Arbeitsprinzipien 5. > Induktive Technologie > Optische Technologie (Linear-Encoder) > Digitales Netzwerk (Orbit )

Transkript

1 Arbeitsprinzipien 5 Im folgenden Kapitel werden die Grundprinzipien erläutert, auf denen die Produkte von Solartron Metrology zur linearen Messung basieren. > Induktive Technologie > Optische Technologie (Linear-Encoder) > Digitales Netzwerk (Orbit )

2 6 Induktive Technologie Arbeitsprinzip Mithilfe einer Spule (Primärwicklung) und zwei Sekundärwicklungen wird ein induktiver LVDT- Wegaufnehmer gebildet. Die Wicklungen werden auf einer hohlen Spule gebildet, durch die sich ein Magnetkern bewegen kann. Der Magnetkern bildet einen Pfad, um die Spulen über den magnetischen Fluss zu verbinden. Wenn die Primärwicklung an eine Wechselstromquelle angeschlossen wird, beginnt Strom in die Sekundärspulen zu fließen. Ein vereinfachtes elektrisches Schaltbild wird in der Abbildung dargestellt. Spule Anker (Kern) V A V EXC V B Die Sekundärspulen A und B werden gegenphasig in Reihe geschaltet, sodass die beiden Spannungen V A und V B gegenphasig sind und der Aufnehmerausgang V A -V B beträgt. Wenn sich der Kern in der mittleren Position befindet, werden Spannungen mit gleicher Höhe, aber entgegengesetzter Phase in jeder Sekundärspule induziert, und der Ausgang ist null. Da der Kern in eine Richtung bewegt wird, steigt die Spannung in der jeweiligen Sekundärspule an, während die andere Spule eine zusätzliche Spannungsreduzierung erfährt. Der Effekt ist ein Aufnehmerspannungsausgang proportional zur Verschiebung. Sekundärspule A Verschiebung Wechselstrom W V EXC Primärspule Sekundärspule B Kern + V OUT = V A -V B Spannungsausgang Der Ausgang eines LVDT ist eine lineare Verschiebungsfunktion über seinen kalibrierten Messbereich. Außerhalb dieses Bereichs wird der Ausgang immer nichtlinearer. Der Messbereich wird definiert als ± Abstand von der Nullposition des Aufnehmers. A B - Spannungsausgang Gegenphase Messbereich M Kern bei A Kern bei 0 (null) Kern bei B

3 Halbbrücken-, LVDT- und digitale Aufnehmer 7 Der Lineare Variable Differentialtransformator (LVDT) und die Halbbrücke sind zwei alternative Ansätze zum Spulenformat und werden in diesem Kapitel beschrieben. LVDT- und Halbbrückenaufnehmer wandeln die Bewegung eines Kerns innerhalb des Magnetfeldes, das von einer unter Spannung stehenden Spule erzeugt wird, in ein erkennbares elektrisches Signal um. Halbbrücke Linearität Halbbrücke Der Halbbrückenaufnehmer bildet einen halben Wheatstone-Brückenschaltkreis, der ermöglicht, dass Änderungen von null leicht bestimmt werden. Die andere Hälfte der Brücke ist in den Verstärker eingebaut. Wenn sich der Kern in einer mittleren Position befindet, sind die beiden Signale V A und V B gleich. Wenn der Kern verschoben wird, erzeugt die relative Induktivität der beiden Wicklungen eine komplementäre Änderung bei V A und V B. LVDT Linearität LVDT Wenn sich der Kern in einer mittleren Position befindet, ist die Verbindung der Primärspule (V EXC ) zu jeder Sekundärspule gleich, sodass V A =V B und der Ausgang V 0UT = 0 sind. Wenn der Kern verschoben wird, weicht V A von V B ab und der Ausgang V 0UT ändert sich in Stärke und Phase proportional zur Bewegung. Solartron Halbbrücken- und LVDT-Aufnehmer Die kontinuierliche Entwicklung von Präzisionsspulenformen und Mehrkammerspulenwicklungen durch Solartron Metrology garantieren eine hervorragende Linearität und thermische Stabilität im gesamten Bereich. Solartron Halbbrücken- und LVDT-Aufnehmer Linearität Digitale Solartron Orbit-Aufnehmer Die digitalen Aufnehmer von Solartron Metrology werden mit einem rückverfolgbaren Interferometer kalibriert und mit einem Kalibrierschein ausgestellt. Alle digitalen Aufnehmer werden mit eingebauter Elektronik ausgestattet, die Informationen wie zum Beispiel ID, Messbereich, Kalibrierung usw. speichert. Digitale Aufnehmer bringen eine bessere Leistung als traditionelle analoge Aufnehmer. Die in diesem Katalog angegebenen Werte enthalten alle mechanischen Fehler innerhalb des Tasterkopfes sowie alle Fehler in den Elektronikschnittstellenmodulen.

