systemy inżynierskie, automatyka, sterowanie, pomiary



abecadło enkoderów

Jak umiejętnie inwestować w rozwój przedsiębiorstwa gdy rosną wymagania odnośnie jakości i kosztów? Kupić nową obrabiarkę czy zmodernizować posiadaną? Czym trudniejsze warunki rynkowe tym ważniejsze są te problemy.

Po co obrabiarkowy system pomiarowy?

W wielu wyrobach wymagana jest dokładność rzędu setnych części milimetra, a nawet mikrometrów. Jak poradzić sobie z niedokładnościami wynikającymi z luzów na śrubach pociągowych? Śruba wnosi również błąd, zmieniając swoją długość, wraz ze zmianą temperatury. Do dokładnego pozycjonowania obrabiarki konieczny jest bezpośredni pomiar położenia suportu. Te problemy rozwiąże montaż na maszynie obrabiarkowego systemu pomiarowego.

Oczekiwania wobec obrabiarki przenoszą się na zamontowany system pomiarowy. Wymaga się zatem stosownej rozdzielczości, dokładności i akceptowalnych kosztów. Koszty zależą od dokładności, rozdzielczości oraz zakresu pomiarowego. Obecnie systemy pomiaru współrzędnych są stosowane na tokarkach, frezarkach, szlifierkach, wiertarkach, drążarkach, wytaczarkach, zamiast tradycyjnej podziałki mechanicznej lub optycznej.

Przy modernizacji parku maszynowego montowanie systemów pomiarowych jest standardem. W wielu przypadkach nie trzeba nabywać nowej maszyny, wystarczy zamontować system pomiarowy. W skład systemu wchodzi przetwornik pomiarowy i czytnik. Oferowane przetworniki mierzą przemieszczenia liniowe i kątowe (np. stołu obrotowego). Natomiast czytniki cyfrowe umożliwiają pomiar w trybie absolutnym i przyrostowym, przeliczanie na cale, wyznaczanie środka, zapamiętują wymiar po wyłączeniu zasilania itp.

Co się zyskuje montując system pomiarowy?

• pomiar z pominięciem luzów na śrubie
• rozdzielczość nawet 0,5 mikrometra
• jednoznaczny odczyt położenia
• powtarzalność obróbki
• minimalizację braków
• skrócenie czasu obróbki
• bieżącą kontrolę wymiarów obrabianego detalu
• pomiar w układzie współrzędnych biegunowych (kąt, promień)
• nowe możliwości technologiczne

Jak szybko nastąpi zwrot zainwestowanych kosztów?

Najlepiej rozpatrzyć to na przykładzie. Koszt zakupu i montażu systemu na tokarce o przesuwach 270 mm i 1020 mm to kwota około 5500 zł. W wyniku zamontowania systemu czas obróbki ulega skróceniu o 20% do 30%. Przyjmijmy 20%. Koszt związany z pracą tokarki niech wynosi 30 zł/godz.

		Koszt pozyskania systemu		5500 zł
Amortyzacja	=	------------------------------------------	=	----------------------------	=	920 godz
		Obniżenie kosztów		30 zł/godz x 0,2

Oznacza to, że po niespełna 6 miesiącach zainwestowane środki zwrócą się.

Na co zwrócić uwagę przy doborze systemu?

Ważny jest stan prowadnic obrabiarki ( "koszenie" na prowadnicach uniemożliwia precyzyjny pomiar). Przy doborze długości liniału optoelektronicznego należy zwrócić uwagę na to, aby maksymalny przesuw mechaniczny ( od zderzaka do zderzaka mechanicznego) był krótszy od długości pomiarowej liniału. Ten problem nie występuje przy oferowanych przez nas taśmach magnetycznych. Z ekonomicznego punktu widzenia liniały z taśmą magnetyczną są opłacalne przy długościach pomiarowych powyżej 2000 mm.

Przy pomiarze przesuwu o długości powyżej 3000 mm zaleca się stosowanie enkodera obrotowo-impulsowego z radełkowanym kołem pomiarowym, znajdującego się w naszej ofercie, jako rozwiązania tańszego.

Jak dobrać enkoder ?

Jak działają enkodery obrotowe i liniowe nazywane liniałami?

