Bases Introduction aux codeurs 20 Critères de choix d`un codeur 21
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Bases Bases 10/2011 Introduction aux codeurs 20 Critères de choix d‘un codeur 21 Montage des codeurs 23 Codeurs incrémentaux 26 Codeurs absolus 31 Codeurs pour la sécurité fonctionnelle 37 Technique de mesure linéaire 38 Connectique 39 www.kuebler.com 9 Bases Page Bases Codeurs Les codeurs sont mis en œuvre partout où il faut mesurer des longueurs, des positions, des vitesses de rotation et des angles. Ils convertissent des mouvements mécaniques en signaux électriques. Ils se décomposent en versions absolues et incrémentales. Les codeurs incrémentaux fournissent des périodes de signaux dont la quantité peut représenter une vitesse de rotation, une longueur ou une position . Dans le cas de codeurs absolus, un schéma de code univoque est affecté à chaque position. Même après une panne de courant, la position courante est disponible dès que l’installation est remise sous tension. Introduction Nous livrons par principe tous les codeurs en exécution à arbre sortant et en exécution à arbre creux. L’utilisation de codeurs à arbre creux permet des économies de coût atteignant 30% et de place atteignant 50% par rapport aux exécutions à arbre sortant. Ces économies sont permises par le fait que ce type de codeurs ne nécessite pas d’accouplement, de montage, ni aucun autre accessoire de fixation supplémentaire. Il suffit, pour monter un codeur à arbre creux, de le glisser sur l’arbre d’entraînement et de le fixer, et, dans le plus simple des cas, de l’immobiliser en rotation par une pige. En outre, les codeurs à arbre creux exigent en principe une profondeur de montage moindre. Exemples d’applications Mesure d‘angle Mesure de longueur Détermination de la position des fourches Détermination de position Mesure d‘angle Mesure de vitesse p. ex. dans la technique des entraînements (motoréducteurs) 20 www.kuebler.com 10/2011 Bases Critères de sélection Conformité Tous les codeurs portent la marque CE et sont contrôlés quant à leur compatibilité électromagnétique et leur insensibilité aux parasites. Qualité élevée des signaux Les codeurs de Kübler se distinguent par leur compensation électronique de la température et du vieillissement. Homologations Beaucoup de nos produits sont homologués par UL (Underwriters Laboratories Inc.). Sur demande, nos produits sont également disponibles avec l’homologation Ex pour la protection antidéflagrante Zone 2 et 22 . RoHS Compensation du vieillissement Au cours du temps, toutes les LED perdent une partie de leur luminosité. Sans compensation de ce vieillissement, les signaux disponibles en sortie risquent de se dégrader. Les codeurs répondent aux exigences des normes EN 61 000-6-2, EN 61 000-6-4 et EN 61 000-6-3. Toutes les nouvelles installations destinées à des zones explosives doivent être réalisées selon la directive 94/9/CE (ATEX 100a). Les produits homologués pour une mise en oeuvre dans des installations destinées à des zones explosives portent un marquage supplémentaire conforme à la directive RL 94/9/EG et à la norme EN 50014. Kübler exerce son activité au niveau mondial et considère la protection de l’environnement comme une obligation de l’entreprise. Notre gamme de produits est conforme à la norme RoHS. Signaux émis par un codeur neuf Canal A Le décalage de phase de 90° nécessaire pour la détermination de la direction de rotation disparaît. Ce phénomène est compensé grâce à une technique de circuit spéciale. Avantage : la compensation du vieillissement assure un signal précis, même après de nombreuses années de fonctionnement. Présentation des produits / Bases Codeurs Canal B Signaux émis par un codeur après un fonctionnement prolongé sans compensation du vieillissement Canal A Les temps d’arrêt de la machine à la suite de signaux erronés du codeur sont nettement réduits. La sécurité de fonctionnement augmente. Canal B Compensation de la température Ce circuit assure une fidélité du signal constante dans toute la plage des températures de travail. Avantage : Consommation électrique Les valeurs de consommation de courant typiques indiquées dans le catalogue s’appliquent pour la température ambiante (23°C). La consommation de courant des codeurs augmente avec la température du fait de la compensation de la température. Cette augmentation du courant est prise en compte dans l’indication de la consommation maximale. Comme les courants de sortie dépendent du circuit d’entrée réalisé par l’utilisateur, ils ne sont pas pris en compte dans les indications et doivent être ajoutés. Résistance aux courts-circuits Les sorties de tous les codeurs résistent aux courtscircuits si la tension d’alimentation est branchée correctement. En cas de raccordement par erreur du 0 V ou de Ub avec une autre sortie, l’appareil n’est pas détruit. Une fois l’erreur réparée, l’appareil fonctionne de nouveau normalement. Avantage : 10/2011 la précision de positionnement d’une machine n’est pas affectée par les variations de température. les erreurs de branchement lors du montage, qui sont toujours possibles dans le quotidien rude et agité de l’industrie, n’entraînent pas la destruction du codeur. www.kuebler.com 21 Bases Codeurs Conditions environnementales Critères de sélection Les conditions environnementales exercent une influence déterminante sur la durée de vie et le choix d’un codeur, comme Grâce à leur technologie de pointe, nos codeurs sont particulièrement adaptés à des environnements rudes. • la température ambiante De nombreuses références, parmi lesquelles Bosch, Siemens, Bombardier et les fournisseurs de l’industrie automobile témoignent de la qualité de nos appareils. • les charges prévues sur l’arbre • la pollution et l’humidité • les parasites CEM Température Pollution