📘 Bách khoa mã hóa
Bộ mã hóa tuyến tính
Bộ mã hóa tuyến tính được sử dụng để chuyển đổi dịch chuyển thẳng thành tín hiệu điện (số hoặc tương tự). Chúng có thể đo trực tiếp chuyển động tuyến tính của bàn trượt, bệ hoặc chi tiết, đóng vai trò như cảm biến định vị cốt lõi trong máy CNC, máy đo tọa độ (CMM), thiết bị bán dẫn và các nền tảng tự động hóa cao cấp. So với việc tính toán gián tiếp bằng vít me/thanh răng, bộ mã hóa tuyến tính cung cấp "đo trực tiếp", giúp giảm đáng kể ảnh hưởng của giãn nở nhiệt, độ rơ và sai số truyền động đến độ chính xác định vị.
Bộ mã hóa tuyến tính là gì (What is a Linear Encoder)
Bộ mã hóa tuyến tính bao gồm thước đo (Scale/Rule) và đầu đọc (Readhead): thước chứa các cấu trúc tuần hoàn (vạch quang, dải từ, mẫu cảm ứng), còn đầu đọc di chuyển phía trên với khe hở nhất định để đọc thông tin vị trí và xuất ra tín hiệu điện. Theo dạng tín hiệu đầu ra, có thể chia thành gia tăng (Incremental) hoặc tuyệt đối (Absolute); theo nguyên lý cảm biến có thể là quang học, từ tính, cảm ứng, điện dung; theo cấu trúc có thể là loại mở (open-type) hoặc loại kín (enclosed/sealed).
Nguyên lý hoạt động (Working Principle)
Quang học (Optical)
- Cấu trúc: Thước quang bằng kính/gốm (hoặc dải thép không gỉ) + nguồn LED/laser + mảng thu quang điện.
- Cơ chế: Giao thoa truyền qua/phản xạ hoặc mô hình vân Moiré, đầu đọc giải điều chế và nội suy tín hiệu.
- Đặc điểm: Độ phân giải cao (cấp nm), sai số tuyến tính thấp tới ±1 μm/m; nhạy với bụi bẩn và ngưng tụ.
Từ tính (Magnetic)
- Cấu trúc: Dải từ có cực sắp xếp với bước cố định (dải thép hoặc dải mềm) + cảm biến Hall/AMR/GMR/TMR.
- Cơ chế: Đầu đọc cảm nhận dạng sóng từ trường thay đổi theo dịch chuyển để tính vị trí.
- Đặc điểm: Kháng dầu mỡ, rung; dung sai lắp đặt lớn; phạm vi đo dài (hàng chục mét); độ phân giải và độ chính xác thấp hơn loại quang học cao cấp.
Cảm ứng (Inductive)
- Cấu trúc: Cuộn kích thích và cuộn cảm ứng trong đầu đọc; thước bằng mẫu kim loại hoặc vật dẫn điện.
- Cơ chế: Hiệu ứng ghép và dòng điện xoáy thay đổi theo vị trí và khe hở; đầu đọc giải điều chế pha/biên độ để lấy dịch chuyển.
- Đặc điểm: Kháng bụi bẩn, chịu nhiệt cao, chống nhiễu điện từ; độ chính xác nằm giữa quang học và từ tính.
Điện dung (Capacitive)
- Cấu trúc: Mảng điện cực + thước với mẫu chu kỳ.
- Cơ chế: Ma trận điện dung thay đổi theo dịch chuyển; đầu đọc khóa pha/giải mã để lấy vị trí.
- Đặc điểm: Cấu trúc nhỏ gọn, tiêu thụ điện thấp; nhạy với ẩm và hiệu ứng kim loại gần, cần che chắn và nối đất tốt.
