Контроль линейного перемещения. Энкодеры и датчики положения от ФЭНКО

Датчики угла поворота (энкодеры) и датчики положения широко применяются в промышленных автоматизированных системах для задач точного позиционирования и контроля перемещений. В статье представлены разные типы энкодеров и датчиков положения, поставляемых компанией ФЭНКО. Рассмотрены линейный оптический энкодер, магнитный энкодер на шкале, датчики с тросовым барабаном, мерным колесом, со штоком и другие исполнения.

ООО ФЭНКО, г. Санкт-Петербург

скачать pdf >>

Сегодня мы сталкиваемся с почти повсеместной автоматизацией. И во всех управляемых процессах важен контроль перемещений. Основные задачи в области контроля, автоматизации или измерения линейного перемещения, которые решают инжиниринговые компании, это:
- движение по осям металлообрабатывающих, дерево- и камнеобрабатывающих станков;
- перемещение стрел, лебедок кранового и подъемного оборудования (в том числе на портовом оборудовании), а также узлов мобильной и карьерной техники;
- условно бесконечное линейное перемещение, которое совершают, например, конвейеры, типографские машины, текстильные и бумагорезательные станки;
- микронные измерения в метрологическом и лабораторном оборудовании.

Существует немало других, не менее интересных задач линейного позиционирования, но в статье подробно рассмотрим перечисленные выше.

Для измерений по линейным осям современных металлообрабатывающих станков используют оптические энкодеры со стеклянной (для измерений до 4 м) или металлической (как правило, для контроля длин от 3 до 30 м) шкалой. Их еще называют преобразователями линейных перемещений или просто линейками (рис. 1). Датчики с оптическим принципом действия позволяют реализовать высокую точность позиционирования, что соответствует задачам современных станков. Наиболее часто погрешность «линеек» для металлообрабатывающих станков с ЧПУ составляет ±3 или ±5 мкм/м, для универсальных станков с ручным или полуавтоматическим управлением (с УЦИ или системой управления на контроллерах) – ±5 или ±10 мкм. При этом для универсальных шлифовальных или координатно-расточных станков из-за их классов точности могут требоваться датчики с погрешностью до ±3 мкм/м и разрешением до 0,1 мкм. На станочном рынке также встречаются индуктивные линейные датчики на металлической ленте.

Рис. 1. Линейный оптический энкодер

Дерево- и камнеобрабатывающие станки, а также станки лазерной и плазменной резки могут работать с точностью ±25, ±50 и да­же ±100 мкм/м, для таких решений применяют магнитные энкодеры на шкале (рис. 2). Следует выделить и абсолютные оптические линейные датчики (в любой момент времени знают координату, да­же при выключении питания). Они всё интенсивнее заменяют инкрементальные (относительные) «линейки», так как позволяют повысить быстродействие станка и используют современные интерфейсы для передачи данных.

Рис. 2. Магнитный энкодер на шкале

Для управления линейным перемещением лебедок, узлов кранов и мобильной техники используют энкодеры с тросовым барабаном, а также отдельно угловые энкодеры. 

Решение с тросовым барабаном (рис. 3) представляет собой механически соединенные через муфту угловой энкодер и компактную тросовую лебедку – барабан с пружинным механизмом, на который намотан трос. Линейное выдвижение троса приводит к вращению барабана и соединенного с ним ва­ла энкодера, который выдает импульсы: цифровой код или аналоговый сигнал в зависимости от величины, на которую выдвинулся трос. Такие барабаны могут иметь трос до 50 м. 

Рис. 3. Энкодер с тросовым барабаном

Отдельно угловые энкодеры могут быть установлены непосредственно на ось лебедки или винта и по описанному вы­ше принципу при вращении оси лебедки или винта сообщать о линейном перемещении троса, кабеля или другого узла.

Условно бесконечное линейное перемещение, где мы имеем де­ло с рулонным материалом большой длины или прокатными валками, то­же контролируется с помощью угловых энкодеров. Для таких задач используют датчики с мерным колесом (рис. 4). Как правило, такое решение состоит из углового энкодера, мерного колеса (с соответствующим покрытием в зависимости от материала, по которому движется колесо) и подпружиненного механизма, создающего правильную нагрузку на измеряемый материал (чтобы избежать проскальзывания) и на вал энкодера (чтобы избежать поломки датчика). Но есть и цельные готовые конструкции, где все элементы уже совмещены в одном корпусе.

