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国际BAUMA展开展,讲讲大型、重型机械用编码器的等级标准你知道多少?

2019年04月15日 15:12:03 来源:@Q裘奋 AQ编码

BAUMA展会全称:中国国际工程机械、建材机械、矿山机械、工程车辆及设备博览会,全球知名的展会,每两年一次。今年的宝马展11月27日至30日,在上海龙阳路的新国际会展中心开展。这些大型、重型设备上所选用的编码器应该怎么选?其实还应该包括水利、钢铁、港口起重设备类别等大、重型机械所选用的编码器怎么选。

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这其中,就很有必要了解编码器的等级标准的划分:

在工程机械、建材机械、矿山机械、工程车辆及冶金、水利、港口机械等大型重型设备中,可靠性与安全第一的概念在控制中越来越重要,出于安全的要求,编码器信号的可靠反馈直接涉及到控制安全可靠,而不可靠不合适的编码器选型,会导致设备调试、维修人员不断地去现场服务,造成调试维修工程师人工成本上涨,现场服务工程师不够用的窘境。

这些设备的环境特殊性,决定了这些编码器及传输的选择的特殊性:

A,现场复杂的工作环境,变频器、大电机及高低压电源系统,信号电缆常常与动力线一同布排,现场的电气干扰很严重。

B,有些设备移动性,长移动距离,接地困难。

C,信号传递距离要求远,信号数据的安全可靠性要求高。

D,信号传递实时性高,可靠,以保证更安全的控制反应。

E,很多是户外使用,或恶劣环境下使用,对产品的工业等级的要求。

因此,编码器的选型正确与否对于在重型机械设备中的使用非常关键。

编码器选型需要确定哪些内容?

首先是确定选择的编码器是作为速度闭环控制还是位置闭环控制,一般速度闭环控制选用增量编码器,而位置闭环控制应尽量选用绝对值编码器,尤其是尽量选用内部没有计数器的绝对值机械真多圈编码器,有计数器的怕干扰,例如移动式车辆中的火花塞、电磁刹车、喇叭线圈等都是干扰源。

其次,如果是选用增量编码器,需要考虑以下几个重要参数:

编码器的工业等级选择:

标准工业级:在大型重型机械等设备中,编码器应选择此等级,各种标准工业环境设计,可适用于绝大部分的工况。需要提示的是,目前中国市场的很多日系品牌编码器都是经济级别的,不太适合在此类别大重型机械上使用,包括一些欧系进口品牌的编码器等级也达不到大、重型机械上的要求。符合大、重型机械使用的编码器选型标准,其重要指标如下:

温度等级:工作温度一般要求为零下20度~70度。在户外条件下(没有空调环境下)使用的应该为零下25度~80度以上的。宽的温度范围不仅仅是可适用于这些极限温度范围,而且抗温度冲击波动的能力好。有些用户以为使用的环境到不了这些温度极限范围,60度就够了,但他们忽视了开机关机等温度冲击波动及长期连续使用较高温度可能对器件的损坏。以及在夏天户外的(或者没有空调的)环境下使用,编码器内部功耗增大散热差的温度正反馈效应,而此时遇到干扰来时,功耗电流都对付干扰去了,设计量不够抗干扰就会变得很差,而可靠性大大下降。零下25度——80度温度范围是可能户外条件(没有空调的环境下)的保证。

IP防护等级:编码器的防护其实是分两部分,转轴与外壳电气部分,转轴由于是旋转的,防水较难做,一般工业级的在IP64以上,如果要达到IP66以上,需要有特殊工艺,大部分在IP66以上的轴都转起来很重的;而外壳电气部分必然是IP65以上。反应在防护等级上的机械设计,往往是转轴是双轴承结构,而外壳的封装往往不依赖于外圆螺丝固定,而是一次挤压+O型密封圈的密封封装。(在编码器的外壳外径上看不到三个螺丝固定,如有三个螺丝固定,由于螺丝的顶入,而造成外圆轻微变形而不圆,影响密封性能)。有些用户以为工作环境没有尘、水汽的问题,怎么还会损坏呢?其实编码器在工作与停机的变化中,由于热胀冷缩的温差而造成内外气压差,防护等级差的编码器(包括其他传感器),会产生“呼吸性”水汽,由于压差水汽吸入编码器,因时间的积累而损坏编码器。

电磁兼容性等级:电磁兼容性EMC一般要达到二级以上,包括浪涌、快速脉冲群、静电等标准测试,这些指标,关系到编码器在复杂电气环境下的稳定工作。

电源等级:一般为宽电源,如10~30Vdc,带极性短路保护。(有些单机仪表等级的为5Vdc±10%)。很多工业现场电源会有短瞬间的不稳定,宽电源很重要,确保编码器工作不受影响。

