ENCODER OPTICO Un encoder óptico es un sensor que permite detectar el movimiento de rotación de un eje. Es un transductor rotacional que convierte un movimiento angular en una serie de pulsos eléctricos digitales. Si se asocia a un tornillo sin fin esos pulsos generados se pueden emplear para controlar movimientos lineales o angulares. Durante la rotación, las señales eléctricas pueden ser elaboradas por medio de control numérico (CNC), control de lógica programable (PLC) y sistemas de control. Las principales aplicaciones de esos transductores son: Maquinaria, robots, dispositivos de medición y control, etc. El sistema de lectura se basa en la rotación de un disco radial graduado constituido la alternación de celdas opacas y transparentes. El sistema es iluminado perpendicularmente por una fuente de luz infrarroja. El rayo proyecta la imagen del disco en la superficie de los receptores. Los receptores captan la variación del rayo ocurrida por la rotación del disco y la convierte en sus correspondientes correspondientes variaciones eléctricas.
Figura 1. Encoders.
PRINCIPIO DE OPERACIÓN El principio de operación de un encoder se basa en los llamados fotoacopladores. Éstos son pequeños chips que consisten en un diodo en forma de fotoemisor y un transistor que realiza las tareas de fotorreceptor. Este elemento se encarga de detectar la presencia/ausencia presencia/ausencia de la l a luz a través de los discos concéntricos al eje, los cuales están fabricados con
unas ranuras que dejan pasar la luz en función de una codificación utilizada para obtener la medida final. Se observa en la Figura 2.
Figura 2 . Encoder compuesto por discos y foto acoplador
TIPOS DE ENCODERS ÓPTICOS Según la tarea que necesitemos llevar a cabo va a precisar un encoder que nos ofrezca salida en cualquier momento, es decir, aquellos llamados absolutos, mientras el otro tipo, el cual nos dará información del estado del eje cuando se encuentre en movimiento se denomina incremental.
Absolutos: ofrece salida en cualquier momento. Incremental: ofrece información del estado del eje cuando se
encuentre en movimiento.
INCREMENTALES Los codificadores incrementales constan de un disco transparente que posee una plantilla superpuesta, de marcas opacas colocadas radialmente y equidistantes entre sí. El sistema fotoacoplador se encuentra en la parte posterior. El eje se encuentra acoplado al centro del disco. De esta manera, a medida que el eje comience a girar se irán produciendo pulsos eléctricos en el receptor cada vez que la luz atraviese una marca de los discos. Si se lleva la cuenta de estos pulsos a través de la adquisición de la señal en el fotorreceptor se logrará conseguir una medida real de la posición del eje.
Figura 3. Encoder Incremental
El encoder incremental usualmente genera dos tipos de ondas cuadradas desfasadas por 90° eléctricos, las cuales por lo general son canal A y canal B. El primer canal se dispone de información acerca de la velocidad de rotación, mientras que con el segundo es posible discriminar el sentido de rotación en base a la secuencia de datos que producen ambas señales. Esta disponible además otra señal llamado canal Z o Cero, que proporciona la posición absoluta de cero del eje del encoger. Esta señal se presenta bajo la forma de impulso cuadrado con fase y amplitud centrada en el canal A. La precisión de un encoder incremental depende de factores mecánicos y eléctricos. Estos errores podrían: excentricidad del disco, de los rodamientos, inexactitud en la lectura electrónica, impresiones de tipo óptica. La unidad de medición para definir la precisión del encoder es el grado eléctrico. Este determina la división del impulso generado por el encoder: 360 grados eléctricos corresponden a la rotación mecánica del eje, necsaria para hacer que se realice un ciclo o impulso completo de la señal de salida. Para saber cuántos grados mecánicos corresponden a 360 eléctricos, se aplica la siguiente relación:
Figura 4. Representaciones graficas de los encoders incrementales A, B y Z.
El error de división en un encoder, esta dado por el máximo desplazamiento expresado en grados eléctricos, de dos frentes de ondas consecutivos. Este error existe en cualquier encoger y se debe a los factores antes citados. Clasificación de Encoders Incrementales atendiendo a su salida:
Unidireccionales: dan una salida y no se puede determinar el sentido de giro. Sólo sirve para obtener valores absolutos. Por ejemplo, para obtener velocidades absolutas sin importar el sentido de giro. Bidireccionales: ofrece dos salidas A y B. El sentido se va a distinguir por la diferencia de fase cita anteriormente. Es útil cuando se necesita saber coordenadas exactas tanto positivas como negativas.
Figura 5. Sección de un encoder incremental
ABSOLUTOS El principio de funcionamiento de un encoder absoluto es muy similar al de un encoger incremental en el que un disco que gira, con zonas transparentes y opacas interrumpe un haz de luz captado por fotorreceptores, luego estos transforman los impulsos luminosos en impulsos eléctricos los cuales son tratados y trasmitidos por la electrónica de salida.
