Γραμμικοί κωδικοποιητές

Οι γραμμικοί κωδικοποιητές μετατρέπουν τη γραμμική μετατόπιση σε ηλεκτρικά σήματα (ψηφιακά ή αναλογικά). Επιτρέπουν την άμεση μέτρηση της γραμμικής κίνησης τραπεζιών, συρόμενων αξόνων ή τεμαχίων, αποτελώντας βασικούς αισθητήρες θέσης για εργαλειομηχανές CNC, μηχανές μέτρησης συντεταγμένων (CMM), εξοπλισμό ημιαγωγών και προηγμένες πλατφόρμες αυτοματισμού. Σε σύγκριση με την έμμεση μέτρηση μέσω κοχλιών ή οδοντωτών κανόνων, οι γραμμικοί κωδικοποιητές παρέχουν “άμεση μέτρηση”, μειώνοντας σημαντικά την επίδραση της θερμικής διαστολής, του τζόγου και των σφαλμάτων μετάδοσης στην ακρίβεια θέσης.

Τι είναι ένας γραμμικός κωδικοποιητής (What is a Linear Encoder)

Ένας γραμμικός κωδικοποιητής αποτελείται από κανόνα (Scale/Rule) και κεφαλή ανάγνωσης (Readhead): ο κανόνας περιέχει περιοδικές δομές (οπτικές, μαγνητικές, επαγωγικές ή χωρητικές), ενώ η κεφαλή κινείται πάνω από αυτόν σε καθορισμένο διάκενο, διαβάζοντας τις πληροφορίες θέσης και εξάγοντας ηλεκτρικό σήμα. Ανάλογα με την έξοδο, διακρίνονται σε αυξητικούς (Incremental) και απόλυτους (Absolute)· ανάλογα με την αρχή λειτουργίας μπορεί να είναι οπτικοί, μαγνητικοί, επαγωγικοί, χωρητικοί· ανάλογα με την κατασκευή σε ανοιχτού τύπου (open-type) ή σφραγισμένους (sealed/enclosed).

Αρχή λειτουργίας (Working Principle)

Οπτικός (Optical)

Δομή: Οπτικός κανόνας από γυαλί/κεραμικό (ή ταινία ανοξείδωτου) + φωτεινή πηγή LED/laser + φωτοδιόδους.
Μηχανισμός: Παρεμβολή διαπεραστική/ανακλαστική ή μοτίβα Moiré· η κεφαλή αποδιαμορφώνει και παρεμβάλλει τα σήματα.
Χαρακτηριστικά: Πολύ υψηλή ανάλυση (επίπεδο nm), γραμμικό σφάλμα έως ±1 μm/m· ευαισθησία σε μόλυνση και συμπύκνωση.

Μαγνητικός (Magnetic)

Δομή: Μαγνητική ταινία με σταθερό βήμα πόλων (χάλυβα ή εύκαμπτη) + αισθητήρες Hall/AMR/GMR/TMR.
Μηχανισμός: Η κεφαλή ανιχνεύει μεταβολές στο μαγνητικό πεδίο κατά την κίνηση και υπολογίζει τη θέση.
Χαρακτηριστικά: Ανθεκτικοί σε ρύπους και κραδασμούς, μεγάλες ανοχές εγκατάστασης, μεγάλα μήκη· ανάλυση και ακρίβεια χαμηλότερη των οπτικών υψηλής απόδοσης.

Επαγωγικός (Inductive)

Δομή: Πηνία διέγερσης και λήψης στην κεφαλή· ο κανόνας με αγώγιμα σχέδια.
Μηχανισμός: Συζεύξεις και ρεύματα Foucault μεταβάλλονται με το διάκενο και τη θέση· η κεφαλή αποδιαμορφώνει φάση/πλάτος για εξαγωγή θέσης.
Χαρακτηριστικά: Ανθεκτικοί σε ρύπανση, υψηλές θερμοκρασίες και ΗΜ παρεμβολές· ακρίβεια μεταξύ οπτικών και μαγνητικών.

Χωρητικός (Capacitive)

Δομή: Στοιχειοσειρές ηλεκτροδίων + κανόνας με περιοδικά σχέδια.
Μηχανισμός: Οι χωρητικότητες μεταβάλλονται με τη μετατόπιση· η κεφαλή αποδιαμορφώνει/αποκωδικοποιεί τη θέση.
Χαρακτηριστικά: Συμπαγείς, χαμηλής κατανάλωσης· ευαίσθητοι σε υγρασία και μεταλλικές επιδράσεις, απαιτούν σωστή θωράκιση/γείωση.