et humidité Plage de température de travail : Plage de température de fonctionnement : Plage de température ambiante dans laquelle l’appareil est conforme aux spécifications de sa fiche technique. Plage de température ambiante dans laquelle l’appareil peut fonctionner sans dommages. L’indice de protection selon EN 60 529 indique le niveau de protection contre la pénétration de corps étrangers et d’eau. Il se compose du sigle IP suivi d’un nombre à deux chiffres. Les tableaux ci-dessous présentent les indices de protection IP usuels. Protection contre la pénétration de corps étrangers (premier chiffre) Protection contre la pénétration de l’eau (second chiffre) Plus le chiffre est élevé, plus les particules sont petites Plus le chiffre est élevé, plus la pression d’eau est forte 0 Non protégé 1 Protégé contre des corps étrangers de 50 mm de diamètre et plus 2 Protégé contre des corps étrangers de 12,5 mm de diamètre et plus 3 Protégé contre des corps étrangers de 2,5 mm de diamètre et plus 4 Protégé contre des corps étrangers de 1,0 mm de diamètre et plus 5 Protégé contre la poussière 6 Etanche à la poussière Les appareils de Kübler ont un indice de protection allant jusqu‘à IP69k. Code des couleurs selon DIN IEC 757 22 www.kuebler.com Abréviation Couleur BK noir BN brun RD rouge OG orange YE jaune GN vert BU bleu VT violet GY gris WH blanc PK rose GD doré TQ turquoise SR argenté 0 Non protégé 1 Protégé contre les gouttes 2 Protégé contre les gouttes si le boîtier est incliné jusqu‘à 15° 3 Protégé contre les pulvérisations d’eau 4 Protégé contre les projections d’eau 5 Protégé contre les jets d’eau 6 Protégé contre les jets d’eau puissants 7 Protégé contre les effets d’une immersion temporaire dans l‘eau 8 Protégé contre les effets d’une immersion permanente dans l’eau 9K selon DIN 40050 / Partie 9 : protégé contre l’eau dans le cas d’un nettoyage haute pression/au jet de vapeur 10/2011 Bases Montage des codeurs Les arbres des codeurs, et de ce fait les roulements de ceux-ci, sont soumis à des efforts dus à des causes variées : • Tolérances de montage à la mise en place du codeur (décalage radial et angulaire) • Variations thermiques, p. ex. allongement de l’arbre d’entraînement par dilatation thermique • Sollicitations dues à l’usure, p. ex. faux-rond de l’arbre d’entraînement ou vibrations Ces sollicitations affectent directement la durée de vie des roulements de l’arbre et la qualité du signal. Il faut donc par principe prévoir des possibilités de compensation de ces efforts lors du montage des codeurs. Ces compensations sont assurées, en règle générale, par des accouplements entre l’arbre moteur et l’arbre du codeur dans le cas d’un codeur à arbre sortant, et, dans le cas d’un codeur à arbre creux, par des brides d’accouplement anti-rotation, des bras de fixation ou des butées anti-rotation disposés entre la bride et la surface de montage. Safety-Lock™ – Safety-Lockplus™ Un montage sans accouplement, et donc un assemblage rigide aussi bien de l’arbre que du boîtier du codeur, entraîne en règle générale des charges inadmissibles sur les roulements, et de ce fait une panne rapide du codeur du fait de son usure prématurée. Il est par principe interdit de dépasser certaines charges sur les roulements, afin de ne pas endommager définitivement les codeurs. Cette exigence est respectée automatiquement, pour les codeurs à arbre creux, dans le cas d’un montage dans les règles de l’art et de l’utilisation des éléments anti-rotation ou des stators anti-rotation fournis par Kübler. Pour les codeurs à arbre sortant, la charge radiale et axiale maximum admissible est toujours indiquée dans les caractéristiques techniques. Safety-Lock™ Le montage des roulements entre des épaulements, une grande distance entre les roulements et des roulements extérieurs particulièrement robustes assurent la stabilité en cas de vibrations et la robustesse en cas d’erreurs d’installation, évitant ainsi les arrêts machine et les réparations. Safety-LockTM Safety-Lockplus™ La construction éprouvée Safety-Lock™, avec en plus une protection mécanique du joint de l‘arbre. Possibilités de fixation des codeurs à arbre creux Montage d’un codeur à arbre creux à l’aide d’un élément anti-rotation et d’une pige cylindrique (possibilité de montage la plus simple et la plus rapide). Cet élément anti-rotation standard est prémonté en usine (la pige n’est pas jointe au codeur). Montage d’un codeur à arbre creux à l’aide d’un élément anti-rotation long et d’une pige cylindrique Montage d’un codeur à arbre creux à l’aide d’un stator anti-rotation 10/2011 www.kuebler.com 23 Présentation des produits / Bases Codeurs Bases Codeurs Possibilités de fixation des codeurs à arbre sortant à bride synchro Montage des codeurs Montage à l’aide d’excentriques de montage et d’un accouplement (pour réduire l’effort sur l’arbre) Montage à l’aide d’une cloche de montage, d’excentriques de montage et d’un accouplement (pour réduire l’effort sur l’arbre et pour assurer l’isolation thermique et électrique) Possibilités de fixation des codeurs à arbre sortant à bride standard Montage à l’aide d’une équerre et d’un accouplement (pour réduire l’effort sur l’arbre) Montage à l’aide d’un dispositif de serrage et d’un accouplement (pour réduire l’effort sur l’arbre) Sollicitations des roulements de l’arbre du codeur par des efforts dus à l’accouplement Tous les accouplements élastiques (accouplements d’arbres, stators anti-rotation, bras de fixation) convertissent les défauts d’alignement et les défauts axiaux en une force dépendant de l’élasticité de l’accouplement. Cette force doit être absorbée par les roulements de l’arbre du codeur. Il faut donc veiller, lors du montage du codeur, à ce que ce montage soit réalisé autant que possible sans générer de forces, c’est-àdire sans précontraintes inutiles sur l’accouplement. Si ce point est respecté, tous les éléments d’accouplement de Kübler garantissent une compensation des tolérances pour toute la durée de vie des roulements du codeur. Défauts de précision possibles dus aux accouplements Cette force n’apparaît pas avec les éléments anti-rotation pour les codeurs à arbre creux, qui interdisent la rotation du codeur à l’aide d’une pige ou d’une barre. Dans ce cas, la rotation du codeur est bloquée par une liaison positive, mais celui-ci peut cependant se déplacer librement dans toutes les autres directions. Il faut naturellement pour cela un montage assurant la liberté de mouvement nécessaire du codeur dans la direction radiale, et, particulièrement, dans la direction axiale (dilatation thermique de l’arbre d’entraînement !). 