المشفّرات الخطية
تُستخدم المشفرات الخطية لتحويل الإزاحة الخطية إلى إشارات كهربائية (رقمية أو تناظرية). يمكنها قياس حركة المنصات أو الطاولات المنزلقة أو قطع العمل بشكل مباشر، وهي تُعد أجهزة استشعار تموضع أساسية في ماكينات CNC، وآلات قياس الإحداثيات (CMM)، ومعدات أشباه الموصلات، ومنصات الأتمتة عالية المستوى. بالمقارنة مع حساب الإزاحة بشكل غير مباشر عبر البرغي/الترس، توفر المشفرات الخطية "قياسًا مباشرًا"، مما يقلل بشكل كبير من تأثير التمدد الحراري للبرغي الخلفي والفراغات وأخطاء النقل على دقة التموضع.
ما هو المشفر الخطي (What is a Linear Encoder)
يتكون المشفر الخطي من المقياس (Scale/Rule) و رأس القراءة (Readhead): يحتوي المقياس على تراكيب دورية (شبكات بصرية، شبكات مغناطيسية، أنماط استشعارية)، بينما يتحرك رأس القراءة فوقه بمسافة محددة ليقرأ معلومات الموضع ويخرج إشارة كهربائية. وفقًا لشكل الخرج، يمكن أن يكون تزايديًا أو مطلقًا؛ ووفقًا لآلية الاستشعار يمكن أن يكون بصريًا، مغناطيسيًا، حثيًا، سعويًا؛ ووفقًا للبنية يمكن أن يكون مفتوحًا (open-type) أو محكم الإغلاق (sealed/enclosed).
مبدأ العمل (Working Principle)
البصري (Optical)
- البنية: مقياس شبكي من زجاج/سيراميك (أو شريط فولاذي مقاوم للصدأ) + مصدر ضوء LED/ليزر + مصفوفة مستقبل ضوئي.
- الآلية: تدخل/انعكاس بتقنية التداخل أو أنماط موراي، يقوم رأس القراءة بفك التضمين وإجراء الاستيفاء.
- الميزات: دقة عالية (على مستوى النانومتر)، الخطأ الخطي قد يصل إلى ±1 μm/m؛ لكن حساس للتلوث والتكاثف.
المغناطيسي (Magnetic)
- البنية: شريط مغناطيسي بأقطاب ذات خطوة ثابتة (شريط فولاذي أو مرن) + مصفوفة مستشعرات Hall/AMR/GMR/TMR.
- الآلية: يلتقط رأس القراءة الموجة المغناطيسية المتغيرة مع الإزاحة ويحسب الموضع.
- الميزات: مقاوم للزيت والاهتزاز، يتحمل سماحات تركيبية كبيرة، مدى قياس طويل (عشرات الأمتار)؛ الدقة أقل من البصري عالي المستوى.
الحثي (Inductive)
- البنية: ملفات إثارة واستشعار داخل رأس القراءة؛ المقياس يحتوي على أنماط معدنية أو أهداف موصلة.
- الآلية: اقتران وتأثيرات تيارات دوامية تتغير مع المسافة/الموضع؛ يستخلص الرأس الطور/السعة لاشتقاق الموضع.
- الميزات: مقاوم للتلوث، يتحمل درجات حرارة عالية، منيع ضد التداخل الكهرومغناطيسي؛ دقته بين البصري والمغناطيسي.
السعوي (Capacitive)
- البنية: مصفوفة أقطاب + مقياس بأنماط دورية.
- الآلية: تتغير مصفوفة السعة مع الإزاحة؛ يقوم الرأس بالقفل الطوري/فك التشفير للحصول على الموضع.
- الميزات: هيكل مدمج، استهلاك منخفض للطاقة؛ حساس للرطوبة وتأثير المعادن القريبة، يتطلب تدريعًا وأرضيًا جيدًا.
الأنواع والبنى (Types & Constructions)
1) حسب إشارة الخرج
- التزايدي (Incremental): يخرج نبضات متعامدة A/B (مع Z/نقطة مرجعية). يتطلب عدادًا في وحدة التحكم؛ يمكن أن يقدم خرجًا تناظريًا 1 Vpp جيب/جيب تمام للاستيفاء.
