4.3 Оптоэлектронные инкрементные и абсолютные энкодеры

  Линейные  энкодеры

Совместное применение двух оптических периодических шкал (подвижной и неподвижной) для получение информации об их взаимном положении уже давно используют для контроля перемещений.  Основу таких шкал составляли растровые решетки представляющие собой совокупность штрихов и просветов между ними, образующих периодическую структуру,  воздействующую на поток света как единое целое.

В зависимости от воздействия на поток света различают  растры прозрачные и отражающие. Прозрачные растры выполняют на пластинах из стекла  или стеклянной керамики, на которых нанесены непрозрачные штрихи, чередующиеся с прозрачными интервалами.

Отражающие растры выполняются на стальных или инваровых пластинах в виде решеток с элементами, зеркально отражающими свет, или нанесением  золотых отражающих штрихов, чередующих с матовыми вытравленными переходами между ними.

Если одна шкала жестко закреплена, например, на станине КИМ или станка, а другая связана с подвижным порталом КИМ  или столом станка, то считывая число полос, проходящих через любую фиксированную точку, получают значение перемещения подвижной детали, выраженное через число шагов растровой решетки. Таким образом, материальным носителем величины перемещения (или размера) является стеклянная или стальная шкала с нанесенным на ней периодическим растром. Неизменость положения штрихов оптической растровой шкалы на жестком материале с заданным коэффициентом линейного расширения обеспечивает  высокую точность и повторяемость результатов измерения.  Поэтому главное требование при изготовлении шкал – строго одинаковые размеры шрихов и интервалов между ними.

Первоначально шкалы нарезались на специальных станках. В результате износа резцов и не достаточной точности перемещений шкалы штрихи и интервалы были не строго одинаковы, что приводило к погрешностям преобразователей. Современные шкалы выполняют методом фотолитографии, причем точные перемещения шкалы обеспечивают с помощью бесконтактного лазерного интерферометра. Поэтому качество шкал получается очень высоким.

В современных оптоэлектронных инкрементных   преобразователях (ИП) применяют параллельный растр, состоящий из непрозрачных штрихов, нанесенных с постоянным шагом, причем толщина штриха равна ширине интервала между штрихами. Основными оптическими характеристиками растра являются шаг растра (период) и светосила (пропускание). Шаг растра – это линейное или угловое расстояние между осями двух соседних элементов растра. Светосила характеризуется отношением ширины прозрачного элемента растра к шагу. Обычно это отношение равно 1:2.

Принципиальная схема линейного оптоэлектронного  преобразователя перемещений показана на рис. 4.3.1.

2.13_n

  Рис. 4.3.1  Принципиальная схема линейного оптоэлектронного  энкодера

Преобразователь состоит из неподвижной длинной стеклянной шкалы 2, подвижной индикаторной пластины 3 (в некоторых конструкциях делают наоборот подвижную шкалу и неподвижную индикаторную пластину), осветителей 4 и приемников излучения 1. На всей длине шкалы нанесены непрозрачные штрихи с заданным шагом. В большинстве случаев наносят штрихи с шагом 20 или 40 мкм. Для достижения более высокой  точности  используют растры с шагом  штрихов 10 и 4 мкм.  На подвижной индикаторной пластине 3 нанесены четыре отдельных растровых  решетки А, -А и В, -В с тем же шагом, что   на основной  шкале 2. Причем растровые решетки в каждой паре сдвинуты относительно друг друга на 1/2 шага,  а решетки одной пары сдвинуты относительно решеток другой пары на 1/4 шага растра. Такая конструкция позволяет компенсировать постоянную составляющую основного сигнала и определять направление перемещения индикаторной пластины. Каждая решетка на индикаторной пластине имеет отдельный источник и приемник излучения. Таким образом, в сканировании штриховых растров задействованы четыре светодиода (чаще один) и четыре фотодиода.

Рис. 4.3.2   Схема линейного энкодера

В современных преобразователях (Рис. 4.3.2) применяют один осветитель и фотодиодную матрицу (линейку).

В качестве осветителей применяют инфракрасные светодиоды, а приемниками служат кремниевые фотодиоды.

