انکودر نوری
انکودرهای نوری با تکیه بر شبکه/خط‌کش نوری و آشکارسازی فوتوالکتریک، حرکت دورانی یا خطی را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کنند. آن‌ها سامانهٔ بازخورد موقعیتِ غالب در ماشین‌ابزارهای CNC، سکوی‌های نیمه‌رسانا، متروژی دقیق، رباتیک و اتوماسیون پیشرفته هستند. به‌دلیل تفکیک‌پذیری بالا، خطای زیرتقسیم (SDE) پایین و تکرارپذیری عالی، انکودرهای نوری در موقعیت‌یابی از مقیاس نانو تا میکرومتر به‌طور گسترده به‌کار می‌روند.
انکودر نوری چیست (What is an Optical Encoder)
انکودر نوری سنسوری است که اطلاعات موقعیت را از زنجیرهٔ منبع نور → شبکه/خط‌کش نوری → آشکارسازی فوتوالکتریک به‌دست می‌آورد. هستهٔ آن از دیسک/خط‌کش با الگوی تناوبی (Scale/Disk) و هد خوانش (Readhead) تشکیل شده است: هد، در یک فاصلهٔ اپتیکیِ تعریف‌شده، نوارهای روشن/تار یا سیگنال‌های تداخل ناشی از عبور/انعکاس شبکه را می‌خواند و پس از پردازش در جلوبندی آنالوگ و میان‌یابی/کُدگشایی، خروجی افزایشی A/B (با Z مرجع اختیاری)، سینوسی/کسینوسی 1 Vpp یا دادهٔ سریِ موقعیت مطلق (SSI/BiSS/EnDat و …) فراهم می‌کند.
بر پایهٔ نوع حرکت، به انکودر نوری چرخشی (دیسک) و انکودر نوری خطی (خط‌کش) تقسیم می‌شود. در مقایسه با برآورد غیرمستقیم از طریق پیچ بال‌اسکرو/دنده‌شانه‌ای، انکودر خطی اندازه‌گیری مستقیم را ممکن می‌سازد و خطاهای ناشی از لَقی مکانیکی (Backlash)، گام پیچ و انبساط حرارتی را به‌طور چشمگیری مهار می‌کند؛ انکودر چرخشی نیز بازخورد زاویه و سرعت با تفکیک بالا را برای موتور و میز دوار فراهم می‌سازد.
اصل کار (Working Principle)
1) تصویربرداری/نوارهای موآره (Imaging/Moiré)
- ساختار: منبع نور (LED/VCSEL) → اپتیک کالیماسیون/تصویربرداری → ماسک/شبکهٔ فازی → آرایهٔ حساس نوری.
- سازوکار: حرکت نسبیِ خط‌کش و شبکهٔ مرجع در هد، نوارهای موآره ایجاد می‌کند که سیگنال‌های تقریباً سینوسی/کسینوسی می‌سازد؛ سپس با میان‌یابی و توازن دامنه/فاز، تفکیک‌پذیری بالا حاصل می‌شود.
2) تداخلی/شبکهٔ فازی (Interferential/Phase Grating)
- سازوکار: اختلاف فاز بین مراتب پراش با جابه‌جایی به‌طور خطی تغییر می‌کند و برهم‌نهی آن‌ها سینوسی‌های بسیار خالص تولید می‌نماید؛ با SDE کمتر و پتانسیل تفکیک بالاتر.
3) عبوری در برابر بازتابی (Transmission vs Reflection)
- عبوری: زیرلایهٔ شیشه/سرامیک؛ نسبت سیگنال به نویز بالا و خطیّت خوب؛ مناسب محیط‌های پاک و موقعیت‌یابی دقیق.
- بازتابی: شبکه‌های متالیزه/پوشش‌داده‌شدهٔ بازتابی؛ فشرده و نصب‌پذیر، اما حساس‌تر به آلودگی → نیازمند آب‌بندی مناسب و پردهٔ هوا/تیغهٔ جاروب.
