Snímače pro měření polohy (odměřování) – přehled trhu

Významným oborem, který se zasloužil o rozvoj snímačů pro měření polohy a úhlového natočení, bylo strojírenství, především výroba obráběcích strojů. Zhruba v 60. letech 20. století vznikl a rychle se rozvíjel obor číslicového řízení – NC (Numerical Control). V Československu byl nástup NC řízení obráběcích strojů zachycen téměř bez zpoždění. Pro řízení polohy a později i pro spojité řízení dráhy byly nutné snímače, které pracovaly s dostatečnou rozlišovací schopností a přesností v potřebném rozsahu poloh a přitom byly dostatečně robustní a spolehlivé. Měření polohy je pro stroje NC zásadní. V češtině se pro měření polohy na obráběcích strojích vžil termín odměřování polohy, který se používá dosud. Postupně bylo (ve světě i u nás) vyvinuto a vyráběno mnoho typů snímačů pro odměřování – v různém provedení a pracujících na různých principech, např. kontaktní a indukční (nejdříve se selsyny, později v rovinném provedení indukčních měřítek – induktosynů). 

Přírůstkové snímače

Velmi se rozšířilo používání přírůstkových (inkrementálních) snímačů na optickém principu (až později vznikly přírůstkové snímače na magnetickém principu). Tradiční formou výstupů přírůstkových snímačů byla dvojice dvoufázových obdélníkových průběhů (s fázovým posunem 90°, čtvrtiny periody). Stala se standardem i pro výstupní signály jiných kategorií odměřovacích snímačů. Vyhodnocením hodnot (hladin) a jejich změn (náběžných a sestupných hran) obou obdélníkových průběhů lze vyhodnotit elementární přírůstky (inkrementy) a směr pohybu – pro každý směr to jsou čtyři inkrementy za periodu. Tyto přírůstky (impulzy) se sumarizují (přičítají nebo odčítají s ohledem na své znaménko), a vzniká tak výsledný údaj o poloze pro měřenou souřadnici. Některé snímače poskytují spojité výstupy ve tvaru dvou sinusovek posunutých o 90° (tedy sinu a cosinu). Jejich spojité průběhy lze interpolovat, a zvýšit tak rozlišovací schopnost odměřování.

Nevýhodou přírůstkových odměřovacích snímačů je právě jejich přírůstkový charakter. Kdyby se při přenosu mezi snímačem a řídicím systémem ztratily impulzy, bude výsledná informace o poloze zkreslená, popř. zcela znehodnocená. Vážnější je skutečnost, že při výpadku napájení se informace o poloze zcela ztrácí. Nepomůže ani zálohovat údaje o poloze – tím lze jen uchovat poslední hodnotu polohy těsně před výpadkem napájení, ale není možné postihnout změny polohy, které nastaly během výpadku (např. odtlačením, uvolněním, ručním zásahem, montáží) – ty jsou pro přírůstkový snímač „neviditelné“.

Při opětném zapnutí řídicího systému s přírůstkovým odměřováním je nutné nejdříve aktualizovat údaje o poloze ve všech měřených souřadnicích. To se dělá postupným nájezdem do referenčních poloh (bodů). Postupně je v každé souřadnici třeba najet do polohy, pro kterou je znám údaj o poloze, a tento údaj pak nastavit v řídicím systému – někdy je to nulový údaj, většinou ale předem zadaná nenulová hodnota. Někdy se souřadná osa v referenční poloze zastaví (pak je třeba zajistit přesný nájezd), častěji je referenční poloha zapsána za pohybu („zachycena letmo“). Pro stanovení referenční polohy jsou přírůstkové snímače vybaveny možností generovat úzký jednorázový impulz ve stanovené poloze. U rotačních snímačů se obvykle nazývá nulový impulz a generuje se jednou za otáčku. U snímačů v lineárním provedení bývá tento impulz rovněž jediný na pravítku (v určené poloze vzhledem k začátku pravítka). Někdy však lineární snímače obsahují více referenčních značek. Uvedení stroje do referenčních poloh je poměrně zdlouhavá operace, obzvláště u rozlehlých strojů s mnoha souřadnými osami a dlouhými pojezdy. Tato operace obvykle vyžaduje účast operátora, protože ji lze obtížně automatizovat – stroj může být vypnut kdykoliv a v jakékoliv poloze. Postup je třeba přizpůsobit situaci, poloze v jednotlivých souřadnicích, umístění obrobku a nástroje. 

Absolutní odměřovací snímače

Popsaným těžkostem se ztrátou impulzů je možné se vyhnout použitím absolutních odměřovacích snímačů. Údaj o poloze zahrnuje informace o vnitřním stavu snímače (např. natočení kódového kotouče, natočení rotoru selsynu, poloha jezdce k pravítku). Aktuální stav je pouze přečten a přenesen do řídicího systému, který ho převede do potřebného tvaru. Jestliže se během výpadku změnila poloha, při opětném zapnutí předá snímač řídicímu systému údaj o skutečné poloze a poté je možné bez prodlevy pokračovat v řízení.

