📘 Kódoló Wiki
Lineáris enkóderek
A lineáris enkóderek a lineáris elmozdulást alakítják át elektromos jelekké (digitális vagy analóg). Közvetlenül mérik az asztalok, szánok vagy munkadarabok lineáris mozgását, és alapvető pozícióérzékelők a CNC szerszámgépekben, koordináta-mérőgépekben (CMM), félvezető berendezésekben és fejlett automatizálási platformokban. A golyósorsó/fogaskerék áttétellel történő közvetett számítással szemben a lineáris enkóderek “közvetlen mérést” biztosítanak, jelentősen csökkentve a hőtágulásból, holtjátékból és hajtási hibákból eredő pontatlanságot.
Mi a lineáris enkóder (What is a Linear Encoder)
A lineáris enkóder egy skálából (Scale/Rule) és egy leolvasófejből (Readhead) áll: a skálán periodikus struktúrák találhatók (optikai rács, mágneses sáv, induktív mintázat), míg a leolvasófej meghatározott légrésben mozogva érzékeli a pozíciót és elektromos jelet ad ki. Kimenet szerint lehet inkrementális vagy abszolút; érzékelési elv szerint optikai, mágneses, induktív, kapacitív; szerkezet szerint nyitott (open-type) vagy zárt (enclosed/sealed).
Működési elv (Working Principle)
Optikai (Optical)
- Felépítés: Üveg/kerámia rács (vagy rozsdamentes acélszalag) + LED/laser fényforrás + fotodióda tömb.
- Működés: Áteresztéses/visszaveréses interferencia vagy Moiré-csíkok képzése, amelyet a leolvasófej demodulál és interpolál.
- Jellemzők: Nagyon nagy felbontás (nm szint), lineáris hiba akár ±1 μm/m; érzékeny a szennyeződésekre és páralecsapódásra.
Mágneses (Magnetic)
- Felépítés: Állandó pólusosztással rendelkező mágnesszalag (acél vagy flexibilis) + Hall/AMR/GMR/TMR érzékelő tömb.
- Működés: A leolvasófej érzékeli a mágneses tér változását az elmozdulással, és kiszámítja a pozíciót.
- Jellemzők: Ellenáll az olajnak, rezgésnek, nagy szerelési tűrésekkel és hosszú mérési úttal (több tíz méter); felbontás és pontosság alacsonyabb, mint a csúcskategóriás optikai enkódereknél.
Induktív (Inductive)
- Felépítés: Gerjesztő- és vevőtekercsek a leolvasófejben; a skála fém mintázatból áll.
- Működés: A csatolás és örvényáram-hatások változnak a távolság és helyzet szerint; a leolvasófej a fázis/ amplitúdó demodulációjával határozza meg az elmozdulást.
- Jellemzők: Ellenálló szennyeződéssel, magas hőmérséklettel és elektromágneses zavarokkal szemben; pontosság az optikai és a mágneses közé esik.
Kapacitív (Capacitive)
- Felépítés: Elektróda tömb + periodikus mintázattal ellátott skála.
- Működés: Az elmozdulással változik a kapacitív mátrix; a leolvasófej fáziszárással/ dekódolással határozza meg a pozíciót.
- Jellemzők: Kompakt, alacsony fogyasztású; érzékeny a párára és a közeli fémhatásokra, megfelelő árnyékolás és földelés szükséges.
Típusok és kivitelek (Types & Constructions)
1) Kimeneti jel szerint
- Inkrementális (Incremental): A/B négyszögjelek (Z/referencia impulzus kiegészítve), a vezérlő számlálja az impulzusokat; elérhető 1 Vpp szinusz/koszinusz jel finom interpolációhoz.
- Abszolút (Absolute): Egyedi kód minden pozícióban; tartalmazhat distance-coded reference marks, gyakori protokollok: SSI, BiSS-C, EnDat.
2) Kivitel és védelem szerint
- Nyitott (Open-type): Exponált leolvasófej, nagy dinamika, alacsony súrlódás; tiszta vagy fél-tiszta környezethez.
- Zárt (Sealed/Enclosed): Skála és fej zárt házban, kaparóval/ légfüggönnyel védve; szerszámgépekhez és szennyezett környezethez ideális.
3) Skála anyaga szerint
- Üveg/kerámia rács: Alacsony hőtágulás (CTE kicsi), µm/m pontosság; stabil tartó és hőmérséklet-szabályozás szükséges.
- Acél/rozsdamentes szalag: Hosszú mérési tartomány, feltekerhető; nagyobb CTE, hőkompenzáció szükséges.
- Mágnesszalag (ragasztott/vezetősínnel): Rugalmas telepítés, szennyezésálló; pontosság gyengébb, mint az optikai rendszereknél.
