انکودر خطی
انکودرهای خطی برای تبدیل جابه‌جایی خطی به سیگنال‌های الکتریکی (دیجیتال یا آنالوگ) استفاده می‌شوند. این انکودرها قادر به اندازه‌گیری مستقیم حرکت خطی میزها، اسلایدها یا قطعات کار بوده و به‌عنوان حسگرهای اصلی موقعیت‌یابی در ماشین‌های CNC، ماشین‌های اندازه‌گیری مختصات (CMM)، تجهیزات نیمه‌رسانا و پلتفرم‌های اتوماسیون پیشرفته به کار می‌روند. در مقایسه با محاسبه غیرمستقیم جابه‌جایی از طریق پیچ یا دنده، انکودر خطی «اندازه‌گیری مستقیم» ارائه می‌دهد و به‌طور چشمگیری تأثیر انبساط حرارتی پیچ، لقی و خطاهای انتقال را بر دقت موقعیت کاهش می‌دهد.
انکودر خطی چیست؟ (What is a Linear Encoder)
یک انکودر خطی از خط‌کش (Scale/Rule) و هد خواندن (Readhead) تشکیل شده است: خط‌کش دارای ساختارهای دوره‌ای (شبکه‌های نوری، مغناطیسی یا الگوهای القایی) است و هد در فاصله مشخصی روی آن حرکت کرده، اطلاعات موقعیت را خوانده و سیگنال الکتریکی خروجی تولید می‌کند. بر اساس نوع خروجی به دو دسته افزایشی (Incremental) و مطلق (Absolute) تقسیم می‌شوند؛ از نظر اصل اندازه‌گیری می‌توانند نوری، مغناطیسی، القایی، خازنی باشند؛ و از نظر ساختار به باز (open-type) یا بسته (enclosed/sealed) تقسیم می‌شوند.
اصل عملکرد (Working Principle)
نوری (Optical)
- ساختار: خط‌کش شیشه‌ای/سرامیکی (یا نوار استیل ضدزنگ) + منبع نور LED/لیزر + آرایه فوتودیود.
- مکانیسم: تداخل عبوری/بازتابی یا الگوی موآره، پردازش و درون‌یابی توسط هد.
- ویژگی‌ها: رزولوشن بسیار بالا (در حد نانومتر)، خطای خطی تا ±1 μm/m؛ اما نسبت به آلودگی و میعان حساس است.
مغناطیسی (Magnetic)
- ساختار: نوار مغناطیسی با گام ثابت (استیل یا انعطاف‌پذیر) + آرایه سنسورهای Hall/AMR/GMR/TMR.
- مکانیسم: هد میدان مغناطیسی متغیر را هنگام جابه‌جایی حس می‌کند و موقعیت را محاسبه می‌کند.
- ویژگی‌ها: مقاوم در برابر روغن و لرزش، تحمل بالا در نصب، طول اندازه‌گیری زیاد (ده‌ها متر)؛ دقت و رزولوشن کمتر از مدل‌های نوری پیشرفته.
القایی (Inductive)
- ساختار: کویل‌های تحریک و القا در هد؛ خط‌کش با الگوهای فلزی یا رسانا.
- مکانیسم: اثر کوپلینگ و جریان‌های گردابی با تغییر فاصله و موقعیت تغییر کرده و هد فاز/دامنه را برای تعیین جابه‌جایی دمدوله می‌کند.
- ویژگی‌ها: مقاوم در برابر آلودگی، دمای بالا و تداخل الکترومغناطیسی؛ دقت بین نوری و مغناطیسی.
خازنی (Capacitive)
- ساختار: آرایه الکترود + خط‌کش با الگوهای رسانای دوره‌ای.
- مکانیسم: تغییر ماتریس ظرفیت بر اساس جابه‌جایی؛ هد از قفل فاز/کدگشایی برای به‌دست‌آوردن موقعیت استفاده می‌کند.
