📘 Encoder Wiki
Lineaire encoders
Lineaire encoders zetten lineaire verplaatsing om in elektrische signalen (digitaal of analoog). Ze meten rechtstreeks de lineaire beweging van tafels, sledes of werkstukken en vormen zo de kern van positieterugkoppeling in CNC-machines, coördinatenmeetmachines (CMM), halfgeleiderapparatuur en geavanceerde automatiseringsplatforms. In vergelijking met indirecte berekening via kogelomloopspindels of tandheugels, bieden lineaire encoders een “directe meting”, waardoor de invloed van thermische uitzetting, speling en transmissiefouten aanzienlijk wordt verminderd.
Wat is een lineaire encoder (What is a Linear Encoder)
Een lineaire encoder bestaat uit een meetschaal (Scale/Rule) en een leesunit (Readhead): de schaal bevat periodieke structuren (optisch, magnetisch, inductief, capacitief), terwijl de leesunit zich met een bepaalde spleetafstand verplaatst en positie-informatie omzet in elektrische signalen. Afhankelijk van de uitgang kan het gaan om incrementeel of absoluut; afhankelijk van het detectieprincipe zijn er optische, magnetische, inductieve en capacitieve varianten; afhankelijk van de constructie zijn er open (open-type) en gesloten (sealed/enclosed) types.
Werkingsprincipe (Working Principle)
Optisch (Optical)
- Structuur: Glazen/keramische schaal (of roestvrijstalen band) + LED/lasersensor + fotodiode-array.
- Mechanisme: Transmissie-/reflectie-interferentie of Moiré-patronen, gedemoduleerd en geïnterpoleerd door de leesunit.
- Kenmerken: Hoge resolutie (nm-niveau), lineaire fout tot ±1 μm/m; gevoelig voor vervuiling en condens.
Magnetisch (Magnetic)
- Structuur: Magnetische band met vaste poolafstand (stalen of flexibele band) + Hall/AMR/GMR/TMR-sensoren.
- Mechanisme: De leesunit detecteert variaties in het magnetisch veld en berekent de positie.
- Kenmerken: Robuust tegen olie en trillingen, ruime montagetoleranties, lange meetlengtes (tientallen meters); lagere precisie en resolutie dan high-end optisch.
Inductief (Inductive)
- Structuur: Excitatie- en ontvangstspoelen in de leesunit; geleidende patronen in de schaal.
- Mechanisme: Koppeling en wervelstromen variëren met spleet en positie; de leesunit demoduleert fase/amplitude voor positiebepaling.
- Kenmerken: Bestand tegen vervuiling, hoge temperaturen en elektromagnetische storingen; nauwkeurigheid tussen optisch en magnetisch.
Capacitief (Capacitive)
- Structuur: Elektrode-array + schaal met periodieke patronen.
- Mechanisme: Capacitieve matrix verandert met de verplaatsing; leesunit gebruikt fase-locking/decodering.
- Kenmerken: Compact, laag stroomverbruik; gevoelig voor vocht en nabije metalen objecten, vereist goede aarding en afscherming.
Typen en constructies (Types & Constructions)
1) Op basis van uitgangssignaal
- Incrementeel (Incremental): Kwadratuur A/B-pulsen (met optionele Z/referentie), controller telt pulsen; kan ook 1 Vpp sinus/cosinus leveren voor fijne interpolatie.
- Absoluut (Absolute): Unieke code op elke positie; met distance-coded reference marks; veelgebruikte protocollen zijn SSI, BiSS-C, EnDat.
2) Op basis van behuizing en bescherming
- Open (Open-type): Externe leesunit, hoge dynamiek, lage wrijving; geschikt voor (semi)schone omgevingen.
- Gesloten (Sealed/Enclosed): Schaal en leesunit in afgesloten behuizing, vaak met luchtbarrière of wipers; geschikt voor machinegereedschappen en zware omgevingen.
3) Op basis van schaalmateriaal
- Glas/keramiek: Lage thermische uitzetting (CTE), precisie op μm/m-niveau; vereist stabiele ondersteuning en temperatuurcontrole.
- Stalen/roestvrijstalen band: Lange meetlengtes, oprolbaar; hogere CTE, thermische compensatie noodzakelijk.
- Magnetische band (met lijm/rail): Flexibele montage, vuilbestendig; lagere nauwkeurigheid dan high-end optisch.
- Inductieve/capacitieve geleidende patronen: Robuust, hoge milieubestendigheid.