4) افزایشی و مطلق (Incremental vs Absolute)
- افزایشی: پالس‌های A/B با تفاضل فاز 90°؛ جهت حرکت از تقدم فاز تعیین می‌شود؛ Z مرجع هر کورس/هر دور یک‌بار ظاهر می‌گردد.
- مطلق: در هر موقعیت، کُد یکتا (باینری/گری) خروجی می‌شود؛ امکان تشخیص خطا، دما و ثبات‌ها/رجیسترهای وضعیت نیز وجود دارد.
تفکیک‌پذیری خطی تقریبی: Δx ≈ p / (N × M)
که در آن p = گام شبکه، N = نسبت میان‌یابی آنالوگ (مثلاً 100×) و M = ضریب چندبرابر‌سازی دیجیتال (معمولاً 4×) است.
تفکیک زاویه‌ای معادل برای انکودر چرخشی: θ_res = 360° / (تعداد خطوط × 4).
رده‌بندی (Taxonomy)
- بر حسب حرکت: انکودر نوری خطی / انکودر نوری چرخشی (دیسک)
- بر حسب خروجی: افزایشی (TTL/HTL/RS422، یا 1 Vpp/11 µApp) / مطلق (SSI، BiSS-C، EnDat 2.2، یا موازی)
- بر حسب پیاده‌سازی اپتیکی: عبوری / بازتابی؛ تصویری / تداخلی؛ شبکهٔ دامنه / شبکهٔ فاز
- بر حسب پوشش: باز (دینامیک بالا، اصطکاک کم) / آب‌بندی‌شده (IP65–IP67، مقاوم در برابر مه روغن و سیال خنک‌کاری)
- بر حسب بُرد/زیرلایه: شیشه/سرامیک (CTE پایین)، نوار فولادی (مسیرهای بلند)، شبکهٔ بازتابی پوشش‌دار و …
اجزای کلیدی و زنجیرهٔ سیگنال (Signal Chain)
- منبع نور و اپتیک: LED/لیزر، کالیماسیون/فوکوس → یکنواختی روشنایی و رانش حرارتی را تعیین می‌کند؛ پیرسازی کنترل‌شده و حلقهٔ بستهٔ توان پیشنهاد می‌شود.
- شبکه/دیسک: گام
p، دیوتی و دقت فاز، خلوص سیگنال و SDE را تعیین می‌کنند. - آرایهٔ نوری/AFE: چندکاناله با تنظیم خودکار بهره/اُفست/فاز (بالانس ABC).
- ASIC میان‌یابی/کُدینگ: تصحیح دامنه و فاز، جبران بیضویّت، فیلتر دیجیتال و مهار جیتر، کُدگذاری پروتکل و درایورهای خط.
- لایهٔ فیزیکی: RS422 تفاضلی، 1 Vpp/11 µApp؛ امپدانس ترمینیشن، سیم‌کشی (شیلد/زمین) و مسیر بازگشت جریان باید مهندسی شود.
خروجی‌ها و واسط‌ها (Outputs & Interfaces)
| قالب خروجی | سیگنال نمونه | توضیح |
|---|---|---|
| موج مربعی افزایشی | A/B (+Z)، TTL/HTL/RS422 | کانترهای پرسرعت PLC و حلقه‌های سرعت/موقعیت؛ برای مسافت‌های طولانی، تفاضلی ارجح است |
| سینوسی/کسینوسی | 1 Vpp، 11 µApp | فوق‌تفکیک با میان‌یابی؛ SDE و جیتر تابع کیفیت زنجیره‌اند |
| سریِ مطلق | SSI، BiSS-C، EnDat 2.2 | مقدار مطلق تک/چند دور، رجیسترهای تشخیص/دما/آلارم |
| فیلدباس صنعتی | EtherCAT، PROFINET، CANopen | همزمانی چندمحوره، ساعت‌های توزیع‌شده، پیکربندی آنلاین |
برآورد پهنای‌باند (خطی): f_max ≈ (v / p) × edges
که در آن v = سرعت خطی و edges = لبه‌های مؤثر هر دوره (مثلاً 4× در چهاربرابرخوانی) است.
