Энкодеры против преобразователей. Зачем импортозамещение?!

Энкодеры или преобразователи перемещений

Очень многое изменилось в мире и России за последние 30 лет. Технологическая среда шагает вперед семимильными шагами, не забывая уделять внимание микронным мелочам. Задачи, которые сегодня ставятся и решаются с помощью высоких технологий, позволяют получать результаты, которые было сложно представить не то, чтобы 20 или 30, но и 5 лет назад. Сегодня смартфоны не имеют кнопок и управляются голосом, передают гигабайтные видео на неограниченные расстояния, показывают фильмы и проигрывают музыку, делают фотографии и тут же делятся ими, хранят огромные объёмы информации, разговаривают с тобой и следят за твоим пульсом, автомобили паркуются сами, прокладывают оптимальные маршруты и начинают обходиться без водителей, станки создают детали и формы почти так же изящно, как художник управляется кистью. Когда видишь все эти достижения ума и труда, невольно задумываешься о роли инженеров и технологий в нашей жизни. Чьи это все заслуги? Зарубежных инженеров и производителей? И какой вклад вносят отечественные разработчики в этот прогресс? Мы множество раз задавались этими вопросами. И когда посещали зарубежные предприятия и когда встречались с нашими производителями, когда видели технически сложные, достойные уважения продукты зарубежных производителей.

Импорт в промышленности силен, почему?

• Из-за наличия крупных заказчиков, потребляющих тысячи и тысячи единиц, импортная продукция имеет рынок сбыта и, соответственно, ряд технических и ценовых преимуществ.
• В России и СНГ нет некоторых аналогов оборудования и комплектующих, необходимых для создания высокотехнологичной и недорогой продукции. Особенно, если мы говорим о приборостроении, грустно обстоят дела в микроэлектронике.
• У зарубежных компаний имеется хорошая система продвижения и поддержки продаж (а также сервиса) опробованная и усовершенствованная на многих рынках.
• Зарубежный производитель имеет хорошую поддержку экспорта в своей стране.
• Немаловажный фактор в пользу импорта – устоявшейся годами мысли – зарубежное, значит лучшее.
• Много оборудования было ввезено, когда это было дешево и к «хорошему» многие потребители уже привыкли.
• Много высокотехнологичного оборудования импортируется, и для его сервиса используются импортные оригинальные запчасти.

Есть и другие факторы, но нам хотелось бы обозначить и минусы импорта.

• Для предприятий ОПК, некоторых направлений нефтянки, импорт некоторого оборудования сейчас закры, что создает проблемы в том числе и при сервисе уже ввезенных машин.
• Импорт остается дорогим из-за курса валют.
• Из-за особенностей логистики и таможенных процедур импортная продукция имеет длительный срок поставки. Это касается и сервиса. Если нет нужных комплектующих на складе официального представителя, то ждать поставки временами приходиться по несколько месяцев или следует тратиться на закупку ЗИП на свой склад.
• Большой общий минус импорта, все больше импортных производителей разрабатывают и производят уникальные комплектующие (по конструкции или электрическим параметрам), заменить которые для большинства потребителей своими силами не просто. Тогда покупатели вынуждены платить столько, сколько запросит производитель без возможности повлиять на цену.

Но не может не радовать заметная тенденция: покупать отечественные товары становится выгодно и модно. По мере появления спроса, на который также сильно влияют экономика и геополитическая ситуация, появляется больше и больше ориентированных на отечественных потребителей и учитывающих специфику местного рынка решений и производств. Эти производства также успешно начинают работать на экспорт. И теперь часто возникает вопрос: Готов ли потребитель купить отечественное? Пусть пока не такое привлекательное, как импортное, но может стоит сделать вклад в развитие местного производителя? И зачастую в подобных вопросах положительные решения оборачиваются приятным сюрпризом. Заказчик, «рискнув» купить отечественный товар, получает отличный продукт, с сервисом на уровне, и ценой, не зависящей напрямую от колебаний курса валют.

Какие энкодеры бывают

В мире не менее сотни производителей всевозможных преобразователей перемещений или энкодеров (их также называют, датчик положения, сенсор, датчик скорости, это устройство, предназначенное для преобразования исходного сигнала в последовательность импульсов, передающих информацию о величине и направлении углового или линейного перемещения). Сильно развитые промышленные регионы требуют местных поставщиков высококачественное продукции. Сегодня в мире известны и сильны производители энкодеров из Северной Америки, Европы (главным образом Германии), Азии (Индии, Китая и Тайваня). В России и на постсоветском пространстве все промышленники знают производителя ОАО «СКБ ИС», выпускающего энкодеры с наименованием «ЛИР» (что сокращенно означает Ленинградский Измеритель Растровый).

Ремарка: ФГУП «СКБ ИС» было создано в 1988 году постановлением совета министров СССР. Основной задачей создания предприятия была разработка высокоточных преобразователей перемещений с самыми высокими первым и вторым классами точности (с погрешностями менее 1 мкм/м). Это требовалось для советского станкостроения, чтобы уйти от зависимости импортных поставок. Спустя 31 год ситуация не меняется и задачи замены импорта очень и очень актуальны.

