Vad är en pulsgivare?
Positionspulsgivare används inom ett stort antal tillämpningar och branscher och har ett antal tekniska koncept och terminologi.
Denna artikel har som syfte att förklara positionspulsgivare på ett enkelt sätt: Den beskriver vad en pulsgivare är, inklusive olika typer av pulsgivare, hur de arbetar och hur de används.
Vad är en pulsgivare?
En pulsgivare är en elektromekanisk enhet som omvandlar information från ett format eller kod till ett annat. En positionspulsgivare som de som tillverkas av Renishaw, konverterar linjära eller rotationsrörelser till en elektrisk signal som ger information om position, hastighet och rörelseriktning.
Positionsgivare kan använda många olika avkänningstekniker: Renishaw är specialiserat på optiska och induktiva pulsgivare samt laserpulsgivarsystem. RLS, ett företag delägt av Renishaw är specialiserat på magnetiska pulsgivare.
Vad är en optisk pulsgivare och hur fungerar den?
Optiska pulsgivare är enheter som använder en ljuskälla och en fotodetektor som rör sig förbi skallinjer för att generera en elektrisk signal. Denna signal kan avläsas av en styrenhet (eller kontroller) i ett rörelsestyrsystem. Renishaw har mer än trettio års erfarenhet av att konstruera, tillverka och ge support till optiska pulsgivare med höga prestanda.
En optisk pulsgivare består av två komponenter: skalan och läshuvudet.
1: Läshuvud 2: Skala
Pulsgivarskalan
Optiska pulsgivarskalor är markerade med parallella mörka linjer, ungefär som markeringarna på en konventionell linjal. Dessa linjer som ofta kallas graderingar läses av ett optiskt system inuti läshuvudet för att skapa elektriska signaler eller bilder för ytterligare bearbetning. Dessa linjer placeras exakt på skalans material för att säkerställa lämpliga systemmätprestanda.
Optiska pulsgivarskalor kan anta många former t.ex. flexibelt linjära, fast linjära, skivor och ringar. Tack vare dessa olika former går det att mäta och kontrollera olika typer av rörelser t.ex. linjära, full rotation, rotation med partiell båge eller kombinationer av dessa rörelser.
Optiska pulsgivarskalor måste vara stabila och robusta och tillverkas normalt av material som t.ex. rostfritt stål eller glas.
Pulsgivarens läshuvud
Läshuvudet innehåller ett optiskt system och elektronik som genererar en elektrisk utgångssignal som beskriver positionen och riktningen på läshuvudets rörelse i relation mot skalan.
Med hjälp av signalbearbetning och digital interpolering kan optiska pulsgivare spåra rörelser ner till en miljondels meter (1 nm).
En nanometer är radien på en DNA-spriral, bredden av två glukosmolekyler eller en röntgenstråles våglängd.
Typer av optiska pulsgivare
Öppna pulsgivare
En öppen optisk pulsgivare har en skala och läshuvud som är separerade genom en liten lucka som kallas frigången och konfigureras för att mäta linjära, roterande eller partiell båge-rörelser. Dess beröringsfria utförande drar nytta av avsaknaden av friktion och mekaniskt slitage eller hysteres.
Kapslade pulsgivare
I kapslade pulsgivarsystem, är skalan och läshuvudet monterade i ett inkapslat hölje, som skyddar pulsgivaren mot kontaminering via fasta partiklar eller inträngande vätska i krävande miljöer. Kapslade pulsgivare används till exempel normalt på verktygsmaskiner, där hög noggrannhet och motståndskraft mot kontaminering via partiklar från bearbetningen eller skärvätska har stor betydelse.
Rörelse
Optiska pulsgivare kan mäta rörelse i olika former beroende på typen och strukturen på de maskinrörelser som mäts.
Linjär
Linjära pulsgivare rapporterar positionen längs en rak linje och används för X, Y eller Z-axeln, till exempel i en kartesisk koordinatmätmaskin (CMM).
Roterande
Roterande pulsgivare rapporterar vinkelpositioner hos en roterande detalj med hjälp av en skala som formats som en ring eller skiva. Dessa pulsgivare gör det möjligt att kontrollera roterande rörelser, t.ex. hos ett roterande bord eller en robots leder.
Partiell båge
Vissa linjära pulsgivarskalor är flexibla och kan lindas runt en trumma, axel eller böjd yta på en maskin för att möjliggöra styrning av rotationsrörelser på mindre än ett helt varv.
Vilka är skillnaderna mellan absoluta och inkrementella pulsgivare?
Inkrementella pulsgivare kan endast detektera rörelser som är relativa mot deras aktuella position eller en bekant referenspunkt. Den utgående positionssignalen ökar eller minskar (beroende på riktningen) positionen med ett steg åt gången när läshuvudet rör sig i relation mot skalan.
Absoluta pulsgivare avkodar direkt sin aktuella position utan att några rörelser krävs.
En viktig skillnad mellan hur inkrementella och absoluta pulsgivare beter sig är hur de svarar på strömavbrott. Om en absolut pulsgivare får strömavbrott, kan läshuvudet fortfarande rapportera sin aktuella position när strömmen återställs, även om den rörde sig under strömavbrottet. Inkrementella pulsgivare förlorar sin positionsinformation när strömmen stängs av, och kräver att deras referensposition hämtas igen när strömmen återställs.
En annan viktig skillnad avser kommunikation. Absoluta pulsgivare använder tvåvägs seriell kommunikation mellan styrenheten och läshuvudet, medan inkrementella pulsgivare tillhandahåller envägs kommunikation via analoga eller digitala signaler från läshuvudet till styrenheten.