Enkodery są precyzyjnymi przyrządami do pomiaru przemieszczeń liniowych lub kątowych. Poniżej zostaną opisane enkodery optoelektroniczne zbudowane ze szklanej skali w postaci listwy, w przypadku enkoderów liniowych oraz szklanej tarczy, w przypadku enkoderów obrotowych.

Szkło z których wykonywane są skale cechuje znikoma rozszerzalność cielpna. W produkowanych enkoderach termiczny współczynnik rozszerzalności wynosi około 9 * 10e-6/°K. W metodzie fotooptycznej stosuje się również inne nośniki skali. Nośnikiem może być ceramika lub taśma stalowa. Rolę układu odczytującego pełni zespół światłoczułych elementów fotooptycznych. Obecnie w enkoderach źródłami światła są diody elektroluminescencyjne. Przetwornik składa się z dwóch płytek szklanych z naniesionymi na przemian, przeźroczystymi i nieprzeźroczystymi dla promieniowania podczerwonego, prążkami. Płytki są względem siebie ruchome. Jedna jest skalą, druga noniuszem. Przetworniki liniowe wykonuje się ze skalami o działkach 20 lub 40 mikrometrów. Przetworniki obrotowe wyróżnia ilość prążków naniesionych promieniowo na szklanej tarczy. Noniusz, inaczej zwany polaryzatorem, jest mechanicznie zespolony z układem optycznym. Układ optyczny stanowią dwa zespoły, składające się z umieszczonych na przeciw siebie i sprzężonych optycznie diod elektroluminescencyjnych z soczewkami skupiającymi oraz fototranzystorów.

Pomiędzy noniuszem, a diodami przemieszcza się skala. Prążki na noniuszu są umieszczone tak, aby przemieszczanie skali względem noniusza powodowało taką modulację promieniowania podczerwonego docierającego do fototranzystorów, żeby różnicowy sygnał fototranzystorów tego samego zespołu był sinusoidalny.

Sygnały sinusoidalne dwóch układów optycznych są przesunięte względem siebie w fazie o ¼ okresu. W enkoderach oprócz ścieżki pomiarowej są naniesione punkty referencyjne. W przypadku enkoderów obrotowych naniesiony jest na tarczce jeden punkt, w enkoderach liniowych może być ich kilka. Gdy punkt referencyjny znajdzie się w zasięgu odczytu zespołu noniusza, zostanie wygenerowany sygnał jak na rysunku. Punkty referencyjne służą do identyfikacji położenia skali względem noniusza, a w dalszej konsekwencji do bazowania układu pomiarowego. Sygnał wyjściowy może być w postaci sinusoidy o amplitudzie prądu 11 mikroamper lub napięcia 1 volt. Aby wydobyć z sygnału sinusoidalnego informację przekształca się go w komparatorach lub interpolach. W wyniku komparacji, na poziomie zera, powstają dwie fale prostokątne przesunięte w fazie o ¼ okresu. Interpolatory generują zbocza również przy innych poziomach napięcia lub prądu sinusoidy. W wyniku tego powstaje zwielokrotniony sygnał prostokątny, na przykład pięciokrotnie. Przetworniki działające na tej zasadzie nazywa się przetwornikami inkrementalnymi lub przyrostowymi. Po zamianie na impulsy, sygnał przybiera postać fali prostokątnej o standardzie TTL (5V) w enkoderach liniowych lub TTL i HTL (30V) w enkoderach obrotowych. Z racji zakłóceń sygnał prostokątny występuje w wersji prostej i zanegowanej jak na rysunku. Produkowane są enkodery liniowe z kodowanymi punktami referencyjnymi, a także enkodery absolutne. Te ostatnie cechuje to iż posiadają naturalną "pamięć" położenia.