Các loại & cấu trúc (Types & Constructions)
1) Theo tín hiệu đầu ra
- Gia tăng (Incremental): Xuất xung vuông A/B (thêm Z/điểm tham chiếu), cần bộ đếm trong điều khiển; có thể xuất tín hiệu tương tự 1 Vpp sin/cos để nội suy.
- Tuyệt đối (Absolute): Xuất mã duy nhất tại mọi vị trí; có thể là dạng một vạch hoặc điểm tham chiếu mã hóa khoảng cách (distance-coded reference marks), thường dùng SSI, BiSS-C, EnDat.
2) Theo đóng gói & bảo vệ
- Loại mở (Open-type): Đầu đọc lộ ra, đáp ứng động tốt, ma sát nhỏ; phù hợp môi trường sạch/bán sạch.
- Loại kín (Sealed/Enclosed): Thước và đầu đọc trong vỏ kín, có gạt bụi/luồng khí bảo vệ; phù hợp máy công cụ và môi trường khắc nghiệt.
3) Theo vật liệu thước đo
- Quang bằng kính/gốm: Hệ số giãn nở nhiệt (CTE) thấp, độ chính xác µm/m; cần hỗ trợ và kiểm soát nhiệt tốt.
- Dải thép/thép không gỉ: Đo dài, có thể cuộn; CTE lớn, cần bù nhiệt.
- Dải từ (có keo/rail giữ): Lắp đặt linh hoạt, kháng bụi; độ chính xác thấp hơn loại quang học cao cấp.
- Mẫu dẫn điện cảm ứng/điện dung: Bền chắc, chịu môi trường.
Đầu ra & giao diện (Outputs & Interfaces)
| Loại | Kiểu đầu ra | Ứng dụng điển hình |
|---|---|---|
| Xung gia tăng | A/B (+Z), TTL/HTL, RS422 | Đếm tốc độ cao PLC, vòng tốc độ/vị trí |
| Sin/Cos | 1 Vpp, 11 μApp | Nội suy độ phân giải cao (×4 ~ ×10.000) |
| Tuyệt đối | SSI, BiSS-C, EnDat 2.2 | Tín hiệu vị trí tuyệt đối, chẩn đoán, dữ liệu trạng thái |
| Fieldbus/Ethernet | CANopen, EtherCAT, PROFINET | Đồng bộ đa trục, khoảng cách dài, chẩn đoán trực tuyến |
Tần số đầu ra tối đa so với vận tốc (xung gia tăng):
f_max ≈ (V / Pitch) × Edges_per_cycle
- V: Vận tốc tuyến tính (mm/s)
- Pitch: Bước vạch (mm/chu kỳ)
- Edges_per_cycle: Số cạnh xung mỗi chu kỳ (ví dụ nhân 4)
Thông số chính (Key Specifications)
| Thông số | Ý nghĩa/Phạm vi điển hình | Ghi chú |
|---|---|---|
| Độ phân giải (Resolution) | 5 μm → 0.1 μm (từ/thép); 1 μm → 1 nm (quang/hai chùm tia) | Phụ thuộc hệ số nội suy |
| Độ chính xác tuyến tính (Accuracy) | ±3 ~ ±10 μm/m (từ); ±1 ~ ±3 μm/m (quang cao cấp) | Biểu thị μm/m hoặc ppm |
| Lặp lại (Repeatability) | < ±0.1 ~ ±0.5 μm (quang cao cấp) | Bị ảnh hưởng bởi môi trường và lắp đặt |
| Lỗi nội suy (SDE) | ±20 ~ ±80 nm (hệ thống 1 Vpp chất lượng) | Sai số chu kỳ khi nội suy |
| Nhiễu/dao động (Jitter/Noise) | Hàng chục nm | Liên quan mạch tương tự và nguồn |
| Điểm tham chiếu | Đơn, mã hóa khoảng cách, hai chiều | Dùng cho homing hoặc chuẩn tuyệt đối |
| Chiều dài đo | 0.1 m → 30+ m | Đo dài cần ghép và bù |
| Khe hở lắp đặt (Ride Height) | 0.1 ~ 1.0 mm | Giới hạn pitch/roll/yaw |
| CTE | Kính/gốm: ~0.5–2 ppm/K; Thép: ~10–17 ppm/K | Xác định bù nhiệt |
| Cấp bảo vệ môi trường | IP40 (mở) → IP67 (kín) | Cần xét đến dầu, nước làm mát, bụi |
Lắp đặt & sai số hình học (Installation & Geometric Errors)
- Khe hở/tư thế: Kiểm soát khoảng cách và góc pitch/roll/yaw; vượt giới hạn gây suy giảm tín hiệu, tăng SDE.
