Beschreibung
Der Optical Shaft Encoder ist ein digitaler Sensor, der die Drehung einer Welle mithilfe einer internen Encoderscheibe misst. Das Gehäuse des optischen Wellenencoders verfügt über drei geschlitzte Montagelöcher, um eine einfache Montage an der Roboterstruktur zu ermöglichen.
Das Gehäuse verfügt außerdem über eine abnehmbare Abdeckung, die eine Reinigung und Inspektion der internen Encoderscheibe ermöglicht. In der Mitte des Gehäuses befindet sich die zentrale Nabe der Encoderscheibe. Durch diese Nabe kann eine Vierkantwelle eingeführt werden, und wenn sich die Welle dreht, dreht sie die interne Encoderscheibe.
| „Oben“ und „Unten“ Kabel |
Der optische Wellenencoder gehört zur 3-Draht-Sensorserie. Von der Seite des Sensorgehäuses führen zwei 3-adrige Kabel. Das „obere“ Kabel ist das Kabel, das dem Montageloch des Gehäuses am nächsten liegt, und das „untere“ Kabel ist dasjenige, das der mittleren Encoder-Nabe am nächsten liegt.
Dieser 3-Draht-Sensor ist mit dem V5 Robot Brain oder dem Cortex kompatibel. Die Kabel des Sensors können mit 3-adrigen Verlängerungskabelnverlängert werden.
Damit der optische Wellenencoder mit dem V5 Brain funktioniert, müssen beide Sensorkabel vollständig in die 3-Draht-Anschlüsse des V5 Brain eingesteckt sein. Um eine Drehung einer Welle im Uhrzeigersinn als positive/Vorwärtsrichtung zu messen, muss das „obere“ Kabel an einen 3-Draht-Anschluss angeschlossen werden und das „untere“ Kabel muss an den nächsthöheren aufeinanderfolgenden 3-Draht-Anschluss angeschlossen werden. Hinweis: Es funktionieren nur bestimmte Portpaare (AB, CD, EF und GH).
Beispielsweise könnte das „obere“ Kabel am Sensor an den 3-Draht-Anschluss A angeschlossen werden, und dann muss das „untere“ Kabel an den 3-Draht-Anschluss B angeschlossen werden. Der Sensor funktioniert, wenn diese Kabel vertauscht sind , jedoch wird eine Drehung im Uhrzeigersinn als negative/umgekehrte Richtung gemessen.
Der optische Wellenencoder wird im Advance Sensor Kit geliefert oder ist als 2er-Pack erhältlich und kann hier erworben werden .
| Optischer Wellenkodierer | 3-Draht-Anschlüsse |
So funktioniert der optische Wellenencoder:
Wie bereits erwähnt, verfügt der optische Wellenencoder über eine interne Encoderscheibe mit einer zentralen Nabe, durch die eine Welle eingeführt werden kann, und sie dreht sich, wenn sich die Welle dreht. Die Scheibe hat kleine Schlitze am Umfang der Scheibe.
| Optische Welle-Encoder-Scheibe |
Über einer Seite des Scheibenrandes befinden sich zwei Kanäle mit IR-LED-Lichtern und auf der anderen Seite zwei Kanäle mit IR-Lichtsensoren. Das Licht wird blockiert, während sich die Scheibe von einem Schlitz zum nächsten dreht. Wenn dies geschieht, erkennt der Sensor dies und sendet einen digitalen Signalimpuls an das V5-Gehirn. Dieser Impuls zeigt an, dass sich die Welle um einen Schlitz gedreht hat. Es gibt 90 Schlitze, also zeigen 90 Impulse an, dass die Welle eine volle Umdrehung gemacht hat.
| Phasendiagramm von Signalkanälen |
Die beiden Kanäle des Sensors sind so eingestellt, dass ihre Signalimpulse um 90ophasenverschoben sind. Dadurch können die Signale des optischen Wellenencoders anzeigen, in welche Richtung sich die Encoderscheibe/-welle dreht.
Wenn die Phase beispielsweise Kanal eins als führenden Impuls hat, liest das V5-Gehirn dies, während sich die Welle im Uhrzeigersinn dreht; Andernfalls deutet dies auf eine Drehung gegen den Uhrzeigersinn hin, wenn der führende Impuls von Kanal zwei stammt. Dies ermöglicht es dem V5-Gehirn nicht nur, die Richtung der Wellendrehung zu bestimmen, sondern es ermöglicht dem Gehirn auch, Messwerte zu addieren oder zu subtrahieren, um einen Nettowert darüber zu erhalten, wie stark sich die Welle gedreht hat.
| Entfernung bestimmen |
Der optische Wellenencoder muss mit einer Programmiersprache wie VEXcode V5 oder VEXcode Pro V5 gekoppelt werden, um ein Benutzerprogramm für das Gehirn zu erstellen, das die Signalimpulse zur Steuerung des Roboterverhaltens nutzt.
Das V5 Brain kann zusammen mit einem Benutzerprogramm verwendet werden, um die Impulse vom optischen Wellenkodierer in die Richtung der Wellendrehung, den Umfang der Wellendrehung und die Geschwindigkeit der Wellendrehung umzuwandeln. Wenn die Größe der Antriebsräder des Roboters im Anwenderprogramm berücksichtigt wird, kann mit Hilfe des Sensors auch die zurückgelegte Strecke des Roboters und die Geschwindigkeit des Roboters ermittelt/gesteuert werden.
| Innenraum des optischen Wellenencoders |
Hinweis: Wenn die Schlitze der Encoderscheibe im optischen Disk-Encoder durch Staub und Schmutz verstopft sind, sind die Messwerte des Sensors nicht mehr genau. Es empfiehlt sich, gelegentlich die Abdeckung vom Gehäuse zu entfernen und loses Material mit Druckluft aus dem Sensorinneren auszublasen.
