Enkoder linear
Encoder linear digunakan untuk mengubah perpindahan linier menjadi sinyal listrik (digital atau analog). Encoder ini mampu mengukur langsung gerakan linier meja, slide, atau benda kerja, dan berperan sebagai sensor posisi inti dalam mesin CNC, mesin ukur koordinat (CMM), peralatan semikonduktor, serta platform otomatisasi tingkat lanjut. Dibandingkan dengan perhitungan tidak langsung melalui ball screw/rack, encoder linear memberikan “pengukuran langsung”, yang secara signifikan mengurangi pengaruh ekspansi panas ball screw, backlash, dan kesalahan transmisi terhadap akurasi posisi.
Apa itu Encoder Linear (What is a Linear Encoder)
Encoder linear terdiri dari skala (Scale/Rule) dan head pembaca (Readhead): skala memiliki struktur periodik (grating optik, pola magnetik, induktif, atau kapasitif), sementara head bergerak pada jarak tertentu untuk membaca posisi dan menghasilkan sinyal listrik. Berdasarkan jenis output, encoder dibagi menjadi inkremental dan absolut; berdasarkan prinsip deteksi dapat berupa optik, magnetik, induktif, atau kapasitif; berdasarkan konstruksi dapat berupa tipe terbuka (open-type) atau tertutup/tertutup rapat (enclosed/sealed).
Prinsip Kerja (Working Principle)
Optik (Optical)
- Struktur: Skala kaca/keramik (atau pita baja tahan karat) + sumber cahaya LED/laser + array fotodioda.
- Mekanisme: Interferensi transmisi/refleksi atau pola Moiré, didemodulasi dan diinterpolasi oleh head.
- Karakteristik: Resolusi sangat tinggi (tingkat nanometer), error linier dapat serendah ±1 μm/m; namun sensitif terhadap kotoran dan kondensasi.
Magnetik (Magnetic)
- Struktur: Pita magnet dengan pitch tetap (pita baja atau pita fleksibel) + sensor Hall/AMR/GMR/TMR.
- Mekanisme: Head mendeteksi perubahan medan magnet sepanjang perpindahan dan menghitung posisi.
- Karakteristik: Tahan terhadap minyak, getaran, toleransi pemasangan besar, panjang pengukuran dapat mencapai puluhan meter; resolusi dan akurasi lebih rendah dari encoder optik kelas tinggi.
Induktif (Inductive)
- Struktur: Kumparan eksitasi dan penerimaan di dalam head; skala berupa pola logam konduktif.
- Mekanisme: Efek kopling dan arus eddy berubah sesuai jarak dan posisi; head mendemodulasi fase/amplitudo untuk memperoleh perpindahan.
- Karakteristik: Tahan kotoran, tahan suhu tinggi, tahan interferensi elektromagnetik; akurasi berada di antara optik dan magnetik.
Kapasitif (Capacitive)
- Struktur: Array elektroda + skala dengan pola periodik.
- Mekanisme: Matriks kapasitansi berubah sesuai perpindahan; head melakukan phase-lock/decoding untuk memperoleh posisi.
- Karakteristik: Desain ringkas, konsumsi daya rendah; sensitif terhadap kelembapan dan efek logam di sekitarnya, membutuhkan shielding dan grounding yang baik.
Tipe & Konstruksi (Types & Constructions)
1) Berdasarkan sinyal output
- Inkremental (Incremental): Output pulsa A/B quadrature (dengan Z/ref point opsional), membutuhkan counter pada kontroler; dapat juga menyediakan 1 Vpp sin/cos untuk interpolasi resolusi tinggi.
- Absolut (Absolute): Memberikan kode unik pada setiap posisi; dapat berupa single track atau distance-coded reference marks, mendukung protokol SSI, BiSS-C, EnDat.
2) Berdasarkan kemasan & proteksi
- Tipe terbuka (Open-type): Head terbuka, respons dinamis tinggi, gesekan rendah; cocok untuk lingkungan bersih atau semi-bersih.
- Tipe tertutup (Sealed/Enclosed): Skala dan head berada di dalam housing tertutup dengan wiper/air purge; cocok untuk mesin perkakas dan lingkungan berat.
3) Berdasarkan material skala
- Grating kaca/keramik: Koefisien ekspansi termal (CTE) rendah, akurasi tingkat μm/m; membutuhkan support stabil dan kontrol suhu.
- Pita baja/baja tahan karat: Panjang pengukuran lebih panjang, dapat digulung; CTE lebih besar, perlu kompensasi termal.
