Co je to snímač?
Snímače polohy, které najdeme v celé řadě aplikací a průmyslových oborů, se vyznačují řadou technických konceptů a terminologií.
Cílem tohoto článku je jednoduchý výklad ke snímačům polohy: popisuje co je to snímač, jaké jsou různé typy snímačů, jak fungují a kde se používají.
Co je to snímač?
Snímač je elektromechanické zařízení, které převádí informace z jednoho formátu do jiného. Odměřovací systém, jako ten vyrobený společností Renishaw, převádí lineární nebo rotační pohyb na elektrický signál, který poskytuje informace o poloze, rychlosti a směru pohybu.
Odměřování polohy může používat širokou škálu snímacích technologií: Společnost Renishaw se specializuje na optické, indukční a laserové odměřovací systémy. RLS, přidružená společnost firmy Renishaw, se specializuje na magnetické snímače.
Co je optický snímač a jak funguje?
Optické snímače jsou zařízení používající zdroj světla a fotoelektrický detektor, které se pohybují podél stupnice a generují elektrický signál. Tento signál může být čten řídicím zařízením (nebo řídicím systémem) systému pro řízení pohybu. Společnost Renishaw má více než třicet let zkušeností s konstrukcí, výrobou a podporou vysoce výkonných optických snímačů.
Optický snímač sestává ze dvou komponent: stupnice a čtecí hlavy.
1: Čtecí hlava 2: Stupnice
Stupnice snímače
Stupnice optických snímačů jsou označeny tmavými rovnoběžnými čárkami podobně, jako konvenční pravítko. Tyto čárky, často též nazývané dělení, jsou ‘čteny‘ optickým systémem uvnitř čtecí hlavy, který vytváří elektrické signály či obrazy pro další zpracování. Tyto čárky jsou přesně umístěny na materiálu stupnice, aby zajistily odpovídající výkon měřicího systému.
Stupnice optických snímačů mohou mít různá provedení, jako ohebné lineární, pevné lineární, diskové nebo prstencové. Tato různá provedení umožňují odměřování a řízení různých typů pohybu, jako jsou lineární, plně rotační, rotační na části oblouku nebo kombinace těchto pohybů.
Stupnice optických snímačů, které musí být stabilní a robustní, jsou zpravidla vyrobeny z materiálů jako je nerezová ocel nebo sklo.
Čtecí hlavy snímače
Čtecí hlava sestává z optického systému a elektroniky, která generuje elektrický výstupní signál popisující polohu a směr pohybu čtecí hlavy vzhledem ke stupnici.
Prostřednictvím zpracování signálu a digitální interpolace mohou optické snímače dosáhnout rozlišení pohybu až do jedné miliardtiny metru (1 nm).
Jeden nanometr je poloměr šroubovice DNA, šířka dvou molekul glukózy nebo vlnová délka paprsků X.
Typy optických snímačů
Otevřené snímače
Otevřený optický snímače je vybaven stupnicí a čtecí hlavou, které jsou oddělené nepatrnou mezerou (označovanou jako separace) a konfigurovaný k odměřování lineárního či rotačního pohybu nebo pohybu po části oblouku. Předností jeho bezkontaktní konstrukce je nulové tření a žádné mechanické opotřebení nebo hystereze.
Uzavřené snímače
V systémech uzavřených snímačů jsou stupnice a čtecí hlava umístěny v utěsněném pouzdru, které snímač chrání před znečištěním pevnými nečistotami a pronikáním kapalin v nepříznivém prostředí. Uzavřené snímače jsou typicky používané v obráběcích strojích, kde je důležitá vysoká přesnost a odolnost proti znečištění třískami z obrábění a chladicími médii.
Pohyb
Optické snímače mohou měřit pohyb různých forem, v závislosti na typu a struktuře odměřovaného pohybu stroje.
Lineární
Lineární snímače indikují polohu podél přímky a používají se pro osy X. Y a Z jako v Kartézských souřadnicových měřicích strojích (CMM).
