Encoders Detalles Funcionales y Accesorios

Resumen de Tipos y Variables de Encoders:

Tipos de codificadores:

Existen dos tipos principales de encoders, cada uno con un enfoque diferente para la medición.

Codificador incremental:

Un encoder incremental genera una serie de pulsos eléctricos a medida que el eje gira. Estos pulsos no indican la posición absoluta, sino que señalan el cambio en la posición. Para determinar la posición actual, el sistema debe contar los pulsos desde un punto de referencia conocido, como un índice o un "hogar". Estos encoders son ideales para aplicaciones que miden velocidad y desplazamiento relativo.

Encoder Absoluto:

Un encoder absoluto proporciona una señal única y binaria para cada posición específica del eje. A diferencia de los incrementales, no se requiere un punto de referencia para conocer la posición. Tan pronto como el encoder se enciende, emite una señal que indica su posición exacta. Esto lo hace inmune a pérdidas de posición debido a cortes de energía, siendo ideal para aplicaciones que necesitan una posición precisa y confiable en todo momento.

Conexionado – Montaje:

Un encoder tiene dos tipos de variables importantes: las variables de conexionado (eléctricas) y las variables de montaje (mecánicas). Si bien las primeras son cruciales para el funcionamiento eléctrico, las segundas son igualmente importantes para garantizar la durabilidad y precisión del dispositivo.

Variables de Conexionado:

En los encoders, las variables de conexionado son los parámetros eléctricos y físicos que definen cómo se integran al sistema de control. Conocer estas variables es esencial para garantizar un funcionamiento correcto y evitar daños.

Encoder Absoluto                                                     Encoder Incremental

Tensión de Alimentación:

Es la tensión (VCC) requerida para alimentar el encoder. Las tensiones comunes son 5V, 12V, o 24V. Es crucial asegurarse de que la fuente de alimentación coincida con los requisitos del encoder para evitar daños.

Salida de Señal:

Se refiere al tipo de señal que el encoder genera y transmite al controlador. Las salidas más comunes son:

Salida de Colector Abierto (Open Collector):

Requiere una resistencia "pull-up" externa para definir la tensión de la señal. Es versátil, pero puede ser susceptible al ruido si los cables son largos.

Salida Push-Pull :

Utiliza un transistor para "empujar" la señal a un nivel de alta tensión y otro para "tirar" a un nivel bajo. Esto proporciona una señal más robusta y menos susceptible al ruido.

Controlador de línea de Salida (RS-422) :

Es una salida diferencial, lo que significa que utiliza dos cables por cada señal (por ejemplo, A y A'). La señal se transmite como la diferencia de voltaje entre los dos cables, lo que la hace altamente resistente al ruido en entornos industriales con cables largos.

Número de Canales:

Los encoders incrementales suelen tener los siguientes canales de salida:

Canales A y B: 

Son los canales principales, desfasados 90 grados entre sí. Su relación de fase permite determinar la dirección del giro.

Canal Z el Índice: 

Proporciona un pulso único por cada revolución del eje, sirviendo como un punto de referencia para el conteo. 

Resolución:

La resolución es el número de pulsos por revolución (PPR) que un encoder incremental puede generar, o el número de pasos únicos que un encoder absoluto puede detectar. A mayor resolución, mayor precisión en la medición.

Tipo de Conector y Cableado:

Los encoders pueden venir con diferentes tipos de conectores, como conectores M12 o cables volantes. El número de pines en el conector corresponde al número de señales que el encoder emite, incluyendo la alimentación y las señales de salida. Es esencial un cableado correcto para el funcionamiento del encoder.

Tipo de Conector y Cableado:

Los encoders pueden tener conectores específicos como M12, M23 o cables premontados.

Longitud de Cable:

La longitud del cable es un factor crítico, especialmente para señales TTL, ya que una caída de voltaje en cables largos puede degradar la señal y causar errores.

Variables de Montaje:

Las variables de montaje determinan cómo se acopla físicamente el encoder al sistema para medir el movimiento.

Tipo de Eje:

Es la forma en que el encoder se conecta al eje de la máquina.

Eje Sólido:

El encoder tiene un eje que sobresale y se conecta al eje del motor mediante un acoplamiento este diseño es robusto y se usa para soportar cargas axiales y radiales.

