📘 Kódoló Wiki
Optikai enkóderek
Az optikai enkóderek (optikai jeladók) optikai rács és fotoelektromos detektálás segítségével alakítják a forgó vagy lineáris elmozdulást elektromos jellé. A CNC szerszámgépekben, félvezető-ipari platformokon, precíziós mérésben, robotikában és csúcskategóriás automatizálásban a legelterjedtebb pozíció-visszacsatoló eszközök. A nagy felbontásnak, az alacsony finomosztási hibának és a kiváló ismétlőképességnek köszönhetően a nanométer–mikrométer tartományú pozicionálásban széles körben alkalmazzák őket.
Mi az az optikai enkóder (What is an Optical Encoder)
Az optikai enkóder olyan érzékelőtípus, amely a fényforrás — optikai rács — fotoelektromos detektálás láncán alapulva határozza meg a pozíciót. Magja a periódikus struktúrájú kódtárcsa/lineáris rácsskála (Scale/Disk) és az olvasófej (Readhead): az olvasófej a megadott optikai résben a rács átvilágításából/visszaveréséből keletkező interferencia- vagy csíkmintát érzékeli, majd az analóg előfok és az enterpolációs/dekódoló áramkörök feldolgozzák a jelet, és inkrementális A/B (opcionális Z referenciával), szinusz/koszinusz 1 Vpp, illetve abszolút pozíció soros adatai (SSI/BiSS/EnDat stb.) formában adják ki.
A mozgás jellege szerint megkülönböztetünk forgó optikai enkódereket (tárcsa) és lineáris optikai enkódereket (rácsskála). A csavarorsó/fogasléc alapú közvetett számítással szemben a lineáris optikai enkóder közvetlen mérést tesz lehetővé, jelentősen csökkentve a holtjáték, a menetemelkedés-hibák és a hőtágulás miatti pozíciós hibákat; a forgó optikai enkóder pedig nagy felbontású szög- és sebesség-visszacsatolást biztosít motorokhoz és forgatóasztalokhoz.
Működési elv (Working Principle)
1) Képalakításos/Moiré-elv (Imaging/Moiré)
- Felépítés: fényforrás (LED/VCSEL) → kollimáló/képképző optika → maszk/fázisrács → fotoszenzor array.
- Mechanizmus: a skála és az olvasófej referencia-rácsa közötti relatív elmozdulás moaré-csíkokat hoz létre, melyek közel szinuszos/koszinuszos jeleket eredményeznek; enterpolációval és amplitúdó/fázis kiegyenlítéssel nagy felbontású elmozdítás nyerhető.
2) Interferenciás / fázisrácsos megoldás (Interferential/Phase Grating)
- Mechanizmus: a diffrakciós rendek fáziskülönbsége az elmozdulással lineárisan változik; összegzésük nagy tisztaságú szinuszjeleket ad. Előnye a kisebb SDE (Sub-Division Error, finomosztási hiba) és a nagyobb felbontási potenciál.
3) Átvilágítás vs. visszaverés
- Átvilágításos: üveg/kerámia hordozó; magas jel-zaj arány és jó linearitás, tiszta környezetben és nagy pontosságnál ideális.
- Visszaveréses: fémesített vagy bevonatos reflektív rács; kompakt, szerelésbarát, viszont szennyeződésre érzékenyebb — megfelelő tömítés, légfüggöny/lehúzó ajánlott.
4) Inkrementális és abszolút kimenet logikája
- Inkrementális: A/B kvadratúra impulzusok (90° fáziskülönbség), az irányt a fáziselőny határozza meg; a Z referencia egy löketen/fordulaton egyszer jelenik meg.
- Abszolút: bármely pozíciónál egyedi kód (Binary/Gray); diagnosztikai, hőmérséklet- és állapotregiszterekkel bővíthető.
Közelítő lineáris felbontás: Δx ≈ p / (N × M)
ahol p = rácslépés, N = analóg enterpolációs tényező (pl. 100×), M = digitális élszorzás (tipikusan 4×).
