Kooderien historia

Kooderit ovat keskeisiä antureita nykyajan teollisuuden ohjaus- ja automaatiojärjestelmissä. Niiden alkuperä juontaa 1940-luvulle, jolloin ne toimivat mekaanisina kulmamuuntimina. Elektroniikan, optiikan, viestinnän ja MEMS-teknologian kehityksen myötä kooderit ovat muuttuneet monitoimilaitteiksi, joissa on nanometriluokan tarkkuus, älykäs viestintä ja itsetestausominaisuudet.

1940–1960-luku: Varhaiset prototyypit ja mekaaninen aikakausi

• 1940-luvulla saksalaiset ja brittiläiset insinöörit kehittivät sotilasradarin ja ilmailunavigaation tarpeisiin harjatyyppisiä pyörivämuuntimia kulman mittaukseen.
• 1947 Bell Labs (USA) ehdotti ideaa muuntaa mekaaninen kulma sähköisiksi pulssisignaaleiksi – varhainen kooderilevyn prototyyppi.
• 1950-luvun alussa kehitettiin ensimmäiset mekaaniset kooderit, jotka käyttivät harjakosketusta tuottaakseen signaaleja pyörivien kontaktien avulla.
• Näiden laitteiden tulosignaali oli usein Gray-koodia, jota käytettiin mm. sotilaallisissa etäisyysmittareissa ja analogisissa tietokoneissa.

Keskeiset piirteet:

• Täysi mekaaninen kontakti – altis kulumiselle ja epävakaalle signaalille
• Signaali joko kytkentäpohjainen tai analoginen jännite
• Käyttö rajoittui lähinnä puolustusalan laboratorioihin

1970–1980-luku: Optisten ja inkrementtikoodereiden nousu

• 1971 BEI Precision Instruments (USA) esitteli ensimmäisen kaupallisen optisen inkrementtikooderin, mikä mullisti alan.
• Muovista tai lasista valmistetuissa hilalevyissä oli kaiverrettuja juovia, joiden läpi kulkeva valo havaittiin valodiodeilla tuottaen A/B-pulssisignaaleja.
• 1974 saksalainen Heidenhain lisäsi Z-kanavan (nollapulssi) alkuaseman tunnistukseen.
• 1976 japanilainen Koyo Electronics toi teollisuuskäyttöön inkrementtikooderit ja laajensi niiden käytön CNC-järjestelmiin.

Innovaatiot:

• Kosketukseton tunnistus paransi käyttöikää ja luotettavuutta
• Standardoidut TTL- ja HTL-liitännät
• Resoluutio jopa 1000–5000 PPR

1990-luku: Absoluuttikooderit ja digitaaliohjauksen nousu

• 1989–1992 eurooppalaiset valmistajat kuten Baumer ja Heidenhain toivat markkinoille yksikierroksiset absoluuttikooderit, joissa käytettiin useita uralevyjä ja fotodetektoreita rinnakkaisdatan tuottamiseen.
• 1993 SICK Stegmann (Saksa) kehitti monikierroksiset absoluuttikooderit, joissa käytettiin vaihteistoja tai magneettista tunnistusta kierrosten laskentaan.
• SSI (Synchronous Serial Interface) nousi sarjaviestinnän standardiksi Hubnerin (Saksa) tuella.
• Käyttöönotettiin ohjelmoitavat kooderit, joiden resoluutio ja suunta voitiin määrittää ohjelmistolla.

Teknologiset läpimurrot:

• Sijainti säilyi myös virran katketessa (absoluuttinen arvo)
• Integroitu ASIC-piiri mahdollisti pienemmän koon ja korkean integraation
• Parempi häiriönsieto ja luotettavuus

2000-luku: Kenttäväylät, Ethernet ja järjestelmäintegraatio

• Kooderit ottivat käyttöön teolliset kenttäväylät kuten CANopen (CiA 406), Profibus ja DeviceNet – ihanteellisia monisolmuisille verkoille.
• Uudet teolliset Ethernet-protokollat kuten EtherCAT (Beckhoff), Profinet (Siemens) ja EtherNet/IP (Rockwell) yleistyivät nopeissa ohjausjärjestelmissä.
• 2005 Tamagawa (Japani) julkaisi SIL2-sertifioidut kooderit hisseihin, robotteihin ja raideliikenteeseen.
• Koodereihin integroitiin lämpötilakompensointi, digitaalinen suodatus ja itsetestaus, kehittäen ne älyantureiksi.

Keskeiset trendit:

• Pulssijohtojen tilalle verkkopohjainen kommunikointi
• Monikierroksinen resoluutio yli 30 bittiä
• Hot-swap, verkkokonfigurointi ja etäpäivitykset käyttöön

2010-luku ja nykypäivä: Älykooderit, mikrosarjat ja langattomuus

• Älykooderit tukevat Bluetoothia, IO-Linkiä ja teollista Wi-Fiä, mahdollistaen kaksisuuntaisen kommunikoinnin PLC:n ja pilven kanssa.
• Magneettiset kooderisarjat kehitettiin kollaboratiivisiin robotteihin (Cobots), AGV-ajoneuvoihin ja droniin, halkaisijat jopa Φ12 mm ja paino alle 10 g.
• Tarkkuusmagneettiset lineaarikooderit (esim. Renishaw, RSF) palvelevat puolijohdeteollisuutta submikroni- ja nanometriluokan tarkkuudella.
• Yhdistelmäsensorit, joissa on visuaalinen tunnistus ja integroitu IMU, tarjoavat täydelliset 6-DOF-liiketiedot.

Tulevaisuuden näkymät

1. Äly + reunalaskenta: Koodereihin integroidaan prosessorit datan esikäsittelyyn, ennakoivaan huoltoon ja tekoälyyn.
2. Moniulotteinen fuusioanturointi: Tiedon yhdistäminen lämpötila-, IMU-, vääntömomentti- ja kiihtyvyysantureista.
3. Ohjelmistomääriteltävät kooderit (SD-E): Resoluutio, suunta, protokolla ja diagnostiikka määriteltävissä etänä.
4. Vihreä suunnittelu: Matala virrankulutus, kitkattomat materiaalit ja modulaarinen rakenne nousevat keskiöön.
5. Globaali toimitusketjuoptimointi: Oman teknologian vahvistaminen (hilat, sirut, protokollat) korostuu eri maissa.

Yhteenveto

Kooderien kehitys kuvastaa teollisuuden siirtymää analogisesta digitaaliin, keskitetystä älykkääseen ja suljetusta avoimeen. Sotilasteknologiasta lähtöisin olevista ratkaisuista on tullut arkipäivää siviilikäytössä. Kooderien historian ymmärtäminen avaa näkymän niiden tekniseen olemukseen ja tulevaisuuden mahdollisuuksiin.