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 各种多圈齿轮箱绝对值编码器拆解

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Eamonyin
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楼主    2018-05-18 09:02:43
主题:各种多圈齿轮箱绝对值编码器拆解 精华帖  精编帖 

一、光学绝对值单圈编码与光学齿轮箱多圈编码

某欧系进口编码器,先看产品外观

拆开后,可见三层结构,底层是光学单圈码盘,中间是光学单圈与多圈组的编码解码电路板,上层是多光学感应器的多圈齿轮箱。

 


最上层可见多个光学传感器组件,逐级感测多圈齿轮箱的进级角度变化。



光学单圈绝对值码盘如下图:

 

光学多圈齿轮箱的原理图:



下面我们再拆一个,欧系另一家的光学多圈齿轮箱:

 


这是欧系的另一家的齿轮箱多圈绝对值编码器,因其较易损坏,SSI信号也经常被干扰,用户换下后送我。拆开看看也是全光学的组件,有塑料齿轮箱组件,光学单圈码盘埋入了底座内,打开上层多圈齿轮箱组,是这样子的如下图:


拆了上面两家都是全光电单、多圈的原理,全光电原理的多圈绝对值编码器的优势,是光学传感器的快速与所有编码的整体性编码的容易。但是缺点是光学组件太多了,各码道占用挤了,容易偏出码道,对于产品组装的成品率较麻烦,抗振动较差,以及光学组件多了,其使用寿命也会有影响,并今后使用损坏故障率较高。

于是,也有将多圈传感器组设计为磁电式的。

未完待续

一个好的选型是项目成功的一半,上海精浦已为大量西门子用户服务20年。
Eamonyin
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5楼    2018-05-19 13:22:13
精编帖  主题:回复:各种多圈齿轮箱绝对值编码器拆解

今天来拆2个光学绝对值单圈编码与磁电式齿轮箱多圈编码,德国海德汉的ROQ425--SSI绝对值多圈编码器(其同类的盲孔轴套型的型号为EQN425),选用的是另一套方案:单圈码盘用光学原理,多圈齿轮箱传感器用磁电式原理。下图是2007年以前老款的老齿轮箱:

 


而2007年后,海德汉升级了多圈齿轮箱,突出的是磁感应传感器更小,并与MCU处理器集成了,这样的刷新速度与输出速度更快,也符合其EnDat2.2的高速输出战略。海德汉的编码器突出的优势是光学精度高,输出刷新快,其单圈码盘仍然用光学的原理保持了它的高精度优点:

 



有轴型的ROQ425SSI以及轴套型的EQN425SSI在中国市场销售有二十年历史,以及大量的成功应用案例,比如三峡水利枢纽水闸开度自动化控制的应用,还有电梯平层,风电变桨系统等等。

通过以上拆解,我们又发现了两个事实:其一,是磁电式齿轮箱组,并不存在“磁电式多圈怕干扰过不去”的故事;其二,是塑料齿轮箱组,并不存在“齿轮箱怕磨损影响寿命”的故事,其实齿轮负载很轻,用非接触式感应传感器的。只要装配得好,磨损几乎可忽略。

海德汉ROQ425编码器是ssi信号输出,和西门子PLC用的话是S7-300加SM338模块,或者ET200 IO模块也可以接入ssi信号。

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Eamonyin
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6楼    2018-05-21 20:11:47
精编帖  主题:回复:各种多圈齿轮箱绝对值编码器拆解

没人回帖,我就自己顶了。

今天再看一个上海精浦的08年款齿轮箱多圈编码器GMX425的方案,恰恰与海德汉的ROQ425调了一个反向:单圈码盘用磁电的原理,而多圈齿轮箱选用了光学多圈齿轮箱组件。这是中国国产的机械齿轮编码器。


这样设计的好处是抗震动能力强,目前已有在市场上十年的大量应用,主要在水利、起重还有钢铁行业。该编码器的输出信号是modbus RTU,和西门子smart 200 是绝配,形成中低端PLC的黄金搭档,在起重行业双路同步,或者小型加工机械的三轴同步、三轴联动是最理想最经济的选择。


