Navigatie overslaan

Hoe optische encoders werken

Gesloten absolute encoders

Open absolute encoders

Open incrementele encoders

FORTiS™

Wat is een Renishaw gesloten optische encoder?

Een gesloten optische encoder biedt de elektronica en optieken van de encoder plaats in een afgedicht geheel dat bevestigd is aan de leeskop. Het afgedichte optische geheel en de meetschaal van de encoder worden beide verder beschermd door een afgedichte omhulling. Deze opbouw levert een hoge weerstand tegen indringing van vloeistoffen en vaste vuildeeltjes.

De gesloten lineaire encoder heeft een geëxtrudeerde omhulling, voorzien van in langsrichting in elkaar grijpende afdichtranden en afgedichte eindkappen. De leeskop wordt aan het afgedichte optische geheel verbonden met een blad, dat zich over de gehele encoderlengte tussen de afdichtranden verplaatst. Door lineaire beweging langs de as verplaatsen de leeskop en optieken zich zonder mechanisch contact over de absolute meetschaal van de encoder, die bevestigd is aan de binnenkant van de omhulling.

De meetschaal heeft een absolute schaalverdeling met contrasterende lijnen over zijn hele breedte, die via een lens worden afgebeeld op een detectorreeks in de leeskop. De lineaire positiemetingen zijn als uitgangen in digitale vorm compatibel met een reeks van in de industrie gangbare seriële communicatieprotocollen.

Optische regeling FORTiS™

RESOLUTE™

RESOLUTE communiceert puur serieel in twee richtingen, volgens een aantal in de industrie gangbare protocollen, met zowel gerichte als open varianten.

RESOLUTE™ encoder optisch ontwerp met annotaties

Het proces begint ...

De controller initieert bediening door een bericht naar de leeskop te sturen, met instructies om de absolute positie op de lineaire of roterende schaal op dat moment vast te leggen. De leeskop reageert door te knipperen met een high-power LED-bron om de schaal te verlichten. De flits duurt maar 100 ns om onscherpte op bewegende assen te minimaliseren. Het is belangrijk dat de timing binnen een paar nanoseconden wordt gecontroleerd om de relatie te behouden tussen gevraagde en gerapporteerd positie, één van de essentiële kenmerken die RESOLUTE bij uitstek geschikt maken voor zeer gespecificeerde bewegingssystemen.

Enkelbaans schaal

De schaal is in principe een enkele baan van contrasterende lijnen over de volledige breedte op basis van een nominale periode van 30 µm. De afwezigheid van meerdere parallelle banen zorgt voor belangrijke immuniteit tegen verdraaiingen en veel meer zijdelingse tolerantie in koppositie.

Beeldopname

De schaal wordt afgebeeld, via een asferische lens die vervorming minimaliseert, op een aangepaste detectorreeks speciaal ontworpen voor RESOLUTE. De optische opstelling, met een opgevouwen verlichtingspad maar directe beeldvorming, is zeer compact maar stabiel voor betrouwbare en uitstekende metrologie.

Decoderen van gegevens en analyse

Nadat de afbeelding is opgevangen door de detector, wordt de afbeelding overgebracht via een analoog-naar-digitaalomzetter (ADC) naar een krachtige Digital Signal Processor (DSP). De speciaal ontwikkelde algoritmen krijgen dan een werkelijk absoluut, maar relatief grove positie van de code ingebed in de schaal. Dit proces wordt gecontroleerd en correcties worden gemaakt door andere algoritmen in de DSP die redundantie en opzettelijke beperkingen in de schaalcode benutten. Ondertussen berekenen andere routines een fijne positie met een zeer hoge resolutie die die vervolgens wordt gecombineerd met de grove positie om een ​​werkelijk absolute en zeer hoge resolutielocatie te krijgen.

Definitieve controles en data-uitvoer

Na de definitieve foutcontroles wordt deze informatie geüpload in het juiste protocol op de controller als een pure seriële communicatie die positie weergeeft tot op 1 nm. Bescherming tegen elektrische geluidsoverlast wordt geleverd door toevoeging van een Cyclic Redundancy Check (CRC). Het gehele proces kan slechts enkele microseconden duren en tot wel 25.000 keer per seconde worden herhaald. Door een verscheidenheid aan technieken, waaronder het aanpassen van de lichtflitsduur op de assnelheid, wordt deze prestatie bij een snelheid tot 100 m/s, met behoud van uitzonderlijk lage positionele verdraaiing bij lagere snelheden.

