированные хирургические системы.

Методы машинного обучения все чаще используются для анализа данные о положении от кодирующих устройств для оптимизации общая производительность системы в различных отраслях промышленности.

Выбор правильного кодировщика: Почему он имеет решающее значение для успеха вашей системы

Выбор энкодера - это выбор наилучшего способа оптимизации производительности всей системы, минимизации затрат и долгосрочной надежности. Будь то роботизированная рука для точной сборки, автоматизированная производственная линия или аппаратное обеспечение для изготовления медицинского оборудования, выбранный вами энкодер может разрушить или сделать ваш проект.

Как правильный кодировщик влияет на вашу систему

Задача энкодера в промышленной автоматизации - предоставлять точную информацию о положении, скорости и направлении движения. Неправильно подобранный энкодер, с точки зрения разрешения, типа или неспособности синхронизироваться с выходными сигналами, может вызвать целый каскад проблем:

• Увеличение времени простоя: Некачественный кодировщик может сломаться раньше запланированного срока, что приведет к нескоординированному ремонту и остановке производства.
• Неточные результаты: Вы не можете рисковать неточными результатами при использовании системы, особенно при неточной настройке энкодера, что может привести к браку, неправильной настройке компонентов или даже к опасным условиям.
• Нерациональное использование ресурсов: Отказ датчика обратной связи может означать, что ваш станок также вычисляет неверные движения, что приводит к ненужным потерям времени и сырья.

Например, при обработке на станках с ЧПУ неисправный энкодер может привести к неточному резанию или ошибкам в позициях, а значит, к бракованной детали, исправление которой может обойтись в кругленькую сумму. На быстро движущихся сборочных линиях важна каждая секунда - медленный сигнал или ошибочная обратная связь могут привести к снижению производительности и увеличению количества брака.

Почему OMCH - ваша надежная компания в области промышленной автоматизации

ОМЧ это компания по производству компонентов автоматизации, которая превратила небольшую мастерскую в глобально компетентное предприятие, обслуживающее более 72 000 клиентов в разных частях света. - Ассортимент энкодеров OMCH обеспечивает промышленную прочность, надежность сигнала и низкую стоимость прецизионных датчиков благодаря почти 40-летнему опыту разработки, производства и глобальной поддержки B2B.

Вот почему клиенты доверяют кодировщикам OMCH:

1. Надежное качество с глобальными сертификатами
   Энкодер OMCH производится в соответствии с сертификатом ISO 9001 и имеет сертификаты CE, CCC и RoHS, что означает, что он прошел международное одобрение с точки зрения стандартов безопасности и производительности.
2. Создан для работы в сложных условиях
   Энкодеры, созданные с учетом повышенной устойчивости к вибрациям, маслу, пыли и перепадам температур, предназначены для работы в самых суровых промышленных условиях.
3. Индивидуальный подход к вашему применению
   Вам нужны нестандартные спецификации? OMCH совместим с OEM-производством, конфигурацией пользовательских проводов и выходных сигналов, поэтому интеграция с различными платформами, такими как ПЛК, контроллеры движения и приводы, не представляет сложности.
4. Полная экосистема автоматизации
   OMCH - это не только поставщик датчиков, мы предлагаем полный спектр оборудования для автоматизации, включая датчики приближения, SMPS, реле, пневматику (через HEBAI) и другие компоненты - все это вы можете получить здесь.
5. Глобальный B2B-сервис, местная экспертиза
   Имея 28-летний опыт работы на мировых рынках, OMCH понимает новые требования глобальных заказчиков автоматизации; удовлетворяет технологические, финансовые и операционные требования заказчиков в Бразилии и Индии.

Заключение: Кодировщик как основа современной автоматизации

Энкодер - это нечто большее, чем просто навесной датчик. Он является основой автоматизации в современную эпоху, объектом, соединяющим цифровое пространство команд и механический мир. Энкодеры позволяют машинам работать быстрее, точнее и эффективнее, чем когда-либо, предоставляя быструю и точную информацию о положении. Знание о том, какие энкодеры существуют, их технологии и важные технические характеристики - важнейшая информация, которой должны обладать инженеры и дизайнеры, чтобы создать следующее поколение приложений для управления движением. С технологическим прогрессом в таких областях, как приоритетные энкодеры в цифровой электронике и интеллектуальные энкодеры с машинным обучением, важность энкодера - это единственный аспект, который, вероятно, будет усиливаться в поисках совершенного управления движением.

Часто задаваемые вопросы о кодировщиках

1. Что такое кодировщик?

Энкодер - это электромеханический преобразователь, который воспринимает механическое движение, которое может быть вращательным или линейным (линейное перемещение), и кодирует его в цифровой сигнал. Затем этот сигнал считывается контроллером или компьютером для контроля скорости, положения, направления или подсчета. Энкодеры находят широкое применение в системах управления движением для обеспечения обратной связи, что позволяет автоматизировать работу оборудования и повысить точность процесса, как, например, при обработке с ЧПУ, робототехнике или даже сборочных линиях.

2. Как работает кодировщик?

Принцип работы энкодеров заключается в измерении некоторых изменений в местонахождении, скорости или курсе вращающегося или движущегося объекта. В них используются оптические, магнитные или другие технологии, с помощью которых они вырабатывают электрические ответные сигналы на движение. Например, оптические кодировщики излучают свет на кодовый диск, который прерывает свет и генерирует импульсы, а магнитные собирают колебания магнитного поля. Затем они превращаются в данные, которые обрабатываются контроллерами.

3. Для чего используются энкодеры?

Энкодеры находят применение во многих процедурах для контроля и отслеживания механических перемещений. Они играют важнейшую роль в таких системах, как робототехника, станки с ЧПУ, промышленная автоматизация и конвейерные ленты, обеспечивая обратную связь. Энкодеры позволяют отслеживать положение, измерять скорость и определять направление, обеспечивая точность и работоспособность машины. Они также применяются в лифтах, медицинских приборах и автомобильных системах.

4. В чем разница между инкрементальными и абсолютными энкодерами?

Инкрементальные энкодеры предоставляют информацию об относительном положении, они выдают серию импульсов, которые говорят о том, что движение произошло, но не о том, в каком положении он находился после потери питания. Некоторые из областей, в которых они могут быть идеально использованы, включают измерение скорости. Абсолютные энкодеры, напротив, присваивают каждой позиции отдельный код, что позволяет сохранять правильное положение даже при отключении питания. Абсолютные энкодеры более важны в ситуациях с запоминанием (например, в робототехнике и других видах высокоточной обработки).

5. Что означает энкодер в автоматизации?

Энкодер в контексте автоматизации - это устройство, которое предоставляет информацию о положении, скорости или направлении движения любой из подвижных частей машины. Он преобразует механические движения в электрические сигналы, которые интерпретируются контроллерами таким образом, что системы могут стабилизировать свои операции и направлять их в нужное русло в режиме реального времени. Энкодеры играют важнейшую роль в обеспечении точной, эффективной и безошибочной работы автоматизированного производства, сборочных линий и робототехники.