- Sai số Abbe (Abbe Error): Khoảng lệch giữa trục đo và trục chuyển động nhân với sai số góc gây dịch chuyển phụ.
- Sai số Cosine (Cosine Error): Trục bộ mã hóa không song song với hướng chuyển động gây sai số chiếu.
- Liên kết nhiệt & gắn: Dải thép/từ nên lắp kiểu nổi/giải ứng suất để tránh cong; kính/gốm cần hỗ trợ đẳng nhiệt.
- Nối đất & che chắn: Đầu đọc và bộ điều khiển nối đất một điểm, lớp chắn cáp nối đất đúng cách để tránh vòng lặp/nhiễu.
Hiệu chuẩn & bù (Calibration & Compensation)
- Bù tuyến tính: Dùng giao thoa kế laser, thước cầu, hoặc block chuẩn để hiệu chuẩn, tạo bảng sai số.
- Bù nhiệt: Sửa theo CTE và phân bố nhiệt máy; hệ cao cấp dùng nhiệt độ đầu đọc + mô hình nhiệt.
- Giảm SDE: Dùng tín hiệu 1 Vpp chất lượng, tối ưu mạch tương tự và thuật toán nội suy; giữ khe hở ổn định.
- Chiến lược tham chiếu: Dấu tham chiếu mã hóa khoảng cách rút ngắn homing; tham chiếu hai chiều tăng độ lặp lại.
So sánh với công nghệ khác (Comparisons)
| Công nghệ | Ưu điểm | Hạn chế | Ứng dụng |
|---|---|---|---|
| Linear Encoder (Quang) | Độ phân giải nm, chính xác µm/m, động học tốt | Nhạy bụi/ngưng tụ, yêu cầu lắp nghiêm ngặt | CNC, CMM, bán dẫn |
| Linear Encoder (Từ) | Chống bẩn, dung sai lớn, đo dài | Chính xác kém hơn quang học | Tự động hóa, thiết bị nặng |
| Laser Interferometer | Chính xác cao nhất, truy xuất chuẩn | Đắt, nhạy môi trường/quang lộ | Hiệu chuẩn, đo lường |
| LVDT/Dòng xoáy | Bền, lặp lại ngắn hạn tốt | Giới hạn đo, tuyến tính thấp | Giới hạn hành trình, điều khiển chính xác |
| Rotary Encoder + Vít me | Rẻ, công nghệ trưởng thành | Sai số do nhiệt, rơ, bước vít | Định vị trung/cấp thấp |
Ứng dụng (Applications)
- Trục tuyến tính CNC (X/Y/Z): Giữ độ chính xác và chất lượng bề mặt khi tải nhiệt/cắt.
- CMM/kính hiển vi đo: Nội suy nm + bù sai số để đảm bảo truy xuất kích thước.
- Thiết bị bán dẫn: Quang khắc/căn chỉnh/kiểm tra; yêu cầu dao động nm và SDE thấp.
- In ấn/đóng gói/SMT cao cấp: Hành trình dài, tốc độ cao, đồng bộ chính xác.
- Thiết bị y tế: Bàn CT/MRI, hệ định vị xạ trị.
- Logistics & thiết bị nặng: Dải từ hành trình dài, bền môi trường.