Eje Hueco Pasante:

El encoder tiene un orificio que permite que el eje de la máquina lo atraviese por completo, esto permite un montaje directo en el eje sin necesidad de acoplamiento

Eje Hueco Ciego:

Similar al pasante, pero el orificio no atraviesa el encoder por completo, es una opción para ejes con espacio limitado o para montajes específicos

Diámetro del Eje:

El diámetro del eje del encoder debe coincidir con el diámetro del eje del motor. Existen diámetros estándar como 6 mm, 8 mm, 10 mm, etc.

Acoplamiento:

Es el elemento de unión entre el eje del encoder y el eje de la máquina. Un acoplamiento flexible es esencial para compensar cualquier desalineación radial, angular o axial, que de otro modo podría causar un desgaste prematuro o errores en la medición.

Acoplamiento Rígido:

No permite desalineación, por lo que exige una alineación perfecta de ambos ejes.

Acoplamiento Flexible:

Permite cierto grado de desalineación. Hay varios tipos, como de fuelle, de disco, de ranura helicoidal, etc., cada uno diseñado para distintas condiciones de carga y velocidad.

Los tipos más comunes son:

Acoplamiento de Fuelle:

Muy flexible, ideal para compensar grandes desalineaciones. 

Acoplamiento Ranurado:

Hecho de una sola pieza, con ranuras que le dan flexibilidad.

Acoplamiento de Disco:

Utiliza uno o varios discos para transmitir el par, ofreciendo alta rigidez torsional.

Otras Características Técnicas del Montaje:

Además del eje y el acoplamiento, hay otras variables mecánicas que influyen en la selección:

Diámetro del Eje:

El diámetro del eje del encoder debe coincidir con el diámetro del eje del motor. Existen diámetros estándar como 6 mm, 8 mm, 10 mm, etc.

Brida de Montaje:

Es el sistema de sujeción del encoder a la máquina. Las bridas pueden ser de varios tipos (por ejemplo, bridas de sujeción, bridas de apriete).

Grado de Protección (IP):

Clasifica la resistencia del encoder a la entrada de sólidos (polvo) y líquidos. Un mayor grado IP (por ejemplo, IP65 o IP67) es necesario para entornos industriales agresivos. 

Variables de interfaz:

Encoders industriales utilizan interfaces de comunicación para transmitir datos de posición, velocidad o conteo a un controlador, como un PLC o una PC. La elección de la interfaz es crucial y depende de la aplicación, el entorno y los requisitos de rendimiento.

Dentro de las más comunes actualmente están: PROFINET IO - Ethernet/IP - IO-Link – PROFIBUS – CANopen – DeviceNet - AS-Interface - Interfaz SSI - Interfaz paralela.

Tabla de las características de las principales interfaces utilizadas:

Interfaz	Tecnología	Nivel de Red	Descripción y Aplicación Típica
PROFINET IO	Ethernet Industrial	Red de control (campo)	Protocolo basado en Ethernet que permite la comunicación en tiempo real. Es popular en la automatización de fábricas, procesos, y aplicaciones de control de movimiento. Es la sucesora de PROFIBUS y utiliza una arquitectura de comunicación de proveedor-consumidor.
Ethernet/IP	Ethernet Industrial	Red de control (campo)	Protocolo basado en el Protocolo Industrial Común (CIP) sobre Ethernet. Es una de las interfaces más populares en
Enlace IO	Punto a punto (dispositivo maestro)	Nivel de dispositivo (punto a punto)	No es un bus de campo, sino un estándar de comunicación digital para sensores y actuadores inteligentes. Se conecta a un maestro IO-Link, que a su vez se integra a un bus de campo o red Ethernet industrial (como PROFINET o EtherNet/IP). Permite la parametrización, diagnóstico y la transmisión de datos de proceso.
PROFIBUS	RS-485 (Bus de campo)	Red de control (campo)	Históricamente uno de los buses de campo más usados en automatización. Existen dos variantes principales: PROFIBUS DP (automatización de fábrica) y PROFIBUS PA (automatización de procesos). Utiliza una comunicación maestro-esclavo y es ideal para sistemas robustos y confiables, aunque más lento que sus sucesores basados en Ethernet.
CANopen	CAN (Red de área del controlador)	Red de control (campo)	Protocolo de alto nivel basado en el bus CAN, diseñado para sistemas integrados. Es muy utilizado en aplicaciones de control de movimiento, vehículos, y maquinaria especial donde la comunicación entre dispositivos es crucial.
DeviceNet	CAN (Red de área del controlador)	Red de control (campo)	Protocolo basado en el bus CAN y el Protocolo Industrial Común (CIP). Al igual que EtherNet/IP, es popular en Norteamérica y se utiliza para conectar dispositivos a nivel de campo. Es ideal para aplicaciones de automatización discreta.
Interfaz AS	Bus de campo	Nivel de dispositivo (campo)	Protocolo sencillo y de bajo costo para conectar sensores y actuadores binarios. Su principal ventaja es la simplicidad de su cableado y la facilidad de instalación. Se usa principalmente en la capa inferior de la jerarquía de automatización.
Interfaz SSI	Síncrono punto a punto	Nivel de dispositivo (punto a punto)	Interfaz en serie punto a punto utilizada principalmente para encoders absolutos. Es un protocolo de comunicación simple, síncrono, que proporciona datos de posición precisos. No es un bus de campo en el sentido de conectar múltiples dispositivos, sino una conexión directa entre un maestro (PLC) y un esclavo (encoder).
Interfaz paralela	Paralelo	Nivel de dispositivo	Método de transmisión de datos en el que los bits se envían simultáneamente a través de múltiples líneas. Aunque obsoleta en la mayoría de las aplicaciones modernas de automatización, se utilizó en el pasado para dispositivos de E/S y aún puede encontrarse en algunos sistemas legados. Ofrece alta velocidad, pero con la desventaja de un cableado complejo y distancias limitadas.

