Liniał magnetyczny – budowa, rodzaje, działanie i zastosowanie

5 grudnia 2019 0

Autor:

Rozwój przemysłu, a także związane z nim coraz to wyższe wymagania odnośnie dokładności maszyn i urządzeń, powodują konieczność ciągłego udoskonalania metod wyznaczania pomiaru ruchu liniowego i obrotowego. Jednym z czujników do tego typu pomiarów jest właśnie liniał magnetyczny, który został szerzej omówiony w poniższym artykule.

Liniał magnetyczny co to jest i do czego służy?

Liniał magnetyczny to po prostu jeden z rodzajów enkodera liniowego. Wszystkie enkodery liniowe służą z kolei do dostarczenia informacji zwrotnych (Feedback) w postaci sygnału elektrycznego o przesunięciu wzdłużnym elementów maszyn i urządzeń, a także prędkości i kierunku tego przesunięcia – do układu sterowania. Wysłany sygnał zostaje wówczas odczytany na przykład za pomocą licznika lub sterownika PLC maszyny. W takim sterowaniu występuje sprzężenie zwrotne z czujników, to znaczy że jest to sterowanie w układzie zamkniętym.

Nazwa „liniał magnetyczny” odnosi się konkretnie do sposobu działania takiego enkodera, czyli do metody w jakiej realizuje pomiar. Oba określenia są poprawne, stąd często stosowane są zamiennie. Określenie enkoder liniowy jest jednak pojęciem bardziej ogólnym, informuje jedynie o przeznaczeniu danego urządzenia, jakim jest wspomniany pomiar liniowy wraz z jego dodatkowymi parametrami (pdkość, kierunek), bez dalszych informacji dotyczących zasady działania.

Rodzaje enkoderów liniowych

Obecnie na rynku istnieje szeroki wybór enkoderów, zarówno liniowych jak i obrotowych, które różnią się budową i metodą działania. I tak, biorąc pod uwagę wymienione dwa aspekty, wśród enkoderów liniowych wyróżnia się ogólny podział na enkodery optyczne (optoelektroniczne), magnetyczne (induktosynowe)pojemnościowe.

Ze względu na zasadę działania czujników pomiarowych (w tym sposób przetwarzania sygnału) – wyróżnia się także podział na liniały:

– liniał fotoelektryczny

– liniał indukcyjny

liniały magnetyczne

– liniał magnetyczno rezystancyjny

– liniał pojemnościowy

Budowa i zasada działania liniału magnetycznego

Główne elementy jakie można wymienić w budowie każdego liniału magnetycznego to taśma magnetyczna (skala) oraz poruszająca się po niej głowica odczytowa (czytnik). Dwa główne elementy przedstawia rysunek 1.

Rys.1 Liniał magnetyczny

Taśma liniału magnetycznego zbudowana jest z biegunów magnetycznych, ułożonych naprzemiennie i wytwarzających niezbędne do wykonania pomiaru, można powiedzieć lokalne pola magnetyczne, które przedstawione są w postaci linii na rysunku 1 oraz 2.

Głowica z kolei, oprócz obudowy i przewodu doprowadzającego zasilanie, zawiera czujniki magnetyczne oraz obwody przetwarzające. Przesuwa się nad taśmą, najczęściej w odległości od 1 do 4 mm, a jej położenie liniowe wyznaczane jest na podstawie odczytu zmiany wektora pola magnetycznego, wytwarzanego przez pary biegunów umieszczonych na taśmie. Jest to pomiar bezdotykowy, przez co zmniejsza się ilość elementów ulegającym zużyciu w liniale i polepsza tym samym jego trwałość jak i bezobsługowość. Położenie czytnika (głowicy) względem taśmy można wykryć za pomocą:

– cewek czujnikowych

– efektu Halla

– głowic magnetorezystywnych

Zarówno w enkoderach magnetycznych liniowych jak i obrotowych do określenia przemieszczenia lub położenia kątowego stosuje się z powodzeniem czujniki Halla.

