Zastosowanie enkoderów w automatyce przemysłowej

Automatyka przemysłowa pozwala na podniesienie wydajności oraz niezawodności maszyn i urządzeń, dając możliwości znacznie szybszego i bardziej efektywnego wykonywania zadań przy jednoczesnej dużej kontroli nad poszczególnymi parametrami całego procesu i uwzględnianiu wpływu czynników zewnętrznych. Sprawne działanie poszczególnych rozwiązań zależy jednak od precyzyjnego pomiaru stanu urządzeń, a zatem od cech wykorzystanych czujników.

W jaki sposób działają enkodery i do czego służą?

Układy automatyki przemysłowej stały się niezbędnym elementem większości maszyn i urządzeń używanych zarówno w działalności produkcyjnej, jak i w wielu zastosowaniach „codziennych”. Pozwalają na precyzyjne sterowanie liniami technologicznymi, są montowane w pojazdach, windach, a nawet systemach obsługujących otwieranie bram czy drzwi. Dzięki ich obecności kontrola pracy poszczególnych mechanizmów i dobór właściwych parametrów działania stały się o wiele prostsze. Jest to możliwe za sprawą użycia sterowników działających na podstawie informacji przekazywanych przez zamontowane w urządzeniach czujniki, w efekcie czego zadania mogą być realizowane bez nadzoru ze strony człowieka, natomiast funkcjonowanie całego systemu jest zależne od różnych istotnych zmiennych – stanu układu, warunków zewnętrznych czy konkretnej fazy zadania lub wykonywanej sekwencji. Sprawne działanie układów automatycznych nie byłoby jednak możliwe bez używania odpowiedniej aparatury dostarczającej danych niezbędnych do efektywnej pracy. Wśród najważniejszych rodzajów czujników pozwalających na korzystanie z zalet automatyzacji znajdują się różne typy enkoderów

– wyjaśnia przedstawiciel firmy APM MORKOM, specjalizującej się w sprzedaży podzespołów automatyki przemysłowej.

Enkodery są urządzeniami, które pozwalają na precyzyjne ustalanie parametrów ruchu wykonywanego przez konkretny element. Dzięki ich działaniu można uzyskać informacje na temat długości przebytej drogi, osiągnięcia danego położenia, oddalenia się na zakładaną odległość, a także pozwalają na określenie prędkości poruszania się. Możliwe jest otrzymanie danych o liczbie obrotów, prędkości kątowej oraz kącie wykonanego obrotu. Enkodery są w stanie nie tylko dokonać pomiarów, ale także przełożyć otrzymany wynik na sygnał, który może być przesłany do sterownika urządzenia i odpowiednio zinterpretowany. Takie rozwiązanie pozwala na uruchomienie sprzężenia zwrotnego i dokładną kontrolę nad ruchem, dopasowując jego charakterystykę do założonego wcześniej rezultatu. Innymi słowy, za sprawą enkodera układ „wie” jak zarządzać pracą napędu – siłownika, silnika elektrycznego lub przekładni – aby przemieszczający się element znalazł się we właściwym miejscu albo poruszał się w odpowiedni sposób.

Enkodery są wykorzystywane do kontrolowania ruchu liniowego (enkodery liniowe) oraz obrotowego (enkodery obrotowe). Stosuje się je powszechnie w serwonapędach używanych właściwie we wszystkich maszynach i urządzeniach wykonujących bardziej złożone zadania związane z ruchem. Enkodery umożliwiają funkcjonowanie maszyn CNC, dbając o pozycjonowanie głowicy roboczej względem materiału i kontrolując parametry pracy używanego narzędzia np. prędkość obrotową czy jego posuw w wybranym kierunku. Pozwalają na przemieszczanie elementów robotów przemysłowych, choćby przeznaczonych do spawania lub zgrzewania dobierając położenie ramion, przesunięcie elektrod lub szczęk pozwalających na zamknięcie obwodu. Są nieodzowne w urządzeniach transportu bliskiego, dobierając prędkość przesuwu taśmy czy położenie koła zębatego przy sterowaniu urządzeniami za pośrednictwem pasów uzębionych. Są także nieodzowne do zarządzania prędkością pracy wszelkiego rodzaju przenośników czy poszczególnych podzespołów urządzenia np. ustalając przesuw na linii wykonującej zautomatyzowane cięcie.

