اندازه‌گیری موقعیت و جابه‌جایی؛ از انکودر تا سنسورهای خطی دقیق
اندازه‌گیری موقعیت و جابه‌جایی؛ از انکودر تا سنسورهای خطی دقیق
در یک خط تولید، چند میلی‌متر خطا می‌تواند تفاوت میان یک محصول قابل‌قبول و یک قطعه معیوب باشد. بازوی رباتیک باید دقیقاً در نقطه تعیین‌شده متوقف شود، محور دستگاه CNC باید موقعیت واقعی خود را به کنترلر گزارش دهد و جک هیدرولیک نیز باید بدون حدس‌زدن، میزان باز یا بسته‌شدن خود را مشخص کند. همه این فرایندها به یک مفهوم اساسی وابسته‌اند: اندازه‌گیری موقعیت و جابه‌جایی.
برای انجام این اندازه‌گیری از تجهیزات مختلفی مانند انکودر دورانی، انکودر خطی، سنسور مغناطیسی، سنسور کششی، پراب اندازه‌گیری، LVDT و سنسور فاصله استفاده می‌شود. هر فناوری نیز ویژگی‌ها، محدودیت‌ها و کاربردهای خاص خود را دارد. بنابراین، انتخاب یک سنسور تنها بر مبنای دقت اسمی یا قیمت آن، الزاماً نتیجه مناسبی ایجاد نمی‌کند.
چرا اندازه‌گیری موقعیت و جابه‌جایی در صنعت اهمیت دارد؟
کنترل یک حرکت زمانی امکان‌پذیر است که موقعیت واقعی بخش متحرک مشخص باشد. کنترلر صنعتی باید بداند شفت موتور چند درجه چرخیده، میز دستگاه چه مسافتی حرکت کرده، پیستون در چه نقطه‌ای قرار دارد یا قطعه تولیدشده تا چه اندازه با ابعاد استاندارد مطابقت دارد.
تفاوت اندازه‌گیری موقعیت با اندازه‌گیری جابه‌جایی چیست؟
موقعیت نشان می‌دهد یک جسم یا محور در حال حاضر در کجا قرار دارد. برای مثال، موقعیت یک محور دورانی می‌تواند ۹۰ درجه و موقعیت یک پیستون خطی می‌تواند ۲۵۰ میلی‌متر باشد.
در مقابل، جابه‌جایی مقدار تغییر موقعیت نسبت به یک نقطه اولیه یا مرجع را نشان می‌دهد. اگر یک قطعه از نقطه ۱۰۰ میلی‌متری به نقطه ۱۴۰ میلی‌متری حرکت کند، جابه‌جایی آن ۴۰ میلی‌متر است.
انکودر افزایشی یا مطلق؛ کدام انتخاب مناسب‌تری است؟
انکودر افزایشی
انکودر افزایشی هنگام چرخش شفت، مجموعه‌ای از پالس‌ها تولید می‌کند. کنترلر با شمارش این پالس‌ها می‌تواند میزان حرکت، سرعت و جهت چرخش را محاسبه کند. این نوع انکودر معمولاً برای کنترل سرعت موتور، شمارش حرکت و کاربردهایی مناسب است که امکان تعریف یک نقطه مرجع در آن‌ها وجود دارد.
انکودر مطلق
در انکودر مطلق، هر موقعیت شفت دارای یک مقدار منحصربه‌فرد است. در نتیجه، کنترلر پس از روشن‌شدن سیستم می‌تواند موقعیت را بدون اجرای فرایند مرجع‌گیری دریافت کند. این ویژگی برای جرثقیل‌ها، ماشین‌آلات چندمحوره، سیستم‌های انبارداری خودکار و تجهیزاتی که حفظ موقعیت در آن‌ها اهمیت دارد، مفید است.
انتخاب میان این دو فناوری باید براساس معماری سیستم انجام شود. انکودر افزایشی معمولاً انتخابی ساده برای کنترل سرعت و حرکت نسبی است، درحالی‌که انکودر مطلق در پروژه‌هایی اهمیت پیدا می‌کند که موقعیت واقعی محور باید بلافاصله در دسترس باشد.
