Un codificador lineal es un sensor, transductor o cabezal de lectura 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 se puede decodificar en su posición mediante una lectura digital (DRO) o un controlador de movimiento.
El codificador puede ser incremental o absoluto . El movimiento se puede determinar cambiando de posición a lo largo del tiempo. Las tecnologías de codificador lineal incluyen corrientes ópticas, magnéticas, inductivas, capacitivas y de Foucault . Las tecnologías ópticas incluyen sombra, auto imagen 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 pasos 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
Óptico
Los codificadores lineales ópticos dominan el mercado de alta resolución y pueden emplear principios de encofrado / muaré , 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 una protección adicional incorporada para evitar la contaminación por polvo, vibraciones y otras condiciones comunes en los 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 [1] emplean escalas activas (magnetizadas) o pasivas (reluctancia variable) y la posición puede detectarse utilizando bobinas de detección, efecto Hall o cabezas lectoras magnetorresistivas . Con períodos de escala más gruesos que los codificadores ópticos (por lo general, de unos cientos de micrómetros a varios milímetros), las resoluciones del orden de un micrómetro son la norma.
Capacitivo
Los codificadores lineales capacitivos funcionan detectando la capacitancia entre un lector y la báscula. Las aplicaciones típicas son calibradores digitales. Una de las desventajas es la sensibilidad a la suciedad irregular, que puede cambiar localmente la permitividad relativa .
Inductivo
La tecnología inductiva es resistente a los contaminantes, lo que permite calibradores y otras herramientas de medición a prueba de refrigerantes. [2] Una aplicación bien conocida del principio de medición inductivo es el Inductosyn. [3]
Corriente de Foucault
La patente estadounidense 3820110, "Codificador digital de tipo de corriente inducida y referencia de posición", da un ejemplo de este tipo de codificador, que utiliza una escala codificada con materiales no magnéticos de alta y baja permeabilidad, que se detecta y decodifica mediante el monitoreo de cambios en la inductancia. de un circuito de CA que incluye un sensor de bobina inductivo. Maxon fabrica un producto de ejemplo (codificador rotatorio) (el codificador MILE). [4]
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 para el desplazamiento. [5] Son posibles resoluciones de hasta 1 nm. [6]
Aplicaciones
Hay dos áreas principales de aplicación para los codificadores lineales:
Medición
Las aplicaciones de medición incluyen máquinas de medición de coordenadas (CMM), escáneres láser , calibradores , medición de engranajes, [7] probadores de tensión y lecturas digitales (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 montaje de PCB de recogida y colocación ; equipos de manipulación y ensayo de semiconductores, ligantes de alambre , impresoras y prensas digitales . [8]
Formatos de señal de salida
Señales incrementales
Los codificadores lineales pueden tener salidas analógicas o digitales.
Cosa análoga
La salida analógica estándar de la industria para codificadores lineales son las señales de cuadratura seno y coseno. Por lo general, se transmiten de forma diferencial para mejorar la inmunidad al ruido. Uno de los primeros estándares de la industria eran las señales de corriente pico a pico de 12 μA, pero más recientemente esto ha sido reemplazado por señales de voltaje pico a pico de 1V. En comparación con la transmisión digital, el menor ancho de banda de las señales analógicas ayuda a minimizar las emisiones EMC .
Las señales de seno / coseno en cuadratura 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 o error de fase) y perfectamente centrada. Los sistemas de codificación modernos emplean circuitos para ajustar 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 la cabeza lectora. Las contribuciones de escala al presupuesto de error incluyen linealidad y pendiente (error del factor de escala). Los mecanismos de error de la cabeza lectora se describen generalmente como error cíclico o error subdivisional (SDE), ya que se repiten en cada período de escala. El mayor factor que contribuye a la inexactitud de la cabeza lectora es el desplazamiento de la señal, seguido del desequilibrio de la señal (elipticidad) 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 señal a ruido y la fluctuación puede degradarse con señales más pequeñas. Los mecanismos de compensación automática de señal pueden incluir compensación automática de compensación (AOC), compensación automática de balance (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 de naturaleza digital, o puede interpolar sus señales seno / coseno analógicas internas. En el último caso, el proceso de interpolación subdivide efectivamente el período de escala y, por lo tanto, logra una resolución de medición más alta .
En cualquier caso, el codificador emitirá ondas cuadradas en cuadratura, siendo la distancia entre los bordes de los dos canales la resolución del codificador. La marca de referencia o pulso de índice también se emite en forma digital, como un pulso que tiene una a cuatro unidades de resolución de ancho. 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 una mejor inmunidad al ruido, una alta precisión de medición y un informe de baja latencia de los cambios de posición. Sin embargo, los bordes de la señal rápida de alta frecuencia pueden producir más emisiones EMC.
Señales de referencia absolutas
Además de las señales de salida incrementales analógicas o digitales, los codificadores lineales pueden proporcionar señales de posicionamiento o referencia absoluta .