电气保护等级:尽量选择有电源极性保护、信号短路保护的有保护等级的编码器,可避免工程及检修中的接错线、偶发事故而损坏编码器。

振动冲击等级:双轴承结构,轴承可承受较高的振动、冲击,标准工业级的编码器振动等级10g,(有些可达20g),抗冲击等级100g。

内部零件等级:内部零件往往集成化、模块化高,线路板贴片式焊接,三防处理。这需要了解供应商的诚信度、厂家的品质管理积累年限

增量编码器信号输出形式,要推荐选用HTL-G6信号输出

在这些设备应用中,5V长线驱动的信号电压偏低,不利远传且较易损坏;集电极开路输出NPN或PNP信号,与PLC的兼容性有局限性,负载能力低(20mA)也较易损坏,传输距离短(20-50米)。应选择推挽式输出的形式,兼容PLC的PNP型或NPN型的输入端口,信号电压高(10—30V)适于远传(100米),负载能力强(每通道50mA以上),绝大部分的欧系变频器与PLC都接收这类信号。

有关编码器信号电缆与传输抗干扰的十个问题讨论

尽量使用不含计数器的绝对值多圈编码器,有计数器类别的为伪绝对值编码器,其实与增量编码器是一回事,在计数累加时一样怕这些大重型机械的电磁干扰。

使用绝对值编码器一定会比用增量式编码器贵吗?

没有!从编码器器件成本上说增量编码器内部器件少,成本价格确实低,但是从编码器的如何使用并产生效果的角度说,绝对值编码器如果选型得当,其使用的效果带来的综合成本,会低于选用增量值编码器,为使用者大大节省成本。

什么情况下要选绝对值编码器?

a,停电移动、惯性滑动的数据安全可靠性问题,对于一些需要高度、长度测量的安全性设备、较大型设备、起重类工程类设备,安全性是很重要的因素,为确保编码器数据的稳定可靠性,必须选用全行程绝对值编码器。例如水闸、工程机械、起重机、电梯、门机等等的高度、长度测量。

b,信号抗干扰问题,增量信号较易受到各种干扰,数据采集不稳定,对于各种现场不可预知的干扰会花很多精力去排查,并要设法避开干扰,有时所花费的人工成本远远大于一个编码器,此情况下应考虑更换绝对值编码器。例如各种自动化工程项目,对于现场的变频器、开关电源、接地状况不明的情抗下,无从判断干扰情况,选用绝对值编码器可以确保应对各种工况条件。

c,后续设备节省资源,增量编码器需要高速计数不停的计数,耗费CPU资源,有时多个编码器连接没有更多的高速计数口,此时选用绝对值编码器的串行输出(如RS485)或总线型输出,其实是节省了后续设备的资源而节省费用。“电子式绝对式”编码器主要就是在这种情况下可用。例如需要多个编码器比较的同步纠偏、多个编码器联动操作的流水线、加工机械等。

d,环境较恶劣的选择,增量编码器大部分是光学式的,易受水气灰尘及振动影响而损坏,选用磁电式绝对值编码器(单圈或真多圈)的可以避免这种损坏,而大大提高产品使用的寿命,而得到综合效果更佳,使用成本更低。例如户外使用的港口矿山机械、工厂的快速开门机等。

e,节省综合成本,在一些不便于停机修正、更换、维修,或停机修正、更换、维修成本很高的场合下,用绝对值编码器,因其数据的可靠性、产品的耐用性,可以大大减少售后服务人工成本,产品可长时间的使用效果,直接的是产品使用的综合成本大大的节省了。例如一些高速运转的流水线、较远地区的管网系统(电动执行器)。

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大、重型机械设备使用中绝对值编码器如何选型?

a,类型选择,首先根据应用需要确定是选用增量编码器还是绝对值编码器,绝对值编码器是选用单圈绝对值还是多圈绝对值编码器。

b,信号选择,根据自身现有编码器接受设备的信号接口,选择匹配的绝对值编码器信号输出接口。模拟信号、数字信号选择,并行、串行、总线选择,(参见绝对值编码器信号文章从SinCos到TSN,绝对值编码器信号有多少种?)。

信号的选择应考虑到大、重型机械设备的现场服务与维修的方便性,以多年的经验比较下来,4--20mA的模拟电流信号的输出最受此类设备的欢迎:比电压型信号抗干扰,比数字型信号方便,一个万用表电工就可以在现场检查信号,选择方便性就是省钱。

c,分辨率与量程(圈数),根据应用需要,选择编码器每圈的分辨率(位数)以及测量行程(多圈数)要求。

d,工作环境与编码器等级,编码器一般分为芯片级(需二次开发再可使用)、经济级(仅用于小型设备单个使用)、标准工业级(各种设备、户外设备、各种自动化工程项目)、特殊工业要求。应根据实际使用工况选择编码器等级,大、重型机械设备绝大部分情况下应该选择标准工业等级。

e,外形安装,根据机械设备的安装要求选择编码器安装法兰形式,编码器有轴型或轴套型安装方式。

f,电气参数,电气参数包括工作电压、耗电流、信号匹配要求(包括编码形式及逻辑关系)等,电子响应频率及转速,信号输出距离及电缆或接插件要求。

g,性能保证,温度等级、抗震动等级、防护等级、EMC等级、电气冲击或保护等级,质保期。

h,服务及维修。

绝对值编码器等级及性能参数为什么很重要?

