📘 Kooderin Wiki
Optiset enkooderit
Optiset enkooderit hyödyntävät optista hilaa ja fotoelektristä detektiota muuntaakseen pyörimis- tai lineaariliikkeen sähköisiksi signaaleiksi. Ne ovat CNC-työstökoneiden, puolijohdealustojen, tarkkuusmetrologian, robotiikan ja vaativan automaation pääasialliset sijaintitakaisinkytkentälaitteet. Korkean resoluution, pienen alijaon virheen ja erinomaisen toistettavuuden ansiosta optisia enkoodereita käytetään laajasti nano–mikrometriluokan paikoituksessa.
Mikä on optinen enkooderi (What is an Optical Encoder)
Optinen enkooderi on anturi, joka hankkii paikkatiedon ketjusta valonlähde — optinen hila — fotoelektrinen detektio. Ydin koostuu jaksollisesta koodilevystä/viivaskaala-asteikosta (Scale/Disk) ja lukupäästä (Readhead): lukupää lukee määritellyssä optisessa raossa hilakuvion transmissio-/heijastussignaaleja (juovia tai interferenssiä) ja tuottaa analogisen etupään sekä interpolointi-/dekoodauspiirin kautta inkrementaaliset A/B-kanavat (tarvittaessa Z-referenssi), sin/cos 1 Vpp -signaalit tai absoluuttisen paikkadatan sarjana (SSI/BiSS/EnDat ym.).
Liikemuodon mukaan erotetaan rotaatiotyyppiset optiset enkooderit (koodilevy) ja lineaariset optiset enkooderit (viivaskaala). Verrattuna kierretankoon/hammaslataan perustuvaan epäsuoraan mittaukseen lineaarinen optinen enkooderi mahdollistaa suoran mittauksen, joka vaimentaa merkittävästi takaiskun, nousuvirheen ja lämpölaajenemisen aiheuttamia paikoitusvirheitä; rotaatioenkooderit antavat moottoreille ja pyöröpöydille korkean kulma- ja nopeusresoluution.
Toimintaperiaatteet (Working Principle)
1) Kuvaava/Moiré-menetelmä (Imaging/Moiré)
- Rakenne: valonlähde (LED/VCSEL) → kollimointi-/kuvausoptiikka → maski/vaihehila → valoilmainsarja.
- Mekanismi: asteikon ja lukupään referenssihilan suhteellinen liike synnyttää Moiré-juovat (likimain sini/kosini); interpolointi sekä amplitudi-/vaihekorjaus tuottavat korkean resoluution siirtymän.
2) Interferoiva/vaihehila (Interferential/Phase Grating)
- Mekanismi: diffraktiojärjestysten välinen vaihe-ero muuttuu lineaarisesti siirtymän mukana; superpositio tuottaa erittäin puhtaat sinisignaalit — mahdollistaen pienemmän SDE:n (Sub-Division Error, alijaon virhe) ja korkeamman resoluutiopotentiaalin.
3) Transmissio vs. heijastus
- Transmissio: lasi-/keraamialusta; korkea SNR ja hyvä lineaarisuus — soveltuu puhtaisiin ympäristöihin ja korkeaan tarkkuuteen.
- Heijastus: metallisoitu tai pinnoitettu heijastushila; kompakti ja asennusystävällinen, mutta herkempi kontaminaatiolle — edellyttää hyvää tiivistystä ja ilmasuojusta/kaavinta.
4) Inkrementaalinen vs. absoluuttinen logiikka
- Inkrementaalinen: A/B-kvadratuuri (90°), suunta päätellään vaihejärjestyksestä; Z-referenssi kerran mitta-alueella/kierroksella.
- Absoluuttinen: jokaisella sijainnilla uniikki koodi (binary/Gray); usein diagnostiikka-, lämpötila- ja tilarekisterit.
Lineaarinen resoluutio (likimäärin): Δx ≈ p / (N × M)
missä p = hilajakso, N = analoginen interpolointikerroin (esim. 100×) ja M = digitaalinen reunakertoluku (tyypillisesti 4×).
Rotaationkooderin ekvivalentti kulmaresoluutio: θ_res = 360° / (viivamäärä × 4)
Luokittelu (Taxonomy)
- Liikemuodon mukaan: lineaarinen optinen enkooderi / rotaatiotyyppinen optinen enkooderi (koodilevy)
- Lähdön mukaan: inkrementaalinen (TTL/HTL/RS422, 1 Vpp/11 µApp) / absoluuttinen (SSI, BiSS-C, EnDat 2.2, rinnakkais)
- Optisen toteutuksen mukaan: transmissio / heijastus, kuvaava / interferoiva, amplitudi-/vaihehila
- Koteloinnin mukaan: avoin (korkea dynamiikka, pieni kitka) / tiivis (IP65–IP67, öljy- ja jäähdytysnestesumu)
- Mitta-alueen/alustan mukaan: lasi/keraami (pieni CTE), teräsnauha (pitkä iskunpituus), heijastushilapinnoitteet ym.