Inkrementell position
Linjerna på en inkrementell skala placeras i ett enkelt jämnt utspritt parallellt mönster, som en linjal utan några siffror. Under startproceduren detekteras en referensposition genom att den avläser en referensmarkering som är inbäddad i den inkrementella skalan. Denna referens är en enkel fast punkt någonstans längs mätaxeln som används som maskinens referenspunkt och som ibland beskrivs som ”utgångsläget”. All positionsinformation står i relation till denna referens.
En inkrementell pulsgivare skickar normalt sin positionsinformation i form av två analoga vågformer 90 grader ur fas från varandra, som en sinus- eller cosinuskurva, eller som två digitala signaler med 90 graders mellanrum, även kallad kvadratur. Dessa signaler kan tolkas av styrenheten för att beräkna magnituden och riktningen hos rörelser längs pulsgivarskalan.
Inkrementella pulsgivarskalor kan tillverkas i långa längder för storskaliga installationer eller skäras till rätt längd för att passa en valfri axellängd.
1: Riktning på minskande steg, 2: Referensposition, 3: Referensmarkering, 4: Styrenhetens position = antal steg från referens, 5: Riktning på ökande steg, 6: Inkrementell stegändring
Absolut position
I ett absolut pulsgivarsystem, kodas specifik positionsinformation i skalans alla avsnitt, som en linjal med siffror. Dessa specifika positioner definieras via en uppsättning parallella linjer där vissa linjer saknas, ungefär som en streckkod. Detta icke repetitiva mönster låter läshuvudet hitta sin position direkt vid start.
Styrenheten begär regelbundet positionsinformation från läshuvudet, som sedan tar en bild av skalan och avkodar bilden till en specifik position, som sedan rapporteras tillbaka till styrenheten via ett seriellt kommunikationsprotokoll.
Det finns ett antal industristandard-kommunikationsprotokoll tillgängliga, som ofta är förknippade med specifika tillverkare av maskinstyrenheter.
Absoluta skalor behöver korta unika mönster (eller ord) med linjer och mellanrum för att identifiera en position. Eftersom dessa ord har ett begränsat antal möjliga kombinationer, har absoluta pulsgivare en maximal mätlängd. För Renishaws RESOLUTE™ absoluta pulsgivarsystem, är den maximala mätlängden 21 meter.
1: Riktning på minskande position, 2: Referensposition, 3: Styrenhetens position = läshuvudets position - numerisk förskjutning, 4: Riktning på minskande position, 5: Absolut position, 6: Numerisk förskjutning på referensposition, 7: Position 'noll'
När ska jag använda en inkrementell pulsgivare?
Inkrementella pulsgivare används inom ett stort antal tillämpningar med rörelsestyrning, t.ex. fabriksautomation, koordinatmätmaskiner (CMM) och tillverkningsutrustning för halvledare. Inkrementella pulsgivare medger noggrann positionsmätning vid hög upplösning och höga skanningshastigheter.
När ska jag använda en absolut pulsgivare?
Absoluta pulsgivare är väl lämpade för maskiner som måste bibehålla positionsinformation när strömmen slås på och av. Tillämpningar inkluderar kirurgiska robotar och maskiner där returcykler till en fast referensmarkering inte är önskvärd.
Var används optiska pulsgivare?
Optiska pulsgivare är mångsidiga positionsmätanordningar som används inom ett stort antal tillämpningar för att mäta och styra linjära eller roterande rörelser.
De används inom många branscher och tillämpningar, t.ex. mätteknik, halvledartillverkning, robotteknik, automation, verktygsmaskiner samt forskning och utveckling.
Vad är en induktiv pulsgivare?
En induktiv absolut pulsgivare är en typ av positionssensor som använder elektromagnetisk induktion för att mäta en axels position eller rörelse.
Induktiva pulsgivare erbjuder hållfasthet, motståndskraft mot kontaminering, immunitet mot externa magnetfält och hög precision.
Tillämpningar inkluderar balansringar, medicinsk utrustning, allmän automation, drönare, robotar och servomotorer.
För mer information, besök Renishaws webbsidor om induktiva pulsgivare.
Vad är en magnetisk pulsgivare?
Magnetiska pulsgivarsystem använder en magnetisk skala som består av ett antal omväxlande magnetiska poler. Rörelser längs skalan registreras av ett läshuvud som innehåller en sensor som detekterar ändringar i magnetfältet när läshuvudet rör sig och konverterar denna ändring till en magnetisk signal.
Magnetiska pulsgivare används ofta inom robotteknik (t.ex. automatiskt styrda fordon) samt tryckeritillämpningar.
För mer information om magnetiska pulsgivarsystem, besök RLS webbplats.
Vad är en laserpulsgivare?
Laserpulsgivarsystem använder våglängden hos ett laserljus som sin mätenhet genom att detektera en sträckas längdskillnad mellan en fast referenssträcka och en variabel mätsträcka. Laserpulsgivare erbjuder exakt positionsmätning med hög upplösning.
Laserpulsgivare används ofta inom flyg- och marinindustrin samt andra specialiserade tillämpningar.
För mer information, besök Renishaws webbsidor om laserpulsgivare.
Se våra webbkurser online
Introduktionen till pulsgivarsystem har som syfte att på ett enkelt sätt förklara vad en pulsgivare gör.
Den förklarar skalans och läshuvudets funktion, de olika typer av pulsgivare som finns tillgängliga, hur de arbetar och hur de används.
Registrera dig för att börja titta.
Kontakta vårt försäljningsteam idag
Kontakta ditt lokala kontor för att få mer information och prata med någon av våra experter.