📘 Wiki-ul Encoderului
Encodere optice
Encoderele optice se bazează pe grile/reticule optice și detecție fotoelectrică pentru a converti deplasarea de rotație sau liniară în semnale electrice. Ele reprezintă sistemul principal de feedback de poziție în mașini-unelte CNC, platforme pentru semiconductori, metrologie de precizie, robotică și automatizare avansată. Datorită rezoluției ridicate, SDE (eroare de subdiviziune) scăzut și repetabilității excelente, encoderele optice sunt utilizate pe scară largă în poziționări de la scară nanometrică la micrometrică.
Ce este un encoder optic (What is an Optical Encoder)
Un encoder optic este un senzor care obține informația de poziție prin lanțul sursă de lumină → grilă/reticul optic → detecție fotoelectrică. Nucleul este format dintr-o scară/disc cu structură periodică (Scale/Disk) și un cap de citire (Readhead): în interiorul unui interstițiu optic definit, capul de citire preia franjele sau semnalele de interferență generate de transmisia/reflexia pe grilă; după prelucrarea în front-end-ul analogic și circuitele de interpolare/decodare, livrează incremental A/B (cu referință Z opțională), sinus/cosinus 1 Vpp sau date seriale de poziție absolută (SSI/BiSS/EnDat etc.).
După forma mișcării, se împart în encodere optice rotative (disc) și encodere optice liniare (scară). Comparativ cu estimarea indirectă prin șurub cu bile/cremalieră, encoderul liniar permite măsurare directă, reducând semnificativ erorile datorate backlash-ului, pasului și dilatării termice; encoderul rotativ oferă feedback unghiular și de viteză cu rezoluție înaltă pentru motoare și mese rotative.
Principiu de funcționare (Working Principle)
1) Imagine/Franje Moiré (Imaging/Moiré)
- Structură: sursă (LED/VCSEL) → optică de colimare/formare imagine → mască/grilă de fază → matrice fotosensibilă.
- Mecanism: deplasarea relativă dintre scară și grila de referință din capul de citire generează franje Moiré, rezultând semnale aproape sinusoidale/cosinusoidale; prin interpolare și egalizare amplitudine/fază se obține rezoluție înaltă.
2) Interferențial / grilă de fază (Interferential/Phase Grating)
- Mecanism: diferența de fază dintre ordinele de difracție variază liniar cu deplasarea; superpunerea produce sinusoide de înaltă puritate, cu SDE mai mic și potențial de rezoluție superior.
3) Transmisiv vs. reflectiv
- Transmisiv: substrat din sticlă/ceramică; raport semnal-zgomot ridicat și bună linearitate; potrivit pentru medii curate și poziționare fină.
- Reflectiv: grile metalizate sau cu acoperire reflectantă; structură compactă și montaj facil; mai sensibile la contaminare → necesită etanșare bună și barieră de aer/rașchete.
4) Logică de ieșire incrementală vs. absolută
- Incremental: impulsuri A/B în cuadratură (decalaj 90°); sensul este determinat de precedența de fază; referința Z apare o dată pe cursă/tură.
- Absolut: fiecare poziție are cod unic (binar/Gray); pot fi disponibile diagnostic, temperatură și registre de stare.
Rezoluție liniară aproximativă: Δx ≈ p / (N × M)
unde p = pasul grilei, N = factor de interpolare analogică (ex. 100×), M = factorul de multiplicare digitală (tipic 4×).
Rezoluție unghiulară echivalentă (rotativ): θ_res = 360° / (număr de linii × 4).
Taxonomie (Taxonomy)
- După mișcare: encoder optic liniar / encoder optic rotativ (disc)
- După ieșire: incremental (TTL/HTL/RS422; 1 Vpp/11 µApp) / absolut (SSI, BiSS-C, EnDat 2.2, paralel)
- După implementare optică: transmisiv / reflectiv; de imagine / interferențial; grilă de amplitudine / grilă de fază
- După capsulare: deschis (dinamică ridicată, frecare scăzută) / etanșat (IP65–IP67, rezistent la ceață de ulei și lichide de răcire)
- După cursă/substrat: sticlă/ceramică (CTE scăzut), bandă de oțel (curse lungi), grile reflectante acoperite etc.
