高沖擊和振動環(huán)境如何選擇合適的編碼器?
工業(yè)環(huán)境經(jīng)常使設(shè)備受到高度沖擊和振動。這可能會影響性能并損壞設(shè)備本身。作為
Dynapar編碼器(經(jīng)過品牌變更之后,Dynapar現(xiàn)在已歸于hengstler旗下)在國內(nèi)的代理,和大家一起討論一理在高沖擊和振動環(huán)境中選擇編碼器所涉及的權(quán)衡,以及如何確保應(yīng)用程序的適當(dāng)壽命和性能。
在指定高沖擊和高振動環(huán)境下的編碼器振動水平較高的應(yīng)用時,需要考慮三個關(guān)鍵因素:編碼器傳感引擎:光學(xué)與磁性、編碼盤材料:玻璃、金屬、聚酯薄膜、編碼器組件:軸承、連接器等。
Dynapar編碼器傳感引擎
編碼器可分為光學(xué)和磁性引擎。最常見的光電編碼器由一個光源(通常是一個LED)、一個探測器和一個在它們之間傳遞的薄型編碼盤組成。
光學(xué)編碼器可以具有極高的分辨率,因此對于科學(xué)應(yīng)用和半導(dǎo)體制造等專業(yè)制造至關(guān)重要。然而,它們可能容易受到?jīng)_擊和振動。磁盤和源/探測器之間的氣隙可小至0.020”。過度的沖擊和振動會導(dǎo)致錯位,從而使這些部件接觸,導(dǎo)致?lián)p壞甚至災(zāi)難性故障。
相控陣光學(xué)編碼器提供了一種替代方案。顧名思義,相控陣編碼器使用一組探測器來捕獲信號。這有助于平均由于編碼器震動或編碼器振動引起的信號變化。探測器陣列的固態(tài)特性也使其不易受到損壞。相控陣光學(xué)編碼器可用于400G沖擊和20G振動,并用于Dynapar編碼器,如HS35R重型光學(xué)編碼器。
對于最困難的環(huán)境,磁性編碼器可能是最佳選擇。磁性編碼器的工作原理類似于旋轉(zhuǎn)光學(xué)編碼器,盡管它們是基于具有交替磁疇圖案的金屬輪。它們往往比光學(xué)編碼器更堅固,不易受到編碼器沖擊和編碼器振動的影響。這些設(shè)備是非接觸式的,磁輪和探測器是廣泛分離的。采用寬氣隙設(shè)計的磁性編碼器具有更大的間隙,如
RIMTach RT8磁性系列的北極星編碼器。
取舍是,磁輪的圖案不能像光學(xué)編碼器上的編碼輪那樣密集。因此,磁性編碼器無法與光學(xué)設(shè)計的分辨率相匹配。
Dynapar編碼器盤材料
光學(xué)編碼器使用三種不同類型的磁盤材料:玻璃、金屬和聚酯薄膜。磁盤的選擇涉及性能和對沖擊和振動的響應(yīng)以及其他環(huán)境因素之間的權(quán)衡。對于直接讀取編碼器(不包括多分辨率正交插值),Dynapar為帶玻璃盤的編碼器提供高達(dá)10000 PPR,為帶金屬盤的編碼器提供5000 PPR聚酯薄膜盤,為帶金屬盤的編碼器提供高達(dá)2540 PPR。
雖然金屬磁盤在承受高沖擊載荷時非常堅固,但它們的分辨率有一個上限。光刻圖案的玻璃磁盤提供了更高的分辨率,但它們?nèi)菀资艿骄幋a器沖擊,并且可能會破碎。聚酯薄膜提供了更好的選擇。有一種常見的誤解,即玻璃的性能超過了聚酯薄膜,但這是不正確的。Mylar碼盤提供光學(xué)編碼器中的最高分辨率,同時保持極強(qiáng)的魯棒性。
然而,Mylar代碼盤確實(shí)有一個報警。材料可能因過熱、變色甚至變形而損壞。為了成功,編碼器應(yīng)根據(jù)應(yīng)用的全套條件進(jìn)行評級。
Dynapar編碼器組件
選擇合適的傳感引擎和磁盤材料僅代表編碼器規(guī)格的一部分。編碼器是一個系統(tǒng),系統(tǒng)的有效性取決于其最薄弱的環(huán)節(jié)。為了使編碼器可靠運(yùn)行,需要根據(jù)環(huán)境選擇電纜和軸承等支撐組件。
如果電纜松動,編碼器無法工作。選擇即使在編碼器長時間振動后仍保持接觸的鎖定連接器。根據(jù)振幅、頻率和持續(xù)時間,接線可能需要擰入接頭或直接與端子接觸。
布線不是唯一易受連接問題影響的元件。長時間的振動會使固定電子設(shè)備的PCB上的焊點(diǎn)斷裂。甚至連連接到連接器的電纜內(nèi)的導(dǎo)線也可能斷裂。由于這個特殊的原因,Dynapar的磁性編碼器完全封裝了電子元件。
盡可能避免使用軸承。高水平的振動會改變軸承的負(fù)載。這會導(dǎo)致不均勻磨損,從而導(dǎo)致軸承過早失效,這也是為什么在造紙廠和鋼廠等惡劣環(huán)境中首選無軸承磁性編碼器的另一個原因。
沖擊和振動對編碼器信號的影響
所有這些震動不僅僅是將編碼器的操作置于危險之中。沖擊和振動會影響性能。由于磁性編碼器非常堅固,它們可能不會顯示振動的物理效應(yīng)。然而,信號中可能會出現(xiàn)問題。
振動在信號中表現(xiàn)為過量噪聲,表現(xiàn)為抖動。這是一種不同于通常由磁盤偏心引起的抖動類型。偏心抖動通常只出現(xiàn)在一個通道上,而另一個通道信號看起來很好。所有通道上都會顯示由過度系統(tǒng)振動引起的抖動。查看編碼器抖動示例,并將其與失去耦合導(dǎo)致的編碼器振動進(jìn)行比較
極高的沖擊可能使車輪或碼盤錯位,這也可能影響信號質(zhì)量。這可能導(dǎo)致所有信道上的過度抖動和/或兩個信道之間的相位變化。
Dynapar編碼器沖擊和振動測試方法
在為高沖擊和振動環(huán)境選擇編碼器時,數(shù)據(jù)表是不夠的。設(shè)計需要經(jīng)過嚴(yán)格的測試。Dynapar編碼器按照MIL-STD-202進(jìn)行測試,這需要掃描測試等技術(shù)。在此過程中,編碼器在給定范圍內(nèi)以不同頻率暴露于指定周期的正弦振動。例如,在5至2000 Hz的頻率下,符合20Gs要求的編碼器將沿所有三個軸振動24次10分鐘,總持續(xù)時間為12小時。供應(yīng)商應(yīng)提供每種設(shè)計的測試協(xié)議和性能的詳細(xì)結(jié)果。
像工程中的所有事情一樣,為惡劣環(huán)境選擇編碼器需要權(quán)衡。以上幾點(diǎn)給出了一般準(zhǔn)則。專門的應(yīng)用程序,如那些在惡劣環(huán)境下需要極高分辨率的應(yīng)用程序,將把這些技術(shù)推向極限。在某些情況下,OEM需要更頻繁地更換反饋設(shè)備。然而,在大多數(shù)情況下,與供應(yīng)商密切合作并告知他們所有專業(yè)需求將產(chǎn)生一個能夠滿足應(yīng)用程序需求的解決方案。
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