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5 Optische Technologie 9 Solartron Linear Encoder arbeiten nach dem Prinzip der Interferenz zwischen zwei Beugungsgittern. Solartron verwendet Präzisionsgitter vom Typ Ronchi mit einer 10 µm Periode, die auf einem Quarzsubstrat mit sehr niedriger Temperaturausdehnung aufgebracht werden. Kollimiertes Licht von einer Leuchtdiode (LED) beleuchtet ein Beugungsgitter und erzeugt dadurch eine räumlich modulierte Lichtintensität hinter dem Gitter. In einem bestimmten Abstand zum Gitter wird ein zweites Beugungsgitter mit gleichen Beugungseigenschaften verwendet (die Skala), um die Helligkeitsunterschiede während der Bewegung aufzunehmen. Eine Photodiode hinter der Skala wandelt die kontraststarken Helligkeitsunterschiede in ein elektrisches Signal welches in direktem Zusammenhang mit der Bewegung der Skala steht. Das periodische Signal lässt eine eindeutige Bewegungsrichtung nur über kurze Distanzen entsprechend der periodischen Einteilung auf den Gittern zu. Durch die Verwendung von 4 phasenverschobenen Beugungsgittern wird eine Richtungserkennung möglich. Zusätzlich macht eine Referenzmarke auf der Skala eine eindeutige Positionserkennung nach Aus- und Einschalten des Systemes möglich. Durch den rauscharmen Signalausgang des Encoder Systemes ist eine Interpolation möglich die eine hohe Auflösung von 0,05 µm oder weniger zulässt. Über relativ lange Messbereiche ist diese Technologie sehr genau, allerdings nicht so robust wie die indutive Sensortechnologie. Genauigkeit bis zu 0,4 µm Auflösung kleiner als 0,0125 µm Gitter Ebene Welle Talbot-Teilbild (niedriger Kontrast) (doppelte Raumfrequenz) Punktquelle Negatives Selbstbild Positives Selbstbild

6 10 Orbit digitales Netzwerk Digitaler Messtaster Wegaufnehmer Blockmesstaster Biegetaster Linear-Encoder Minitaster Fühlhebelmesstaster Digitale Anzeige 11 Orbit basiert auf einem RS485- Halbduplex-Mehrpunkt-Netzwerk. Es können sich mehrere Sender und Empfänger auf der Datenübertragungsleitung befinden. Doch zu einem bestimmten vorgegebenen Zeitpunkt kann nur ein Sender aktiv sein. Das Orbit-Protokoll dient dazu, die Identität des aktiven Senders zu bestimmen. Orbit ist ein sehr effektives System für die Verwendung innerhalb von kleinen bis mittelgroßen Industrienetzwerken mit einer Geschwindigkeit von bis zu 1,5 Mbaud. Jedes Modul, das an das Netzwerk angeschlossen ist, wandelt seinen Eingang (Wechselstrom, Gleichstrom oder digital) in digitale Daten um, die durch asynchrone Übertragung auf dem RS485-Netzwerk übertragen werden (Poll/Response). Auf der Empfängerseite dieser Datenübertragungsleitung steht eine Reihe von Controllern zur Auswahl - eine PCI-Netzwerkkarte für die Verwendung mit einem PC, eine USB-Schnittstelle, ein RS232-Schnittstellenmodul oder Solartrons eigenes digitales Display. Die Schnittstellenauswahl hängt von der Anwendung und vom Orbit- Betriebsmodus ab (standardmäßig gepuffert oder dynamisch). Microsoft, Windows 98, Windows ME, Windows 2000, Windows XP, Windows NT, Excel, VBA und VB sind eingetragene Warenzeichen oder Warenzeichen der Fa. Microsoft Corporation in den Vereinigten Staaten bzw. in anderen Ländern. Delphi und C++ Builder sind eingetragene Warenzeichen der Fa. Borland Software Corporation. LabVIEW ist ein eingetragenes Warenzeichen der Fa. National Instruments. Orbit ist ein eingetragenes Warenzeichen der Fa. Solartron Metrology. Alle Orbit-Produkte sind mit dem CE-Zeichen versehen.

