Technické základy:Odměřování:Systémy odměřování pohohy

Rozdělení odměřovacích systémů

Podle druhu fyzikálního principu

Pro lineární odměřování polohy v průmyslových aplikacích se používají různé druhy vysoce přesných systémů odměřování dráhy. Tyto lze rozdělit podle fyzikálního principu odměřování do různých skupin. Základní princip periodického dělení (např. pravítka), které je snímáno senzorem, je široce používán.

• Magnetorezistivní systémy registrují periodické změny v magnetizaci pravítka pomocí senzorů MR (MR = magnetorezistivní) nebo Hallových senzorů. Magnetické systémy jsou oproti optickým systémům necitlivé proti znečištění, typické periody dělení leží mezi 0,4 a 10 mm.
• Optické systémy jsou velmi rozšířené. U těchto systémů se dělení čte s vhodnými senzory, které registrují periodické změny jasu nebo fáze reflektovaného nebo transmitovaného světla. Leptáním nebo napařením lze realizovat velmi jemné dělení s periodami menšími než 10 μm, což je důvod, proč optické systémy obecně poskytují nejvyšší rozlišení.
• Induktivní systémy pracují s mechanicky strukturovaným, kovovým pravítkem, které může být provedeno velmi robustně. Proužky tohoto pravítka působí obdobně jako jho transformátoru. Přesunutím se moduluje amplituda a fáze elektrického kmitu. Periody dělení pod 1 mm se pomocí těchto systémů realizují obtížně.
• Magnetostrikce a jiné metody se rozšířily jen velmi málo.

Podle druhu uspořádání komponent

Velmi důležité je, jak spolu spolupracují hnací komponenty a komponenty odměřovacího systému. Podle principu působení se mluví o přímém nebo nepřímém odměřování u os strojů.

• U nepřímého odměřování polohy se lineární posuv mění na jinou odměřovací veličinu. Často se vyskytující příklad je lineární osa poháněna kuličkovým šroubem. Kuličkový šroub mění lineární pohyb na rotaci, úhel otáčení se často odměřuje přímo na servomotoru. Výhoda spočívá v tom, že lze polohu osy zjistit pomocí cenově výhodného a kompaktního

rotačního snímače. Nevýhodou je, že přeměnu odměřované veličiny na jinou nelze nikdy realizovat bez chyb. Chyba stoupání, vůle, vibrace a tepelná roztažnost zkreslují odměření polohy.

• U přímého odměřování se použije lineární pravítko, ze kterého je poloha snímána čtecí hlavou přímo. Díky takto docílené eliminaci meziveličin a díky menší vzdálenosti mezi měřeným objektem a snímačem lze dosáhnout přesných naměřených hodnot polohy.

Obecně se proto doporučuje upřednostňování přímého odměřování polohy, protože poskytuje přesnější naměřené hodnoty méně ovlivněné faktory okolí, pokud je lze realizovat pomocí zastupitelných nákladů na měřicí techniku, resp. komponenty. Z tohoto důvodu integruje firma SCHNEEBERGER systémy odměřování polohy AMS do lineárního vedení, aby spojila precizní lineární vedení s výhodami přesnějšího přímého odměřování.

Obrázek GM 0045

Obrázek GM 0046

Podle druhu použitého elektronického rozhraní

Používají se analogová proudová rozhraní (11 μA_ss) nebo analogová napěťová rozhraní (1 V_ss). Problém rozpoznání směru je vyřešen přenášením dvou téměř sinusových signálů s fázovým posuvem 90° (tj. popořadě sinus, cosinus). Pro zpracování s vysokým rozlišením (interpolací) jsou zapotřebí na příjímací straně dva kvalitní převodníkové kanály. Digitalizací obou kanálů se okamžitě díky určení kvadrantů a trigonometrií určí „úhel polárních souřadnic“ signálu, který umožní stanovit přesnou polohu. Počítání celých period lze provést jednoduše pomocí vzestupného / sestupného čítače. Existují produkty s jedinou referenční značkou, pravidelným rastrem referenčních bodů a nepravidelným rastrem referenčních bodů (kódování vzdálenosti). Se vzrůstající hustotou integrace je možné zaintegrovat interpolaci signálů na straně vyhodnocovací elektroniky senzoru. Tyto systémy poskytují ryze digitální informaci (kvadraturní signály) s vysokým rozlišením. Interpolace systému určující přesnost tak leží na straně systému odměřování dráhy. Nevýhoda spočívá v tom, že poměr rychlosti posuvu a rozlišení je určen možnou přenosovou rychlostí. K inkrementálním přenosům signálu lze počítat jak analogové systémy, tak také digitální s integrovanou interpolační technikou, protože informace bude přenášena jako rozdíl k předcházející události. Systémy s absolutním rozhraním realizují absolutní polohu buď jako sériový protokol (SSI), anebo v kombinaci s analogovým inkrementálním přenosem dat. Podstatný rozdíl oproti inkrementálním systémům spočívá v tom, že absolutní poloha je k dispozici okamžitě po zapnutí.

