Přeskočit navigaci

Zaměřeno na snímače

Březen 2016

Absolutní proti inkrementálním snímačům - který z nich potřebujete?

Moderní optické snímače se dělí na dva typy: inkrementální a absolutní Oba typy se dodávají pro lineární i rotační osy v různých průmyslových odvětvích. Takže jak má návrhář systému vybrat správný snímač pro danou aplikaci? Existuje několik funkčních a výkonových rozdílů, které je třeba brát v úvahu:

K odkazu či nikoli?

SYMETRIE IA DEA hexapod

Patrně nejvýraznější rozdíl je to, že absolutní snímače nepotřebují nájezd do nulového (referenčního) bodu. Absolutní snímač nevyžaduje před každým během cyklus návratu do referenčního bodu, což může být u některých aplikací kritické. S nájezdem do výchozí polohy je spojena časová ztráta. Jestliže má stroj více os, mohou být cykly nájezdu do výchozí polohy složité a časově náročné. U některých typů robotů, jako jsou například hexapody nebo ramena manipulátorů se substrátovými disky hrozí například při vynuceném návratu do referenční polohy po výpadku napájení poškození jich samých nebo užitečného zatížení.

Požadavky diskrétní polohy oproti souvislému výstupu

Řídicí jednotka stroje může typicky vyžadovat polohu od absolutního snímače každých 65 µs (15 kHz), takže mezi každým čtením existuje diskrétní časový interval. To má význam pro vysoce přesné řízení rychlosti, zejména v aplikacích jako například DDR motory. Inkrementální snímače poskytují souvislý sinusový výstup, což napomáhá minimalizovat chyby rychlosti, tedy snižuje kolísání rychlosti. Kolísání je částečně výsledkem zesílení malých chyb na výstupu snímače vyššími zisky řízení, které slouží pro regulaci servomotorů s vysokou tuhostí. V aplikacích jako je například flexotisk je kladen větší význam na dosažení ‘dokonalého' řízení rychlosti, protože kolísání rychlosti způsobuje nerovnoměrné nanášení a nežádoucí vodorovné pruhy přes substrát.

Rychlost

Amicra Nova

Maximální rychlost digitálních inkrementálních snímačů je určena maximální vstupní frekvencí (MHz) přijímající elektroniky souběžně s požadovaným rozlišením. Proto, když je maximální frekvence přijímající elektroniky pevná, bude výsledkem každého zvýšení rozlišení odpovídající snížení maximální rychlosti a naopak. Absolutní snímače tímto kompromisem netrpí a umožňují provoz jak vysokou rychlostí, tak s vysokým rozlišením. Je to díky určení polohy na požádání a použití sériové komunikace. To poskytuje konstruktérům volnost k použití jak vysoké rychlosti, tak vysokého rozlišení. Ukázkovou aplikací jsou osazovací stroje pro technologii povrchové montáže (SMT), kde jsou vyšší rychlost osazování a větší přesnost soustavným trendem.

Cyklická chyba

U inkrementálních optických snímačů existují dva hlavní zdroje cyklických chyb. Jedním zdrojem je rozptylové pole vytvářené schématem filtrační optiky, které má harmonické složky; další pocházejí z elektronických zdrojů včetně snímačů a IC, které způsobují Lissajousovo posunutí a eliptičnost. Optické režimy lze navrhnout tak, že produkují vhodná rozptylová pole bez harmonických složek. V čistých (jednostopých) absolutních systémech je dominantním zdrojem cyklických chyb aliasing. Alias je sinusový signál, který vzniká identicky s jiným průběhem při vzorkování stejnou frekvencí; aliasing se stává problémem, kdykoli je do snímače předáván velký počet frekvencí. Optická filtrace použitá u inkrementálních snímačů tento efekt minimalizuje, avšak absolutní snímače obecně digitální filtraci nepoužívají kvůli zvýšenému zpoždění. V případě absolutních snímačů je chyba periodicity vyvolaná vzorkováním (aliasing fenomén) typicky ≤10 µm. Je výsledkem diskrétního vzorkování periody stupnice periodickým detektorem. Pečlivým návrhem a určitou optickou filtrací lze tento jev minimalizovat tak, že amplituda související chyby je méně než 10 nm. Dobře navržené inkrementální snímače mohou vykazovat lepší cyklickou chybu než ekvivalentní absolutní snímače.