- المطلق (Absolute): يعطي رمزًا فريدًا عند أي موضع؛ قد يتضمن مسارًا واحدًا أو نقاط مرجعية مشفرة بالمسافة (distance-coded reference marks)، شائع باستخدام SSI، BiSS-C، EnDat.
2) حسب التغليف والحماية
- مفتوح (Open-type): رأس قراءة مكشوف، استجابة ديناميكية عالية، احتكاك منخفض؛ مناسب للبيئات النظيفة أو شبه النظيفة.
- محكم الإغلاق (Sealed/Enclosed): المقياس ورأس القراءة داخل غلاف محكم، مزود بمماسح/هواء مضغوط للحماية؛ مناسب لآلات CNC والبيئات القاسية.
3) حسب مادة وشكل المقياس
- شبكات زجاج/سيراميك: تمدد حراري منخفض (CTE صغير)، دقة على مستوى μm/m؛ يتطلب دعمًا ثابتًا وتحكمًا حراريًا.
- أشرطة فولاذ/فولاذ مقاوم للصدأ: مدى طويل، يمكن لفه؛ CTE أكبر، يحتاج لتعويض حراري.
- أشرطة مغناطيسية (لاصقة/مسار تثبيت): مرونة في التركيب، مقاومة للتلوث؛ الدقة أقل من البصري.
- أنماط موصلة حثية/سعوية: صلبة وتتحمل الظروف البيئية.
المخارج والواجهات (Outputs & Interfaces)
| النوع | شكل الخرج | الاستخدام النموذجي |
|---|---|---|
| تزايدي | A/B (+Z)، TTL/HTL، RS422 | عد عالي السرعة في PLC، حلقات سرعة/موضع |
| جيبي/جيب تمام | 1 Vpp، 11 μApp | استيفاء عالي الدقة (×4 ~ ×10,000) |
| مطلق | SSI، BiSS-C، EnDat 2.2 | موضع مطلق، تشخيص، بيانات حالة/حرارة |
| Fieldbus/Ethernet | CANopen، EtherCAT، PROFINET | تزامن متعدد المحاور، مسافة طويلة، تشخيص عبر الإنترنت |
التردد الأقصى للخرج مقابل السرعة (التزايدي الموجة المربعة):
f_max ≈ (V / Pitch) × Edges_per_cycle
- V: السرعة الخطية (mm/s)
- Pitch: خطوة المقياس (mm/cycle)
- Edges_per_cycle: عدد الحواف لكل دورة (مثلًا ×4)
المواصفات الرئيسية (Key Specifications)
| المواصفة | المعنى / النطاق النموذجي | ملاحظات |
|---|---|---|
| الدقة (Resolution) | 5 μm → 0.1 μm (مغناطيسي/شريط فولاذي)؛ 1 μm → 1 nm (بصري/تداخلي) | تعتمد على عامل الاستيفاء |
| الخطية (Accuracy) | ±3 ~ ±10 μm/m (مغناطيسي)؛ ±1 ~ ±3 μm/m (بصري متقدم) | معبر عنها بـ μm/m أو ppm |
| إعادة التكرار (Repeatability) | < ±0.1 ~ ±0.5 μm (بصري متقدم) | تتأثر بالبيئة والتركيب |
| خطأ الاستيفاء (SDE) | ±20 ~ ±80 nm (أنظمة 1 Vpp عالية الجودة) | خطأ دوري بسبب الاستيفاء |
| الاهتزاز/الضجيج (Jitter/Noise) | عشرات النانومتر | مرتبط بالسلسلة التناظرية والضوضاء الكهربائية |
| نقاط المرجع | فردية، مشفرة بالمسافة، ثنائية الاتجاه | للاستخدام في "العودة للصفر" أو المراجع المطلقة |
| الطول المقاس | 0.1 m → 30+ m | المدى الطويل يتطلب دمجًا/تعويضًا |
| ارتفاع القراءة (Ride Height) | 0.1 ~ 1.0 mm (بحسب المبدأ) | مع تحديد تسامح pitch/roll/yaw |
| CTE | زجاج/سيراميك: ~0.5–2 ppm/K؛ فولاذ: ~10–17 ppm/K | يحدد استراتيجية التعويض الحراري |
| درجة الحماية | IP40 (مفتوح) → IP67 (محكم) | مع الأخذ في الاعتبار الزيت/الرذاذ/الغبار |
التركيب وأخطاء الهندسة (Installation & Geometric Errors)
- سماحات الفجوة/الوضع: التحكم بارتفاع القراءة وزوايا pitch/roll/yaw؛ التجاوز يسبب فقدان الإشارة وزيادة SDE.
