Absolute inductieve encoders kunnen worden gebruikt als afstandssensoren, maar het aanbod is beperkt voor metingen boven een meter. Samen met R&D-engineer David Reuijl ontwikkelden HBO-studenten Yordie Timmerman en Kevin Vos een lange afstandsencoder die geschikt is om zeer nauwkeurig grotere afstanden te meten.
Om nauwkeurig afstanden te meten, kiezen veel klanten van Sentech voor een absolute encoder. Magnetisch, inductief, capacitief en sinds kort ook optisch. Het aanbod aan technologieën is divers. Maar voor grotere systemen is er een belangrijke beperking; afstanden van langer dan een meter zijn vrijwel uitsluitend haalbaar met encoders op basis van magnetisme. Helaas zijn die regelmatig niet inzetbaar omdat ze slecht functioneren in het magneetveld van bijvoorbeeld een lineaire motor in de buurt. En er zijn wel niet-magnetische oplossingen op de markt die verder reiken dan een meter, maar die zijn lomp en kostbaar. Voor veel machinebouwers zijn dat dus geen reële opties.
Onderzoek
David Reuijl, R&D-engineer bij Sentech, constateerde dat gat in het sensorassortiment en ging op onderzoek uit. Zou het niet mogelijk zijn om een betaalbare, inductieve encoder te ontwikkelen die zonder problemen langere afstanden kan registeren? Dat er behoefte was aan zo’n systeem bleek anderhalf jaar geleden toen er een case voorbij kwam waar zo’n lange-slag encoder een uitkomst was geweest. De klant zocht namelijk een oplossing om zijn pick-and-place deltarobot nauwkeurig te kunnen positioneren over langere afstanden.
Proof of concept
Reuijl ging aan de slag. Samen met een stagiair Yordie Timmerman van de Fontys Hogeschool zette hij een eerste proof of concept op. De kern van het systeem is een liniaal met vier parallelle tracks. De pitch van elke track is net even anders waardoor op elke positie op de liniaal een unieke set aan vier meetwaarden ontstaat die je kunt terugrekenen naar een absolute afstand. De vier encodersignalen worden door een algoritme omgezet in een absolute positiewaarde binnen een bereik van meer dan een meter.
Nonius en streepjescodes
Om de werking van de lange-slag nonius encoder – zoals Sentech het systeem noemt – te begrijpen, moeten we inzoomen op het woordje ‘nonius’. Dat begrip kun je het beste uitleggen aan de hand van een schuifmaat. Op de hoofdschaal lees je daar af dat een bepaalde dikte bijvoorbeeld tussen de 13 en 14 millimeter zit. Je kunt natuurlijk een schatting maken of het 13,7 of 13,8 mm is, maar nauwkeuriger is het om te kijken naar de secundaire liniaal op de schuifmaat, de noniusschaal, die je vertelt dat de dikte bijvoorbeeld 13,7 mm bedraagt.
De lange-slag nonius encoder van Sentech werkt op dezelfde manier. Maar dan net andersom. Het komt erop neer dat de eerste track bijvoorbeeld de waarde 0,05 cm geeft. De tweede track vertelt je dat je de meting doet tussen 0,7 en 0,8 cm. De derde geeft aan dat het om de sectie 3 tot 4 cm gaat. En de vierde track tenslotte, zegt dat de positie tussen 10 en 20 cm ligt. De uiteindelijke meting bedraagt dan 13,75 cm.
Vier tracks
In feite ligt het iets ingewikkelder dan deze decimale versimpeling. De streepjes op de eerste track liggen 1,2 mm uit elkaar. De tweede track heeft een pitch die zodanig is gekozen dat hij na zestien stapjes op de eerste track (dus na 19,2 mm) weer overlapt. Dat betekent dat het encodersysteem aan het tweede streepjespatroon kan aflezen in welke van de zestien vakjes op de eerste track hij de meting doet. Maar welke sectie van 19,2 mm op de hele liniaal is het? Dat wordt duidelijk door naar de derde track te kijken. De pitch daarvan loopt na 16×16 stapjes op de eerste track (dus na 307,2 mm) weer in de pas. De vierde track heeft 16x16x16 keer 1,2 mm (dus 4915,2 mm) nodig om in de maat te lopen en vertelt in welke sectie van 307,2 mm je zit te meten.
Werkend principe
De eerste versie toonde aan dat het principe werkte. Er waren wel nog wat verbeterpunten. Zo zat er mechanisch wat speling in het systeem wat de nauwkeurigheid beïnvloedde. “En we liepen tegen de grenzen van de encoders aan”, vertelt Kevin Vos, een stagiair van de Fontys Hogeschool die bij de tweede fase van het onderzoeksproject betrokken is. “Die encoders hebben een maximale refreshrate en moeten vervolgens 100 milliseconde wachten voordat ze een volgend woord kunnen inladen.”
FPGA
De oplossing was om de oorspronkelijk gekozen microcontroller te vervangen door een FPGA van Lattice Semiconductor. “In het eerste systeem moesten de encodersignalen namelijk ook nog op elkaar wachten”, zegt Vos. Omdat een microcontroller sequentieel werkt, zat er een behoorlijk tijdverschil tussen de resultaten van de vier tracks. “Met een FPGA kun je die vier signalen parallel verwerken en er dan gelijk een berekening op loslaten. De uitkomsten zijn dus gelijktijdig beschikbaar, zodat je ook op hoge snelheden een nauwkeurige absolute positie kunt bepalen. We halen nu een resolutie van 73 nanometer.”
Industrialisatie
De stage van een halfjaar van Vos zit er bijna op. “Ik ben nu druk met de laatste tests”, vertelt hij. “We willen graag nauwkeurig in kaart brengen wat de specificaties van het systeem zijn en wat we kunnen garanderen.” Daarmee is het encodersysteem nog niet klaar voor de markt. Samen met Reuijl zet Vos al wel de eerste stappen richting industrialisatie. “We kijken hoe we het robuuster en kostengunstiger kunnen realiseren”, aldus Vos. Dat zou bijvoorbeeld kunnen door een goedkopere FPGA van Lattice te selecteren. “Tot nu toe was de prijs van het systeem nog geen issue, maar als Sentech het straks wil vermarkten, moeten we daar natuurlijk wel op gaan letten. Tegelijk onderzoeken we de mogelijkheid om meerdere encoderkoppen op dezelfde FPGA aan te sluiten.”
Lineaal
Een ander aandachtspunt is de liniaal. Uit praktische overwegingen is die nu nog maar een halve meter lang. “Zo konden we het systeem tijdens de coronaperiode makkelijk mee naar huis nemen”, zegt Vos. Om het principe aan te tonen, hoefde de liniaal ook niet langer. Maar als het systeem straks echt afstanden tot vijf meter wil registreren, moet de liniaal natuurlijk wel lang genoeg zijn. “Nu gebruiken we nog PCB-materiaal, wat vrij eenvoudig te maken is tot iets meer dan een meter. Voor grotere lengtes zullen we waarschijnlijk naar andere materialen en productietechnieken moeten kijken. Daar hebben we wel wat ideeën, maar dat is nog work in progress. Dat laat ik over aan Reuijl, en wellicht een volgende stagiair.”
Ook interessant: Sentech en Velodyne Lidar gaan partnership aan