شاخص‌های عملکرد (Key Specifications)
| شاخص | بازه/توضیح معمول |
|---|---|
| تفکیک‌پذیری | خطی: 1 µm → 1 nm؛ چرخشی: ≤ 24 بیت معادل |
| دقت خطی | اپتیک رده‌بالا: ±1 تا ±3 µm/m؛ استاندارد: ±3 تا ±10 µm/m |
| تکرارپذیری | ≤ ±0.1 تا ±0.3 µm (خطی)؛ در نوع زاویه‌ای تا زیر ثانیهٔ قوسی |
| SDE (خطای زیرتقسیم) | برای زنجیرهٔ 1 Vpp باکیفیت: ±20 تا ±80 nm |
| جیتر (Jitter) | ده‌ها نانومتر؛ متأثر از AFE و نویز فاز کلاک |
| خطای فاز/دیوتی | فاز A/B برابر 90° ± (1–5)°؛ دیوتی 50% ± (2–10)% |
| ظرفیت سرعت | خطی > 1 m/s؛ چرخشی تا بیش از 12,000 RPM (وابسته به واسط) |
| درجهٔ محیطی | از IP40 (باز) تا IP67 (آب‌بندی‌شده)، با آزمون‌های IEC 60068-2 (ارتعاش/ضربه) |
نصب و کانون‌های خطا (Installation & Error Sources)
- فاصلهٔ هوایی و وضعیت هد (pitch/roll/yaw) خارج از تلرانس → نابرابری دامنه و افزایش SDE.
- خطای آبه: فاصلهٔ اهرمی × خطای زاویه‌ای؛ خط اندازه‌گیری را از مرکز حرکت بگذرانید یا جبران نرم‌افزاری انجام دهید.
- خطای کسینوسی (زاویه‌های کوچک):
e ≈ (L × θ²) / 2. - بی‌مرکزی/پرش محوری دیسک (چرخشی): هارمونیک‌های پایه/دوم در خطای زاویه‌ای ایجاد می‌کند.
- انبساط حرارتی (CTE): شیشه/سرامیک CTE پایین دارند؛ نوار فولادی به جبران حرارتی و مهاربندی شناور نیاز دارد.
- سازگاری الکترومغناطیسی/زمین: زمین تک‌نقطه‌ای، شیلدگذاری درست و مسیر بازگشت کنترل‌شده برای پرهیز از نویز مد مشترک/حلقه‌های زمین.
کالیبراسیون و جبران (Calibration & Compensation)
- نگاشت خطی: با تداخل‌سنج لیزری/بال‌بار منحنی خطا اندازه‌گیری و در LUT کنترلر بارگذاری شود.
- جبران حرارتی: اصلاح برخط با استفاده از دمای خط‌کش/سازه و مدل CTE.
- توازن دامنه/فاز (جبران بیضویّت): خودتنظیمی اُفست، دامنه و فاز پیش از میان‌یابی.
- راهبرد مرجع: نقاط مرجع کُدگذاری‌شده بر اساس فاصله مسیر بازگشت به مرجع را کوتاه و تکرارپذیری را بهبود می‌دهد.