Avainkomponentit ja signaaliketju (Signal Chain)
- Valonlähde ja optiikka: LED/laser, kollimointi/tarkennus — määräävät valaistuksen tasaisuuden ja lämpödriftin; suositellaan ikäännytystä ja tehosäätöä suljetussa silmukassa.
- Hila/koodilevy: hilajakso
p, käyttöaste ja vaihegeometria määräävät signaalin puhtauden ja SDE:n. - Valoilmaiset/AFE: monikanavainen näytteenotto, automaattinen vahvistus-/offset-/vaihebalanssi (ABC-tasapainotus).
- Interpolointi/enkoodaus-ASIC: amplitudi-/vaihekorjaus, ellipsikorjaus, digitaalinen suodatus ja jitterin vaimennus, protokoodaus ja linja-ajurit.
- Fysinen kerros: RS422-differentiaali, 1 Vpp/11 µApp, pääteimpedanssi ja kaapelointi (suojaus/maadoitus) -strategiat.
Lähdöt ja liitännät (Outputs & Interfaces)
| Lähtömuoto | Tyypillinen signaali | Kuvaus |
|---|---|---|
| Inkrementaalinen neliöaalto | A/B (+Z), TTL/HTL/RS422 | PLC:n nopealaskenta, nopeus-/paikkasilmukat; pitkillä etäisyyksillä suositaan differentiaalia |
| Sin/cos | 1 Vpp, 11 µApp | Erittäin korkea interpolointiresoluutio; SDE ja jitteri riippuvat ketjun laadusta |
| Absoluuttinen sarja | SSI, BiSS-C, EnDat 2.2 | Yksi-/monikierroksinen absoluuttipaikka, diagnostiikka-/lämpötila-/hälytysrekisterit |
| Kenttäväylä | EtherCAT, PROFINET, CANopen | Moniakselisynkronointi, jaetut kellot, online-konfigurointi |
Kaistanleveysarvio (lineaarinen): f_max ≈ (v / p) × edges
missä v = lineaarinopeus ja edges = tehokkaat reunat per hilajakso (esim. 4×-kvadratuurilaskenta).
Suorituskyky (Key Specifications)
| Parametri | Tyypillinen alue/huomio |
|---|---|
| Resoluutio | Lineaarinen: 1 µm → 1 nm; rotaatio: ≤ 24-bit ekvivalentti |
| Lineaarinen tarkkuus | Huippuluokan optiikka: ±1–±3 µm/m; vakio: ±3–±10 µm/m |
| Toistettavuus | ≤ ±0,1–±0,3 µm (lineaarinen); kulmatyypeissä jopa alle kaarisekunnin |
| SDE (alijaon virhe) | Laadukas 1 Vpp -ketju: ±20–±80 nm |
| Jitteri | Kymmeniä nanometrejä; AFE:n ja kellon vaihe-kohinan määräämä |
| Vaihe-/käyttöastevirhe | A/B-vaihe 90° ±(1–5)°; käyttöaste 50 % ±(2–10) % |
| Nopeuskyky | Lineaarinen > 1 m/s; rotaatio ≥ 12 000 rpm (liitännästä riippuen) |
| Ympäristöluokka | IP40 (avoin) – IP67 (tiivis), IEC 60068-2 tärinä/isku |
Asennus ja virhelähteet (Installation & Error Sources)
- Ilmarako ja asento (pitch/roll/yaw): poikkeamat → amplitudiepätasapaino ja kasvanut SDE
- Abben virhe: etäisyys × kulmavirhe; vie mittalinja mahdollisimman lähelle liikeakselia tai kompensoi ohjelmallisesti
- Kosinivirhe (pienen kulman approksimaatio):
e ≈ (L × θ²) / 2 - Koodilevyn epäkeskisyys/akselin heitto (runout): tuo perus- ja toisen harmonisen kulmavirheitä
- Lämpölaajeneminen (CTE): lasi/keraami pieni; teräsnauha vaatii lämpökompensaation ja kelluvan kiinnityksen
- EMC/maadoitus: yksipistemaa, oikea suojaus ja paluureitit — vältä yhteismoodi- ja silmukkavirtoja
Kalibrointi ja kompensointi (Calibration & Compensation)
- Lineaarinen virhekartta: mittaa virhekäyrä laserinterferometrilla/ballbarilla ja lataa ohjaimen LUT-taulukkoon
- Lämpödriftin kompensointi: korjaa reaaliajassa asteikon/runko-lämpötilan ja CTE-mallin perusteella