Šum (Jitter)

V inkrementálních i absolutních systémech jsou základními příčinami šumu (jitter) různé typy šumů (např. výstřelový, Johnsonův a růžový (1/f))*, které se vyskytují v širokém spektru frekvencí. Jejich vliv lze zmenšit filtrací, která zmenší rozsah frekvencí (šířku pásma) předávaných snímačem do systému řízení pohybu. U inkrementálních snímačů, kde je informace vysílána souvisle, se to děje omezením šířky pásma (analogových) kvadraturních signálů, což snižuje maximální rychlosti snímače (viz Rychlost). Například u snímače TONiC™ je nejlepšího možného výkonu z hlediska šumu (jitter) dosaženo omezením maximální rychlosti pod 1 m/s. U absolutních snímačů, kde je polohová informace získávána v diskrétních časových intervalech, je polohový šum (jitter) nejistota každého z těchto měření. Omezení šířky pásma stejným způsobem není možné, ačkoli určitá digitální filtrace možná je. Výsledkem je, že absolutní snímače mají o něco větší polohový šum (jitter) než dobře seřízené inkrementální snímače. Pro vysoce přesné stoly pro vědecké přístroje, vyžadující velmi stabilní udržení polohy s vyšší tuhostí, jsou obecně preferovány inkrementální snímače.

Správná volba snímače nakonec závisí na aplikaci. Oba systémy jsou schopné vysoké přesnosti, je zde však kompromis mezi rozlišením a přesností, jak ukazuje obrázek.

Technici společnosti Renishaw jsou vždy schopni podpořit konstruktéry při volbě a specifikaci optimálního řešení snímače; kontaktujte nás prosím pro podporu.

* Shot šum má původ v diskrétní povaze elektrického náboje. Výstřelový šum je typický při čítání fotonů v optických zařízeních jako jsou fotodetektory.

Johnsonův šum je nahodilý bílý šum generovaný tepelným neklidem elektronů ve vodiči nebo v elektronickém zařízení.

Růžový (1/f) šum je signál s takovým frekvenčním rozsahem, že výkonová frekvenční hustota (energie na Hz) je přímo úměrná převrácené hodnotě frekvence signálu. U růžového šumu nese každá oktáva (půlení/zdvojení frekvence) stejné množství energie šumu.

Únor 2016

Skryté náklady: proč jsou TCO a ROI důležité pro nákup snímače

Při úvahách o volbě snímače pro danou aplikaci může zákazník brát v úvahu pouze ‘kapitálové náklady nebo kupní cenu.' To může být důsledek nepochopení skutečné hodnoty kvality snímače pro daný proces a relativních předností inkrementálních i absolutních typů. Při rozhodování o koupi snímače musí kupující brát v úvahu dopad celkových provozních nákladů (TCO) a návratnosti investice (ROI) místo pouhých kapitálových nákladů. Jednoduše proto, že TCO je hodnota investice po celé období používání a ROI je zisk původní kapitálové investice ve stejném období. Pro systémy snímačů se tyto výrazy mohou zdát nové, lze je však příslušně ilustrovat na příkladu. Ve scénáři, kde snímač nabízí během určitého procesu časový zisk, lze přínos nákladů snadno identifikovat. Může to být v důsledku zlepšené specifikaci rychlosti, lze to však jednoduše ilustrovat porovnáním rozdílu mezi inkrementálními a absolutními snímači.

Přínos nákladů v důsledku vyloučení cyklů nájezdu do výchozí polohy absolutního optického snímače při výrobním procesu plochého zobrazovacího panelu (FPD) je zobrazen v následující tabulce. Všechna čísla jsou přibližná a představují průmyslový průměr*.

