Navigatie overslaan

Encoders onder de loep

Maart 2016

Absolute of incrementele encodersystemen - welke hebt u nodig?

Moderne optische encoders zijn onderverdeeld in twee soorten: incrementele en absolute systemen. Beide zijn beschikbaar voor lineaire en roterende assen in een grote variëteit aan industriesectoren. Maar hoe kiest een systeemontwerper nu de juiste encoder voor een bepaalde toepassing? Er zijn diverse verschillen in functie en prestaties om rekening mee te houden:

Een referentie of niet?

SYMETRIE IA DEA zespotig systeem

Het duidelijkste verschil is wellicht dat de absolute soorten niet hoeven terug te keren naar de nulpositie (voor een referentie). Een absolute encoder heeft geen cyclus voor referentieterugkeer nodig elke keer dat hij start, en in sommige toepassingen kan dat essentieel zijn. Terugkeren naar de nulpositie betekent een tijdverlies, en op machines met meerdere assen kunnen de terugkeercycli ingewikkeld en tijdrovend zijn. Daarnaast lopen sommige soorten robots, zoals zespotige systemen en robotarmen voor waferhandling, de kans zichzelf of hun belading te beschadigen als ze moeten terugkeren voor een referentie, bijvoorbeeld na een stroomstoring.

Aanvragen discrete posities of voortdurende uitvoer

Een machinebesturing vraagt bij een absolute encoder ongeveer elke 65 µs (15 kHz) de positie op , dus er is een bepaald tijdsinterval tussen elke twee uitlezingen. Dit heeft gevolgen voor zeer nauwkeurige snelheidsbesturing, vooral in toepassingen zoals DDR-motoren. Incrementele encodersystemen leveren een doorlopend sinusoïde uitgangssignaal, dat helpt om snelheidsfouten te minimaliseren en dus de snelheidsrimpel te verminderen. Het rimpeleffect komt gedeeltelijk doordat minieme fouten in het encodersignaal worden vergroot door de versterking van besturingssignalen, die nodig is om starre servomotoren te besturen. In toepassingen zoals flexografisch printen, bijvoorbeeld bij rasterhantering, wordt veel nadruk gelegd op het realiseren van 'perfecte' snelheidsbesturing, aangezien een snelheidsrimpel een ongelijke laagdikte en ongewenste horizontale balken over het substraat oplevert.

Snelheid

Amicra Nova

Van digitale incrementele encoders wordt de maximum snelheid bepaald door de maximale invoerfrequentie (in MHz) van de ontvangende elektronica samen met de verlangde resolutie. Daardoor zal bij ontvangende elektronica met een vaste frequentie een toename van de resolutie leiden tot een overeenkomstige daling van de maximale snelheid en omgekeerd. Absolute encoders hebben geen last van dit effect en kunnen werken met zowel een hoge snelheid als een hoge resolutie. Dit komt doordat de positie op verzoek wordt vastgesteld en seriële communicatie wordt gebruikt, waardoor ontwerpers de vrijheid hebben om te kiezen voor hoge snelheden én hoge resoluties. Tot de toepassingen behoren onder meer pick-and-place machines in de sector surface-mount technologie (SMT), waar de trend is dat zowel de plaatsingssnelheden als de nauwkeurigheid alsmaar toenemen.

Cyclusfout

Voor incrementele optische encoders zijn er twee hoofdbronnen van cyclusfouten. De ene bron is een door filteroptieken geproduceerd randveld met harmonischen, en de andere bron is elektronisch en omvat onder meer detectoren en IC's waardoor Lissajous-figuren en ellipsvormigheid kunnen ontstaan. Optische constructies zijn zo te ontwerpen dat ze acceptabele randvelden zonder harmonischen leveren. In pure (enkelbaans) absolute systemen is aliasvorming de voornaamste bron van cyclusfouten. Een alias is een sinusoïde signaal dat identiek lijkt aan een andere golfvorm bij opname met dezelfde snelheid. Aliasvorming wordt problematisch als een groot aantal frequenties wordt doorgegeven aan een detector. Optische filtering toepassen op incrementele systemen minimaliseert dit effect, maar in het algemeen maken absolute systemen geen gebruik van digitale filtering omdat de wachttijden dan toenemen. Het fenomeen aliasvorming geeft bij absolute systemen meestal een fout van ≤10 µm periodiciteit en is het resultaat van discrete opname van de meetschaalperiode vanwege de periodische detector. Een zorgvuldig ontwerp en enige optische filtering kunnen dit effect zodanig minimaliseren dat de betreffende foutamplitude minder dan 10 nm is. Goed ontworpen incrementele encoders kunnen een marginaal betere cyclusfout hebben dan gelijkwaardige absolute systemen.