مقایسه با فناوری‌های دیگر (Comparisons)
| فناوری | تفکیک/دقت | مقاومت در برابر آلودگی/محیط | بُرد معمول | کاستی‌های اصلی |
|---|---|---|---|---|
| انکودر نوری | ★★★★★ | ★★★ | متوسط/بلند | حساس به آلودگی/میعان؛ نیازمند نصب دقیق |
| مغناطیسی | ★★☆ | ★★★★ | بلند | خطیّت و SDE ضعیف‌تر |
| القایی/خازنی | ★★★ | ★★★★ | متوسط | حساس به مجاورت فلز/جریان‌های گردابی یا رطوبت |
| رزولور/پتانسیومتر | ★★ | ★★★★★/★ | متوسط/کوتاه | تفکیک کمتر یا واسط‌های کمتر سرراست |
کاربردها (Applications)
محورهای خطی و چرخشی در CNC، CMM و سکوهای متروژی، هم‌ترازی/نوردهی/بازرسی در نیمه‌رسانا، میزهای حرکت دقیق، مفاصل ربات و پایش لقی گیربکس، تجهیزات تصویربرداری/رادیوتراپی پزشکی، همگام‌سازی چاپ و بسته‌بندی، مونتاژ/بازرسی الکترونیک و جابجایی‌های پُرسرعت.
نگه‌داری و عیب‌یابی (Maintenance & Troubleshooting)
- روتین: پاک‌سازی دوره‌ای (دستمال بدون پرز + حلال مناسب)، رعایت حداقل شعاع خم کابل/شیلدینگ، پایش دما-رطوبت و میعان.
- علائم رایج و راهکارها:
- ریزش پالس/لبه: فاصلهٔ هوایی خارج از محدوده یا انسداد آلودگی → تنظیم وضعیت/تمیزکاری/افزودن آب‌بندی و پردهٔ هوا.
- SDE/جیتر بالا: نویز در AFE/زنجیرهٔ میان‌یابی، زمین نامطلوب → بهینه‌سازی تغذیه، سیم‌کشی و ترمینیشن.
- عدم ارتباط مطلق: ناهماهنگی پارامترها یا قطبیت در SSI/BiSS/EnDat → بازبینی طول فریم، CRC، زمان‌بندی و امپدانس‌ها.
- خطای زاویه‌ای هارمونیک (چرخشی): بی‌مرکزی/پرش → بهبود هم‌مرکزی و سختی یاتاقان و اعمال جبران هارمونیکی.
راهنمای انتخاب (Selection Guide)
- دقت/تکرارپذیری هدف (µm/m یا ثانیهٔ قوسی) و پویایی سرعت.
- اصل اپتیکی (عبوری/بازتابی؛ تصویری/تداخلی) و گام شبکه
p. - واسط خروجی (A/B/Z، 1 Vpp، SSI/BiSS/EnDat، یا باس‌ها) و پهنای‌باند کنترلر.
- پوشش و محیط (باز/آب‌بندی‌شده، رتبهٔ IP، حضور سیال خنک‌کاری/غبار).
- طراحی مکانیکی/حرارتی (تلرانس‌های فاصله/وضعیت، CTE، نصب شناور).
- جبران و پایش (نگاشت خطا، رجیسترهای دما/وضعیت، آلارم‌های آنلاین).
- چرخهٔ عمر (قابلیت سرویس هد/کابل، در دسترس بودن قطعات یدکی، توان کالیبراسیون).
استانداردها و مراجع (Standards & References)
- IEC 60529:2020 (درجات حفاظتی IP)
- IEC 60068-2 (ارتعاش/ضربه/دما-رطوبت)
- IEC 61000-6-2 / -6-4 (EMC صنعتی: ایمنی در برابر تداخل/گسیل)
- ISO 230-2 / ISO 230-3 (آزمون‌های موقعیت‌دهی و ویژگی‌های حرارتی ماشین‌ابزار)
- ISO 10360 (اعتبارسنجی CMM)
- ISO 14644 (الزامات اتاق تمیز)
خلاصه: تسلط بر اصول، شاخص‌ها، واسط‌ها و نکات نصب/جبران انکودرهای نوری، دستیابی به عملکرد دقیق، پایدار، مقاوم و قابل تشخیص خطا را—even در شرایط کاری پیچیده—در بلندمدت ممکن می‌سازد.