Historia enkoderów

Enkodery to niezbędne czujniki w nowoczesnych systemach sterowania i automatyki przemysłowej. Ich początki sięgają lat 40. XX wieku, kiedy pełniły funkcję mechanicznych przetworników kąta. Dzięki postępowi w dziedzinie elektroniki, optyki, komunikacji i technologii MEMS, enkodery przekształciły się w wielofunkcyjne platformy o nanopoziomowej precyzji, z inteligentną komunikacją i funkcją autodiagnostyki.

1940–1960: Prototypy i era mechaniczna

• W latach 40., w związku z potrzebami radarów wojskowych i nawigacji lotniczej, inżynierowie z Niemiec i Wielkiej Brytanii opracowali obrotowe przetworniki szczotkowe do pomiaru przemieszczenia kątowego.
• W 1947 roku laboratoria Bell Labs w USA zaproponowały koncepcję przekształcania kąta mechanicznego w impulsy elektryczne — pierwowzór tarczy enkodera.
• Na początku lat 50. pojawiły się pierwsze enkodery mechaniczne, działające na zasadzie styków szczotkowych.
• Generowały one zazwyczaj kod Graya, używany w dalmierzach wojskowych i komputerach analogowych.

Cechy:

• Pełny kontakt mechaniczny, podatny na zużycie
• Wyjście sygnałowe w postaci przełączników lub napięcia analogowego
• Zastosowania ograniczone głównie do laboratoriów wojskowych

1970–1980: Rozwój enkoderów optycznych i inkrementalnych

• W 1971 roku firma BEI Precision Instruments (USA) wprowadziła pierwszy komercyjny enkoder optyczny inkrementalny, zmieniając branżę.
• Tarcze z tworzywa lub szkła z naniesionymi paskami przepuszczały światło wykrywane przez fotodiody, generując impulsy A/B.
• W 1974 firma Heidenhain z Niemiec dodała kanał Z (impuls zerowy) do pozycjonowania bazowego.
• W 1976 japońska firma Koyo Electronics wprowadziła enkodery przemysłowe, które trafiły do systemów CNC.

Innowacje:

• Pomiar bezkontaktowy – większa trwałość i niezawodność
• Standardowe wyjścia TTL i HTL
• Rozdzielczość 1000–5000 PPR

1990: Enkodery absolutne i era cyfrowej kontroli

• W latach 1989–1992 firmy takie jak Baumer i Heidenhain wypuściły enkodery absolutne jednobitowe, wykorzystując wielościeżkowe tarcze i fotodetektory.
• W 1993 firma SICK Stegmann opracowała enkodery wieloobrotowe, wykorzystując liczniki zębate lub czujniki magnetyczne.
• Interfejs SSI (Synchronous Serial Interface) stał się standardem promowanym przez firmę Hubner.
• Pojawiły się enkodery programowalne, z możliwością zmiany rozdzielczości i kierunku przez oprogramowanie.

Przełomy techniczne:

• Zachowanie pozycji po utracie zasilania
• Integracja układów ASIC umożliwiająca miniaturyzację
• Zwiększona odporność na zakłócenia

2000: Integracja z systemami i sieci przemysłowe

• Enkodery zostały wyposażone w interfejsy magistral przemysłowych, takie jak CANopen, Profibus czy DeviceNet.
• Pojawiły się protokóły Ethernet przemysłowego: EtherCAT, Profinet, EtherNet/IP – przeznaczone do szybkiego sterowania.
• W 2005 japońska firma Tamagawa wprowadziła enkodery z redundancją SIL2, stosowane w windach, robotach i kolei.
• Enkodery zyskały funkcje kompensacji temperatury, filtracji cyfrowej i autodiagnostyki.

Kluczowe trendy:

• Komunikacja sieciowa zamiast kabli impulsowych
• Rozdzielczość powyżej 30 bitów
• Konfiguracja online, hot-plug i zdalne aktualizacje

2010–obecnie: Enkodery inteligentne, zestawy micro i bezprzewodowe

• Inteligentne enkodery z Bluetooth, IO-Link i Wi-Fi przemysłowym umożliwiają dwukierunkową komunikację z PLC lub chmurą.
• Pojawiły się magnetyczne zestawy enkoderów dla robotów współpracujących, AGV i dronów – o średnicy nawet Φ12 mm i masie poniżej 10 g.
• Wysokorozdzielcze liniowe enkodery magnetyczne (np. Renishaw, RSF) zapewniają dokładność w zakresie submikronowym.
• Pojawiają się czujniki hybrydowe z integracją IMU i widzeniem maszynowym – pełne dane ruchu 6 DOF.

Przyszłość – kierunki rozwoju

1. Inteligencja i Edge Computing – wbudowane procesory do analizy danych, konserwacji predykcyjnej i AI brzegowej.
2. Fuzja wielowymiarowa – integracja z czujnikami temperatury, momentu obrotowego, IMU i przyspieszenia.
3. Enkodery definiowane programowo (SD-E) – zdalna konfiguracja rozdzielczości, protokołów, diagnostyki.
4. Zielony design – niskie zużycie energii, bezkontaktowe materiały, modułowa instalacja.
5. Globalna niezależność technologiczna – rozwój lokalnej produkcji tarcz, układów ASIC i interfejsów.

Podsumowanie

Ewolucja enkoderów odzwierciedla szersze zmiany w przemyśle – od systemów analogowych do cyfrowych, od scentralizowanych do inteligentnych i otwartych. Od wojskowych początków po cywilne zastosowania, enkodery stały się kluczowym elementem nowoczesnej automatyki. Znajomość ich historii pozwala lepiej zrozumieć ich znaczenie i przyszłość technologii pomiaru ruchu.