1. Ecarts de précision du fait de la torsion d’un accouplement élastique (notamment un accouplement d’arbres) Cet écart de précision est déterminé par le couple à transmettre (frottement des paliers et moment d’inertie de masse) et par la constante de rappel de torsion de l‘élément anti-rotation. Formule : Couple max. [Ncm] Erreur max. = Constante de rappel de torsion [Ncm/°] [degrés] Le tableau ci-dessous permet la détermination de la relation entre cette déviation et l’incrément minimal d’un codeur. Relation entre la résolution d’un codeur en bits et l’incrément minimal en degrés: 24 www.kuebler.com Résolution binaire 10 bits 11 bits 12 bits 13 bits 14 bits 17 bits degrés 0,3520,1760,0880,0440,0220,0028 points par tour 102420484096819216384131072 Incrément degrés:min:sec 0:21:060:10:330:05:160:02:380:01:190:00:10 sec 126663331615879 10 10/2011 Bases Défauts de précision possibles dus aux accouplements Montage des codeurs 2. Ecarts de précision du fait du jeu radial de l’arbre d’entraînement dans le cas d’une structure asymétrique de l’accouplement Il faut différencier les accouplements disposés de manière axisymétrique sur l’arbre (tous les accouplements d’arbres, de nombreux stators anti-rotation) et les accouplements à structure asymétrique (certaines brides d’accouplement, tous les bras de fixation et les éléments anti-rotation faisant appel à des bras de fixation et à des piges). Les accouplements asymétriques occasionnent, du fait du système mis en oeuvre, des écarts de précision dans le cas de mouvements radiaux de l’arbre d’entraînement (faux-rond, jeu radial. Ces déviations dépendent de l’amplitude du jeu radial et de la distance entre le point fixe de l’élément anti-rotation et l’arbre d’entraînement. Le diagramme ci-dessous représente cette relation : Max. zul. /Rjeu adiradial alschlmaximal ag/-Spieadmissible l [µm] Faux-rond [μm] Faux-rond maximal admissible pour l’obtention d’une précision < 1/2 LSB dans le cas de l’utilisation d’une élément anti-rotation asymétrique à 1 point de fixation 100 90 10 bit / 1024 ppr 80 11 bit / 2048 ppr 70 60 50 12 bit / 4096 ppr 40 30 13 bit / 8192 ppr 20 14 bit / 16384 ppr 10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Abstand Drehmomentstützen-Fixpunkt Antriebsachsen-Mittelpunkt [mm] Distancezwischen entre le point fixe de l’élément anti-rotationund et l’arbre d’entraînement [mm] Sollicitations particulières de l’arbre par des roues dentées, des courroies ou des éléments similaires Les roues de mesure, les pignons ou les poulies montés directement sur l’arbre du codeur exercent sur celui-ci des forces dépendant de leur précontrainte et de l’accélération angulaire. Les codeurs de Kübler sont conçus pour pouvoir absorber ces forces dans une grande mesure. La charge maximale admissible sur l’arbre est indiquée dans les caractéristiques techniques des codeurs. 10/2011 Dans le cas où une application entraîne un dépassement des charges admissibles indiquées dans les caractéristiques techniques, il faut découpler l’arbre du codeur de la charge radiale en interposant un arbre équipé des roulements appropriés, qui absorbera ces forces. Kübler propose à cet effet des brides renforcées et des paliers renforcés spéciaux (voir le chapitre « Accessoires » du catalogue). www.kuebler.com 25 Présentation des produits / Bases Codeurs Bases Codeurs Structure et fonction Codeurs incrémentaux Lecture optique Récepteur Masque LED Un disque rotatif est monté entre une LED et une unité de réception. Ce disque est gradué. La lumière émise par la LED est modulée par le masque et par les graduations du disque, et frappe ensuite l’unité de réception qui fournit un signal proportionnel à la luminosité. La rotation du disque donne à ce signal une forme approximativement sinusoïdale. Graduations Lecture magnétique Le champ magnétique généré par un aimant permanent en rotation est détecté par un capteur Asic. Chaque position angulaire est caractérisée par des vecteurs champ qui sont convertis par l‘Asic en signaux incrémentaux. Aimant Capteur magnétique Asic Avantages mécaniques des codeurs Kübler • Construction robuste des paliers : « Safety-Lock™ Design », le montage des roulements entre des épaulements, une grande distance entre les roulements et des roulements extérieurs particulièrement robustes assurent la stabilité en cas de vibrations et la robustesse en cas d’erreurs d’installation, évitant ainsi les arrêts machine et les réparations. • Grâce à son boîtier résistant moulé sous pression et à son joint d’arbre radial, le codeur Sendix incrémental bénéficie d’un indice de protection très élevé : IP67. Combinés à sa large plage de températures de travail de - 40° C à + 90° C, ces avantages en font le codeur idéal pour les applications en extérieur. Traitement du signal Les signaux sinusoïdaux sont traités par une électronique conçue spécialement à cet effet. Les commandes couramment utilisées exigent des signaux digitaux rectangulaires en entrée. C’est pour cette