接下来会展示一个SICK的经典编码器ATM60的内部结构,也就是被振华港机等国内港口机械、起重机械广泛采用的以安全可靠著称的全磁多圈编码器,明天再回来。


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Eamonyin
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9楼    2018-05-23 09:33:43
精编帖  主题:回复:各种多圈齿轮箱绝对值编码器拆解

接着再看一个磁电绝对值单圈编码与磁电式齿轮箱多圈编码,是德国SICK的ATM60绝对值多圈编码器,采用了全磁电的方案:单圈磁电式绝对值与多圈齿轮箱都是用磁电式绝对值编码,多圈五级齿轮磁电式感应的绝对值编码,拆开ATM60的外壳后盖,可见五级齿轮传动,以及五个磁电式感应器(五个屏蔽壳)。

 


ATM60编码器最常见的是Profibus-DP输出,和西门子300PLC搭配,ATM60由于没有光学组件,其抗振动等级达到了20G(光学式的是10G),全磁电式的抗振动等级高,抗灰尘水汽,没有光学组件而寿命长,以及全量程绝对值编码的突出个性,使得这款产品在中国市场港口机械、起重机械以及宝钢改造项目中有很好的业绩表现。其缺点是角度精度不及光学式的。



看完SICK,再来看一个上海精浦公司全新齿轮箱方案,是磁电的单圈、多圈齿轮箱的一体化设计,单圈传感器与多圈传感器在同一个平面上:这是公布的产品示意图

 


那也拆开一个看看,打开外壳,看到只有一层电路板


取下电路板,里面有中心磁铁,以及多极齿轮传动比的另三个磁铁

齿轮箱结构再看一下,是在同一平面上


这样设计的好处,应该是数据处理速度快,当然还有成本,这款编码器是Profinet信号输出的,也是目前市面上为数不多的机械齿轮箱的Profinet编码器,性价比非常的高,配合西门子最新的PLC 1200 和1500 是最佳的绝对值编码器和PLC的搭配组合。


现在机械绝对值的观念越来越深入人心,电机里面也集成了机械绝对值,公司里有一个新到的东方马达,等我,也拆开看看结构。

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Eamonyin
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10楼    2018-05-27 16:31:29
精编帖  主题:回复:各种多圈齿轮箱绝对值编码器拆解

下面再拆一个日系步进电机(东方马达)上的游标齿轮轮箱多圈绝对值编码器:



拆开后部的外壳,可见里面一个金属屏蔽壳


拆开金属屏蔽壳


揭开电路板

 


我们看到了有齿轮箱

再近看,可以看出是用游标式原理计算齿轮转过之后的游标差


日系的绝对值多圈编码器走了另一条路线,用游标齿轮,其原理是两个大小齿轮比的差异,每转一圈,两个齿轮的角度就有一个游标差。利用游标差计算圈数位置(绝对值码,日本专利)

 

这种游标齿轮多圈,齿轮数少,空间紧凑利用率高,但是对于齿轮精度与安装精度要求很高,因为其就是利用了两个齿轮角度差比较计算圈数位置的。一般是电机厂家自己直接安装,不经过中间联轴器。日系的齿轮箱多圈绝对值编码器没有在中国市场单独卖的,都是配在日系电机上进入中国市场。


以上各种绝对值多圈编码器,或者是运用了钟表原理,或者是用游标齿轮差原理,或者干脆将一个多圈测量的问题,通过行星减速箱转变为一个单圈绝对值的测量。它们都有一个共同的地方:没有用计数器的全量程的绝对值编码,预先有每个位置唯一性编码,也就是机械式的绝对值编码,而不是电子式多圈(有增量计数器)。它们大部分的齿轮材料用的是尼龙塑料,并不存在“齿轮不经磨损容易坏”的某方面讲的故事(其实齿轮负载很小,磨损几乎可忽略);它们也有多种是用了磁电式原理,也不存在磁电式怕干扰的某方面说辞;它们都是不掺假的真多圈绝对值编码器。

 

做工业,要的就是可确定性!机械绝对值就相当于瑞士机械手表:机械永恒,您值得拥有!