- ویژگی‌ها: فشرده و کم‌مصرف؛ نسبت به رطوبت و اثرات فلزی مجاور حساس، نیازمند شیلدینگ و اتصال زمین مناسب.
انواع و ساختارها (Types & Constructions)
1) بر اساس سیگنال خروجی
- افزایشی (Incremental): خروجی پالس‌های مربعی A/B (با Z/مرجع)، نیازمند شمارنده در کنترلر؛ امکان ارائه سیگنال آنالوگ 1 Vpp سینوسی/کسینوسی برای درون‌یابی.
- مطلق (Absolute): در هر موقعیت کد یکتا؛ می‌تواند تک‌مسیر یا مرجع کدگذاری‌شده فاصله‌ای (distance-coded reference marks) باشد؛ رایج‌ترین پروتکل‌ها: SSI، BiSS-C، EnDat.
2) بر اساس پوشش و حفاظت
- باز (Open-type): هد در معرض دید، پاسخ دینامیکی بالا، اصطکاک کم؛ مناسب محیط‌های تمیز.
- بسته (Sealed/Enclosed): خط‌کش و هد در محفظه بسته، مجهز به برس یا پرده هوا؛ مناسب ماشین‌ابزار و شرایط آلوده.
3) بر اساس جنس خط‌کش
- شبکه شیشه‌ای/سرامیکی: انبساط حرارتی بسیار کم (CTE پایین)، دقت در حد μm/m؛ نیازمند تکیه‌گاه پایدار و کنترل دما.
- نوار فولادی/استیل ضدزنگ: طول زیاد، قابل پیچش؛ CTE بزرگ‌تر و نیازمند جبران حرارتی.
- نوار مغناطیسی (چسبی/ریل‌دار): نصب آسان، مقاوم در برابر آلودگی؛ دقت خطی کمتر از مدل‌های نوری.
- الگوهای القایی/خازنی رسانا: مقاوم و بادوام.
خروجی‌ها و رابط‌ها (Outputs & Interfaces)
| نوع | شکل خروجی | کاربرد معمول |
|---|---|---|
| افزایشی | A/B (+Z)، TTL/HTL، RS422 | شمارش پرسرعت PLC، حلقه سرعت/موقعیت |
| سینوسی/کسینوسی | 1 Vpp، 11 μApp | درون‌یابی با رزولوشن بالا (×4 تا ×10,000) |
| مطلق | SSI، BiSS-C، EnDat 2.2 | سیگنال موقعیت مطلق، تشخیص عیب و داده‌های دما/وضعیت |
| فیلدباس/اترنت | CANopen، EtherCAT، PROFINET | هم‌زمان‌سازی چندمحوره، مسافت زیاد، تشخیص آنلاین |
فرکانس خروجی ماکسیمم در برابر سرعت (افزایشی):
f_max ≈ (V / Pitch) × Edges_per_cycle
- V: سرعت خطی (mm/s)
- Pitch: گام خط‌کش (mm/cycle)
- Edges_per_cycle: تعداد لبه‌ها در هر سیکل (مثلاً ×4)
مشخصات کلیدی (Key Specifications)
| مشخصه | معنی/بازه معمول | توضیح |
|---|---|---|
| رزولوشن (Resolution) | 5 μm → 0.1 μm (مغناطیسی/فولادی)؛ 1 μm → 1 nm (نوری/تداخلی) | وابسته به ضریب درون‌یابی |
| دقت خطی (Accuracy) | ±3 ~ ±10 μm/m (مغناطیسی)؛ ±1 ~ ±3 μm/m (نوری دقیق) | به μm/m یا ppm بیان می‌شود |
| تکرارپذیری (Repeatability) | < ±0.1 ~ ±0.5 μm (نوری دقیق) | تحت تأثیر محیط و نصب |
| خطای细分 (SDE) | ±20 ~ ±80 nm (سیستم‌های 1 Vpp باکیفیت) | خطای تناوبی ناشی از درون‌یابی |
| نویز/لرزش (Jitter/Noise) | در حد ده‌ها نانومتر | مرتبط با زنجیره آنالوگ و نویز منبع تغذیه |
| نقاط مرجع | تک‌نقطه، کدگذاری‌شده فاصله‌ای، دوطرفه | برای هم‌مرکزی یا مرجع مطلق |
| طول اندازه‌گیری (Measuring Length) | 0.1 m → 30+ m | طول‌های زیاد نیازمند جبران |
| فاصله نصب (Ride Height) | 0.1 ~ 1.0 mm | محدودیت‌های pitch/roll/yaw |
| ضریب انبساط حرارتی (CTE) | شیشه/سرامیک: ~0.5–2 ppm/K؛ فولاد: ~10–17 ppm/K | تعیین‌کننده جبران حرارتی |
| درجه حفاظت | IP40 (باز) → IP67 (بسته) | بسته به گردوغبار/خنک‌کننده |
نصب و خطاهای هندسی (Installation & Geometric Errors)
- فاصله/زاویه مجاز: کنترل فاصله و زوایای pitch/roll/yaw؛ تجاوز از حد باعث تضعیف سیگنال و افزایش SDE می‌شود.
