📘 วิกิเอนโค้ดเดอร์
เอนโคเดอร์เชิงเส้น
เครื่องเข้ารหัสเชิงเส้นใช้ในการแปลงการเคลื่อนที่เชิงเส้นเป็นสัญญาณไฟฟ้า (ดิจิทัลหรือแอนะล็อก) สามารถวัดการเคลื่อนที่เชิงเส้นของแท่น สไลด์ หรือชิ้นงานได้โดยตรง เป็นตัวเซ็นเซอร์กำหนดตำแหน่งหลักของเครื่อง CNC, เครื่องวัดพิกัด (CMM), อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ และแพลตฟอร์มอัตโนมัติขั้นสูง เมื่อเทียบกับการคำนวณตำแหน่งทางอ้อมด้วยสกรูบอล/เฟืองสะพาน เครื่องเข้ารหัสเชิงเส้นให้การ “วัดโดยตรง” ซึ่งช่วยลดผลกระทบจากการขยายตัวด้วยความร้อนของสกรูบอล แบ็กลาช และความคลาดเคลื่อนในการส่งกำลังต่อความแม่นยำของตำแหน่งได้อย่างมาก
เครื่องเข้ารหัสเชิงเส้นคืออะไร (What is a Linear Encoder)
เครื่องเข้ารหัสเชิงเส้นประกอบด้วย สเกล (Scale/Rule) และ หัวอ่าน (Readhead): บนสเกลจะมีโครงสร้างที่เป็นคาบ (แถบโฟโตอิเล็กทริก แม่เหล็ก หรือลวดลายเหนี่ยวนำ) หัวอ่านเคลื่อนที่เหนือสเกลตามช่องว่างที่กำหนด อ่านข้อมูลตำแหน่งและส่งออกเป็นสัญญาณไฟฟ้า แบ่งได้ตามรูปแบบสัญญาณออกเป็น แบบเพิ่มค่า (Incremental) และ แบบสัมบูรณ์ (Absolute); ตามหลักการตรวจจับแบ่งได้เป็น แบบออปติคัล แม่เหล็ก อินดักทีฟ และคาปาซิทีฟ; ตามโครงสร้างแบ่งเป็น แบบเปิด (open-type) และ แบบปิดผนึก (enclosed/sealed)
หลักการทำงาน (Working Principle)
แบบออปติคัล (Optical)
- โครงสร้าง: สเกลแก้ว/เซรามิก (หรือแถบสแตนเลส) + แหล่งกำเนิดแสง LED/เลเซอร์ + อาร์เรย์โฟโตไดโอด
- กลไก: การแทรกสอดแบบส่งผ่าน/สะท้อนหรือแถบมอยเร่ หัวอ่านถอดรหัสและอินเตอร์โพเลตสัญญาณ
- คุณสมบัติ: ความละเอียดสูง (ระดับนาโนเมตร) ความคลาดเคลื่อนเชิงเส้นต่ำถึง ±1 μm/m; แต่ไวต่อสิ่งสกปรกและการควบแน่น
แบบแม่เหล็ก (Magnetic)
- โครงสร้าง: แถบแม่เหล็กที่เรียงขั้วอย่างสม่ำเสมอ (แถบเหล็กหรือนุ่มยืดหยุ่น) + เซ็นเซอร์ Hall/AMR/GMR/TMR
- กลไก: หัวอ่านตรวจจับการเปลี่ยนแปลงสนามแม่เหล็กตามการเคลื่อนที่เพื่อคำนวณตำแหน่ง
- คุณสมบัติ: ทนต่อน้ำมันและการสั่นสะเทือน ยอมรับความคลาดเคลื่อนการติดตั้งได้สูง รองรับระยะยาว (หลายสิบเมตร) แต่ความละเอียดและความแม่นยำต่ำกว่าออปติคัลระดับสูง
แบบอินดักทีฟ (Inductive)
- โครงสร้าง: ขดลวดกระตุ้นและรับสัญญาณในหัวอ่าน; สเกลเป็นลวดลายโลหะนำไฟฟ้า
- กลไก: การเหนี่ยวนำและกระแสวนเปลี่ยนไปตามระยะห่าง/ตำแหน่ง หัวอ่านถอดรหัสเฟส/แอมพลิจูดเพื่อหาการเคลื่อนที่