Bảo trì & khắc phục sự cố (Maintenance & Troubleshooting)
Bảo trì thường xuyên
- Vệ sinh định kỳ (quang: vải không xơ + cồn; từ: loại bỏ mạt sắt), giữ khe hở/tư thế ổn định.
- Kiểm tra bán kính uốn cáp, kẹp, tránh gãy lõi/lớp chắn hỏng.
- Giám sát nhiệt độ, độ ẩm, nước làm mát để tránh ngưng tụ/xâm nhập.
Sự cố thường gặp
| Triệu chứng | Nguyên nhân | Giải pháp |
|---|---|---|
| Mất xung/thiếu cạnh | Khe hở vượt mức, sai lệch, bẩn | Điều chỉnh khe hở/tư thế; vệ sinh thước; kiểm tra lắp đặt |
| Dao động/SDE cao | Nhiễu nội suy, nối đất kém | Cải thiện che chắn/nối đất; dùng nguồn/cáp tốt; rút ngắn dây |
| Sai số tuyến tính lớn | Thước gắn sai, thiếu bù nhiệt | Lắp lại (kiểu nổi); hiệu chuẩn và tải bảng sai số |
| Lỗi truyền tuyệt đối | Tham số SSI/BiSS/EnDat sai | Kiểm tra timing/cực/frame/CRC; kiểm tra trở kháng cáp |
| Tham chiếu không ổn định | Bẩn/mã sai | Vệ sinh dấu tham chiếu; kiểm tra cấu hình tham chiếu |
Tiêu chuẩn & tham khảo (Standards & References)
- IEC 60529:2020 (cấp bảo vệ IP)
- IEC 60068-2 series (rung/va đập/nhiệt ẩm/muối)
- IEC 61000-6-2/-6-4 (EMC công nghiệp: miễn nhiễm/phát xạ)
- ISO 230-2 / ISO 230-3 (độ chính xác & đặc tính nhiệt máy công cụ)
- ISO 10360 series (kiểm định CMM)
- ISO 14644 series (phòng sạch bán dẫn/đo lường)
Lưu ý: Tiêu chuẩn áp dụng tùy thiết bị/ngành; luôn kiểm tra tài liệu nhà sản xuất và điều kiện thực tế.
Hướng dẫn chọn (Selection Guide)
- Mục tiêu chính xác: Xác định mục tiêu định vị/lặp lại và sai số tuyến tính cho phép (μm/m).
- Nguyên lý: Môi trường sạch/cần độ chính xác cao → quang; môi trường bụi/rung/hành trình dài → từ hoặc cảm ứng.
- Đầu ra & giao diện: Gia tăng cho vòng tốc độ; SSI/BiSS/EnDat hoặc EtherCAT cho độ chính xác cao, đồng bộ đa trục.
- Cơ khí & lắp đặt: Xác nhận chiều dài đo, vật liệu thước, CTE, dung sai, phương pháp lắp (nổi/keo/rail).
- Môi trường & bảo vệ: Dầu/nước làm mát/bụi → chọn loại kín và IP phù hợp; có khí nén/gạt bụi.
- Bù & chẩn đoán: Hỗ trợ bản đồ sai số, theo dõi nhiệt/trạng thái, chẩn đoán trực tuyến/cảnh báo.
- Vòng đời: Dễ thay cáp/đầu đọc, sẵn phụ tùng, hỗ trợ hiệu chuẩn/dịch vụ.
Bằng cách nắm rõ nguyên lý, cấu trúc và yêu cầu lắp đặt của bộ mã hóa tuyến tính, cùng với mô hình hóa sai số, bù nhiệt và quy trình xác minh chuẩn hóa, đội ngũ kỹ sư có thể đạt được độ chính xác cao, tuổi thọ dài, khả năng chẩn đoán cho định vị và điều khiển tốc độ tuyến tính trong môi trường công nghiệp phức tạp.