Spis treści:
Po wyszukaniu hasła “enkoder” w Google otrzymamy szeroki i raczej mylący wachlarz odpowiedzi. Rzecz w tym, że enkodery można znaleźć w maszynach przydatnych w niezliczonych branżach. Cięcie, ploterowanie, sortowanie, napełnianie, pakowanie, transport, automatyzacja, robotyka – być może ich nie widać, ale tam są.
(En)kodowanie w pigułce
W polszczyźnie znajdziemy “enkoder”, ale “enkodowania” już nie ma. Stosuje się raczej określenia z różnymi przedrostkami do słowa “kodowanie”. Encoding oznacza więc przekształcanie informacji z jednej postaci lub formatu na inny, zwykle za pomocą określonych reguł lub algorytmów. Polega to na zakodowaniu lub konwersji danych lub sygnałów wejściowych na formę zrozumiałą dla systemu lub urządzenia docelowego. Korzystają z niego nowoczesna telekomunikacja, kompresja danych, przetwarzanie sygnałów, rozmaite multimedia dźwięku (sygnały analogowe i sygnały cyfrowe), techniki uzyskiwania obrazu czy nawet kryptografia. Możemy rozumieć je więc jako proces konwersji informacji lub danych z jednego formatu na inny w celu odpowiedniego przetwarzania, transmisji, przechowywania lub odczytu.
Z czego składa się enkoder i jak działa?
Możemy opisać strukturę ogólną, bo budowa enkodera może się różnić w zależności od konkretnego typu enkodera i jego zastosowania. Mówiąc najprościej enkoder to urządzenie czujnikowe, które zapewnia sprzężenie zwrotne.
Enkodery przekształcają ruch na sygnał elektryczny, który może być odczytany przez urządzenie sterujące w systemie sterowania ruchem takie jak sterownik PLC. Enkoder wysyła sygnał zwrotny, który może być wykorzystany do określenia pozycji, liczby, prędkości lub kierunku. Urządzenie sterujące może z kolei wykorzystać te informacje do wysłania polecenia dla określonej funkcji. Zgodnie ze starą regułą, że to przykłady pouczają najlepiej, poniżej kilka łatwych do zrozumienia:
- W aplikacji cięcia na długość enkoder z kołem pomiarowym informuje urządzenie sterujące o ilości podanego materiału, dzięki czemu urządzenie sterujące wie, kiedy należy ciąć.
- W podnośnikach wagonów kolejowych enkodery zapewniają precyzyjne sprzężenie zwrotne ruchu, dzięki czemu podnośniki podnoszą się zgodnie.
- W precyzyjnym systemie przemysłowym, na przykład do aplikacji etykiet, sygnał z enkodera jest wykorzystywany przez sterownik PLC do sterowania czasem i prędkością obrotu butelki.
- W drukowaniu informacja zwrotna z enkodera aktywuje głowicę drukującą, aby utworzyć znak w określonym miejscu.
- W przypadku dużego dźwigu enkodery zamontowane na wale silnika zapewniają sprzężenie zwrotne pozycjonowania, dzięki czemu dźwig wie, kiedy podnieść lub zwolnić ładunek.
- W windzie enkodery informują sterownik, kiedy pojazd dotarł na właściwe piętro, we właściwej pozycji. Oznacza to, że sprzężenie zwrotne ruchu enkodera do kontrolera windy zapewnia, że drzwi windy otwierają się równo z podłogą. Bez enkoderów mogłoby się nam zdarzyć wspinanie się lub zeskakiwanie z kabiny windy – słyszeliśmy wielokrotnie o przypadkach zatrzymania się windy pomiędzy piętrami i z dużym prawdopodobieństwem zawiódł wówczas właśnie enkoder.
Enkodery wykorzystują różne rodzaje technologii do tworzenia sygnału, w tym mechaniczne, magnetyczne, rezystancyjne i optyczne, i to te ostatnie są najbardziej powszechne. Wiązka światła emitowana przez diodę LED przechodzi przez tarczę kodową, która jest pokryta nieprzezroczystymi liniami – trochę jak szprychy w kole rowerowym. Gdy wał enkodera obraca się, wiązka światła z diody LED jest przerywana przez nieprzezroczyste linie na dysku kodowym zanim zostanie odebrana przez zespół fotodetektora. Powoduje to wygenerowanie sygnału impulsowego: światło = włączone; brak światła = wyłączone. Sygnał jest wysyłany do licznika lub kontrolera, który następnie wysyła sygnał w celu wygenerowania żądanej funkcji.