- คุณสมบัติ: ทนต่อการปนเปื้อน อุณหภูมิสูง และสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า ความแม่นยำอยู่ระหว่างแบบออปติคัลและแม่เหล็ก
แบบคาปาซิทีฟ (Capacitive)
- โครงสร้าง: อาร์เรย์อิเล็กโทรด + สเกลที่มีลวดลายเป็นคาบ
- กลไก: การเปลี่ยนแปลงของเมทริกซ์ความจุตามการเคลื่อนที่ หัวอ่านใช้การล็อกเฟส/การถอดรหัสเพื่อหาตำแหน่ง
- คุณสมบัติ: โครงสร้างกะทัดรัด ใช้พลังงานต่ำ แต่ไวต่อความชื้นและการรบกวนโลหะใกล้เคียง ต้องมีการป้องกันและการกราวด์ที่ดี
ประเภทและโครงสร้าง (Types & Constructions)
1) ตามสัญญาณเอาต์พุต
- แบบเพิ่มค่า (Incremental): ส่งสัญญาณ A/B ในควอดราเจอร์ (อาจมี Z/จุดอ้างอิง) คอนโทรลเลอร์ต้องนับสัญญาณ; อาจให้สัญญาณ 1 Vpp sine/cosine สำหรับการอินเตอร์โพเลชันละเอียด
- แบบสัมบูรณ์ (Absolute): ให้รหัสเฉพาะตำแหน่งใดก็ได้; อาจเป็นรหัสเดี่ยวหรือ distance-coded reference marks ใช้โปรโตคอล SSI, BiSS-C, EnDat
2) ตามการบรรจุและการป้องกัน
- แบบเปิด (Open-type): หัวอ่านเปิด การตอบสนองไดนามิกสูง แรงเสียดทานต่ำ; เหมาะกับสภาพแวดล้อมที่สะอาด
- แบบปิดผนึก (Sealed/Enclosed): สเกลและหัวอ่านอยู่ในตัวเรือนปิดสนิท มีที่กวาด/ม่านลมป้องกัน เหมาะกับเครื่องจักรและงานที่มีสิ่งสกปรกหนัก
3) ตามวัสดุสเกล
- แก้ว/เซรามิก: ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวต่ำ (CTE) ความแม่นยำระดับ μm/m; ต้องการฐานรองที่มั่นคงและการควบคุมอุณหภูมิ
- แถบเหล็ก/สแตนเลส: รองรับการวัดระยะยาว ม้วนเก็บได้; CTE สูงกว่า ต้องการชดเชยความร้อน
- แถบแม่เหล็ก (แบบกาว/รางยึด): ติดตั้งง่าย ทนต่อสิ่งสกปรก; ความแม่นยำเชิงเส้นต่ำกว่าออปติคัล
- ลวดลายโลหะนำไฟฟ้าอินดักทีฟ/คาปาซิทีฟ: โครงสร้างแข็งแรง ทนทานต่อสิ่งแวดล้อม
เอาต์พุตและอินเตอร์เฟซ (Outputs & Interfaces)
| ประเภท | รูปแบบสัญญาณ | การใช้งานทั่วไป |
|---|---|---|
| สี่เหลี่ยมเพิ่มค่า | A/B (+Z), TTL/HTL, RS422 | การนับความเร็วสูงของ PLC, วงรอบความเร็ว/ตำแหน่ง |
| Sine/Cosine | 1 Vpp, 11 μApp | อินเตอร์โพเลชันละเอียด (×4 ถึง >10,000×) |
| Absolute Serial | SSI, BiSS-C, EnDat 2.2 | สัญญาณตำแหน่งสัมบูรณ์, การวินิจฉัย, ข้อมูลอุณหภูมิ/สถานะ |
| Fieldbus/Ethernet | CANopen, EtherCAT, PROFINET | ซิงโครไนซ์หลายแกน, ระยะไกล, การวินิจฉัยออนไลน์ |
ความถี่เอาต์พุตสูงสุดสัมพันธ์กับความเร็ว (สี่เหลี่ยมเพิ่มค่า):
f_max ≈ (V / Pitch) × Edges_per_cycle