Absolutní odměřovací snímače jsou založeny na různých principech. Často jsou používány snímače, ve kterých je poloha zobrazena v podobě kódového obrazce – obvykle má šířku 10 až 13 stop (bitů) a jednotlivé položky jsou uspořádány jako čísla v Grayově kódu, popř. čísla v přirozeném dvojkovém kódu. Nevýhodou takového typu absolutního senzoru je poměrně vysoká cena, ale především malý rozsah číselné informace o poloze (2¹⁰ = 1 024, 2¹³ = 8 194). Častěji, než pro odměřování strojů NC se používají při řízení výstředníkových lisů nebo strojů řízených na způsob vačkových mechanismů podle natočení hlavní hřídele. Existují ale i jiné principy absolutních snímačů. 

Rotační snímače polohy

Tradičně se k odměřování používají snímače v rotačním provedení. Jsou robustní, kompaktní a odolné proti průmyslovým vlivům a podmínkám na stroji. Pro řízení lineárních souřadnic u starších strojů se obvykle připojují ozubeným převodem hřebínek–pastorek, popř. třecím (frikčním) převodem. U nových strojů je už téměř výhradně používán náhon kuličkovým šroubem. V tom případě bývá rotační snímač umístěn buď na konci kuličkového šroubu, nebo na opačné straně na ose motoru. Často je integrován uvnitř motoru jako jeho nedílná součást.  

Lineární odměřovací snímače

Nové stroje jsou často osazovány lineárními odměřovacími snímači, obvykle přírůstkovými. Zpravidla jsou řešeny jako optické – transparentní nebo reflexní. Jejich výhodou je možnost přímého odměřování, kdy je přímo měřena poloha souřadnice, a tudíž nejsou zapotřebí mechanické převody. Lineární optické snímače jsou poněkud dražší a zranitelnější než rotační. Často jsou používány lineární snímače, které využívají jiné principy, než je optický, např. indukční, laserový, ultrazvukový. Některé mají pevnou konstrukci, jiné jsou naopak ohebné, v podobě planžety. Většinou jsou určeny pro měření na rovinných plochách, některé je ovšem možné přizpůsobit nerovným plochám, např. navinout na obvod válce nebo obecného tvaru, třeba vačky. 

Použití

Odměřovací snímače se dnes používají v mnoha oborech, jiných, než je řízení obráběcích strojů – všude tam, kde je třeba měřit a vyhodnocovat informaci o poloze, úhlu natočení, rychlosti a zrychlení, např. při řízení tvářecích strojů, robotů a manipulátorů, jeřábů, skladových zakladačů, přepravních vozíků, lanovek, radarů a hvězdářských dalekohledů, jsou ale i součástí počítačových myší a pákových a kulových ovladačů (trackball).

Snímače polohy se v současnosti velmi intenzivně rozvíjejí, jsou dostupné v širokém sortimentu a v širokém cenovém rozpětí. V mnoha případech lze spojitým měřením polohy a jejím vyhodnocením v programu PLC nahradit sadu dvoupolohových snímačů polohy, přiblížení nebo koncových spínačů, a realizovat tak „virtuální spínače“. Řešení je to obvykle levnější, variabilnější a spolehlivější – není třeba pracné seřizování nebo změny polohy spínačů. Výpočetní výkon současných PLC postačuje k přepočtům aktuálních hodnot polohy na rychlost a zrychlení a k řešení statistických a diagnostických úloh. 

Přehled trhu snímačů polohy

Cílem předkládaného přehledu trhu (str. 58 až 62) je poskytnout alespoň základní přehled o nabídce snímačů pro měření polohy. Je obtížné navzájem srovnávat jednotlivé typy a principy, obzvláště když se různé kategorie navzájem sbližují. Některé snímače, které byly až dosud příliš nákladné, se stávají cenově přijatelnými, navíc mají nové možnosti využití. Pro srovnání byly zvoleny tabulky pro dva typy snímačů, které lze odlišit alespoň vizuálně podle tvaru – na rotační a lineární. Některé kategorie do tohoto způsobu třídění nezapadají, např. nebyly uvažovány snímače úhlového natočení, laserové snímače apod. Je zřejmé, že heslovitý obsah kolonek v tabulkách nebo stručný popis nemůže postihnout detaily a použitelnost výrobku. Za důležité považujeme především informace o šíři sortimentu. Ostatní si již aktivní čtenář umí zjistit sám. Přejeme příjemné čtení a inspiraci při řešení technických problémů.

Ladislav Šmejkal

Obr. 1. Rozvoj snímačů pro měření polohy a úhlového natočení je spojen s vývojem obráběcích strojů NC