Uitgangen en interfaces (Outputs & Interfaces)
| Type | Uitgangssignaal | Typische toepassing |
|---|---|---|
| Incrementeel | A/B (+Z), TTL/HTL, RS422 | Hoge-snelheid tellen PLC, snelheids-/positieslussen |
| Sinus/cosinus | 1 Vpp, 11 μApp | Hoge-resolutie interpolatie (tot >×10.000) |
| Absoluut | SSI, BiSS-C, EnDat 2.2 | Absolute positie, diagnostiek, temperatuur-/statusdata |
| Fieldbus/Ethernet | CANopen, EtherCAT, PROFINET | Multi-as synchronisatie, lange afstand, online diagnostiek |
Maximale uitgangsfrequentie bij incrementele signalen:
f_max ≈ (V / Pitch) × Edges_per_cycle
- V: lineaire snelheid (mm/s)
- Pitch: schaalperiode (mm/cyclus)
- Edges_per_cycle: aantal flanken per cyclus (bv. ×4)
Belangrijkste specificaties (Key Specifications)
| Specificatie | Betekenis/bereik | Opmerking |
|---|---|---|
| Resolutie (Resolution) | 5 μm → 0.1 μm (magnetisch/stalen band); 1 μm → 1 nm (optisch/interferometrisch) | Afhankelijk van interpolatiefactor |
| Nauwkeurigheid (Accuracy) | ±3 ~ ±10 μm/m (magnetisch); ±1 ~ ±3 μm/m (hoogwaardig optisch) | In μm/m of ppm |
| Herhaalbaarheid (Repeatability) | < ±0.1 ~ ±0.5 μm (hoogwaardig optisch) | Afhankelijk van omgeving/montage |
| Interpolatiefout (SDE) | ±20 ~ ±80 nm (hoogwaardige 1 Vpp-systemen) | Periodieke fout door interpolatie |
| Jitter/Ruis (Jitter/Noise) | Tientallen nm | Afhankelijk van analoge keten en voeding |
| Referentiepunten | Enkel, distance-coded, bidirectioneel | Voor homing of absolute referentie |
| Meetlengte (Measuring Length) | 0.1 m → >30 m | Lange lengtes vereisen compensatie |
| Montagespleet (Ride Height) | 0.1 ~ 1.0 mm | Inclusief pitch/roll/yaw toleranties |
| CTE | Glas/keramiek: ~0.5–2 ppm/K; Staal: ~10–17 ppm/K | Bepaalt thermische compensatie |
| IP-bescherming | IP40 (open) → IP67 (gesloten) | Afhankelijk van olie, koelvloeistof, stof |
Installatie en geometrische fouten (Installation & Geometric Errors)
- Montagespleet/hoek: Hoogte en pitch/roll/yaw kritisch; overschrijding veroorzaakt signaalverlies en hogere SDE.
- Abbe-fout (Abbe Error): Offset tussen meetlijn en bewegingsas × hoekfout → extra meetfout; meetlijn idealiter door bewegingsas laten lopen of compenseren.
- Cosinusfout (Cosine Error): Encoder-as niet parallel met bewegingsrichting → projectiefout.
- Thermische koppeling/montage: Stalen/magnetische banden met zwevende montage voor spanningsontlasting; glas/keramiek met isotherme ondersteuning.
- Aarding/scherming: Enkelpuntsaarding, kabelafscherming volgens norm aansluiten, vermijden van ground loops.
Kalibratie en compensatie (Calibration & Compensation)
- Lineaire compensatie: Laserinterferometer, ballbar of gauge blocks voor foutmapping (pitch/roll/yaw, rechtheid/vlakheid).
- Thermische compensatie: Op basis van CTE en temperatuurverdeling machine; high-end systemen gebruiken temperatuursensoren in de leesunit.
- SDE-reductie: Hoogwaardige 1 Vpp-signalen, geoptimaliseerde analoge keten/interpolatie, stabiele montage.
- Referentiepunten: Distance-coded reduceert homingafstand; bidirectioneel verbetert herhaalbaarheid.