Энкодеры сегодня входят в состав почти любого современного станка или точной машины, где есть движущиеся части. Все области применений преобразователей перемещений сложно перечесть: эскалаторы, лифты, трубопроводное запорное оборудование, нефтяные платформы, установки для бурения скважин, телескопы и антенны, камеры видеонаблюдения, типографские машины, упаковочные машины, отрезные станки, 3D принтеры, промышленные роботы, медицинские томографы, экзоскелеты, системы управления муниципального транспорта, краны, самолеты, театральное и цирковое оборудование, станки, пищевые конвейеры, зернохранилища и др..
Рассмотрим наиболее популярное на нашем рынке оборудование с применением энкодеров – станок. По некоторым оценкам в России более 1,5 млн. единиц станочного оборудования. Из преобразователей перемещений в станке имеются:

• датчики обратной связи (ДОС) двигателя,
• линейные энкодеры для позиционирования по линейным осям,
• угловые энкодеры для позиционирования поворота осей,
• датчики контроля скорости шпинделя,
• датчики положения револьверной головки

Любому оборудованию нужны «глаза». Современный станок не даст требуемую точность и скорость обработки детали без преобразователей перемещений. К энкодерам применимы те же вопросы импортозамещения, что и к станку в целом, так как они являются важной составной частью оборудования.

Датчики обратной связи (ДОС) двигателя, позволяют контролировать скорость и положение по оси. Обычно такие энкодеры поставляются уже в составе двигателя, в некоторых случаях, для получения требуемых характеристик, производитель оборудования берет отдельно двигатель и отдельно энкодер. Обычно требования к ДОС, это: разрешение 1024 – 2048 и до 4096 имп/об, инкрементальный (относительный) тип выходного сигнала (TTL, 1Vpp, HTL), полый вал (сквозной или тупиковый), компактные размеры (для удобства монтажа под кожух двигателя), скорости вращения до 6000 … 10 000 об/мин без сбоя выходного сигнала, иногда требуется наличие коммутирующих U,V,W сигналов. Свою нишу держат синусно-косинусные энкодеры, кроме обычного инкрементального выхода 1Vpp или TTL имеющие один sin/cos сигнал на оборот. Энкодеры двигателей разнообразны по габаритам и присоединительным размерам, при замене оригинала на аналог часто встает вопрос соответствия механического интерфейса, а не выходных сигналов, которые, как правило, универсальны / стандартны. Сейчас все чаще, с развитием абсолютных интерфейсов, встречается применение абсолютных датчиков («определяют» положение и после выключения питания) без или с дополнительным инкрементальным треком. Активно развиваются модульные решения (kit solutios, kit encoders), не имеющие подшипников, они требуют специальной калибровки при монтаже на вал двигателя, но имеют невысокую стоимость и дают возможность работать на больших скоростях с современными скоростными абсолютными интерфейсами BiSS-C, EnDat, Hiperface, Tamagawa и др.

Угловые и линейные энкодеры (преобразователи перемещений), применяемые для точного позиционирования по осям являются важной частью станков с управлением и универсальных станков. Имеется ряд особенностей, касающихся точностей датчиков, типов выходных сигналов, выбора типов преобразователей в зависимости от принципа действия, разрешений, способов крепления.

Наиболее широкое распространение в станочной сфере получили оптоэлектронные преобразователи (основой является стеклянная, иногда металлическая шкала с нанесенным растром, считывание происходит с помощью оптоэлектронного узла). Их мы рассмотрим подробнее. Для универсальных станков, как правило, решения не отличаются сверх точностью, значению идут в пределах ±5 мкм/м до ±20 мкм/м. Повышенные требования могут предъявляться к шлифовальным универсальным станкам и координатно-расточным станкам, где обоснованно применение высокой точности ±3 мкм/м. В универсальных станках часто используют именно инкрементальные преобразователи линейных перемещений (линейки), абсолютные линейки актуальны на ответственных универсальных станках или станках с большими длинами перемещений. Разрешение линейных энкодеров для универсальных станков обычно составляет 1, 5 или 10 мкм. Тип сигнала аналоговый по напряжению (1Vpp) или цифровой TTL. Встречаются и устаревшие типы аналоговых сигналов по току 9-13 mA, популярные в советское время у линеек пришедших на замену индуктосинам. Способ крепления датчика зависит от длины перемещения: до метра длиной, линейки имеют отверстия для крепления по краям, более метра длиной, отверстия для крепления идут вдоль длины линейки с шагом 200 мм, в обоих случаях для мелко профильных датчиков также используется крепление на специальную монтажную шину. Часто с целью экономии на универсальных станках для позиционирования по линейным осям можно видеть применение угловых энкодеров (датчик ставится на винт, идет пересчет разрешения на оборот вала датчика и шага винта). Это действительно не дорогое решение, но оно сильно проигрывает в точности. Для станков с числовым программным управлением (ЧПУ) позиционирование по осям идет с помощью как инкрементальныхх, так и абсолютных линейных и угловых энкодеров. Абсолютные линейные энкодеры активно приходят на смену инкрементным решениям. Значительно экономят время обработки детали, так как для определения положения по оси не требуют выхода в ноль, из-за применения современных абсолютных интерфейсов (EnDat, DriveCliQ, Fanuc, Mitsubishi и др.) имеют ряд преимуществ для систем управления. Часто встречается точность ±3 мкм/м и ±5 мкм/м, разрешение 1 мкм и, все чаще, доли мкм (например, 10 нм, 50 нм, 100 нм). Если используется сигнал 1 Vpp, то, как правило, период сигнала 20 мкм. 40 мкм 1Vpp имеется у решений на металлической ленте с большими длинами измерения, объясняется это тем, что нанести 20 мкм растр на металле сложнее, чем на стекле. У угловых энкодеров для поворотных осей и накладных столов, требования к точностям часто начинаются от ±10’’ до 1’’ и выше. Разрешение кратно долям градуса, начинается от 9000 имп/об до 900 000 имп/об и выше для инкрементальных и до 26 и более бит для абсолютных. Все увереннее свою нишу занимают кольцевые энкодеры. Для применения в поворотных осях и моментных двигателях они имеют неоспоримые преимущества, так как являются бесконтактными, имеют хорошую точность и высокое разрешение, можно приспособить практически под любой диаметр или установить на сектор, есть исполнения с защитой IP67, не сложный монтаж.