Codificador lineal

Un codificador lineal es un sensor, transductor o cabezal lector emparejado con una escala que codifica la posición. El sensor lee la escala para convertir la posición codificada en una señal analógica o digital, que luego puede decodificarse en su posición mediante una lectura digital (DRO) o un controlador de movimiento.

El codificador puede ser incremental o absoluto. En un sistema incremental, la posición está determinada por el movimiento a lo largo del tiempo; por el contrario, en un sistema absoluto, el movimiento está determinado por la posición en el tiempo. Las tecnologías de codificador lineal incluyen corrientes ópticas, magnéticas, inductivas, capacitivas y de Foucault. Las tecnologías ópticas incluyen sombras, autoimagen e interferometría. Los codificadores lineales se utilizan en instrumentos de metrología, sistemas de movimiento, impresoras de inyección de tinta y herramientas de mecanizado de alta precisión que van desde calibradores digitales y máquinas de medición de coordenadas hasta etapas, fresadoras CNC, mesas de pórtico de fabricación y controladores paso a paso de semiconductores.

Principio físico

Los codificadores lineales son transductores que aprovechan muchas propiedades físicas diferentes para codificar la posición:

Basado en escala/referencia

Óptica

(feminine)

Los codificadores lineales ópticos dominan el mercado de alta resolución y pueden emplear principios de encofrado/moiré, difracción u holográficos. Los codificadores ópticos son los más precisos de los estilos estándar de codificadores y los más utilizados en aplicaciones de automatización industrial. Al especificar un codificador óptico, es importante que el codificador tenga protección adicional incorporada para evitar la contaminación por polvo, vibraciones y otras condiciones comunes en entornos industriales. Los períodos de escala incrementales típicos varían desde cientos de micrómetros hasta submicrómetros. La interpolación puede proporcionar resoluciones tan finas como un nanómetro.

Las fuentes de luz utilizadas incluyen LED infrarrojos, LED visibles, bombillas en miniatura y diodos láser.

Magnético

Los codificadores lineales magnéticos emplean escalas activas (magnetizadas) o pasivas (reluctancia variable) y la posición se puede detectar mediante bobinas detectoras, efecto Hall o cabezas lectoras magnetorresistivas. Con períodos de escala más gruesos que los codificadores ópticos (normalmente desde unos pocos cientos de micrómetros hasta varios milímetros), la norma son resoluciones del orden de un micrómetro.

Capacitivo

Los codificadores lineales capacitivos funcionan detectando la capacitancia entre un lector y una báscula. Las aplicaciones típicas son los calibradores digitales. Una de las desventajas es la sensibilidad a la suciedad irregular, que puede cambiar localmente la permitividad relativa.

Inductiva

(feminine)

La tecnología inductiva es resistente a los contaminantes, lo que permite calibradores y otras herramientas de medición a prueba de refrigerante. Una aplicación bien conocida del principio de medición inductiva es el Inductosyn.

Corrientes de Foucault

La patente estadounidense 3820110, "Codificador digital de corrientes parásitas y referencia de posición", proporciona un ejemplo de este tipo de codificador, que utiliza una escala codificada con materiales no magnéticos de alta y baja permeabilidad, que es detectado y decodificado monitoreando los cambios en la inductancia de un circuito de CA que incluye un sensor de bobina inductiva. Maxon fabrica un producto de ejemplo (codificador rotatorio) (el codificador MILE).

Sin escamas

Sensor de imagen óptico

Los sensores se basan en un método de correlación de imágenes. El sensor toma fotografías posteriores de la superficie que se está midiendo y compara las imágenes en cuanto a desplazamiento. Son posibles resoluciones de hasta un nanómetro.

Aplicaciones

Hay dos áreas principales de aplicación para los codificadores lineales:

Medición

La aplicación de medición incluye máquinas de medición (CMM), escáneres láser, calipers, medición de engranajes, testadores de tensión y lectura digital (DRO).

Sistemas de movimiento

Los sistemas de movimiento servocontrolados emplean un codificador lineal para proporcionar un movimiento preciso y de alta velocidad. Las aplicaciones típicas incluyen robótica, máquinas herramienta, equipos de ensamblaje de PCB de recogida y colocación; equipos de prueba y manipulación de semiconductores, uniones de cables, impresoras y prensas digitales.

Formatos de señal de salida

Indicaciones adicionales

Los codificadores lineales pueden tener salidas analógicas o digitales.

Analog

La salida analógica estándar de la industria para codificadores lineales son señales de cuadratura seno y coseno. Generalmente se transmiten de forma diferencial para mejorar la inmunidad al ruido. Uno de los primeros estándares de la industria eran señales de corriente pico a pico de 12 μA, pero más recientemente esto ha sido reemplazado por señales de voltaje pico a pico de 1 V. En comparación con la transmisión digital, las señales analógicas' un ancho de banda más bajo ayuda a minimizar las emisiones EMC.

