Encoder senza albero: come montare magnete e sensore su una macchina mobile
Un encoder senza albero non ha un perno proprio da accoppiare all'asse che si vuole misurare. È fatto di due pezzi separati: un magnete, fissato alla parte della macchina che ruota, e il corpo del sensore, fissato alla struttura davanti al magnete. Il sensore legge il campo con tecnologia a effetto Hall e ne ricava l'angolo assoluto su 360°, senza contatto fra le due parti.
Non essendoci un giunto meccanico, la qualità della misura dipende in buona parte da come si montano i due pezzi: a che distanza, con quale allineamento, con quali materiali intorno. Nella gamma di encoder rotativi TSM Sensors lavorano con un magnete separato quattro modelli: RTS100, RTB100, RTP100 e RTE200. I valori citati qui sotto vengono dai loro datasheet.
Come funziona la lettura senza contatto
Il sensore rileva la posizione angolare di un piccolo magnete a dipolo che ruota sopra la sua superficie, montato in testa all'elemento rotante. Magnete e sensore non si toccano, per cui l'elemento sensibile non si consuma: i datasheet indicano una vita attesa praticamente infinita. La misura è assoluta e monogiro, da 0 a 360°, con risoluzione predefinita di 0,01° (selezionabile anche a 0,1° o 1°) e linearità di ±0,5° a 25 °C.
Quella linearità dipende dal montaggio. I datasheet lo dicono in modo esplicito: ogni offset o disallineamento in più aumenta la non linearità della misura. Per questo le quote di magnete e sensore vanno definite già in fase di disegno della macchina.
Quale magnete usare
Il magnete fa parte della fornitura. Per tutti e quattro i modelli si ordina in quattro versioni:
- rotore standard in alluminio anodizzato, per un albero consigliato da 12 mm di diametro, bloccato con due grani filettati M4 compresi nella fornitura
- magnete a vite M8, chiave 13, in acciaio inox AISI 316L
- magnete a vite M7, chiave 11, in acciaio inox AISI 316L
- magnete da 10 x 2 mm
Il rotore standard si calza su un albero, mentre i magneti a vite si avvitano in testa al perno che ruota. Per il magnete da 10 x 2 mm i datasheet riportano solo le dimensioni, quindi il sistema di fissaggio va definito con il team tecnico TSM.
Una regola vale per tutte le versioni: ogni sensore va montato con il rotore, la vite o il magnete contenuto nella sua confezione. I magneti non si scambiano fra un'unità e l'altra.
Distanza e allineamento fra magnete e sensore
Le quote da rispettare sono due. L'air gap è la distanza assiale fra magnete e sensore, misurata lungo l'asse di rotazione. Il disallineamento radiale indica di quanto il magnete può spostarsi di lato rispetto all'asse del sensore.
| Modello | Air gap ammesso | Air gap consigliato | Disallineamento radiale massimo |
|---|---|---|---|
| RTS100 | 1-4 mm | 2 mm | ±1 mm (consigliato 0 mm) |
| RTB100 | 1-4 mm | 2 mm | 1 mm |
| RTP100 | 1-8 mm | 2 mm | 1 mm |
| RTE200 | 1-8 mm | 2 mm | 1 mm |
Il valore consigliato di air gap è lo stesso per tutti, 2 mm. Cambia il campo ammesso: RTP100 e RTE200 arrivano fino a 8 mm, RTS100 e RTB100 si fermano a 4 mm.
Materiali intorno al magnete e viti di fissaggio
Il sensore misura un campo magnetico, e i datasheet mettono due limiti precisi sui materiali ferromagnetici. Il magnete non va inserito in un supporto di materiale ferromagnetico e non va installato a stretto contatto con una superficie ferromagnetica. Sono due vincoli da tenere presenti quando si disegna la sede del magnete sull'elemento rotante.
Anche per il corpo del sensore c'è un requisito sui materiali: va fissato con viti in acciaio inox amagnetico, per esempio AISI 316. Sull'RTS100 le viti sono due, M4; per RTP100 e RTE200 i datasheet indicano viti M3. La coppia di serraggio massima riportata nei disegni è di 2,5 Nm. L'RTS100 ha una flangia da 50 mm di diametro e un corpo in PBT caricato al 30% con fibra di vetro, mentre RTB100, RTP100 e RTE200 hanno il corpo in alluminio anodizzato.
