📘 Wiki Enkodera
Enkodery optyczne
Enkodery optyczne opierają się na liniałach/kratkach optycznych oraz detekcji fotoelektrycznej, przekształcając ruch obrotowy lub liniowy w sygnały elektryczne. Są wiodącymi przetwornikami sprzężenia zwrotnego położenia w obrabiarkach CNC, platformach półprzewodnikowych, metrologii precyzyjnej, robotyce i zaawansowanej automatyce. Dzięki wysokiej rozdzielczości, niskiemu SDE (Sub-Division Error – błąd podziału) i znakomitej powtarzalności są powszechnie stosowane w pozycjonowaniu od skali nanometrów po mikrometry.
Czym jest enkoder optyczny (What is an Optical Encoder)
Enkoder optyczny to czujnik pozyskujący informację o położeniu poprzez łańcuch źródło światła → liniał/kratka optyczna → detekcja fotoelektryczna. Rdzeń stanowią tarcza kodowa/liniał (Scale/Disk) z okresową strukturą oraz głowica odczytowa (Readhead): w zdefiniowanej szczelinie optycznej głowica odczytuje prążki lub sygnał interferencyjny powstający przy transmisji/odbiciu na kratce; po obróbce w analogowym froncie (AFE) oraz układach interpolacji/dekodowania generowane są wyjścia inkrementalne A/B (z opcjonalną referencją Z), sinus/cosinus 1 Vpp lub szeregowe dane pozycji absolutnej (SSI/BiSS/EnDat itp.).
Ze względu na kinematykę wyróżnia się enkodery optyczne obrotowe (tarcza) oraz enkodery optyczne liniowe (liniał). W porównaniu z pośrednim szacowaniem przez śrubę kulową/listwę zębatą, enkoder liniowy umożliwia pomiar bezpośredni, istotnie ograniczając błędy wynikające z luzu (backlashu), skoku śruby i wydłużenia cieplnego; enkoder obrotowy dostarcza zaś wysokorozdzielczego sprzężenia zwrotnego kąta i prędkości dla silników i stołów obrotowych.
Zasada działania (Working Principle)
1) Obrazowanie / prążki Moiré (Imaging/Moiré)
- Struktura: źródło (LED/VCSEL) → optyka kolimacyjna/formująca obraz → maska/kratka fazowa → matryca światłoczuła.
- Mechanizm: względny ruch liniału i kratki referencyjnej w głowicy generuje prążki Moiré, tworząc quasi-sinusoidalne sygnały sin/cos; następnie interpolacja i wyrównanie amplitudy/fazy zapewniają wysoką rozdzielczość położenia.
2) Interferencyjna / kratka fazowa (Interferential/Phase Grating)
- Mechanizm: różnica faz między rzędami dyfrakcji zmienia się liniowo z przemieszczeniem; superpozycja daje wysokopurystyczne sinusoide, z mniejszym SDE i większym potencjałem rozdzielczości.
3) Transmisja vs odbicie
- Transmisyjne: podłoże szklane/ceramiczne; wysoki SNR i dobra liniowość, właściwe do czystych środowisk i precyzyjnego pozycjonowania.
- Odbiciowe: kratki odbiciowe metalizowane/powlekane; konstrukcja zwarta i przyjazny montaż, większa wrażliwość na zanieczyszczenia → wymagane dobre uszczelnienie oraz kurtyna powietrzna/skrobaki.
4) Logika wyjść: inkrementalne i absolutne
- Inkrementalne: impulsy A/B w kwadraturze (przesunięcie 90°); kierunek określany z następstwa faz; referencja Z raz na zakres/obrót.
- Absolutne: każda pozycja ma unikalny kod (binarny/Gray); dostępne mogą być diagnostyka, temperatura i rejestry stanu.
Przybliżona rozdzielczość liniowa: Δx ≈ p / (N × M)
gdzie p = okres kratki, N = mnożnik interpolacji analogowej (np. 100×), M = cyfrowy współczynnik mnożenia (typowo 4×).
Równoważna rozdzielczość kątowa (obrotowy): θ_res = 360° / (liczba linii × 4).
Klasyfikacja (Taxonomy)
- Według ruchu: enkoder optyczny liniowy / enkoder optyczny obrotowy (tarcza)
- Według wyjść: inkrementalny (TTL/HTL/RS422; 1 Vpp/11 µApp) / absolutny (SSI, BiSS-C, EnDat 2.2, równoległy)
- Według realizacji optycznej: transmisyjny / odbiciowy; obrazujący / interferencyjny; kratka amplitudowa / kratka fazowa
- Według obudowy: otwarty (wysoka dynamika, niskie tarcie) / uszczelniony (IP65–IP67, odporność na mgłę olejową i chłodziwa)
- Według zakresu/podłoża: szkło/ceramika (niski CTE), taśma stalowa (długie skoki), kratki odbiciowe powlekane itp.