Рис. 4.3.3  Шкала инкрементного энкодера с референтными метками

Кроме основного растра на неподвижной шкале 2 инкрементного преобразователя нанесена непериодическая кодовая шкала Е, служащая для создания референтных меток (рис. 4.3.3).  На индикаторной пластине нанесена решетка Д с кодом референтной метки (нуль-метки), а для считывания референтной метки служат светодиод 7 и фотодиод 8. При перемещении индикаторной пластины и совмещении кодовой решетки Д с зоной референтной метки на шкале 2 на выходе фотодиода 8 формируется токовый сигнал Ir референтной метки.

Эти метки  необходимы для определения положения индикаторной пластины в начале работы преобразователя. При небольших диапазонах измерения преобразователя, например, 20 -100 мм, делают одну метку в начале, середине или конце шкалы. При больших диапазонах  измерения наносят несколько референтных меток, например через 20, 50 или 100 мм.

В большинстве ИП применяют бесконтактный   фотоэлектрический метод считывания.  Этот способ позволяет распознавать штрихи, нанесенные на шкалу, шириной несколько микрометров и генерировать выходной сигнал с маленьким периодом сигнала. В современных ИП применяется два способа считывания:

– проекционный метод для сравнительно широких штрихов свыше 10 мкм;

– интерференционный метод для штрихов, шириной менее 10 мкм, Этот метод применяемся для преобразователей,  имеющих отражающие шкалы.

Проекционный метод считывания это генерация сигналов на основе значений свет-тень. Шкала и индикаторная пластина со штрихами и интервалами одинаковой ширины двигаются относительно друг друга. При прохождении параллельных лучей света через шкалу и индикаторную пластину образуется определенная световая последовательность. Когда штрихи обеих пластин совпадают, образуется самый интенсивный  световой сигнал, когда шрихи перекрывают прозрачные интервалы образуется полное затемнеие. Поскольку перекрытие штрихов происходит постепенно  фотодиоды преобразуют изменения освещенности в  токовые сигналы в форме синусоиды.  Фотодиоды формируют четыре синусоиды и преобразуют их в две синусоиды I1 и I2  (рис. 4.3.4),  сдвинутых по фазе на 900и симметричных относительно нулевой линии.

Рис. 4.3.4   Синусоидальный выходной сигнал энкодера

Все энкодеры имеют такой выходной сигнал (интерфейс)  или прямоугольные импульсы в формате TTL.

Наличие ортогонально сдвинутых сигналов позволяет повысить разрешающую способность преобразователя и  определять направление перемещения индикаторной пластины. В современных ИП используют не четыре, а один осветитель и фотодиодную приемную матрицу.

Метод считывания, основанный на дифракции и интерференции света при прохождении через индикаторную пластину и отражении от шкалы. Этот метод используют при измерении в отраженном свете при расстоянии между штрихами шкалы менее 10 мкм.  Применяют шкалу из стали или инвара, на которую нанесены равномерные позолоченные штрихи (выступы), высотой десятые доли микрона. На прозрачную индикаторную пластину нанесены штрихи с тем же шагом, что выступы на шкале. После дифракции и интерференции света, проходящего через индикаторную пластину, фотодиоды преобразуют их в электрический сигнал.

Выходные синусоидальные или импульсные токовые сигналы фотоэлектрического преобразователя через приемное устройство поступают в микропроцессорный блок. В блоке эти сигналы интерполируются для получения заданной дискретности отсчета, производится счет растров и долей растра, соответствующий перемещению индикаторной пластины ИП  и полученный  результат выводится на цифровой дисплей микропроцессорного блока.

Важное и возможно решающее значение в широком применении оптоэлектронных ИП перемещений сыграло развитие электроники и микропроцессорной техники.  Появление небольших светодиодов и фотодиодов позволило существенно уменьшить и упростить оптическую схему преобразователей. Широкое распространение микропроцессоров позволило создать надежные и точные цифровые интерполяторы, что существенно повысило разрешающую способность ИП. Кроме того, микропроцессор позволяет при калибровке инкрементного преобразователя  уменьшить или исключить систематические погрешности, возникшие из-за ошибок при изготовлении шкалы или по другим причинам. В результате  оптоэлектронные ИП имеют очень высокую точность на больших диапазонах измерений, сравнимую с точностью лазерных интерферометров.

