📘 Enkoder Viki
Doğrusal enkoderler
Doğrusal enkoderler, doğrusal yer değiştirmeyi elektrik sinyallerine (dijital veya analog) dönüştürmek için kullanılır. Platformların, kızakların veya iş parçalarının doğrusal hareketini doğrudan ölçebilirler ve CNC tezgâhları, koordinat ölçüm makineleri (CMM), yarı iletken ekipmanları ve ileri düzey otomasyon platformlarının temel konumlandırma sensörleridir. Vida mili/dişli aktarımı üzerinden dolaylı ölçümle karşılaştırıldığında, doğrusal enkoderler "doğrudan ölçüm" sağlar, böylece vida milinin ısıl genleşmesi, boşluk (backlash) ve iletim hatalarının konumlandırma doğruluğuna etkisi önemli ölçüde azaltılır.
Doğrusal Enkoder Nedir (What is a Linear Encoder)
Bir doğrusal enkoder, ölçek (Scale/Rule) ve okuma kafasından (Readhead) oluşur: Ölçek üzerinde periyodik yapılar (optik ızgara, manyetik şerit, indüktif desen) bulunur; okuma kafası belirli bir hava aralığı (gap) ile bu ölçek üzerinde hareket eder, konum bilgisini okur ve elektrik sinyali olarak çıkış verir. Çıkış biçimine göre artımsal (incremental) veya mutlak (absolute) olabilir; algılama yöntemine göre optik, manyetik, indüktif, kapasitif sınıflara ayrılır; yapısına göre açık tip (open-type) veya kapalı/korumalı (enclosed/sealed) olabilir.
Çalışma Prensibi (Working Principle)
Optik (Optical)
- Yapı: Cam/seramik ızgara (veya paslanmaz çelik bant) + LED/lazer ışık kaynağı + fotodiyot dizisi.
- Mekanizma: Geçirgen/yansıtmalı optik yol, girişim veya Moiré deseninin algılanması; okuma kafası deseni çözümler ve enterpolasyon yapar.
- Özellikler: Çok yüksek çözünürlük (nm seviyesi), sistem doğruluğu ±1 μm/m’ye kadar olabilir; ancak kirlilik ve yoğuşmaya hassastır.
Manyetik (Magnetic)
- Yapı: Sabit kutup aralığına sahip manyetik bant (çelik veya esnek) + Hall/AMR/GMR/TMR sensör dizisi.
- Mekanizma: Okuma kafası, yer değiştirmeye bağlı değişen manyetik alan dalgasını algılar ve konumu hesaplar.
- Özellikler: Yağa ve titreşime dayanıklı, büyük montaj toleransı, uzun ölçüm aralığı (onlarca metreye kadar); çözünürlük/doğruluk optiğe göre daha düşüktür.
Endüktif (Inductive)
- Yapı: Okuma kafasında uyarım ve algılama bobinleri; ölçek üzerinde iletken desen.
- Mekanizma: Kuplaj ve girdap akımı etkileri hava aralığına ve konuma bağlı olarak değişir; okuma kafası faz/genlik değişimini çözümler.
- Özellikler: Kirliliğe dayanıklı, yüksek sıcaklığa uygun, elektromanyetik girişime dayanıklı; doğruluk optik ve manyetik sistemler arasında.
Kapasitif (Capacitive)
- Yapı: Elektrot dizisi + periyodik desenli ölçek.
- Mekanizma: Yer değiştirmeye bağlı olarak kapasitans matrisi değişir; okuma kafası faz kilitleme/çözme teknikleriyle konumu çıkarır.
- Özellikler: Kompakt yapı, düşük güç tüketimi; neme ve yakın metal kütlelerine hassas, iyi ekranlama ve topraklama gerektirir.
Türler ve Yapılar (Types & Constructions)
1) Çıkış sinyaline göre
- Artımsal (Incremental): A/B kare dalga (ve opsiyonel Z referans sinyali) üretir; kontrolör tarafında sayıcı gerektirir. 1 Vpp sinüs/kosinüs analog çıkış vererek ince bölümlü enterpolasyona imkân tanır.
