📘 Kodarewiki
Linjära encodrar
Linjära enkodrar används för att omvandla en linjär förflyttning till elektriska signaler (digitala eller analoga). De mäter direkt den linjära rörelsen hos bord, slädar eller arbetsstycken och är centrala positionssensorer i CNC-maskiner, koordinatmätmaskiner (CMM), halvledarutrustning och avancerade automationsplattformar. Till skillnad från indirekt beräkning av förflyttning via kulskruvar eller kuggstänger erbjuder linjära enkodrar ”direktmätning”, vilket avsevärt minskar effekten av termisk expansion, glapp och transmissionsfel på positionsnoggrannheten.
Vad är en linjär enkodrar (What is a Linear Encoder)
En linjär enkodrar består av en skala (Scale/Rule) och ett avläsarhuvud (Readhead): skalan har periodiska strukturer (optiska gitter, magnetiska band, induktiva mönster), medan avläsarhuvudet rör sig ovanför med ett definierat gap, läser positionsinformationen och genererar en elektrisk signal. Beroende på utgångstyp delas de in i inkrementella och absoluta; beroende på detektionsprincip i optiska, magnetiska, induktiva, kapacitiva; och beroende på konstruktion i öppna (open-type) och slutna (sealed/enclosed).
Arbetsprincip (Working Principle)
Optiska (Optical)
- Struktur: Glas/keramisk gitter (eller stålband) + LED/laserljuskälla + fotodiodmatris.
- Mekanism: Transmissions- eller reflektionsinterferens eller Moiré-mönster; signalen demoduleras och interpoleras.
- Egenskaper: Hög upplösning (nm-nivå), linjära fel ner till ±1 μm/m; känsliga för smuts och kondens.
Magnetiska (Magnetic)
- Struktur: Magnetiskt band med jämn polplacering (stål eller flexibelt band) + Hall/AMR/GMR/TMR-sensorer.
- Mekanism: Avläsarhuvudet känner av magnetfältets variationer och beräknar positionen.
- Egenskaper: Motståndskraftiga mot olja, vibrationer, större monteringstoleranser, långa mätlängder (upp till tiotals meter); lägre upplösning och noggrannhet än avancerade optiska.
Induktiva (Inductive)
- Struktur: Spolar i avläsarhuvudet; skalan har ledande mönster.
- Mekanism: Koppling och virvelströmmar varierar med avstånd och position; fas och amplitud demoduleras.
- Egenskaper: Tåliga mot smuts, hög temperatur och elektromagnetisk störning; noggrannhet mellan optiska och magnetiska.
Kapacitiva (Capacitive)
- Struktur: Elektrodmatris + skala med periodiska mönster.
- Mekanism: Kapacitansmatrisen förändras med förflyttning; avläsarhuvudet låser fas och dekodar signalen.
- Egenskaper: Kompakt konstruktion, låg effektförbrukning; känslig för fukt och metallnära effekter, kräver god avskärmning och jordning.
Typer och konstruktioner (Types & Constructions)
1) Efter utgångssignal
- Inkrementell (Incremental): Utgångar A/B i kvadratur (med valfri Z-referens); kräver räkning i styrsystem; kan även ge 1 Vpp sinus/cosinus analogsignal för interpolering.
- Absolut (Absolute): Ger en unik kod i varje position; kan inkludera distance-coded reference marks; vanliga protokoll är SSI, BiSS-C, EnDat.
2) Efter kapsling och skydd
- Öppen (Open-type): Exponerat huvud, hög dynamik, lågt friktion; för rena miljöer.
- Sluten (Sealed/Enclosed): Skala och huvud i tät kapsling med borstar eller luftspärr; för maskiner i smutsiga miljöer.
3) Efter skalmaterial
- Glas/keramiska gitter: Låg termisk expansion (CTE), precision i µm/m; kräver stabilt stöd och temperaturkontroll.
- Stålband/rostfritt band: Lång mätlängd, kan rullas; högre CTE, kräver kompensering.
- Magnetband (självhäftande eller med fästskena): Lätt att montera, smutsresistenta; lägre precision än optiska.
- Induktiva/kapacitiva ledarmönster: Robust och tålig konstruktion.