Абсолютные  оптоэлектронные энкодеры

Кроме описанных выше ИЭ выпускают так называемые абсолютные преобразователи. Их особенность состоит в том, что вместо референтных меток на шкале нанесена кодовая дорожка в виде последовательного кода Грея (рис. 4.3.5). Наличие кодовой дорожки (шкалы) позволяет определить положение считывающей головки (соединенной с подвижным узлом станка или прибора) сразу в момент включения без необходимости дополнительных перемещений для поиска референтной метки. Таким образом, на шкале линейного абсолютного преобразователя нанесены две дорожки – инкрементная и кодовая.

Рис. 4.3.5    Шкала абсолютного энкодера инкрементной и кодовой дорожкой

Фотоэлектрическое считывающее устройство анализирует световые сигналы обеих дорожек, определят положение головки относительно шкалы и пройденный путь. Такие преобразователи особенно удобны на станках с ЧПУ, так как повышают производительность и упрощают управляющую программу. В измерительных приборах, абсолютные ИП не применяют кроме портативных КИМ. Точность абсолютных преобразователей ниже, чем инкрементных.

Выпускают также абсолютные преобразователи с комбинированными емкостными и оптоэлектронными дорожками (шкалами). Такие преобразователи имеют до трех вспомогательных шкал емкостного типа и одну фотоэлектрическую шкалу.  После подачи питания на линейную шкалу, производится считывание положения головки относительно  трех вспомогательных шкал емкостного типа – грубой, средней  и тонкой –  и с одной фотоэлектрической (оптической) шкалы. Эти шкалы имеют  такую комбинацию шагов и так расположены друг относительно друга, что показания в каком-либо положении считывающей головки формируют уникальный набор выходных сигналов и позволяют микропроцессору вычислить позицию считывающей  головки на шкале с разрешением до 0.05 мкм (рис. 4.3.6). На рисунке упрощено показанокак комбинация сигналов 4х преобразователей точно определят положение считывающей головки.

инкрементные

Рис. 4.3.6     Выходные сигналы шкал абсолютного энкодера

Фирмы выпускают большое количество конструктивных модификаций оптоэлектронных ИП  с разными диапазонами измерения и различной дискретностью отсчета. Это объясняется тем, что в настоящее время все точные приборы для координатных измерений (КИМ, микроскопы, проекторы, высотомеры и др.) оснащают такими преобразователями.

Выпускают  закрытые и открытые оптоэлектронные ИП. Закрытый ИП  собран в жестком профилированном алюминиевом корпусе. Стеклянная шкала приклеена или закреплена в корпусе. По шкале, опираясь маленькими шарикоподшипниками или сферическими упорами на  свободную от штрихов поверхность шкалы,  перемещается считывающее устройство, состоящее из     индикаторной пластины,   осветительных светодиодов  и кремниевых фотодиодов.  Таким образом, обеспечивается небольшой и постоянный зазор между шкалой и индикаторной пластиной. Считывающее устройство оканчивается стальной монтажной пластиной,  выступающей из корпуса через продольную щель, снабженную резиновым уплотнением. За эту пластину считывающее устройство  крепится к подвижному элементу станка или прибора.

Закрытые ИП со стеклянными шкалами имеют диапазон измерения от 100 до 4000 мм. Дискретность цифрового отсчета определяется по формуле

Δ  = шаг растра/(4К)

где К – коэффициент интерполяции. От принятого коэффициента интерполяции в основном и зависит дискретность   цифрового отсчета.  Изготавливают преобразователи с дискретностью  отсчета от 0,01 до 10 мкм.

Для измерения особо больших перемещений изготавливают  закрытые преобразователи с диапазоном измерения  до 30 м, шкала которых выполнена на стальной ленте с нанесенными на ней отражающими штрихами. Шкала натянута в жестком профилированном алюминиевом корпусе.

Максимальная скорость перемещения считывающего устройства до 120 м/мин.

Степень защиты закрытых ИП – IP64 и IP53, что позволяет применять их на металлорежущих станках в условиях машиностроительного производства. Однако, в тех случаях, когда необходима более надежная защита преобразователей от загрязнений и воды, в их корпус подают хорошо очищенный сжатый воздух под небольшим давлением.