Componente cheie și lanțul de semnal (Signal Chain)
- Sursa și optica: LED/laser, colimare/focalizare → determină uniformitatea iluminării și deriva termică; recomandate îmbătrânirea controlată și buclă închisă de putere.
- Grilă/disc: pasul
p, factorul de umplere și precizia de fază determină puritatea semnalului și SDE. - Matrice fotosensibilă / AFE: multicanal, cu reglaj automat al câștigului/offset-ului/fazei (echilibrare ABC).
- ASIC de interpolare/codare: corecție amplitudine/fază, compensare eliptică, filtrare digitală și suprimare a jitter-ului, codare de protocol și drivere de linie.
- Strat fizic: RS422 diferențial, 1 Vpp/11 µApp; proiectarea terminării, cablaj (ecranare/împământare) și a căilor de retur.
Ieșiri și interfețe (Outputs & Interfaces)
| Format de ieșire | Semnal tipic | Descriere |
|---|---|---|
| Pătrat incremental | A/B (+Z), TTL/HTL/RS422 | Contoare rapide PLC, bucle de viteză/poziție; pentru distanțe lungi se preferă diferențialul |
| Sin/Cos | 1 Vpp, 11 µApp | Super-rezoluție prin interpolare; SDE și jitter depind de calitatea lanțului |
| Serial absolut | SSI, BiSS-C, EnDat 2.2 | Valoare absolută mono/multitură, registre de diagnostic/temperatură/alarme |
| Magistrală de câmp | EtherCAT, PROFINET, CANopen | Sincronizare multi-ax, ceasuri distribuite, configurare online |
Estimare lățime de bandă (liniar): f_max ≈ (v / p) × edges
unde v = viteza liniară, iar edges = fronturile utile pe perioadă (ex. 4× în cuadratură).
Specificații cheie (Key Specifications)
| Parametru | Domeniu/descriere tipică |
|---|---|
| Rezoluție | Liniar: 1 µm → 1 nm; Rotativ: ≤ 24 biți echivalenți |
| Acuratețe liniară | Optică high-end: ±1–±3 µm/m; standard: ±3–±10 µm/m |
| Repetabilitate | ≤ ±0,1–±0,3 µm (liniar); pentru unghiular se poate atinge sub arcsecundă |
| SDE (eroare de subdiviziune) | Lanț 1 Vpp de calitate: ±20–±80 nm |
| Jitter | Zeci de nanometri; influențat de AFE și zgomotul de fază al ceasului |
| Eroare de fază/factor de umplere | A/B: 90° ± (1–5)°; duty 50% ± (2–10)% |
| Capacitate de viteză | Liniar > 1 m/s; rotativ până la > 12.000 RPM (în funcție de interfață) |
| Grad ambiental | De la IP40 (deschis) la IP67 (etanșat); încercări IEC 60068-2 (vibrații/șoc) |
Instalare și surse de erori (Installation & Error Sources)
- Interstițiu și atitudine (pitch/roll/yaw) în afara toleranțelor → dezechilibru de amplitudine și creșterea SDE.
- Eroarea Abbe: braț de pârghie × eroare unghiulară; aliniați linia de măsurare prin centrul mișcării sau compensați software.
- Eroare de cosinus (unghiuri mici):
e ≈ (L × θ²) / 2. - Excentricitate/bătaie a arborelui (rotativ): introduce armonici fundamentale/secunde în eroarea unghiulară.
- Dilatare termică (CTE): redusă la sticlă/ceramică; banda de oțel necesită compensare termică și prindere flotantă.
- EMC/împământare: împământare într-un singur punct, ecranări adecvate și căi de retur controlate pentru a evita mod comun/buclă de masă.
Calibrare și compensare (Calibration & Compensation)
- Mapare liniară: măsurați curba de eroare cu interferometru laser/ballbar și încărcați-o în LUT-ul controlerului.
