المشفّرات البصرية
تستخدم المشفِّرات البصرية (Optical Encoders) المحزوزات/الشبكات الضوئية والكشف الضوئي-الكهربي لتحويل الحركة الدورانية أو الخطية إلى إشارات كهربائية. وهي وسيلة التغذية الراجعة للموضع الأكثر شيوعًا في ماكينات CNC، ومنصات أشباه الموصِّلات، والقياس الدقيق، والروبوتات، وأتمتة الدقة العالية. وبفضل القدرة العالية على الفصل، وانخفاض خطأ التقسيم الفرعي (SDE)، والتكرارية الممتازة، تُستخدم المشفِّرات البصرية على نطاق واسع في تموضُعٍ يتراوح من النانو إلى الميكرومتر.
ما هو المشفِّر البصري؟ (What is an Optical Encoder)
المشفِّر البصري حساس يكتسب معلومات الموضع عبر سلسلة مصدر ضوء → محزوز/شبكة ضوئية → كشف ضوئي-كهربي. يضم النطاق الأساسي قرصًا/مسطرة محزَّزة (Scale/Disk) مع رأس قراءة (Readhead): يقرأ الرأس، ضمن فجوة بصرية محددة، الأهداب أو إشارات التداخل الناتجة عن انتقال/انعكاس المحزوز، ثم تُعالج عبر الواجهة الأمامية التناظرية والتوسيط/فك-الترميز لإخراج إشارات تزايدية A/B (مع مرجع Z اختياري)، أو جيبي/تمامي 1 Vpp، أو بيانات موضع مطلقة تسلسلية (مثل SSI/BiSS/EnDat).
حسب نوع الحركة هناك مشفِّرات بصرية دوّارية (قرص) ومشفِّرات بصرية خطية (مسطرة). مقارنةً بالاستدلال غير المباشر عبر اللولب/الترس، تمكّن المشفِّرات الخطية من القياس المباشر مع كبح بارز لأخطاء الخلوص الخلفي وخطوة اللولب والتمدد الحراري؛ بينما توفّر المشفِّرات الدوّارية تغذية راجعة زاوية/سرعة عالية الدقة للمحركات والطاولات الدوّارة.
مبدأ العمل (Working Principle)
1) التصوير/أهداب مواريه (Imaging/Moiré)
- البنية: مصدر ضوء (LED/VCSEL) → بصريات تسديد/تشكيل صورة → قناع/محزوز طوري → مصفوفة ضوئية.
- الآلية: يولِّد الانزياح النسبي بين المسطرة ومحزوز مرجعي في الرأس أهداب مواريه تُنتج إشارات جيب/جيب تمام نقية تقريبًا؛ ثم تُحقَّق دقة عالية عبر التوسيط والتسوية في السعة/الطور.
2) التداخلي/المحزوز الطوري (Interferential/Phase Grating)
- الآلية: يتغيّر فرق الطور بين رُتب الحيود خطّيًا مع الإزاحة، ويؤدي التراكب إلى موجات جيبية عالية النقاء؛ ما يحقق SDE أقل وإمكانات فصل أعلى.
3) نفاذي مقابل انعكاسي (Transmission vs Reflection)
- النفاذي: ركيزة زجاج/سيراميك؛ نسبة إشارة إلى ضجيج عالية وخطّيّة جيدة؛ مناسب للبيئات النظيفة والتموضُع الدقيق.
- الانعكاسي: محزوزات معكوسة معدنية/مطلية؛ حزمة مدمجة وسهولة تركيب؛ أشد حساسية للتلوث وتحتاج إحكامًا جيدًا وستارة هوائية/ماسحات.
4) تزايدي مقابل مطلق (Incremental vs Absolute)
- التزايدي: نبضات A/B متعامدة (فرق 90°)، وتُستدل الجهة من سبق-الطور؛ وتظهر إشارة Z مرة في كل شوط/لفة.
- المطلق: تعطي كل نقطة موضع رمزًا فريدًا (ثنائي/غراي)، ويمكن تضمين تشخيص وحرارة وسجلات حالة.
الدقة الخطية التقريبية: Δx ≈ p / (N × M)
حيث p = خطوة المحزوز، وN = عامل التوسيط التناظري (مثل 100×)، وM = عامل المضاعفة الرقمي (نموذجيًا 4×).
الدقة الزاوية المكافئة (للدوراني): θ_res = 360° / (عدد الخطوط × 4).