Häufige Verwendungszwecke eines optischen Wellenkodierers:
Wie bereits erwähnt, kann ein optischer Wellenkodierer die Richtung der Wellendrehung, den Umfang der Wellendrehung und die Geschwindigkeit der Wellendrehung messen. Allerdings verfügen die V5 Smart Motors auch über hervorragende interne Encoder, die die gleichen Werte messen können, ohne dass ein zusätzlicher Sensor erforderlich ist. Dennoch gibt es einige Anwendungen, bei denen der optische Wellenkodierer wertvolle Messwerte liefern kann. Einige Beispiele hierfür sind:
Programmwerte visualisieren: In einem Klassenzimmer kann ein optischer Wellenkodierer einen einfachen Zugriff auf die Werte der Wellendrehung oder Wellengeschwindigkeit ermöglichen. Unabhängig davon, ob die Welle an einem Manipulator wie einem Arm oder für ein Rad in einem Antriebsstrang verwendet wird, können die vom Sensor erfassten Werte auf dem Farb-Touchscreen des V5 Brain oder auf dem LED-Display des V5 Controllers ausgedruckt werden. Dadurch können die Schüler direkt sehen, welche Werte ihre Benutzerprogramme verwenden, um das Verhalten des Roboters zu ändern.
Ablesung des Eingangs-/Ausgangsverhältnisses: Eine weitere großartige Verwendung eines optischen Wellenkodierers im Unterricht ist das Studium der Kettenrad- und Getriebeverhältnisse. Ein optischer Wellenencoder kann auf der Abtriebswelle der „angetriebenen“ Seite des Kettenrad-/Zahnradverhältnisses angebracht werden. Ein Leistungsübertragungsverhältnis von 1:1 kann verwendet werden, um einen erwarteten Ausgangswert für den optischen Wellenkodierer aufzuzeichnen, wenn der V5 Smart Motor auf eine bestimmte Leistung/Geschwindigkeit für die „Antriebsseite“ der Eingangswelle eingestellt ist. Anschließend können verschiedene Verhältnisse zusammengestellt und die erwartete Ausgabe für das Verhältnis mit dem Messwert für die tatsächliche Ausgabe verglichen werden.
Rampentest: Eine unterhaltsame Untersuchungsaktivität im Klassenzimmer besteht darin, die Schüler einen „frei rollenden“ Wagen zusammenbauen zu lassen. Auf dem Wagen kann ein V5-Steuerungssystem angebracht werden, und auf einer der Wellen des Wagens wird ein optischer Wellenencoder angebracht. Dann kann ein Benutzerprogramm erstellt werden, das mehrere Geschwindigkeiten des Wagens ausdruckt, während er eine Rampe hinunterrollt. Die Schüler können dann verschiedene Aspekte der Rampe oder des Wagens ändern und die Ergebnisse des Herunterrollens des Wagens über die Rampe mit der nächsten Iteration vergleichen.
Einsatzmöglichkeiten eines optischen Wellenencoders an einem Wettbewerbsroboter:
Schwungradgeschwindigkeit: Einige fortschrittliche Schwungradkonstruktionen verwenden ein Ratschensystem, um das Schwungrad anzutreiben, das eine Spielfigur wirft. Dies geschieht, damit sich das Schwungrad frei drehen kann, während der V5 Smart Motor keine Energie auf das Schwungrad überträgt, anstatt Energie durch den Widerstand des Motors zu verlieren. Bei dieser Art von Konstruktion kann ein optischer Wellenkodierer, der auf die Welle des Schwungrads eingesetzt wird, eine gute Methode für die Messung darstellen. Hinweis: Der maximale Bereich für eine genaue Messung der Wellendrehzahl liegt bei etwa 1100 U/min.
| Isolierter Rad-/optischer Wellenencoder auf einer federbelasteten Radbaugruppe |
Isoliertes Rad/optischer Wellenencoder: Es kann vorkommen, dass bei einem Roboter das Antriebsrad durchrutscht (durch Schieben von Spielsteinen oder andere Faktoren). Sobald die von einem V5 Smart Motor angetriebenen Räder durchzurutschen beginnen, sind die Werte der Encoder des Motors nicht mehr gültig. In diesem Fall kann dem Chassis des Roboters ein isoliertes omnidirektionales Rad mit einem optischen Wellenencoder an der Welle hinzugefügt werden, um die Bewegung des Roboters genau zu messen. Es empfiehlt sich, diese Radbaugruppe durch die Verwendung von Gummibändern oder Latexschläuchen „federnd“ zu machen. Durch diese Konstruktion behält das Messrad ausreichenden Kontakt mit der Feldoberfläche, ohne dass die Antriebsräder vom Boden abgehoben werden.
| Isoliertes Rad/optischer Wellenencoder |
Wenn der Antriebsstrang über Räder verfügt, die nicht von einem Motor angetrieben werden, besteht eine weitere Möglichkeit darin, einen optischen Wellenencoder auf einer der Wellen dieser Räder zu platzieren.
Ganz gleich, bei welcher Anwendung die Richtung der Wellendrehung, der Umfang der Wellendrehung oder die Geschwindigkeit der Wellendrehung gemessen werden müssen, der optische Wellenencoder kann einen genauen und effektiven Sensor für die Messung bereitstellen.