Техническое описание энкодеров Autonics
Инкрементальные датчики углового перемещения предназначены для информационной связи по положению между вращающимся валом и счетчиком импульсов, устройством ЧПУ или устройством цифровой индикации отображаемой информации. Особенность инкрементальных энкодеров заключается в использовании в качестве меры длины радиальной шкалы, являющейся носителем регулярного и кодового растров.
Инкрементальный датчик углового перемещения - энкодер, имеет два кинематически связанных функциональных звена: радиальную растровую шкалу, жестко связанную с валом энкодера, и растровый анализатор со считывающим узлом. Радиальная растровая шкала (лимб) содержит две концентрические информационные дорожки: регулярного растра и референтной метки B (ноль-метки).
Растровый анализатор содержит окна инкрементного считывания и референтную метку D. Окна позиционно согласованы с дорожкой регулярного растра лимба и имеют внутри растры A, A1, C, C1 с шагом, равным шагу регулярного растра лимба. При этом, в каждой паре окон растры смещены друг относительно друга на величину равную половине их шага, а взаимный пространственный сдвиг растров между парами окон составляет четверть шага растров. Последовательно с растровыми окнами расположено прозрачное окно E. Референтная метка D позиционно согласована с дорожкой референтных меток лимба. Считывающий узел решает задачу реализации оптических растровых и кодовых сопряжений, информативно соответствующих величине углового перемещения, и задачу считывания, обработки и анализа текущих значений оптически информативных параметров указанных сопряжений.
Конструктивно эти задачи решает инкрементный узел энкодера. Первую из них решает механическая часть этого узла, обеспечивая необходимую точность растрового сопряжения лимба и анализатора, а также соосность последних по отношению к оси вращения вала. Вторую - реализуют осветители, фотоприемники и плата электрической схемы выделения и обработки информации о перемещении. Излучающий диод, конденсор, формирующий параллельный пучок лучей осветителя, окна А, А1, C, C1 анализатора и фотоприемник образуют канал считывания. Требование повышенной точности инкрементальных энкодеров диктует применение двух или четырех диаметрально расположенных каналов считывания.
Возможность нанесения штрихов растров с субмикронной точностью на материалы с заданным коэффициентом линейного расширения, стабильность их геометрического положения, достаточно высокая степень защищенности конструктивного исполнения, а также их высокая устойчивость к внешним воздействиям обеспечили инкрементальным энкодерам широкий спектр областей промышленного и научного применения.
Абсолютные датчики углового перемещения позволяют решать задачи прецизионных измерений не только величин угловых перемещений, но и без потери точности могут обеспечить жесткую координатную привязку различного рода объектов позиционирования при их статическом положении.
Абсолютные энкодеры каждому значению углового положения вала (преобразуемого угла) ставят в соответствие значение числового эквивалента, который формируется на выходе энкодера, как правило, в виде сигнала цифрового кода. При этом указанное взаимно однозначное соответствие сохраняется, как при движении вала, так и при его неподвижном положении, и не требует возвращения вала в начальную позицию. Таким образом, значение кода не теряется после выключения и включения питания энкодера, восстанавливается после прохождения помехи или превышения допустимой скорости вращения вала, ограничиваемой правильным считыванием кода. Приведённые свойства выгодно отличают абсолютные энкодеры от инкрементных энкодеров. Эталоном угловой меры в абсолютных энкодерах служит установленный на входном валу измерительный лимб с кодовой шкалой, имеющей однодорожечную или многодорожечную кольцевую структуру.
В основе принципа действия абсолютных энкодеров лежит анализ позиционного сочетания уровней сигналов дискретных фотоприемников, располагаемых за соответствующими концентрическими кольцевыми кодовыми дорожками или за одной дорожкой (в случае однодорожечного кода). Совокупность указанных фотоприемников образует считывающее фотоприёмное устройство, конкретная конфигурация которого определяется структурой используемого кода и конструкцией энкодера. В абсолютных датчиках углового положения увеличение количества кодовых разрядов соответствует увеличению их угловой разрешающей способности. Как правило, для многодорожечных шкал энкодеров положения используют позиционные коды.
Это свойство позволяет обеспечивать высокую информационную надёжность преобразования значения угла в цифровой код. Наибольшее распространение среди кодов этого класса получил код Грея. Этот код обладает способностью зеркального отображения информации, то есть инвертированием старшего бита можно менять направление счета и, таким образом, задавать направление вращения вала энкодера. Для осуществления дальнейшей обработки Грей-кода на основе законов двоичной математики его преобразуют в двоичный код. Реализацию такого кодового преобразования легко осуществить с помощью логических элементов «исключающее или», аппаратным или программным способами.
| Десятичный код |
Двоичный код |
Код Грея |
||||||
| 23 | 22 | 21 | 20 | |||||
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| 2 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| 3 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 4 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 |
| 5 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 |
| 6 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 7 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 8 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| 9 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| 10 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 11 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| 12 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 |
| 13 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 14 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 |
| 15 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 |
По диапазону измерений абсолютные датчики углового положения делятся на однооборотные и многооборотные. В энкодерах первого типа кодирование углового положения вала осуществляется в пределах изменения угла поворота от 0° до 360°. В многооборотных энкодерах рабочий диапазон превышает 360°. Они строятся на основе абсолютных однооборотных энкодеров, последовательно соединённых между собой через двоичные понижающие редукторы. Как правило, используется один энкодер точного отсчёта и один или несколько энкодеров грубого отсчёта. Точный отсчёт используется для преобразования в цифровой код в пределах одного оборота вала, а грубые - для счёта числа оборотов. Для уменьшения погрешностей, вносимых редукторами и энкодерами грубого отсчёта, применяются электронные методы согласования грубых и точных отсчётов.
Формируемый осветителем пучок лучей создаёт в плоскости анализирующей маски теневое изображение кодовой шкалы. Анализирующая маска, представляет собой совокупность щелевых диафрагм, выделяющих необходимые для анализа участки изображения кодовой шкалы. За каждой диафрагмой по ходу лучей установлен дискретный фотоприемник, располагаемый в зоне теневого изображения соответствующей кольцевой дорожки кодовой шкалы, В распространённом случае считывающее фотоприемное устройство представляет собой анализирующую маску в виде одной узкой щелевой диафрагмы с установленной за ней линейкой фотодиодов.
Конструктивно абсолютный энкодер включает в себя оптико-механический узел, оптико-электронное считывающее устройство, а также электронную схему выделения и обработки сигналов фотоприёмников. Оптико-механический узел энкодера представляет собой корпусную деталь с прецизионными направляющими, обеспечивающими вращательное движение вала и жестко связанного с ним измерительного лимба, центрированного по отношению к оси вращения вала. Оптико-электронное считывающее устройство содержит узел осветителя и считывающее фотоприемное устройство (матрицу фотоприемников с установленной перед ней анализирующей маской), а также электронную схему выделения и обработки сигналов фотоприемников. В общем случае, считывающее фотоприемное устройство содержит матрицу пространственно распределённых фотоприемников с установленной перед ними анализирующей маской.