Náklady/PřínosInkrementální optický odměřovací systémAbsolutní optický odměřovací systém
Přibližné náklady systému (stupnice 1 m)£600£900
Počet referenčních cyklů za hodinu0,50
Nejdelší referenční čas15 s0
Počet os33
Hodinová sazba stroje36,00 £36,00 £
Hodinová sazba operátora8,00£8,00£
Životnost stroje v rocích33
Využití stroje80%80%
Časová ztráta na hodinu7,5 s0 s
Náklady na hodinu0,073£0,00£
Náklady za dobu životnosti stroje (3 osy)1 281£0,00£
ROI (pouze snímače) 42,3% (£381)

*Předpoklad 16/7 (dvě směny), celoroční provoz. Měna jsou libry sterlingů

Hlavní výhoda absolutního snímače je v tomto případě eliminace cyklů návratu do výchozí (referenční) polohy. Absolutní snímače, na rozdíl od inkrementálních typů, snímají polohovou informaci na vyžádání a po zastavení stroje mohou restartovat bez nájezdu do nulového bodu. Celkový efekt je průměrná úspora několika sekund každou hodinu; této časové úspory by bylo též dosaženo při koupi snímače vynikající spolehlivosti, s možností modernizace a se sníženými nároky na údržbu. Přestože několik sekund zní banálně, dosah při tříleté provozní životnosti na 3osém stroji je značný. Typický výrobce FPD v jihovýchodní Asii má asi 500 strojů a celkové ROI činí přibližně 0,65 milionu £ na jednoho výrobce. Důsledným uplatněním vhodné analýzy nákladů a přínosů při rozhodování o koupi snímačů lze dosáhnout významných finančních zisků.

Je důležité, aby kupující odolali pokušení pohlížet na snímač jako na pouhý nákup komodity. Kapitálové náklady mohou být pouhou špičkou ledovce.

Prosinec 2015

Substrate-mastered stupnice oproti self-mastered stupnici

Otevřené systémy lineárních optických snímačů obsahují dva hlavní prvky: čtecí hlavu a stupnici. U vysoce přesných pohybových systémů může mít způsob montáže stupnice dramatický vliv na chování systému, zejména s ohledem na tepelnou charakteristiku.

K montáži stupnice existují dva přístupy, nazývané substrate-mastered a self-mastered.

Aby mohl konstruktér pohybové systému učinit informovanou volbu nejhodnějšího systému, musí chápat rozdíly mezi oběma způsoby montáže stupnice a znát jejich relativní výhody a nevýhody v každé aplikaci polohové zpětné vazby.

Substrate mastered stupnice

Substrate mastered stupnice jsou na obou koncích pevně uchycené k substrátu, např. koncovými úchyty lepenými epoxidem. Tím je zajištěno, že se stupnice i substrát roztahují a smršťují stejně. Jinými slovy součinitel tepelné roztažnosti (CTE) stupnice odpovídá roztažnosti substrátu.

Ref. limit a úchyty

Stupnice je mezi koncovými úchyty obecně přilepena k substrátu odpovídající oboustrannou lepicí páskou. To zaručuje zachování lineární charakteristiky stupnice při jejích tepelných dilatacích.

Substrate mastering je proveditelný pouze tehdy, když je průřez a tuhost stupnice podstatně menší než u substrátu, takže během předvídaných tepelných pohybu neovlivní jeho mechanickou stabilitu.

Hlavní výhodou tohoto upevnění je, že tepelná charakteristika stupnice je snadno pochopitelná a odpovídá charakteristice substrátu.

Self-mastered stupnice

Self-mastered stupnice musí být oproti tomu montovány tak, že jejich tepelný pohyb je nezávislý na substrátu. Pro přizpůsobení různých tepelných roztažností stupnice a substrátu může být stupnice upevněna pevně k substrátu pouze v jednom bodu. Zbývající délka je držena pouze oboustrannou lepicí páskou, několika upevňovacími úchyty nebo vhodným nosičem stupnice.

Kompletní montáž lineárního snímacího systému FASTRACK™

Bez ohledu na použitý způsob upevnění nejsou tzv. self-mastered stupnice nikdy absolutně přesné vzhledem k vlastní tepelné roztažnosti. Je to proto, že tření a další vlivy nevyhnutelně vedou k poruchám polohy a potenciální hysterezi, takže efektivní CTE se nerovná přesně CTE materiálu stupnice ve volném stavu. Toto chování self-mastered metod upevnění stupnice (samolepicí páska, úchyty a nosič) lze jako konstrukční vodítko modelovat, přestože kompenzace v praxi není zcela přímočará. Stupnice self-mastered však mohou být často vyrobeny s vysokou přesností, zvláště když jejich materiál vykazuje velmi malý součinitel tepelné roztažnosti.

Společnost Renishaw nabízí jak self-mastered (řady RTL, RSL a REL), tak substrate-mastered (řada RGS) systémy upevnění stupnice.