التصنيفات (Taxonomy)
- حسب الحركة: مشفِّر بصري خطي / مشفِّر بصري دوّاري (قرص)
- حسب الخرج: تزايدي (TTL/HTL/RS422، أو 1 Vpp/11 µApp) / مطلق (SSI، BiSS-C، EnDat 2.2، أو متوازٍ)
- حسب التنفيذ البصري: نفاذي / انعكاسي؛ تصويري / تداخلي؛ محزوز سعة / محزوز طور
- حسب التغليف: مفتوح (ديناميكية عالية واحتكاك منخفض) / محكم (IP65–IP67، مقاوم للزيوت وسائل التبريد)
- حسب المدى/المادة: زجاج/سيراميك (CTE منخفض)، شريط فولاذي (مشاوير طويلة)، محزوزات عاكسة مطلية… إلخ
المكوّنات الأساسية وسلسلة الإشارة (Signal Chain)
- المصدر والبصريات: LED/ليزر مع تسديد/تركيز؛ يحكمان تجانس الإضاءة والانجراف الحراري؛ يُستحسن تقادمٌ مضبوط وحلقة تحكم في القدرة.
- المحزوز/القرص: خطوة
p، ونسبة التشغيل (Duty)، ودقة الطور تحدد نقاء الإشارة وSDE. - المصفوفة الضوئية/AFE: قنوات متعددة، وموازنة تلقائية للمطال/الانحياز/الطور (تسوية ABC).
- ASIC التوسيط/الترميز: تصحيح السعة/الطور، تعويض إهليلجي، ترشيح رقمي وكبح Jitter، ترميز البروتوكول ومُشغّلات الخطوط.
- الطبقة الفيزيائية: RS-422 تفاضلية، 1 Vpp/11 µApp؛ ممانعة إنهاء مناسبة، وكابلات محمية/تأريض محكَم ومسارات عودة مضبوطة.
المخارج والواجهات (Outputs & Interfaces)
| نمط الخرج | الإشارة النموذجية | الوصف |
|---|---|---|
| مربّع تزايدي | A/B (+Z)، TTL/HTL/RS422 | عدّادات PLC عالية السرعة، حلقات سرعة/موضع؛ وللمسافات الطويلة تُفضَّل التفاضلية |
| جيب/جيب تمام | 1 Vpp، 11 µApp | فصلٌ فائق عبر التوسيط؛ يعتمد SDE وJitter على جودة السلسلة |
| تسلسلي مطلق | SSI، BiSS-C، EnDat 2.2 | قيمة مطلقة أحادية/متعددة اللفات، سجلات تشخيص/حرارة/إنذار |
| ناقل ميداني | EtherCAT، PROFINET، CANopen | تزامن متعدد المحاور، ساعات موزّعة، إعداد عبر الخط |
تقدير عرض الحزمة (خطي): f_max ≈ (v / p) × edges
حيث v = السرعة الخطية وedges = الحواف الفعّالة لكل دورة (مثل 4× في التربيع).
المؤشّرات الفنية (Key Specifications)
| المؤشر | النطاق/الوصف النموذجي |
|---|---|
| الدقة (Resolution) | خطي: من 1 µm حتى 1 nm؛ دوّاري: حتى ≤ 24 بت مكافئ |
| الصحة الخطية (Accuracy) | بصري فئة عليا: ±1–±3 µm/m؛ قياسي: ±3–±10 µm/m |
| التكرارية | ≤ ±0.1–±0.3 µm (خطي)؛ وفي الزاوي قد تبلغ دون الثانية القوسية |
| SDE (خطأ التقسيم الفرعي) | لسلسلة 1 Vpp عالية الجودة: ±20–±80 nm |
| Jitter (تذبذب) | عشرات النانومترات، يتأثر بـ AFE وضجيج طور الساعة |
| خطأ الطور/نسبة التشغيل | طور A/B = 90° ± (1–5)°؛ ونسبة التشغيل 50% ± (2–10)% |
| السرعة الممكنة | خطي > 1 m/s؛ دوّاري حتى > 12,000 RPM (بحسب الواجهة) |
| الاعتمادية البيئية | من IP40 (مفتوح) إلى IP67 (محكم)، وفق IEC 60068-2 (اهتزاز/صدمات) |
التركيب ومصادر الخطأ (Installation & Error Sources)
- الفجوة البصرية ووضعية الرأس (Pitch/Roll/Yaw) خارج التحمّل → لا تماثل في المطال وارتفاع SDE.
- خطأ آبي (Abbe Error): إزاحة جانبية × خطأ زاوي؛ اجعل خط القياس يمر بمركز الحركة أو عوّض برمجيًا.
- خطأ جيب التمام (للزوايا الصغيرة):
e ≈ (L × θ²) / 2. - اللامركزية/القفز المحوري للقرص (دوّاري): تولِّد توافقات أساسية/ثانية في الخطأ الزاوي.
- التمدد الحراري (CTE): منخفض في الزجاج/السيراميك؛ أما الشريط الفولاذي فيلزم تعويض حراري وتثبيت عائم.
- EMC/التأريض: تأريض بنقطة واحدة، وحجب ملائم ومسارات عودة مُحكَمة لتفادي الضجيج المشترك والحلقات.