Jitter

In zowel incrementele als absolute systemen is de fundamentele oorzaak van jitter gelegen in diverse soorten ruis (zoals kwantum, Johnson en 1/f)* die zich voordoen over een breed spectrum van frequenties. Hun effect is te verminderen door met filters het aantal frequenties (de bandbreedte) te reduceren dat de encoder doorgeeft aan het bewegingsbesturingssysteem. Bij incrementele encoders, die voortdurend positie-informatie doorzenden, wordt dit gedaan door de bandbreedte van de (analoge) kwadratuursignalen te beperken, wat echter de maximale encodersnelheid verlaagt (zie Snelheid). Zo wordt bijvoorbeeld bij een TONiC™ encoder de gunstigste jitter bereikt door de maximale snelheid te limiteren tot ruim onder de 1 m/s. In absolute systemen, die positie-informatie opnemen in discrete tijdsintervallen, is positiejitter de onzekerheidsfactor in elke van deze metingen. Het is niet mogelijk om de bandbreedte op dezelfde manier te beperken, maar enige digitale filtering kan wel. Het resultaat is dat absolute encoders een wat grotere positiejitter hebben dan goed afgestelde incrementele systemen. Voor uiterst precieze wetenschappelijke tafels die zeer stabiele positiehandhaving en een grote starheid nodig hebben, krijgen incrementele encoders in het algemeen de voorkeur.

Alles bij elkaar genomen hangt de keuze van een encoder af van de toepassing. Beide systemen zijn in staat tot hoge nauwkeurigheden, maar er is een resolutie/snelheid-relatie zoals de afbeelding laat zien.

Er zijn altijd technici van Renishaw beschikbaar om systeemontwerpers te ondersteunen bij het selecteren en specificeren van de optimale encoderoplossing. Neem contact met ons op voor ondersteuning.

* Kwantumruis ontstaat vanwege de discrete aard van elektrische lading. Kwantumruis doet zich voor bij fotonentelling door optische apparaten zoals fotondetectoren.

Johnson-ruis is de random witte ruis die gegenereerd wordt door thermische agitatie van elektronen in een geleider of elektronisch apparaat.

Roze ruis (1/f-ruis) is een signaal met een frequentiespectrum waarin de spectrale vermogensdichtheid (energie of vermogen per Hz) omgekeerd evenredig is met de frequentie van het signaal. Bij roze ruis bevat ieder octaaf (halvering c.q. verdubbeling van de frequentie) dezelfde hoeveelheid ruisvermogen.

Februari 2016

Verborgen kosten: waarom TCO en ROI belangrijk zijn bij de aankoop van een encoder

Bij het nadenken over de keuze van een encoder voor een toepassing, overwegen klanten soms alleen de 'kapitaalkosten' ofwel de aanschafprijs. Dit kan komen door een verkeerd begrip van de werkelijke waarde die een kwaliteitsencoder heeft voor hun proces en de relatieve verdiensten van de incrementele en absolute soorten. Bij het nemen van een aankoopbeslissing voor een encodersysteem dienen inkopers en technisch adviseurs behalve naar de kapitaalkosten ook naar de totale gebruikerskosten (TCO) en het investeringsrendement (ROI) te kijken. Simpel gezegd is de TCO de waarde van een investering over zijn gehele gebruiksperiode en de ROI de winst die de oorspronkelijke kapitaalinvestering in diezelfde periode oplevert. Voor encodersystemen klinken deze termen misschien nieuw, maar met een voorbeeld zijn ze goed te illustreren. In een scenario waarin een encodersysteem een tijdvoordeel biedt gedurende een bepaald proces, is het kostenvoordeel gemakkelijk te identificeren. Mogelijk worden hogere snelheden behaald, maar het is ook al simpel te illustreren door de verschillen te vergelijken tussen incrementele en absolute encodersystemen.

De tabel hieronder toont het kostenvoordeel - doordat cycli voor terugkeer naar de nulpositie niet meer nodig zijn - van een absoluut optisch encodersysteem, toegepast voor een FDP-productieproces (productie van platte beeldschermen). Alle cijfers zijn benaderingen, maar representatief voor het industriële gemiddelde*.

Kosten/baten-onderdeelIncrementeel optisch encodersysteemAbsoluut optisch encodersysteem
Systeemkosten ongeveer (1 m meetschaal)€ 720€ 1080
Aantal referentiecycli per uur0,50
Langste referentietijd15 seconden0
Aantal assen33
Uurtarief machine€ 43,00€ 43,00
Uurtarief operator€ 10,00€ 10,00
Levensduur machine in jaren33
Beschikbaarheid machine80%80%
Verloren tijd per uur7,5 seconden0 seconden
Kosten per uur€ 0,088€ 0.00
Kosten over levensduur machine (3 assen)€ 1.544€ 0.00
ROI (alleen encoders) 43,0% (€ 464)

* Aangenomen: 16/7 (twee ploegen), hele jaar in bedrijf. Bedragen zijn in euro (€).