- خطای Abbe: فاصله بین خط اندازه‌گیری و محور حرکت × خطای زاویه‌ای → خطای جابه‌جایی اضافی.
- خطای کسینوسی (Cosine Error): ناهماهنگی محور انکودر و محور حرکت واقعی → خطای پروجکشن.
- جفت‌شدن حرارتی و نصب: نوار فولادی/مغناطیسی باید شناور نصب شود تا از تنش حرارتی جلوگیری شود؛ خط‌کش شیشه/سرامیک نیازمند تکیه‌گاه ایزوترمال.
- ارت و شیلدینگ: ارت تک‌نقطه‌ای هد و کنترلر؛ اتصال صحیح شیلد کابل برای جلوگیری از حلقه و نویز.
کالیبراسیون و جبران (Calibration & Compensation)
- جبران خطی: با تداخل‌سنج لیزری، ballbar یا بلوک‌های مرجع → ایجاد نقشه خطا (error map).
- جبران حرارتی: براساس CTE و دمای دستگاه؛ مدل‌سازی حرارتی پیشرفته.
- کاهش SDE: سیگنال 1 Vpp باکیفیت، زنجیره آنالوگ بهینه، پایداری مکانیکی.
- استراتژی مرجع: مرجع فاصله‌ای → کاهش مسیر هم‌مرکزی؛ مرجع دوطرفه → تکرارپذیری بهتر.
مقایسه با سایر فناوری‌ها (Comparisons)
| فناوری | مزایا | محدودیت‌ها | کاربردها |
|---|---|---|---|
| انکودر خطی (نوری) | رزولوشن نانومتری، دقت μm/m، دینامیک عالی | حساس به آلودگی/میعان، نصب دقیق | CNC، CMM، نیمه‌رسانا |
| انکودر خطی (مغناطیسی) | مقاوم، نصب آسان، طول زیاد | دقت کمتر از نوری | اتوماسیون، صنایع سنگین |
| تداخل‌سنج لیزری | دقت بسیار بالا، قابلیت ردیابی | گران، حساس به محیط | کالیبراسیون |
| LVDT/جریان گردابی | مقاوم، تکرارپذیری کوتاه عالی | طول محدود | کنترل دقیق کوتاه‌برد |
| انکودر چرخشی+پیچ | ارزان، راه‌حل بالغ | خطای حرارتی/لقی/گام | موقعیت‌یابی متوسط |
کاربردها (Applications)
- محورهای CNC (X/Y/Z): حفظ دقت و کیفیت سطح تحت بار حرارتی.
- CMM و میکروسکوپ متریولوژی: درون‌یابی نانومتری + نقشه خطا برای ردیابی ابعاد.
- تجهیزات نیمه‌رسانا: لیتوگرافی، هم‌ترازی، بازرسی؛ نیازمند لرزش نانومتری و SDE پایین.
