Принцип работы оптических энкодеров
Абсолютные энкодеры закрытого типа
Абсолютные энкодеры открытого типа
Инкрементальные энкодеры открытого типа
FORTiS™
Что представляет собой оптический энкодер закрытого типа Renishaw?
Оптический энкодер закрытого типа включает электронные схемы энкодера и оптику, помещенные в герметичный блок, присоединенный к корпусу считывающей головки. Как герметичный оптический модуль, так и шкала энкодера дополнительно защищены герметичным корпусом. Такая конструкция обеспечивает эффективную защиту от проникновения жидкостей и твердых веществ.
Линейный энкодер закрытого типа имеет корпус из профиля, вдоль которого расположены блокировочные манжетные уплотнения и герметичные концевые колпачки. Корпус считывающей головки присоединяется к герметичному оптическому модулю с помощью лопатки, которая перемещается вдоль энкодера через манжетные уплотнения. При перемещении линейной оси считывающая головка и оптика проходят абсолютную шкалу энкодера (которая закреплена на внутренней стороне корпуса) без механического контакта.
Шкала энкодера использует абсолютный код шкалы с контрастными линиями по всей ширине шкалы. Изображение шкалы формируется на детекторной матрице в считывающей головке с помощью линзы. Результаты измерения линейного положения выводятся в цифровой форме и совместимы с рядом стандартных отраслевых протоколов последовательной связи.
RESOLUTE™
Передача сигналов от энкодеров RESOLUTE осуществляется через двунаправленный последовательный интерфейс с использованием ряда стандартных протоколов, как собственных, так и открытых.
Начало работы
Контроллер инициирует операцию путем отправки на считывающую головку сообщения с запросом данных о текущем абсолютном положении на линейной или круговой шкале. В ответ на головке начинает мигать мощный светодиодный источник, освещающий шкалу. Продолжительность вспышки составляет всего 100 нс в целях сведения к минимуму размытия изображения на перемещающихся осях. Решающим фактором является то, что разность во времени контролируется с точностью до нескольких наносекунд, обеспечивая связь между данными положения в момент запроса и в момент регистрации. Это является одним из тех существенных признаков, которые делают энкодер RESOLUTE исключительно подходящим для использования в системах измерения перемещений с очень высокими характеристиками.
Шкала с одной дорожкой
Шкала представляет собой единственную дорожку с контрастными линиями по всей ширине шкалы, с номинальным шагом 30 мкм. Отсутствие нескольких параллельных дорожек обеспечивает защищенность от ошибок, связанных с рысканьем, а также существенно более широкий поперечный допуск на положение головки.
Получение изображения
Изображение шкалы формируется асферической линзой, снижающей дисторсию, на детекторной матрице, специально разработанной для энкодеров RESOLUTE. Такая оптическая схема, в которой оптический путь при освещении является изломанным, а при формировании изображения – прямым, оказывается исключительно компактной и при этом работающей очень стабильно, что гарантирует высокую точность воспроизведения, столь важную для обеспечения высокого качества измерений.
Декодирование и анализ данных
После захвата изображения детектором оно передается аналогово-цифровым преобразователем (ADC) в мощный процессор цифровой обработки сигналов (DSP). Затем с помощью специально разработанных алгоритмов на основе кода, нанесенного на шкалу, получают истинное абсолютное, однако относительно грубое значение положения. После этого выполняется проверка, и вводятся поправки с помощью дополнительных алгоритмов в процессоре DSP, в которых учитывается избыточность и преднамеренно введенные ограничения кода шкалы. В других подпрограммах выполняется расчет «точного» положения с высоким разрешением, и это значение объединяется с данными по «грубому» положению, что дает в результате истинное абсолютное положение с очень высоким разрешением.
Конечные проверки и вывод данных
После выполнения заключительных процедур проверки ошибок информация загружается по соответствующему протоколу в контроллер последовательно в виде чистого слова, описывающего положение с точностью в пределах 1 нм. Защита от электрических помех обеспечивается контролем с помощью циклического избыточного кода (Cyclic Redundancy Check – CRC). Весь этот процесс занимает всего несколько микросекунд и может повторяться до 25 000 раз в секунду. С помощью различных приемов, в том числе регулировки продолжительности вспышки с учетом скорости движения оси, такие характеристики поддерживаются на скоростях до 100 м/с, и при этом, что чрезвычайно важно, сохраняется исключительно низкий уровень дрожания при позиционировании при более низких рабочих скоростях.
Подводя итог...
