📘 Wiki Enkodéru
Optické enkodéry
Optické enkodéry, využívající difrakční mřížky a fotoelektrickou detekci, převádějí rotační nebo lineární posuv na elektrické signály a představují hlavní prostředek zpětné vazby polohy v CNC obráběcích strojích, polovodičových platformách, přesné metrologii, robotice a vysoce výkonné automatizaci. Díky vysokému rozlišení, nízké chybě poddělení a výborné opakovatelnosti se optické enkodéry široce uplatňují při polohování od nanometrové po mikrometrovou úroveň.
Co je optický enkodér（What is an Optical Encoder）
Optický enkodér je snímač polohy založený na řetězci zdroj světla — optická mřížka — fotoelektrická detekce. Jádro tvoří periodická měřítka/kotouče（Scale/Disk） a čtecí hlava（Readhead）: v definované optické mezeře čtecí hlava snímá přenos/odraz na mřížce, čímž vznikají proužky nebo interferenční signály. Ty jsou zpracovány v analogové čelní části a v interpolaci/dekódování, aby poskytly inkrementální A/B (s referencí Z), sinus/kosinus 1 Vpp nebo absolutní sériová data (SSI/BiSS/EnDat aj.).
Podle typu pohybu rozlišujeme rotační optické enkodéry (kotouč) a lineární optické enkodéry (měřítko). Oproti nepřímému odvozování přes kuličkový šroub/hřeben umožňují lineární enkodéry přímé měření, které výrazně potlačuje chyby polohování způsobené vůlí, stoupáním a tepelnou roztažností; rotační enkodéry poskytují vysoce jemnou zpětnou vazbu úhlu a rychlosti pro motory a otočné stoly.
Princip činnosti（Working Principle）
1) Zobrazovací moaré（Imaging/Moiré）
- Struktura: zdroj (LED/VCSEL) → kolimační/zobrazovací optika → maska/fázová mřížka → fotodiodové pole.
- Mechanismus: relativní pohyb měřítka a referenční mřížky v hlavě vytváří moaré proužky s přibližně sinusovým/kosinusovým průběhem; interpolace a korekce amplitudy/fáze generují vysoce jemné rozlišení posuvu.
2) Interferenční / fázová mřížka（Interferential/Phase Grating）
- Mechanismus: fázový rozdíl mezi difrakčními řády se mění lineárně s posuvem; superpozice vytváří vysoce čisté sinusové signály s nižší SDE (Sub-Division Error) a vyšším potenciálem rozlišení.
3) Transmise vs. reflexe
- Transmisní provedení: skleněný/keramický substrát; vysoký SNR a linearita, vhodné do čistého prostředí a pro vysoce přesné polohování.
- Reflexní provedení: metalizované či povlakované odrazné mřížky; kompaktní a montážně příznivé, citlivější na znečištění — vyžaduje dobré utěsnění a vzduchovou clonu/škrabky.
4) Inkrementální a absolutní logika výstupu
- Inkrementální: kvadraturní impulzy A/B (fázový posun 90°), směr podle fázového předstihu; reference Z jednou na zdvih/otáčku.
- Absolutní: jedinečný kód v libovolné poloze (Binary/Gray), může obsahovat diagnostické, teplotní a stavové registry.
Přibližné lineární rozlišení: Δx ≈ p / (N × M)
kde p = krok mřížky, N = analogová interpolace (např. 100×), M = digitální násobení (typicky 4×).
Ekvivalentní úhlové rozlišení (rotační): θ_res = 360° / (počet čar × 4)
Klasifikace（Taxonomy）
- Podle pohybu: lineární optické enkodéry / rotační optické enkodéry (kotouč)
- Podle výstupu: inkrementální (TTL/HTL/RS422, 1 Vpp/11 µApp) / absolutní (SSI, BiSS-C, EnDat 2.2, paralelní)
- Podle optického provedení: transmisní / reflexní, zobrazovací / interferenční, amplitudová / fázová mřížka
- Podle zapouzdření: otevřené (vysoká dynamika, nízké tření) / utěsněné (IP65–IP67, odolnost vůči olejové mlze a chladivu)
- Podle rozsahu/substrátu: sklo/keramika (nízký CTE), ocelový pásek (dlouhý zdvih), reflexní povlaky aj.