Wyznaczenie położenia ruchów liniowych może być bardzo skomplikowane i kosztowne, przez co w zależności od pożądanej dokładności i odległości do przebycia stosuje się wspomniane już na początku, technologie pomiaru oparte na pomiarze optycznym, magnetycznym lub pojemnościowym.

Enkodery optyczne wykazują lepszą dokładność w porównaniu do magnetycznych, natomiast enkodery pojemnościowe należą do jednej z nowszych technologii i łączą zalety dwóch pozostałych, tj. optycznych i magnetycznych.

W precyzyjnych maszynach, takich jak na przykład obrabiarki CNC czy współrzędnościową maszyny pomiarowe CNC, stosuje się głównie enkodery optyczne. Istnieje jednak wiele aplikacji i urządzeń, w których zastosowanie enkoderów liniowych magnetycznych okazuje się lepszym rozwiązaniem, na przykład ze względu na ich korzystniejszą cenę, a także lepszą żywotność czy odporność na trudne warunki pracy. Poniżej przedstawiono zasadę pomiaru przy użyciu czujników Halla.

Pomiar pozycji za pomocą czujników Halla

Rys.2 Zasada magnetycznego pomiaru położenia w liniale magnetycznym za pomocą zintegrowanych czujników Halla

Pomiar położenia w liniowym enkoderze magnetycznym, tak samo zresztą jak w enkoderze magnetycznym – obrotowym, wyznaczany jest na zasadzie pomiaru zmian wektora pola magnetycznego.

Rysunek 2 przedstawia poglądowo taśmę magnetyczną liniału (skale) składająca się z biegunów ułożonych wzdłużnie (oś X) i naprzemiennie (N,S). Poniżej biegunów przedstawiono linie pól magnetycznych wytwarzanych przez te bieguny, a także symbol wektora indukcji magnetycznej B . Wektor B ma dużą wartość w miejscach gdzie gęstość linii pola jest duża i analogicznie dla miejsc o małej gęstości linii – małą.

Punkt zerowy układu współrzędnych taśmy – przedstawiony na rysunku 2 jako żółty znacznikjest ustawiony na środku dowolnego bieguna północnego (N). Mechaniczne przemieszczenie wzdłużne głowicy jest następnie określane przez wyznaczenie odległości Xd, która to znajduje się między skrajnie lewym czujnikiem Halla (oznaczonym na rys. 2 jako szara płytka z transparentnym konturem) a punktem zerowym taśmy magnetycznej.

W głowicy liniału znajdują się zazwyczaj 2 lub 4 czujniki Halla. Użycie dwóch czujników pozwala rozpozna

kierunek przesunięcia, generowane są wówczas 2 sygnały przesunięte względem siebie o 90°. Pokazane na powyższym rysunku sygnały sinus i cosinus to elektryczne napięcia wyjściowe w analogowym trybie pracy. W zależności od rodzaju wyjścia, w jaki wyposażony jest enkoder liniowy, może to być sygnał analogowy lub cyfrowy.

Dokładność pomiaru zależy w głównej mierze od dokładności wykonania taśmy. Stąd aby zminimalizować wpływ jej niedoskonałości na pomiar stosuje się również układ z czterema czujnikami Halla. Wówczas każdy z nich jest przesunięty względem siebie o 0,25Tk, gdzie Tk oznacza okres skali (ang. magnetic period, Rys.2 ). I tak, zerkając tym razem na poniższy rysunek 3, czujnik B2 jest przesunięty względem czujnika B1 o (n+0,25)Tk, gdzie n oznacza dowolną liczbę całkowitą. W przypadku zastosowania dwóch dodatkowych czujników, nazwijmy je zgodnie z rysunkiem B3 i B4, ich położenie będzie przesunięte odpowiednio o (n+0,5)Tk oraz (n+0,75)Tk względem pierwszego czujnika B1, znajdującego się w położeniu 0.

