تاریخچه انکودرها
انکودرها حسگرهای حیاتی در سیستم‌های کنترل صنعتی و اتوماسیون مدرن هستند. ریشه آن‌ها به دهه ۱۹۴۰ بازمی‌گردد که به عنوان مبدل‌های زاویه‌ای مکانیکی آغاز شدند. با پیشرفت‌هایی در الکترونیک، اپتیک، ارتباطات و فناوری MEMS، انکودرها به پلتفرم‌های چندمنظوره با دقت در سطح نانو، ارتباط هوشمند و قابلیت‌های خودتشخیصی تبدیل شدند.
دهه ۱۹۴۰ تا ۱۹۶۰: نمونه‌های اولیه و دوران مکانیکی
- در دهه ۱۹۴۰، با پیشرفت رادار نظامی و ناوبری هوایی، مهندسان آلمانی و بریتانیایی مبدل‌های چرخشی با برس را برای اندازه‌گیری جابجایی زاویه‌ای توسعه دادند.
- در ۱۹۴۷، آزمایشگاه Bell در آمریکا مفهوم تبدیل زاویه مکانیکی به سیگنال پالس الکتریکی را پیشنهاد داد که به عنوان نمونه اولیه دیسک انکودر شناخته می‌شود.
- تا اوایل دهه ۱۹۵۰، اولین انکودرهای مکانیکی با استفاده از تماس برس برای ایجاد سیگنال سوئیچی معرفی شدند.
- این انکودرها معمولاً کد گری (Gray Code) را خروجی می‌دادند که در مسافت‌یاب‌های نظامی و رایانه‌های آنالوگ اولیه استفاده می‌شد.
ویژگی‌ها:
- تماس کاملاً مکانیکی با استهلاک بالا و سیگنال‌های ناپایدار
- خروجی به صورت سوئیچ یا ولتاژ آنالوگ
- کاربرد محدود، عمدتاً در آزمایشگاه‌های دفاعی
دهه ۱۹۷۰ تا ۱۹۸۰: ظهور انکودرهای نوری و افزایشی
- در ۱۹۷۱، شرکت BEI (آمریکا) اولین انکودر افزایشی نوری تجاری را معرفی کرد.
- دیسک‌های شبکه‌ای پلاستیکی یا شیشه‌ای با نوارهای حک‌شده نوری، نور را عبور داده و توسط فوتودیودها دریافت می‌کردند تا سیگنال‌های A/B تولید شود.
- در ۱۹۷۴، شرکت Heidenhain (آلمان) کانال Z (پالس صفر) را برای مرجع‌گذاری مبدا اضافه کرد.
- در ۱۹۷۶، شرکت Koyo (ژاپن) انکودرهای صنعتی افزایشی را عرضه کرد که در سیستم‌های CNC به کار رفت و موجب گسترش استفاده شد.
نوآوری‌ها:
- سنجش بدون تماس با دوام و قابلیت اطمینان بالا
- معرفی استانداردهای TTL و HTL
- دقت تا ۱۰۰۰ تا ۵۰۰۰ پالس بر دور
دهه ۱۹۹۰: انکودرهای مطلق و دوران کنترل دیجیتال
- بین ۱۹۸۹ تا ۱۹۹۲، شرکت‌هایی مانند Baumer و Heidenhain انکودرهای مطلق تک‌دور را معرفی کردند که از دیسک‌های چندشیاره برای تولید داده‌های موقعیت موازی استفاده می‌کردند.
- در ۱۹۹۳، شرکت SICK Stegmann (آلمان) انکودرهای مطلق چنددور را با شمارنده چرخ‌دنده یا حسگر مغناطیسی توسعه داد.
- رابط SSI (رابط سریال همزمان) به استانداردی صنعتی تبدیل شد که توسط Hubner ترویج یافت.
- انکودرهای قابل برنامه‌ریزی معرفی شدند و امکان تنظیم وضوح و جهت از طریق نرم‌افزار را فراهم کردند.