- Induktív/kapacitív mintázat: Robusztus, nagy környezeti ellenállás.
Kimenetek és interfészek (Outputs & Interfaces)
| Típus | Kimeneti jel | Tipikus felhasználás |
|---|---|---|
| Inkrementális négyszög | A/B (+Z), TTL/HTL, RS422 | PLC gyorsszámlálás, sebesség-/pozíciószabályozás |
| Szinusz/koszinusz | 1 Vpp, 11 μApp | Nagyfelbontású interpoláció (×10.000-ig) |
| Abszolút soros | SSI, BiSS-C, EnDat 2.2 | Abszolút pozíció, diagnosztika, hőmérséklet/állapot adatok |
| Fieldbus/Ethernet | CANopen, EtherCAT, PROFINET | Multi-tengely szinkronizáció, nagy távolság, online diagnosztika |
Maximális kimeneti frekvencia az elmozdulás sebességétől függően (inkrementális):
f_max ≈ (V / Pitch) × Edges_per_cycle
- V: lineáris sebesség (mm/s)
- Pitch: skálaosztás (mm/ciklus)
- Edges_per_cycle: él/ciklus (pl. ×4 szorzás)
Főbb specifikációk (Key Specifications)
| Paraméter | Jelentés/tartomány | Megjegyzés |
|---|---|---|
| Felbontás (Resolution) | 5 μm → 0.1 μm (mágnes/acél); 1 μm → 1 nm (optikai/interferometrikus) | Interpolációs tényezőtől függ |
| Pontosság (Accuracy) | ±3 ~ ±10 μm/m (mágneses); ±1 ~ ±3 μm/m (csúcs optikai) | μm/m vagy ppm értékben |
| Ismételhetőség (Repeatability) | < ±0.1 ~ ±0.5 μm (optikai) | Környezet és szerelés befolyásolja |
| Interpolációs hiba (SDE) | ±20 ~ ±80 nm (kiváló 1 Vpp rendszereknél) | Periodikus hiba interpoláció során |
| Jitter/Zaj (Jitter/Noise) | Nanoskála nagyságrend | Táplálás és analóg lánc befolyásolja |
| Referencia pontok | Egypontos, distance-coded, kétirányú | Homing vagy abszolút referencia |
| Mérési hossz (Measuring Length) | 0.1 m → 30+ m | Hosszabb szakaszok illesztést/kompenzációt igényelnek |
| Szerelési légrés (Ride Height) | 0.1 ~ 1.0 mm | Tartalmaz pitch/roll/yaw toleranciákat |
| CTE | Üveg/kerámia: ~0.5–2 ppm/K; acél: ~10–17 ppm/K | Meghatározza a hőkompenzációs stratégiát |
| Védettségi szint | IP40 (nyitott) → IP67 (zárt) | Por, olaj, hűtőfolyadék függvényében |
Szerelési és geometriai hibák (Installation & Geometric Errors)
- Légrés/szög tolerancia: Pitch/roll/yaw túllépése jelcsökkenést és nagyobb SDE-t okoz.
- Abbe-hiba (Abbe Error): A mérővonal és mozgástengely közti eltolódás × szögeltérés → többlethiba; lehetőleg központi vonalban vagy kompenzált.
- Koszinusz hiba (Cosine Error): Az enkóder tengely nem párhuzamos a mozgásirányhoz → vetítési hiba.
- Hőkapcsolat és rögzítés: Mágnesszalag/acélszalag flottáló rögzítéssel; üveg/kerámia izotermikus támasztással.
- Földelés/árnyékolás: Egy ponton földelés, kábelárnyékolás előírás szerint, hurok- és zajcsökkentés céljából.
Kalibrálás és kompenzáció (Calibration & Compensation)
- Lineáris kompenzáció: Lézer interferométer, ballbar vagy mérőhasáb használatával hibamap készítése.
- Hőkompenzáció: CTE és hőmérséklet-eloszlás alapján; fejlettebb rendszerek a fej hőmérsékletét is figyelembe veszik.
- SDE csökkentés: Kiváló 1 Vpp jelek, analóg lánc és algoritmus optimalizálása, stabil szerelés.
- Referencia stratégia: Distance-coded pontok rövidítik a homing utat; kétirányú referenciák javítják a reprodukálhatóságot.