Las señales de cuadratura seno/coseno se pueden monitorear fácilmente usando un osciloscopio en modo XY para mostrar una figura circular de Lissajous. Las señales de mayor precisión se obtienen si la figura de Lissajous es circular (sin ganancia ni error de fase) y está perfectamente centrada. Los sistemas codificadores modernos emplean circuitos para recortar estos mecanismos de error automáticamente. La precisión general del codificador lineal es una combinación de la precisión de la escala y los errores introducidos por el cabezal lector. Las contribuciones de escala al presupuesto de error incluyen la linealidad y la pendiente (error del factor de escala). Los mecanismos de error de la cabeza lectora generalmente se describen como error cíclico o error subdivisional (SDE), ya que se repiten en cada período de escala. El factor que más contribuye a la inexactitud del cabezal lector es el desplazamiento de la señal, seguido por el desequilibrio de la señal (eliptica) y el error de fase (las señales en cuadratura no están separadas exactamente 90°). El tamaño general de la señal no afecta la precisión del codificador; sin embargo, el rendimiento de la relación señal-ruido y la fluctuación pueden degradarse con señales más pequeñas. Los mecanismos de compensación automática de señal pueden incluir compensación automática de compensación (AOC), compensación automática de equilibrio (ABC) y control automático de ganancia (AGC). La fase es más difícil de compensar dinámicamente y generalmente se aplica como compensación única durante la instalación o calibración. Otras formas de inexactitud incluyen la distorsión de la señal (frecuentemente distorsión armónica de las señales seno/coseno).

Digital

Un codificador incremental lineal tiene dos señales de salida digitales, A y B, que emiten ondas cuadradas en cuadratura. Dependiendo de su mecanismo interno, un codificador puede derivar A y B directamente de sensores que son fundamentalmente digitales por naturaleza, o puede interpolar sus señales internas analógicas de seno/coseno. En el último caso, el proceso de interpolación subdivide efectivamente el período de escala y, por lo tanto, logra una mayor resolución de medición.

En cualquier caso, el codificador generará ondas cuadradas en cuadratura, siendo la distancia entre los bordes de los dos canales la resolución del codificador. La marca de referencia o pulso índice también se emite en forma digital, como un pulso con una amplitud de una a cuatro unidades de resolución. Las señales de salida pueden transmitirse directamente a una interfaz de codificador incremental digital para el seguimiento de la posición.

Las principales ventajas de los codificadores incrementales lineales son la inmunidad mejorada al ruido, la alta precisión de las mediciones y los informes de cambios de posición de baja latencia. Sin embargo, los bordes rápidos de la señal de alta frecuencia pueden producir más emisiones EMC.

Señales de referencia absolutas

Además de señales de salida incrementales analógicas o digitales, los codificadores lineales pueden proporcionar señales de referencia o de posicionamiento absolutas.

Marca de referencia

La mayoría de los codificadores lineales incrementales pueden producir un pulso de índice o marca de referencia que proporciona una posición de referencia a lo largo de la escala para su uso en el encendido o después de una pérdida de energía. Esta señal de índice debe poder identificar la posición dentro de un período único de la escala. La marca de referencia puede comprender una única característica en la escala, un patrón de autocorrelador (normalmente un código de Barker) o un patrón de chirrido.

Las marcas de referencia codificadas de distancia (DCRM) se colocan en la báscula en un patrón único que permite un movimiento mínimo (normalmente pasando dos marcas de referencia) para definir la posición del cabezal lector. También se pueden colocar múltiples marcas de referencia equiespaciadas en la báscula, de modo que después de la instalación, se pueda seleccionar el marcador deseado, generalmente mediante un imán, o deseleccionar ópticamente o los no deseados usando etiquetas o pintándolos.

Código absoluto

Con escalas codificadas adecuadamente (multipista, vernier, código digital o código pseudoaleatorio), un codificador puede determinar su posición sin movimiento ni necesidad de encontrar una posición de referencia. Estos codificadores absolutos también se comunican mediante protocolos de comunicación en serie. Muchos de estos protocolos son propietarios (por ejemplo, Fanuc, Mitsubishi, FeeDat (Fagor Automation), Heidenhain EnDat, DriveCliq, Panasonic, Yaskawa), pero ahora están apareciendo estándares abiertos como BiSS, que evitan vincular a los usuarios a un proveedor en particular.

Interruptores de límite

Muchos codificadores lineales incluyen interruptores de límite incorporados; ya sea óptico o magnético. Con frecuencia se incluyen dos interruptores de límite de modo que, al encenderlo, el controlador pueda determinar si el codificador está en el final de su recorrido y en qué dirección accionar el eje.

Disposición física y protección

Los codificadores lineales pueden estar cerrados o abiertos. Los codificadores lineales cerrados se utilizan en entornos sucios y hostiles como, por ejemplo, máquinas herramienta. Por lo general, constan de una extrusión de aluminio que encierra una báscula de vidrio o metal. Los sellos de labios flexibles permiten que una cabeza lectora guiada interna lea la escala. La precisión es limitada debido a la fricción y la histéresis impuestas por esta disposición mecánica.

Para aplicaciones de máxima precisión, menor histéresis de medición y menor fricción, se utilizan codificadores lineales abiertos.

Los codificadores lineales pueden utilizar escalas transmisivas (vidrio) o reflectantes, empleando Ronchi o rejillas de fase. Los materiales de las escamas incluyen cromo sobre vidrio, metal (acero inoxidable, acero chapado en oro, Invar), cerámica (Zerodur) y plásticos. La báscula puede ser autoportante, unida térmicamente al sustrato (mediante adhesivo o cinta adhesiva) o montada sobre una pista. El montaje en riel puede permitir que la báscula mantenga su propio coeficiente de expansión térmica y permite desarmar equipos grandes para su envío.

Términos del codificador

• Resolución
• Repetibilidad
• Hysteresis
• Relación entre señal y ruido/noise/jitter
• Figura lisa
• Cuadrícula
• Índice/marca de referencia/datum/fiducial
• Marcas de referencia codificadas a distancia (DCRM)