Interfaces de Comunicación para Encoders Absolutos:

Los encoders absolutos, que proporcionan una posición única y absoluta, suelen utilizar interfaces seriales o de bus de campo para enviar su valor de posición digital.

SSI (Interfaz serial síncrona) :

Es una de las interfaces seriales más comunes para encoders absolutos. Utiliza una comunicación punto a punto entre un maestro (controlador) y un esclavo (encoder). El controlador envía una señal de reloj, y el encoder responde con un tren de bits que representa su posición. Es simple y confiable para distancias cortas a medianas.

BiSS (Serie síncrona bidireccional) :

Similar a SSI, pero con la capacidad de ser bidireccional. Esto permite que el controlador no solo lea la posición, sino que también envíe comandos al encoder para diagnóstico, configuración o lectura de parámetros adicionales como la temperatura.

EnDat (datos del codificador) :

Un protocolo desarrollado por HEIDENHAIN. Es un sistema bidireccional que permite la transmisión de datos de posición, así como información adicional sobre el estado del encoder, como su número de serie, historial de errores y mediciones de temperatura. Ofrece una alta velocidad y gran inmunidad al ruido.

PROFIBUS / PROFINET :

Protocolos de comunicación de bus de campo y Ethernet industrial ampliamente usados en automatización. Permiten la comunicación con múltiples dispositivos en una red, simplificando el cableado y la integración del sistema. PROFINET, al estar basado en Ethernet, ofrece mayores velocidades y flexibilidad en la topología de la red. 

EtherCAT :

Un protocolo de comunicación en tiempo real basado en Ethernet. Es conocido por su alta velocidad y su capacidad para procesar los datos "sobre la marcha" sin retrasos significativos. Es ideal para aplicaciones de control de movimiento de alta precisión y sincronización, como la robótica.

CANopen :

Un protocolo de comunicación de red de bus de campo que se utiliza en una amplia variedad de aplicaciones, desde la automotriz hasta la automatización industrial. Es flexible y rentable para aplicaciones que no requieren las velocidades extremas de EtherCAT.

Interfaces de Comunicación para Encoders Incrementales:

Los encoders incrementales generalmente emiten pulsos eléctricos a medida que el eje gira. La interfaz de comunicación es típicamente una conexión eléctrica de bajo nivel que transmite estas señales a un contador.

TTL (lógica transistor-transistor) :

Ofrece un nivel de voltaje bajo (generalmente 5V) para las señales de pulso. Requiere una conexión de tipo line-driver para asegurar la integridad de la señal en cables largos y entornos ruidosos.

HTL (lógica de transistores altos) :

Proporciona un nivel de voltaje más alto (generalmente 10-30V), lo que lo hace más robusto y menos susceptible al ruido, ideal para distancias más largas y entornos industriales difíciles. Utiliza una configuración de salida push-pull.

El tipo de interfaz de comunicación se elige en función de factores como la velocidad requerida, la distancia entre el encoder y el controlador, la inmunidad al ruido y la complejidad de la red.

Variables de Señales de Salida:

Las señales de salida de los encoders varían significativamente según sean incrementales o absolutos. Esta diferencia fundamental determina el tipo de datos que se transmiten y cómo se interpretan en un sistema de control.

Encoders Incrementales:

Los encoders incrementales no proporcionan una posición absoluta, sino que generan una serie de pulsos en respuesta al movimiento. Para conocer la posición, un controlador debe contar estos pulsos desde un punto de referencia (marca Z).