Figura 6. Encoder Absoluto.
Respecto a los encoger incrementales, los encoders absolutos muestran importantes diferencias desde el punto de vista funcional. Mientras en los encoders incrementales la posición esta determinada por el cómputo del número de impulsos con respecto a la marca de cero, en
los encoger absolutos la posición queda determinada mediante la lectura del código de salida, el cual es único para cada una de las posiciones dentro de la vuelta. Por consiguiente los encoders absolutos no pierden la posición real cuando se corta la alimentación (incluso en caso de desplazamientos), hasta un nuevo encendido (gracias a una codificación directa en el disco), la posición esta actualizada y disponible sin tener que efectuar, como en el caso de los encoger incrementales la búsqueda del punto de cero. Analizando ahora el salida que se deberá utilizar para definir la posición absoluta. La elección es el código binario, porque fácilmente puede ser manipulado por los dispositivos de control externos para la lectura de la posición, sin tener que efectuar particulares operaciones de conversión. En vista que le código se toma directamente desde el disco (que se encuentra en rotación) la sincronización y la captación de la posición en el momento de la variación entre un código y el otro se vuelve muy problemático. En efecto, si por ejemplo se toman dos códigos binarios consecutivos como 7 (0111) 8 (1000), se nota que todos los bits del código sufre un cambio de estado: una lectura efectuada en el momento de la tradición podría resultar completamente errónea porque es imposible pensar que las variaciones sean instantáneas y que se produzcan todas en el mismo momento. Debido a este problema se utiliza una variación del código binario: el código Gray, el cual tiene la particularidad que al pasar entre dos códigos consecutivos (o desde el ultimo código al primero), uno solo cambia su estado.
Figura 7. Especificación del disco de un encoder absoluto
El código gray puede convertirse fácilmente, con un simple circuito combinatorio, en código binario:
Figura 8. Circuito del conversion de codigo gray a codigo binario
Cuando el número de posiciones no es una potencia de 2, la propiedad de cambiar un solo bit se pierde al pasar el último valor al primero y viceversa. Por ejemplo, se desea realizar un encoger absoluto con 12 posiciones/giro. La codificación seria como la que se muestra en la siguiente tabla:
Tabla 1. Especificacion del codigo gray
Se nota que al pasar entre la posición 11 y 0, el cambio de estado simultaneo de 3 bit puede producir cambios de lectura y esto, como se ha visto anteriormente no es aceptable. Para no perder la característica de la conmutación de un bit, se utiliza el código gray quebrado o bien con exceso N, haciendo corresponder a la posición 0 el código gray correspondiente al valor N, donde N es el numero que, sustrayéndolo al código gray convertido a numero binario da el valor exacto de posición. El cálculo de N se efectúa según la siguiente formula:
Tabla 2. Codigo gray corregido.
Los encoders pueden presentar problemas mecánicos debido a la gran precisión que se debe tener a en su fabricación. La contaminación ambiental puede ser una fuente de interferencias en la transmisión óptica. Son dispositivos particularmente sensibles a golpes y vibraciones, estando su nivel de temperatura de trabajo limitado por la presencia de componentes electrónicos. Clasificación
de
Encoders
Absolutos
atendiendo
a
su
salida:
· Código BCD: binario codificado a decimal. Se trata del código binario normal pero aplicado a cada dígito. Es decir se codifica 0000 a 1001. Del 0 al 9. · Código Gray: es un código binario especial muy útil para evitar errores, ya que su funcionamiento de pulsos sólo varía un bit, de esta manera los cambios sólo se producirán de uno en uno y la detección será más sencilla. Los discos codifican la salida mediante la anchura y la distribución de las ranuras. Clasificación de Encoders Absolutos atendiendo a su salida:
Código BCD: binario codificado a decimal. Se trata del código binario normal pero aplicado a cada dígito. Es decir se codifica 0000 a 1001. Del 0 al 9. Código Gray: es un código binario especial muy útil para evitar errores, ya que su funcionamiento de pulsos sólo varía un bit, de esta manera los cambios sólo se producirán de uno en uno y la detección será más sencilla. Los discos codifican la salida mediante la anchura y la distribución de las ranuras.
APLICACIÓN INDUSTRIAL DEL SENSOR
Detección del ángulo y posición de un brazo de robot industrial con seis grados de libertad. Detección de la tabla XY en máquinas herramienta con control numérico. Detección de la coordenada en una máquina automática de dibujo y detección de la posición en máquinas con control numérico. Detección de la longitud de un hilo y del punto de corte
Biblliografía: http://infoplc.net/files/documentacion/instrumentacion_deteccion/infoPLC_net_ENCODERS_ OPTICOS.pdf http://ycoamedicionesindustriales.blogspot.com/2007/06/sensores-digitales.html