Τύποι και κατασκευές (Types & Constructions)

1) Σύμφωνα με το σήμα εξόδου

Αυξητικοί (Incremental): Έξοδοι A/B σε τετραγωνισμό (με Z/σημείο αναφοράς), απαιτούν μέτρηση παλμών από τον ελεγκτή· υποστηρίζουν 1 Vpp sine/cosine για λεπτομερή παρεμβολή.
Απόλυτοι (Absolute): Μοναδικός κώδικας θέσης σε κάθε σημείο· δυνατότητα distance-coded reference marks· συνήθεις διεπαφές SSI, BiSS-C, EnDat.

2) Σύμφωνα με την προστασία

Ανοιχτού τύπου (Open-type): Κεφαλή εκτεθειμένη, υψηλή δυναμική, χαμηλή τριβή· κατάλληλοι για καθαρά περιβάλλοντα.
Σφραγισμένοι (Sealed/Enclosed): Κανόνας και κεφαλή σε περίβλημα με ξύστρες/αεροκουρτίνες· ιδανικοί για εργαλειομηχανές και βαριά βιομηχανία.

3) Σύμφωνα με το υλικό κανόνα

Γυάλινοι/κεραμικοί κανόνες: Χαμηλός συντελεστής θερμικής διαστολής (CTE), ακρίβεια μm/m· απαιτούν θερμικά σταθερή στήριξη.
Ταινίες χάλυβα/ανοξείδωτου: Μεγάλα μήκη, εύκαμπτες· υψηλότερο CTE, χρειάζονται θερμική αντιστάθμιση.
Μαγνητικές ταινίες: Ευέλικτη εγκατάσταση, ανθεκτικές σε ρύπους· λιγότερο ακριβείς από οπτικές λύσεις.
Αγωγικά σχέδια (inductive/capacitive): Στιβαρή κατασκευή, μεγάλη αντοχή σε περιβάλλοντα.

Έξοδοι και διεπαφές (Outputs & Interfaces)

Κατηγορία	Σήμα εξόδου	Τυπική χρήση
Αυξητικοί παλμοί	A/B (+Z), TTL/HTL, RS422	Γρήγοροι μετρητές PLC, έλεγχος ταχύτητας/θέσης
Σημειοσειρές sine/cosine	1 Vpp, 11 μApp	Παρεμβολή υψηλής ανάλυσης (×4 → ×10.000)
Απόλυτη σειριακή	SSI, BiSS-C, EnDat 2.2	Απόλυτη θέση, διαγνωστικά, θερμοκρασία/κατάσταση
Fieldbus/Ethernet	CANopen, EtherCAT, PROFINET	Συγχρονισμός πολλαπλών αξόνων, μεγάλες αποστάσεις, online diagnostics

Μέγιστη συχνότητα εξόδου (αυξητικοί παλμοί):
f_max ≈ (V / Pitch) × Edges_per_cycle

V: γραμμική ταχύτητα (mm/s)
Pitch: βήμα κανόνα (mm/κύκλο)
Edges_per_cycle: μέτωπα ανά κύκλο (π.χ. ×4)

Κύριες προδιαγραφές (Key Specifications)

Προδιαγραφή	Τυπικό εύρος/Έννοια	Σχόλια
Ανάλυση (Resolution)	5 μm → 0.1 μm (μαγνητικοί/χάλυβας)· 1 μm → 1 nm (οπτικοί/παρεμβολικοί)	Σχετίζεται με τον παράγοντα παρεμβολής
Ακρίβεια (Accuracy)	±3 ~ ±10 μm/m (μαγνητικοί)· ±1 ~ ±3 μm/m (οπτικοί υψηλής)	Εκφράζεται σε μm/m ή ppm
Επαναληψιμότητα (Repeatability)	< ±0.1 ~ ±0.5 μm (οπτικοί υψηλής)	Επηρεάζεται από περιβάλλον/εγκατάσταση
SDE (Sub-Division Error)	±20 ~ ±80 nm (1 Vpp υψηλής ποιότητας)	Περιοδικό σφάλμα παρεμβολής
Jitter/Θόρυβος	Επίπεδο δεκάδων nm	Συνδεδεμένο με αναλογική αλυσίδα & τροφοδοσία
Σημείο αναφοράς	Μοναδικό, distance-coded, διπλής κατεύθυνσης	Για homing ή απόλυτο μηδενισμό
Μήκος μέτρησης	0.1 m → >30 m	Μεγάλες διαδρομές απαιτούν συνδέσεις/αντιστάθμιση
Διάκενο εγκατάστασης (Ride Height)	0.1 ~ 1.0 mm	Με όρια σε pitch/roll/yaw
Συντ. θερμικής διαστολής (CTE)	Γυαλί/κεραμικό: ~0.5–2 ppm/K· Χάλυβας: ~10–17 ppm/K	Ορίζει στρατηγική θερμικής αντιστάθμισης
Βαθμός προστασίας IP	IP40 (ανοιχτοί) → IP67 (σφραγισμένοι)	Συνάρτηση ρύπων, ψυκτικών, σκόνης

