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

Dotykové odečítání

Pro bezvadné zpracování inkrementálních signálů je nutná konstantní pracovní vzdálenost mezi senzorem a mírou. Tuto úzkou toleranci nelze pomocí tuhé, justované nástavby pravítka a senzoru dodržet, a proto byl pro Systém odměřování polohy AMS zvolen dotykový kluzný princip odměřování. Senzory MR jsou přitom zabaleny do kluzákového pouzdra, které je drženo listovou pružinou ve své horizontální poloze a tlakovou pružinou přitisknuto na pravítko. Pouzdro kluzáku má precizně broušené kluzné plochy, přes které se nastavuje a udržuje konstantní pracovní vzdálenost senzoru k pravítku. Listové pružiny je nutno umístit přesně paralelně tak, aby byly tuhé ve směru měření a měkké ve směru z.

Obrázek GM 0048

Kluzné díly tvoří navíc ještě stírací hranu, větší částice a kapaliny tak nemohou projít. Dále musí být výše uvedené stěrače nadstavbového pouzdra intaktní, aby zajistily dobré provozní podmínky při dotykovém odečítání. Tato konstrukce zajistí, že se všechny díly podléhající otěru i uvedená elektronika nalézají ve čtecí hlavě. Ta je díky bočnímu upevnění velmi snadno vyměnitelná. Úzké výrobní tolerance zajišťují, že lze čtecí hlavy snadno vyměnit za provozu. Vodicí kolejnice s pravítkem zůstane nedotčena.

Systémy odměřování délky

Interpolace

Při použití při odměřování polohy znamená interpolace změnu signálu z analogových vstupních signálů na digitální výstupní signály s menší periodou signálu. To je nezbytné, protože z analogových signálů nelze přímo vygenerovat číselné resp. polohové hodnoty. Interpolační faktor zároveň určuje poměr periody signálu analogového vstupního signálu k digitálnímu výstupnímu signálu.

Obrázek GM 0050

Přenos signálu a vyhodnocení

Digitální signály skládající se ze dvou inkrementálních signálů +A a +B ale také referenčního signálu +R jsou přenášeny do sledovací elektroniky. Může to být jednoduchý měřicí čítač, PC nebo řízení stroje. Sledovací elektronika pak z digitálních signálů určuje polohovou hodnotu na základě počítání náběhových hran signálu. Směr počítání vyplývá z úrovně příslušného jiného kanálu.

Podle počtu vyhodnocených náběhových hran se pak mluví o:

jednonáběhovém vyhodnocení: počítá se vždy jenom jedna náběhová hrana, tzn. že jeden krok měření odpovídá jedné digitální periodě signálu,
dvounáběhovém vyhodnocení: počítají se jak klesající, tak i stoupající náběhové hrany jednoho kanálu, tzn. že jeden krok měření odpovídá jedné polovině digitální periodě signálu,
čtyřnáběhovém vyhodnocení: počítají se jak klesající, tak i stoupající náběhové hrany obou kanálů, tzn. že jeden krok

měření odpovídá jedné čtvrtině digitální periodě signálu.

Obrázek GM 0051

Regulace amplitudy (AGC – automatic gain control)

Pod regulací amplitudy se rozumí vlastnost vyhodnocovací elektroniky AMS od firmy SCHNEEBERGER vyregulovat výstupní amplitudu na určitou hodnotu. U AMS se k tomu digitalizují okamžité hodnoty sinusového a kosinového signálu a z toho se vypočte amplituda. Vypočtená hodnota se porovná s požadovanou hodnotou a můstkové napětí Ub senzoru MR se patřičně přizpůsobí. Tak se dosáhne stabilní výstupní hodnota napětí. Po přizpůsobení se nastaví nová lepší okamžitá hodnota.

MONORAIL AMS pracuje s regulačními dobami mezi 2 kHz a 10 kHz.

Funkce Power Sense

Všechny produkty AMS disponují jedním vedením Power Sense (viz obsazení konektoru zpětného vedení napájecího napětí) ke kompenzaci úbytku napájecího napětí u dlouhých napájecích vedení. Pokud použité řízení tuto funkci podporuje, doporučujeme její použití k zajištění bezpečné funkce čtecí hlavy.

Třída přesnosti

Třída přesnosti specifikuje maximální očekávanou odchylku měření systému za uvedených provozních podmínek. Systém odměřování polohy s třídou přesnosti 5 μm připouští odchylky +/-5μm. Z důvodů porovnatelnosti se uvádí třída přesnosti za předpokladu vztažné délky 1 m.

Rozlišení

Rozlišení popisuje nejmenší možnou změnu polohy měřicího systému. Je určováno analogovou periodou signálu, interpolačním faktorem a vyhodnocovací metodou (integrační doba nebo rychlost odečítání). Jako příklad se získá u nastaveného interpolačního faktoru 100 a periodě výstupního signálu 200 μm perioda výstupního signálu 2 μm a podle čtyřnáběhového vyhodnocení v řízení rozlišení 0,5 μm.