raison que les signaux sont déjà traités de manière appropriée dans le codeur et délivrés par l’intermédiaire de différents étages de sortie adaptés aux applications respectives. Nombre de canaux Codeurs à un canal : Codeurs à trois canaux Les codeurs monocanal s’utilisent lorsqu’il n’est pas nécessaire de détecter le sens de rotation, p. ex. pour la mesure de vitesses de rotation et de longueurs. Ces codeurs disposent, en plus des deux canaux A et B, d’une impulsion zéro émise une fois par tour et pouvant servir généralement à la mise en référence (déplacement au point zéro) d’une machine. Codeurs à deux canaux : • Arbre tournant dans le sens horaire, vu du côté de l’arbre / pour les codeurs à arbre creux, vu du côté de la bride Les applications exigeant la détection du sens de rotation, p. ex. le positionnement, nécessitent des codeurs avec deux canaux A et B décalés électriquement entre eux de 90°. Le sens de rotation est déterminé à l’aide du rapport des phases. • Arbre tournant dans le sens horaire, vu du côté de l’arbre / pour les codeurs à arbre creux, vu du côté de la bride • Les signaux complémentés sont disponibles • L’impulsion 0 est combinée avec les canaux A et B en fonction ET tr = durée du flanc montant tf = durée du flanc descendant • Les signaux complémentés sont disponibles tr = durée du flanc montant tf = durée du flanc descendant 26 www.kuebler.com 10/2011 Bases Codeurs incrémentaux Multiplication des impulsions La résolution d’un codeur à deux canaux peut être multipliée par deux ou par quatre grâce à une exploitation appropriée des fronts d’impulsion par l’électronique de traitement. Un codeur fournissant 5000 impulsions physiques par tour peut ainsi délivrer 20000 impulsions par tour. Signaux complémentés Dans le cas d’environnements présentant des risques de parasites sur les lignes des signaux, ou dans le cas de lignes très longues, nous recommandons l’utilisation de codeurs munis de signaux supplémentaires inversés. (= signaux complémentés) Ces signaux existent en série sur les étages de sortie RS 422 et sinus, en option sur les versions push-pull. Résolution La résolution angulaire ou linéaire exigée par une application détermine le nombre d’impulsions par tour. Les mouvements linéaires doivent en premier lieu être convertis en mouvements rotatifs (p. ex. par une vis). Données : - circonférence de la roue de mesure : U = 200 [mm] - précision du système : G = 0,1 [mm] Exemple : Un codeur est équipé d’une roue de mesure. Un tour de roue correspond à une course de 200 mm (circonférence de la roue de mesure). La précision de mesure doit être de 0,1 mm. Quel est le nombre d’impulsions minimum nécessaire ? Fréquence d’impulsions La fréquence des impulsions s’obtient à partir de la résolution par tour et de la vitesse de rotation maximale. La fréquence maximale d’impulsions admissible est indiquée sur les fiches techniques des codeurs. Elle est en général de 300 kHz, dans le cas de hautes résolutions jusqu’à 800 kHz. Résultat : - résolution du codeur : A = ? [imp./tour] Résolution = Circonférence Précision U = G La résolution nécessaire est donc de 2000 impulsions par tour. Exemple : Données : - Vitesse de rotation n = 3000 min-1 - Résolution du codeur A = 1000 Imp./tour. Résultat : - fréquence d’impulsions requise pour le codeur fmax = nxA 60 La fréquence d’impulsions nécessaire est donc de 50 kHz. Cette fréquence doit être comparée à la fréquence d’impulsions maximale du codeur prévu. Fréquence d’impulsions nécessaire [kHz] Le diagramme suivant permet également d’évaluer les fréquences d’impulsions nécessaires A = 5000 350 A = 2500 300 250 A = 1024 200 150 100 A = 512 50 A = 250 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 Vitesse de rotation [min–1] 10/2011 www.kuebler.com 27 Présentation des produits / Bases Codeurs Bases Codeurs Sorties et tensions d’alimentation (présentation) Codeurs incrémentaux Différentes interfaces de sortie sont proposées, en fonction de l’application : Interface de sortie Signaux complémentés Tension d’alimentation RS422 (compatible TTL) oui 5 V DC RS422 (compatible TTL) oui 10 ... 30 V DC ou 5 ... 30 V DC Push-pull non 10 ... 30 V DC ou 5 ... 30 V DC Push-pull oui 10 ... 30 V DC ou 5 ... 30 V DC Push-pull (7272) oui 5 ... 30 V DC Sinus 1 Vss oui 5 V DC Sinus 1 Vss oui 10 ... 30 V DC Dans le cas de champs de parasites importants ou de lignes très longues, nous recommandons l’utilisation de codeurs munis de signaux complémentés. Lignes Sensor Dans le cas de lignes d’alimentation longues, la résistance inhérente des câbles peut faire chuter la tension d’alimentation du codeur à des valeurs insuffisantes. Sorties digitales Les signaux de lecture sinusoïdaux sont tout d’abord digitalisés ; ils sont ensuite mis à disposition sous la forme d’impulsions rectangulaires. Les lignes Sensor du codeur permettent de mesurer la tension disponible au codeur et de l’augmenter en cas de besoin. • Arbre tournant dans le sens horaire, vu du côté de l’arbre • Les signaux complémentés sont disponibles • L’impulsion 0 est combinée avec les canaux A et B en fonction ET Différents types de sorties sont disponibles pour la transmission : RS 422 (compatible TTL) ou push-pull. Il faut tenir compte des points suivants lors de la sélection de la sortie appropriée : • Les périphériques auxquels le codeur est relié • La longueur de câble nécessaire • L’insensibilité aux perturbations Sorties push-pull Les sorties push-pull conviennent p. ex. à des cartes de comptage, à des compteurs électroniques et à des entrées d’automates. Elles sont disponibles en 2 versions. Push-pull : Push-pull (7272) : • Push-pull avec adaptation de l’impédance caractéris- tique intégrée, impédance de câble recommandée 40 ... 150 W • Etage de sortie universel 5 ... 