- Pita magnetik (dengan perekat/rel clamp): Pemasangan fleksibel, tahan kotoran; akurasi linier lebih rendah daripada optik kelas tinggi.
- Pola konduktif induktif/kapasitif: Konstruksi kuat, tahan lingkungan.
Output & Antarmuka (Outputs & Interfaces)
| Kategori | Bentuk Output | Aplikasi Tipikal |
|---|---|---|
| Inkremental | A/B (+Z), TTL/HTL, RS422 | PLC high-speed counter, kontrol kecepatan/posisi |
| Sine/Cosine | 1 Vpp, 11 μApp | Interpolasi resolusi tinggi (hingga ×10.000) |
| Absolut | SSI, BiSS-C, EnDat 2.2 | Sinyal posisi absolut, diagnostik, data suhu/status |
| Fieldbus/Ethernet | CANopen, EtherCAT, PROFINET | Sinkronisasi multi-axis, jarak jauh, diagnostik online |
Frekuensi output maksimum vs kecepatan (inkremental):
f_max ≈ (V / Pitch) × Edges_per_cycle
- V: kecepatan linier (mm/s)
- Pitch: jarak grating (mm/siklus)
- Edges_per_cycle: jumlah edge per siklus (contoh: ×4)
Spesifikasi Utama (Key Specifications)
| Parameter | Makna/Rentang Tipikal | Catatan |
|---|---|---|
| Resolusi (Resolution) | 5 μm → 0.1 μm (magnetik/baja); 1 μm → 1 nm (optik/interferensi) | Dipengaruhi faktor interpolasi |
| Akurasi (Accuracy) | ±3 ~ ±10 μm/m (magnetik); ±1 ~ ±3 μm/m (optik kelas tinggi) | Dinyatakan dalam μm/m atau ppm |
| Repeatability | < ±0.1 ~ ±0.5 μm (optik high-end) | Sangat dipengaruhi lingkungan & pemasangan |
| Subdivision Error (SDE) | ±20 ~ ±80 nm (sistem 1 Vpp berkualitas) | Error periodik dari interpolasi |
| Jitter/Noise | Puluhan nm | Dipengaruhi noise analog & catu daya |
| Reference marks | Single, distance-coded, bidirectional | Untuk homing & referensi absolut |
| Measuring length | 0.1 m → 30+ m | Panjang ekstra memerlukan sambungan & kompensasi |
| Ride height | 0.1 ~ 1.0 mm | Termasuk toleransi pitch/roll/yaw |
| CTE | Kaca/keramik: ~0.5–2 ppm/K; Baja: ~10–17 ppm/K | Dasar kompensasi termal |
| Rating lingkungan (IP) | IP40 (open) → IP67 (sealed) | Disesuaikan dengan oli, debu, cairan pendingin |
Instalasi & Error Geometris (Installation & Geometric Errors)
- Toleransi gap/sudut: Tinggi head & sudut pitch/roll/yaw harus dijaga; jika berlebih → pelemahan sinyal & peningkatan SDE.
- Abbe Error: Offset antara garis ukur & sumbu gerak × error sudut → error tambahan; sebaiknya garis ukur sejajar dengan sumbu gerak.
- Cosine Error: Sumbu encoder tidak paralel dengan arah gerak → error proyeksi.
- Kopling termal & mounting: Pita baja/magnet sebaiknya dipasang floating untuk menghindari stress; grating kaca/keramik perlu support isotermal.
- Grounding & shielding: Head & kontroler di-ground pada satu titik; shielding kabel sesuai standar untuk mencegah noise loop.
Kalibrasi & Kompensasi (Calibration & Compensation)
- Kompensasi linier: Gunakan interferometer laser, ballbar, atau blok ukur untuk membuat peta error (pitch/roll/yaw, kelurusan/kedataran).
- Kompensasi termal: Berdasarkan CTE & distribusi suhu mesin; sistem canggih membaca suhu head.
- Reduksi SDE: Gunakan sinyal 1 Vpp berkualitas, optimasi interpolasi; jaga gap & alignment stabil.
- Strategi reference mark: Distance-coded mark mempersingkat homing; bidirectional mark meningkatkan repeatability.