Rotační
Rotační snímače indikují úhlovou polohu rotující součásti prostřednictvím stupnice tvarované jako prstenec nebo disk. Tyto snímače umožňují řízení rotačního pohybu například otočných stolů nebo kloubů robotu.
Část oblouku
Některé stupnice lineárních snímačů jsou ohebné a lze je navinout na bubínek, hřídel nebo zakřivenou plochu stroje, takže umožňují řízení rotačního pohybu méně než celé otáčky.
Jaké jsou rozdíly mezi absolutními a inkrementálními snímači?
Inkrementální snímače mohou pouze detekovat pohyb vzhledem ke své aktuální poloze nebo známému referenčnímu prvku; výstupní polohový signál se zvyšuje nebo snižuje (v závislosti na směru pohybu) polohu vždy o jeden impulz, jak se čtecí hlava pohybuje vzhledem ke stupnici.
Absolutní snímače okamžitě dekódují svoji aktuální polohu bez požadavku jakéhokoli pohybu.
Základním rozdílem mezi chováním inkrementálních a absolutních snímačů je jejich reakce na ztrátu napájení. Když vypadne napájení absolutního snímače, čtecí hlava je po obnovení napájení stále schopná správně indikovat svoji aktuální polohu, i když se během výpadku napájení pohybovala. Inkrementální snímače ztratí při výpadku napájení svoji polohovou informaci a po obnově napájení vyžadují obnovení svojí nulové polohy.
Další důležitý rozdíl se vztahuje ke komunikaci: absolutní snímače se vyznačují dvoucestnou sériovou komunikací mezi řídicí jednotkou a čtecí hlavou, zatímco inkrementální snímače poskytují jednocestnou komunikaci prostřednictvím analogových nebo digitálních signálů od čtecí hlavy do řídicí jednotky.
Inkrementální poloha
Čárky na inkrementální stupnici jsou uspořádané rovnoběžně s pravidelnými mezerami podobně, jako na pravítku bez číslic. Během procesu zapnutí je zjištěna nulová poloha přečtením referenční značky, začleněné do inkrementální stupnice. Nulový bod je pevný bod umístěný kdekoli podél osy měření, použitý jako referenční bod stroje, který je někdy popsán jako výchozí poloha. Všechny polohové informace jsou vztaženy k tomuto nulovému bodu.
Inkrementální snímač zpravidla generuje svoji polohovou informaci v podobě dvou analogových průběhů signálu s fázovým posunutím 90 stupňů, jako sinusová a kosinusová vlna, nebo jako dva digitální signály 90 stupňů od sebe, známých jako kvadratura. Tyto signály mohou interpretovány řídicím systémem pro výpočet magnitudy a směru pohybu podél stupnice snímače.
Stupnice inkrementálních snímačů mohou být vyráběny ve velkých délkách pro rozměrné instalace nebo zkráceny pro libovolnou délku osy.
1: Směr klesajícího čítání, 2: Poloha nulového bodu, 3: Referenční značka, 4: Poloha v řídicím systému = počet impulzů od nulového bodu, 5: Směr rostoucího čítání, 6: Změna inkrementálního čítání
Absolutní poloha
V systému absolutního snímače je specifická polohová informace kódovaná ve všech sekcích stupnice podobně, jako pravítko s číslicemi. Tyto specifické polohy jsou definovány sadami rovnoběžných čárek, kdy některé čárky chybí, trochu jako v čárovém kódu. Tento neopakující se vzor umožňuje čtecí hlavě nalézt svoji polohu bezprostředně po zapnutí.
Řídicí systém pravidelně vyžaduje od čtecí hlavy polohovou informaci, která potom pořídí snímek stupnice a dekóduje obraz na specifikou polohu, kterou pak zašle zpět do řídicího systému prostřednictvím sériového komunikačního protokolu.