- V: ความเร็วเชิงเส้น (mm/s)
- Pitch: ระยะคาบของสเกล (mm/cycle)
- Edges_per_cycle: จำนวนขอบสัญญาณต่อคาบ (เช่น ×4)
ข้อกำหนดหลัก (Key Specifications)
| ข้อกำหนด | ความหมาย/ค่าทั่วไป | หมายเหตุ |
|---|---|---|
| Resolution (ความละเอียด) | 5 μm → 0.1 μm (แม่เหล็ก/แถบเหล็ก); 1 μm → 1 nm (ออปติคัล/อินเตอร์เฟอโรเมตริก) | ขึ้นกับการอินเตอร์โพเลชัน |
| Accuracy (ความแม่นยำเชิงเส้น) | ±3 ~ ±10 μm/m (แม่เหล็ก); ±1 ~ ±3 μm/m (ออปติคัลขั้นสูง) | แสดงเป็น μm/m หรือ ppm |
| Repeatability (การทำซ้ำ) | < ±0.1 ~ ±0.5 μm (ออปติคัลขั้นสูง) | ขึ้นกับสิ่งแวดล้อมและการติดตั้ง |
| Subdivision Error (SDE) | ±20 ~ ±80 nm (ระบบ 1 Vpp คุณภาพสูง) | ความคลาดเคลื่อนคาบจากการอินเตอร์โพเลชัน |
| Jitter/Noise (การสั่น/สัญญาณรบกวน) | ระดับสิบ ๆ nm | เกี่ยวข้องกับวงจรแอนะล็อกและแหล่งจ่าย |
| Reference Marks | จุดเดียว, distance-coded, แบบสองทิศทาง | ใช้สำหรับ homing หรือสร้างจุดอ้างอิง |
| Measuring Length (ระยะวัด) | 0.1 m → มากกว่า 30 m | ระยะยาวต้องมีการต่อและชดเชย |
| Ride Height (ระยะห่างติดตั้ง) | 0.1 ~ 1.0 mm | จำกัด pitch/roll/yaw |
| CTE (สัมประสิทธิ์การขยายตัวความร้อน) | แก้ว/เซรามิก: ~0.5–2 ppm/K; เหล็ก: ~10–17 ppm/K | กำหนดกลยุทธ์การชดเชยความร้อน |
| IP Rating (ระดับป้องกัน) | IP40 (เปิด) → IP67 (ปิดผนึก) | ต้องคำนึงถึงน้ำมัน หมอกเย็น ฝุ่น |
การติดตั้งและข้อผิดพลาดเชิงเรขาคณิต (Installation & Geometric Errors)
- ระยะห่าง/มุมติดตั้ง: ควบคุมระยะหัวอ่านกับสเกล และมุม pitch/roll/yaw หากเกินกำหนดจะทำให้สัญญาณอ่อนลงและ SDE เพิ่มขึ้น
- Abbe Error: ระยะเยื้องจากแนววัดกับแกนเคลื่อนที่ × ความคลาดเคลื่อนเชิงมุม → เกิดข้อผิดพลาดเพิ่มเติม ควรให้แนววัดตรงกับแกนเคลื่อนที่หรือทำการชดเชย
- Cosine Error: แนวแกน encoder ไม่ขนานกับทิศทางการเคลื่อนที่ → เกิดข้อผิดพลาดเชิง投影
- การยึดและการขยายตัวความร้อน: แถบเหล็ก/แม่เหล็กควรติดตั้งแบบลอยเพื่อลดแรงดึงจากอุณหภูมิ; สเกลแก้ว/เซรามิคต้องการฐานรองที่มีอุณหภูมิสม่ำเสมอ
- Grounding & Shielding: กราวด์แบบจุดเดียว, เชื่อมต่อสายชิลด์ตามมาตรฐาน ป้องกัน ground loop และสัญญาณรบกวน
การสอบเทียบและการชดเชย (Calibration & Compensation)
- Linear Compensation: ใช้เลเซอร์อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์, ballbar หรือ block วัดความแม่นยำเพื่อสร้าง error map