Для работы в лабораториях и особо чистом производстве применяют открытые преобразователи, в которых шкала крепится непосредственно на станину (основание),  а считывающее устройство на подвижный узел станка или прибора. В этом случае полностью исключается трение между считывающим устройством  и шкалой и резиновыми уплотнениями. Открытые преобразователи применяют  в измерительных приборах, имеющих собственный уплотненный корпус, в микроскопах, проекторах, небольших КИМ с ручным управлением  и т.п.  Они имеют сравнительно небольшие диапазоны измерения до 1400 мм и более высокую точность.

Точность измерения линейных перемещений с помощью оптоэлектронных ИП зависит от  качества изготовления шкалы и шага штрихов, качества считывающего устройства и пр.

Выпускают оптоэлектронные ИП с дискретностью цифрового отсчета 1,0;  0,5; 0,1; 0,01 мкм. Наибольшее применение имеют ИП с дискретностью отсчета 0,1 мкм.

Погрешность измерения определяется в пределах одного периода шкалы и в пределах всей шкалы.

Погрешность  в пределах одного периода шкалы  составляет примерно 1%. В зависимости от величины периода шкалы погрешность составляет от 0,001  до 0,2 мкм.

Предел допустимой погрешности  в пределах всей шкалы у разных моделей составляет ±10,0; ±5,0; ±3,0; ±2,0; ±1,0; ±0,5; ±0,1; 0,05; ±0,03 мкм.

Основным разработчиком и изготовителем  оптоэлектронных ИП является фирма Heidenhain (Германия). Выпускают оптоэлектронные ИП также  фирмы

RSF-Elektronik (Австрия), ОПТЕД (Болгария), Fagor (Испания), ISKRA (Словения), НПЗ (Новосибирск), СКБ ИС (Санкт-Петербург).

Кроме указанных преимуществ ИП (большой диапазон измерений, высокая точность, цифровой отсчет) важной их особенностью является то, что   основой преобразователей служит жесткая пластина (стеклянная, керамическая или стальная) с нанесенными на ней штрихами или электродами, которая является материальным носителем размера. Ее можно рассматривать как  штриховую меру длины. Поэтому оптоэлектронные ИП не только имеют высокую точность, но и сохраняют ее в течение длительного времени, не требуя частой калибровки. Все оптоэлектронные ИЭ предназначены для абсолютных и относительных измерений.

ИЭ поверяют и калибруют на специальных установках  (рис. 4.3.7) в термоконстантных помещениях. Установка состоит из длинной оптической скамьи (2-3 м), на которой неподвижно установлен лазерный интерферометр и подвижный стол с электроприводом. На столе установлен отражатель и поверяемый ИП. Интерферометр и ИЭ соединены каждый со своим цифровым счетчиком, которые показывают перемещения по интерферометру и ИП.  Оба счетчика подключены к компьютеру, который снабжен ПО для управления электроприводом перемещения подвижного стола  и вычисления погрешности ИП путем сравнения показаний интерферометра и ИП.  Можно определять погрешность деления шкалы (например, через 20 мкм) и погрешность интерполяции. Такая система калибровки позволяет очень точно определить как наибольшую погрешность ИП, так и статистические параметры  погрешности.

Поверка и калибровка проводится при номальной температуре 20оС.

Такой способ калибровки обеспечивает хорошую прослеживаемость линейных энкодеров.

поверка экодеров Рис. 4.3.7   Схема поверки и калибровки линейных экодеров

      

Угловые энкодеры

Строго говоря, угловыми энкодерами называются преобразователи угловых перемещений, имеющие 10 000
и более импульсов на оборот, точность которых выше ±10 угловых секунд, а под «круговыми датчиками»
подразумеваются энкодеры, которые не удовлетворяют этим критериям. Это различие часто игнорируется, и
угловым энкодером называют любой преобразователь угловых перемещений

Угловые энкодеры (преобразователи) по принципу действия подразделяются на инкрементные и абсолютные. И те , и другие могут достигать очень высокого разрешения.

Инкрементный энкодер (ИЭ) выдает за один оборот определенное количество импульсов. Абсолютные энкодеры позволяют в любой момент времени знать текущий угол поворота вала энкодера, в том числе и после пропадания и восстановления питания. А многооборотные абсолютные энкодеры, кроме того, также подсчитывают и запоминают количество полных оборотов вала.