Perbandingan dengan Teknologi Lain (Comparisons)
| Teknologi | Kelebihan | Keterbatasan | Aplikasi |
|---|---|---|---|
| Encoder linear (optik) | Resolusi nanometer, akurasi μm/m, dinamika baik | Sensitif terhadap kotoran/kondensasi, pemasangan rumit | CNC, CMM, semikonduktor |
| Encoder linear (magnetik) | Tahan kotoran, toleransi besar, panjang | Akurasi/resolusi lebih rendah | Otomasi, pengukuran industri berat |
| Interferometer laser | Akurasi tertinggi, traceable | Mahal, sensitif lingkungan & jalur optik | Kalibrasi, metrologi |
| LVDT/eddy current | Kuat, repeatability jangka pendek baik | Jangkauan terbatas, linearitas rendah | Limit perjalanan, kontrol presisi |
| Rotary encoder + screw | Murah, solusi matang | Dipengaruhi ekspansi panas/backlash/error pitch | Posisi presisi menengah-rendah |
Aplikasi (Applications)
- Sumbu linear mesin CNC (X/Y/Z): Menjaga presisi meski ada panas pemotongan & beban variabel.
- CMM/platform metrologi: Interpolasi nanometer + peta error untuk traceability dimensi.
- Peralatan semikonduktor: Lithography, alignment, inspection; butuh jitter nm & SDE rendah.
- Printing/packaging/SMT high-end: Panjang lintasan, kecepatan tinggi, sinkronisasi akurat.
- Peralatan medis: Meja CT/MRI, sistem positioning radioterapi.
- Logistik & mesin besar: Pita magnet panjang, ketahanan lingkungan tinggi.
Perawatan & Troubleshooting (Maintenance & Troubleshooting)
Perawatan rutin
- Bersihkan secara berkala (optik: kain bebas serat + alkohol; magnetik: hilangkan partikel besi).
- Periksa radius lengkung kabel & penjepitan; hindari putus atau kerusakan shielding.
- Monitor lingkungan (suhu, kelembapan, cairan pendingin) untuk mencegah kondensasi & kebocoran.
Masalah umum
| Gejala | Penyebab mungkin | Solusi |
|---|---|---|
| Hilang sinyal/pulsa | Gap berlebih, disalignment, kontaminasi | Atur gap/head, bersihkan skala, cek kekakuan mounting |
| Jitter/error interpolasi besar | Noise, grounding buruk | Perbaiki shielding/ground, gunakan kabel/power berkualitas |
| Error linier besar | Skala tidak stress-free, tanpa kompensasi termal | Pasang ulang floating, kalibrasi + load error map |
| Gagal komunikasi absolut | Param SSI/BiSS/EnDat salah | Cek timing, polaritas, CRC, impedansi kabel |
| Reference mark tidak stabil | Kontaminasi atau konfigurasi salah | Bersihkan marker, cek parameter & strategi |
Standar & Referensi (Standards & References)
- IEC 60529:2020 (kelas proteksi IP)
- IEC 60068-2 (tes getaran/kejutan/kelembapan/korosi garam)
- IEC 61000-6-2/-6-4 (EMC industri: imun/emisi)
- ISO 230-2 / ISO 230-3 (akurasi & karakteristik termal mesin perkakas)
- ISO 10360 (uji/verifikasi CMM)
- ISO 14644 (lingkungan cleanroom, aplikasi semikonduktor/metrologi)
Catatan: Kesesuaian standar tergantung perangkat & industri; selalu konfirmasi dengan manual pabrikan & kondisi kerja.
Panduan Pemilihan (Selection Guide)
- Target akurasi: Tentukan target posisi/repeatability & error linier maksimum (μm/m).
- Prinsip deteksi: Lingkungan bersih/precision tinggi → optik; kotor/getar/corak panjang → magnetik/induktif.
- Output & antarmuka: Inkremental untuk kontrol kecepatan; SSI/BiSS/EnDat atau EtherCAT untuk presisi tinggi & multi-axis.
- Mekanik & pemasangan: Pastikan panjang, material skala, CTE, gap & toleransi alignment, metode mounting (floating/adhesive/clamp).
- Lingkungan & proteksi: Cairan pendingin/debu/thermal drift → pilih tipe sealed IP sesuai + perlindungan udara/rasp.
- Kompensasi & diagnostik: Apakah mendukung error mapping, monitoring suhu/status, diagnostik online.
- Siklus hidup: Kemudahan penggantian kabel/head, ketersediaan sparepart, kalibrasi & layanan purna jual.
Dengan memahami prinsip, struktur, serta persyaratan instalasi encoder linear — ditambah pemodelan error, kompensasi termal, dan validasi standar — tim engineering dapat mencapai akurasi tinggi, umur panjang, serta kemampuan diagnostik dalam aplikasi kontrol posisi linier dan kecepatan, bahkan pada kondisi industri yang paling kompleks.