In dit geval is het grootste voordeel van de absolute encoder dat hij de cycli voor terugkeer naar de nulpositie (voor referentie) overbodig heeft gemaakt. In tegenstelling tot incrementele soorten nemen absolute encoders op aanvraag positie-informatie op en kunnen ze na een machinestop herstarten zonder eerst naar het nulpunt terug te keren voor een referentie. Het totale effect is een gemiddelde tijdbesparing van enkele seconden per uur. Deze tijdbesparing zou ook bereikt worden door een encodersysteem te kopen dat een hogere betrouwbaarheid biedt, te upgraden is en minder onderhoud vraagt. Hoewel een paar seconden niet zo belangrijk lijken, hebben ze over 3 jaar levensduur op 3 assen toch een substantiële invloed. Een gebruikelijke fabriek van platte beeldschermen in Zuidoost-Azië heeft misschien wel 500 machines, en daarmee wordt de totale ROI zo'n € 0,78 miljoen per fabriek. Door een passende kosten-batenanalyse grondig toe te passen op het beslissingsproces voor een encoderaankoop zijn zeker aanzienlijke financiële voordelen mogelijk.

Het is belangrijk dat inkopers de verleiding weerstaan om een encoderaankoop te beschouwen als een simpele beslissing over een verbruiksartikel. De kapitaalkosten zijn mogelijk slechts het topje van de ijsberg.

December 2015

Aan ondergrond verbonden of zelfstandige schaal

Open optische lineaire encodersystemen bevatten twee hoofdelementen: een leeskop en een meetschaal. Voor hoogwaardige bewegingssystemen kan de bevestigingsmethode van de meetschaal een grote invloed hebben op het systeemgedrag, vooral op het gebied van thermische stabiliteit.

De meetschaal is op twee manieren te bevestigen, namelijk aan de ondergrond verbonden of .

Om een gefundeerde keuze te maken over welk systeem het beste is, moet de ontwerper van het bewegingssysteem kennis hebben van het verschil tussen deze twee bevestigingsmethodes voor meetschalen en van hun relatieve voor- en nadelen in een bepaalde toepassing met positieterugkoppeling.

Aan de ondergrond verbonden meetschalen

Aan de ondergrond verbonden meetschalen kunnen bij hun twee uiteinden op diverse manieren vastgezet zijn, bijvoorbeeld via met epoxyhars gelijmde eindklemmen, waarbij de meetschaal en de ondergrond axiaal als één geheel uitzetten en krimpen. Anders gezegd is de thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) van de meetschaal passend gemaakt op ofwel 'verbonden' met die van de ondergrond.

Referentiegrens en klemmen

Tussen de klemmen op beide uiteinden in wordt de hechting van de meetschaal op de ondergrond meestal verzorgd door een geschikte dubbelzijdige plakband. Zo blijft de lineaire kwaliteit van de meetschaal behouden terwijl deze uitzet of krimpt vanwege temperatuurveranderingen.

Verbinden aan de ondergrond is alleen te realiseren indien de dwarsdoorsnede en stijfheid van de meetschaal aanzienlijk geringer zijn dan die van de ondergrond, zodat de mechanische stabiliteit van de schaal niet wordt aangetast terwijl hij de voorspelde thermische bewegingen maakt.

Het grootste voordeel van deze methode is dat het thermische gedrag van de meetschaal gemakkelijk te doorzien is, aangezien dit overeenkomt met dat van de ondergrond.

Zelfstandige meetschalen

Zelfstandige meetschalen moeten juist zodanig bevestigd worden dat hun thermische bewegingen onafhankelijk zijn van de ondergrond. Om verschillende thermische uitzetting van schaal en ondergrond mogelijk te maken, mag de meetschaal maar op één punt vast op de ondergrond aangebracht zijn. Over de rest van de lengte wordt hij op zijn plaats gehouden door tweezijdig plakband, een aantal klemmen of een geschikte meetschaaldrager.

Compleet geïnstalleerd FASTRACK™ lineair encodersysteem

Maar hoe de bevestiging ook precies wordt uitgevoerd, de zogeheten zelfstandige meetschaal is nooit helemaal zelfstandig op het gebied van thermische uitzetting. Dit komt doordat wrijving en andere effecten onvermijdelijk leiden tot positionele verstoringen en mogelijke hysteresis, waardoor de effectieve uitzettingscoëfficiënt niet precies gelijk is aan die van het schaalmateriaal in losse toestand. Dit gedrag is te modelleren voor de bevestigingsmethodes van de zelfstandige meetschaal (plakband, klemmen en drager) om ontwerprichtlijnen te verkrijgen, maar in de praktijk is het compenseren hiervoor nog niet zo eenvoudig. Zelfstandige meetschalen zijn echter vaak met een hoge nauwkeurigheid te maken, vooral als ze van materialen zijn die een zeer geringe thermische uitzetting vertonen.

Renishaw biedt meetschalen voor zowel de zelfstandige (RTL, RSL en REL series) als de aan de ondergrond verbonden (RGS serie) bevestigingsmethode.