Инкрементные энкодеры

Инкрементные энкодеры предназначены для определения угла поворота вращающихся объектов. Они генерируют последовательный импульсный цифровой код, содержащий информацию относительно угла поворота объекта. Если вал останавливается, то останавливается и передача импульсов. Основным рабочим параметром энкодера является количество импульсов за один оборот. Мгновенную величину угла поворота объекта определяют посредством подсчёта импульсов от старта. Для вычисления угловой скорости объекта процессор  выполняет дифференцирование количества импульсов во времени, таким образом показывая сразу величину скорости, то есть число оборотов в минуту. Выходной сигнал имеет два канала, в которых идентичные последовательности импульсов сдвинуты на 90° относительно друг друга (парафазные импульсы), что позволяет определять направление вращения. Имеется также цифровой выход нулевой метки, который позволяет всегда рассчитать абсолютное положение вала.

Инкрементные однооборотные экодеры также называют   энкодерами углового перемещения.

Энкодеры углового перемещения применяют для измерения углов на поворотных столах, делительных головках, кругломерах и т.п.

Как уже было скахано выще, разработке современных угловых энкодеров  способствовали развитие координатных измерений (КИМ, кругломеров, поворотных столов и др.), но главным образом появление большого количества регулируемых электродвигателей и электроприодов, на которыхустанавливают угловые энкодеры вращения в качестве элемента обратной связи, позволяющего регулировать и поддерживать заданную скорость врашения электродвигателя.

Фотоэлектронные ИЭ   (рис.4.3.8) построены по тому же принципу, что и линейные ИЭ, и обычно отличаются лишь конструкцией и оптической схемой.  Вместо длинной плоской шкалы в угловых ИЭ применяют  стеклянный или стальной диск 4, по переферии которого нанесена круговая растровая штриховая дорожка. Диск установлен на точных шарикоподшипниках, собранных без люфтов и биений. С небольшим зазором от вращающегося диска установлен неподвижный индикаторный диск, на котором нанесены  четыре отдельных растровых  решетки (окна)  А, -А и В, -В с тем же шагом, что   на вращающемся диске.  В угловых энкодерах  применен один общий светодиод-осветитель 1 и конденсор 2, создающий единый параллельный световой поток,  один фотодиод 3, имеющий четыре светочувствительных сегмента, расположенных и включенных так, чтобы на выходе получить синусоидальный сигнал или сигнал ТТЛ (рис. 2.20).

На вращающемся диске и на индикаторном диске имеется одна референтная метка, имеющая свой осветительь и приемник. Референтная метка позволяет точно считать обороты диска и определять начало отсчета.   угловой энкодер

 Рис. 4.3.8  Фотоэлектронный   угловой энкодер

При технологической необходимости на вращающимся диске нанося несколько референтных меток (до 36) неравномерно расположенных по окружности. Это повышает производительность отсчета угла особенно при небольших скоростях поворота объекта и позволяет проводить некоторые логические операции.

Фотоэлектронный энкодер угловых перемещений  имеет большое количество штрихов на круговых шкалах до 180000 и его  погрешность до ±0,5 угловых секунды.

Угловые энкодеры    на собственных подшипниках в прочном герметизированном корпусе с выходным валом, который соединяется с поворотным столом или механизмом с помощью специальной безлюфтовой муфты. Муфта частично компенсирует ошибки от несоосности преобразователя и и поворотного механизма, угол поворота которого измеряется.

Степень защиты угловых энкодеров от IP40 lj IP64/

Угловые знколеры имеют синусоидальные выходные сигналы, позволяющую получить высокую степень интерполяции.

На точность измерений с помощью угловых энкодеров влияют:

– радиальное смещение круговой шкалы;

– смещение центра круговой шкалы относительно оси подшипников;

– радиальное биение подшипников;

– погрешность, вызваная использованием соединительной муфты.

Абсолютные энкодеры

Абсолютные энкодеры, как оптоэлектронные, так и магнитные имеют своей основной рабочей характеристикой число шагов, то есть уникальных кодов на оборот и количество таких оборотов, при этом не требуется первичной установки и инициализации энкодера. Поэтому абсолютные энкодеры не теряют свою позицию при исчезновении напряжения.