Таким образом, мы имеем энкодер с широкими допусками к установке: Система RESOLUTE допускает погрешность ±0,5° по углу рысканья, тангажа и крена, а для расстояния между шкалой и считывающей головкой – целых ±150 мкм. В то же время широкая зона охвата оптики и усовершенствованные процедуры коррекции ошибок обеспечивают исключительно высокую устойчивость к оптическим помехам, связанными с пятнами, создаваемыми посторонними частицами или смазкой. При этом сохраняется разрешение 1 нм при скорости 100 м/с: RESOLUTE – вот ответ на самую сложную задачу абсолютных измерений.
EVOLUTE™
Передача сигналов от энкодеров EVOLUTE осуществляется через двунаправленный последовательный интерфейс с использованием ряда стандартных протоколов, как собственных, так и открытых.
Начало работы
Контроллер инициирует операцию путем отправки на считывающую головку сообщения с запросом данных о текущем абсолютном положении на линейной шкале. В ответ на головке начинает мигать мощный светодиодный источник, освещающий шкалу. Продолжительность вспышки составляет всего 100 нс в целях сведения к минимуму размытия изображения на перемещающихся осях. Решающим фактором является то, что разность во времени контролируется с точностью до нескольких наносекунд, обеспечивая связь между данными положения в момент запроса и в момент регистрации. Такое решение делает энкодер EVOLUTE исключительно подходящим для использования в системах измерения перемещений с очень высокими характеристиками.
Шкала с одной дорожкой
Шкала представляет собой единственную дорожку с контрастными линиями по всей ширине шкалы, с номинальным шагом 50 мкм. Отсутствие нескольких параллельных дорожек обеспечивает защищенность от ошибок, связанных с рысканьем, а также более широкий поперечный допуск на положение головки.
Получение изображения
Изображение шкалы формируется асферической линзой, снижающей дисторсию, на специальной детекторной матрице. Такая оптическая схема, в которой оптический путь при освещении является изломанным, а при формировании изображения – прямым, оказывается исключительно компактной и при этом работающей очень стабильно, что гарантирует высокую точность воспроизведения, столь важную для обеспечения высокого качества измерений.
Декодирование и анализ данных
После захвата изображения детектором оно передается аналогово-цифровым преобразователем в мощный процессор цифровой обработки сигналов (DSP). Затем с помощью специально разработанных алгоритмов на основе кода, нанесенного на шкалу, получают истинное абсолютное, однако относительно грубое значение положения. После этого выполняется проверка, и вводятся поправки с помощью дополнительных алгоритмов в процессоре DSP, в которых учитывается избыточность и преднамеренно введенные ограничения кода шкалы. В других подпрограммах выполняется расчет «точного» положения с высоким разрешением, и это значение объединяется с данными по «грубому» положению, что дает в результате истинное абсолютное положение с очень высоким разрешением.
Конечные проверки и вывод данных
После выполнения заключительных процедур проверки ошибок информация о положении загружается по соответствующему протоколу в контроллер последовательно в виде чистого слова. Защита от электрических помех обеспечивается контролем с помощью циклического избыточного кода (Cyclic Redundancy Check – CRC). Весь этот процесс занимает всего несколько микросекунд и может повторяться до 25 000 раз в секунду. С помощью различных приемов, в том числе регулировки продолжительности вспышки с учетом скорости движения оси, такие характеристики могут достигаться на скоростях до 100 м/с, и при этом сохраняется исключительно низкий уровень дрожания при позиционировании при более низких рабочих скоростях.
Подводя итог...
Энкодер EVOLUTE обладает очень широкими допусками при установке: ±0,75° по углам рысканья, ±0,5° по углам тангажа, а в случае расстояния между шкалой и считывающей головкой допуск составляет впечатляющие ±250 мкм. В то же время широкая зона охвата оптики и усовершенствованные процедуры коррекции ошибок обеспечивают исключительно высокую устойчивость к оптическим помехам, в том числе связанных с пятнами, создаваемыми посторонними частицами или смазкой, при сохранении разрешения 50 нм на скоростях до 100 м/с.
QUANTiC™
В энкодерах QUANTiC реализована созданная компанией Renishaw уникальная система фильтрации оптических сигналов третьего поколения, в которой выполняется усреднение сигналов от многих периодов шкалы с эффективной фильтрацией апериодических сигналов, например от загрязнений. При этом из номинально прямоугольной периодической структуры решетки в плоскости детектора формируется интерференционная картина с чисто синусоидальным распределением. В детекторе применяется периодическая структура, которая позволяет получать фототоки в форме четырех симметричных сигналов с постоянной разностью фаз между ними. Затем выполняется совместная обработка сигналов, чтобы удалить постоянные составляющие и получить выходные сигналы в форме синуса и косинуса с высокой спектральной чистотой и малым смещением, поддерживая при этом ширину полосы пропускания в 500 кГц и более.