- Amplitudi-/vaihe-/ellipsitasapainotus: adaptiivinen tasapainotus ennen interpolointia
- Referenssistrategia: etäisyyskoodatut referenssimerkit lyhentävät nollausmatkaa ja parantavat toistettavuutta
Vertailu muihin periaatteisiin (Comparisons)
| Teknologia | Resoluutio/tarkkuus | Likaisuus-/ympäristönkesto | Tyypillinen pituus | Pääasiallinen rajoite |
|---|---|---|---|---|
| Optinen enkooderi | ★★★★★ | ★★★ | Keski/pitkä | Herkkä kontaminaatiolle/kondensille; korkeat asennusvaatimukset |
| Magneettinen enkooderi | ★★☆ | ★★★★ | Pitkä | Heikompi lineaarisuus ja SDE |
| Induktiivinen/kapasitiivinen | ★★★ | ★★★★ | Keskitaso | Herkkyys metalliläheisyydelle/pyörrevirroille tai kosteudelle |
| Resolveri/potentiometri | ★★ | ★★★★★/★ | Keski/lyhyt | Alhainen resoluutio tai vähemmän intuitiivinen liitäntä |
Sovellukset (Applications)
CNC (lineaari- ja rotaatioakselit), CMM ja metrologiset alustat, puolijohteiden kohdistus/valotus/tarkastus, tarkkuusliikepöydät, robottinivelet ja vaihteistojen välysten valvonta, lääketieteellinen kuvantaminen/säteilytys, paino- ja pakkausteollisuuden synkronointi, SMT-ladonta/tarkastus ja suurinopeuksinen kappaleenkäsittely.
Huolto ja vianetsintä (Maintenance & Troubleshooting)
- Rutiini: säännöllinen puhdistus (nukaton liina + sopiva liuotin), kaapeleiden minimitaivutussäteen/suojauksen tarkastus, lämpö-/kosteus- ja kondenssiseuranta
- Tyypilliset oireet ja toimet:
- Pulsseja/reunoja katoaa: ilmarako yli toleranssin, lika/peittyminen → säädä asentoa/puhdista/lisää tiivistys ja ilmasuoja
- SDE/jitteri kasvaa: AFE-/interpolointiketjun kohina, huono maadoitus → optimoi syöttö, kaapelointi ja päätekuormitus
- Absoluuttiviestintä epäonnistuu: SSI/BiSS/EnDat-parametrit tai polariteetti väärin → tarkista kehys, CRC, ajoitus ja impedanssi
- Kulmaharmoniset virheet (rotaatio): epäkeskisyys/runout → paranna keskeisyyttä ja laakerijäykkyyttä; käytä harmonista kompensaatiota
Valintaopas (Selection Guide)
- Tavoitetarkkuus/toistettavuus (µm/m tai kaarisekuntia) ja dynaaminen nopeus
- Toteutusperiaate (transmissio/heijastus, kuvaava/interferoiva) ja hilajakso
p - Lähtöliitäntä (A/B/Z, 1 Vpp, SSI/BiSS/EnDat, väylä) ja ohjaimen kaistanleveys
- Kotelointi ja ympäristö (avoin/tiivis, IP-luokka, jäähdytysneste/pöly)
- Mekaaninen ja lämpösuunnittelu (ilmarako/asentotoleranssit, CTE, kelluva kiinnitys)
- Kompensointi ja diagnostiikka (virhekartoitus, lämpötila-/tilarekisterit, online-hälytykset)
- Koko elinkaari (kaapelin/lukupään huollettavuus, varaosien saatavuus, kalibrointikyvykkyys)
Standardit ja viitteet (Standards & References)
- IEC 60529:2020 (IP-suojausluokat)
- IEC 60068-2 (tärinä/isku/kosteus/lämpö)
- IEC 61000-6-2 / -6-4 (teollinen EMC — immuniteetti/päästöt)
- ISO 230-2 / ISO 230-3 (työstökoneiden paikoitus- ja lämpöominaisuustestit)
- ISO 10360 (CMM-verifiointi)
- ISO 14644 (puhtaanhuoneiden vaatimukset)
Yhteenveto: Kun optisten enkooderien periaatteet, suoritusarvot, liitännät sekä asennus- ja kompensointikäytännöt hallitaan kokonaisvaltaisesti, saavutetaan vaativissakin olosuhteissa pitkäaikaisesti korkea tarkkuus, vahva robustisuus ja hyvä diagnosoitavuus.