Wat is een encoder?
Positie-encoders zijn te vinden in allerlei toepassingen en sectoren, en omvatten een reeks van technische concepten en termen.
Dit artikel heeft als doel om positie-encoders uit te leggen in eenvoudige termen: het beschrijft wat een encoder is, welke encodersoorten er zijn, hoe ze werken en waar ze gebruikt worden.
Wat is een encoder?
Een encoder is een elektromechanisch apparaat dat informatie omzet vanuit het ene formaat naar het andere. Een positie-encoder zoals Renishaw die maakt, zet een lineaire of roterende beweging om naar een elektrisch signaal dat informatie geeft over positie, snelheid en richting van de beweging.
Positie-encoders kunnen diverse meettechnologieën toepassen: Renishaw is gespecialiseerd in optische, inductieve en laserencodersystemen. RLS, een partnerbedrijf van Renishaw, is gespecialiseerd in magnetische encoders.
Wat is een optische encoder en hoe werkt die?
Optische encoders zijn apparaten die een elektrisch signaal produceren met behulp van een lichtbron en een fotodetector die over een meetschaal beweegt. Dit signaal kan gelezen worden door de besturing van een systeem dat bewegingen bestuurt. Renishaw heeft meer dan dertig jaar ervaring in het ontwerpen, produceren en ondersteunen van hoogwaardige optische encoders.
Een optische encoder bestaat uit twee componenten: de meetschaal en de leeskop.
1: Leeskop 2: Meetschaal
De encodermeetschaal
Meetschalen van optische encoders zijn voorzien van evenwijdige donkere lijnen, die veel lijken op de markeringen van een gewone liniaal. Deze lijnen, vaak de schaalverdeling genoemd, worden 'gelezen’ door een optisch systeem in de leeskop om elektrische signalen of afbeeldingen te creëren voor verdere verwerking. De lijnen zijn nauwkeurig op de meetschaal gepositioneerd, zodat het systeem goede meetprestaties levert.
Meetschalen van optische encoders kunnen vele vormen hebben, bijvoorbeeld flexibel recht, star recht, schijven en ringen. Met de verschillende vormen kunnen verschillende soorten bewegingen gemeten en gestuurd worden, zoals lineair, volledige rotatie, rotatie over een hoekdeel, en combinaties van deze bewegingen.
Meetschalen van optische encoders moeten stabiel en robuust zijn, en worden meestal gemaakt van materialen als roestvast staal of glas.
De encoderleeskop
De leeskop bevat een optisch systeem en elektronica die een elektrisch uitgangssignaal genereert dat de positie en bewegingsrichting aangeeft van de leeskop ten opzichte van de meetschaal.
Door middel van signaalverwerking en digitale interpolatie kunnen optische encoders bewegingen onderscheiden van zelfs een miljardste meter (1 nm).
Een nanometer is de straal van een DNA-schroefvorm, de breedte van twee glucosemoleculen, of de golflengte van een röntgenstraal.
Soorten optische encoders
Open encoders
Bij een open optische encoder zijn meetschaal en leeskop van elkaar gescheiden door een kleine opening (de afstand meetschaal-leeskop) en geconfigureerd om lineaire, roterende of hoekdeelbeweging te meten. Dankzij de contactloze opzet is er geen wrijving, mechanische slijtage of hysteresis.
Gesloten encoders
Bij gesloten encodersystemen zijn meetschaal en leeskop bevestigd in een afgedichte behuizing, die de encoder in zware omstandigheden beschermt tegen vaste vuildeeltjes en binnendringende vloeistoffen. Gesloten encoders worden bijvoorbeeld vaak gebruikt op bewerkingsmachines, waar hoge nauwkeurigheid en bestendigheid tegen vuil van het bewerken en koelmiddelen belangrijk zijn.
Beweging
Optische encoders kunnen diverse vormen van beweging meten, afhankelijk van de soort en structuur van de te meten machinebeweging.
