📘 Kooderin Wiki
Lineaariset enkooderit
Lineaariset enkooderit muuntavat lineaarisen siirtymän sähköiseksi signaaliksi (digitaaliseksi tai analogiseksi). Ne mahdollistavat pöydän, kelkan tai työkappaleen liikkeen suoran mittauksen ja toimivat keskeisinä paikannusantureina CNC-työstökoneissa, koordinaattimittauskoneissa (CMM), puolijohdelaitteissa sekä huipputason automaatioalustoissa. Verrattuna siirtymän laskemiseen ruuvin tai hammastangon kautta, lineaariset enkooderit tarjoavat “suoran mittauksen”, joka vähentää merkittävästi ruuvin lämpölaajenemisen, välyksen ja mekaanisten välitysten aiheuttamia paikannusvirheitä.
Mitä on lineaarinen enkooderi (What is a Linear Encoder)
Lineaarinen enkooderi koostuu asteikosta (Scale/Rule) ja lukupäästä (Readhead): asteikossa on jaksollisia rakenteita (optinen hilaverkko, magneettinauha, induktiokuvioita), joita lukupää lukee määritellyn raon yli liikkuessaan ja tuottaa sähköisiä signaaleja. Ulostulon perusteella enkooderit jaetaan inkrementaalisiin ja absoluuttisiin; tunnistusperiaatteen mukaan optisiin, magneettisiin, induktiivisiin ja kapasitiivisiin; rakenteen mukaan avoimiin (open-type) ja suljettuihin (sealed/enclosed).
Toimintaperiaate (Working Principle)
Optinen (Optical)
- Rakenne: Lasi- tai keramiikka-asteikko (tai ruostumaton teräsnauha) + LED/laservalo + fotodiodimatriisi.
- Mekanismi: Läpäisy-/heijastusinterferenssi tai Moiré-kuviot, jotka lukupää demoduloi ja interpoloidaa.
- Ominaisuudet: Erittäin korkea resoluutio (nanometriluokka), lineaarivirhe jopa ±1 μm/m; herkkä epäpuhtauksille ja kondenssille.
Magneettinen (Magnetic)
- Rakenne: Magneettinauha, jossa napoja tietyllä jaolla (teräs tai joustava nauha) + Hall/AMR/GMR/TMR-anturit.
- Mekanismi: Lukupää mittaa magneettikentän vaihtelua liikkeen mukana ja laskee sijainnin.
- Ominaisuudet: Kestävä öljyä ja tärinää vastaan, suuret asennustoleranssit, pitkät mittapituudet (kymmeniä metrejä), mutta resoluutio ja tarkkuus jäävät optisia huippuratkaisuja heikommiksi.
Induktiivinen (Inductive)
- Rakenne: Lukupäässä heräte- ja vastaanottokelat; asteikkona metallikuvio tai johtava pinta.
- Mekanismi: Kytkeytymisen ja pyörrevirtojen muutokset raon ja sijainnin mukaan; lukupää demoduloi vaihetta ja amplitudia.
- Ominaisuudet: Kestävä likaa ja korkeaa lämpöä vastaan, häiriönsietokyky hyvä; tarkkuus optisen ja magneettisen välimaastossa.
Kapasitiivinen (Capacitive)
- Rakenne: Elektrodimatriisi + asteikko, jossa jaksollinen kuvio.
- Mekanismi: Kapasitanssimatriisin muutos liikkeen mukaan; lukupää lukitsee vaiheen ja dekoodaa sijainnin.
- Ominaisuudet: Kompakti ja vähän energiaa kuluttava; herkkä kosteudelle ja metalliläheisyysefekteille, vaatii tehokkaan suojauksen ja maadoituksen.
Tyypit ja rakenteet (Types & Constructions)
1) Ulostulosignaalin mukaan
- Inkrementaalinen (Incremental): Antaa A/B-neliöaaltopulssit (lisäksi Z/referenssipulssi); ohjaimen on laskettava pulssit. Voi myös tarjota 1 Vpp sin/cos -analogiasignaalit hienointerpolointiin.
- Absoluuttinen (Absolute): Antaa yksilöllisen koodin jokaisessa sijainnissa; voi sisältää distance-coded reference marks. Käytettyjä protokollia ovat SSI, BiSS-C, EnDat.
2) Kotelo ja suojaus
- Avoin (Open-type): Lukupää näkyvissä, korkea dynaaminen vaste, vähäinen kitka; sopii puhtaisiin ympäristöihin.
- Suljettu (Sealed/Enclosed): Asteikko ja lukupää koteloitu, varustettu tiivisteillä tai ilmasuojilla; sopii työstökoneisiin ja raskaisiin ympäristöihin.
3) Asteikon materiaalit ja muodot
- Lasi-/keramikhilat: Matala lämpölaajeneminen (CTE), tarkkuus luokkaa µm/m; vaatii lämpötilakontrollia.
- Teräs- ja ruostumattomat nauhat: Pitkät mittapituudet, voidaan kelata; suurempi CTE, tarvitaan kompensointi.
