📘 Wiki Enkodéru
Lineární enkodéry
Lineární enkodéry převádějí přímočarý posun na elektrické signály (digitální nebo analogové). Umožňují přímé měření lineárního pohybu stolů, saní nebo obrobků a představují klíčové snímače polohy pro CNC obráběcí stroje, souřadnicové měřicí stroje (CMM), polovodičová zařízení a vysoce přesné automatizační platformy. Oproti nepřímému výpočtu posunu pomocí kuličkového šroubu nebo ozubeného hřebene poskytují lineární enkodéry „přímé měření“, čímž výrazně snižují vliv tepelné roztažnosti šroubů, vůle a přenosových chyb na polohovací přesnost.
Co je lineární enkodér (What is a Linear Encoder)
Lineární enkodér se skládá ze stupnice (Scale/Rule) a čtecí hlavy (Readhead): na stupnici jsou vytvořeny periodické struktury (optické mřížky, magnetické pruhy, indukční vzory), nad nimiž se hlava pohybuje v definované mezeře, čte polohové informace a generuje elektrický signál. Podle typu výstupu se dělí na inkrementální a absolutní; podle principu detekce na optické, magnetické, indukční, kapacitní; podle konstrukce na otevřené (open-type) a uzavřené (sealed/enclosed).
Princip fungování (Working Principle)
Optické (Optical)
- Struktura: Skleněná/keramická mřížková stupnice (nebo ocelový pásek) + LED/laserový zdroj + fotodiodové pole.
- Mechanismus: Přenosová/odražená interference nebo obraz Moiré, demodulovaný a interpolovaný čtecí hlavou.
- Charakteristiky: Vysoké rozlišení (nm úroveň), lineární chyba až ±1 μm/m; citlivé na znečištění a kondenzaci.
Magnetické (Magnetic)
- Struktura: Magnetický pásek s pevnou roztečí pólů (ocelový nebo flexibilní) + senzory Hall/AMR/GMR/TMR.
- Mechanismus: Čtecí hlava snímá magnetické pole měnící se s posunem a vypočítává polohu.
- Charakteristiky: Odolnost proti oleji, vibracím, velké montážní tolerance, dlouhé měřicí rozsahy (desítky metrů); rozlišení a přesnost nižší než u špičkových optických systémů.
Indukční (Inductive)
- Struktura: V excitační hlavě jsou budicí a snímací cívky; stupnice obsahuje vodivé vzory.
- Mechanismus: Vazba a vířivé proudy se mění s mezerou a polohou; hlava demoduluje fázi/amplitudu k určení posunu.
- Charakteristiky: Odolnost vůči znečištění, vysokým teplotám a EMI; přesnost mezi optickými a magnetickými enkodéry.
Kapacitní (Capacitive)
- Struktura: Pole elektrod + stupnice s periodickými vzory.
- Mechanismus: Kapacitní matice se mění s posunem; hlava pomocí fázového zámku/dekódéru získává polohu.
- Charakteristiky: Kompaktní konstrukce, nízká spotřeba; citlivé na vlhkost a blízkost kovů, vyžaduje správné stínění a uzemnění.
Typy a konstrukce (Types & Constructions)
1) Podle výstupního signálu
- Inkrementální (Incremental): Výstupy A/B v kvadraturní fázi (s volitelným Z/referenčním impulzem), vyžadují čítač řídicího systému; možný i 1 Vpp sinus/kosinus analogový signál pro jemnou interpolaci.
- Absolutní (Absolute): Jedinečný kód v každé poloze; může využívat distance-coded reference marks; běžné protokoly SSI, BiSS-C, EnDat.
2) Podle krytí a ochrany
- Otevřený (Open-type): Exponovaná hlava, vysoká dynamická odezva, nízké tření; vhodné pro čistá nebo poločistá prostředí.
- Uzavřený (Sealed/Enclosed): Stupnice a hlava v utěsněném krytu, kartáče nebo vzduchová clona; vhodné pro obráběcí stroje a znečištěná prostředí.
3) Podle materiálu stupnice
- Skleněné/keramické mřížky: Nízký koeficient tepelné roztažnosti (CTE), přesnost v jednotkách µm/m; vyžadují stabilní podporu a teplotní kontrolu.
- Ocelové/nerezové pásy: Dlouhé měřicí rozsahy, navíjitelné; vyšší CTE, vyžaduje teplotní kompenzaci.
- Magnetické pásy (samolepicí nebo s vodicími lištami): Jednoduchá montáž, odolnost vůči nečistotám; nižší přesnost než špičkové optické.