В абсолютных энкодерах на вращающийся диск (рис. 2.22) нанесены непрозрачные  штриховые или магнитные кодовые дорожки, расположенные в соответствии с кодом Гея и двоичным параллельным кодом. Соотвественно и выходные  сигнала — это код Грея и интерфейсы, через которые  осуществляется программирование энкодера.

Код Грея предпочтительнее обычного двоичного кода тем, что обладает свойством непрерывности бинарной комбинации: изменение кодируемого числа на единицу соответствует изменению кодовой комбинации только в одном разряде.

Погрешность при считывании информации с  кодового диска при переходе от одного числа к другому приведет лишь к тому, что переход от одного положения к другом будет лишь несколько смещен по времени, однако выдача совершенно неверного значения углового положения при переходе от одного положения к другому полностью исключается.

Благодаря этому абсолютный энкодер имеет уникальный код для каждой позиции вала. В отличие от инкрементного энкодера, счетчик импульсов не нужен, т.к. угол поворота всегда известен. Абсолютный энкодер формирует сигнал как во время вращения, так и в режиме покоя. Диск абсолютного энкодера (рис. 4.3.9) отличается от диска пошагового энкодера, так как имеет несколько концентрических дорожек. Каждой дорожкой формируется уникальный двоичный код для конкретной позиции вала.

кодовый диск

Рис. 4.3.9  Кодовый диск абсолютного энкодера

   Абсолютный энкодер не теряет своего значения при отключении питания и не требует возвращения в начальную позицию. Сигнал абсолютного энкодера не подвержен помехам и для него не требуется точная установка вала. Кроме того, даже если кодированный сигнал не может быть прочитан энкодером, если, например, вал вращается слишком быстро, правильный угол вращения будет зарегистрирован, когда скорость вращения уменьшится. Абсолютный энкодер устойчив к вибрациям.

Абсолютные энкодеры также называют энкодерами вращения. Их применяют для измерения, угловой скорости вала электродвигателей, а при  монтаже на ходовом винте или шариковинтовой паре (ШВП) – для измерения линейных перемещений.

Измерительная система абсолютного энкодера состоит из поворотной оси, смонтированной на двух высокопрецизионных подшипниках, кодового диска, установленного на оси, а также опто-электронной считывающей матрицы и схемы обработки сигнала. В качестве источника света служит светодиод, инфракрасные лучи которого просвечивают кодовый диск и попадают на фототранзисторную матрицу, расположенную с обратной стороны кодового диска. При каждом шаге углового положения кодового диска темные участки кода предотвращают попадание света на те или иные фототранзисторы фототранзисторной матрицы. Таким образом, темные – светлые участки каждой из дорожек будут отображены на фототранзисторной матрице и преобразованы в электрические сигналы. Электрические сигналы, в свою очередь, подготавливаются операционными усилителями для выдачи в виде  бинарного сигнала.

Выпускают также энкодеры, снабженные инкрементной штриховой дорожкой и кодовыми дорожками.

Многооборотный энкодер

Линейные перемещения предполагают необходимым применение измерительной системы с n -количеством оборотов. Например, в линейных приводах приходят на помощь энкодеры, где дополнительно к измерению угла поворота в пределах одного оборота также происходит регистрация количества оборотов с помощью дополнительно встроенного передаточного механизма, т.е. своего рода редуктора.

Угловые оптоэлектронные энкодеры  выпускают фирмы Heidenhain (Германия), СКБ СИ (г. Санкт-Петербург) и др.

Фирмы выпускают несколько десятков моделей угловых энкодеров, отличающихся диапазоном измерения, разрешающей способностью, классом точности, выходными сигналами  и, главное, конструкцией, позволяющей применять их в самых разных машинах и механизмах.

Кроме энкодеров с собственными подшипникам выпускают энкодеры без подшипников, одеваемые прямо на вал электродвигателя или поворотного стола или закрепляемые на вращающейся части конструкции  Считывающая головка крепится к неподвижной части конструкции.

Также выпускают энкодеры в виде ленты со шрихами, которую наклеивают на вращающуюся часть конструкции. Такие энкодеры имею меньшую точность, чем энкодеры с собственными подшипниками.