30 V à faible niveau Bas (max. 0,5 V) • Convient particulièrement pour de grandes longueurs de câble, de hautes fréquences d’impulsion et des tensions de sortie jusquà 30 V • Recommandé pour des longueurs de câble jusqu’à 30 m • Avec signaux complémentés • Avec et sans signaux complémentés Interface de sortie et interface d’entrée préconisée - Push-pull sans signaux complémentés Codeur Interface d’entrée préconisée UB A, B, 0 RL UB 2 GND Emetteur push-pull intégré 28 www.kuebler.com RL = 1 kW 10/2011 Bases Interface de sortie et interface d’entrée préconisée - Push-pull avec signaux complémentés Codeurs incrémentaux Codeur Présentation des produits / Bases Codeurs Interface d’entrée préconisée UB A, B, 0 RL GND A, B, 0 RS422 Interface de sortie et interface d’entrée préconisée Emetteur push-pull intégré RL = 1 kW Codeur Interface d’entrée préconisée Emetteur de ligne RS422 Récepteur de ligne RS422 p. ex. AM26 C 32 / Z = 120 W Sorties sinus Les signaux de sortie sinusoïdaux sont disponibles sous la forme de signaux de sortie en tension. Ils peuvent être retraités de nombreuses manières différentes par l’électronique de retraitement. L’interpolation des deux signaux décalés de 90° permet d’obtenir des résolutions très élevées. En outre, ils peuvent être mis en œuvre, avec des entraînements digitaux, pour le contrôle de la vitesse de rotation, même avec des mouvements très lents. • Arbre tournant dans le sens horaire, vu du côté de l’arbre ou de la bride • L’impulsion 0 apparaît une fois par tour COS 1 Vss SIN 1 Vss 1 Vss Interface de sortie et interface d’entrée préconisée - Sinus tension Codeur Ra = 10 W C1 = 150 pF C2 = 10 pF R1 = 10 kW R2 = 33 kW U0 = 2,5 V ±0,5 V 10/2011 Interface d’entrée préconisée Z = 120 W U1 = U0 OPV : p. ex. MC33074 www.kuebler.com 29 Bases Codeurs Longueurs de câble pour les codeurs incrémentaux Codeurs incrémentaux Nous recommandons les longueurs maximales de câble suivantes, en fonction de l’interface de sortie, des sources de parasites et des types de câbles utilisés : Interface de sortie Longueur de câble max. Raccordé p. ex. à Push-pull sans signaux complémentés 100 m 1) Compteurs Kübler/API Push-pull avec signaux complémentés 250 m 1)API/PCI 2) Push-pull (7272) avec signaux complémentés 30 m RS422 avec signaux complémentés jusqu‘à 1000 m (à partir de 50 m selon la fréquence) API/PCI 2) Sinus tension avec signaux complémentés 50 m API/PCI 2) Sinus 1 Vss 50 m 10 ... 30 V DC Remarque : • Les longueurs de câble peuvent être nettement inférieures aux longueurs indiquées ci-dessus dans des cas particuliers, notamment en présence de sources de parasites • Utiliser par principe des câbles blindés ; le blindage du câble doit être relié du côté du codeur et du côté de la commande. • Dans la mesure du possible, utiliser des câbles de section > 0,14 mm² pour les lignes des signaux. • Choisir la section des conducteurs de la tension d’alimentation en fonction de la longueur de la ligne, de manière à respecter une alimentation en tension suffisante pour les codeurs et à maintenir le niveau des signaux dans les tolérances admises, même en cas de chute de tension due à la ligne d’alimentation ! 1) en fonction de la fréquence 2) PCI = PC industriel 30 www.kuebler.com 10/2011 Bases Structure et fonction Codeurs absolus Lecture optique La lumière émise par une LED est modulée par un masque codé placé sur un disque tournant et lue par un Opto Asic Kübler spécial. A chaque position correspond une combinaison de bits unique. Cette combinaison de bits est généralement fournie sous la forme d’un code Gray. Avantage pour l’utilisateur : Les déplacements de prise de référence, nécessaires avec les systèmes incrémentaux lors de la mise sous tension, sont inutiles. La sécurité est augmentée et il n‘y a plus de perte de temps pour la prise de référence. L’avantage par rapport aux codeurs incrémentaux est que, dans le cas d’un mouvement de l’axe alors que le codeur n’est pas sous tension, ce mouvement est enregistré et la position correcte est fournie dès que le codeur est remis sous tension. Lecture magnétique Le champ magnétique généré par un aimant permanent en rotation est détecté par un capteur Asic. Chaque position angulaire est caractérisée par des vecteurs champ qui sont convertis par l‘Asic en un signal électrique. Aimant Capteur magnétique Asic Selon la version, ce signal est émis sous la forme d’un signal SSI, 0…10 V, 4…20 mA ou CANopen. Avantages mécaniques des codeurs Kübler • Construction robuste des paliers : Safety-Lock™ et Safety-Lockplus™, le montage des roulements entre des épaulements, une grande distance entre les roulements et des roulements extérieurs particulièrement robustes assurent la stabilité en cas de vibrations et la robustesse en cas d’erreurs d’installation, évitant ainsi les arrêts machine et les réparations. • Grâce à son boîtier résistant moulé sous pression et à son joint d’arbre radial, le codeur Sendix absolu bénéficie d’un indice de protection très élevé : IP67. Combinés à sa large plage de températures de travail de - 40° C à + 90° C, ces avantages en font le codeur idéal pour les applications en extérieur.. Les codeurs équipés de Safety-Lockplus™ disposent en plus d’une protection mécanique du joint de l’arbre. Exécutions Codeurs monotour Codeurs multitours Ces codeurs fournissent pour chaque tour, en fonction du nombre de graduations, des positions univoques. Après un tour complet, ils repartent de leur position de départ. Ces codeurs fournissent des positions angulaires univoques par tour avec jusqu’à 17 bits. De plus, le nombre de tours est compté également. Il est possible de fournir 4096 (12 bits) rotations univoques en sortie. Ces codeurs conviennent à des mesures angulaires pour au maximum un tour d’un arbre (= 360°), par exemple dans la robotique, dans des systèmes de commande par cames et dans d’autres mouvements rotatifs commandés. 