Kluczowe elementy i łańcuch sygnałowy (Signal Chain)
- Źródło i optyka: LED/laser; kolimacja/ogniskowanie determinują jednorodność oświetlenia i dryft termiczny; zalecane kontrolowane starzenie i pętla sprzężenia mocy.
- Kratka/tarcza: okres
p, współczynnik wypełnienia i dokładność fazy determinują czystość sygnału i SDE. - Matryca światłoczuła / AFE: wielokanałowa akwizycja z automatycznym wyrównaniem wzmocnienia/offsetu/fazy (równoważenie ABC).
- ASIC interpolacji/kodowania: korekcja amplitudy/fazy, kompensacja eliptyczności, filtracja cyfrowa i tłumienie jitteru, kodowanie protokołów i sterowniki linii.
- Warstwa fizyczna: różnicowy RS422, 1 Vpp/11 µApp; projektowanie impedancji terminacji, okablowania (ekranowanie/uziemienie) i ścieżek powrotu prądu.
Wyjścia i interfejsy (Outputs & Interfaces)
| Format wyjścia | Typowy sygnał | Opis |
|---|---|---|
| Prostokąt inkrementalny | A/B (+Z), TTL/HTL/RS422 | Szybkie liczniki PLC, pętle prędkości/położenia; na duże odległości preferuj różnicowy |
| Sin/Cos | 1 Vpp, 11 µApp | Superrozdzielczość przez interpolację; SDE i jitter zależą od jakości łańcucha |
| Szeregowy absolutny | SSI, BiSS-C, EnDat 2.2 | Wartość absolutna jedno/wieloobrotowa, rejestry diagnostyczne/temperatury/alarmów |
| Fieldbus | EtherCAT, PROFINET, CANopen | Synchronizacja wieloosiowa, zegary rozproszone, konfiguracja online |
Oszacowanie pasma (liniowe): f_max ≈ (v / p) × edges
gdzie v = prędkość liniowa, a edges = efektywne zbocza na okres (np. kwadratura 4×).
Wskaźniki wydajności (Key Specifications)
| Parametr | Typowy zakres/opis |
|---|---|
| Rozdzielczość | Liniowa: 1 µm → 1 nm; Obrotowa: ≤ 24 bity równoważnie |
| Dokładność liniowa | Optyka z wyższej półki: ±1–±3 µm/m; standard: ±3–±10 µm/m |
| Powtarzalność | ≤ ±0,1–±0,3 µm (liniowo); dla kątowych możliwa podsekundowa |
| SDE (błąd podziału) | Dla łańcucha 1 Vpp wysokiej jakości: ±20–±80 nm |
| Jitter | Dziesiątki nanometrów; zależny od AFE i szumu fazowego zegara |
| Błąd fazy/wypełnienia | A/B = 90° ± (1–5)°; wypełnienie 50% ± (2–10)% |
| Zdolność prędkościowa | Liniowa > 1 m/s; obrotowa > 12 000 RPM (w zależności od interfejsu) |
| Klasa środowiskowa | Od IP40 (otwarty) do IP67 (uszczelniony); testy IEC 60068-2 (wibracje/udar) |
Montaż i źródła błędów (Installation & Error Sources)
- Szczelina powietrzna i orientacja (pitch/roll/yaw) poza tolerancjami → nierównowaga amplitud i wzrost SDE.
- Błąd Abbego: ramię × błąd kątowy; prowadź linię pomiarową przez oś ruchu lub kompensuj programowo.
- Błąd cosinusowy (małe kąty):
e ≈ (L × θ²) / 2. - Mimośrodowość/bicie osi (obrotowy): wprowadza harmoniczne podstawowe/drugie w błędzie kątowym.
- Rozszerzalność cieplna (CTE): niska dla szkła/ceramiki; taśma stalowa wymaga kompensacji termicznej i pływającego mocowania.
- EMC/uziemienie: uziemienie jednopunktowe, właściwe ekranowanie i kontrola ścieżek powrotnych – unikanie trybu wspólnego i pętli masy.
Kalibracja i kompensacja (Calibration & Compensation)
- Mapowanie liniowe: zmierz krzywą błędu interferometrem laserowym/ballbarem i załaduj do LUT sterownika.