Pulsos en cuadratura (Canales A y B):

La salida más común. Se generan dos series de pulsos desfasados 90 grados entre sí. El desfase permite al controlador determinar la dirección del giro y la velocidad.

Señal de Índice (Canal Z):

Un pulso único que se genera una vez por cada revolución. Sirve como punto de referencia para el conteo de pulsos.

Señales diferenciales (TTL o HTL):

Para mejorar la inmunidad al ruido en entornos industriales, las señales A, B y Z se transmiten a menudo de forma diferencial, utilizando pares de cables (A y A', B y B', Z y Z').

Codificadores absolutos:

Los encoders absolutos proporcionan un valor digital único para cada posición del eje. No pierden su posición al desconectar la alimentación y no requieren una referencia inicial. La señal de salida es una palabra digital que representa la posición.

Salidas Digitales:

SSI (Interfaz serial síncrona):

Una interfaz de comunicación serial punto a punto. El controlador (maestro) envía un reloj al encoder (esclavo), que responde con un tren de bits que codifica la posición.

BiSS (Serie síncrona bidireccional):

Similar a SSI, pero bidireccional. Permite al controlador leer datos de posición y enviar comandos de configuración o diagnóstico.

Bus de campo (PROFIBUS, EtherCAT, PROFINET, etc.):

Interfaces de bus de campo que permiten integrar el encoder en una red de automatización industrial. Envían el valor de posición como parte de un telegrama de datos a través de la red.

Salidas Analógicas:

Aunque menos comunes que las digitales, algunos encoders absolutos ofrecen salidas analógicas como 0-10V o 4-20mA, donde el voltaje o la corriente son proporcionales a la posición angular.

El siguiente video te proporcionará una explicación visual sobre la diferencia entre encoders incrementales y absolutos.

Accesorios Varios:

Los encoders industriales no son solo el sensor en sí, sino un sistema completo que requiere varios accesorios para su correcto funcionamiento y montaje. Estos accesorios son clave para adaptar el encoder a la aplicación específica y garantizar una medición precisa y duradera.

Accesorios de Montaje:

Son los componentes mecánicos que conectan físicamente el encoder a la máquina o al eje:

Acoplamientos:

Sirven para unir el eje del encoder al eje de la máquina. Un acoplamiento flexible es esencial para compensar desalineaciones axiales, radiales o angulares, lo que protege los rodamientos del encoder y prolonga su vida útil.

Soportes y Brazos de Reacción:

Se usan para fijar el encoder de forma segura. En el caso de encoders de eje hueco, los brazos de reacción evitan que el cuerpo del encoder gire junto con el eje de la máquina, garantizando una medición estable.

Ruedas de Medición:

Para encoders que miden el desplazamiento lineal, se acoplan ruedas de medición. Estas ruedas, con diámetros y superficies específicos (plástico, goma, metal), convierten el movimiento lineal en rotación, que el encoder mide. Son comunes en industrias textiles, de papel o de embalaje.

Accesorios de Conexión:

Estos accesorios garantizan una conexión eléctrica segura y robusta, fundamental en entornos industriales con ruido eléctrico.

Cables y Conectores:

Los cables con conectores sellados (como M12 o M23) son cruciales para proteger las conexiones de la humedad, el polvo y otros contaminantes, manteniendo la integridad de la señal.

Splitters y Distribuidores de Señal:

Permiten enviar la señal de un solo encoder a múltiples dispositivos (por ejemplo, a un PLC y a un visualizador), simplificando el cableado y la arquitectura del sistema.

Convertidores de Señal:

Estos módulos adaptan la señal de salida del encoder a las entradas de un controlador. Por ejemplo, pueden convertir una señal de pulso TTL a una señal analógica de 0-10V o una señal SSI a una salida paralela.

Otros Accesorios:

Unidades de Visualización (Displays):

Muestran la posición o el conteo en tiempo real, facilitando la monitorización local del producto.

Módulos de Posicionamiento:

Actúan como controladores dedicados, interpretando la señal del encoder para funciones específicas, como control de levas o posicionamiento de alta velocidad, sin necesidad de un PLC complejo.

Adaptadores de Eje:

Permiten montar un encoder con un diámetro de eje diferente al del motor, brazo soporte y rueda para encoder 20mm.

Este video muestra los accesorios de un encoder, como el soporte de montaje y la rueda de medición, y cómo se utilizan en conjunto:

https://youtu.be/eTD_Hm9pBwo

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