انکودر خطی چگونه موقعیت را اندازه‌گیری می‌کند؟
برخلاف انکودر دورانی که زاویه چرخش شفت را اندازه‌گیری می‌کند، انکودر خطی برای تعیین موقعیت در امتداد یک مسیر مستقیم به کار می‌رود.
فناوری‌های مهم اندازه‌گیری جابه‌جایی خطی
برای اندازه‌گیری موقعیت و جابه‌جایی خطی تنها یک فناوری وجود ندارد. انتخاب نهایی به طول مسیر، دقت، سرعت حرکت، شرایط محیطی و نحوه تماس سنسور با قطعه بستگی دارد.
سنسور کششی یا Draw-Wire
در این تجهیزات، یک کابل به بخش متحرک متصل می‌شود. با حرکت جسم، کابل از قرقره بیرون می‌آید و انکودر متصل به قرقره، میزان جابه‌جایی را اندازه‌گیری می‌کند.
سنسورهای مگنتواستریکتیو
در این فناوری، یک آهنربا همراه بخش متحرک حرکت می‌کند و موقعیت آن بدون تماس مکانیکی مستقیم اندازه‌گیری می‌شود. نبود تماس سایشی میان بخش متحرک و عنصر اندازه‌گیری، این فناوری را برای کارکردهای پیوسته و محیط‌های صنعتی مناسب می‌کند.
سنسورهای LVDT
LVDT یا ترانسفورماتور تفاضلی متغیر خطی، تغییر موقعیت یک هسته را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند. این فناوری برای اندازه‌گیری جابه‌جایی‌های کوچک، کنترل ابعادی قطعات، تست محصول و تجهیزات آزمایشگاهی مناسب است.
سنسورهای لیزری فاصله
سنسورهای لیزری بدون تماس با سطح جسم، فاصله یا تغییر موقعیت آن را اندازه‌گیری می‌کنند. این تجهیزات برای اجسام حساس، سطوح متحرک، اندازه‌گیری ضخامت و کاربردهایی مناسب‌اند که تماس مکانیکی با قطعه امکان‌پذیر نیست.
مقایسه کاربردی شش برند اندازه‌گیری موقعیت و جابه‌جایی
|
برند |
حوزه شاخص |
مناسب برای |
|
Posital |
انکودر مطلق و افزایشی، انکلینومتر و سنسور کششی |
کنترل حرکت، ماشین‌آلات و اندازه‌گیری مسیرهای خطی |
|
Heidenhain |
انکودر خطی، دورانی و زاویه‌ای دقیق |
CNC، ماشین‌ابزار و محورهای دقیق |
|
Temposonics |
سنسور خطی مگنتواستریکتیو |
سیلندر هیدرولیک و اندازه‌گیری بدون تماس |
|
Solartron |
LVDT، پراب دیجیتال و سنجش ابعادی |
کنترل کیفیت و اندازه‌گیری جابه‌جایی‌های کوچک |
|
Mahr |
تجهیزات اندازه‌شناسی و اندازه‌گیری ابعادی |
تولید، آزمایشگاه و کالیبراسیون |
|
انکودر و سنسورهای فاصله |
کنترل موقعیت، طول، فاصله و ضخامت |
این جدول نشان می‌دهد که نمی‌توان یک برند را برای تمام پروژه‌ها «بهترین» دانست. انتخاب مناسب به این بستگی دارد که هدف، کنترل حرکت یک محور باشد یا اندازه‌گیری دقیق ابعاد یک قطعه.
هنگام انتخاب سنسور موقعیت به چه مشخصاتی توجه کنیم؟
نوع حرکت
ابتدا باید مشخص شود حرکت دورانی است یا خطی. برای شفت موتور، انکودر دورانی و برای محور مستقیم، سنسور خطی یا انکودر خطی بررسی می‌شود.
مطلق یا افزایشی بودن اندازه‌گیری
اگر سیستم باید پس از روشن‌شدن فوراً موقعیت را بداند، انکودر مطلق انتخاب مناسب‌تری است. در پروژه‌هایی که تنها سرعت، جهت یا حرکت نسبی اهمیت دارد، انکودر افزایشی نیز می‌تواند نیاز سیستم را برطرف کند.