Magnetorezistivní měřicí technika SCHNEEBERGER

Magnetorezistivní efekt

Všechny magnetorezistivní efekty jsou založeny na skutečnosti, že feromagnetické tenké vrstvy mění svůj ohmický odpor díky externím magnetickým polím.

Tři známé efekty jsou:

• AMR (Anisotropic Magnetic Resistance)
• GMR (Giant Magneto Resistance)
• TMR (Tunnelling Magneto Resistance)

Senzory systému odměřování délky od firmy SCHNEEBERGER využívají anizotropní magnetorezistivní efekt (AMR-efekt), který objevil v r. 1857 Thomson ve feromagnetických materiálech. Pokud je v takovémto vodiči směr toku proudu paralelní k magnetizaci, bude specifický odpor o několik procent vyšší, oproti normálně k sobě stojící magnetizaci a směru toku proudu. Pomocí tenké vrstvy feromagnetického materiálu lze konstruovat snímače magnetického pole tak, že se jejich vnitřní magnetické pole vyrovná vnějším magnetickým polem. Po odstranění vnějšího magnetického pole zůstane vnitřní magnetické pole vyrovnáno. To je podstatná vlastnost feromagnetických materiálů.

Obrázky (ne tak nutné)

Magnetorezistivní inkrementální senzor

Protože odpor jednotlivého pásku MR je ovlivněn kolísáním teploty a magnetickými rušivými poli, používají se jako senzory většinou čtyři pásky, které jsou zapojeny jako Wheatstonův můstek. Toto zapojení se vyznačuje tím, že stejná změna ve všech čtyřech odporech, např. díky zvýšení teploty, nevytváří na výstupech žádný napěťový rozdíl. Pro vytvoření měřitelného efektu musí být odpory tedy vychýleny vhodným způsobem, např. 1. odpor zvýšen, 2. odpor snížen, 3. odpor zvýšen, 4. odpor snížen. Dosáhne se toho vhodným umístěním pásků MR v periodické magnetizaci. Z toho vyplývá, že každý senzor je přizpůsoben své dělicí periodě magnetizace a funguje pouze s ní. Navíc nebude pásek MR proveden jednotlivě, nýbrž bude proveden z více pásků, které jsou od sebe vzdáleny vždy o jednu magnetickou periodu. Mluví se zde o ekvivalentních polohách. Kvůli kvadratické charakteristice senzorů (měří se hodnota intenzity pole) se získá výstupní signál s poloviční délkou periody magnetického dělení. Senzory MONORAIL AMS mají magnetické dělení 400 μm a tedy periodu elektrického signálu 200 μm.

Nakonec budou dvě z těchto identických struktur umístěny s přesazením o 1/4 periody signálu (50 μm) a získá se tak sinusový a kosinový průběh signálu, pomocí jehož lze měřit směr pohybu a délka pojezdu. Kompletní schematická konstrukce senzoru pak vypadá takto:

Obrázek GM 0015

Magnetické pravítko

Pokud máme magnetické pravítko, jehož pole periodicky variuje v podélném směru (N-S-N-S-N-S…), lze pomocí senzorů MR zkonstruovat systém odměřování polohy.

Firma SCHNEEBERGER vyrábí profilové kolejnice, ve kterých je hotové pravítko již umístěno. Přesná geometrická poloha magnetické stopy se zajistí mechanickým opracováním okrajů. Pro ochranu pravítka před poškrábáním, znečištěním, chladivy i mazivy se zakryje velmi tvrdým, tenkým páskem. Okraje tohoto pásku se svaří s profilovou kolejnicí a jsou tak dokonale utěsněné.

Interakce odměřovacího systému

K funkčnímu systému patří vodicí kolejnice s integrovanou mírou (1) a odměřovacím vozíkem (3), který se odebírá jako kompletní konstrukční jednotka. Odměřovací vozík se skládá z vodicího vozíku MONORAIL, na jehož jedné straně je namontován nástavbový kryt. Nástavbový kryt obsahuje šachtu s úchytnými plochami pro čtecí hlavu (5). Čtecí hlava je šrouby (4) upevněna k nástavbovému krytu a lze ji tak snadno vyměnit. Na obou koncích nástavbového krytu jsou namontovány příčné stěrače, které tvoří společně s namontovanými podélnými stěrači uzavřenou komoru okolo profi lu vodicí kolejnice. Vnější konec nástavbového krytu má úchyt a upevňovací závit pro příslušenství (2). Vodicí vozík je možno nadále namazat také ze strany nástavbového krytu přes standardní mazací vstupy.

Obrázek GM 0047 a popis