- Mutlak (Absolute): Her pozisyonda benzersiz kod üretir; tek tur/çok tur; mesafe kodlu referans işaretleri (distance-coded reference marks) bulunabilir; yaygın SSI, BiSS-C, EnDat protokolleri kullanılır.
2) Korumaya göre
- Açık tip (Open-type): Okuma kafası açıktadır; yüksek dinamik tepki, düşük sürtünme; temiz veya yarı temiz ortamlara uygundur.
- Kapalı/korumalı (Sealed/Enclosed): Ölçek ve okuma kafası korumalı muhafaza içindedir; silecek/hava perdesi ile korunur; takım tezgâhları ve ağır kirli ortamlara uygundur.
3) Ölçek malzemesine göre
- Cam/seramik ızgaralar: Çok düşük ısıl genleşme katsayısı (CTE), µm/m hassasiyet; kararlı destek ve sıcaklık kontrolü gerektirir.
- Çelik/paslanmaz bantlar: Uzun ölçüm aralıkları, sarılabilir; CTE yüksektir, ısıl telafi gerektirir.
- Manyetik bantlar (yapışkanlı/railli): Esnek montaj, kirlenmeye dayanıklı; doğruluk optiğe göre daha düşük.
- Endüktif/kapasitif iletken desenler: Sağlam ve çevresel dayanıklılığı yüksektir.
Çıkışlar ve Arayüzler (Outputs & Interfaces)
| Kategori | Çıkış Tipi | Tipik Kullanım |
|---|---|---|
| Artımsal | A/B (+Z), TTL/HTL, RS-422 | PLC yüksek hızlı sayma, hız/konum döngüleri |
| Sinüs/Kosinüs | 1 Vpp, 11 µA_pp | Yüksek çözünürlüklü enterpolasyon (×4 ~ ×10.000) |
| Mutlak | SSI, BiSS-C, EnDat 2.2 | Mutlak pozisyon, tanılama, sıcaklık/durum verisi |
| Fieldbus/Ethernet | CANopen, EtherCAT, PROFINET | Çoklu eksen senkronizasyonu, uzun mesafe, çevrimiçi tanılama |
Maksimum çıkış frekansı ile hız ilişkisi (artımsal kare dalga):
f_max ≈ (V / Pitch) × Edges_per_cycle
- V: Doğrusal hız (mm/s)
- Pitch: Izgara adımı (mm/çevrim)
- Edges_per_cycle: Her çevrimdeki kenar sayısı (ör. ×4 çarpanlı)
Temel Teknik Özellikler (Key Specifications)
| Özellik | Anlamı / Tipik Aralık | Notlar |
|---|---|---|
| Çözünürlük (Resolution) | 5 μm → 0.1 μm (manyetik/çelik bant); 1 μm → 1 nm (optik/girişim tipi) | Enterpolasyon katsayısına bağlı |
| Doğruluk (Accuracy) | ±3 ~ ±10 μm/m (manyetik); ±1 ~ ±3 μm/m (optik üst seviye) | μm/m veya ppm olarak ifade edilir |
| Tekrarlanabilirlik (Repeatability) | < ±0.1 ~ ±0.5 μm (optik üst seviye) | Çevre ve montajdan etkilenir |
| Alt bölümlendirme hatası (SDE) | ±20 ~ ±80 nm (yüksek kaliteli 1 Vpp) | Enterpolasyon sırasında periyodik hata |
| Jitter/Gürültü | Onlarca nm | Analog zinciri ve güç kaynağı ile ilişkili |
| Referans işaretleri | Tek, mesafe kodlu, çift yönlü | Sıfırlama veya mutlak referans için |
| Ölçüm uzunluğu | 0.1 m → 30+ m | Uzun aralıkta telafi/montaj gerekir |
| Montaj boşluğu | 0.1 ~ 1.0 mm (prensibe bağlı) | Pitch/roll/yaw toleransları sınırlıdır |
| CTE (Isıl genleşme katsayısı) | Cam/seramik: ~0.5–2 ppm/K; Çelik: ~10–17 ppm/K | Isıl telafi stratejisini belirler |
| Koruma sınıfı | IP40 (açık) → IP67 (kapalı) | Yağ buharı, soğutma sıvısı, toz dikkate alınır |
Montaj ve Geometrik Hatalar (Installation & Geometric Errors)
- Hava aralığı/hiza toleransları: Okuma kafası yüksekliği ve pitch/roll/yaw açıları kontrol edilmelidir; aşıldığında sinyal kaybı ve SDE artışı görülür.
