【導(dǎo)讀】機(jī)器人和協(xié)作機(jī)器人(cobots)應(yīng)用的激增,使自動化的效率和安全性得以提高,是正在進(jìn)行的第四次工業(yè)革命(I4.0)的一大驅(qū)動力。為了確保對終端任務(wù)的精確控制,如在裝配線上拾取和放置物體或確保操作人員的安全,必須為每個(gè)旋轉(zhuǎn)點(diǎn)提供準(zhǔn)確的角度位置測量。
事實(shí)上,機(jī)器人終端功能的精度歸根結(jié)底受限于每個(gè)可動關(guān)節(jié)所能達(dá)到的累積精度。由于光學(xué)編碼器可以提供高精確度,因此在工業(yè)應(yīng)用中經(jīng)常使用它們來提供旋轉(zhuǎn)位置。然而,光學(xué)編碼器價(jià)格昂貴,物料單(BOM)龐大,而且它們的性能會因?yàn)楣I(yè)環(huán)境中常見的污染物和振動的存在而降低。另一方面,電感式旋轉(zhuǎn)編碼器不受這些因素的影響,而且價(jià)格較低;然而,電感式編碼器一般不具備相同的性能水平。
因此,它們的應(yīng)用主要限于不需要高精度的汽車應(yīng)用。在這篇文章中,我們概述了旋轉(zhuǎn)編碼器的主要性能規(guī)格,然后介紹一種創(chuàng)新的電感式傳感器,其可達(dá)到與其光學(xué)同類產(chǎn)品相當(dāng)?shù)木人健?/p>
圖1:工業(yè)生產(chǎn)線上的機(jī)械臂
選擇編碼器
旋轉(zhuǎn)編碼器測量軸的角位置并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。當(dāng)為一個(gè)應(yīng)用選擇編碼器時(shí),關(guān)鍵的考慮因素是分辨率(比特)、精度(弧秒)、可重復(fù)性、延遲、速度(RPM)和傳感器的尺寸(直徑,毫米)。了解各種基礎(chǔ)編碼器技術(shù)將有助于在選擇編碼器時(shí)根據(jù)應(yīng)用需求在不同的技術(shù)間進(jìn)行權(quán)衡取舍。
分辨率:分辨率是由一整圈的位置代碼總數(shù)決定的。由于一次旋轉(zhuǎn)中的代碼的數(shù)量是有限的,故而從一個(gè)讀數(shù)位置到下一個(gè)最接近的位置讀數(shù)的變化是最小的可檢測的位置變化。絕對編碼器的分辨率通常以比特表示。對編碼器的一個(gè)常見誤解是,更高的分辨率可以提高系統(tǒng)的精度。必須意識到,提高分辨率不一定能提高精度。編碼器的分辨率很可能遠(yuǎn)高于其精度。
精度:編碼器精度是測量編碼器的輸出值與被測軸的實(shí)際位置之間的差異的量度。編碼器精度通常以度、弧分或弧秒為單位。標(biāo)準(zhǔn)編碼器的精度約為2.5角分(三分之一度)或更高,而高端精密編碼器的精度可達(dá)到5角秒(0.0014度)。許多工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用需要50角秒或更高的精度。
重復(fù)性:重復(fù)性表示當(dāng)軸在其他運(yùn)動后回到同一位置時(shí),系統(tǒng)能否穩(wěn)定地再次測量。同一物理位置的測量輸出的任何差異都被測量為重復(fù)性誤差,通常以角秒表示。
延遲:選擇編碼器時(shí)要考慮的另一個(gè)參數(shù)是系統(tǒng)的步進(jìn)響應(yīng)和延時(shí)。延遲,通常以微秒表示,是指從啟動一個(gè)位置測量到將計(jì)算的位置傳送給主控制器的時(shí)間跨度。換句話說,如果主控制器詢問編碼器的位置是什么,需要多長時(shí)間才能得到響應(yīng)?