Полностью интегрированная система улучшенной динамической обработки сигнала, включающая автоматическую регулировку усиления, баланса и смещения, обеспечивает низкую ошибку подразбиения (SDE), обычно < ±80 нм для малогабаритных поворотных систем, < ±150 нм для крупногабаритных поворотных систем и < ±80 нм для линейных систем.
Такое усовершенствованное решение системы фильтрации оптических сигналов в сочетании с тщательно разработанными электронными модулями дает инкрементальные сигналы с широкой полосой пропускания, позволяя достигать максимальной скорости 8 800 об/мин для поворотных систем и 24 м/с для линейных систем при самом низком уровне шума (дрожания) среди энкодеров в этом классе. Интерполяция выполняется в считывающей головке с вариантами исполнения системы с высоким разрешением, усиленными дополнительной шумопонижающей электроникой, обеспечивающей дрожание всего лишь 2,73 нм (среднеквадратичное значение).
Нулевая метка IN-TRAC полностью встроена в инкрементальную шкалу, ее считывание выполняется фотодетектором внутри считывающей головки. Плюсом такого уникального решения является автоматическая процедура калибровки, при которой выполняется электронным образом фазирование нулевой метки и оптимизация инкрементальных сигналов.
TONiC™
В системе TONiC реализована созданная компанией Renishaw система фильтрации оптического сигнала третьего поколения, в которой происходит усреднение сигналов от многих периодов шкалы с эффективной фильтрацией апериодических сигналов, например, от загрязнений. При этом из номинально прямоугольной периодической структуры решетки в плоскости детектора формируется интерференционная картина с чисто синусоидальным распределением. В детекторе применяется периодическая структура, которая позволяет получать фототоки в форме четырех симметричных сигналов с постоянной разностью фаз между ними. Затем выполняется совместная обработка сигналов, чтобы удалить постоянные составляющие и получить выходные сигналы в форме синуса и косинуса с высокой спектральной чистотой и малым смещением, поддерживая при этом ширину полосы пропускания в 500 кГц и более.
Полностью интегрированная система улучшенной динамической обработки сигнала в сочетании с автоматической регулировкой усиления, баланса и смещения обеспечивают сверхнизкую ошибку подразбиения (SDE), обычно < ±30 нм.
Такое улучшенное решение системы фильтрации оптического сигнала в сочетании с тщательно подобранными электронными модулями дает инкрементальные сигналы с широкой полосой пропускания, позволяя достигать максимальной скорости 10 м/с при самом низком уровне шума (дрожания) среди энкодеров своего класса. Интерполяция выполняется с помощью алгоритма CORDIC в Ti-интерфейсе TONiC, с вариантами исполнения системы с высоким разрешением, усиленными дополнительной шумопонижающей электроникой, обеспечивающей дрожание всего лишь 0,5 нм (среднеквадратичное значение).
Нулевая метка IN-TRAC полностью встроена в инкрементальную шкалу и считывается многоэлементным фотодетектором внутри считывающей головки. Как показано на схеме, многоэлементный детектор нулевой метки встроен непосредственно в центр линейной матрицы фотодиодов инкрементального канала, что обеспечивает большую устойчивость по отношению к рысканью и дефазированию. Формирование выходного сигнала нулевой метки, двусторонняя повторяемость которого соответствует разрешению системы при любой скорости перемещения. Преимуществом такого уникального решения является автоматическая процедура калибровки, при которой электронно выполняются фазирование нулевой метки и оптимизация динамической обработки сигналов.
VIONiC™
В энкодерах VIONiC реализована созданная компанией Renishaw уникальная система фильтрации оптического сигнала третьего поколения, в которой выполняется усреднение сигналов от многих периодов шкалы с эффективной фильтрацией апериодических сигналов, например от загрязнений. При этом из номинально прямоугольной периодической структуры решетки в плоскости детектора формируется интерференционная картина с чисто синусоидальным распределением. В детекторе применяется периодическая структура, которая позволяет получать фототоки в форме четырех симметричных сигналов с постоянной разностью фаз между ними. Затем выполняется совместная обработка сигналов, чтобы удалить постоянные составляющие и получить выходные сигналы в форме синуса и косинуса с высокой спектральной чистотой и малым смещением, поддерживая при этом ширину полосы пропускания в 500 кГц и более.