- Compensare termică: corecție în timp real folosind temperatura scării/structurii și modelul de CTE.
- Corecție amplitudine/fază (elipticitate): auto-echilibrare a offset-ului, amplitudinii și fazei înainte de interpolare.
- Strategii de referință: repere de referință codate în funcție de distanță scurtează deplasarea de homing și îmbunătățesc repetabilitatea.
Comparații cu alte principii (Comparisons)
| Tehnologie | Rezoluție/acuratețe | Rezistență la murdărie/mediu | Cursă tipică | Limitări principale |
|---|---|---|---|---|
| Encoder optic | ★★★★★ | ★★★ | Medie/lungă | Sensibil la contaminare/condens; cerințe stricte de instalare |
| Encoder magnetic | ★★☆ | ★★★★ | Lungă | Linearitate și SDE inferioare |
| Inductiv/Capacitiv | ★★★ | ★★★★ | Medie | Sensibil la metale apropiate/curenți turbionari sau umiditate |
| Resolver/Potențiometru | ★★ | ★★★★★/★ | Medie/scurtă | Rezoluție mai mică sau interfețe mai puțin intuitive |
Aplicații (Applications)
Axe liniare și rotative pentru CNC, CMM și platforme de metrologie; aliniere/expunere/inspecție în semiconductori; mese de mișcare de precizie; articulații robotice și monitorizarea jocului în reductoare; echipamente de imagistică/radioterapie; sincronizare în imprimare și ambalare; asamblare/inspecție electronică și manipulare la viteză mare.
Întreținere și depanare (Maintenance & Troubleshooting)
- Rutine: curățare periodică (lavetă fără scame + solvent adecvat), respectarea razei minime de curbură a cablului/ecranare, monitorizarea temperaturii-umidității și a condensului.
- Simptome comune și contramăsuri:
- Pierderea de impulsuri/fronturi: interstițiu în afara limitelor, mascarea de către contaminare → ajustați alinierea/curățați/adaugați etanșări și barieră de aer.
- SDE/jitter crescute: zgomot în AFE/lanțul de interpolare, împământare deficitară → optimizați alimentarea, cablajul și terminarea.
- Eșec comunicație absolută: parametri sau polaritate SSI/BiSS/EnDat nepotrivite → verificați lungimea tramei, CRC, temporizările și impedanțele.
- Eroare unghiulară armonică (rotativ): excentricitate/bătaie → îmbunătățiți concentricitatea și rigiditatea rulmenților, aplicați compensare armonică.
Ghid de selecție (Selection Guide)
- Acuratețe/repetabilitate țintă (µm/m sau arcsec) și dinamica vitezei.
- Principiu optic (transmisiv/reflectiv; imagine/interferențial) și pasul grilei
p. - Interfață de ieșire (A/B/Z, 1 Vpp, SSI/BiSS/EnDat, magistrale) și lățimea de bandă a controlerului.
- Capsulare și mediu (deschis/etanșat, grad IP, prezența lichidelor de răcire/praf).
- Proiectare mecanică/termică (toleranțe pentru interstițiu/atitudine, CTE, prindere flotantă).
- Compensare și diagnostic (hărți de erori, registre de temperatură/stare, alarme online).
- Ciclu de viață (mentenabilitatea capului/cablurilor, disponibilitatea pieselor de schimb, capacități de calibrare).
Standarde și referințe (Standards & References)
- IEC 60529:2020 (grade de protecție IP)
- IEC 60068-2 (vibrații/șoc/temperatură-umiditate)
- IEC 61000-6-2 / -6-4 (EMC industrial: imunitate/emisie)
- ISO 230-2 / ISO 230-3 (teste de poziționare și caracteristici termice pentru mașini-unelte)
- ISO 10360 (verificarea CMM)
- ISO 14644 (cerințe pentru camere curate)
Rezumat: Stăpânirea principiilor, specificațiilor, interfețelor și a aspectelor de instalare/compensare ale encoderelor optice permite o funcționare precisă, robustă, diagnosticabilă și stabilă pe termen lung chiar și în condiții de lucru complexe.