正确了解选型编码器的等级及性能参数,而不是只迷信“进口”与“国产”的不同,是编码器能否使用以及能否确保用好、用长的重要步骤。据统计,工业旋转编码器的使用效果不佳或损坏,编码器的各种损坏与现场信号被干扰,超过50%以上的因素是编码器的选型不当所造成的,包括选用“进口”“知名品牌”选错了一样受害。选用经济等级编码器用于大重型设备中是最常见的错误,选用内部含有计数器的假绝对值编码器也是经常出现的错误。调试时蛮好的到了现场出现问题,或者在某些地方某些时段用得蛮好的而在有些地方(或某些时段)出现问题,是最常见的困惑,这都是因为选型时没有选择工业等级的编码器以及不含计数器的绝对值编码器,对于各种工况复杂性预判轻视的错误而造成的,其返工调试、维修、更换、停工所造成的损失,远远大于一个编码器的价格,尤其是编码器使用不可靠引起的停工损失、安全事故、形象伤害,是应该在选型时就要极力避免的。

编码器外壳的无螺丝全密封一次性挤压封装有什么意义?

编码器外壳的无螺丝全密封封装,可以避免因螺丝挤压的外壳变形缝隙、材料热胀冷缩率不同的缝隙出现而密封下降、因使用震动而封装螺丝松动的密封性下降等等,确保编码器外壳始终具有高防护等级IP67;同时由于全密封一次性挤压封装不便于编码器损坏后维修,这也要求编码器内部器件的品质要求很高,返修率极低而无需考虑返修,这代表了此类编码器的品质等级很高。

推荐选择不锈钢外壳封装的编码器

不锈钢外壳一次性无螺丝封装的编码器,不仅仅是IP防护等级的可靠性高,而且编码器外壳的耐腐蚀、抗击打、抗振动等级更高。尤其是在沿海使用,要求抗海风盐分;在矿山机械使用,要求不可用镁铝轻金属材料做外壳;在粉尘环境差的大重型设备上便于水枪冲洗,在食品、医药包装上要求便于清洗消毒。

从另一个方面看,不锈钢外壳一次封装的编码器,由于拆开维修的难度高,要求内部器件的可靠性很高,不容易坏,维修率很低。从编码器长期使用性减少停机维修,就能为用户大大节省使用成本与售后服务成本。

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建议选择磁电式绝对值编码器

很多编码器是光学式的,光学系统的编码器内部信号读取需要对准码道及刻线,在震动环境下容易对错码道刻线而数据抖动或出错,而造成后续读取设备的数值错误,有些是玻璃码盘的容易震动损坏。而磁电式绝对值编码器为感应型正交差分消除,对于震动带来的距离及位置微小变化正交对消除,所以对于震动不敏感,而不会数据跳变出错。同时磁电式编码器没有光学系统玻璃码盘,不容易损坏,因此在振动较大的环境下,建议选择磁电式绝对值编码器。磁电式绝对值编码器相对来说是精度略低,但是振动较大情况下基本对应精度要求都不高,为此磁电式绝对值编码器的精度较低的缺点也不会有影响。

拉绳直线编码器的选择

在大、重型机械上使用的编码器,很多场合下为机械结构的安装方便,选择了拉绳直线编码器,这类应用的精度要求不高,而可靠性与方便性是主要目的。

可靠性:拉绳钢丝绳的耐用性,弹簧使用次数的耐用性,以及同样的防尘防水气IP等级要求。钢丝绳一般要求为不锈钢材料,有些表面会有涂塑要求;弹簧使用次数的耐用,应选择较大于实际量程的而用时不超过70%的量程,弹簧的使用寿命是以全量程拉伸计算的,当使用不超过70%,弹簧寿命可以大大延伸。

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一体型拉绳直线绝对值编码器

编码器与拉绳直线传感器的结构,尽量设计为一体型结构,体积更小、密封性更好、机械安装的精度更高。

信号输出应为电流输出型的4—20mA为最佳,电流信号相较于电压信号的抗干扰性要好,而一台万用表即可检查信号,大大便于维修检查。当然,如果用绝对值多圈编码器的4—20mA输出更佳,不可用电位器。本文讲的就是编码器。


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