智能光学编码器加速工业4.0自动化和机器人领域的创新

时间： 2022-10-20 来源：TT Electronics官网

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工业4.0始于采用智能传感技术的智能工厂，其中数字化的智能平台可以实现一流的制造过程。数据驱动的制造依赖于智能传感器，它能够以最小的停机时间、最大的效率和可持续的吞吐量实现制造过程和预测性维护。这种精确的控制、数据采集和处理水平由新一代高度集成、多功能的智能光学传感器来保证。

光学传感器是工业自动化和机器人应用的感觉神经系统的关键部分。智能光学传感器是为了应对现代生活方式的变化而开发的，这些变化强调移动性、功耗效率以延长电池寿命、环境光对全日阳光的免疫力、检测不同物体表面反射率的可编程性、温度补偿和老化。下一代传感器更进一步，提供了突破性的功能，通过降低工程成本和精力来加快上市时间。以TT Electronics公司的FlexSense 光电编码器传感器为例，这款下一代设备不仅能够以检测运动和位置作为其主要功能，而且还能监控其环境，诊断潜在系统故障的早期迹象。通过“一刀切”的解决方案降低产品组合复杂性，提高制造吞吐量和成本效率。

大多数编码器检测旋转或线性运动信息，然后反馈到计算机中，用于测量和控制速度或位置。主要应用是电机控制、速度和方向反馈、机器人技术和数控CNC机床。传统的编码器系统使用传感器，这些传感器有固定的元件阵列，设计用于特定的码轮配置。

相比之下，FlexSense等优化传感器上的高分辨率像素阵列是用户可编程的，可以在几秒钟内快速定制不同尺寸的码轮半径（从10到40mm）和每转多次脉冲。这种优化的编码器包括2个正交轨道，可以编程为具有模拟或数字输出和1个索引轨道。它与每英寸高达1200行的码盘分辨率兼容，或在15毫米光学半径下的4096PPR，与片上四轨插值（2x，4x，8x）和（功率2至2048）分区兼容。本振频率高达400kHz的四轨输出特性，模拟输出的总谐波失真小于1.0%，模拟输出在40mW/cm²时瞬态噪声小于或等于信号幅度的1.0%，数字输出的角位置精度±部分在100K，或在1500PPR时约为12角秒。它采用单电源3.3V±10%运行。所有这些特性集成在一个紧凑的32引脚5mm×5mm×0.65mm光学QFN表面贴装封装中，其环境工作温度范围宽至-40~+125℃。

光电编码器的三个主要性能特点是：分辨率、精度和可重复性。

分辨率是由待测位置数量决定的字节比特数。如果一个系统需要在25cm以上以0.01mm的增量测量丝杠的行程，那么就需要一个分辨率为25000字的编码器。工业编码器可以提供超过16，384个字（16位）的直接读数。

精度是指输出信号相对于轴位置的精度。在典型的工业绝对式单圈编码器中，输出信号在理想的+11/2LSB以内，分辨率可达13位。对于较高的分辨率，达到了±1的精度。对于多圈编码器，输入（细）编码器±1计数的值，转换为16位编码器的ta标称精度=-40角秒。

可重复性是编码器每次在轴处于相同位置时读取相同字的能力。重复性与准确性无关。它比精度好10倍，但会受到其他系统组件（联轴器、齿轮等）的影响，这些组件可能具有机械滞后。

优化后的编码器读取正交信号A+、A-、B+、B-。通过对这些信号进行正确的解码和计数，可以确定编码器的运动方向、速度和相对位置。旋转的方向可以通过监测两个信号的相对相位来检测。例如，如果通道A引导通道B，那么CCW的运动可以被指示。相反，如果通道B引导通道A，则可以指示CW转动。信号周期越短，测量步长越小。

利用智能传感器采用智能工厂技术只是现代工业发展的开始。工业4.0要求采购、财务、销售、营销等智能核心业务的全面融合。这创造了一个动态的数字生态系统，使人、机器和系统能够在最佳的技术共生中协同工作。通过使用FlexSense传感器等智能编码器选项，配合数据分析和复杂的人工智能策略，工业运营可以获得转换和维持商业价值所需的智能。