Utgångar och gränssnitt (Outputs & Interfaces)
| Typ | Utgångssignal | Typisk användning |
|---|---|---|
| Inkrementell | A/B (+Z), TTL/HTL, RS422 | Snabb räknare i PLC, reglering av hastighet/position |
| Sinus/Cosinus | 1 Vpp, 11 μApp | Högupplöst interpolering (upp till ×10.000) |
| Absolut | SSI, BiSS-C, EnDat 2.2 | Absolut position, diagnostik, temperatur/status |
| Fältbuss/Ethernet | CANopen, EtherCAT, PROFINET | Multi-axel-synkronisering, långdistans, diagnostik |
Max utgångsfrekvens för inkrementella signaler:
f_max ≈ (V / Pitch) × Edges_per_cycle
- V: linjär hastighet (mm/s)
- Pitch: skalsteg (mm/cykel)
- Edges_per_cycle: antal kanter per cykel (t.ex. ×4 multiplikation)
Viktiga specifikationer (Key Specifications)
| Parameter | Typiska värden/tolkning | Kommentar |
|---|---|---|
| Upplösning (Resolution) | 5 μm → 0.1 μm (magnetiska/stål); 1 μm → 1 nm (optiska/interferometriska) | Beroende på interpolering |
| Noggrannhet (Accuracy) | ±3 ~ ±10 μm/m (magnetiska); ±1 ~ ±3 μm/m (optiska) | Anges i μm/m eller ppm |
| Repeterbarhet (Repeatability) | < ±0.1 ~ ±0.5 μm (optiska) | Påverkas av montering/miljö |
| Interpoleringsfel (SDE) | ±20 ~ ±80 nm (kvalitativt 1 Vpp-system) | Periodiskt interpoleringsfel |
| Jitter/Brus (Jitter/Noise) | Tiotals nm | Beroende av analogkedja och strömförsörjning |
| Referenspunkter | Enkel, distance-coded, dubbelriktad | För homing eller absolut referens |
| Mätlängd (Measuring Length) | 0.1 m → 30+ m | Längre längder kräver kompensering |
| Monteringsgap (Ride Height) | 0.1 ~ 1.0 mm | Toleranser pitch/roll/yaw inkluderade |
| CTE | Glas/keramik: ~0.5–2 ppm/K; stål: ~10–17 ppm/K | Avgör värmekompensation |
| Skyddsklass (IP) | IP40 (öppen) → IP67 (sluten) | Välj beroende på olja/damm/kylvätska |
Monterings- och geometriska fel (Installation & Geometric Errors)
- Gap/inställning: Höjd och vinklar (pitch/roll/yaw) måste hållas inom tolerans; annars → signaldämpning, högre SDE.
- Abbe-fel (Abbe Error): Avstånd mellan mätslinjen och rörelsecentrum × vinkel → extra fel; minimera offset.
- Cosinusfel (Cosine Error): Om enkoderns axel inte är parallell med rörelsen uppstår projektionfel.
- Termisk koppling/montering: Stål-/magnetband ska monteras flytande för att undvika töjning; glas/keramik kräver izotermiskt stöd.
- Jordning och skärmning: Enpunktsjordning, korrekt kabelskärm för att undvika störslingor.
Kalibrering och kompensation (Calibration & Compensation)
- Linjär kompensation: Laserinterferometer, ballbar eller block för att skapa felkartor.
- Termisk kompensation: Använd CTE och maskinmodell; avancerade system inkluderar temperatur i avläsarhuvud.
- Minskning av SDE: Högkvalitativa 1 Vpp-signaler, optimerad analogkedja och algoritmer.
- Referensstrategier: Distance-coded märken kortar homing; dubbelriktade märken förbättrar repeterbarhet.