Összehasonlítás más technológiákkal (Comparisons)
| Technológia | Előnyök | Korlátok | Tipikus alkalmazás |
|---|---|---|---|
| Lineáris enkóder (optikai) | Nanométeres felbontás, µm/m pontosság, kiváló dinamika | Érzékeny szennyeződésre, párára; szerelés kritikus | CNC, CMM, félvezető platformok |
| Lineáris enkóder (mágneses) | Ellenálló, nagy tűrés, hosszú mérési út | Alacsonyabb pontosság/felbontás | Automatizálás, nehézipar |
| Lézer interferométer | Maximális pontosság, nyomon követhető | Költséges, környezet- és optikai út érzékeny | Kalibráció, metrológia |
| LVDT/örvényáram | Robusztus, rövid távon ismételhető | Korlátozott mérési hossz, linearitás | Végállás, precíziós rövid távú szabályozás |
| Rotációs enkóder + orsó | Olcsó, kiforrott megoldás | Hőtágulás/holtjáték/pitch hibák | Közepes/alacsony pontosságú pozícionálás |
Alkalmazások (Applications)
- CNC lineáris tengelyek (X/Y/Z): Megtartja a pontosságot a vágási hő és terhelés mellett is.
- CMM/mérőplatformok: Nanométeres interpoláció + hibamap a mérettranzitivitásért.
- Félvezető berendezések: Litográfia, illesztés, ellenőrzés; nm jitter és alacsony SDE szükséges.
- Nyomtatás/csomagolás/SMD: Hosszú utak, nagy sebesség, precíz szinkronizáció.
- Orvosi eszközök: CT/MRI asztalok, sugárterápiás pozícionálás.
- Logisztika és nehézipar: Mágnesszalagos hosszú távú mérés, erős környezeti ellenállás.
Karbantartás és hibakeresés (Maintenance & Troubleshooting)
Rendszeres karbantartás
- Tisztítás (optikai: szöszmentes kendő + alkohol; mágneses: fémrészecskék eltávolítása).
- Kábelhajlítási sugár és rögzítés ellenőrzése, árnyékolás sérülésének megelőzése.
- Környezet monitorozása (T°, páratartalom, hűtőfolyadék).
Gyakori problémák
| Tünet | Lehetséges ok | Megoldás |
|---|---|---|
| Jelvesztés/impulzus kiesés | Túl nagy légrés, szögeltérés, szennyeződés | Fej pozíció beállítása, skála tisztítása, szerelés ellenőrzése |
| Jitter/nagy SDE | Zajos analóg lánc, rossz földelés | Árnyékolás javítása, jobb kábel/tápellátás |
| Nagy lineáris hiba | Nem megfelelő rögzítés, hőkompenzáció hiánya | Újraszerelés, hibamap betöltése |
| Abszolút kommunikációs hiba | Hibás SSI/BiSS/EnDat paraméterek | Időzítés, polaritás, CRC ellenőrzése |
| Instabil referencia | Szennyezett jelölők vagy rossz konfiguráció | Tisztítás, paraméterek ellenőrzése |
Szabványok és hivatkozások (Standards & References)
- IEC 60529:2020 (IP védettségi fokozatok)
- IEC 60068-2 (rezgés/ütés/hőmérséklet/pára/sós köd)
- IEC 61000-6-2/-6-4 (ipari EMC: immunitás/kibocsátás)
- ISO 230-2 / ISO 230-3 (gépi pontosság és termikus vizsgálat)
- ISO 10360 (CMM ellenőrzés)
- ISO 14644 (tisztaterek, félvezető és metrológia)
Megjegyzés: Az alkalmazhatóság az adott berendezéstől és iparágtól függ, mindig ellenőrizni kell a gyártói kézikönyveket.
Választási útmutató (Selection Guide)
- Pontossági cél: Meghatározni a pozícionálási/ismétlési követelményeket (μm/m).
- Elv választása: Tiszta/kritikus precizitás → optikai; szennyezett/különösen hosszú utak → mágneses vagy induktív.
- Kimenetek/interfészek: Sebességszabályozásra inkrementális; nagy pontosság/multi-tengely → SSI/BiSS/EnDat vagy EtherCAT.
- Mechanika és szerelés: Hossz, skála anyaga, CTE, légrés/szög tűrések, rögzítés módja.
- Környezet és védelem: Hűtőfolyadék/por/hőmérséklet ingadozás → zárt IP megfelelő, légfüggönnyel/kaparóval.
- Kompenzáció és diagnosztika: Hibamap, hő- és állapotmonitorozás, diagnosztika.
- Élettartam: Kábel/fej cserélhetőség, alkatrészellátás, kalibráció és szerviz.
A lineáris enkóderek elveinek, szerkezetének és szerelési követelményeinek megértésével — hibamodellezéssel, hőkompenzációval és szabványos validációval kombinálva — a mérnökcsapatok nagy pontosságú, hosszú élettartamú és diagnosztizálható lineáris pozícionálást és sebességszabályozást érhetnek el a legösszetettebb ipari környezetekben is.