Podsumowując, przemieszczenie się dwóch elementów względem siebie, tj. taśmy i głowicy powoduje zmianę odczytu natężenia pól magnetycznych przez zamontowane w głowicy czujniki Halla. Sam czujnik ma zwykle formę układu scalonego. Składa się z płytki wykonanej z materiału półprzewodnikowego, którą umieszcza się w polu magnetycznym, w celu pomiaru jego natężenia. Następnie do czujnika przyłożone zostaje napięcie, wymuszające przepływ elektronów w odpowiednim kierunku. W wyniku działania pola magnetycznego dochodzi do powstania napięcia Halla, które jest przetwarzane na sygnał wyjściowy. Mierząc napięcie na elektrodach, można w prosty sposób określić natężenie pola magnetycznego, w którym znajduje się czujnik.

Jak podłączyć liniał magnetyczny? Interfejsy komunikacji…

Tak jak enkodery obrotowe liniał magnetyczny może występować w wersji inkrementalnej lub absolutnej i posiadać różne typy wyjść.

Liniał magnetyczny inkrementalny

Liniały magnetyczne inkrementalne są stosunkowo tańsze w porównaniu do absolutnych, poza tym posiadają nieduże gabaryty i jednocześnie szybszą transmisje danych. Wymagają jednak każdorazowo bazowania podczas przerwania zasilania. Mogą być wyposażonetak jak enkodery obrotowe w wyjścia typu: Line Driver (TTL), PushPull (HTL), Open Collector lub SIN/COS. Ogólny opis tych wyjść i ich funkcji wraz ze schematami znajdą Państwo w naszym artykule nt.Enkoder – zasada działania, rodzaje, budowa

Liniał magnetyczny absolutny

Odnośnie liniałów magnetycznych absolutnych można stwierdzić że są droższe niż inkrementalne, charakteryzują się większymi gabarytami i niższą prędkością transmisji danych. Nie jest natomiast wymagane bazowanie systemu po zaniku zasilania. Takie liniały posiadają interfejsy wyjściowe typu: SSI, EnDat, BiSS czy Hiperface. Oprócz tego mogą posiadać dodatkowy interfejs SIN/COS. Sygnał wyjściowy SIN/COS jest wysyłany w sposób ciągły, co oznacza że nie występuje stan przejściowy, dlatego stosowany jest często jako dodatkowe zabezpieczenie, zwiększające bezpieczeństwo podczas użytkowania urządzenia czy aplikacji.

Interfejs SSI

Synchronous Serial Interface (SSI) jest interfejsem szeregowym, w którym zachodzi wymiana informacji typu point-to-point, czyli pomiędzy sterownikiem lub napędem a enkoderem. Interfejs ten jest prosty w implementacji i cechuje się wysoką efektywnością komunikacji, przez co jest bardzo popularny. Stosowany w aplikacjach wymagających dużej niezawodności. Prędkość wymiany danych zależy od długości przewodów, na przykład dla długości przewodu 5 m transmisja wynosi maksymalnie 10 Mbit/s.

Interfejs EnDat

Encoder Data (EnDat) jest interfejsem dedykowanym do wymiany danych pomiędzy enkoderami. Daje możliwość wysyłania danych w dwóch kierunkach – odczyt informacji o położeniu oraz przesłanie tej informacji do drugiego enkodera. Prędkość wymiany danych zależna jest także od długości przewodów transmisyjnych, maksymalnie sięga 4 Mbit/s.

Interfejs BiSS

Bidirectional Serial Synchronous (BiSS) jest również – tak jak EnDat interfejsem dwukierunkowym, mogącym pracować w strukturze point-to-point. Wymiana danych, na przykład pomiędzy nadajnikiem a pamięcią wewnętrzną enkodera wywoływana jest synchronicznie. Komunikacja może odbywać się z prędkością nawet do 100 Mbit/s.