En het resultaat is ...

Een encoder met royale installatietoleranties: RESOLUTE maakt een verdraai-, helling- en kanteltolerantie van ±0,5° mogelijk en een indrukwekkende afstand meetschaal-leeskop van ±150 µm. Ondertussen bieden de royale optische footprint en geavanceerde fout-corrigerende procedures uitstekende immuniteit tegen optische vervuiling, zowel deeltjes als vette vegen. En dit alles met behoud van 1 nm resolutie bij 100 m/s: RESOLUTE is het antwoord op de absoluut moeilijkste uitdaging.

EVOLUTE™

De EVOLUTE encoder communiceert puur serieel in twee richtingen, volgens een aantal in de industrie gangbare protocollen, met zowel gerichte als open varianten.

EVOLUTE™ encoder optisch ontwerp met annotaties

Het proces begint ...

De besturing initieert de werking door een vragend bericht naar de leeskop te sturen, met de instructie om de absolute positie op de lineaire meetschaal van dat moment op te nemen. De leeskop reageert door te knipperen met een high-power LED-bron om de schaal te verlichten. De flits duurt maar 100 ns om onscherpte op bewegende assen te minimaliseren. Het is belangrijk dat de timing binnen een paar nanoseconden wordt gecontroleerd om de relatie te behouden tussen gevraagde en gerapporteerd positie, wat de EVOLUTE bij uitstek geschikt maakt voor zeer nauwkeurige bewegingssystemen.


Enkelbaans schaal

De schaal is in principe een enkele baan van contrasterende lijnen over de volledige breedte op basis van een nominale periode van 50 µm. De afwezigheid van meerdere parallelle banen zorgt voor belangrijke immuniteit tegen verdraaiingen en meer zijdelingse tolerantie in de koppositie.

Beeldopname

De meetschaal wordt afgebeeld, via een asferische lens die vervorming minimaliseert, op een aangepaste detectorreeks. De optische opstelling, met een opgevouwen verlichtingspad maar directe beeldvorming, is zeer compact maar stabiel voor betrouwbare en uitstekende metrologie.

Decoderen van gegevens en analyse

Nadat de afbeelding is opgevangen door de detector, wordt de afbeelding overgebracht via een analoog-naar-digitaalomzetter naar een krachtige Digital Signal Processor (DSP). De speciaal ontwikkelde algoritmen krijgen dan een werkelijk absoluut, maar relatief grove positie van de code ingebed in de schaal. Dit proces wordt gecontroleerd en correcties worden gemaakt door andere algoritmen in de DSP die redundantie en opzettelijke beperkingen in de schaalcode benutten. Ondertussen berekenen andere routines een fijne positie met een zeer hoge resolutie die die vervolgens wordt gecombineerd met de grove positie om een ​​werkelijk absolute en zeer hoge resolutielocatie te krijgen.

Definitieve controles en data-uitvoer

Na de laatste foutcontroles wordt positie-informatie geüpload naar het juiste protocol in de besturing als een pure seriële term. Bescherming tegen elektrische geluidsoverlast wordt geleverd door toevoeging van een Cyclic Redundancy Check (CRC). Het gehele proces kan slechts enkele microseconden duren en tot wel 25.000 keer per seconde worden herhaald. Door een verscheidenheid aan technieken, waaronder de lichtflitsduur aanpassen aan de assnelheid, kan deze prestatie behaald worden bij een snelheid tot 100 m/s, met behoud van een uitzonderlijk lage positionele jitter bij lagere werksnelheden.

En het resultaat is ...

De EVOLUTE encoder biedt genereuze installatietoleranties van ±0,75° bij verdraaiing en ±0,5° in schuinstand en kanteling, bij een indrukwekkende afstand meetschaal-leeskop van ±250 µm. Ondertussen bieden de royale optische footprint en geavanceerde procedures voor foutcorrectie een uitstekende immuniteit tegen optische vervuiling zoals deeltjes en vette vegen, terwijl de resolutie van 50 nm behouden blijft tot 100 m/s.

QUANTiC™

De QUANTiC encoders zijn voorzien van de derde generatie unieke filteroptieken van Renishaw die het gemiddelde nemen van vele meetschaalperiodes en niet-periodieke signalen zoals vuil effectief wegfilteren. Het ongeveer blokgolfvormige patroon wordt ook gefilterd om bij de detector een zuiver sinusoïde strooiveld te verkrijgen. Daar wordt een meervingerige structuur toegepast, die fijn genoeg is om fotostromen te produceren in de vorm van vier signalen met symmetrische fasen. Deze worden gecombineerd om gelijkstromen te verwijderen en sinus- en cosinussignalen als uitgang te leveren met hoge spectrale zuiverheid en kleine afwijkingen, terwijl de bandbreedte tot boven 500 kHz behouden blijft.

