SZKOŁA ENKODERÓW

Dokładność w impulsatorach z wzorcami przyrostowymi

Do podawania dokładności enkoderów z wzorcami przyrostowymi używamy pojęcia el° (stopień elektryczny). Okres sygnału wyjściowego odpowiada 360el°, tzn. jeden obrót impulsatora odpowiada 360*Nel°, gdzie N oznacza ilość impulsów impulsatora, która w większości przypadków zgadza się z ilością kresek (ppr) na płytce kodowej. Enkodery Leine Linde mają standardową dokładność ±50el° (niedokładność podziałki), tak więc zbocza impulsu w sygnale wykazują odchylenie od teoretycznej pozycji kątowej co najwyżej o 50/N°. W enkoderze o 5000 impulsów (ppr) dokładność ±50el° (mierzona jako kąt mechaniczny) odpowiada największemu dopuszczalnemu odchyleniu od teoretycznej pozycji 20000 zboczy impulsu na wysokość 0,01°. (najwyższa rozdzielczość enkodera w takim przypadku wynosi 360/(5000*4) = 0,018°). Odchylenie pozycji kątowej może być wywołane różnymi przyczynami, na przykład niewłaściwym centrowaniem płytki kodowej, która może nie wykazywać żadnych innych wad.

Maksymalna tolerancja odchylenia ±50el° przy 5000 ppr oznacza, że punkt środkowy wzorca na płytce kodowej oraz jej oś obrotu mogą się od siebie różnić o około 0,003mm. Błąd podziałki ma w tym przypadku postać sinusoidalną. Jedna połowa obrotu jest zbyt długa, druga połowa zbyt krótka. Podczas połowy obrotu wałka impulsatora (odchyłka ± 50el°) w najgorszym przypadku możemy mieć do czynienia z sytuacją 180° ±100°/N, (gdy punkt startowy i punkt zatrzymania zostaną wybrane bardzo niekorzystnie) z kolei w najlepszym przypadku błąd może wynosić zero.

Omawiając dokładność w niniejszym opracowaniu bierzemy również pod uwagę pojęcie rozdzielenia (separacji) kanałów, które jest miarą odległości między sąsiednimi zboczami impulsów w sygnałach wyjściowych. Przy ostatecznym dokładnym ustawieniu należy ustawić rozdzielenie kanałów na 90el° i w standardowych impulsatorach musi wynosić około 90 ±25el°. Odległość między sąsiednimi zboczami impulsów może się więc wahać zgodnie z normą dopuszczającą impulsatory między 65el° i 115el°. Odchyłka rozdzielenia kanałów jest zawsze uwzględniona w odchyłce podziałki.

We wszystkich dostarczanych przez nas enkoderach kontroluje się, czy wszystkie zbocza impulsów leżą w zakresie tolerancji. Zmierzone wartości maksymalnej rzeczywistej odchyłki są poza tym zbierane wraz z numerem seryjnym w banku danych – w celu dokonania oceny statystycznej. Względna odchyłka błędu, a więc ta podana w el°, jest istotna właściwie tylko dla ilości impulsów powyżej 100 ppr. Na przykład w impulsatorze o 50 ppr tolerancja ±50el° lub ±25el° oznacza odpowiednio wartość absolutną ±1° oraz ±0,5°. Rzeczywisty błąd impulsatora o tak niewielkiej rozdzielczości jest zawsze znacznie mniejszy niż podaje to ogólna granica tolerancji. Przykład kontroli, której poddaje się wszystkie impulsatory, pokazano na rys.A.

Montaż

Aby impulsatory o wysokiej rozdzielczości w ogóle mogły być używane, muszą zostać prawidłowo zamontowane. Ogólna zasada mówi, że zawsze musi być elastyczne połączenie lub zawieszenie. Łożyska impulsatora są w stosunku do siebie napięte i dlatego nie wykazują luzu. Jeżeli wałek impulsatora zamontuje się sztywno w stosunku do wałka silnika, to łożyska impulsatora muszą przyjmować dużą część obciążenia, czego zbyt długo nie wytrzymają. Jeszcze gorsza jest sytuacja przy sztywnym połączeniu i niewłaściwie dobranych wałkach. Może to prowadzić do bardzo dużych naprężeń, na wałku impulsatora, w wyniku czego może on szybko ulec zniszczeniu (w przypadku ekstremalnym np. przez złamanie wałka).