Εγκατάσταση & γεωμετρικά σφάλματα (Installation & Geometric Errors)

Διάκενο/γωνιακές ανοχές: Απόσταση testina-κανόνα και γωνίες pitch/roll/yaw κρίσιμες· υπερβάσεις οδηγούν σε εξασθένηση σήματος & αύξηση SDE.
Σφάλμα Abbe (Abbe Error): Απόσταση γραμμής μέτρησης–άξονα κίνησης × γωνιακό σφάλμα → πρόσθετο σφάλμα· βέλτιστα γραμμή μέτρησης πάνω στον άξονα ή μοντελοποίηση σφάλματος.
Σφάλμα Cosine (Cosine Error): Μη παράλληλη διάταξη κωδικοποιητή-κίνησης → σφάλμα προβολής.
Θερμική συζεύξη/στήριξη: Ταινίες χάλυβα/μαγνητικές τοποθετούνται με ελεύθερη στήριξη· γυάλινοι/κεραμικοί με ισοθερμική στήριξη.
Γείωση & θωράκιση: Γείωση ενός σημείου· θωράκιση καλωδίων συνδεδεμένη κατά πρότυπα για αποφυγή βρόχων/θορύβων.

Βαθμονόμηση & αντιστάθμιση (Calibration & Compensation)

Γραμμική αντιστάθμιση: Laser interferometer, ballbar ή πρότυπα για χαρτογράφηση σφαλμάτων.
Θερμική αντιστάθμιση: Με βάση CTE και θερμοκρασία μηχανής· προηγμένα συστήματα με αισθητήρα θερμοκρασίας κεφαλής.
Μείωση SDE: Σήματα 1 Vpp υψηλής ποιότητας, βελτιστοποίηση αναλογικής αλυσίδας/παρεμβολής, σταθερό διάκενο.
Στρατηγικές αναφοράς: Distance-coded σημεία μειώνουν διαδρομή homing· διπλής κατεύθυνσης σημεία βελτιώνουν επαναληψιμότητα.

Συγκρίσεις με άλλες τεχνολογίες (Comparisons)

Τεχνολογία	Πλεονεκτήματα	Περιορισμοί	Εφαρμογές
Γραμμικοί κωδικοποιητές (Οπτικοί)	Ανάλυση nm, ακρίβεια μm/m, άριστη δυναμική	Ευαισθησία σε ρύπους/υγρασία, δύσκολη εγκατάσταση	CNC, CMM, ημιαγωγοί
Γραμμικοί κωδικοποιητές (Μαγνητικοί)	Ανθεκτικοί, εύκολη εγκατάσταση, μεγάλες διαδρομές	Λιγότερη ακρίβεια/ανάλυση	Αυτοματισμοί, βαριά βιομηχανία
Laser Interferometer	Μέγιστη ακρίβεια, ιχνηλασιμότητα	Πολύ ακριβό, ευαισθησία περιβάλλοντος	Μετρολογία, καλιμπράρισμα
LVDT/Επαγωγικοί	Στιβαροί, καλή επαναληψιμότητα μικρής διαδρομής	Περιορισμένη διαδρομή, γραμμικότητα	Έλεγχοι διαδρομής
Κωδικοποιητής περιστροφής + κοχλίας	Χαμηλό κόστος, ώριμη τεχνολογία	Σφάλματα θερμικής διαστολής/τζόγου	Μεσαία/χαμηλή ακρίβεια

Εφαρμογές (Applications)

Γραμμικοί άξονες CNC (X/Y/Z): Ακρίβεια θέσης σε συνθήκες κατεργασίας και θερμικών φορτίων.
CMM/Μετρολογικές πλατφόρμες: Παρεμβολή nm + χαρτογράφηση σφαλμάτων για ιχνηλασιμότητα.
Ημιαγωγοί: Λιθογραφία/ευθυγράμμιση/επιθεώρηση· απαίτηση jitter nm & χαμηλό SDE.
Προηγμένη εκτύπωση/συσκευασία/SMT: Μακρές διαδρομές, υψηλές ταχύτητες, ακριβής συγχρονισμός.
Ιατρικά μηχανήματα: Τραπέζια CT/MRI, συστήματα ακτινοθεραπείας.
Λογιστική & βαριά μηχανήματα: Μαγνητικές ταινίες μεγάλου μήκους, ανθεκτικότητα περιβάλλοντος.