Volledig geïntegreerde geavanceerde dynamische signaalconditionering - waaronder automatisch gestuurde versterking, balans en instelling - zorgt voor een lage interpolatiefout (SDE) van in de regel < ±80 nm voor kleine roterende systemen, < ±150 nm voor grote roterende systemen en < ±80 nm voor lineaire systemen.

Deze evolutie van filteroptieken, gecombineerd met zorgvuldig ontworpen elektronica, levert incrementele signalen met grote bandbreedte en een maximale snelheid van 8.800 tpm voor roterende systemen en 24 m/s voor lineaire systemen, met de laagste positionele jitter (ruis) van alle encoders in zijn klasse. Interpolatie gebeurt binnen de leeskop, en is bij de versies met fijne resolutie aangevuld met extra ruisreducerende elektronica om de jitter nog verder te reduceren tot slechts 2,73 nm RMS.

TONiC™ optisch ontwerp met annotaties

De IN-TRAC referentiemarkering is volledig geïntegreerd in de incrementele meetschaal en wordt gedetecteerd door een fotodetector in de leeskop. Deze unieke voorziening heeft ook een automatische kalibratieroutine die elektronisch de referentiemarkering faseert en de incrementele signalen optimaliseert.

TONiC™

TONiC is voorzien van de derde generatie unieke filteroptica van Renishaw die het gemiddelde neemt van vele meetschaalperiodes en niet-periodieke signalen zoals vuil wegfiltert. Het ongeveer blokgolfvormige patroon wordt ook gefilterd om bij de detector een zuiver sinusoïde strooiveld te verkrijgen. Daar wordt een meervingerige structuur toegepast, die fijn genoeg is om fotostromen te produceren in de vorm van vier signalen met symmetrische fasen. Deze worden gecombineerd om gelijkstromen te verwijderen en sinus- en cosinussignalen als uitgang te leveren met hoge spectrale zuiverheid en kleine afwijkingen, terwijl de bandbreedte tot boven 500 kHz behouden blijft.

Volledig geïntegreerde geavanceerde dynamische signaalconditionering, Auto Gain, Auto Balance en Auto Offset Controls voor een ultralage interpolatiefout (SDE) van typisch <± 30 nm.

Deze evolutie van filteroptieken, gecombineerd met zorgvuldig geselecteerde elektronica, levert incrementele signalen met grote bandbreedte en een maximale snelheid van 10 m/s met de laagste positionele jitter (ruis) van alle encoders in zijn klasse. Interpolatie door CORDIC algoritme binnen de TONiC Ti interface, met fijne resolutieversies verder aangevuld met extra geluidsreducerende elektronica om jitter van slechts 0,5 nm RMS te bereiken.

TONiC™ optisch ontwerp met annotaties

De IN-TRAC referentiemarkering is volledig geïntegreerd in de incrementele meetschaal en wordt gedetecteerd door een gescheiden fotodetector in de leeskop. Zoals het diagram laat zien, is de gescheiden detector van de referentiemarkering direct ingebed in het midden van de lineaire fotodiode van het incrementele kanaal voor een grotere immuniteit tegen verdraaiingsdefasering. Hierdoor ontstaat als uitgangssignaal een referentiemarkering die in twee richtingen werkzaam is tot de hoogste resolutie op alle snelheden. Deze unieke regeling profiteert ook van een automatische kalibratieroutine die de referentiemarkering elektronisch faseert en de dynamische meetversterker optimaliseert

VIONiC™

De VIONiC encoder is voorzien van de derde generatie unieke filteroptieken van Renishaw die het gemiddelde neemt van vele meetschaalperiodes en niet-periodieke signalen zoals vuil effectief wegfiltert. Het ongeveer blokgolfvormige patroon wordt ook gefilterd om bij de detector een zuiver sinusoïde strooiveld te verkrijgen. Daar wordt een meervingerige structuur toegepast, die fijn genoeg is om fotostromen te produceren in de vorm van vier signalen met symmetrische fasen. Deze worden gecombineerd om gelijkstromen te verwijderen en sinus- en cosinussignalen als uitgang te leveren met hoge spectrale zuiverheid en kleine afwijkingen, terwijl de bandbreedte tot boven 500 kHz behouden blijft.

