📘 Wiki-ul Encoderului
Encodere liniare
Encoderele liniare sunt utilizate pentru a converti deplasarea liniară în semnale electrice (digitale sau analogice). Ele pot măsura direct mișcarea liniară a platformelor, glisierelor sau pieselor, fiind senzori esențiali de poziționare pentru mașini-unelte CNC, mașini de măsurat în coordonate (CMM), echipamente pentru semiconductori și platforme de automatizare de înaltă precizie. Comparativ cu metoda indirectă prin șurub cu bile sau cremaliere, encoderele liniare oferă “măsurare directă”, reducând semnificativ efectele dilatării termice a șurubului, jocului mecanic și erorilor de transmisie asupra preciziei de poziționare.
Ce este un encoder liniar (What is a Linear Encoder)
Un encoder liniar este alcătuit dintr-o scară (Scale/Rule) și o cap de citire (Readhead): scara conține structuri periodice (optice, magnetice, inductive sau capacitive), iar capul de citire se deplasează la o distanță controlată pentru a citi informația de poziție și a emite semnale electrice. În funcție de forma de ieșire, encoderele pot fi incrementale sau absolute; după principiul de detecție pot fi optice, magnetice, inductive, capacitive; iar după construcție pot fi deschise (open-type) sau închise/sigilate (sealed/enclosed).
Principiul de funcționare (Working Principle)
Optic (Optical)
- Structură: Scară din sticlă/ceramică (sau bandă din oțel inoxidabil) + sursă de lumină LED/laser + aranjament fotodiode.
- Mecanism: Interferență transmisivă/reflexivă sau modele Moiré, demodulate și interpolate de capul de citire.
- Caracteristici: Rezoluție extrem de înaltă (nivel nanometric), eroare liniară până la ±1 μm/m; sensibil la contaminare și condens.
Magnetic (Magnetic)
- Structură: Bandă magnetică cu pași polari fixați (oțel sau bandă flexibilă) + senzori Hall/AMR/GMR/TMR.
- Mecanism: Capul de citire detectează variațiile câmpului magnetic și calculează poziția.
- Caracteristici: Rezistent la ulei, vibrații, cu toleranțe de montaj largi și curse lungi (zeci de metri); rezoluție și precizie mai scăzute decât la encoderele optice de înaltă clasă.
Inductiv (Inductive)
- Structură: Bobine de excitație și detecție în capul de citire; scară cu modele metalice conductoare.
- Mecanism: Cuplajul și efectele curenților turbionari variază cu distanța și poziția; semnalul este demodulat pentru a obține deplasarea.
- Caracteristici: Rezistent la contaminare, temperaturi ridicate și interferențe electromagnetice; precizie intermediară între optic și magnetic.
Capacitiv (Capacitive)
- Structură: Matrice de electrozi + scară cu modele periodice.
- Mecanism: Capacitatea variază odată cu deplasarea; capul de citire decodează pentru a obține poziția.
- Caracteristici: Construcție compactă, consum redus; sensibil la umiditate și efecte de proximitate metalică, necesită ecranare și împământare adecvată.
Tipuri și construcții (Types & Constructions)
1) După semnalul de ieșire
- Incremental (Incremental): Impulsuri A/B în cuadratură (cu Z/punct de referință opțional), controlerul numără impulsurile; poate oferi și semnale analogice 1 Vpp sinus/cosinus pentru interpolare.
- Absolut (Absolute): Cod unic în orice poziție; poate include distance-coded reference marks, protocoale comune: SSI, BiSS-C, EnDat.
2) După ambalaj și protecție
- Deschis (Open-type): Cap de citire expus, răspuns dinamic ridicat, frecare redusă; pentru medii curate sau semi-curate.
- Sigilat (Sealed/Enclosed): Scară și cap de citire într-o carcasă sigilată, cu protecție suplimentară (perdele de aer/ștergătoare); potrivit pentru mașini-unelte și condiții industriale grele.
3) După materialul scalei
- Grile din sticlă/ceramică: Coeficient mic de dilatare termică (CTE), precizie μm/m; necesită suport stabil și control termic.
- Benzi din oțel/inox: Curse lungi, pot fi rulate; CTE mai mare, necesită compensare termică.