Dopo il montaggio: zero e verso di conteggio
Il punto zero non è marcato sul sensore e cambia da un'unità all'altra. I datasheet raccomandano di impostarlo inviando il relativo comando una volta che il sensore è installato sulla macchina definitiva. Da lì in poi, visto che la misura è assoluta, il sensore conosce l'angolo già all'accensione e non ha bisogno di homing. Il tempo di avvio è inferiore a 1 secondo per l'RTS100 e a 1,5 secondi per RTB100, RTP100 e RTE200.
Il verso di conteggio invece si sceglie in fase d'ordine. Il sensore pubblica due canali di misura ridondanti e ciascuno può contare in senso orario o antiorario, tutti e due nello stesso verso oppure in versi opposti.
Se l'RTS100 misura anche l'inclinazione
L'RTS100 integra un inclinometro MEMS, e allora conta anche l'orientamento del corpo del sensore. La versione biassiale (fino a ±85° per asse) va montata in orizzontale, a pavimento o a soffitto secondo la versione ordinata. La versione monoassiale (±180° oppure 0-360°) va installata con la piastra di base in verticale, a parete. Il tipo di inclinometro è una voce del codice d'ordine, quindi si decide insieme alla posizione di montaggio. L'accuratezza statica dichiarata è di ±0,3° a 25 °C.
Dove si usano gli encoder senza albero TSM
Gli impieghi dichiarati da TSM Sensors per questi modelli riguardano soprattutto l'RTS100. Nel sollevamento rileva l'angolo di rotazione delle gru e il feedback delle forbici sui sollevatori a forbice. Sugli escavatori misura la posizione della benna.
In agricoltura controlla lo sterzo di mietitrebbie, irroratrici e porta attrezzi autonomi. Sulle irroratrici segue anche l'apertura e la chiusura di ali e boom, sulle seminatrici la posizione delle braccia parallele, sui trattori il pedale dell'acceleratore. Lo stesso modello controlla lo sterzo dei sideloader, dà il feedback delle spazzole sulle spazzatrici stradali e la posizione degli anelli di contatto elettrici.
L'RTE200 lavora sulle gru cingolate, dove rileva la posizione angolare degli stabilizzatori.
Domande frequenti sugli encoder senza albero
Che differenza c'è con un encoder ad albero?
Un encoder ad albero, come RTA100 o RTP100H, ha un albero proprio da accoppiare all'asse della macchina, e quell'albero regge dei carichi: per l'RTA100 il datasheet ammette al massimo 20 N in direzione radiale e 20 N in direzione assiale. In un encoder senza albero sensore e magnete sono due pezzi separati e fra loro non c'è contatto meccanico.
Qual è la distanza corretta fra magnete e sensore?
Il valore consigliato è 2 mm per tutti e quattro i modelli. RTS100 e RTB100 ammettono da 1 a 4 mm, RTP100 e RTE200 da 1 a 8 mm. Lo spostamento laterale massimo del magnete è di 1 mm.
Si può usare un magnete diverso da quello fornito?
No. Ogni sensore va montato con il rotore, la vite o il magnete presente nella sua confezione. La versione del magnete si sceglie nel codice d'ordine.
Il magnete si può montare in una sede d'acciaio?
I datasheet escludono sia il supporto in materiale ferromagnetico sia il contatto stretto con superfici ferromagnetiche. Se il progetto della macchina non lascia alternative, è meglio parlarne con il team tecnico TSM prima di chiudere il disegno.
Serve un azzeramento?
Sì, una sola volta, dopo l'installazione: il punto zero non è marcato e varia da un'unità all'altra, quindi si imposta con un comando quando il sensore è già montato. Alle accensioni successive la misura assoluta è disponibile subito, senza homing.
Resistono alle condizioni delle macchine mobili?
Tutti e quattro i modelli hanno grado di protezione IP67 secondo EN 60529 e lavorano da -40 a +85 °C. Sono provati a urti di 50 G per 11 ms (100 urti per asse, EN 60068-2-27) e a vibrazioni di 10 G fra 10 e 500 Hz (2 ore per asse, EN 60068-2-6).
Come si sceglie il modello?
Si parte dallo spazio disponibile per il corpo del sensore, dall'air gap che il progetto riesce a garantire e dalla necessità di misurare anche l'inclinazione, che fra questi quattro modelli offre solo l'RTS100. Il team tecnico TSM affianca il cliente nella scelta del modello e nelle prove pratiche di convalida. Per discutere un progetto si può scrivere dalla pagina contatti.