7 11 Orbit Eingänge Encoder-Eingangsmodul Digitales E/A-Modul C Pa N Analoges Eingangsmodul Federvorschub oder Pneumatik- Messtaster mit einem Durchmesser von 8 mm oder 6 mm und Messbereichen von 1, 2, 5, 10 oder 20 mm 2 Digitale Wegaufnehmer mit Messbereichen von 2 bis 200 mm 3 Robuster Aufnehmer für Messungen mit Messbereichen von 2,0 bis 10 mm 4 Spiel- und reibungsfreier Aufnehmer mit exzellenter Wiederholgenauigkeit ohne Kugelführung; 2 mm Messbereich 5 Geführte optische Encoder mit hoher Genauigkeit und Messbereichen von 12 und 25 mm 6 Robuster Kleinstaufnehmer, ideal für begrenzte ID/OD Applikationen 7 Kleiner Stifttaster, der vielseitige Montagemöglichkeiten bietet, Messbereich von 0,5 mm 8 Schnittstelle für Dreh- und Linear-Incremental-Encoder (TTL) 9 Schnittstelle für Einzelschalter und für Schaltausgänge. 8 E/A- Leitungen 10 Schnittstelle für physikalische Sensoren mit Gleichstromausgang oder 4-20 ma Andere Orbit-Module (ohne Abbildung) Stromversorgungs- Schnittstellenmodul: versorgt die Orbit-Module mit Strom Antriebsmodul: Steuerungsmodul für die Verwendung mit motorisierten Versionen der Linear-Encoder RS232-Schnittstellenmodul USB-Schnittstellenmodul Orbit-PCI-Netzwerkkarte Orbit Software Orbit -Controller Orbit-Controller Anzahl an Geräten 11 Digitale Anzeigen Bis zu RS232 Schnittstellenmodul Bis zu USB Schnittstellenmodul Bis zu Netzwerkkarte Bis zu 62 im Standardmodus Beschreibung Displaymodul Serielle Schnittstelle (Einkanal) Serielle Schnittstelle (Einkanal) 2 Kanal/PCI-Karte. Can- Schnittstelle 31 Module pro Kanal Modul-Support Standard Standard und gepuffert Standard und gepuffert Standard, Dynamisch (highspeed) und gepuffert Solartron Metrology bietet Support- Software für Microsoft Windows. Diese Software umfasst eine COM- Objektbibliothek für COM- Anwendungen und DLL für Programmierung auf unteren Ebenen. Das ermöglicht, dass Aufnehmermesswerte direkt in Excel erfasst werden. Support wird außerdem für alle größeren Programmiersprachen wie zum Beispiel VBA, VB, C++, Borland C Builder und Delphi angeboten.

8 12 Vorteile von Orbit > Einfaches Modulsystem, alle Komponenten können einfach, schnell und kostengünstig zusammengesetzt werden. > Alles aus einer Hand: Alle Messkomponenten werden einschließlich Sensoren, Elektronik, Verbindungssystem und Softwaretreibern geliefert. > Die Kombination von Solartron s digitalen Produkten in einem Netzwerk. Zusätzlich zu den digitalen Aufnehmern von Solartron können durch das analoge Orbit- Eingangsmodul (AIM) externe Sensoren, z.b. Drucksensoren, Temperatursensoren oder Kraftsensoren, angeschlossen werden. Durch das digitale Orbit-Eingangs- /Ausgangsmodul (DIOM) werden Schalteingänge gelesen und Steuerausgänge eingestellt. > Die Verkabelung zwischen dem Messsystem und dem Computer wird reduziert bis zu 31 Messmodule werden durch ein einziges Kabel angeschlossen. Große Messsysteme (bis zu 372 Module in einem einzigen System) werden mit minimaler Vernetzung aufgebaut. > Messwerte werden direkt in Microsoft Excel übernommen, wodurch eine leistungsstarke Datenverarbeitungsfähigkeit und eine schnelle Messsystementwicklung möglich sind. Support für alle normalen Programmiersprachen einschließlich National Instruments LabVIEW. > Die Aufnehmer sind permanent an die Elektronik angeschlossen und werden als einzelne Einheit kalibriert; eine Anpassung ist nicht erforderlich. Somit wird garantiert, dass die Kalibrierung nicht versehentlich aufgehoben oder unerlaubt verändert werden kann. Die Spezifikationen enthalten den Gesamtmessfehler. > Alle aktiven Orbit-Komponenten sind mit dem CE-Zeichen versehen und verfügen über eine hervorragende Unempfindlichkeit gegenüber elektrischem Rauschen und haben einen niedrigen Emissionspegel. > Weniger elektrische Aufnehmerkonfigurationen bedeuten, dass deutlich weniger Ersatzteile bevorratet werden müssen. > Eine flexible Messtasterkonstruktion ist möglich, da nicht zwangsläufig ein Messtaster mit einem kurzen Messbereich verwendet werden muss, um eine hohe Auflösung zu erzielen. > Die digitalen Aufnehmer von Solartron, die mit Laserinterferometern kalibriert werden, verfügen über ein Error-Mapping, wodurch die Linearität deutlich verbessert wird. Bei Messanwendungen wird dadurch die Anzahl der benötigten Referenzpunkte reduziert, wodurch die Investitionskosten und die laufenden Betriebskosten gesenkt werden. > Bis zu Messwerte pro Sekunde für dynamische Hochleistungsfähigkeit. Synchronisiert Messwerte mehrerer Aufnehmer, sowie lineare Messungen mit Winkelmessungen durch das Orbit-Encoder- Eingangsmodul (EIM). > Die programmierbare Auflösungs- und Messbrandbreite ermöglicht quasi-statische und sehr rauscharme Messungen mit hoher Auflösung (bis zu 18 Bit). y-achse: Fehler (µm) x-achse: Verschiebung (mm) Linearität > Vergleich zwischen einem digitalen 2-mm- Messtaster und einem analogen ±1-mm- Messtaster