Enkodery inkrementalne i absolutne oraz ich zastosowania

Enkodery mogą być wykorzystywane do określania ruchu obrotowego, kąta przemieszczenia,  prędkości, położenia i odległości albo przebytej drogi za sprawą pomiarów prowadzonych na różne sposoby. Mogą one funkcjonować jako enkodery inkrementalne albo absolutne. W przypadku enkoderów inkrementalnych pomiar jest dokonywany przyrostowo. Oznacza to, że są w stanie podać wielkość zmieniającego się parametru, np. odległości, o jaką przemieścił się element od momentu rozpoczęcia ruchu czy prędkości, z jaką się porusza. Po zakończeniu sekwencji i rozpoczęciu kolejnej sygnał będzie generowany ponownie, a pomiar wyliczany od miejsca lub momentu, w którym się rozpocznie. Nieco inaczej wygląda działanie enkodera absolutnego. W takim przypadku w bieżącym odczycie można poznać nie tylko charakterystykę odbywającego się ruchu – kąt przemieszczenia, prędkość czy przebytą drogę, ale również określić je w stosunku do ustalonego punktu odniesienia. Enkoder absolutny da więc odczyt dotyczący tego, o ile musi się cofnąć lub obrócić konkretny podzespół, by znaleźć się ponownie w punkcie wyjścia.

Enkodery inkrementalne sprawdzą się w zastosowaniach, które nie wymagają ustalania bieżącego położenia. Znakomicie będą się nadawały do określania prędkości obrotowej obracającego się wrzeciona, wałka bądź koła klinowego. Pomogą w przemieszczaniu o określony odcinek materiałów przetwarzanych na linii produkcyjnej np. przesuwu elementów, które są cięte albo nawiercane są w nich otwory. Będą przydatne tam, gdzie element ma obracać się o określony kąt. Z enkoderów przyrostowych można także korzystać tam, gdzie ważne jest określanie kierunku obrotów. Enkodery absolutne można zastosować we wszystkich urządzeniach, gdzie zmiany położenia następują w różnych zakresach i w zależności od innych czynników. Taka sytuacja wystąpi np. podczas pracy chwytaka, który musi się zaciskać na elementach o różnej średnicy, a następnie wracać do położenia wyjściowego. Podobnego działania wymaga pozycjonowanie głowic rozmaitych urządzeń albo ustawianie montowanych w różnych maszynach ograniczników. Enkodery absolutne są potrzebne także w urządzeniach, w których elementy w jednym cyklu realizują złożone sekwencje ruchów, np. kilkukrotnie cofają się do wcześniejszych pozycji. Bez enkoderów absolutnych trudno wyobrazić sobie działanie wielu urządzeń choćby maszyn CNC. Warto wspomnieć, że w wielu przypadkach konieczne będzie stosowanie enkoderów absolutnych w wersjach wieloobrotowych.

Enkodery magnetyczne i optyczne

Enkodery różnią się również mechanizmem, który pozwala na odczytanie parametrów ruchu i położenia. Do najpopularniejszych należą enkodery optyczne. W tym przypadku cały układ składa się z tarczy, w której naprzemiennie znajdują się obszary przepuszczające i nieprzepuszczające światła. Ich zagęszczenie będzie zależne od rozdzielczości enkodera, czyli precyzji, z jaką ma kontrolować zmiany położenia i prędkości. Przy wymaganej dużej precyzji zagęszczenie będzie większe, przy mniejszej odpowiednio rzadsze. Do dokonania odczytu niezbędny jest również fotodetektor oraz źródło światła. Tarcza, której oś jest połączona mechanicznie z obracającym się elementem, na zmianę przepuszcza i blokuje światło, co sprawia, że detektor jest w stanie odebrać określoną liczbę impulsów. Zliczając je w wybranej jednostce czasu, można ustalić prędkość, z jaką obraca się oś, a sumując impulsy podać kąt przemieszczenia. Takie rozwiązania są stosowane w enkoderach przyrostowych, działanie enkoderów absolutnych wymaga jednak dostarczania większej ilości danych.

Na tarczy enkodera absolutnego poza podziałką umożliwiającą zliczanie kąta i prędkości konieczne jest także stosowanie dodatkowego kodowania pozwalającego przy każdym odczycie na uzyskiwanie położenia w stosunku do punktu zerowego. W tym celu na tarczy są umieszczone dodatkowe elementy blokujące strumień światła i poszerzające zakres danych. Najczęściej stosowanym rozwiązaniem jest tzw. dwójkowy kod Graya, w którym zmiana położenia o jedną podziałkę wpływa na zmianę jednego elementu kodu położenia albo klasyczny kod binarny.

Inną możliwością jest kodowanie magnetyczne. Jest ono realizowane w podobny sposób jak w enkoderach optycznych. W miejsce tarczy przepuszczającej światło lub je blokującej używana jest jednak tarcza magnetyczna, gdzie zamiast szczelin albo otworów umieszczone są naprzemiennie obszary namagnesowane dodatnio oraz ujemnie. Podobne rozwiązanie jest używane w magnetycznych enkoderach liniowych, gdzie jednak stosowana jest taśma, z której informacje sczytuje przesuwająca się nad nią głowica. W enkoderach magnetycznych odczyt informacji następuje za pośrednictwem czujnika magnorezystywnego albo czujnika Halla – są to tzw. enkodery pojemnościowe nazywane także hallotronami. Wykorzystują one pomiar napięcia powstającego pod wpływem zmieniającego się wraz z ruchem osi natężenia pola magnetycznego.