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Eine Google-Suche nach dem Begriff “Encoder” ergibt eine breite und ziemlich verwirrende Palette von Antworten. Denn Encoder sind in Maschinen zu finden, die in unzähligen Branchen nützlich sind. Schneiden, Plotten, Sortieren, Abfüllen, Verpacken, Transportieren, Automatisierung, Robotik – man sieht sie vielleicht nicht, aber sie sind da.
(En)kodierung kurz gefasst
Im Sprachgebrauch finden wir “Encoder” aber das “encodieren” gibt es nicht Vielmehr werden Begriffe mit unterschiedlichen Vorsilben des Wortes “Kodierung” verwendet. Encoding bedeutet also die Umwandlung von Informationen von einer Form oder einem Format in ein anderes, in der Regel mit Hilfe bestimmter Regeln oder Algorithmen. Dazu gehört die Kodierung oder Umwandlung von Daten oder Eingangssignalen in eine Form, die das Zielsystem oder -gerät verstehen kann. Es wird in der modernen Telekommunikation, der Datenkompression, der Signalverarbeitung, verschiedenen Audiomedien (analoge und digitale Signale), der Bilderfassung und sogar der Kryptographie eingesetzt. Es handelt sich also um den Prozess der Umwandlung von Informationen oder Daten von einem Format in ein anderes, um sie zu verarbeiten, zu übertragen, zu speichern oder zu lesen.
Woraus besteht ein Encoder und wie funktioniert er?
Wir können die allgemeine Struktur beschreiben, da der Aufbau eines Encoders je nach Art des Encoders und seiner Anwendung variieren kann. Einfach ausgedrückt ist ein Encoder ein Messgerät, das eine Rückmeldung liefert.
Encoder wandeln eine Bewegung in ein elektrisches Signal um, das von einem Steuergerät in einem Bewegungssteuerungssystem, wie z. B. einer SPS, gelesen werden kann. Der Encoder sendet ein Rückmeldesignal, das zur Bestimmung von Position, Anzahl, Geschwindigkeit oder Richtung verwendet werden kann. Das Steuergerät kann diese Informationen wiederum nutzen, um einen Befehl für eine bestimmte Funktion zu senden. Gemäß der alten Regel, dass Beispiele am besten lehren, sind hier einige leicht verständliche Beispiele zu finden:
- Bei einer Ablänganwendung informiert ein Geber mit einem Messrad das Steuergerät über die Menge des zugeführten Materials, so dass das Steuergerät weiß, wann es schneiden muss.
- Bei Hebebühnen für Eisenbahnwaggons sorgen Encoder für eine präzise Bewegungsrückmeldung, so dass die Hebebühnen im Gleichschritt angehoben werden.
- In einem industriellen Präzisionssystem, z. B. für die Anbringung von Etiketten, wird das Encodersignal von der SPS verwendet, um den Zeitpunkt und die Geschwindigkeit der Flaschendrehung zu steuern.
- Beim Drucken aktiviert die Rückmeldung des Encoders den Druckkopf, um eine Markierung an einer bestimmten Stelle zu erzeugen.
- Bei einem großen Kran liefern an der Motorwelle montierte Encoder Positionsrückmeldungen, so dass der Kran weiß, wann er die Last anheben oder loslassen muss.
- Im Aufzug melden Encoder der Steuerung, wenn der Aufzug die richtige Etage in der richtigen Position erreicht hat. Das bedeutet, dass die Rückmeldung der Encoderbewegung an die Aufzugssteuerung dafür sorgt, dass sich die Aufzugstüren bündig mit dem Boden öffnen. Ohne Encoder könnte es passieren, dass wir aus der Aufzugskabine klettern oder springen müssen – wir haben von vielen Fällen gehört, in denen der Aufzug zwischen den Etagen stehen geblieben ist und höchstwahrscheinlich war es der Encoder, der zu diesem Zeitpunkt ausgefallen ist.
Encoder verwenden verschiedene Technologien zur Erzeugung eines Signals, darunter mechanische, magnetische, resistive und optische, wobei letztere am weitesten verbreitet sind. Der von der LED ausgestrahlte Lichtstrahl durchdringt die Codescheibe, die mit undurchsichtigen Linien überzogen ist – ähnlich wie die Speichen eines Fahrrads. Wenn sich die Encoderwelle dreht, wird der Lichtstrahl der LED durch undurchsichtige Linien auf der Codescheibe unterbrochen, bevor er von der Fotodetektoreinheit erfasst wird. Dies führt zur Erzeugung eines Impulssignals: Licht = an; kein Licht = aus. Das Signal wird an einen Zähler oder Controller gesendet, der dann ein Signal zur Erzeugung der gewünschten Funktion sendet.