Do przedstawienia wyników pomiarów służy czytnik (inne spotykane nazwy; licznik, odczyt). Zadaniem licznika jest zliczanie impulsów generowanych przez enkodery. Aktualnie produkowane liczniki mają wbudowany układ kwadratyzatora. Jego działanie powoduje generowanie impulsu przy każdym przychodzącym zboczu. Stosując interpolator mnożący przez pięć, oraz kwadratyzator przy skali o szerokości prążków równej 20 mikrometrów, uzyskuje się w enkoderach liniowych rozdzielczość 1 mikrometra. Podobnie w enkoderze obrotowym przy 1000 prążkach na tarczy, stosując komparator i kwadratyzator uzyskuje się 4000 impulsów na jeden obrót przetwornika. Bardziej zaawansowane czytniki mają możliwość skalowania. Umożliwia to montaż na osi przetwornika obrotowego kółka zębatego toczącego się po zębatce, dokonując tym sposobem pomiaru drogi. Stosuje się koła zębate o różnych modułach i ilościach zębów, w zależności od koniecznej rozdzielczości pomiaru. To samo można uczynić sprzęgając enkoder obrotowy z kółkiem pomiarowym. W przypadku kółek pomiarowych typowe obwody wynoszą 200 lub 500 milimetrów. Dobierając kółko pomiarowe należy się kierować materiałem po jakim będzie się toczyło kółko.

Enkodery obrotowe są wykonywane w wersji z wyprowadzoną na zewnątrz lub drążoną wewnątrz osią. Pierwsze enkodery, występujące w wersji popularnej i precyzyjnej, łączy się mechanicznie z elementem obrotowym przez sprzęgiełka. Enkodery z otworem (ośką drążoną) umieszcza się bezpośrednio na osi.

Stosując sprzęgiełka należy uwzględnić średnicę osi, przenoszony moment i dokładność kinematyczną.

Enkodery inkrementalne są wykonywane również w postaci modułowej (niezabudowane).

Istnieje klasa enkoderów, w których skala jest wykonana w absolutnym kodzie Graya. Kod ten cechuje się tym, że przy zmianie położenia o jedną działkę następuje zmiana sygnału tylko na jednej pozycji. Sygnał wyjściowy z przetwornika jest sygnałem równoległym w standardzie TTL, z ilością bitów zależną od rozdzielczości. Od enkoderów inkrementalnych różni je głównie to, że posiadają naturalną "pamięć" położenia. Właśnie z tej racji znajdują zastosowanie tam, gdzie natychmiast po włączeniu zasilania potrzebna jest znajomość bezwzględnego położenia bez konieczności bazowania. Enkodery obrotowe odpowiednio aplikowane mierzą przemieszczenie liniowe, kątowe, prędkość obrotową lub ilość wykonanych obrotów. Znajdują zastosowanie do stabilizacji prędkości obrotowej silników, pozycjonowania stołów obrabiarek, pomiaru długości materiałów. W enkoderach liniowych skalę oraz głowiczkę mocuje się do wzajemnie przemieszczających się podzespołów, których położenie względem siebie chcemy mierzyć. Przy montażu należy zwrócić uwagę na wymagane tolerancje przemieszczania głowiczki względem skali liniowej oraz względem urządzenia, którego przsunięcie mierzymy. Enkodery liniowe występuję w wersji niezabudowanej lub w obudowie, a także jako długościomierze. Zdjęcie przedstawia enkoder liniowy w obudowie.

Enkodery liniowe charakteryzuje mniejszy stopień szczelności. Dlatego tam gdzie jest znaczny stopień zapylenia lepiej zdają egzamin enkodery obrotowe. Enkodery obrotowe wypierają enkodery liniowe przy pomiarze na długości kilku metrów oraz tam gdzie można mierzyć z mniejszą precyzją. Specjalnie dla obrabiarek do metalu zosłał opracowany enkoder z radełkowanym kołem pomiarowym. Radełkowanie eliminuje poślizg kółka toczącego się po metalu.

Z uwagi na zapylenie, długości pomiarowe, wibracje, cenę, wymagane dokładności, stosowanie enkoderów obrotowych w maszynach do drewna jest lepszym rozwiązaniem. Obecnie w trudnych warunkach pracy enkodery obrotowe są zastępowane enkoderami zbudowanymi w oparciu o taśmy magnetyczne. Ich zasada działania jest podobna do opisanej. Nośnikiem informacji jest taśma z naniesionymi działkami magnetycznymi. Informację odczytuje głowiczka pomiarowa wyposażona w zespół czujników magnetycznych. Produkowane są także liniały pomiarowe, w których pomiar odbywa się w oparciu o zjawisko magnetostrykcji, pojemności lub zmiany oporności magnetycznej obwodu magnetycznego.