- چاپ/بسته‌بندی/SMT: طول زیاد، سرعت بالا، هم‌زمان‌سازی دقیق.
- تجهیزات پزشکی: میزهای CT/MRI، موقعیت‌یابی پرتودرمانی.
- لجستیک/تجهیزات سنگین: نوار مغناطیسی طولانی، سازگاری بالا.
نگهداری و عیب‌یابی (Maintenance & Troubleshooting)
نگهداری روزمره
- پاک‌سازی منظم (نوری: پارچه بدون پرز + الکل؛ مغناطیسی: حذف ذرات فلزی).
- بررسی شعاع خم کابل و گیره‌ها؛ جلوگیری از شکستگی و آسیب شیلد.
- پایش دما/رطوبت محیط و پاشش خنک‌کننده؛ جلوگیری از میعان و نفوذ مایع.
مشکلات رایج
| مشکل | علت احتمالی | راه‌حل |
|---|---|---|
| افت سیگنال/از دست رفتن پالس | فاصله زیاد، زاویه نادرست، آلودگی | تنظیم فاصله، پاک‌سازی خط‌کش، بررسی استحکام نصب |
| لرزش/خطای细分 بالا | نویز درون‌یابی، ارت ضعیف | بهبود شیلدینگ/ارت، منبع تغذیه/کابل بهتر |
| خطای خطی زیاد | نصب نادرست، بدون جبران حرارتی | نصب مجدد (شناور)، بارگذاری نقشه خطا |
| قطع ارتباط مطلق | عدم تطابق SSI/BiSS/EnDat | بررسی زمان‌بندی/قطبیت/CRC، کابل |
| مرجع ناپایدار | علامت مرجع آلوده یا اشتباه | تمیزکاری، بازبینی تنظیمات مرجع |
استانداردها و مراجع (Standards & References)
- IEC 60529:2020 (درجه حفاظت IP)
- IEC 60068-2 Series (لرزش/شوک/دما/رطوبت/مه‌نمک)
- IEC 61000-6-2/-6-4 (ایمنی/انتشار EMC صنعتی)
- ISO 230-2 / ISO 230-3 (دقت و حرارت ماشین‌ابزار)
- ISO 10360 Series (تست و تأیید CMM)
- ISO 14644 Series (استاندارد اتاق تمیز)
توضیح: بسته به صنعت/تجهیزات، استفاده از استانداردها متفاوت است؛ همیشه با اسناد سازنده تطبیق داده شود.
راهنمای انتخاب (Selection Guide)
- هدف دقت: تعیین دقت موقعیت‌یابی/تکرارپذیری و خطای مجاز (μm/m).
- اصل اندازه‌گیری: محیط تمیز/دقت بالا → نوری؛ محیط آلوده/لرزش/طول زیاد → مغناطیسی یا القایی.
- خروجی و رابط‌ها: حلقه سرعت → افزایشی؛ دقت بالا/چندمحوره → SSI/BiSS/EnDat یا EtherCAT.
- نصب مکانیکی: طول اندازه‌گیری، جنس خط‌کش، CTE، فاصله مجاز، روش نصب (شناور/چسب/ریل).
- شرایط محیطی: گردوغبار/خنک‌کننده/حرارت → انکودر بسته با IP مناسب.
- جبران و تشخیص: پشتیبانی از نقشه خطا، مانیتورینگ دما/وضعیت، تشخیص آنلاین.
- چرخه عمر: تعویض کابل/هد آسان، قطعات یدکی در دسترس، خدمات و کالیبراسیون.
با درک اصول، ساختار و الزامات نصب انکودرهای خطی و با بهره‌گیری از مدل‌سازی خطا، جبران حرارتی و فرآیندهای تأیید استاندارد، تیم‌های مهندسی می‌توانند در شرایط پیچیده به دقت بالا، طول عمر زیاد و قابلیت تشخیص عیب در موقعیت‌یابی و کنترل سرعت خطی دست یابند.