10/2011 Ces codeurs conviennent à des mesures angulaires sur plus d’un tour d’un arbre, par exemple pour des courses longues, comme dans le cas de magasins automatisés, de grues ou de machines-outils. www.kuebler.com 31 Présentation des produits / Bases Codeurs Bases Codeurs Types de codes Codeurs absolus Code binaire naturel Le code binaire naturel est très simple à retraiter en informatique. Cependant, des erreurs de lecture peuvent survenir au niveau de la lecture optique, car les changements de bit de plusieurs pistes (LSB, LSB+1,...) ne s’effectuent pas de manière parfaitement synchrone, ce qui peut mener à une attribution de position erronée si aucune autre mesure n’est prise. Bit 1 (LSB) Bit 2 Bit 3 Bit 4 (MSB) Valeur : 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Code Gray Le code Gray est un code à un pas, dans lequel un seul bit est modifié lors du passage d’une position à la suivante. Une lecture fiable du code, et par conséquent des positions, est ainsi assurée. Code Gray tronqué symétriquement (Gray-Excess): Si une section définie est extraite du code Gray complet, il en résulte le code appelé Gray Excess Code. Ce code permet des divisions paires, par exemple 360, 720, 1000, 1440. Bit 1 (LSB) Bit 2 Bit 3 Bit 4 (MSB) Valeur : 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 1 2 3 4 5 6 7 11 12 13 14 15 Bit 1 (LSB) Bit 2 Bit 3 Bit 4 (MSB) Valeur : 8 9 Réversibilité du code Gray Les valeurs des codes sont émises dans le sens croissant lorsque l’arbre tourne dans le sens horaire. 32 www.kuebler.com Le code Gray est réversible, c’est-à-dire que l’inversion du bit de valeur la plus élevée permet de générer, pour une rotation à droite de l’arbre, des valeurs de code décroissantes. 10/2011 Bases Technologie intégrative brevetée Codeurs absolus La technologie intégrative développée et brevetée par Kübler se compose d’un ensemble de mesures assurant une construction compacte, une qualité élevée des signaux, une grande résistance aux chocs (jusqu’à 2500 m/s²), une fiabilité élevée et une grande résistance CEM. Avantages de la technologie intégrative : Les codeurs monotour sont disponibles dans les mêmes dimensions que leurs équivalents incrémentaux, ce qui permet un échange aisé du point de vue mécanique. Ces avantages sont obtenus grâce à l’utilisation d’un Opto Asic, d’un circuit imprimé multicouches et d’une technique de montage de la partie capteurs particulièrement résistante aux chocs et d’un encombrement réduit. L’utilisation d’un Asic interface extrêmement optimisé assure en outre l’intégration de plusieurs centaines de composants individuels. ll est désormais possible de se passer des composants qui étaient jusqu’à présent nécessaires pour l’équilibrage du système, par exemple les potentiomètres d’équilibrage. L’étage multitours Sendix avec engrenage • Engrenage multitours avec une technologie de lecture purement optique, totalement insensible aux champs magnétiques. • Premier étage monté sur double roulement à billes • Des matériaux spéciaux garantissent la résistance à la chaleur et la longévité • Diamètre de l’arbre creux traversant jusqu’à 14 mm – arbre borgne jusqu’à 15 mm • Une denture spéciale développée spécifiquement permet des vitesses de rotation élevées et évite l’usure. L‘étage multitours électronique Sendix breveté, avec la technologie Intelligent Scan™ Toutes les fonctions monotour et multitours du codeur sont réunies pour la première fois sur un OptoAsic, offrant ainsi une fiabilité maximale. En exécution multitours, le capteur optique atteint la résolution élevée de 41 bits. Le nouveau procédé Intelligent Scan assure en plus l‘insensibilité totale aux champs magnétiques. Sendix F36 : la révolution compacte Les versions multitours et monotour absolues d‘un diamètre de 36 mm seulement, offrent un arbre creux d‘un diamètre maximal de 10 mm. Les Sendix F36 sont les premiers codeurs multitours équipés de la technologie Intelligent Scan™. Récompensés par le MessTec & Sensor Master 2010 Award et le Golden Mousetrap Award 2009. Engrenage mécanique ou électronique ? Les codeurs absolus monotour et multitours se sont imposés aujourd’hui comme la méthode standard de mesure de déplacements et d’angles. Les codeurs absolus ne nécessitent pas de retour au point de référence lors de la mise en marche de l’installation ou après une panne de courant. En particulier les codeurs multitours sont de plus en plus mis en œuvre pour les applications où les codeurs incrémentaux prédominaient jusqu’ici, par exemple sur les motoréducteurs ou les ascenseurs. Les codeurs multitours sont aujourd’hui fabriqués des manières les plus diverses. En règle générale, les constructeurs offrent soit des engrenages mécaniques pour « compter les tours », soit ils ne jurent que par des compteurs électroniques avec mémorisation électronique des données. Chacun d’eux critique l’autre technologie. Le fait est cependant qu’il n’y a pas de technologie meilleure ou moins bonne, chacune présente des avantages et des inconvénients. Seule l’application peut décider. 