- خطأ Abbe: إزاحة بين خط القياس ومحور الحركة مضروبًا بخطأ زاوي → خطأ إضافي؛ يجب محاذاة خط القياس مع المحور أو نمذجته.
- خطأ جيبي (Cosine Error): محور المشفر غير موازٍ لمحور الحركة الحقيقي → خطأ إسقاط.
- الاقتران الحراري والتثبيت: أشرطة فولاذ/مغناطيس تحتاج تركيبًا عائمًا لتخفيف الإجهاد؛ المقاييس الزجاجية/السيراميكية تحتاج دعمًا متساوي الحرارة.
- التأريض والتدريع: تأريض بنقطة واحدة بين رأس القراءة ووحدة التحكم؛ التدريع متصل حسب المعايير لتجنب الضوضاء.
المعايرة والتعويض (Calibration & Compensation)
- التعويض الخطي: باستخدام التداخل الليزري أو كرة القياس أو كتل القياس لإنشاء خرائط خطأ.
- التعويض الحراري: وفقًا لـ CTE وتوزيع الحرارة في الماكينة؛ الأنظمة المتقدمة تستخدم درجة حرارة رأس القراءة ونموذج حراري.
- تقليل SDE: استخدام 1 Vpp عالي الجودة، تحسين السلسلة التناظرية وخوارزمية الاستيفاء؛ الحفاظ على الاستقرار.
- إستراتيجيات المرجع: نقاط مرجعية مشفرة بالمسافة تقلل مسافة العودة للصفر؛ الثنائية الاتجاه تحسن التكرارية.
المقارنة مع تقنيات أخرى (Comparisons)
| التقنية | المزايا | القيود | التطبيقات |
|---|---|---|---|
| المشفر الخطي (بصري) | دقة على مستوى nm، خطية μm/m، ديناميكية عالية | حساس للتلوث/التكاثف، تركيب معقد | CNC، CMM، أشباه الموصلات |
| المشفر الخطي (مغناطيسي) | مقاوم للتلوث، تركيب سهل، مدى طويل | دقة أقل من البصري المتقدم | الأتمتة، المعدات الثقيلة |
| مقياس التداخل الليزري | أعلى دقة، قابلية تتبع | مكلف، حساس للبيئة/المسار | المعايرة والقياس |
| LVDT/التيار الدوامي | صلب، تكرار ممتاز للمسافات القصيرة | مدى محدود، خطية ضعيفة | التحكم الدقيق القصير |
| مشفر دوار + برغي | تكلفة منخفضة، تقنية ناضجة | أخطاء التمدد/الفراغ/خطوة البرغي | تموضع متوسط/منخفض الدقة |
التطبيقات (Applications)
- محاور ماكينات CNC (X/Y/Z): تحافظ على دقة التموضع وجودة السطح تحت الحمل الحراري.
- CMM/منصات القياس المجهرية: استيفاء نانومتري + خرائط أخطاء لضمان التتبع.
- معدات أشباه الموصلات: الطباعة الضوئية/المحاذاة/الفحص؛ تتطلب اهتزاز منخفض على مستوى النانومتر وSDE منخفض.
- الطباعة/التغليف/التجميع الإلكتروني: مدى طويل، سرعة عالية، تزامن دقيق.