Рис. 4. Энкодер с мерным колесом

В метрологическом и конт­роль­но-измерительном лабораторном оборудовании часто требуются компактные приборы с небольшим перемещением, но высокими разрешением и точностью. В таких случаях используются линейные датчики со штоком (рис. 5), где шток перемещается всего на 8 или 50 мм, но контролируются размеры (например, заготовки или готовой детали) до 0,5…0,1 мкм.

Рис. 5. Энкодер со штоком

Для разных применений подходят датчики с разным принципом действия:
- для точных станков и метрологических, лабораторных стендов – оптические или индуктивные датчики, очень редко магнитные;
- для неточных станков – магнитные энкодеры на ленте;
- для кранов, мобильной, карьерной техники, конвейеров, текстильных, упаковочных и отрезных станков – угловые оптические или магнитные энкодеры.

Оптические датчики обеспечивают высокую точность перемещений, но уязвимы к внешним воздействиям (пыль, влага, масло, СОЖ) и имеют высокую стоимость. Индуктивные устройства лучше защищены от внешних воздействий, обеспечивают достаточно высокую точность, но имеют жесткие допуски при монтаже и стоимость, соизмеримую с оптическими решениями. Магнитные энкодеры проще в монтаже и сервисе, устойчивы к внешним воздействиям, недороги, но уступают в точности оптическим и индуктивным датчикам. Угловые, применяемые для контроля линейных перемещений, позволяют значительно снизить себестоимость решения, лучше защищены от внешних воздействий по сравнению с линейными оптическими датчиками, проще в сервисе, но не позволяют получить высокую точность измерений.

Стоит обратить внимание на промышленные интерфейсы, используемые при контроле перемещений. Наиболее популярное решение для инкрементальных датчиков – выходные сигналы TTL и HTL. Кроме то­го, у относительных датчиков для станков часто применяется аналоговый синусный сигнал 1 Vpp (на системах ЧПУ Siemens, Heidenhain). Микротоковые сигналы 11 мкА используются только на устаревшем оборудовании и заменяются сегодня на указанные вы­ше. Абсолютные датчики имеют большое разнообразие выходных сигналов (интерфейсов). Тип интерфейса зависит от системы управления, к которой подключается энкодер, и задач всей системы. Сегодня ча­ще всего встречаются:
- аналоговые сигналы (пилообразные) 4…20 мА, 0…10 В и др.;
- цифровые интерфейсы:
-- SSI, BiSS, Parallel (устаревший) – общедоступные;
-- EnDat, Fanuc, Mitsubishi, Pa­na­so­nic, Yaskawa, Drive СliQ (Siemens) – разработанные производителями систем;
-- Profibus, CAN – шинные;
-- EtherCAT, Modbus, Profinet – промышленный Ethernet.

ООО ФЭНКО работает более 9 лет на рынке энкодеров – датчиков для контроля перемещений. Коллектив компании развивает свои компетенции, решая вместе с заказчиками и партнерами актуальные задачи автоматизации. Основным достижением ООО ФЭНКО является консолидация большого количества решений, что позволяет быстро подобрать оптимальный продукт для той или иной задачи. Современная производственная цепочка и логистика позволили сократить срок изготовления некоторых моделей до 6 месяцев. Чтобы обеспечить для партнеров быстрые поставки, компания организовала склад, который периодически пополняет новыми моделями. 

Сегодня на складе представлены:
- оптические линейные энкодеры с длиной измерения до 1,5 м и разрешением 1 мкм;
- магнитные линейные энкодеры с длинами до 50 м, сигналами SSI, BiSS, TTL, HTL (PushPull), 1 Vpp, а также шкалы к ним с шагом полюса 2; 5 и 3,2 мм;
- тросовые барабаны и энкодеры к ним с сигналами TTL, HTL, 4…20 мА, SSI;
- мерные колеса, подпружиненные рычаги и колеса, соединительные муфты.

Компания помогает заменить продукцию ушедших брендов, таких как Sick, Kubler, TR Electronic, Baumer, Lika, Renishaw, Heidenhain, Autonics, Fagor, Givi Misure, Magnescale и многие другие. Для помощи в подборе замен на сайте ФЭНКО создан раздел «Аналоги энкодеров».

Опубликовано_в журнале ИСУП № 1(109)_2024

ООО ФЭНКО, г. Санкт-Петербург,
тел.: 8 (800) 201-9509,
e-mail: sales@f-enco.ru.
сайт: f-enco.ru