Forgó enkóder egyenértékű szögfelbontása: θ_res = 360° / (vonalak száma × 4)
Osztályozás (Taxonomy)
- Mozgás szerint: lineáris optikai enkóder / forgó optikai enkóder (tárcsa)
- Kimenet szerint: inkrementális (TTL/HTL/RS422, 1 Vpp/11 µApp) / abszolút (SSI, BiSS-C, EnDat 2.2, párhuzamos)
- Optikai megvalósítás szerint: átvilágítás / visszaverés, képalakításos / interferenciás, amplitúdó-/fázisrács
- Kivitel szerint: nyitott (nagy dinamika, alacsony súrlódás) / tömített (IP65–IP67, olajköd és hűtőfolyadék álló)
- Mérési tartomány/hordozó: üveg/kerámia (alacsony CTE), acélszalag (hosszú löket), bevonatos reflektív rács stb.
Fő alkatrészek és jelút (Signal Chain)
- Fényforrás és optika: LED/lézer, kollimálás/fókuszálás — meghatározza a megvilágítás egyenletességét és a hőfutást; öregítés és zárt hurkú teljesítményszabályozás ajánlott.
- Rács/tárcsa: rácslépés
p, kitöltési tényező és fázispontosság határozza meg a jel tisztaságát és az SDE-t. - Fotoszenzor/AFE: többcsatornás mintavételezés, automatikus erősítés/ofszet/fázis kiegyenlítés (ABC-balansz).
- Enterpolációs/kódoló ASIC: amplitúdó/fázis korrekció, ellipticitás kompenzáció, digitális szűrés és jitter-csökkentés, protokollkódolás és vonalmeghajtás.
- Fizikai réteg: RS422 differenciális, 1 Vpp/11 µApp, lezáró impedancia és kábelezés (árnyékolás/földelés) stratégiái.
Kimenetek és interfészek (Outputs & Interfaces)
| Kimeneti szabvány | Tipikus jel | Leírás |
|---|---|---|
| Inkrementális négyszög | A/B (+Z), TTL/HTL/RS422 | PLC nagysebességű számlálás, sebesség/pozíció hurkok; nagy távolságra differenciális javasolt |
| Szinusz/koszinusz | 1 Vpp, 11 µApp | Ultranagy felbontású enterpoláció; az SDE és jitter a lánc minőségétől függ |
| Abszolút soros | SSI, BiSS-C, EnDat 2.2 | Egy-/többfordulatú abszolút érték, diagnosztikai/hőmérséklet/riasztás regiszterek |
| Ipari terepibusz | EtherCAT, PROFINET, CANopen | Többtengelyes szinkron, elosztott órajelek, online konfiguráció |
Sávszélesség becslése (lineáris): f_max ≈ (v / p) × edges
ahol v = vonalsebesség, edges = periódusonkénti élek száma (pl. 4× kvadratúra).
Fő teljesítményjellemzők (Key Specifications)
| Jellemző | Tipikus tartomány / megjegyzés |
|---|---|
| Felbontás | Lineáris: 1 µm → 1 nm; forgó: ≤ 24 bit egyenérték |
| Lineáris pontosság | Csúcskategóriás optika: ±1–±3 µm/m; standard: ±3–±10 µm/m |
| Ismétlőképesség | ≤ ±0,1–±0,3 µm (lineáris); forgónál akár alszekundum szint |
| SDE (finomosztási hiba) | Jó 1 Vpp láncban ±20–±80 nm |
| Jitter | Tízes nagyságrendű nanométer; az AFE és az órajel fáziszaja befolyásolja |
| Fázis/kitöltési hiba | A/B fázis 90° ±(1–5)°; kitöltési tényező 50% ±(2–10)% |
| Sebességképesség | Lineáris > 1 m/s, forgó akár 12 000+ RPM (interfésszel összefüggésben) |
| Környezeti fokozat | IP40 (nyitott) – IP67 (tömített), IEC 60068-2 rezgés/ütés |
Szerelés és hibaforrások (Installation & Error Sources)
- Légrés és beállítás (pitch/roll/yaw) eltérései → amplitúdó-aszimmetria és SDE növekedés
- Abbe-hiba: karhossz × szögeltérés; a mérővonalat vigyük át a mozgás középvonalán, vagy szoftveresen kompenzáljuk
- Koszinusz-hiba (kis szög közelítés):
e ≈ (L × θ²) / 2 - Tárcsa excentricitás / tengelyütés (forgó): alapharmonikus/2. felharmonikus szöghibákat okoz
- Hőtágulás (CTE): üveg/kerámia alacsony CTE; acélszalagnál hőkompenzáció és úszó rögzítés szükséges lehet
- EMC/földelés: egypontos földelés, helyes árnyékolás és visszavezetési út; kerülendők a közös módú és hurkos áramok