- الأجهزة الطبية: طاولات CT/MRI، أنظمة التموضع للعلاج الإشعاعي.
- اللوجستيات والمعدات الثقيلة: أنظمة أشرطة مغناطيسية طويلة، ملائمة للبيئات القاسية.
الصيانة واستكشاف الأخطاء (Maintenance & Troubleshooting)
الصيانة الدورية
- تنظيف دوري (بصري: قطعة قماش بدون وبر + كحول؛ مغناطيسي: إزالة الجزيئات المعدنية). الحفاظ على الفجوة والوضع مستقرًا.
- التحقق من نصف قطر انحناء الكابل وحالة التثبيت لتجنب انقطاع أو تلف التدريع.
- مراقبة درجة الحرارة والرطوبة ورذاذ المبرد لتجنب التكاثف أو تسرب السوائل.
المشكلات الشائعة
| العَرَض | السبب المحتمل | الحل |
|---|---|---|
| فقدان الإشارة/النبض | فجوة كبيرة، خطأ وضع، تلوث | تعديل الارتفاع/الوضع، تنظيف المقياس، فحص الصلابة |
| اهتزاز/خطأ SDE كبير | ضوضاء استيفاء، تأريض سيء | تحسين التدريع، استخدام مصدر طاقة/كابلات أفضل |
| خطأ خطي كبير | تركيب غير صحيح، نقص التعويض الحراري | إعادة التركيب (عائم)، المعايرة + تحميل خريطة الخطأ |
| فشل اتصال مطلق | عدم توافق SSI/BiSS/EnDat | التحقق من التوقيت/القطبية/الإطار/CRC، فحص الكابلات |
| مرجع غير مستقر | تلوث/إعداد خاطئ للنقاط المرجعية | تنظيف العلامات المرجعية، التحقق من الإعداد |
المعايير والمراجع (Standards & References)
- IEC 60529:2020 (تصنيف الحماية IP)
- IEC 60068-2 series (اهتزاز/صدمات/رطوبة/ضباب ملحي)
- IEC 61000-6-2/-6-4 (مناعة/انبعاث EMC صناعي)
- ISO 230-2 / ISO 230-3 (اختبار دقة وخصائص حرارية للماكينات)
- ISO 10360 series (اختبار وتحقق CMM)
- ISO 14644 series (معايير غرف نظيفة للأشباه والقياس)
ملاحظة: تعتمد الصلاحية على التطبيق والصناعة؛ يجب دائمًا التحقق من وثائق الشركة المصنعة وظروف التشغيل.
دليل الاختيار (Selection Guide)
- الهدف من الدقة: تحديد أهداف التموضع/إعادة التكرار والخطأ الخطي المسموح (μm/m).
- اختيار المبدأ: بيئة نظيفة/عالية الدقة → بصري؛ بيئة ملوثة/اهتزاز/مدى طويل → مغناطيسي أو حثي.
- المخارج والواجهات: التزايدي لحلقات السرعة؛ SSI/BiSS/EnDat أو EtherCAT للدقة والتزامن.
- الميكانيكا والتركيب: تأكيد طول القياس، مادة المقياس، CTE، التسامحات، أسلوب التثبيت (عائم/لاصق/تثبيت).
- البيئة والحماية: للتبريد/الغبار/الحرارة → نوع محكم وإطار IP مناسب؛ خطط للهواء/المماسح.
- التعويض والتشخيص: تحقق من دعم خرائط الأخطاء، مراقبة الحرارة/الحالة، التشخيص عبر الإنترنت.
- دورة الحياة: سهولة استبدال الكابلات/رؤوس القراءة، توفر قطع الغيار، دعم المعايرة والخدمات.
من خلال فهم مبادئ وبنية وتركيب المشفرات الخطية، ودمج نمذجة الأخطاء والتعويض الحراري والتحقق القياسي، يمكن للفرق الهندسية تحقيق دقة عالية، عمر طويل، وإمكانية التشخيص في التحكم بالتموضع والسرعة الخطية في البيئات الصناعية المعقدة.