速度:考慮到用于感測和處理傳感器信號的電子裝置的帶寬是有限的,在獲得準(zhǔn)確的位置的測量時(shí),軸的旋轉(zhuǎn)速度是有限的。在軸處于一定的轉(zhuǎn)速下時(shí),傳感器的電子裝置可以不再跟上。
尺寸:位置傳感器的尺寸是編碼器選擇過程中的一個(gè)重要考慮因素,因?yàn)椴煌慕K端應(yīng)用有不同的尺寸限制。值得注意的是,精度通常與傳感器的直徑成正比。
轉(zhuǎn)換器類型:最常見的編碼器使用光學(xué)、電感或磁性轉(zhuǎn)換器,將角度旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為可處理并進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換測量的電信號。光學(xué)編碼器是最精確的,磁性編碼器是最不精確的,電感式編碼器的精度歷來介于二者之間,但在每個(gè)方向都有相當(dāng)大的重疊。光學(xué)編碼器的精度越高,成本就越高??蛻舯仨氃诰纫蠛拖到y(tǒng)成本以及其他因素如可靠性、易用性和維護(hù)方面去權(quán)衡取舍,以找到滿足其需求的最佳解決方案。
電感式編碼器
電感式編碼器使用在印制電路板上的金屬導(dǎo)線制造電感線圈。與其他旋轉(zhuǎn)編碼器類似,電感式編碼器包含兩個(gè)主要部分:一個(gè)稱為定子的固定元件,和一個(gè)稱為轉(zhuǎn)子(目標(biāo))的移動元件。定子由一個(gè)發(fā)射器線圈和兩個(gè)或更多的接收線圈組成。接收線圈被印在電路板上,產(chǎn)生相對于轉(zhuǎn)子位置變化的信號。在許多設(shè)計(jì)中,處理傳感器信號的電子電路也被集成到定子上。轉(zhuǎn)子不包含任何有源電路,由鐵磁材料或帶有銅等導(dǎo)電材料層或圖案的基板(例如,PCB)制成。當(dāng)交流電在定子上的發(fā)射器線圈上被驅(qū)動時(shí),會產(chǎn)生一個(gè)電磁場。當(dāng)轉(zhuǎn)子經(jīng)過傳感器時(shí),在目標(biāo)表面的導(dǎo)電圖案中產(chǎn)生渦流。這些渦流產(chǎn)生了一個(gè)相反的場,它調(diào)節(jié)了傳感器和目標(biāo)之間的磁通密度,這反過來又在定子的接收線圈上產(chǎn)生了一個(gè)電壓。接收器電壓的振幅和相位隨著目標(biāo)相對于定子的旋轉(zhuǎn)而變化,以便計(jì)算目標(biāo)的位置。
電感式編碼器有幾個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢,使其成為工業(yè)應(yīng)用的理想選擇:
1. 電感式編碼器不易受幾乎所有形式的污染或干擾影響,包括液體、污垢和灰塵、磁場、電磁干擾和強(qiáng)烈振動。
2. 由于電感式編碼器對機(jī)械振動的敏感性低,可以區(qū)分轉(zhuǎn)子到定子之間的平移,以及轉(zhuǎn)子到定子之間的旋轉(zhuǎn)。例如,它們可以區(qū)分旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(被測量)和X、Y或Z軸的振動(可以被濾除)。
3. 穩(wěn)定性。電感式編碼器利用整個(gè)轉(zhuǎn)子表面和整個(gè)定子表面之間的電感耦合。在它停止工作之前,必須切斷PCB的線圈。
4. 與磁性編碼器不同,電感式感測沒有一階溫度依賴。因此,電感式編碼器在不同溫度下的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性要比磁感應(yīng)高好幾個(gè)數(shù)量級。
創(chuàng)新的電感技術(shù)
雖然電感式編碼器的特點(diǎn)使其在工業(yè)應(yīng)用中非常有吸引力,但歷來用例僅限于對精度要求不高(例如,<100s 角秒)和低轉(zhuǎn)速的應(yīng)用。安森美的NCS32100是一種新的雙電感式旋轉(zhuǎn)位置傳感器,在工業(yè)應(yīng)用中可提供中高端光學(xué)編碼器通常具有的高精度與高轉(zhuǎn)速。這創(chuàng)新的裝置采用專利認(rèn)證的技術(shù),有八個(gè)信號通道,可以以各種方式分配給多達(dá)八個(gè)定子線圈使用,以提供精細(xì)和粗略的定位。
當(dāng)與相應(yīng)的定子和轉(zhuǎn)子線圈配對時(shí),NCS32100 可在高速和高精確度下計(jì)算絕對位置。NCS32100可輕松超越最先進(jìn)的電感式編碼器,在高達(dá)6,000 RPM的速度下實(shí)現(xiàn)50角秒或更高的精度。它支持高達(dá)100,000 RPM的速度(精度會降低),一個(gè)高度集成的傳感器包含一個(gè)帶有閃存以存儲配置設(shè)置的Arm? Cortex?-M0+處理器。NCS32100提供的集成度使其成為一個(gè)簡單而易于使用的方案。其他有價(jià)值的功能還包括故障檢測,在備用電池電量不足、傳感器功能失?;驒z測到過熱情況時(shí)發(fā)出警告。它還帶有一個(gè)集成的以及能夠快速自我校準(zhǔn)的程序(以盡量減少生產(chǎn)停機(jī)時(shí)間),使其能夠補(bǔ)償PCB的不對稱性。這種校準(zhǔn)具有高度自動化和快速的特性,只需2秒鐘便可以完成校準(zhǔn),對生產(chǎn)時(shí)間的影響最小。它有一個(gè)易于使用的編程界面,可結(jié)合各種傳感器和PCB使用,實(shí)現(xiàn)不同設(shè)計(jì)、形狀、尺寸和外形因素,以獲得最大的設(shè)計(jì)靈活性。
圖2:雙電感式旋轉(zhuǎn)位置傳感器
NCS32100將工業(yè)位置感測提升到新的水平
工業(yè)機(jī)器人和協(xié)作機(jī)器人需要越來越強(qiáng)大的編碼器來提供高精度和高速的位置感測。電感式編碼器對各種環(huán)境因素有很好的抗干擾性,對這些工業(yè)應(yīng)用有很大的吸引力。雖然過去電感式編碼器的相對不精確性限制了其在復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)中的應(yīng)用,但現(xiàn)在安森美的旋轉(zhuǎn)位置傳感器為工業(yè)應(yīng)用中的旋轉(zhuǎn)感測提供了最佳解決方案。安森美的NCS32100旋轉(zhuǎn)位置傳感器采用了一種新的電感式位置感測方法,克服了過往的局限性,在高速工業(yè)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了新一代高精度旋轉(zhuǎn)位置編碼器。
本文作者:安森美產(chǎn)品營銷Bryson Barney
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