Klíčové komponenty a signálový řetězec（Signal Chain）
- Zdroj a optika: LED/laser; kolimace/zaostření určují rovnoměrnost osvitu a teplotní drift; vhodné je „zestárnutí“ zdroje a uzavřená regulace výkonu.
- Mřížka/kotouč: krok
p, střídá a fázová přesnost určují čistotu signálu a SDE. - Fotodiodové pole/AFE: vícekanálové vzorkování, automatické vyvážení zesílení/offsetu/fáze (ABC).
- Interpolace/kódovací ASIC: korekce amplitudy/fáze, eliptická kompenzace, digitální filtrace a potlačení jitteru, protokolové kódování a linkové budiče.
- Fyzická vrstva: RS422 (diferenciální), 1 Vpp/11 µApp, terminační impedance a vedení kabelů (stínění/uzemnění).
Výstupy a rozhraní（Outputs & Interfaces）
| Výstupní režim | Typický signál | Poznámka |
|---|---|---|
| Inkrementální obdélníky | A/B (+Z), TTL/HTL/RS422 | Rychlé čítače PLC, smyčky rychlosti/polohy; na delší vzdálenosti preferujte diferenciál |
| Sinus/kosinus | 1 Vpp, 11 µApp | Ultra jemná interpolace; SDE a jitter závisejí na kvalitě řetězce |
| Absolutní sériový | SSI, BiSS-C, EnDat 2.2 | Jedno-/vícekruhový absolut, diagnostika/teplota/alarms registry |
| Průmyslové sběrnice | EtherCAT, PROFINET, CANopen | Víceosá synchronizace, distribuované hodiny, online konfigurace |
Odhad šířky pásma (lineární): f_max ≈ (v / p) × edges
kde v = lineární rychlost, edges = počet platných hran na periodu (např. 4×).
Klíčové specifikace（Key Specifications）
| Parametr | Typický rozsah / poznámka |
|---|---|
| Rozlišení | Lineární: 1 µm → 1 nm; Rotační: až ekvivalent 24 bitů |
| Lineární přesnost | Špičková optika: ±1 až ±3 µm/m; Standard: ±3 až ±10 µm/m |
| Opakovatelnost | ≤ ±0,1 až ±0,3 µm (lineární); u rotačních až pod úhlovou sekundu |
| SDE (chyba poddělení) | Kvalitní 1 Vpp řetězec: ±20 až ±80 nm |
| Jitter | Desítky nanometrů; dán AFE a fázovým šumem hodin |
| Fázová/strědová chyba | A/B 90° ± (1–5)°; střídá 50 % ± (2–10) % |
| Rychlostní schopnosti | Lineární > 1 m/s; Rotační až 12 000+ ot./min (dle rozhraní) |
| Odolnost prostředí | IP40 (otevřené) až IP67 (utěsněné), IEC 60068-2 vibrace/rázy |
Instalace a zdroje chyb（Installation & Error Sources）
- Optická mezera a natočení (pitch/roll/yaw) → nevyvážené amplitudy a růst SDE
- Abbeho chyba: rameno × úhlová chyba; veďte měřicí linii co nejblíže ose pohybu nebo kompenzujte softwarově
- Kosinová chyba (malé úhly):
e ≈ (L × θ²) / 2 - Excentricita kotouče / házení hřídele (rotační): zavádí základní a druhou harmonickou složku úhlové chyby
- Tepelná roztažnost (CTE): sklo/keramika — nízký CTE; ocelový pásek vyžaduje teplotní kompenzaci a plovoucí uchycení
- EMC/uzemnění: jednobodové uzemnění, správné stínění a návratové cesty; vyhnout se společnému režimu a smyčkám
Kalibrace a kompenzace（Calibration & Compensation）
- Lineární mapování: změřit chybovou křivku laserovým interferometrem/ballbarem a nahrát do LUT řídicího systému
- Kompenzace tepelného driftu: kombinovat teplotu měřítka/rámu s modelem CTE v reálném čase