- Indukční/kapacitní vodivé vzory: Robustní konstrukce, vysoká odolnost.
Výstupy a rozhraní (Outputs & Interfaces)
| Typ | Výstupní signál | Typické použití |
|---|---|---|
| Inkrementální | A/B (+Z), TTL/HTL, RS422 | Rychlé čítání PLC, regulační smyčky polohy/rychlosti |
| Sinus/Kosinus | 1 Vpp, 11 μApp | Vysokorozlišovací interpolace (až ×10.000) |
| Absolutní | SSI, BiSS-C, EnDat 2.2 | Absolutní poloha, diagnostika, teplotní/stavová data |
| Fieldbus/Ethernet | CANopen, EtherCAT, PROFINET | Synchronizace víceosých systémů, vzdálená diagnostika |
Maximální výstupní frekvence u inkrementálních signálů:
f_max ≈ (V / Pitch) × Edges_per_cycle
- V: lineární rychlost (mm/s)
- Pitch: rozteč stupnice (mm/cyklus)
- Edges_per_cycle: počet hran na cyklus (např. ×4 násobení)
Klíčové specifikace (Key Specifications)
| Parametr | Typické hodnoty/význam | Poznámky |
|---|---|---|
| Rozlišení (Resolution) | 5 μm → 0.1 μm (magnetické/ocel); 1 μm → 1 nm (optické/interferometrické) | Závislé na interpolaci |
| Přesnost (Accuracy) | ±3 ~ ±10 μm/m (magnetické); ±1 ~ ±3 μm/m (optické) | Vyjádřeno v μm/m nebo ppm |
| Opakovatelnost (Repeatability) | < ±0.1 ~ ±0.5 μm (optické) | Silně závislé na montáži a prostředí |
| Interpol. chyba (SDE) | ±20 ~ ±80 nm (kvalitní 1 Vpp systém) | Periodická chyba z interpolace |
| Jitter/Šum (Jitter/Noise) | Desítky nm | Závislé na analogové cestě a napájení |
| Referenční značky | Jednotlivé, distance-coded, obousměrné | Pro homing nebo absolutní referenci |
| Měřicí délka (Measuring Length) | 0.1 m → 30+ m | Při velmi dlouhých rozsazích nutná kompenzace |
| Montážní mezera (Ride Height) | 0.1 ~ 1.0 mm | Zahrnuje tolerance pitch/roll/yaw |
| CTE | Sklo/keramika: ~0.5–2 ppm/K; ocel: ~10–17 ppm/K | Určuje teplotní kompenzaci |
| Krytí (IP) | IP40 (otevřené) → IP67 (uzavřené) | Podle oleje, prachu, chladicí kapaliny |
Montážní a geometrické chyby (Installation & Geometric Errors)
- Mezera a náklon: Výška hlavy a úhly pitch/roll/yaw musí být v toleranci; překročení → útlum signálu, vyšší SDE.
- Chyba Abbe (Abbe Error): Vzdálenost mezi měřicí linií a osou pohybu × úhel → dodatečná chyba; měřicí linie by měla být co nejblíže ose.
- Kosinusová chyba (Cosine Error): Pokud není osa enkodéru rovnoběžná s pohybem, vzniká projekční chyba.
- Tepelné vazby a upevnění: Ocelové/magnetické pásy montovat plovoucím způsobem, aby se eliminovalo pnutí; skleněné/keramické stupnice vyžadují izotermické uložení.
- Uzemnění a stínění: Jednobodové uzemnění, stínění kabelu podle norem, aby se zabránilo smyčkám a šumu.
Kalibrace a kompenzace (Calibration & Compensation)
- Lineární kompenzace: Použití laserového interferometru, ballbaru nebo měrek; vytvoření mapy chyb.
- Tepelná kompenzace: Podle CTE a teplotního modelu stroje; pokročilé systémy využívají i senzor teploty v hlavě.
- Redukce SDE: Použití kvalitního 1 Vpp, optimalizovaná analogová cesta a algoritmus interpolace.
- Referenční strategie: Distance-coded značky zkracují homing; obousměrné zvyšují opakovatelnost.