- Abbe Hatası (Abbe Error): Ölçüm ekseni ile hareket ekseni arasındaki mesafe × açısal hata → ek konum hatası; enkoder doğrusal ekseni, gerçek hareket ekseninden geçmelidir.
- Kosinüs Hatası (Cosine Error): Enkoder ekseni gerçek hareket eksenine paralel değilse projeksiyon hatası oluşur.
- Isıl kuplaj ve montaj: Çelik/manyetik bantlar gerilimsiz/yüzer montajlanmalıdır; cam/seramik ölçekler izotermal destek gerektirir.
- Topraklama ve ekranlama: Okuma kafası ve kontrolör tek noktadan topraklanmalı, kablo kalkanı doğru bağlanmalıdır.
Kalibrasyon ve Telafi (Calibration & Compensation)
- Doğrusal telafi: Lazer interferometre, ballbar veya hassas bloklarla tüm ölçüm aralığında kalibrasyon yapılır ve hata haritası çıkarılır.
- Isıl telafi: CTE ve makine sıcaklık dağılımına göre gerçek zamanlı düzeltme; ileri sistemlerde okuma kafası sıcaklığı ve termal model birleştirilir.
- SDE azaltma: Yüksek kaliteli 1 Vpp, optimize analog zinciri ve kararlı hava aralığı ile enterpolasyon hataları düşürülür.
- Referans işaret stratejisi: Mesafe kodlu işaretler sıfırlama mesafesini azaltır; çift yönlü işaretler tekrar edilebilirliği artırır.
Diğer Teknolojilerle Karşılaştırma (Comparisons)
| Teknoloji | Avantajları | Sınırlamaları | Tipik Kullanımlar |
|---|---|---|---|
| Doğrusal enkoder (Optik) | nm çözünürlük, µm/m doğruluk, yüksek dinamik | Kirlenme/yoğuşmaya hassas, montaj zor | CNC, CMM, yarı iletken platformlar |
| Doğrusal enkoder (Manyetik) | Kirliliğe dayanıklı, montaj toleransı yüksek, uzun ölçüm | Optik kadar hassas/çözünür değil | Otomasyon, ağır sanayi, ölçüm |
| Lazer interferometre | En yüksek doğruluk, izlenebilir | Pahalı, çevreye duyarlı | Kalibrasyon, metroloji |
| LVDT / Girdap akımı | Sağlam, kısa mesafede yüksek tekrarlanabilirlik | Ölçüm aralığı sınırlı, doğrusal olmayanlık | Kısa strok kontrol |
| Döner enkoder + vida mili | Düşük maliyet, olgun teknoloji | Isıl genleşme, boşluk ve vida hataları | Orta/düşük hassasiyetli uygulamalar |
Uygulamalar (Applications)
- CNC eksenleri (X/Y/Z): Isıl yük ve değişken kuvvetler altında yüksek konum doğruluğu ve yüzey kalitesi sağlar.
- CMM / Metroloji mikroskopları: Nanometre enterpolasyonu + hata haritalama ile boyutsal izlenebilirlik sağlar.
- Yarı iletken ekipmanları: Litografi/hizalama/taşıma; nm seviyesinde jitter ve düşük SDE gerektirir.
- Yüksek hızlı baskı/ambalaj/SMT: Uzun strok, yüksek hız ve hassas senkronizasyon.