دامنه اندازه‌گیری
اندازه‌گیری چند میکرون با اندازه‌گیری حرکت چندمتری یکسان نیست. پراب‌های دقیق برای جابه‌جایی‌های کوچک مناسب‌اند، درحالی‌که سنسورهای کششی برای مسیرهای بلندتر بررسی می‌شوند.
دقت، رزولوشن و تکرارپذیری
این سه پارامتر نباید با یکدیگر اشتباه گرفته شوند:
رزولوشن کوچک‌ترین تغییر قابل‌تشخیص است.
دقت میزان نزدیکی مقدار اندازه‌گیری‌شده به مقدار واقعی است.
تکرارپذیری نشان می‌دهد سنسور در اندازه‌گیری‌های مکرر تا چه اندازه نتیجه مشابهی ارائه می‌دهد.
نوع خروجی و رابط ارتباطی
سنسور باید با ورودی کنترلر سازگار باشد. خروجی می‌تواند پالسی، آنالوگ یا دیجیتال باشد و از رابط‌هایی مانند SSI، CANopen، EtherCAT، PROFINET، IO-Link یا RS485 استفاده کند. Posital، برای نمونه، محصولات اندازه‌گیری موقعیت خود را با مجموعه‌ای از رابط‌های ارتباطی عرضه می‌کند.
شرایط محیطی
وجود گردوغبار، رطوبت، روغن، ارتعاش، دمای بالا یا مواد خورنده می‌تواند بر انتخاب بدنه، درجه حفاظت و فناوری اندازه‌گیری اثر بگذارد. مدلی که در اتاق اندازه‌گیری عملکرد مناسبی دارد، الزاماً برای نصب روی یک پرس صنعتی یا ماشین‌آلات فضای باز مناسب نیست.
نحوه نصب و اتصال مکانیکی
حتی یک سنسور دقیق نیز در صورت نصب نامناسب، نتیجه قابل‌اعتمادی ارائه نمی‌دهد. هم‌راستایی شفت، نوع کوپلینگ، فاصله سنسور تا سطح، محل نصب آهنربا و جلوگیری از اعمال بار جانبی باید براساس دستورالعمل سازنده انجام شود.
جمع‌بندی؛ انتخاب سنسور از شناخت کاربرد آغاز می‌شود
اندازه‌گیری موقعیت و جابه‌جایی یکی از پایه‌های اصلی کنترل حرکت، اتوماسیون و کنترل کیفیت است. بااین‌حال، انتخاب تجهیز مناسب تنها با مقایسه نام برندها امکان‌پذیر نیست.
Posital برای انکودرهای متنوع و سنسورهای حرکت، Heidenhain برای اندازه‌گیری دقیق محور، Temposonics برای سنجش خطی مگنتواستریکتیو، Solartron برای پراب‌ها و سنسورهای جابه‌جایی دقیق، Mahr برای اندازه‌شناسی ابعادی و Baumer برای ترکیب انکودرها با سنسورهای فاصله، گزینه‌های قابل‌بررسی این حوزه هستند.
پیش از خرید باید نوع حرکت، دامنه اندازه‌گیری، دقت، تکرارپذیری، نوع خروجی، شرایط محیطی و نحوه نصب مشخص شود. انتخاب براساس این معیارها نه‌تنها عملکرد دقیق‌تری ایجاد می‌کند، بلکه از هزینه‌های ناشی از خرید مدل نامتناسب، توقف خط و تغییر طراحی جلوگیری خواهد کرد.
خرید تجهیزات اندازه‌گیری موقعیت و جابه‌جایی از کنترل سنسور
برای بررسی و خرید محصولات برندهای Posital، Heidenhain، Temposonics، Solartron، Mahr و Baumer می‌توان از مجموعه کنترل سنسور کمک گرفت. پیش از ثبت سفارش، بهتر است کد کامل محصول، مشخصات کنترلر، نوع کاربرد و شرایط نصب اعلام شود تا گزینه‌ای متناسب با نیاز پروژه انتخاب شود.
انتخاب آگاهانه یک سنسور موقعیت فقط خرید یک قطعه نیست؛ بلکه سرمایه‌گذاری برای افزایش دقت، کاهش خطای تولید و پایدارترشدن عملکرد ماشین‌آلات است.