Marca de referencia
La mayoría de los codificadores lineales incrementales pueden producir un índice o un pulso de 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 autocorrelacionador (típicamente un código de Barker ) o un patrón de chirrido .
Las marcas de referencia codificadas por distancia (DCRM) se colocan en la escala en un patrón único que permite un movimiento mínimo (generalmente pasando dos marcas de referencia) para definir la posición de la cabeza lectora. También se pueden colocar múltiples marcas de referencia igualmente espaciadas en la escala, de modo que después de la instalación, el marcador deseado se puede seleccionar, generalmente a través de un imán u ópticamente o no deseados deseleccionarse usando etiquetas o pintando encima.
Código absoluto
Con escalas codificadas adecuadamente (multipista, nonio , código digital o código pseudoaleatorio), un codificador puede determinar su posición sin movimiento o sin 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 [9] , que evitan vincular a los usuarios con un proveedor en particular.
Finales de carrera
Muchos codificadores lineales incluyen interruptores de límite integrados; ya sea óptico o magnético. Con frecuencia se incluyen dos interruptores de límite, de modo que al encender el controlador, el controlador puede determinar si el codificador está en un final de carrera y en qué dirección conducir el eje.
Disposición física y protección
Los codificadores lineales pueden estar cerrados o abiertos . Los codificadores lineales cerrados se emplean en entornos sucios y hostiles como las máquinas-herramienta. Por lo general, comprenden una extrusión de aluminio que encierra una escala de vidrio o metal. Los sellos de labios flexibles permiten que una cabeza lectora guiada interna lea la escala. La precisión está limitada debido a la fricción y la histéresis impuestas por esta disposición mecánica.
Para aplicaciones de máxima precisión, histéresis de medición más baja y fricción más baja, se utilizan codificadores lineales abiertos.
Los codificadores lineales pueden usar escalas transmisivas (vidrio) o reflectantes, empleando Ronchi o rejillas de fase . Los materiales de escala incluyen cromo sobre vidrio, metal (acero inoxidable, acero chapado en oro, Invar ), cerámica ( Zerodur ) y plásticos. La escala puede ser autoportante, dominada térmicamente al sustrato (mediante adhesivo o cinta adhesiva) o montada en riel . El montaje en riel puede permitir que la báscula mantenga su propio coeficiente de expansión térmica y permite que los equipos grandes se descompongan para su envío.
Términos del codificador
- Resolución
- Repetibilidad
- Histéresis
- Relación señal / ruido / ruido / fluctuación
- Figura de Lissajous
- Cuadratura
- Índice / marca de referencia / datum / fiducial
- Marcas de referencia codificadas por distancia (DCRM)
Ver también
- codificador rotatorio
Referencias
- ^ "Codificadores magnéticos lineales" . SPI. Archivado desde el original el 10 de octubre de 2009 . Consultado el 30 de octubre de 2009 .
- ^ (PDF) https://web.archive.org/web/20131103082314/http://www.mitutoyo.com/pdf/ABS1813-293.pdf . Archivado desde el original (PDF) en 2013-11-03 . Consultado el 15 de noviembre de 2011 . Falta o vacío
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( ayuda ) - ^ "Escala de barras" . Ruhle Companies, Inc. 2015-03-09. Archivado desde el original el 27 de mayo de 2020 . Consultado el 27 de mayo de 2020 .
- ^ http://www.maxonmotor.com/downloads/Flyer_EC6_MILE_e_03.09.pdf
- ^ "INTACTON FRABA" . FRABA, Inc. 2012-04-23. Archivado desde el original el 25 de abril de 2012 . Consultado el 2 de noviembre de 2011 .
- ^ "MICSYS - Sensor de nano resolución 2D" (PDF) . Báscula digital y sistemas DRO. Mitutoyo. Septiembre de 2009. Boletín No. 1976. Archivado desde el original (PDF) el 2011-10-13 . Consultado el 15 de noviembre de 2011 .
- ^ . Wenzel CMM https://web.archive.org/web/20090328005056/http://www.wenzel-cmm.co.uk/Industries.asp?SE=9 . Archivado desde el original el 28 de marzo de 2009 . Consultado el 28 de octubre de 2009 . Falta o vacío
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( ayuda ) - ^ https://web.archive.org/web/20091010200211/http://global.oce.com/products/productionprinting/digitalpresses/color/default.aspx . Archivado desde el original el 10 de octubre de 2009 . Consultado el 29 de octubre de 2009 . Falta o vacío
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( ayuda ) - ^ http://www.biss-interface.com/
Otras lecturas
- Nyce, David S. (2003). Sensores de posición lineal: teoría y aplicación . Nueva Jersey, Estados Unidos: John Wiley & Sons Inc.
- Hans, Walcher (1994). Detección de posición: medición de ángulos y distancias para ingenieros . Butterworth-Heinemann .