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19楼    2019-05-04 14:41:48
精编帖  主题:回复:各种多圈齿轮箱绝对值编码器拆解

       使用增量型编码器或者单圈绝对值编码器,也是可以实现多圈位置检测和记录功能,但却需要依赖设备系统的正常运行才能够顺利完成的,比如起重机械测量行走的长度,用增量和高速计数口也能做到,但是必须依赖PLC读取增量的脉冲进行计数而得到的数值,如果PLC计错或者增量编码器遇到干扰,得到的数据就会出现错误,前面的帖子就有用户提到增量编码器用着用着脉冲少了的情况。所以要实现位置测量数据的准确性和安全可靠性,就非常有必要考虑使用机械多圈绝对值型编码器,通过该帖子对机械多圈编码器的解刨我们能认识到,无论何种形式的机械多圈绝对值编码器都可以无需进行任何位置计数和圈数累加方面的算法处理,直接引用编码器输出的反馈数据,在其多圈旋转范围内不会出现重复的位置信号输出,所有的值都是唯一的。(特别提示:韦根不是机械多圈的,是一种记圈方式,类似于单圈绝对值编码器)

       那么有用户提出 ,说不知道绝对值编码器和PLC怎么连接,接下来我们就以西门子200 smart 举例,来讨论一下和modbus RTU 连接通讯的方式。

         西门子S7-200 smart为中国用户的使用习惯而集成了1个RS485通讯口,该通讯口可以实现RS485自由口通讯,西门子已经为客户开发ModbusRTU主站和从站通讯指令库-USS通讯指令库,受到了广大PLC用户的欢迎,其中最大的实惠就是可以连接modbus RTU协议的绝对值编码器了,RS485的通讯口modbus的协议,我们就习惯的将modbus编码器简称为RMB编码器,RMB的谐音大家都熟悉,好记,以下modbus RTU编码器都简称RMB编码器。

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Eamonyin
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20楼    2019-05-04 15:07:37
精编帖  主题:回复:各种多圈齿轮箱绝对值编码器拆解

接上文,我们这里要介绍S7-200 smart和绝对值多圈编码器的通讯,S7-200 smart作为主站,绝对值编码器作为从站,首先是硬件准备:

1、西门子PLC S7-200 smart 1台

2、绝对值编码器GMX60 R12/12E10 RMLB(9600B),以下简称RMB编码器

3、装有STEP7-MicroWIN SMART软件的电脑

4、网线

  西门子PLC S7-200 smart 的接线方式,如图1


还有编码器的接线方式

这里的接线编码器的电源从PLC里取


      在进入PLC编程前可以对编码器进行一些小的设置,前面提到了,如果一个PLC带多个编码器的话,PLC作为主站,编码器作为从站,需要对编码器进行地址设置,RMB编码器自带的EasyPRO设置软件,非常简单的可以设置地址,Easy就是容易的意思。

      使用MODBUS RTU总线信号的编码器进行多个(≤9) 编码器对一个 RS485 接口作从站连接时, 可分别给编码器设定不同的地址(如 01,02,03..)

这里注意最下面,“编程允许线接地时允许通讯握手”前面的√必须打上,如果不打√就是主动发送模式。

这里设置地址为1,这里在后面的PLC编程会体现出来。


      设置完地址,可能需要设置波特率,PLC与编码器之间,双方约定一个相同的通信速度称之为波特率。 通讯中要求双方有相同的波特率, 以便正确地识别被传输的数据位。 波特率决定了通讯的速度,波特率越小, 通讯速度越慢, 同时出错率也越低。一般设置为19200,也有传输距离长的设置为9600;

这里我们设置波特率为19200,编程时会体现出来

 

然后可能会根据安装方法不一样,会需要调整编码器数据的方向,顺时针为面对编码器转轴端面, 顺时针旋转, 编码器数值增大。逆时针为面对编码器转轴端面, 逆时针旋转, 编码器数值增大。 