Enkodery w elektronice i ich rodzaje
Jeśli mowa o enkoderach jako podzespołach elektronicznych, to są to urządzenia wykorzystywane do konwersji informacji o położeniu, prędkości lub innego rodzaju ruchu na sygnały cyfrowe. Enkodery są stosowane w aplikacjach takich jak systemy pozycjonowania, robotyka, przemysł czy elektronika użytkowa. Mogą być wykorzystywane do pomiaru obrotów, przesunięć liniowych, prędkości kątowej i innych parametrów związanych z ruchem. Na początek spójrzmy na trzy – optyczne, magnetyczne i rezystancyjne, z których każdy ma swoje unikalne cechy i zastosowania. Wszystkie enkodery dostarczają sygnały wyjściowe w postaci impulsów lub sygnałów cyfrowych, które mogą być dalej przetwarzane przez mikrokontrolery, układy sterujące lub inne systemy elektroniczne.
Enkodery optyczne wykorzystują światło i fotodetektory do odczytywania wzorców na specjalnym dysku lub taśmie, co umożliwia pomiar ruchu. Enkodery magnetyczne składające się z sensora magnetycznego i magnesu umieszczanego na ruchomym elemencie korzystają z zasad magnetyzmu do wykrywania ruchu. Enkodery rezystancyjne wyposażone w pierścień rezystancyjny, ruchomy suwak i interfejs używają zmieniającej się rezystancji, aby rejestrować ruch.
Uniwersalność - enkoder jako czujnik
Nie znaczy to oczywiście, że teraz oddalamy się od elektroniki, automatyki i robotyki. Enkodery są nieodłącznym elementem w robotyce, gdzie są wykorzystywane do pomiaru pozycji, prędkości i orientacji ruchomych części robotów. Pozwala to na precyzyjne sterowanie ruchem i monitorowanie położenia małego pojazdu w przestrzeni. W maszynach do obróbki skrawaniem, takich jak tokarki i frezarki sterowane numerycznie (CNC), enkodery są wykorzystywane do śledzenia pozycji narzędzia i stołu roboczego. Bez pomiaru dokładnego położenia narzędzia nie może być mowy o precyzyjnym wykonaniu obróbki. W automatyce przemysłowej enkodery są stosowane do monitorowania pozycji i prędkości różnych elementów, takich jak taśmy transportujące, silniki, przeguby czy manipulatory. Pomiar dokładnych wartości pozycji umożliwia skuteczne sterowanie i monitorowanie procesów produkcyjnych.
Nie brakuje ich także w świecie elektroniki konsumenckiej i urządzeniach bliskich każdemu z nas. Przykładem mogą być aparaty fotograficzne i inne, mniej lub bardziej wyspecjalizowane urządzenia optyczne- w lustrzankach cyfrowych, kamerach wideo, obiektywach czy nawet w teleskopach enkodery są wykorzystywane do pomiaru obrotu pierścienia zoomu, ogniskowej, równowagi bieli, ostrości i innych parametrów. Z enkoderów korzystają aparaty Canon, Nikon, Sony, Fujifilm czy Olympus.
Enkoder i konstrukcja robota
W robotyce amatorskiej i półprofesjonalnej enkodery mogą mieć różne formy i wygląd w zależności od konkretnego zastosowania i projektu robota. Stosunkowo proste układy z diodami LED i fototranzystorami generują impulsy w zależności od ruchu elementu. Mogą być stosowane jako enkodery rotacyjne lub liniowe – wszystko do lepszego odczytywania zmian pozycji. Enkodery magnetyczne w projektach robotów mogą również służyć do pomiaru przesunięcia liniowego.
Projekty Raspberry Pi i Arduino z enkoderami
Enkodery chętnie łączy się z minikomputerami Raspberry Pi i platformą programistyczną Arduino. Taki duet umożliwia tworzenie różnych projektów, w tym z zakresu robotyki, automatyki, monitorowania pozycji i innych aplikacji, które wymagają pomiaru ruchu i kontroli pozycji. Wystarczy zidentyfikować piny enkodera, podłączyć wyjścia i można projektować. Łatwo wywnioskować z poprzedniego akapitu, że można pokusić się o stworzenie robota mobilnego, na przykład na kołach, z precyzyjną nawigacją i kontrolą pozycji. Inne potencjalne projekty to interaktywne panele sterowania – przykładowo do regulacji głośności, jasności czy balansu, zależnie od urządzenia. Enkodery i programowanie sprawdzą się właściwie wszędzie tam, gdzie stosuje się monitorowanie prędkości, rejestrowanie ruchu czy sterowanie serwomechanizmami do precyzyjnego pozycjonowania. W zależności od potrzeb warto skorzystać z Pythona, Arduino IDE lub poszperać trochę na forach społeczności i w repozytoriach.