Lengte
Lineaire encoders rapporteren de positie langs een rechte lijn en worden gebruikt voor X-, Y- of Z-assen, bijvoorbeeld op een cartesische coördinatenmeetmachine (CMM).
Rotaties
Roterende encoders rapporteren de hoekpositie van een roterend onderdeel met behulp van een meetschaal in ring- of schijfvorm. Met deze encoders zijn roterende bewegingen te besturen, bijvoorbeeld van een draaitafel of de gewrichten van een robot.
Hoekdeel
Sommige encodermeetschalen zijn flexibel en kunnen om een trommel, as of gebogen oppervlak van een machine gewikkeld worden. Zo wordt het mogelijk om roterende bewegingen van minder dan een hele omwenteling te besturen.
Wat zijn de verschillen tussen absolute en incrementele encoders?
Incrementele encoders detecteren alleen beweging ten opzichte van hun huidige positie of een bekende referentie. Het uitgaande positiesignaal verhoogt of verlaagt de positiewaarde (afhankelijk van de richting) wanneer de leeskop beweegt ten opzichte van de meetschaal.
Absolute encoders decoderen onmiddellijk hun huidige positie zonder dat enige beweging nodig is.
Een belangrijk verschil in gedrag tussen incrementele en absolute encoders is hun reactie op stroomuitval. Als een absolute encoder zijn voedingsspanning verliest, is de leeskop weer in staat zijn huidige positie correct te rapporteren zodra de spanning terug is, zelfs als hij tijdens de uitval verplaatst werd. Incrementele encoders verliezen hun positie-informatie tijdens stroomuitval. Wanneer de spanning terug is moet hun nulpositie opnieuw opgenomen worden.
Een ander belangrijk onderscheid betreft de communicatie: absolute encoders hebben seriële communicatie in twee richtingen tussen leeskop en besturing, terwijl incrementele encoders analoge of digitale signalen in één richting communiceren van leeskop naar besturing.
Incrementele positie
De lijnen op een incrementele meetschaal zijn aangebracht in een simpel parallel patroon met gelijke tussenruimtes, net als bij een liniaal zonder cijfers. Tijdens de startprocedure wordt een nulpositie gedetecteerd door een referentiemarkering af te lezen die zich op de incrementele meetschaal bevindt. De nulpositie is een enkelvoudig vast punt ergens op de meetas dat gebruikt wordt als referentiepunt van de machine en ook wel ‘beginpositie’ genoemd wordt. Alle positie-informatie is ten opzichte van deze nulpositie.
Een incrementele encoder levert zijn positie-informatie meestal in de vorm van twee analoge golfvormen die 90 graden uit fase zijn met elkaar, zoals een sinus- en cosinusgolf, of als twee digitale signalen 90 graden uit elkaar, wat kwadratuur genoemd wordt. De besturing kan deze signalen interpreteren en de grootte en richting berekenen van de beweging over de encodermeetschaal.
Incrementele encodermeetschalen worden in grote lengtes gemaakt voor grootschalige toepassingen of op maat afgekort voor iedere aslengte.
1: Richting van waardeverlaging, 2: Nulpositie, 3: Referentiemarkering, 4: Positie besturing = telling vanaf nulpositie, 5: Richting van waardeverhoging, 6: Verandering van incrementele telling
Absolute positie
Bij een absoluut encodersysteem wordt specifieke positie-informatie gecodeerd op alle secties van de meetschaal, zoals bij een liniaal met cijfers. Deze specifieke posities worden gedefinieerd door sets evenwijdige lijnen waarbij sommige lijnen ontbreken, ongeveer zoals bij een barcode. Op dit niet-herhalende patroon kan de leeskop zijn positie onmiddellijk na het opstarten vinden.
De besturing vraagt periodiek positie-informatie aan de leeskop, die dan een opname van de meetschaal maakt en dat beeld decodeert naar een specifieke positie. De leeskop rapporteert die terug naar de besturing via een protocol voor seriële communicatie.