- Magneettinauhat (liimapohjalla/kiinnitysraiteella): Helppo asennus, likaa kestävä; tarkkuus optisia heikompi.
- Induktiiviset/kapasitiiviset johdekuviot: Erittäin kestävät, mekaanisesti tukevat.
Ulostulot ja liitännät (Outputs & Interfaces)
| Luokka | Ulostulomuoto | Tyypillinen käyttö |
|---|---|---|
| Inkrementaalinen neliöaalto | A/B (+Z), TTL/HTL, RS422 | Nopealaskenta PLC:llä, nopeus- ja asemointisilmukat |
| Sin/cos | 1 Vpp, 11 μApp | Korkean resoluution interpolointi (jopa ×10.000) |
| Absoluuttinen sarja | SSI, BiSS-C, EnDat 2.2 | Absoluuttinen sijainti, diagnostiikka, lämpötila-/tilatiedot |
| Kenttäväylä/Ethernet | CANopen, EtherCAT, PROFINET | Moniakselisynkronointi, pitkät etäisyydet, online-diagnostiikka |
Maksimitaajuus suhteessa nopeuteen (inkrementaalinen):
f_max ≈ (V / Pitch) × Edges_per_cycle
- V: nopeus (mm/s)
- Pitch: asteikon jakso (mm/sykli)
- Edges_per_cycle: pulssin reunojen määrä/sykli (esim. ×4 monistettu)
Keskeiset tekniset tiedot (Key Specifications)
| Parametri | Tyypillinen alue | Huomioita |
|---|---|---|
| Resoluutio (Resolution) | 5 μm → 0.1 μm (magneettinen/teräs); 1 μm → 1 nm (optinen/interferoiva) | Riippuu interpoloinnista |
| Lineaarinen tarkkuus (Accuracy) | ±3 ~ ±10 μm/m (magneettinen); ±1 ~ ±3 μm/m (optinen huipputaso) | Ilmaistaan μm/m tai ppm |
| Toistettavuus (Repeatability) | < ±0.1 ~ ±0.5 μm (optinen huipputaso) | Vaikuttaa ympäristö/asennus |
| Interpolointivirhe (SDE) | ±20 ~ ±80 nm (laadukas 1 Vpp) | Jaksollinen interpolointivirhe |
| Jitter/melu (Jitter/Noise) | Kymmenien nm luokkaa | Riippuu elektroniikasta/teholähteestä |
| Referenssipisteet | Yksittäinen, distance-coded, kaksisuuntainen | Homing- ja referenssitarkoituksiin |
| Mittapituus (Measuring Length) | 0.1 m → 30+ m | Pitkillä pituuksilla tarvitaan kompensointi |
| Asennusrako (Ride Height) | 0.1 ~ 1.0 mm | Myös kulmat pitch/roll/yaw rajoitettu |
| CTE | Lasi/keramiikka: ~0.5–2 ppm/K; teräs: ~10–17 ppm/K | Vaikuttaa lämpökompensointiin |
| Suojausluokka | IP40 (avoin) → IP67 (suljettu) | Valitaan ympäristön mukaan |
Asennus ja geometriset virheet (Installation & Geometric Errors)
- Asennusrako ja kulmat: Liian suuri rako tai väärä kulma kasvattaa signaalin heikkenemistä ja SDE:tä.
- Abbe-virhe (Abbe Error): Mittalinjan ja liikeakselin etäisyys × kulmavirhe aiheuttaa lisävirhettä; mittalinjan tulee olla liikeakselin tasalla tai virheet kompensoitava.
- Kosini-virhe (Cosine Error): Enkooderin akseli ei ole täysin rinnakkainen liikkeen kanssa → projektiovirhe.
- Lämpö- ja kiinnitysstrategia: Teräs-/magneettinauhat asennetaan joustavasti, jotta lämpölaajeneminen ei aiheuta jännityksiä. Lasi-/keramiikka-asteikot tuetaan isotermisesti.
- Maadoitus ja suojaus: Yksipiste-maadoitus, kaapelin suojavaippa maadoitettu normien mukaisesti.
Kalibrointi ja kompensointi (Calibration & Compensation)
- Lineaarikompensointi: Laserinterferometri, ballbar tai mittapalikat virheiden kartoitukseen.
- Lämpökompensointi: Perustuu CTE:hen ja koneen lämpötilajakaumaan; huipputason järjestelmät hyödyntävät lukupään lämpöanturia.
- SDE:n vähennys: Laadukas 1 Vpp, optimaalinen elektroniikka ja algoritmit, vakaa asennus.
- Referenssistrategiat: Distance-coded -pisteet lyhentävät homing-matkaa; kaksisuuntaiset pisteet parantavat toistettavuutta.