Encoder in der Elektronik und ihre Typen
Wenn man von Encodern als elektronischen Bauteilen spricht, handelt es sich um Geräte, die Position, Geschwindigkeit oder andere Bewegungsinformationen in digitale Signale umwandeln. Encoder werden in Anwendungen wie Positionierungssystemen, Robotik, Industrie oder Unterhaltungselektronik eingesetzt. Sie können zur Messung von Rotation, linearer Verschiebung, Winkelgeschwindigkeit und anderen bewegungsbezogenen Parametern verwendet werden. Betrachten wir zunächst drei – optische, magnetische und resistive -, von denen jede ihre eigenen Merkmale und Anwendungen hat. Alle Encoder liefern Ausgangssignale in Form von Impulsen oder digitalen Signalen, die von Mikrocontrollern, Steuerungssystemen oder anderen elektronischen Systemen weiterverarbeitet werden können.
Optische Encoder verwenden Licht und Fotodetektoren, um Muster auf einer speziellen Scheibe oder einem Band zu lesen und die Bewegung zu messen. Magnetische Encoder, die aus einem Magnetsensor und einem Magneten bestehen, der auf einem beweglichen Teil angebracht ist, nutzen die Prinzipien des Magnetismus, um Bewegungen zu erkennen. Resistive Encoder, die mit einem Widerstandsring, einem beweglichen Läufer und einer Schnittstelle ausgestattet sind, verwenden einen wechselnden Widerstand, um die Bewegung zu registrieren.
Vielseitigkeit - Encoder als Sensor
Das bedeutet natürlich nicht, dass wir uns jetzt von Elektronik, Automatisierung und Robotik entfernen. Encoder sind ein fester Bestandteil der Robotik, wo sie zur Messung der Position, Geschwindigkeit und Ausrichtung beweglicher Roboterteile verwendet werden. Dies ermöglicht eine präzise Bewegungssteuerung und Überwachung der Position des kleinen Fahrzeugs im Raum. In Bearbeitungsmaschinen wie numerisch gesteuerten (CNC) Dreh- und Fräsmaschinen werden Encoder verwendet, um die Position des Werkzeugs und des Arbeitstisches zu verfolgen. Ohne die genaue Vermessung der Werkzeugposition ist eine präzise Bearbeitung nicht möglich. In der industriellen Automatisierung werden Encoder zur Überwachung der Position und Geschwindigkeit verschiedener Komponenten wie Förderbänder, Motoren, Gelenke oder Manipulatoren eingesetzt. Die Messung genauer Positionswerte ermöglicht eine effektive Steuerung und Überwachung von Produktionsprozessen.
Auch in der Welt der Unterhaltungselektronik und der Geräte, die jedem von uns nahestehen, gibt es keinen Mangel an ihnen. Beispiele hierfür sind Kameras und andere mehr oder weniger spezialisierte optische Geräte – in digitalen Spiegelreflexkameras, Videokameras, Objektiven oder sogar Teleskopen werden Encoder verwendet, um die Drehung des Zoomrings, die Brennweite, den Weißabgleich, den Fokus und andere Parameter zu messen. Die Encoder werden von Canon, Nikon, Sony, Fujifilm oder Olympus Kameras verwendet.
Encoder und Roboterkonstruktion
In der Amateur- und semiprofessionellen Robotik können Encoder in einer Vielzahl von Formen und Erscheinungsbildern auftreten, je nach spezifischer Anwendung und Roboterdesign. Relativ einfache Schaltungen mit LEDs und Fototransistoren erzeugen Impulse in Abhängigkeit von der Bewegung des Bauteils. Sie können als Encoder oder Lineargeber eingesetzt werden – alles für eine bessere Ablesung von Positionsänderungen. Magnetische Encoder in Roboterkonstruktionen können auch zur Messung der linearen Verschiebung verwendet werden.
Raspberry Pi und Arduino Projekte mit Encoder
Encoder lassen sich leicht mit Raspberry Pi und Arduino-Minicomputern kombinieren. Ein solches Duo ermöglicht eine Vielzahl von Projekten, einschließlich Robotik, Automatisierung, Positionsüberwachung und andere Anwendungen, die Bewegungsmessung und Positionssteuerung erfordern. Sie müssen nur die Pins des Encoders identifizieren, die Ausgänge anschließen und schon können Sie entwerfen. Aus dem vorangegangenen Absatz lässt sich leicht ableiten, dass man versucht sein könnte, einen mobilen Roboter, z. B. auf Rädern, mit präziser Navigation und Positionskontrolle zu entwickeln. Weitere mögliche Projekte sind interaktive Bedienfelder, mit denen sich je nach Gerät Lautstärke, Helligkeit oder Balance einstellen lassen. Encoder und Programmierung sind praktisch überall dort nützlich, wo Geschwindigkeitsüberwachung, Bewegungserfassung oder Servosteuerung zur präzisen Positionierung eingesetzt werden. Je nach Bedarf können Sie Python oder die Arduino-IDE verwenden oder ein wenig in Community-Foren und Repositories recherchieren.
