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Un codificador lineal es un sensor, transductor o cabezal lector acoplado a 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 posición mediante un lector 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 a lo largo del tiempo. Las tecnologías de codificador lineal incluyen óptica, magnética, inductiva, capacitiva y de corrientes parásitas . Las tecnologías ópticas incluyen sombra, 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 platinas, fresadoras CNC , mesas de pórtico de fabricación y motores paso a paso de semiconductores .
Los codificadores lineales son transductores que aprovechan muchas propiedades físicas diferentes para codificar la posición:
Los codificadores lineales ópticos dominan el mercado de alta resolución y pueden emplear principios de obturación/ 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 protección adicional incorporada para evitar la contaminación por polvo, vibración y otras condiciones comunes en los entornos industriales. Los períodos de escala incremental 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 .
Los codificadores lineales magnéticos [1] emplean escalas activas (magnetizadas) o pasivas (de reluctancia variable) y la posición puede detectarse mediante bobinas de detección, cabezales de lectura magnetorresistivos o de efecto Hall . Con períodos de escala más gruesos que los codificadores ópticos (normalmente de unos pocos cientos de micrómetros a varios milímetros), las resoluciones del orden de un micrómetro son la norma.
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 .
La tecnología inductiva es resistente a los contaminantes, lo que permite utilizar calibradores y otras herramientas de medición a prueba de refrigerantes. [2] Una aplicación conocida del principio de medición inductiva es Inductosyn. [3]
La patente estadounidense 3820110, "Codificador digital de tipo corriente de Foucault y referencia de posición", ofrece 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 control de 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). [4]
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 determinar el desplazamiento. [5] Se pueden alcanzar resoluciones de hasta un nanómetro. [6]
Hay dos áreas principales de aplicación para los codificadores lineales:
Las aplicaciones de medición incluyen máquinas de medición de coordenadas (CMM), escáneres láser , calibradores , medición de engranajes, [7] probadores de tensión y lectores digitales (DRO).
Los sistemas de movimiento controlados por servomotor 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 selección y colocación , equipos de prueba y manipulación de semiconductores, soldadores de cables , impresoras y prensas digitales . [8]
Los codificadores lineales pueden tener salidas analógicas o digitales.
La salida analógica estándar de la industria para codificadores lineales son señales de cuadratura de seno y coseno . Estas suelen transmitirse de forma diferencial para mejorar la inmunidad al ruido. Un estándar industrial temprano 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 1 V. En comparación con la transmisión digital, el ancho de banda más bajo 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 de Lissajous circular . 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 de codificadores modernos emplean circuitos para recortar estos mecanismos de error automáticamente. La precisión general del codificador lineal es una combinación de la precisión de escala y los errores introducidos por el cabezal lector. Las contribuciones de escala al presupuesto de error incluyen linealidad y pendiente (error de factor de escala). Los mecanismos de error del cabezal lector generalmente se describen como error cíclico o error de subdivisión (SDE), ya que se repiten en cada período de escala. El mayor contribuyente a la inexactitud del cabezal lector es el desfase de la señal, seguido del desequilibrio de la señal (elipticidad) y el error de fase (las señales en cuadratura no están exactamente a 90° de distancia). 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 señales pueden incluir compensación automática de desfase (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 distorsión de la señal (frecuentemente distorsión armónica de las señales seno/coseno).
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 seno/coseno analógicas internas. En este 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 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 formato digital, como un pulso con un ancho de una a cuatro unidades de resolución. Las señales de salida se pueden transmitir 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 una baja latencia en la generación de informes de cambios de posición. Sin embargo, los bordes de señal rápidos y de alta frecuencia pueden producir más emisiones EMC.
Además de las señales de salida incrementales analógicas o digitales, los codificadores lineales pueden proporcionar señales de referencia absoluta o de posicionamiento.
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 momento del 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 sola característica en la escala, un patrón de autocorrelación (normalmente un código Barker ) o un patrón de chirrido .
Las marcas de referencia codificadas por distancia (DCRM) se colocan en la escala siguiendo un patrón único que permite un movimiento mínimo (normalmente, pasar dos marcas de referencia) para definir la posición del cabezal lector. También se pueden colocar varias marcas de referencia espaciadas de forma uniforme en la escala de modo que, tras la instalación, se pueda seleccionar la marca deseada (normalmente mediante un imán o de forma óptica) o se puedan deseleccionar las no deseadas mediante etiquetas o pintándolas.
Con escalas adecuadamente codificadas (multipista, vernier , código digital o código pseudoaleatorio) un codificador puede determinar su posición sin moverse 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 atar a los usuarios a un proveedor en particular.
Muchos codificadores lineales incluyen interruptores de límite integrados, ya sean ópticos o magnéticos. Con frecuencia, se incluyen dos interruptores de límite para que, al encender el controlador, pueda determinar si el codificador se encuentra en el final de su recorrido y en qué dirección debe accionar el eje.
Los codificadores lineales pueden ser cerrados o abiertos . Los codificadores lineales cerrados se emplean en entornos sucios y hostiles, como las máquinas herramienta. Por lo general, están compuestos por una extrusión de aluminio que encierra una escala de vidrio o metal. Los sellos de labios flexibles permiten que un cabezal lector interno guiado lea la escala. La precisión es limitada debido a la fricción y la histéresis impuestas por esta disposición mecánica.
Para aplicaciones con la máxima precisión, la menor histéresis de medición y la menor fricción, se utilizan codificadores lineales abiertos.
Los codificadores lineales pueden utilizar escalas transmisivas (vidrio) o reflectivas, empleando rejillas Ronchi o de fase . Los materiales de la escala incluyen cromo sobre vidrio, metal (acero inoxidable, acero chapado en oro, Invar ), cerámica ( Zerodur ) y plásticos. La escala puede ser autoportante, estar fijada térmicamente al sustrato (mediante adhesivo o cinta adhesiva) o montada sobre rieles . El montaje sobre rieles puede permitir que la escala mantenga su propio coeficiente de expansión térmica y permite desmontar equipos grandes para su envío.
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