- Benzi magnetice (cu adeziv sau șine de fixare): Instalare flexibilă, rezistente la contaminare; precizie inferioară celor optice.
- Modele inductive/capacitive: Structură robustă, rezistență mare la mediu.
Ieșiri și interfețe (Outputs & Interfaces)
| Tip | Ieșire | Aplicații tipice |
|---|---|---|
| Incremental | A/B (+Z), TTL/HTL, RS422 | Numărătoare rapide PLC, bucle viteză/poziție |
| Sinus/Cosinus | 1 Vpp, 11 μApp | Interpolare de înaltă rezoluție (până la ×10.000) |
| Absolut | SSI, BiSS-C, EnDat 2.2 | Poziție absolută, diagnostic, date de stare |
| Fieldbus/Ethernet | CANopen, EtherCAT, PROFINET | Sincronizare multi-axă, distanțe mari, diagnostic online |
Frecvența maximă de ieșire în funcție de viteză (incremental):
f_max ≈ (V / Pitch) × Edges_per_cycle
- V: viteză liniară (mm/s)
- Pitch: pasul scalei (mm/ciclu)
- Edges_per_cycle: fronturi per ciclu (ex. multiplicare ×4)
Specificații cheie (Key Specifications)
| Specificație | Interval tipic | Observații |
|---|---|---|
| Rezoluție (Resolution) | 5 μm → 0.1 μm (magnetic/oțel); 1 μm → 1 nm (optic/interferometric) | Depinde de interpolare |
| Acuratețe (Accuracy) | ±3 ~ ±10 μm/m (magnetic); ±1 ~ ±3 μm/m (optic de precizie) | μm/m sau ppm |
| Repetabilitate (Repeatability) | < ±0.1 ~ ±0.5 μm (optic avansat) | Influențat de mediu și montaj |
| Eroare interpolare (SDE) | ±20 ~ ±80 nm (sisteme 1 Vpp de calitate) | Eroare periodică |
| Jitter/Zgomot (Jitter/Noise) | Zeci de nm | Legat de semnal analogic și sursa de alimentare |
| Marcatori de referință | Unici, distance-coded, bidirecționali | Pentru homing sau referință absolută |
| Lungime măsurare (Measuring Length) | 0.1 m → >30 m | Curse lungi necesită compensare |
| Gap montaj (Ride Height) | 0.1 ~ 1.0 mm | Include pitch/roll/yaw |
| CTE | Sticlă/ceramică: ~0.5–2 ppm/K; Oțel: ~10–17 ppm/K | Determină compensarea termică |
| Protecție IP | IP40 (deschis) → IP67 (sigilat) | Depinde de praf, ulei, lichide |
Instalare și erori geometrice (Installation & Geometric Errors)
- Gap/toleranțe unghiulare: Distanță și unghiuri pitch/roll/yaw critice; depășirile produc atenuare și creștere SDE.
- Eroare Abbe (Abbe Error): Distanța dintre linia de măsurare și axa de mișcare × eroare unghiulară → eroare adițională.
- Eroare cosinus (Cosine Error): Axă encoder nealiniată cu direcția de mișcare → eroare de proiecție.
- Cuplaj termic și montaj: Benzi oțel/magnetice montate flotant pentru relaxarea tensiunilor; scări din sticlă/ceramică cu suport izoterm.
- Împământare și ecranare: Împământare într-un singur punct, ecran cablu conectat corect pentru evitarea zgomotului de buclă.
Calibrare și compensare (Calibration & Compensation)
- Compensare liniară: Interferometru laser, ballbar sau blocuri etalon pentru maparea erorilor.
- Compensare termică: Corecție în funcție de CTE și distribuția temperaturii; unele sisteme citesc temperatura capului.
- Reducere SDE: Semnale 1 Vpp de calitate, lanț analogic optimizat, stabilitate gap și aliniere.
- Strategii referință: Marcatori distance-coded reduc cursa de homing; cei bidirecționali îmbunătățesc repetabilitatea.