پیشرفت‌های فنی:
- حفظ موقعیت پس از قطع برق (ذخیره مقدار مطلق)
- استفاده از تراشه‌های ASIC برای کوچک‌سازی و یکپارچگی بیشتر
- بهبود پایداری و مقاومت در برابر نویز
دهه ۲۰۰۰: ارتباط Fieldbus، اترنت صنعتی و یکپارچه‌سازی سیستم‌ها
- انکودرها به پروتکل‌های ارتباطی صنعتی Fieldbus مانند CANopen، Profibus و DeviceNet مجهز شدند که برای شبکه‌های چندگره‌ای مناسب بودند.
- پروتکل‌های نوظهور اترنت صنعتی مانند EtherCAT (Beckhoff)، Profinet (Siemens) و EtherNet/IP (Rockwell) در کنترل‌های پرسرعت رایج شدند.
- در ۲۰۰۵، شرکت Tamagawa (ژاپن) انکودرهای چرخشی با گواهی SIL2 برای استفاده در آسانسورها، ربات‌ها و سیستم‌های ریلی عرضه کرد.
- ویژگی‌هایی نظیر جبران دمایی، فیلتر دیجیتال و خودتشخیصی افزوده شدند و راه را برای حسگرهای هوشمند هموار کردند.
روندهای کلیدی:
- جایگزینی سیم‌کشی پالس با ارتباط شبکه‌ای
- دقت چنددور فراتر از ۳۰ بیت
- پشتیبانی از Hot-Plug و پیکربندی آنلاین
دهه ۲۰۱۰ تا کنون: انکودرهای هوشمند، کیت‌های میکرو و بی‌سیم
- انکودرهای هوشمند از بلوتوث، IO-Link و وای‌فای صنعتی پشتیبانی می‌کنند و ارتباط دوطرفه با PLC یا پلتفرم ابری را ممکن می‌سازند.
- کیت‌های انکودر مغناطیسی برای ربات‌های مشارکتی (Cobot)، AGVها و پهپادها با قطر ۱۲ میلی‌متر و وزن کمتر از ۱۰ گرم عرضه شدند.
- انکودرهای خطی مغناطیسی با وضوح بالا (مانند Renishaw، RSF) در صنعت نیمه‌رساناها برای اندازه‌گیری با دقت زیر میکرون استفاده می‌شوند.
- حسگرهای هیبریدی با ترکیب بینایی ماشین و IMU یکپارچه در حال افزایش هستند و داده‌های حرکت شش‌درجه آزادی (6-DOF) را ارائه می‌دهند.
چشم‌انداز آینده
- هوش + Edge Computing: پردازش داده، نگهداری پیش‌بینی‌شده و هوش مصنوعی محلی.
- سنجش ترکیبی چندبعدی: ادغام با حسگرهای دما، شتاب، گشتاور و IMU برای تشخیص حرکت جامع.
- انکودرهای تعریف‌شده با نرم‌افزار (SD-E): پیکربندی رزولوشن، جهت، پروتکل و عیب‌یابی از راه دور.
- طراحی سبز: مصرف برق پایین، مواد بدون اصطکاک و نصب ماژولار به عنوان اولویت‌های نوظهور.
- بهینه‌سازی زنجیره تامین جهانی: تمرکز کشورها بر بومی‌سازی تولید شبکه‌های نوری، تراشه‌ها و پروتکل‌ها برای حفظ استقلال فناوری.
نتیجه‌گیری
تحول انکودرها بازتابی از تغییرات گسترده صنعت است — از آنالوگ به دیجیتال، از سیستم‌های متمرکز به هوشمند، و از بسته به باز. انکودرهایی که ریشه در کاربردهای نظامی دارند، اکنون در صنایع غیرنظامی فراگیر شده‌اند. شناخت تاریخ آن‌ها، دیدگاهی فنی و دقیق فراهم می‌کند تا برای آینده حسگرهای صنعتی آماده‌تر باشیم.