Полностью интегрированная система улучшенной динамической обработки сигнала в сочетании с автоматической регулировкой усиления, баланса и смещения обеспечивают сверхнизкую ошибку подразбиения (SDE), обычно < ±15 нм.
Такое улучшенное решение системы фильтрации оптического сигнала в сочетании с тщательно подобранными электронными модулями дает инкрементальные сигналы с широкой полосой пропускания, позволяя достигать максимальной скорости 12 м/с при самом низком уровне шума (дрожания) среди энкодеров своего класса. Интерполяция выполняется в считывающей головке с вариантами исполнения системы с высоким разрешением, усиленными дополнительной шумопонижающей электроникой, обеспечивающей дрожание всего лишь 1,6 нм (среднеквадратичное значение).
Нулевая метка IN-TRAC™ полностью встроена в инкрементальную шкалу и считывается многоэлементным фотодетектором внутри считывающей головки. Как показано на схеме, многоэлементный детектор нулевой метки встроен непосредственно в центр линейной матрицы фотодиодов инкрементального канала, что обеспечивает большую устойчивость по отношению к рысканью и дефазированию. Плюсом такого уникального решения является автоматическая процедура калибровки, при которой выполняется электронным образом фазирование нулевой метки и оптимизация инкрементальных сигналов.
ATOM DX™
В конструкции энкодера ATOM DX применена проверенная фильтрующая оптика, которая используется в инкрементальных энкодерах Renishaw, таких как TONiC и VIONiC. Считывающие головки ATOM DX имеют светодиодный источник неколлимированного света, расположенный между инкрементальным датчиком и датчиком нулевой метки. Этот светодиод с большой расходимостью отличается низкой высотой профиля, но охватывает участок шкалы, который намного больше самого светодиода, что позволяет освещать участки с инкрементальной и нулевой метками. Светодиод, излучающий некогерентный свет, генерирует чистый сигнал высших гармоник, обеспечивающий интерполяцию высокого разрешения. Эффективная фотометрия также обеспечивает генерирование выходного сигнала с низким уровнем дрожания. Существенное преимущество этой схемы фильтрации оптического сигнала заключается в том, что загрязнения и волнистость шкалы не влияют на точность измерения системы ATOM DX.
Полностью интегрированные расширенные методы динамической обработки сигнала, в т. ч. автоматические регулировки усиления, баланса и смещения вместе обеспечивают сверхнизкую ошибку подразбиения (SDE), обычно <± 15 нм.
Фильтрующая оптика в сочетании с тщательно подобранными электронными модулями генерирует инкрементальные сигналы обратной связи с широкой полосой пропускания, позволяя достигать максимальной скорости 12 м/с при самом низком уровне шума (дрожания) среди энкодеров своего класса. Интерполяция цифровых сигналов выполняется в считывающей головке, причем эффективность исполнений с высоким разрешением дополнительно повышается за счет шумопонижающей электроники, обеспечивающей дрожание всего лишь 1,6 нм (среднеквадратичное значение).
Для обеспечения надлежащей степени невосприимчивости к загрязнениям в энкодерах ATOM DX используется одна большая оптическая нулевая метка, смещенная относительно дорожки. Синхронизация нулевой метки обеспечивается с помощью простой и удобной процедуры автоматической калибровки — такой же, какая используется в энкодерах серий QUANTiC™ и VIONiC™.
ATOM™
В системе ATOM используется неколлимированный светодиод, расположенный в центре между инкрементальным сенсором и сенсором нулевой метки. Данный светодиод, имеющий большую расходимость, при том, что размер шкалы намного превышает размер светодиода, обеспечивает освещение участков с инкрементальной и нулевой метками.
В системе ATOM используется система фильтрации оптического сигнала, аналогичная той, которая применяется в инкрементальных энкодерах компании Renishaw. Светодиод, излучающий некогерентный свет, генерирует чистый сигнал высших гармоник, обеспечивающий интерполяцию высокого разрешения. Эффективная фотометрия также обеспечивает генерирование сигнала с низким уровнем дрожания. Еще одно преимущество системы фильтрации оптического сигнала заключается в том, что система ATOM не дает погрешностей измерений, возникающих вследствие загрязнения или волнистости шкалы.
Для обеспечения надлежащей степени невосприимчивости к загрязнениям в системе ATOM используется одна большая оптическая нулевая метка, смещенная относительно дорожки. Фазирование нулевой метки выполняется так же просто, как и в системе TONiC.