Συντήρηση & αντιμετώπιση βλαβών (Maintenance & Troubleshooting)

Τακτική συντήρηση

Καθαρισμός (οπτικοί: πανί χωρίς χνούδι + αλκοόλη· μαγνητικοί: αφαίρεση ρινισμάτων).
Έλεγχος κάμψης καλωδίων και σφιγκτήρων· αποφυγή θραύσεων/βλαβών θωράκισης.
Παρακολούθηση υγρασίας/θερμοκρασίας/ψυκτικών για αποφυγή συμπύκνωσης.

Συχνά προβλήματα

Συμπτώματα	Αιτίες	Λύσεις
Απώλειες παλμών/σήματος	Υπερβολικό διάκενο, αστοχία ευθυγράμμισης, ρύπανση	Ρύθμιση κεφαλής, καθαρισμός κανόνα, έλεγχος στερέωσης
Jitter/Μεγάλο SDE	Θόρυβος αναλογικής αλυσίδας, κακή γείωση	Βελτίωση θωράκισης/γείωσης, χρήση ποιοτικών καλωδίων
Υψηλό γραμμικό σφάλμα	Κακή εγκατάσταση, απουσία θερμικής αντιστάθμισης	Νέα εγκατάσταση, βαθμονόμηση/χαρτογράφηση σφαλμάτων
Αποτυχία απόλυτης επικοινωνίας	Λάθος παράμετροι SSI/BiSS/EnDat	Έλεγχος χρονοδιαγραμμάτων, πολικότητας, CRC
Ασταθές σημείο αναφοράς	Ρύπανση ή λάθος στρατηγική	Καθαρισμός μαρκαρίσματος, έλεγχος ρυθμίσεων

Πρότυπα & αναφορές (Standards & References)

IEC 60529:2020 (Βαθμοί προστασίας IP)
IEC 60068-2 (Δονήσεις/κραδασμοί/θερμοκρασία/αλατονέφωση)
IEC 61000-6-2/-6-4 (Βιομηχανική EMC)
ISO 230-2 / ISO 230-3 (Ακρίβεια εργαλειομηχανών & θερμικά χαρακτηριστικά)
ISO 10360 (Έλεγχος CMM)
ISO 14644 (Καθαροί χώροι για ημιαγωγούς/μετρολογία)

Σημείωση: Η εφαρμογή εξαρτάται από εξοπλισμό/βιομηχανία· πάντα να επαληθεύεται με οδηγίες κατασκευαστή.

Οδηγός επιλογής (Selection Guide)

Στόχος ακρίβειας: Καθορισμός στόχων θέσης/επαναληψιμότητας & επιτρεπόμενων σφαλμάτων (μm/m).
Επιλογή αρχής: Καθαρά/υψηλής ακρίβειας περιβάλλοντα → οπτικοί· βρώμικα/με κραδασμούς/μεγάλες διαδρομές → μαγνητικοί/επαγωγικοί.
Έξοδοι & διεπαφές: Αυξητικοί για βρόχους ταχύτητας· SSI/BiSS/EnDat ή EtherCAT για πολυαξονικό συγχρονισμό.
Μηχανικά & εγκατάσταση: Επιβεβαίωση μήκους, υλικού κανόνα, CTE, ανοχών, τρόπου στήριξης.
Περιβάλλον & προστασία: Για ψυκτικά/σκόνη/θερμοκρασιακές μεταβολές → σφραγισμένοι IP κατάλληλου βαθμού.
Αντιστάθμιση & διαγνωστικά: Υποστήριξη χαρτογράφησης σφαλμάτων, μέτρηση θερμοκρασίας, alarms.
Κύκλος ζωής: Εύκολη αντικατάσταση κεφαλών/καλωδίων, διαθεσιμότητα ανταλλακτικών, υποστήριξη.

Με κατανόηση της αρχής, της κατασκευής και των απαιτήσεων εγκατάστασης των γραμμικών κωδικοποιητών — σε συνδυασμό με μοντελοποίηση σφαλμάτων, θερμική αντιστάθμιση και τυποποιημένες διαδικασίες επαλήθευσης — οι ομάδες μηχανικών μπορούν να επιτύχουν υψηλή ακρίβεια, μεγάλη διάρκεια ζωής και προηγμένα διαγνωστικά σε εφαρμογές γραμμικής θέσης και ελέγχου ταχύτητας ακόμη και στα πιο απαιτητικά βιομηχανικά περιβάλλοντα.

← Κωδικοποιητής Περιστροφής Οπτικοί κωδικοποιητές →

Document
Contents

Dark
Mode

📘 Εγκυκλοπαίδεια Κωδικοποιητή