Comparativ cu alte tehnologii (Comparisons)
| Tehnologie | Avantaje | Limitări | Aplicații |
|---|---|---|---|
| Encoder liniar optic | Rezoluție nanometrică, acuratețe μm/m, dinamică excelentă | Sensibil la contaminare, montaj dificil | CNC, CMM, semiconductori |
| Encoder liniar magnetic | Rezistență la contaminare, toleranțe mari, curse lungi | Rezoluție și precizie mai reduse | Automatizare, echipamente grele |
| Interferometru laser | Precizie maximă, trasabilitate | Cost ridicat, sensibil la mediu | Calibrare, metrologie |
| LVDT/inductiv | Robust, bună repetabilitate pe curse scurte | Limitat ca lungime și linearitate | Control precis scurtă distanță |
| Encoder rotativ + șurub | Cost redus, tehnologie matură | Erori din dilatare termică/joc/pas | Poziționare medie/scăzută |
Aplicații (Applications)
- Axe liniare CNC (X/Y/Z): Precizie constantă, chiar și cu variații termice și sarcini.
- CMM/platforme metrologice: Interpolare nanometrică + mapă erori pentru trasabilitate.
- Echipamente semiconductori: Litografie, aliniere, inspecție; necesită jitter nm și SDE redus.
- Tipărire/ambalare/SMD avansat: Curse lungi, viteze mari, sincronizare precisă.
- Echipamente medicale: Mese CT/MRI, sisteme de poziționare radioterapie.
- Logistică și echipamente mari: Benzi magnetice pentru curse lungi, rezistență ambientală.
Întreținere și depanare (Maintenance & Troubleshooting)
Întreținere regulată
- Curățare periodică (optic: șervețele fără scame + alcool izopropilic; magnetic: îndepărtare particule metalice).
- Verificarea cablurilor (raza de curbură și fixare).
- Monitorizarea mediului (T°, umiditate, lichide de răcire).
Probleme comune
| Simptom | Cauze posibile | Soluții |
|---|---|---|
| Pierdere semnal/impulsuri | Gap excesiv, nealiniere, contaminare | Reglare gap, curățare scară, verificare rigiditate |
| Jitter/eroare interpolare | Zgomot analogic, împământare deficitară | Îmbunătățire ecranare/împământare, cabluri/alimentare calitative |
| Eroare liniară mare | Montaj greșit, lipsă compensare termică | Reinstalare flotantă, calibrare și mapă erori |
| Comunicație absolută eșuată | Parametri SSI/BiSS/EnDat greșiți | Verificare temporizări, polaritate, CRC, impedanță |
| Marcatori instabili | Contaminare, configurare eronată | Curățare, verificare parametri strategie |
Standarde și referințe (Standards & References)
- IEC 60529:2020 (graduri IP)
- IEC 60068-2 (vibrații/șocuri/umiditate/ceață salină)
- IEC 61000-6-2/-6-4 (EMC industrial: imunitate/emisii)
- ISO 230-2 / ISO 230-3 (precizia și caracteristicile termice ale mașinilor-unelte)
- ISO 10360 (verificare CMM)
- ISO 14644 (săli curate, semiconductori/metrologie)
Notă: Aplicabilitatea depinde de echipament și industrie; trebuie confirmată cu manualele producătorului.
Ghid de selecție (Selection Guide)
- Obiectiv precizie: definiți ținta de poziționare/repetabilitate (μm/m).
- Principiu de alegere: mediu curat/precizie ridicată → optic; mediu cu ulei/vibrații/cursă lungă → magnetic sau inductiv.
- Ieșiri și interfețe: incrementale pentru bucle viteză; SSI/BiSS/EnDat sau EtherCAT pentru multi-axă de precizie.
- Mecanică și montaj: confirmați lungimea cursei, materialul scalei, CTE, toleranțele și metoda de fixare.
- Mediu și protecție: lichide, praf, variații termice → tip sigilat IP potrivit, cu protecții adiționale.
- Compensare și diagnostic: suport mapă erori, monitorizare temperatură/stare, diagnostic online.
- Ciclu de viață: ușurință în înlocuirea cablurilor/testinei, disponibilitate piese, calibrare și suport.
Prin înțelegerea principiilor, construcțiilor și cerințelor de instalare ale encoderele liniare, împreună cu modelarea erorilor, compensarea termică și verificările standardizate, echipele de inginerie pot asigura precizie ridicată, durată lungă de viață și diagnosticabilitate în aplicații de poziționare liniară și control al vitezei în condiții industriale complexe.