Vertailu muihin teknologioihin (Comparisons)
| Teknologia | Vahvuudet | Rajoitukset | Käyttökohteet |
|---|---|---|---|
| Lineaarienkooderi (optinen) | Nanometrin resoluutio, tarkkuus µm/m, hyvä dynamiikka | Herkkä epäpuhtauksille/kondenssille, kriittinen asennus | CNC, CMM, puolijohdelaitteet |
| Lineaarienkooderi (magneettinen) | Kestävä, helppo asentaa, pitkä mittapituus | Alempi tarkkuus/resoluutio | Automaatio, raskaat sovellukset |
| Laserinterferometri | Erittäin tarkka, jäljitettävä | Kallis, ympäristöherkkä | Kalibrointi, metrologia |
| LVDT/pyörrevirta | Mekaanisesti kestävä, tarkka lyhyellä matkalla | Rajoitettu mittapituus, lineaarisuus rajallinen | Rajoitetut liikkeet, tarkka ohjaus |
| Pyörivä enkooderi + ruuvi | Edullinen, yleinen ratkaisu | Lämpölaajeneminen/välys vaikuttaa | Keskitasoinen tai karkea paikannus |
Sovellukset (Applications)
- CNC-koneiden lineaariset akselit (X/Y/Z): Korkea tarkkuus säilyy kuormitus- ja lämpötilavaihteluista huolimatta.
- CMM/metrologiaplatformit: Nanometriluokan interpolointi ja virheiden kartoitus takaavat mittausjäljitettävyyden.
- Puolijohdelaitteet: Litografia, kohdistus, tarkastus; vaaditaan nanometritason jitteri ja pieni SDE.
- Korkean tarkkuuden tulostus/elektroniikka: Pitkät liikkeet, korkea nopeus ja synkronointi.
- Lääketieteelliset laitteet: CT/MRI-pöydät, sädehoidon paikannus.
- Logistiikka ja raskaat laitteet: Magneettinauhat pitkille matkoille, erinomainen ympäristönkesto.
Huolto ja vianhaku (Maintenance & Troubleshooting)
Säännöllinen huolto
- Puhdista asteikko (optiset: nukkaamattomalla liinalla + alkoholi; magneettiset: rautahiukkasten poisto).
- Tarkista kaapelien taivutussäde ja kiinnitys.
- Valvo ympäristön lämpötilaa/kosteutta, vältä kondenssia ja nestevuotoa.
Yleiset ongelmat
| Oire | Mahdollinen syy | Ratkaisu |
|---|---|---|
| Signaali katoaa/pulssit puuttuvat | Liian suuri rako, väärä asento, lika | Säädä asento, puhdista asteikko, tarkista kiinnitys |
| Jitter/SDE suuri | Sähköhäiriöt, huono maadoitus | Paranna suojausta, käytä laadukkaita kaapeleita/virtalähteitä |
| Suuri lineaarivirhe | Jännitteinen asennus, ei lämpökompensointia | Asenna uudelleen (joustavasti), kalibroi ja kompensoi |
| Absoluuttinen kommunikointi ei toimi | SSI/BiSS/EnDat-parametrit väärin | Tarkista aikadiagrammit, polariteetti, CRC, kaapelin impedanssi |
| Referenssipiste epävakaa | Likaantunut/virheellisesti asetettu markkeri | Puhdista, tarkista asetukset ja strategia |
Standardit ja viitteet (Standards & References)
- IEC 60529:2020 (IP-suojausluokat)
- IEC 60068-2 (tärinä/isku/kosteus/suolaruiskutus)
- IEC 61000-6-2/-6-4 (teollinen EMC, immuniteetti/päästöt)
- ISO 230-2 / ISO 230-3 (työstökoneiden tarkkuus ja lämpöominaisuudet)
- ISO 10360 (CMM-testaus ja varmennus)
- ISO 14644 (puhdastila, puolijohde/metrologia)
Huomio: Sovellettavuus riippuu laitteistosta ja toimialasta; tarkista valmistajan ohjeet ja olosuhteet.
Valintaopas (Selection Guide)
- Tarkkuustavoite: määritä tarvittava paikannus- ja toistotarkkuus (μm/m).
- Periaatteen valinta: puhtaat ympäristöt → optinen; likaiset/värisevät/pitkät matkat → magneettinen/induktiivinen.
- Ulostulot ja liitännät: nopeussilmukka inkrementaali; moniakseli- ja tarkkuuskäyttöön SSI/BiSS/EnDat tai EtherCAT.
- Mekaniikka ja asennus: varmista pituus, asteikon materiaali, CTE, asennusrako ja toleranssit, kiinnitystapa (joustava/liimattu/kiinnitysraide).
- Ympäristö ja suojaus: jäähdytysneste/pöly/lämpötilavaihtelut → suljettu malli sopivalla IP-luokalla.
- Kompensointi ja diagnostiikka: tuki virhekartoille, lämpötilan/seurannan lukeminen, online-diagnostiikka.
- Elinkaari: kaapelien ja lukupäiden vaihdettavuus, varaosien saatavuus, kalibrointi ja huoltoverkosto.
Ymmärtämällä lineaarienkoodereiden toimintaperiaatteet, rakenteet ja asennusvaatimukset sekä hyödyntämällä virhemallinnusta, lämpökompensointia ja standardoituja testimenetelmiä, insinööritiimit voivat saavuttaa korkean tarkkuuden, pitkän käyttöiän ja diagnostiikkakyvyn lineaarisessa paikannuksessa ja nopeuden hallinnassa vaativissa teollisuusympäristöissä.