Interfejs Hiperface

Interfejs komunikacyjny Hiperface umożliwia komunikacje point-to-point oraz pracę w sieci przemysłowej. Dane przesyłane są stosunkowo powoli (do 40 kbit/s), jednakże można otrzyma znacznie więcej informacji niż na przykład w przypadku interfejsu SSI. Podobnie jak w interfejsie EnDat, możemy uzyskać dostęp do pamięci wewnętrznej enkodera – np. odczytać parametry silnika takie jak napięcie, prąd czy jego typ, a także odebrać dane statusowe lub zapisać informacje w pamięci urządzenia

Połączenie z SIMATIC/SINAMICS

Jedynym wspieranym standardem podłączenia enkodera liniowego absolutnego do systemów SIMATIC jest wyjście SSI. Alternatywą w przypadku enkoderów absolutnych jest zastosowanie enkodera z interfejsem sieci przemysłowej. W takim przypadku wykorzystując odpowiedni moduł komunikacyjny można wykonać bezpośrednie połączenie, np. przez sieć PROFINET, PROFIBUS czy MODBUS. Wówczas sygnał określający położenie jest przesyłany do sterownika w całości, poprzez protokół komunikacyjny.

Z kolei dla systemów SINAMICS istnieje więcej możliwości połączenia, to znaczy można połączyć się za pomocą enkoderów wyposażonych w interfejsy typu SSI, EnDAt, SIN/COS lub z interfejsem sieci PROFINET lub PROFIBUS.

Jak dobrać liniał?

Liniały pomiarowe dobierane są według różnych parametrów takich jak rozdzielczość, dokładność, napięcie zasilania, interfejs danych wyjściowych, maksymalna prędkość posuwu, temperatura pracy czy stopień ochrony. W przypadku liniałów magnetycznych można uzyska

pomiar z rozdzielczością rzędu nawet 1μm, zapewniając jednocześnie bardzo dobrą powtarzalność. Ich wspólną cechą jest wysoki stopień ochrony, który pozwala na pracę w dużym zapyleniu i wilgoci. Należy jednak pamietać, że nie powinno się stosować liniałów magnetycznych w miejscach działania pola magnetycznego, które może wpływać na jego działanie i tym samym zakłócać pomiar. Powinno się także unikać montowania liniału w miejscach narażonych na wysoką temperaturę czy na silne drgania. W przypadku liniału szklanego temperatura nie ma znaczenia, jednak w liniałach stalowych ma, ponieważ jak wiadomo stal pod wpływem wzrostu temperatury ulega wydłużeniu, co może skutkować pojawieniem się błędów pomiarowych.

Ważną cechą wpływającą na dokładność pomiaru jest także prawidłowy montaż liniału. Zaleca się aby głowica była zamocowana nieruchomo a przemieszczenie odbywało się przez ruch liniału. Tak jak to mam miejsce na przykład we frezarkach, gdzie taśma jest przymocowana do ruchomego stołu, a głowica do nieruchomego żeliwnego korpusu maszyny.

W precyzyjnych maszynach, takich jak na przykład obrabiarki CNC czy współrzędnościowe maszyny pomiarowe CNC, stosuje się głównie enkodery optyczne, za którymi przemawia między innymi lepsza dokładność pomiaru. Istnieje jednak wiele aplikacji i urządzeń w których korzystniejsze będzie zastosowanie magnetycznego enkodera liniowego. Główną zaletą liniałów magnetycznych, oprócz względnie niskiej ceny, jest przede wszystkim bezdotykowy pomiar (brak tarcia), który zwiększa ich żywotność, a także możliwość pracy w bardzo trudnych warunkach środowiskowych (odporność na chłodziwo, oleje, pył).

Zastosowaniu liniału magnetycznego

Zastosowanie odpowiedniego enkodera liniowego pozwala znacząco ulepszyć pracę maszyn i urządzeń. Przykładem mogą być obrabiarki konwencjonalne, w których użycie liniału pozwala podnieść efektywność pracy na stanowisku nawet o 40%. Wiąże się to między innymi ze skróceniem czasu przygotowawczego i czasu obróbki. Poza tym zmniejsza się także prawdopodobieństwo popełnienia błędu przez operatora, na przykład w trakcie wykonywania przeliczeń wymiarów. Liniały ulepszają zatem cały proces obróbki, łącznie z dokładnością i pewnością pracy na maszynie.

.

UdostępnijShare on FacebookShare on Google+Tweet about this on Twitter

Powiązane produkty

Newsletter
Bądź na bieżąco