Enkodery z wałkiem muszą być szczególnie dokładnie ustawione w płaszczyźnie promieniowej, a połączenie elastyczne musi być na tyle staranne, aby wartości pomiarowe przy ewentualnym błędzie „wyosiowania” nie zostały zafałszowane. Poza tym przy szybkich dynamicznych przebiegach należy uwzględnić sztywność skręcania i ewentualne rezonanse. W przypadku impulsatorów z tuleją ważne jest dobre wycentrowanie wałka montażowego, a ramię momentowe (ewentualnie połączenie statora) nie może wykazywać luzu.

W typowym przykładzie impulsatora z wałkiem model 186 z 2048 ppr i ramieniem momentowym zamocowanym przy kącie 46mm maksymalny błąd impulsatora ±50el° odpowiada niewłaściwemu centrowaniu 0,020mm (wahnięcie 0,04mm) lub odpowiednio – luzowi ramienia momentowego ±0,02mm. Większe błędy montażowe będą więc powodowały odchylenia kątowe wykraczające powyżej maksymalnych błędów podanych w specyfikacji enkodera.

W enkoderach tulejowych dochodzi do tego wibracja, na którą impulsator jest ciągle narażony, jeżeli jest zamontowany na wałku z biciem. Tak więc enkoder zamontowany z biciem 0,1mm jest przy 3600obr/min i częstotliwości 60Hz narażony ciągle na przyspieszenie 7m/s2. Enkodery zwykle dobrze to wytrzymują, ale może się również zdarzyć, że poprzez tarcie zostanie uszkodzona izolacja jednego z kabli przyłączeniowych w impulsatorze.

Żywotność

Żywotność impulsatora obrotowego w dużym stopniu zależy od tego, jak się go zamontuje i używa. Elektronika i optyka w praktyce w ogóle się nie starzeją, natomiast dioda świecąca i łożyskowanie mają ograniczoną żywotność. Wydajność świetlna diody świecącej z biegiem czasu spada, tak więc poziomy sygnału w impulsatorze stają się słabsze. Dzieje się to stopniowo i jest zauważalne dopiero po długim czasie, ponieważ enkoder posiada relatywnie silny poziom sygnału, albo posiada wbudowany regulator, utrzymujący sygnał na stałym poziomie. W enkoderach z regulacją poziomu sygnału duża część zakresu regulacyjnego diody świecącej jest zarezerwowana w celu zapobiegania późniejszym przeciążeniom.

Łożyska używane u nas są kulkowe ze smarem stałym, a więc nie smaruje się ich. Łożyska w impulsatorach obrotowych są zwykle bardzo mało obciążone i jak potwierdza praktyka, pracują, co najmniej 5-6 lat przy ciągłym użytkowaniu. Po tym czasie należy je jednak wymienić. Jeżeli łożysko w impulsatorze jest ciągle silnie obciążone, to żywotność impulsatora zostaje ograniczona, nie przez niedobór smaru, lecz przez zwykłe ścieranie się łożyska (zmęczenie powierzchni rowków, w których poruszają się kulki). Żywotność w takim przypadku znacznie się zmniejsza. Dane katalogowe dotyczące dopuszczalnych obciążeń opierają się na maksymalnych obciążeniach; wynika z nich żywotność około 50.000h (5,7roku) przy normalnej szybkości obrotu (około 1500obr/min.).

Jeżeli zwraca się uwagę, aby obciążenia wałka utrzymywały się w zalecanych granicach, to w zwykłym czasie użytkowania maszyny nie dochodzi do przedwczesnych usterek spowodowanych zużyciem się łożysk. Rycina B przedstawia przykład obliczeń żywotności łożyska w zależności od obciążeń osiowych i kątowych.