Volledig geïntegreerde geavanceerde dynamische signaalconditionering - automatisch gestuurde versterking, balans en instelling - zorgt gezamenlijk voor een ultralage interpolatiefout (SDE) van in de regel < ±15 nm.

Deze evolutie van filteroptieken, gecombineerd met zorgvuldig geselecteerde elektronica, levert incrementele signalen met grote bandbreedte en een maximale snelheid van 12 m/s met de laagste positionele jitter (ruis) van alle encoders in zijn klasse. Interpolatie gebeurt binnen de leeskop, en is bij de versies met fijne resolutie nog aangevuld met extra ruisreducerende elektronica om een jitter van slechts 1,6 nm RMS te bereiken.

TONiC™ optisch ontwerp met annotaties

De IN-TRAC™ referentiemarkering is volledig geïntegreerd in de incrementele meetschaal en wordt gedetecteerd door een gescheiden fotodetector in de leeskop. Zoals het diagram laat zien, is de gescheiden detector van de referentiemarkering direct ingebed in het midden van de lineaire fotodiode van het incrementele kanaal voor een grotere immuniteit tegen verdraaiingsdefasering. Deze unieke voorziening heeft ook een automatische kalibratieroutine die elektronisch de referentiemarkering faseert en de incrementele signalen optimaliseert.

ATOM DX™

De ATOM DX encoder maakt gebruik van de in de praktijk beproefde filteroptieken zoals gebruikt in incrementele Renishaw encoders als de TONiC en VIONiC. De ATOM DX leeskoppen hebben een niet-gecollimeerde led-lichtbron, die centraal geplaatst is tussen de incrementele en referentiemarkeringsensoren. Deze led levert zeer divergent licht in een platte bundel, met een oppervlak op de meetschaal dat veel groter is dan de led zodat zowel incrementele gebieden als referentiemarkeringen beschenen kunnen worden. De incoherente led produceert een signaal van hoge harmonische zuiverheid voor interpolatie met hoge resolutie. Efficiënte fotometrie levert ook een uitgangssignaal met lage jitter. Een aanmerkelijk voordeel van deze filteroptieken is dat de ATOM DX geen meetfouten genereert vanwege golvingen of vervuiling van de meetschaal.


Volledig geïntegreerde geavanceerde methodes voor dynamische signaalconditionering, waaronder automatisch gestuurde versterking, balans en instelling, zorgen gezamenlijk voor een ultralage interpolatiefout (SDE) van in de regel < ±15 nm.


De combinatie van filteroptieken en zorgvuldig geselecteerde elektronica levert incrementele signalen voor positieterugkoppeling met grote bandbreedte en een maximale snelheid van 12 m/s met de laagste positionele jitter (ruis) van alle encoders in zijn klasse. Digitale signaalinterpolatie wordt binnen de leeskop gegenereerd, en is bij de versies met fijne resolutie nog aangevuld met extra ruisreducerende elektronica om een jitter van slechts 1,6 nm RMS te bereiken.


De ATOM DX encoder maakt gebruik van een grote enkelvoudige optische referentiemarkering buiten de baan voor een goede vuilbestendigheid. Fasering van de referentiemarkering wordt gedaan met een simpele intuïtieve routine voor zelfkalibratie, zoals gebruikt in de QUANTiC™ en VIONiC™ encoderseries.

ATOM™ optisch ontwerp met annotaties

ATOM™

ATOM maakt gebruik van een niet-gecollimeerde LED centraal gelegen tussen de incrementele en referentiemarkeringssensoren. Deze LED met hoge divergentie produceert een lage profielhoogte met een footprint op de schaal die veel groter is dan de LED, voor verlichting van incrementele en referentiemarkeringsdelen.

ATOM gebruikt dezelfde filteroptiek als gebruikt in alle incrementele encoders van Renishaw. De incoherente led produceert een signaal van hoge harmonische zuiverheid voor interpolatie met hoge resolutie. Efficiënte fotometrie produceert ook een laag jittersignaal. Een ander voordeel van de filteroptica is dat ATOM geen meetfouten genereert die te wijten zijn aan schaalvervuiling en golvingen.

ATOM maakt gebruik van een grote single feature off-track optische referentiemarkering voor een goede vuilbestendigheid. Fasering van de referentiemarkering is net zo eenvoudig als met TONiC.

ATOM™ optisch ontwerp met annotaties