- Thermal Compensation: ชดเชยตาม CTE และการกระจายอุณหภูมิของเครื่องจักร; ระบบขั้นสูงอาจรวมอุณหภูมิหัวอ่าน
- ลด SDE: เลือกสัญญาณ 1 Vpp คุณภาพสูง ปรับปรุงวงจรแอนะล็อก/อัลกอริทึมอินเตอร์โพเลชัน รักษาระยะและมุมติดตั้งให้คงที่
- Reference Strategy: ใช้ distance-coded marks เพื่อลดการวิ่ง homing; แบบสองทิศทางให้ความทำซ้ำสูงขึ้น
การเปรียบเทียบกับเทคโนโลยีอื่น (Comparisons)
| เทคโนโลยี | ข้อดี | ข้อจำกัด | การใช้งานทั่วไป |
|---|---|---|---|
| Linear Encoder (Optical) | ความละเอียดระดับนาโน, ความแม่นยำระดับ μm/m, การตอบสนองดี | ไวต่อสิ่งสกปรก/ควบแน่น, ติดตั้งยาก | CNC, CMM, เซมิคอนดักเตอร์ |
| Linear Encoder (Magnetic) | ทนสิ่งสกปรก, ยอมรับการติดตั้งกว้าง, ระยะยาว | ความละเอียดต่ำกว่า | ระบบลำเลียง, งานอุตสาหกรรมหนัก |
| Laser Interferometer | ความแม่นยำสูงสุด, สามารถสอบเทียบ | ราคาสูง, ไวต่อสิ่งแวดล้อม | การสอบเทียบ, เมโทรโลยี |
| LVDT/กระแสวน | แข็งแรง, ทำซ้ำได้ดีในระยะสั้น | ระยะวัดจำกัด, ความเป็นเส้นตรงต่ำ | ควบคุมระยะสั้น, จุดหยุด |
| Rotary Encoder + Ball Screw | ต้นทุนต่ำ, เทคโนโลยีแพร่หลาย | ผลกระทบจากการขยายตัว/แบ็กลาช/ระยะเกลียว | การกำหนดตำแหน่งความแม่นยำกลาง-ต่ำ |
การใช้งาน (Applications)
- แกนเชิงเส้น CNC (X/Y/Z): รักษาความแม่นยำแม้มีความร้อนจากการตัดและโหลดเปลี่ยนแปลง
- CMM/แท่นไมโครสโคปวัด: อินเตอร์โพเลชันระดับนาโน + error mapping เพื่อความแม่นยำ
- อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์: ลิโธกราฟี/การจัดตำแหน่ง/การตรวจสอบ ต้องการ jitter ระดับนาโนและ SDE ต่ำ
- การพิมพ์/บรรจุ/วางชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ขั้นสูง: ระยะยาว ความเร็วสูง ควบคุมซิงโครไนซ์
- อุปกรณ์การแพทย์: เตียง CT/MRI, ระบบกำหนดตำแหน่งรังสีรักษา
- ลอจิสติกส์และอุปกรณ์ขนาดใหญ่: แถบแม่เหล็กสำหรับระยะวัดยาว ทนต่อสิ่งแวดล้อม
การบำรุงรักษาและการแก้ไขปัญหา (Maintenance & Troubleshooting)
การบำรุงรักษาประจำ
- ทำความสะอาดสม่ำเสมอ (ออปติคัล: ผ้าไม่เป็นขุย+แอลกอฮอล์; แม่เหล็ก: กำจัดเศษเหล็ก)
- ตรวจสอบรัศมีการโค้งงอสายและการยึด ป้องกันการขาดและการเสียหายของชิลด์
- ตรวจสอบสภาพแวดล้อม (T°, ความชื้น, น้ำหล่อเย็น) ป้องกันการควบแน่นและรั่วไหล
ปัญหาทั่วไป
| อาการ | สาเหตุที่เป็นไปได้ | วิธีแก้ |
|---|---|---|