Vergelijking met andere technologieën (Comparisons)
| Technologie | Voordelen | Beperkingen | Toepassingen |
|---|---|---|---|
| Lineaire encoder (optisch) | Nanometerresolutie, μm/m-nauwkeurigheid, hoge dynamiek | Gevoelig voor vervuiling/condens, strenge montage-eisen | CNC, CMM, halfgeleiders |
| Lineaire encoder (magnetisch) | Vuilbestendig, ruime toleranties, lange meetlengtes | Lagere precisie/resolutie | Automatisering, zware machines |
| Laserinterferometer | Hoogste nauwkeurigheid, traceerbaar | Duur, gevoelig voor omgeving/pad | Kalibratie, metrologie |
| LVDT/inductief | Robuust, goede korte-afstand herhaalbaarheid | Beperkte meetlengte, lineariteit | Eindschakelaars, precisiebesturing |
| Rotatie-encoder + spindel | Lage kosten, beproefde technologie | Fouten door thermische uitzetting/speling/spoedfout | Middel-/lage-precisie positionering |
Toepassingen (Applications)
- CNC lineaire assen (X/Y/Z): Nauwkeurig positioneren ondanks snijwarmte en belastingsvariaties.
- CMM/metrologische platforms: Nanometerinterpolatie + foutmapping voor traceerbaarheid.
- Halfgeleiderapparatuur: Lithografie, uitlijning, inspectie; vereist nm-jitter en lage SDE.
- Printen/packaging/SMD: Lange slagen, hoge snelheid, nauwkeurige synchronisatie.
- Medische apparatuur: CT/MRI-tafels, radiotherapiepositionering.
- Logistiek/zware machines: Magnetische banden voor lange meetafstanden, hoge robuustheid.
Onderhoud en probleemoplossing (Maintenance & Troubleshooting)
Routineonderhoud
- Regelmatige reiniging (optisch: pluisvrije doek + isopropanol; magnetisch: verwijderen van metaaldeeltjes).
- Controleren van kabelradius en fixatie om kabelbreuk en schade aan afscherming te voorkomen.
- Omgevingscondities (T°, vocht, koelvloeistof) monitoren om condens en lekkage te vermijden.
Veelvoorkomende problemen
| Symptoom | Mogelijke oorzaak | Oplossing |
|---|---|---|
| Pulsverlies/signaaluitval | Te grote spleet, disalignatie, vervuiling | Hoogte/hoek afstellen, schaal reinigen, montage controleren |
| Jitter/hoge SDE | Ruis in analoge keten, slechte aarding | Afscherming/aarding optimaliseren, betere kabels/voeding |
| Grote lineaire fout | Foutieve montage, geen thermische compensatie | Zwevende montage, kalibratie + foutmap laden |
| Geen absolute communicatie | Verkeerde SSI/BiSS/EnDat-parameters | Timing, polariteit, CRC, kabelimpedantie controleren |
| Onstabiele referentie | Vervuilde markers of foutieve instellingen | Markers reinigen, parameters controleren |
Normen en referenties (Standards & References)
- IEC 60529:2020 (IP-beschermingsklassen)
- IEC 60068-2 (trillingen, schokken, vocht, zoutnevel)
- IEC 61000-6-2/-6-4 (industriële EMC immuniteit/emissie)
- ISO 230-2 / ISO 230-3 (machinegereedschapsnauwkeurigheid en thermisch gedrag)
- ISO 10360 (CMM-validatie)
- ISO 14644 (cleanroomomgevingen, halfgeleiders/metrologie)
Opmerking: Toepasbaarheid verschilt per installatie en sector; raadpleeg altijd de handleidingen van de fabrikant en specifieke omstandigheden.
Selectiegids (Selection Guide)
- Nauwkeurigheidsdoel: Positioneer- en herhaalbaarheidseisen definiëren (μm/m).
- Principekeuze: Schone omgeving/hoge precisie → optisch; vuile omgeving/vibraties/lange lengtes → magnetisch of inductief.
- Uitgangen & interfaces: Incrementeel voor snelheidslussen; SSI/BiSS/EnDat of EtherCAT voor hoge precisie/multi-as.
- Mechanisch & montage: Lengte, materiaal, CTE, montagespleet, toleranties, montagetype (zwevend/lijm/rail).
- Omgeving & bescherming: Koelvloeistof/stof/temp.variaties → gesloten type met juiste IP-rating, luchtbarrières/rasters.
- Compensatie & diagnostiek: Ondersteuning foutmapping, monitoring temperatuur/status, online diagnosen/alarmen.
- Levenscyclus: Eenvoudige vervangbaarheid kabels/testkoppen, onderdelenbeschikbaarheid, kalibratie en service.
Door de principes, constructies en montage-eisen van lineaire encoders goed te begrijpen — en gecombineerd met foutmodellering, thermische compensatie en gestandaardiseerde verificatie — kunnen engineeringteams hoge nauwkeurigheid, lange levensduur en diagnostische mogelijkheden realiseren in lineaire positionering en snelheidsregeling, zelfs in complexe industriële omgevingen.