A kódolók fejlődéstörténete

A kódoló, mint a modern ipari vezérlő- és automatizálási rendszerek kulcsfontosságú érzékelője, technikai gyökerei az 1940-es évekig nyúlnak vissza. Az elektronikai, optikai, kommunikációs és mikromechanikai rendszerek (MEMS) fejlődésével a kódoló a kezdeti mechanikus szögmérőből intelligens, nano-precizitású, kommunikációképes és önellenőrző többfunkciós platformmá vált.

1940–1960-as évek: Prototípus kezdetek és mechanikus korszak

• Az 1940-es években, a katonai radar- és léginavigációs technológia fejlődésével német és brit mérnökök kifejlesztették az ecsetes forgó átalakítót a szöghelyzet mérésére.
• 1947-ben a Bell Laboratories (USA) előállt az első olyan elképzeléssel, amely a mechanikus szöghelyzetet elektromos impulzusokká alakítja – ez tekinthető a kódoló tárcsák előfutárának.
• Az 1950-es évek elején megjelentek az első mechanikus kódolók, amelyek érintkező ecsetek segítségével kapcsolási jeleket hoztak létre.
• Ezek a kódolók jellemzően Gray-kódot bocsátottak ki, amelyeket korai katonai távolságmérőkben és analóg számítógépekben használtak.

Jellemzők:

• Teljes mértékben mechanikus érintkezés, gyors kopás és instabil jelek
• Kimenet kapcsolási vagy analóg feszültség jelek
• Főként katonai kutatási eszközökben alkalmazták

1970–1980-as évek: Az optikai kódolók és az inkrementális technológia térnyerése

• 1971-ben az amerikai BEI Precision Instruments bemutatta az első kereskedelmi optikai inkrementális kódolót, amely forradalmasította az ipart.
• Az optikai tárcsa áttetsző műanyagból vagy üvegből készült, felületén periodikus csíkokkal. A fényforrás ezeken áthaladva a fotodiódák segítségével A/B impulzusjeleket generál.
• 1974-ben a német Heidenhain bevezette a nullponti impulzust (Z csatorna) a kódolókban a referencia pozícióhoz.
• 1976-ban a japán Koyo Electronics piacra dobta az ipari inkrementális kódolót, amely elterjedt a CNC rendszerekben.

Innovációk:

• Érintkezésmentes érzékelés növeli az élettartamot és megbízhatóságot
• Megjelentek a szabványos TTL és HTL kimenetek
• Felbontás akár 1000–5000 PPR is lehet

1990-es évek: Az abszolút kódolók és a digitális vezérlés robbanása

• 1989–1992 között olyan európai gyártók, mint a Baumer és Heidenhain, bevezették az első egykörös abszolút kódolókat, amelyek több sávos optikai tárcsát és szenzorokat használtak a párhuzamos pozíciójelzéshez.
• 1993-ban a német SICK Stegmann kifejlesztette a többkörös abszolút kódolót, amely fogaskerekes számlálóval vagy mágneses érzékeléssel képes a teljes elmozdulás rögzítésére.
• Ugyanekkor a SSI (Synchronous Serial Interface) lett az ipari soros kommunikációs szabvány, a német Hubner cég által terjesztve.
• Elérhetővé váltak a programozható kódolók, ahol a felhasználók szoftveresen állíthatták be a felbontást és az irányt.

Technológiai áttörések:

• Kikapcsolás után is pontos pozíció megőrzése (abszolút érték)
• ASIC integráció révén kisebb méret és nagyobb funkcionalitás
• Jelentősen javult a megbízhatóság és zavarvédettség

2000-es évek: Buszrendszerek, Ethernet és rendszerintegráció

• A kódolók elkezdték használni az ipari buszkommunikációt: például CANopen (CiA 406), Profibus, DeviceNet stb., amelyek több eszköz hálózatba kötésére alkalmasak.
• Ezzel párhuzamosan elterjedtek az ipari Ethernet protokollok, mint az EtherCAT (Beckhoff), Profinet (Siemens), EtherNet/IP (Rockwell).
• 2005-ben a japán Tamagawa bemutatta az első SIL2 biztonsági tanúsítvánnyal rendelkező kódolót liftekhez, robotokhoz, vasúti rendszerekhez.
• A kódolókba beépült a hőmérséklet-kompenzáció, digitális szűrés, önellenőrzés – ezzel elindult az intelligens érzékelők felé vezető út.

Trendek:

• A hálózati kommunikáció váltotta fel a hagyományos impulzuskimenetet
• Többkörös abszolút érték akár 30 bitig
• Megjelent a hot-swap, online beállítás és távoli frissítés

2010-es évektől napjainkig: Intelligens kódolók, miniatűr modulok és vezeték nélküli kommunikáció

• Az intelligens kódolók támogatják a Bluetooth, IO-Link, ipari Wi-Fi kapcsolatokat, lehetővé téve a PLC-kkel vagy felhőplatformokkal való kétirányú kommunikációt.
• Széles körben elterjedtek a mágneses moduláris kódolók, amelyeket kollaboratív robotokhoz (Cobot), AGV járművekhez, drónokhoz használnak – méretük akár Φ12 mm, súlyuk <10g is lehet.
• A nagy felbontású mágneses lineáris kódolók (pl. Renishaw, RSF) félvezető berendezésekben alkalmazva akár nanométeres pontosságot is elérhetnek.
• Felfutóban vannak a vizuális felismerésű kódolók és az IMU-val kombinált érzékelők, amelyek 6 tengelyes mozgásadatot biztosítanak.

A jövő irányai

1. Intelligencia + peremhálózati számítás: A kódolók saját processzorral rendelkeznek, amely képes adatfeldolgozásra, prediktív karbantartásra és AI elemzésre.
2. Többdimenziós érzékelés integrációja: A kódolók más érzékelőkkel – mint hőmérséklet, páratartalom, gyorsulásmérő, nyomaték – integrálva átfogó mozgásérzékelést biztosítanak.
3. Szoftveresen definiált kódolók (SD-E): A felhasználók távolról beállíthatják a felbontást, irányt, protokollt és diagnosztikát.
4. Környezetbarát, energiatakarékos kialakítás: Alacsony energiafogyasztás, súrlódásmentes anyagok, moduláris szerelhetőség lesz a jövő.
5. Globális ellátási lánc optimalizálása: A stratégiai autonómia érdekében sok ország helyi kódológyártásra összpontosít – beleértve optikai rácsokat, ASIC tervezést és ipari kommunikációs technológiákat.

Zárszó

A kódolók fejlődése jól tükrözi az ipar fejlődését az analógtól a digitálisig, a centralizálttól az intelligensig, a zárttól a nyílt rendszerekig. A katonai eredetű találmányból mára a precíziós gyártás, automatizált vezérlés és informatikai rendszerek szerves részévé vált. A múlt megértése kulcsot ad a jövő szenzortechnológiájának alakításához is.