المعايرة والتعويض (Calibration & Compensation)
- رسم خرائط خطي: قياس منحنى الخطأ بواسطة تداخل ليزري/Ballbar وتحميله إلى LUT في وحدة التحكّم.
- تعويض حراري: تصحيح فوري باستخدام حرارة المسطرة/الهيكل ونموذج CTE.
- تسوية السعة/الطور (تعويض الإهليلجية): موازنة تلقائية للانحياز والمطال والطور قبل التوسيط.
- المرجع: نقاط مرجعية مشفّرة بالمسافة لتقصير مسافة العودة إلى الصفر وتحسين القابلية للتكرار.
مقارنة مع تقانات أخرى (Comparisons)
| التقنية | الدقة/الصحة | مقاومة التلوث/البيئة | المدى النموذجي | أبرز القيود |
|---|---|---|---|---|
| المشفِّرات البصرية | ★★★★★ | ★★★ | متوسط/طويل | حساسة للتلوث/التكاثف وتتطلب تركيبًا متقنًا |
| المغناطيسية | ★★☆ | ★★★★ | طويل | خطّيّة وSDE أضعف |
| التحريضية/السعوية | ★★★ | ★★★★ | متوسط | تتأثر بالجوار المعدني/الدوّامات أو الرطوبة |
| المحوّل الدوّار (Resolver)/مقياس الجهد | ★★ | ★★★★★/★ | متوسط/قصير | دقة فصل أدنى أو واجهات أقل مباشرة |
التطبيقات (Applications)
محاور خطية ودوّارية في CNC، ومنصّات CMM والقياس، ومحاذاة/تعريض/تفتيش أشباه الموصلات، ومراحل الحركة الدقيقة، ومفاصل الروبوت ومراقبة ارتداد المسننات، ومعدات التصوير/العلاج الإشعاعي الطبي، وتزامن الطباعة والتعبئة، وتجميع/فحص الإلكترونيات والمناولة عالية السرعة.
الصيانة واستكشاف الأخطاء (Maintenance & Troubleshooting)
- روتينيًا: تنظيف دوري (قطعة خالية من الوبر + مذيب مناسب)، مراعاة نصف قطر انحناء الكابل/الحجب، مراقبة الحرارة-الرطوبة والتكاثف.
- أعراض شائعة وحلولها:
- فقدان نبضات/حواف: فجوة خارج المدى أو انسداد بالتلوث → اضبط الوضعية/نظّف/أضف إحكامًا وستارة هوائية.
- ارتفاع SDE/Jitter: ضجيج في AFE/التوسيط أو تأريض رديء → حسّن التغذية، الأسلاك والإنهاء.
- فشل اتصال مطلق: عدم تطابق معلمات أو قطبية SSI/BiSS/EnDat → راجع طول الإطار وCRC والتوقيت والممانعات.
- خطأ زاوي توافقي (دوّاري): لامركزية/قفز → حسّن التمركز وصلابة المحمل وطبّق تعويضًا توافقياً.
دليل الاختيار (Selection Guide)
- الصحة/التكرارية الهدف (µm/m أو ثوانٍ قوسية) والديناميكا (السرعة).
- المبدأ البصري (نفاذي/انعكاسي؛ تصويري/تداخلي) وخطوة المحزوز
p. - الواجهة (A/B/Z، 1 Vpp، SSI/BiSS/EnDat، أو نواقل) وعرض حزمة المتحكِّم.
- التغليف والبيئة (مفتوح/محكم، درجة IP، وجود سائل تبريد/غبار).
- التصميم الميكانيكي/الحراري (سماحات الفجوة/الوضعية، CTE، تثبيت عائم).
- التعويض/التشخيص (خرائط الخطأ، سجلات الحرارة/الحالة، إنذارات آنية).
- دورة الحياة (إمكانية صيانة الرأس/الكابلات، توافر القطع، قدرات المعايرة).
المعايير والمراجع (Standards & References)
- IEC 60529:2020 (درجات الحماية IP)
- IEC 60068-2 (اهتزاز/صدمات/حرارة-رطوبة)
- IEC 61000-6-2 / -6-4 (EMC صناعي: المناعة/الإشعاع)
- ISO 230-2 / ISO 230-3 (اختبارات تموضع وخصائص حرارية لماكينات التشغيل)
- ISO 10360 (التحقق من CMM)
- ISO 14644 (متطلبات غرف نظيفة)
الخلاصة: إن الإلمام بمبادئ المشفِّرات البصرية ومؤشراتها وواجهاتها وأساليب التركيب والتعويض يمكِّن من تحقيق تشغيل عالي الدقة ومتين وقابل للتشخيص ومستقر طويل الأمد حتى في ظروف عمل معقدة.