| สัญญาณหาย/สูญเสียขอบ | ระยะเกิน, การติดตั้งผิด, สิ่งสกปรกบัง | ปรับหัวอ่าน, ทำความสะอาดสเกล, ตรวจสอบการยึด |
| Jitter/Interpolation Error สูง | วงจรแอนะล็อกมีสัญญาณรบกวน, การกราวด์ไม่ดี | ปรับปรุงชิลด์/กราวด์, ใช้สาย/ไฟคุณภาพสูง |
| Linear Error สูง | ติดตั้งผิด, ไม่มีการชดเชยความร้อน | ติดตั้งใหม่แบบลอย, ทำ error mapping |
| Absolute Communication ล้มเหลว | พารามิเตอร์ SSI/BiSS/EnDat ไม่ตรง | ตรวจสอบ timing, โพลาริตี้, CRC, อิมพีแดนซ์สาย |
| Reference Mark ไม่เสถียร | เครื่องหมายสกปรก/ตั้งค่าผิด | ทำความสะอาด, ตรวจสอบการตั้งค่า |
มาตรฐานและอ้างอิง (Standards & References)
- IEC 60529:2020 (ระดับการป้องกัน IP)
- IEC 60068-2 (การสั่น/การกระแทก/ความชื้น/หมอกเกลือ)
- IEC 61000-6-2/-6-4 (EMC อุตสาหกรรม: ความทนทาน/การปล่อยสัญญาณ)
- ISO 230-2 / ISO 230-3 (ความแม่นยำเครื่องจักร/คุณสมบัติความร้อน)
- ISO 10360 (การตรวจสอบ CMM)
- ISO 14644 (มาตรฐานห้องคลีนรูม)
หมายเหตุ: ความเหมาะสมขึ้นอยู่กับอุปกรณ์และอุตสาหกรรม ควรตรวจสอบคู่มือผู้ผลิตและเงื่อนไขจริง
คู่มือการเลือกใช้งาน (Selection Guide)
- เป้าหมายความแม่นยำ: กำหนดความแม่นยำตำแหน่ง/การทำซ้ำและความคลาดเคลื่อนเชิงเส้นที่ยอมรับได้ (μm/m)
- หลักการเลือก: สะอาด/ต้องการความแม่นยำสูง → ออปติคัล; สกปรก/สั่น/ระยะยาว → แม่เหล็กหรืออินดักทีฟ
- เอาต์พุตและอินเตอร์เฟซ: Incremental สำหรับวงจรความเร็ว; SSI/BiSS/EnDat หรือ EtherCAT สำหรับความแม่นยำสูง/ซิงโครไนซ์หลายแกน
- กลไกและการติดตั้ง: ยืนยันระยะวัด, วัสดุสเกล, CTE, ระยะห่างและมุม, วิธีการติดตั้ง (ลอย/กาว/ยึดราง)
- สิ่งแวดล้อมและการป้องกัน: น้ำหล่อเย็น/ฝุ่น/อุณหภูมิแปรปรวน → ใช้แบบปิดผนึกที่มี IP เหมาะสม พร้อมม่านลม/ที่กวาด
- การชดเชยและการวินิจฉัย: รองรับ error mapping, การตรวจอุณหภูมิ/สถานะ, การแจ้งเตือนออนไลน์
- วงจรชีวิต: ความสะดวกในการเปลี่ยนสาย/หัวอ่าน, ความพร้อมของอะไหล่, การสอบเทียบและบริการ
ด้วยการเข้าใจหลักการ โครงสร้าง และข้อกำหนดการติดตั้งของเครื่องเข้ารหัสเชิงเส้น รวมถึงการสร้างแบบจำลองข้อผิดพลาด การชดเชยความร้อน และการตรวจสอบมาตรฐาน ทีมวิศวกรสามารถบรรลุ ความแม่นยำสูง อายุการใช้งานยาวนาน และความสามารถในการวินิจฉัย ในการกำหนดตำแหน่งเชิงเส้นและการควบคุมความเร็ว แม้ในสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรมที่ซับซ้อนที่สุด