Porovnání s jinými technologiemi (Comparisons)
| Technologie | Výhody | Omezení | Typické použití |
|---|---|---|---|
| Lineární enkodér (optický) | Nanometrové rozlišení, přesnost μm/m, dobrá dynamika | Citlivost na nečistoty/kondenzaci, náročná montáž | CNC, CMM, polovodiče |
| Lineární enkodér (magnetický) | Odolnost vůči nečistotám, velké tolerance, dlouhý rozsah | Nižší přesnost a rozlišení | Automatizace, těžký průmysl |
| Laserový interferometr | Nejvyšší přesnost, metrologická stopa | Vysoké náklady, citlivý na prostředí | Kalibrace, metrologie |
| LVDT/induktivní snímače | Robustnost, vysoká opakovatelnost | Limitovaný rozsah, horší linearita | Krátké zdvihy, přesná regulace |
| Rotary encoder + šroub | Nízké náklady, osvědčené řešení | Chyby z tepelné roztažnosti/vůle/stoupání | Střední a nízká přesnost |
Aplikace (Applications)
- Lineární osy CNC (X/Y/Z): Zachování přesnosti i při tepelném zatížení a variabilních silách.
- CMM a metrologické platformy: Nanometrová interpolace + mapa chyb pro sledovatelnost rozměrů.
- Polovodičová zařízení: Litografie, zarovnání, měření; požadavky na jitter nm a nízké SDE.
- Pokročilý tisk/balení/SMD: Dlouhé rozsahy, vysoké rychlosti, přesná synchronizace.
- Zdravotnická technika: Stoly CT/MRI, systémy radioterapie.
- Logistika a těžká zařízení: Magnetické pásy pro dlouhé vzdálenosti, vysoká odolnost.
Údržba a řešení problémů (Maintenance & Troubleshooting)
Běžná údržba
- Pravidelné čištění (optické: bezvláknová tkanina + isopropanol; magnetické: odstranění kovových pilin).
- Kontrola ohybového poloměru kabelu a upevnění; prevence zlomení vodičů a stínění.
- Monitorování prostředí (teplota, vlhkost, chladicí kapalina), prevence kondenzace/infiltrace.
Časté problémy
| Příznak | Možná příčina | Řešení |
|---|---|---|
| Ztráta impulzů/signálu | Nadměrná mezera, disalign, nečistoty | Nastavit výšku hlavy, čištění stupnice, kontrola montáže |
| Jitter/vysoké SDE | Hluk v analogové cestě, slabé uzemnění | Zlepšit stínění/uzemnění, kvalitní napájení/kabely |
| Velká lineární chyba | Nesprávná montáž, bez tepelné kompenzace | Reinstalace plovoucím způsobem, kalibrace + mapa chyb |
| Neúspěšná absolutní komunikace | Nesprávné parametry SSI/BiSS/EnDat | Kontrola časování, polarity, CRC, impedance kabelů |
| Nestabilní referenční bod | Znečištěné značky nebo nesprávná konfigurace | Čištění, kontrola nastavení a strategie |
Normy a reference (Standards & References)
- IEC 60529:2020 (stupeň krytí IP)
- IEC 60068-2 (vibrace/nárazy/vlhkost/solná mlha)
- IEC 61000-6-2/-6-4 (průmyslová EMC: odolnost/emise)
- ISO 230-2 / ISO 230-3 (přesnost a teplotní charakteristiky strojů)
- ISO 10360 (ověření CMM)
- ISO 14644 (čisté prostory, polovodiče/metrologie)
Poznámka: Použitelnost závisí na zařízení a odvětví; vždy ověřit s dokumentací výrobce a reálnými podmínkami.
Průvodce výběrem (Selection Guide)
- Cíl přesnosti: Určit polohovací/opakovací přesnost a přípustnou lineární chybu (μm/m).
- Volba principu: Čisté/precizní → optické; znečištěné/prostředí s vibracemi/dlouhé zdvihy → magnetické nebo indukční.
- Výstupy a rozhraní: Inkrementální pro smyčky rychlosti; SSI/BiSS/EnDat nebo EtherCAT pro přesnost a víceosé aplikace.
- Mechanika a montáž: Potvrdit délku, materiál stupnice, CTE, tolerance, způsob upevnění (plovoucí/lepené/vodicí).
- Prostředí a ochrana: Chladicí kapalina/prach/tepelné změny → uzavřený typ s IP ochranou, vzduchovou clonou nebo kartáči.
- Kompenzace a diagnostika: Podpora map chyb, monitorování teploty/stavu, online diagnostika a alarmy.
- Životní cyklus: Jednoduchá výměna kabelů/hlav, dostupnost dílů, kalibrace a servis.
Porozuměním principům, konstrukci a montážním požadavkům lineárních enkodérů, v kombinaci s modelováním chyb, teplotní kompenzací a standardizovaným testováním, mohou inženýrské týmy dosáhnout vysoké přesnosti, dlouhé životnosti a diagnostikovatelnosti lineárního polohování a regulace rychlosti i v náročných průmyslových podmínkách.