Jämförelse med andra teknologier (Comparisons)
| Teknologi | Fördelar | Begränsningar | Typiska användningar |
|---|---|---|---|
| Linjär enkodrar (optisk) | Nanometer-upplösning, μm/m-noggrannhet, hög dynamik | Känslig för smuts/kondens, hög monteringskrav | CNC, CMM, halvledare |
| Linjär enkodrar (magnetisk) | Smutsresistent, stora toleranser, långa slag | Lägre precision/upplösning | Automation, tung industri |
| Laserinterferometer | Högsta noggrannhet, spårbarhet | Dyr, miljökänslig | Kalibrering, metrologi |
| LVDT/virvelström | Robust, hög repeterbarhet | Begränsad slaglängd, linjäritetsproblem | Korta slag, precisionsstyrning |
| Roterande enkodrar + skruv | Låg kostnad, beprövat | Fel p.g.a. termisk expansion, glapp, stigning | Medel-/lågnoggranna system |
Användningsområden (Applications)
- CNC-maskiners linjära axlar (X/Y/Z): Behåller hög precision vid värmebelastning och varierande krafter.
- CMM/metrologiska plattformar: Nanometerinterpolering + felkartor ger dimensionsspårbarhet.
- Halvledarutrustning: Litografi, inriktning, inspektion; krav på nm-jitter och låg SDE.
- Avancerad tryckning/förpackning/montering: Långa slag, höga hastigheter, synkronisering.
- Medicinsk utrustning: CT/MRI-bord, strålterapisystem.
- Logistik och tung utrustning: Magnetband för långa slag, hög tålighet.
Underhåll och felsökning (Maintenance & Troubleshooting)
Rutinkontroller
- Regelbunden rengöring (optiska: luddfri trasa + isopropanol; magnetiska: avlägsna metallspån).
- Kontrollera kabelböjradie och fastsättning; undvik kabelbrott/skärmfel.
- Övervaka miljö (T°, fukt, kylvätska), undvik kondens och vätskeinträde.
Vanliga problem
| Symptom | Möjlig orsak | Åtgärd |
|---|---|---|
| Signalförlust | För stort gap, felinriktning, smuts | Justera huvudets höjd; rengör skalan; kontrollera montering |
| Jitter/högt SDE | Brus i analogkedjan, dålig jordning | Förbättra skärmning; byt till kvalitetsström/kablar |
| Stort linjärt fel | Felaktig montering, ingen kompensation | Ommontera (flytande), kalibrera med felkartor |
| Kommunikationsfel (absolut) | SSI/BiSS/EnDat parametrar fel | Kontrollera timing, polaritet, CRC, kabelimpedans |
| Instabil referenspunkt | Felaktiga märken eller smuts | Rengör, kontrollera strategi och inställningar |
Standarder och referenser (Standards & References)
- IEC 60529:2020 (IP-skydd)
- IEC 60068-2-serien (vibration/chock/fukt/saltspray)
- IEC 61000-6-2/-6-4 (industriell EMC: immunitet/emission)
- ISO 230-2 / ISO 230-3 (maskiners precision och värmeegenskaper)
- ISO 10360-serien (CMM-verifiering)
- ISO 14644-serien (renrum, halvledare/metrologi)
Notis: Användning beror på bransch och utrustning; bekräfta alltid med tillverkarens dokumentation.
Urvalsguide (Selection Guide)
- Noggrannhetsmål: Definiera positions/repeternoggrannhet och tolererad linjär fel (μm/m).
- Principval: Optisk för rena/högprecision; magnetisk/induktiv för smutsiga miljöer eller långa slag.
- Utgångar och gränssnitt: Inkrementell för hastighetsreglering; SSI/BiSS/EnDat eller EtherCAT för hög precision/multi-axel.
- Mekanik och montering: Bekräfta längd, material, CTE, gap och toleranser, fästmetod (flytande/limmad/klämd).
- Miljö och skydd: Kylvätska/damm/temp. → välj slutna med rätt IP, använd luftbarriär eller borstar.
- Kompensation och diagnostik: Stöd för felkartor, temperatur/statusövervakning, online-diagnostik.
- Livscykel: Enkel kabel-/huvudbyte, reservdelstillgång, kalibrerings- och servicekapacitet.
Genom att förstå principerna, konstruktionen och monteringskraven för linjära enkodrar, kombinerat med felmodellering, värmekompensation och standardiserad verifiering, kan ingenjörsteam uppnå hög precision, lång livslängd och diagnostiserbarhet för linjär positionering och hastighetskontroll även i krävande miljöer.