Kalibráció és kompenzáció (Calibration & Compensation)
- Lineáris leképezés: a hibagörbét lézerinterferométerrel/ballbar-ral mérjük fel, majd töltsük be a vezérlő LUT-jába
- Termikus sodródás kompenzáció: a skála/gép hőmérséklete és a CTE modell együttesével valós idejű korrekció
- Amplitúdó/fázis és ellipticitás korrekció: adaptív balansz az enterpoláció előtt
- Referenciálási stratégia: távolságkódolt referenciajelek csökkentik a visszatérési utat és javítják a reprodukálhatóságot
Összehasonlítás más elvekkel (Comparisons)
| Technológia | Felbontás/pontosság | Szennyeződéssel/környezettel szembeni ellenállás | Tipikus tartomány | Fő hátrány |
|---|---|---|---|---|
| Optikai enkóder | ★★★★★ | ★★★ | Közepes/hosszú | Szennyeződésre és kondenzre érzékeny, nagy szerelési pontosságot igényel |
| Mágneses enkóder | ★★☆ | ★★★★ | Hosszú | Linearitás és SDE gyengébb |
| Induktív/kapacitív | ★★★ | ★★★★ | Közepes | Fémközelség/örvényáram vagy nedvesség érzékenység |
| Resolver/potenciométer | ★★ | ★★★★★/★ | Közepes/rövid | Alacsony felbontás vagy kevéssé intuitív interfész |
Alkalmazások (Applications)
CNC (lineáris és forgó tengelyek), CMM és metrológiai platformok, félvezető igazítás/expozíció/vizsgálat, precíziós mozgóasztalok, robotízületek és hajtómű holtjáték-felügyelet, orvosi képalkotó/sugárterápiás berendezések, nyomda- és csomagolóipari szinkron vezérlés, elektronikai SMT beültetés/vizsgálat és nagysebességű anyagmozgatás.
Karbantartás és hibakeresés (Maintenance & Troubleshooting)
- Rutin: rendszeres tisztítás (szöszmentes kendő + megfelelő oldószer), kábelhajlítási sugár/árnyékolás ellenőrzése, hőmérséklet-páratartalom és kondenzáció felügyelete
- Gyakori tünetek és megoldások:
- Impulzus/él kihagyás: túl nagy légrés, szennyezés okozta kitakarás → beállítás korrekció/tisztítás/tömítés és légfüggöny alkalmazása
- SDE/jitter növekedés: AFE/enterpolációs lánczaj, gyenge földelés → táp/kábelezés/lezárás optimalizálása
- Abszolút kommunikáció hibája: SSI/BiSS/EnDat paraméter vagy polaritás eltérés → kerethossz, CRC, időzítés és impedancia ellenőrzése
- Szögharmonikus hiba (forgó): excentricitás/ütés → koncentrikusság és csapágy merevség növelése, harmonikus kompenzáció
Választási irányelvek (Selection Guide)
- Célpontosság/ismétlőképesség (µm/m vagy ívmásodperc) és dinamikus sebesség
- Megvalósítási elv (átvilágítás/visszaverés, képalakítás/interferencia) és rácslépés
p - Kimeneti interfész (A/B/Z, 1 Vpp, SSI/BiSS/EnDat, terepibusz) és a vezérlő sávszélessége
- Kivitel és környezet (nyitott/tömített, IP fokozat, hűtőfolyadék/por)
- Mechanikai és termikus tervezés (légrés/beállítási tűrések, CTE, úszó rögzítés)
- Kompenzáció és diagnosztika (hibatérkép, hőmérséklet/állapotregiszterek, online riasztás)
- Életciklus (kábel/olvasófej szervizelhetősége, pótalkatrész elérhetőség, kalibrációs képesség)
Szabványok és hivatkozások (Standards & References)
- IEC 60529:2020 (IP védettségi fokozatok)
- IEC 60068-2 (rezgés/ütés/klíma)
- IEC 61000-6-2 / -6-4 (ipari EMC immunitás/kibocsátás)
- ISO 230-2 / ISO 230-3 (szerszámgép pozicionálási és termikus vizsgálatai)
- ISO 10360 (CMM hitelesítés)
- ISO 14644 (tiszta terek követelményei)
Összegzés: Az optikai enkóderek elvének, jellemzőinek, interfészeinek és a szerelési/kompenzációs szempontoknak az átfogó ismerete lehetővé teszi a nagy pontosságú, robusztus és jól diagnosztizálható, hosszú távon stabil üzemet még összetett körülmények között is.