- Tıbbi cihazlar: CT/MRI masa sistemleri, radyoterapi konumlandırma.
- Lojistik ve ağır makineler: Manyetik bantlı uzun mesafe ölçüm, zorlu ortam uyumluluğu.
Bakım ve Arıza Giderme (Maintenance & Troubleshooting)
Rutin Bakım
- Düzenli temizlik (optik: tüy bırakmayan bez + izopropil alkol; manyetik: demir parçacıklarını temizleyin).
- Kablo bükülme yarıçapı ve sabitlemeyi kontrol edin; kırılma ve ekranlama hasarını önleyin.
- Ortam sıcaklığı, nem ve soğutma sıvısı sıçramalarını izleyin; yoğuşma ve sıvı girişini önleyin.
Yaygın Sorunlar
| Belirti | Muhtemel Neden | Çözüm |
|---|---|---|
| Sinyal kaybı/pulse eksikliği | Aşırı hava aralığı, hizasızlık, kirlenme | Okuma kafası yüksekliğini/hizasını ayarlayın; ölçeği temizleyin |
| Aşırı jitter/SDE | Enterpolasyon gürültüsü, kötü topraklama | Ekranlamayı iyileştirin, kaliteli güç/kablo kullanın |
| Büyük doğrusal hata | Yanlış montaj, ısıl telafi eksik | Yeniden monte edin (yüzer montaj); hata haritası yükleyin |
| Mutlak iletişim hatası | SSI/BiSS/EnDat uyumsuzluğu | Zamanlama, polarite, çerçeve ve CRC’yi kontrol edin |
| Referans işareti kararsız | Yanlış kullanım/kirlenme | Temizleyin; referans stratejisini doğrulayın |
Standartlar ve Referanslar (Standards & References)
- IEC 60529:2020 (IP koruma sınıfları)
- IEC 60068-2 serisi (titreşim/darbe/sıcaklık/nem/tuz püskürtme)
- IEC 61000-6-2/-6-4 (endüstriyel EMC bağışıklık/yayımlar)
- ISO 230-2 / ISO 230-3 (tezgâh doğruluğu ve ısıl özellik testleri)
- ISO 10360 serisi (CMM doğrulama ve test)
- ISO 14644 serisi (yarı iletken/metroloji için temiz oda standartları)
Not: Uygunluk, ekipman ve sektöre bağlıdır; üretici belgeleri ve gerçek çalışma koşulları dikkate alınmalıdır.
Seçim Kılavuzu (Selection Guide)
- Doğruluk hedefi: Sistem konumlandırma/tekrarlanabilirlik hedeflerini ve izin verilen doğrusal hatayı (μm/m) belirleyin.
- Prensip seçimi: Temiz/çok hassas → optik; kirli/titreşimli/uzun mesafe → manyetik veya indüktif.
- Çıkış ve arayüz: Hız döngüsü için artımsal; yüksek hassasiyet/çoklu eksen için SSI/BiSS/EnDat veya EtherCAT.
- Mekanik ve montaj: Ölçüm uzunluğu, ölçek malzemesi, CTE, montaj toleransları, montaj yöntemi (yüzer/yapıştırma/kelepçe).
- Çevre ve koruma: Soğutma sıvısı/toz/ısı değişimi → kapalı tip ve uygun IP; hava perdesi/silecek planlayın.
- Telafi ve tanılama: Hata haritalama, sıcaklık/durum izleme, çevrimiçi tanılama/uyarı desteği.
- Yaşam döngüsü: Kablo ve okuma kafası değişim kolaylığı, yedek parça erişimi, kalibrasyon ve servis altyapısı.
Doğrusal enkoderlerin çalışma prensiplerini, yapısını ve montaj gerekliliklerini anlayarak; hata modelleme, ısıl telafi ve standartlaştırılmış doğrulama süreçleriyle birleştiğinde, mühendislik ekipleri karmaşık endüstriyel koşullarda yüksek doğruluk, uzun ömür ve tanılama yeteneği ile doğrusal konumlandırma ve hız kontrolü sağlayabilir.