- Korekce amplitudy/fáze a elipsy: adaptivní vyvážení před interpolací
- Referenční strategie: distančně kódované referenční body zkracují návrat na nulu a zvyšují reprodukovatelnost
Srovnání s jinými principy（Comparisons）
| Technologie | Rozlišení/přesnost | Odolnost vůči prostředí | Typický rozsah | Hlavní slabiny |
|---|---|---|---|---|
| Optické enkodéry | ★★★★★ | ★★★ | Střední/dlouhý | Citlivost na znečištění a kondenzaci, vyšší nároky na instalaci |
| Magnetické enkodéry | ★★☆ | ★★★★ | Dlouhý | Slabší linearita a SDE |
| Induktivní/kapacitní | ★★★ | ★★★★ | Střední | Citlivost na blízkost kovu/vírivé proudy či vlhkost |
| Rezolver/potenciometr | ★★ | ★★★★★/★ | Střední/krátký | Nižší rozlišení nebo méně přímočará rozhraní |
Aplikace（Applications）
CNC (lineární i rotační osy), CMM a metrologické platformy, zarovnání/expozice/inspekce v polovodičích, přesné polohovací stoly, klouby robotů a monitoring vůle převodovek, medicínské zobrazování/radioterapie, synchronizace v tisku a balení, SMT osazování/inspekce a vysokorychlostní manipulace.
Údržba a odstraňování závad（Maintenance & Troubleshooting）
- Rutina: pravidelné čištění (bezprašná utěrka + vhodné rozpouštědlo), kontrola poloměru ohybu/stínění kabelů, sledování teploty a vlhkosti/kondenzace
- Typické příznaky a opatření:
- Ztráta impulsů/hrany: nadměrná mezera, zastínění nečistotami → doladit nastavení/čistit/přidat těsnění a vzduchovou clonu
- Růst SDE/jitteru: šum AFE/interpolace, špatné uzemnění → optimalizovat napájení/trasování/terminaci
- Selhání absolutní komunikace: neshoda parametrů nebo polarity SSI/BiSS/EnDat → ověřit délku rámce, CRC, časování a impedanci
- Úhlové harmonické chyby (rotační): excentricita/házení → zlepšit souosost a tuhost ložisek; aplikovat harmonickou kompenzaci
Průvodce výběrem（Selection Guide）
- Cílová přesnost/opakovatelnost (µm/m nebo úhlové sekundy) a dynamika rychlosti
- Realizační princip (transmise/reflexe, zobrazování/interference) a krok mřížky
p - Výstupní rozhraní (A/B/Z, 1 Vpp, SSI/BiSS/EnDat, sběrnice) vs. šířka pásma řídicí jednotky
- Zapouzdření a prostředí (otevřené/utěsněné, třída IP, chladivo/prach)
- Mechanika a teplo (tolerance mezery/orientace, CTE, plovoucí montáž)
- Kompenzace a diagnostika (mapování chyb, teplotní/stavové registry, online alarmy)
- Celý životní cyklus (servisovatelnost kabeláže/hlavy, dostupnost náhradních dílů, kalibrační kapacity)
Normy a reference（Standards & References）
- IEC 60529:2020 (krytí IP)
- IEC 60068-2 (vibrace/rázy/teplota-vlhkost)
- IEC 61000-6-2 / -6-4 (průmyslová EMC: odolnost/emise)
- ISO 230-2 / ISO 230-3 (zkoušky polohování a tepelných vlastností obráběcích strojů)
- ISO 10360 (ověření CMM)
- ISO 14644 (požadavky na čisté prostory)
Shrnutí: Důkladné zvládnutí principů, parametrů, rozhraní a instalačně-kompenzačních postupů optických enkodérů umožňuje dosáhnout dlouhodobého, vysoce přesného, robustního a dobře diagnostikovatelného provozu i v náročných podmínkách.