10/2011 www.kuebler.com 33 Présentation des produits / Bases Codeurs Bases Codeurs Codeurs absolus Sorties Différentes interfaces sont proposées pour la transmission des données de position à la commande. Interface série synchrone (SSI) Comparée à l’interface parallèle, cette interface nécessite moins de composants et est moins sensible aux parasites. La transmission exige nettement moins de lignes que dans le cas de l’interface parallèle, et les longueurs de câble utilisables sont nettement supérieures. Interface de sortie et interface d’entrée préconisée 5862, 5882, 9081 +5V +5V Données + Données - Z +5V RS485 Transceiver RS485 Transceiver 10k 120 z.B. MAX 490 Horloge + Z Horloge - 10k Z = 120 Ohm Transmission de données SSI t1 =T/2 t2 < 1 / (4 x fmax) t3 = temps monoflop (ci-dessous) n = résolution en bits 1/ fmax ≤ T ≤ 1 / fmin fmin = fréquence SSI min. (voir fiche techn.) fmax = fréquence SSI max. (voir fiche techn.) Au repos, les lignes de synchronisation et de données sont au niveau haut. Avec le premier flanc de synchronisation descendant, les données actuelles du codeur sont mémorisées dans le tampon pour l’émission. Avec les flancs de synchronisation montants suivants, les données sont transmises bit par bit en commençant par le bit de poids le plus fort. La transmission d’un mot de données complet exige n+1 flancs de synchronisation montants (n = résolution en bits), p.ex. 14 signaux de synchronisation pour une lecture complète d’un codeur 13 bits. Après le dernier flanc de synchronisation positif, la ligne de données reste au niveau bas pendant la durée du temps monoflop t3, jusqu’à ce que le codeur soit de nouveau prêt pour un nouveau mot de données. La ligne de synchronisation doit rester au niveau haut au moins pendant la même durée, après quoi elle peut relancer une nouvelle séquence de lecture du codeur au moyen d’un flanc descendant. Attention ! Interface BISS 34 www.kuebler.com Uniquement pour les séries 5850, 5870, 5862, 5882 et 9081 : Uniquement pour les nouveaux codeurs absolus Sendix : La remise à jour des données s’effectue de manière synchrone avec le cycle de lecture. Les données sont donc aussi actuelles que l’intervalle de temps entre deux lectures. Il est donc recommandé d’effectuer dans l’application une lecture périodique du codeur selon des cycles courts correspondants, afin de toujours obtenir des valeurs de position à jour. Une lecture multiple du même mot de données n’est pas possible. Temps monoflop du codeur : t3 = max. 40 µs L’actualisation des données s’effectue immédiatement avec le premier flanc de synchronisation descendant du signal de synchronisation. Les données sont ainsi toujours à jour. Si une lecture multiple du même mot de données est requise, il faut commencer une nouvelle séquence de cycles dans la plage de temps t3. Si la séquence de cycles est interrompue avant l’émission du nombre de cycles nécessaires à une lecture complète du mot de données, la ligne de données retourne au niveau haut après un temps t3 et signale l’interruption de la dernière séquence de lecture, et qu’elle est prête pour l’émission d’un nouveau mot de données. Temps monoflop du codeur : t3 = voir la fiche technique. Vous trouverez des détails sur l’interface BISS sur notre page Internet, à l’adresse : www.kuebler.com/service/biss.pdf 10/2011 Bases Sortie parallèle Codeurs absolus Ce type de transmission est très rapide. Tous les bits d’une position sont transmis simultanément, chacun par une ligne séparée. Présentation des produits / Bases Codeurs Interface de sortie et interface d’entrée préconisée Codeur Interface d’entrée préconisée Emetteur push-pull intégré Sortie analogique 4 ... 20 mA Interface de sortie et interface d’entrée préconisée Codeur Interface d’entrée préconisée + Tension - d‘alimentation +UB Alim. du codeur Convertisseur DA 10 ... 30 V DC 0V + - + PLC - Interface RS485 (half duplex) Interface de sortie et interface d’entrée préconisée +5V +5V T/R+ Rt TXD RS485 Transceiver RXD RS485 Transceiver 4,7k 120 RXD T/R- +5V Rt TXD 4,7k Rt = 120 Ohm Les codeurs avec une terminaison interne sont équipés d‘une résistance terminale Rt fixe. Cette variante est prévue pour des transmissions point à point entre deux appareils. Sur les appareils à terminaison externe, l‘utilisateur doit activer la résistance terminale au moyen d‘un point dans le connecteur (broches 5/6). Cette variante convient à la réalisation de systèmes de bus comportant plusieurs codeurs. Systèmes de bus 10/2011 La norme EIA-485 préconise de terminer la ligne de transmission à son début et à sa fin au moyen d‘une résistance terminale. L‘interface RS485 est une interface asynchrone. Le mode half duplex ne permet pas l‘émission et la réception simultanées. La transmission de données est gérée par des instructions ESC. Nous offrons des codeurs absolus équipés de nombreux systèmes de bus de terrain différents. Vous trouverez des détails sur les systèmes de bus de terrain sur notre site Internet à l’adresse : www.kuebler.com/service/feldbus.pdf www.kuebler.com 35 Bases Codeurs Longueurs de câble Codeurs absolus Nous recommandons les longueurs maximales de câble suivantes, en fonction de l’interface de sortie, des sources de parasites et des types de câbles utilisés : Interface de sortie Longueur de câble max. Raccordé p. ex. à Parallèle CMOS/TTL 2 m API/PCI 1) Parallèle Push-pull 100 m SSI jusqu‘à 1000 m RS422 /RS485 1000 m Analogique 4 ... 20 mA 200 m API/PCI 1) 2)API/PCI 1) API/PCI 1) Remarque : • Les longueurs de câble peuvent être nettement inférieures aux longueurs indiquées ci-dessus dans des cas particuliers, notamment en présence de sources de parasites • Utiliser par principe des câbles blindés ; le blindage du câble doit être relié du côté du codeur et du côté de la commande. • Dans la mesure du possible, utiliser des câbles de section > 0,14 mm2 pour les lignes des signaux. • Choisir la section des conducteurs de la tension d’alimentation en fonction de la longueur de la ligne, de manière à respecter une alimentation en tension suffisante pour les codeurs et à maintenir le niveau des signaux dans les tolérances admises, même en cas de chute de tension due à la ligne d’alimentation ! 