Een reeks van gangbare communicatieprotecollen is beschikbaar, die vaak horen bij een specifiek fabricaat machinebesturing.
Absolute meetschalen hebben korte unieke patronen (of woorden) van lijnen en tussenruimtes om de positie te identificeren. Omdat het aantal mogelijke variaties van deze woorden eindig is, hebben absolute encodermeetschalen een bepaalde maximale meetlengte. Voor het Renishaw RESOLUTE™ absoluut encodersysteem bedraagt deze maximale meetlengte 21 meter.
1: Richting van verlaging positiewaarde, 2: Nulpositie, 3: Positie besturing = positie leeskop - numerieke instelling, 4: Richting van verhoging positiewaarde, 5: Absolute positie, 6: Numerieke instelling van nulpositie, 7: Positie 'Nul’
Waar gebruik ik een incrementele encoder?
Incrementele encoders worden gebruikt in een brede variëteit aan toepassingen in bewegingsbesturing, zoals fabrieksautomatisering, coördinatenmeetmachines (CMM's) en apparatuur voor halfgeleiderproductie. Incrementele encoders maken nauwkeurige positiemeting met fijne resoluties en hoge scansnelheden mogelijk.
Waar gebruik ik een absolute encoder?
Absolute encoders passen goed bij machines die hun positie-informatie vast moeten houden bij variërende voedingsspanning. Tot de toepassingen behoren chirurgische robots en machines waarop terugkeercycli naar een vaste referentiemarkering niet wenselijk zijn.
Waar worden optische encoders gebruikt?
Optische encoders zijn veelzijdige positiemeetinstrumenten die in allerlei toepassingen worden gebruikt voor meting en besturing van lineaire of roterende beweging.
Ze worden in vele sectoren en toepassingen ingezet, onder meer in metrologie, halfgeleiderproductie, robotica, automatisering, bewerkingsmachines en wetenschappelijk onderzoek.
Wat is een inductieve encoder?
Een inductieve absolute encoder is een positiesensor die elektromagnetische inductie gebruikt om de positie of beweging van een as te meten.
Inductieve encoders bieden robuustheid, vuilbestendigheid, ongevoeligheid voor externe magnetische velden, en een goede nauwkeurigheid.
Toepassingen zijn onder andere cardanbevestigingen, medische apparaten, algemene automatisering, drones, robots en servomotoren.
Ontdek meer op de webpagina van Renishaw inductieve encoders.
Wat is een magnetische encoder?
Magnetische encodersystemen maken gebruik van een magnetische meetschaal met een reeks om en om wisselende magnetische polen. Beweging over de meetschaal wordt vastgesteld door een leeskop, die een sensor bevat die de veranderingen in het magnetisch veld detecteert terwijl de leeskop beweegt en deze veranderingen omzet in een elektrisch signaal.
Magnetische encoders worden vaak toegepast in robots (zoals automatisch geleide voertuigen) en de drukkerijsector.
Bezoek de website van RLS om meer te ontdekken over magnetische encodersystemen.
Wat is een laserencoder?
Laserencodersystemen gebruiken de golflengte van laserlicht als hun meeteenheid door het verschil in padlengte te detecteren tussen een vast referentiepad en een variabel meetpad. Laserencoders bieden zeer nauwkeurige positiemeting met een fijne resolutie.
Laserencoders worden vaak ingezet in de luchtvaart- en scheepvaartsector en in andere gespecialiseerde toepassingen.
Ontdek meer op de webpagina's over Renishaw laserencoders.
Bekijk ons webinar on demand
Ons webinar met een introductie over encodersystemen is bedoeld om eenvoudig te omschrijven wat een encoder doet.
Het legt de rol van de meetschaal en leeskop uit, de verschillende soorten encoders die er zijn, hoe ze werken, en waar ze gebruikt worden.
Meld u aan om het on demand te bekijken.
Neem vandaag nog contact op met ons verkoopteam
Neem contact op met uw plaatselijke leverancier voor meer informatie en een gesprek met een expert.