Najetí na referenční body

Inkrementální odměřovací systémy jako AMS-3B a -4B nemohou po zapnutí zjistit absolutní polohu, proto se vedle stopy inkrementální přiřazuje další magnetická stopa, stopa referenční. Na tuto stopu lze umístit jednotlivý referenční bod, rastr referenčních bodů nebo referenční body kódované vzdáleností. Pro najetí na referenční body systému je nutný jeden referenční pojezd. Čítač potom může pomocí referenčního signálu změnit interní čítač na předem zadanou hodnotu. Čítač přitom rozpozná předem definované vzájemné umístění inkrementálních signálů, obvykle je to SIN = COS a obě větší než nula, ale také jako dodatečná informace REF = „vysoká“. Obrázek ukazuje invertovaný signál, tzn. že jsou znázorněny negativní hodnoty signálů.

Obrázek DM 0039

Individuální referenční bod

Individuální referenční bod představuje nejjednodušší možnost referenční stopy, lze ji umístit na libovolném místě podél pravítka. U firmy SCHNEEBERGER se referenční bod skládá ze tří referenčních značek, které jsou odečítány pomocí jednoho individuálního můstku MR bez středění. Referenční informace reprezentuje stoupající, další pak klesající náběhovou hranu referenčního impulzu. Třetí referenční informace je redundantní a slouží ke zvýšení bezpečnosti funkce rozpoznání referenčních bodů.

Obrázek GM 0053

Rastr referenčních bodů

U rastru referenčních bodů je podél pravítka umístěno ve stejných vzdálenostech více referenčních bodů. Zákazník si vybere z těchto referenčních bodů jeden, který využije pro najetí na referenční body v dané ose. Výhodami rastru oproti jednotlivému referenčnímu bodu jsou jednak zkrácený referenční pojezd, a to díky cílenému umístění externích přídavných prvků (vačky, přibližovací vypínač apod.), a také možnost provozování více měřicích vozíků na jedné kolejnici. Zde se různým měřicím vozíkům pro dané najetí na referenční body přiřazují různé referenční body podél pravítka.

Kódování vzdáleností

U referenčních bodů kódovaných vzdáleností jsou tyto umístěny na pravítku, aby se každá vzdálenost mezi dvěma referenčními body vyskytnul pouze jednou. Pokud se tedy např. u jednoho lineárního vedení s integrovaným systémem odměřování přejedou na kolejnici tři referenční body, může řízení vypočítat absolutní polohu. Toto představuje průmyslový standard, který je podporován mnoha výrobci řízení. Princip vychází z obrázku. Hodnota 100 se většinou označuje jako základní perioda a představuje vzdálenost, kterou je nutno ujet v nejméně výhodném případě, aby bylo možné najet na referenční body.

Obrázek GM 0033

Základní perioda určuje maximální kódovatelnou délku. U krátkých os má smysl zvolit základní periodu malou, aby se snížila maximální nutná dráha pojezdu. Firma SCHNEEBERGER proto nabízí pro své produkty AMS zákaznicky specifické referenční body kódované vzdáleností s různými základními periodami.

Absolutní kódování

Pro absolutní systémy odměřování se na místo referenční stopy použije stopa s absolutním kódováním. Toto kódování je umístěno na stopě buď sériově, nebo paralelně na více stopách. Teoreticky by bylo možné již jen s touto stopou měřit dráhu, protože je ale rozlišení tohoto kódování relativně malé, je většinou zkombinována absolutně kódovaná stopa s inkrementální stopou. Absolutní kód tak stanoví, ve které periodě signálu se odměřovací systém nachází a jemné rozlišení se získá uvnitř této periody signálu interpolací inkrementálního signálu. Následující grafika ukazuje příklady kódovaných systémů.

Obrázek GM 0054

Obrázek GM 0055

Absolutní polohu lze stanovit u sériově kódovaných stop pouze porovnáním dvou po sobě jdoucích period signálů. Aby přesto ke každému okamžiku byla známa absolutní poloha, použijí se dva odlišné postupy. Jedna možnost je použít senzory, které jsou patřičně dlouhé, aby pokryly kód nezbytný k určení absolutní polohy. Tak můžete v každé poloze určit přímo absolutní polohu. Jinou možností je zkonstruovat vyhodnocovací elektroniku dvoukanálově. Jeden kanál je i při vypnutém stroji vždy v provozu (zálohováno baterií) a rozpozná každou změnu polohy osy. Při zapnutí stroje se tato nízko rozlišená informace o poloze sloučí s vysoce rozlišenou informací jiného kanálu na korektní absolutní polohu.

Firma SCHNEEBERGER využívá pro určení absolutní polohy baterií zálohované odečítání. K tomu je jako absolutní stopa umístěna na kolejnici speciální vzdáleností kódovaná referenční stopa. Odměřovací systém zjistí při pojezdu vzdálenost tří sousedních referenčních značek a obdrží díky porovnání zjištěné hodnoty s uloženou matricí momentální absolutní polohu. V příkladu byly čtecí hlavou přejety tři označené referenční značky a byly odečteny jejich vzdálenosti „1“ (kód Y) a „5“ (kód X). Těmto dvěma naměřeným hodnotám lze přiřadit absolutní polohu „Poz. 1,5“ pouze ve dvoudimenzionální matrici.

Obrázek GM 0056 a tabulka! pod ním

Firma SCHNEEBERGER používá pro kvalifikaci míry postup opírající se o „VDI/VDE 2617 Návod k použití DIN EN ISO 10360-2 ke zkoušení délkových mír“.