比如在起重大车的车轮上,一左一右,编码器都是装在最外边,这时一个编码器顺时针,一个编码器逆时针,当然有人说可以在PLC里面用算法实现一顺一逆,可是编码器自带方向选择岂不是更方便。


接下来再介绍一个典型的应用功能,置位功能

       外部置位值即编码器外部置位线(灰色线)和高电平接触后编码器回到的值,比如零位,也可以根据机械位置设置任意的值,比如中点置位。

       这是个非常有用的功能,比如,我在机械位置开到零点时,只要对编码器进行置位,数据就可以回到零,如果没有这个功能,你可能就需要手动去找这个零位,现在社会什么最贵,人工最贵、时间最贵,你可能耗不起这个时间,RMB编码器可以实现。

再比如,有些特殊场合的卷扬机位置,我们经常会遇到需要吊装到水平面以下的,假设水平面上是10米,水平线下也是10米,就可以设置为中点置位,同样的只要把机械开到中间置位,数据就回到中点,简单方便,有些进口编码器只有零点置位,没有任意位置置位功能,调试中还真的不是很方便呢。

 

好了,编码器的最基本的设置完成后,可以连PLC进程序了:

1.打开 Micro/WIN SMART软件 - -> 选好PLC型号 - -> ModbusRTU的指令在软件安装编程软件之后的库 菜单里面可以找到在“库”中调用“MBUS_CTRL”和“MBUS_MSG“两个子程序



使用 SM0.0 调用 MBUS_CTRL 完成主站的初始化,并启动其功能控制。

上图示例为编程插入指令

各参数意义如下:

1、EN(使能):必须保证每一扫描周期都被使能(使用 SM0.0)

2、Mode(模式):为 1 时,使能 Modbus 协议功能

3、Baud(波特率):编码器支持的通讯波特率为9600,19200,38400,57600,115200。这里就是之前介绍的设置为19200

4、Parity(校验):校验方式选择2=偶较验

5、Port(端口号):0 = CPU 集成的 RS 485 通讯口

6、Timeout(超时):主站等待从站响应的时间,以毫秒为单位,典型的设置值为 1000 毫秒(1 秒)

注意: 这个值必须设置足够大以保证从站有时间响应。

7、Done(完成位):初始化完成,此位会自动置1。可以用该位启动 MBUS_MSG 读写操作


二、PLC读取编码器参数的操作

给MODBUS指令分配库寄存器

编译、下载,可以在状态图表里监控VD200数据

PLC读到的编码器数据存放在VD200里

各参数意义如下:

1、EN(使能):同一时刻只能有一个读写功能(即 MBUS_MSG)使能

注意:建议每一个读写功能(即 MBUS_MSG)都用上一个 MBUS_MSG 指令的 Done 完成位来激活,以保证所有读写指令循环进行。

2、First(读写请求位):每一个新的读写请求必须使用脉冲触发

3、Slave(从站地址):可选择的范围 1 – 247,刚刚前面介绍的了,我们设为1

4、RW(读写请求):0 = 读

注意:

1. 开关量输出和保持寄存器支持读和写功能

2. 开关量输入和模拟量输入只支持读功能

5、Addr(读写从站):选择读写的数据类型,数据地址:30002

6、Count(数据个数):通讯的数据个数(位或字的个数)

注意: Modbus主站可读/写的最大数据量为120个字(是指每一个 MBUS_MSG 指令)

7、DataPtr(数据指针):

1. 如果是读指令,读回的数据放到这个数据区中

2. 如果是写指令,要写出的数据放到这个数据区中

8、Done(完成位):读写功能完成位


RMB编码器和西门子S7-200 smart 的应用比如变频定位,和伺服配合的可以做位置闭环,当然编码器是在慢速端的,还有双电机同步,x y z三轴交叉同步或者互动,还有四个吊点的同步控制等等。

如果数据传输速度快的可以考虑用profinet通讯方式的,接下来我将整理 西门子PLC  1200和1500 与 profinet编码器的通讯连接方式……

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