K dispozici je celá řada komunikačních protokolů průmyslového standardu, které jsou často spojeny s určitým výrobcem řídicího systému stroje.
Absolutní stupnice závisejí na krátkých jednoznačných vzorech (nebo slovech) čárek a mezer pro identifikaci polohy. Vzhledem k tomu, že tato slova mají konečný počet možných uspořádání, stupnice absolutních snímačů mají maximální délku odměřování. V případě systému absolutních snímačů RESOLUTE™ společnosti Renishaw činí maximální délka odměřování 21 metrů.
1: Směr klesajícího čítání, 2: Poloha nulového bodu, 3: Poloha v řídicím systému = poloha čtecí hlavy - numerický offset, 4: Směr rostoucího čítání, 5: Absolutní poloha, 6: Numerický offset polohy nulového bodu, 7: Poloha 'Nula'
Kde bych měl použít inkrementální snímač?
Inkrementální snímače se používají v celé řadě aplikací pro řízení pohybu jako je průmyslová automatizace, souřadnicové měřicí stroje (CMM) a zařízení pro výrobu polovodičů. Inkrementální snímače umožňují přesné odměřování polohy s vysokým rozlišením a vysokými rychlostmi skenování.
Kde bych měl použít absolutní snímač?
Absolutní snímače jsou velmi vhodné pro stroje, které potřebují zachovat polohovou informaci i během výpadků napájení. K těmto aplikacím patří chirurgické roboty a stroje kde nejsou žádoucí cykly návratu do výchozí na pevnou referenční značku.
Kde se používají optické snímače?
Optické snímače jsou všestranná zařízení pro odměřování polohy, používaná v širokém spektru aplikací pro měření a řízení lineárního nebo rotačního pohybu.
Používají se v mnoha průmyslových odvětvích a aplikacích jako je metrologie, výroba polovodičů, automatizace, obráběcí stroje a vědecký výzkum.
Co je to indukční snímač?
Absolutní indukční snímač je typ snímače polohy, který využívá elektromagnetickou indukci pro měření polohy nebo pohybu v ose.
Indukční snímače jsou robustní, odolné vůči znečištění, imunní vůči externím magnetickým polím a jsou přesné.
K aplikacím patří výkyvná uložení, lékařská zařízení, obecná automatizace, bezpilotní letouny (UAV), roboty a servomotory.
Více informací najdete na webových stránkách indukčních snímačů Renishaw.
Co je magnetický snímač?
Magnetické odměřovací systémy používají zmagnetizovanou stupnici opatřenou řadou střídajících se magnetických pólů. Pohyb podél stupnice je určován čtecí hlavou obsahující snímač, který detekuje změnu magnetického pole během pohybu čtecí hlavy a převádí tyto změny na elektrický signál.
Magnetické snímače se často používají v robotice (jako jsou automaticky řízená vozidla) a v tiskařských aplikacích.
Další podrobnosti o magnetických odměřovacích systémech viz webové stránky RLS.
Co je laserový snímač?
V laserových odměřovacích systémech se používá vlnová délka laserového světla. Jejich měřicí jednotka detekuje rozdíl délky dráhy mezi pevnou referenční dráhou a proměnnou měřenou dráhou. Laserové snímače poskytují vysokou přesnost odměřování polohy s jemným rozlišením.
Laserové snímače se často používají v leteckém a lodním průmyslu, jakož i v dalších specializovaných aplikacích.
Více informací najdete na webových stránkách laserových snímačů Renishaw.
Podívejte se na naše webové semináře na vyžádání
Úvodní webový seminář se zaměřuje na jednoduchý popis činnosti snímače.
Vysvětluje úlohu stupnice a čtecí hlavy, popisuje různé typy dodávaných snímačů, jejich funkci a kde se používají.
Zaregistrujte se ke sledování na vyžádání.
Kontaktujte ještě dnes náš prodejní tým
Obraťte se na místní kancelář, kde se dozvíte více informací a promluvíte si s odborníkem.