1) IPC = PC industriel 2) en fonction de la fréquence d‘horloge pour 100 kHz Lmax env. 250 m ; pour f = 250 kHz Lmax env. 50 m 36 www.kuebler.com 10/2011 Bases Codeurs incrémentaux et absolus pour la sécurité fonctionnelle Sécurité fonctionnelle La sécurité fait - particulièrement depuis la Directive 2006/42/CE de l‘UE sur les machines - « partie intégrante de la conception des installations ». Le choix du bon codeur pour la sécurité fonctionnelle doit se baser sur le principe selon lequel la sécurité est obtenue par la combinaison intelligente du codeur, de la commande et de l‘actionneur. Présentation des produits / Bases Codeurs Les codeurs SSI absolus Sendix équipés d‘une sortie incrémentale Sin/Cos supplémentaire et les codeurs incrémentaux en exécution Sin/Cos sont disponibles avec certification. Mais la sécurité doit aller plus loin : des composants sûrs se distinguent par une interface robuste et fiable et une résistance mécanique et électronique particulièrement élevée. Sécurité de fonctionnement du codeur incrémental Afin d‘obtenir du codeur une information incrémentale sûre, la commande doit surveiller la validité des signaux sinus-cosinus analogiques, décalés entre eux de 90°, à l‘aide de la fonction sin² + cos² = 1. Sécurité de fonctionnement du codeur absolu Afin d‘obtenir une information de position absolue sûre, la commande compte les impulsions incrémentales et compare le résultat avec la position absolue, fournie également par le codeur. Sécurité de la liaison mécanique La sécurité de fonctionnement des applications exige une liaison mécanique fiable à 100%. Des éléments de montage dimensionnés en conséquence permettent d‘éliminer les risques de pannes au niveau des liaisons mécaniques. Conformité aux normes Les fonctions de sécurité suivantes, conformes aux normes DIN EN 13849-1 et DIN EN 61800-5-2 à SIL3/PLe/ Kat.4 peuvent être implémentées avec les codeurs : 10/2011 SS1: Safe Stop 1 arrêt sûr, STO après écoulement d‘un temps ou immobilité SS2: Safe Stop 2 arrêt sûr jusqu‘à SOS SOS: Safe Operating Stop maintien sûr à l’arrêt SLS: Safe Limited Speed limitation sûre de la vitesse SLI: Limited Incre ment of Position limitation sûre de l‘incrément SLP: Safe Limited Position limitation sûre de la position SSR: Safe Speed Range plage de vitesse sûre SDI: Safe Direction sens de marche sûr SSM: Safe Speed Monitoring surveillance sûre de la vitesse www.kuebler.com 37 Bases Technique de mesure linéaire Système de mesure magnétique Limes L’idée : longueur mesurée jusqu’à 90 m, résolution jusqu’à 0,005 mm Un capteur magnétique est déplacé sans contact au-dessus d’une bande magnétique. Le capteur compte les changements de pôle de la bande magnétique et interpole les valeurs intermédiaires. Nos ingénieurs de développement ont fait évoluer le système jusqu’à rendre possible une résolution de 0,005 mm. Le système est insensible à la poussière, aux copeaux et à l’humidité, et il résiste à de nombreux liquides et huiles. Le montage est simple : la bande magnétique se colle. Le réglage ne pose aucun problème. La distance entre le capteur et la bande magnétique peut aller jusqu’à 2 mm. La précision de répétabilité est très élevée. Où mettre en oeuvre notre Limes ? Ce système de mesure constitue une alternative économique aux règles en verre dans des applications où la haute précision des règles en verre n’est pas absolument nécessaire, mais pour lesquelles il n’existait jusqu’à présent aucune alternative appropriée. La bande magnétique souple permet d’autres application intéressantes : il est par exemple possible de le disposer sur la périphérie de très grands axes. La longueur maximale du ruban magnétique est de 90 m ! La construction robuste de ce système de mesure permet également son utilisation dans les conditions sévères de l’environnement industriel. Le système est insensible aux vibrations et résiste sans dommages même à des chocs importants. Kits de mesure de longueur longueur illimitée, résolution jusqu’à 0,1 mm Nous avons combiné notre savoir-faire dans le domaine des capteurs et dans celui des compteurs pour réaliser des kits de mesure de longueur. Nous vous fournissons la roue de mesure, le codeur et le compteur – le tout d’une seule source. Il suffit de brancher et de mettre en route. Vous évitez la recherche et l’assemblage fastidieux des composants adaptés à votre application. Nous livrons les kits complets. 38 www.kuebler.com 10/2011 Bases Systèmes de mesure à câble L‘idée : longueur mesurée jusqu’à 40 m, résolution jusqu‘à 0,1 mm Le coeur d’un système de mesure à câble est constitué par un tambour monté sur roulements, sur la périphérie duquel est enroulé un câble. L’enroulement s’effectue grâce à un rappel par ressort. Un codeur mesure le nombre de tours. Si la circonférence du tambour est connue, il est possible de calculer la longueur. Présentation des produits / Bases Technique de mesure linéaire / Connectique • Développés spécialement pour les applications les plus exigeantes • Equipés de capteurs analogiques (0 ... 10 V, 4 ... 20 mA, potentiomètre) ou de codeurs (incrémentaux, absolus, bus de terrain • Longueurs mesurées de 250 mm ... 40000 mm • Hautes vitesses de déplacement • Forte accélération • Rappel dynamique par ressort à force constante, grande durée de vie • Fixation aisée du câble au moyen d’un clip • Possibilité de fixation rapide • Guidage céramique poli au diamant • Boîtier aluminium anodisé titane Une connectique orientée système La connectique de Kübler = La garantie de la sécurité de vos systèmes ! Tous les produits du chapitre Connectique ont été testés et validés avec les capteurs Kübler avec lesquels ils sont compatibles. Ils assurent l‘ensemble des fonctionnalités et la haute qualité des signaux de nos capteurs. Vos avantages : 10/2011 • Evite toute erreur de raccordement – plus de recherche longue et coûteuse des défauts • Blindage optimal – évite les problèmes de CEM • Temps de montage réduits – gain de temps, et donc de coûts • Pas de recherche fastidieuse du connecteur ou du câble adapté – gain de temps et prévention d’erreurs www.kuebler.com 39