- Kompensacja dryftu termicznego: korekcja w czasie rzeczywistym z użyciem temperatury liniału/korpusu i modelu CTE.
- Wyrównanie amplitudy/fazy (eliptyczność): automatyczne balansowanie offsetu, amplitudy i fazy przed interpolacją.
- Strategie referencji: znaczniki referencyjne kodowane odległością skracają drogę dojazdu do bazy i poprawiają powtarzalność.
Porównanie z innymi zasadami (Comparisons)
| Technologia | Rozdzielczość/dokładność | Odporność na zabrudzenia/środowisko | Typowy zakres | Kluczowe ograniczenia |
|---|---|---|---|---|
| Enkoder optyczny | ★★★★★ | ★★★ | Średni/długi | Wrażliwy na zanieczyszczenia i kondensację; wysokie wymagania montażowe |
| Enkoder magnetyczny | ★★☆ | ★★★★ | Długi | Gorsza liniowość i SDE |
| Indukcyjny/pojemnościowy | ★★★ | ★★★★ | Średni | Wrażliwość na metale w pobliżu/prądy wirowe lub wilgoć |
| Resolver/potencjometr | ★★ | ★★★★★/★ | Średni/krótki | Niższa rozdzielczość lub mniej intuicyjne interfejsy |
Zastosowania (Applications)
Osie liniowe i obrotowe w CNC, CMM i platformach metrologicznych; wyrównywanie/ekspozycja/inspekcja w półprzewodnikach; stoły ruchu precyzyjnego; przeguby robotów i monitoring luzu przekładni; aparatura obrazowania/terapii radiacyjnej; synchronizacja w druku i pakowaniu; montaż/inspekcja elektroniki oraz szybkie systemy manipulacji.
Konserwacja i rozwiązywanie problemów (Maintenance & Troubleshooting)
- Rutynowo: okresowe czyszczenie (ściereczka bezpyłowa + właściwy rozpuszczalnik), kontrola minimalnych promieni gięcia kabli/ekranowania, monitorowanie temperatury-wilgotności i kondensacji.
- Typowe objawy i środki zaradcze:
- Utrata impulsów/zboczy: szczelina poza zakresem, przesłanianie przez zanieczyszczenia → wyreguluj orientację/wyczyść/dodaj uszczelnienia i kurtynę powietrzną.
- Wzrost SDE/jitteru: szum w AFE/łańcuchu interpolacji, słabe uziemienie → optymalizuj zasilanie, okablowanie i terminację.
- Brak komunikacji absolutnej: niezgodne parametry lub polaryzacja SSI/BiSS/EnDat → sprawdź długość ramki, CRC, czasy i impedancje.
- Harmoniczny błąd kątowy (obrotowy): mimośrodowość/bicie → popraw współosiowość i sztywność łożysk, zastosuj kompensację harmoniczną.
Przewodnik doboru (Selection Guide)
- Docelowa dokładność/powtarzalność (µm/m lub sekundy łuku) oraz dynamika prędkości.
- Zasada optyczna (transmisja/odbicie; obrazowanie/interferencja) i okres kratki
p. - Interfejs wyjściowy (A/B/Z, 1 Vpp, SSI/BiSS/EnDat, magistrale polowe) i pasmo sterownika.
- Obudowa i środowisko (otwarta/uszczelniona, klasa IP, obecność chłodziw/pyłów).
- Projekt mechaniczno-termiczny (tolerancje szczeliny/orientacji, CTE, mocowanie pływające).
- Kompensacja i diagnostyka (mapy błędów, rejestry temperatury/stanu, alarmy online).
- Cykl życia (łatwość serwisowania głowicy/okablowania, dostępność części, możliwości wzorcowania).
Normy i odniesienia (Standards & References)
- IEC 60529:2020 (stopnie ochrony IP)
- IEC 60068-2 (wibracje/udar/temperatura-wilgotność)
- IEC 61000-6-2 / -6-4 (EMC przemysłowe: odporność/emisja)
- ISO 230-2 / ISO 230-3 (testy pozycjonowania i charakterystyki cieplne obrabiarek)
- ISO 10360 (walidacja CMM)
- ISO 14644 (wymagania dla pomieszczeń czystych)
Podsumowanie: Dogłębna znajomość zasad działania, parametrów, interfejsów oraz praktyk montażu i kompensacji enkoderów optycznych pozwala osiągnąć wysoką dokładność, odporność, diagnozowalność i długoterminową stabilność pracy nawet w złożonych warunkach.