Encoders rotativos y lineales,tecnologías que aplican.
Resumen general y desarrollo de variables:
Concepto general:
Los encoders son sensores que convierten el movimiento, ya sea rotacional o lineal, en señales eléctricas digitales.
Estos se clasifican según el tipo de movimiento que
miden y la tecnología que utilizan:
Tipos de Encoders por Movimiento
Los encoders se dividen en dos categorías
principales según el tipo de movimiento que detectan:
Encoders Giratorios (Rotativos):
Miden la posición angular, velocidad y dirección de
un eje que gira. Se utilizan ampliamente en motores, brazos robóticos y
máquinas herramienta.
Miden el desplazamiento en línea recta. Son comunes
en máquinas de corte por láser, plotters y sistemas de automatización donde se
requiere un posicionamiento preciso a lo largo de un eje.
Ambos tipos de codificadores, giratorios y lineales, pueden ser a su vez incrementales o absolutos
Generan pulsos a medida que se mueven. Miden la
posición relativa a un punto de inicio y son ideales para contar revoluciones,
distancia o velocidad. No retienen la posición en caso de un corte de energía,
por lo que necesitan una recalibración.
Proporcionan un código digital único para cada
posición. Esto significa que siempre conocen su ubicación, incluso después de
un apagón, ya que no necesitan un punto de referencia. Son más complejos y
costosos.
Tecnologías Aplicadas:
La tecnología de detección es lo que permite al
codificador convertir el movimiento en una señal. Las tecnologías más comunes
en los codificadores son:
Óptica:
Emplean un disco o tira de vidrio/plástico con
patrones opacos y transparentes. Un LED emite luz a través del patrón, y
fotodetectores la captan, generando una señal. Son conocidos por su alta
precisión y resolución. Sin embargo, son sensibles a la suciedad y el polvo.
Utilizan un disco o cinta magnetizada con polos
norte y sur alternos. Sensores de efecto Hall o magnetorresistivos detectan los
cambios en el campo magnético. Son muy robustos, resistentes a la suciedad, la
humedad y las vibraciones, lo que los hace ideales para entornos industriales
hostiles.
Funcionan basándose en la variación de la capacitancia entre el disco codificado y una placa fija a medida que el disco gira. Ofrecen una buena relación costo-beneficio.
Basados en el principio de las corrientes de
Foucault. Son muy robustos y resistentes a la suciedad y golpes, pero con menor
resolución que los ópticos.
Este video explica la diferencia entre los encoders
incrementales y absolutos, detallando su funcionamiento.
Encoders Rotativos:
Encoders rotativos absolutos características técnicas detalles constructivos tecnologías aplicaciones.
Los encoders o codificadores giratorios absolutos son dispositivos electromecánicos que convierten la posición angular de un eje en una señal digital única. A diferencia de los encoders incrementales, que solo indican el movimiento relativo (número de pulsos), los absolutos proporcionan una lectura de la posición absoluta del eje, incluso después de un corte de energía. Esto significa que, al encender el sistema, el encoder sabe exactamente dónde se encuentra sin necesidad de un punto de referencia.
Características técnicas y detalles constructivos:
Las principales características técnicas de un
encoder absoluto son:
Resolución:
Se mide en bits o en número de pasos por revolución. Cuanto mayor sea el número de bits, mayor será la precisión. Por ejemplo, un encoder de 10 bits puede distinguir 210=1024 posiciones distintas en una revolución.
Precisión:
Es la máxima desviación entre la posición real y la posición medida. Se expresa en grados, minutos o segundos de arco.
Velocidad máxima de operación:
La velocidad angular máxima a la que el encoder puede operar sin perder la precisión.
Interfaz de comunicación:
La forma en que el encoder envía los datos. Las más
comunes son:
Paralela:
Cada bit de la posición se transmite a través de un cable separado. Es rápida pero requiere muchos cables.
Serial:
La información se transmite en serie, lo que reduce el número de cables. Hay varios protocolos seriales como SSI (Synchronous Serial Interface), BiSS (Bidirectional Serial Synchronous), CANopen, Profibus, etc.
Tipo de eje:
Pueden ser de eje sólido, eje hueco pasante o
semihueco. Los de eje hueco permiten que el eje del motor pase a través del
encoder.
Los detalles constructivos incluyen:
Disco codificado:
El corazón del encoder. Es un disco de vidrio o plástico con un patrón de pistas opacas y transparentes. Cada pista representa un bit. El diseño de estas pistas puede ser en código binario simple o en código Gray, siendo este último el más común. El código Gray solo cambia un bit entre cada posición adyacente, lo que evita errores de lectura cuando el cabezal de lectura se encuentra en el límite entre dos posiciones.
Cabezal de lectura:
Contiene emisores de luz (LED) y fotodetectores (sensores de luz) que leen el patrón del disco. La luz pasa a través de las áreas transparentes y es bloqueada por las opacas.
Electrónica de procesamiento:
Convierte la señal de los fotodetectores en una señal digital.
Tecnologías de detección:
Existen diferentes tecnologías para la detección de
la posición, siendo las más comunes:
Óptica:
Utiliza un disco de vidrio o plástico con ranuras transparentes y opacas. Es la tecnología más precisa y común, pero es sensible a la suciedad y las vibraciones.
Magnética:
Emplea un disco magnetizado con polos norte y sur. Un cabezal de lectura detecta los cambios en el campo magnético. Son más robustos, resistentes al polvo y la humedad, pero generalmente menos precisos que los ópticos.
Capacitiva:
Utiliza una serie de placas conductoras. Al girar el disco, se modifica la capacitancia entre las placas, lo que se traduce en una posición angular.
Aplicaciones:
Los encoders absolutos se utilizan en aplicaciones
que requieren alta precisión, confiabilidad y la capacidad de mantener la
posición incluso después de interrupciones de energía.
Algunas de sus aplicaciones más comunes son:
Para controlar la posición exacta de cada articulación de un robot.
Control del movimiento de ejes en máquinas herramienta.
Posicionamiento en líneas de montaje, sistemas de embalaje y manipulación de materiales.
En escáneres, camas de hospital automatizadas y dispositivos de diagnóstico.
En sistemas de control de vuelo y posicionamiento de antenas
Tabla que detalla resumidamente los aspectos
técnicos y las tecnologías empleadas en los encoders rotativos absolutos:
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Característica Técnica/Tecnología |
Descripción |
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Principio de Funcionamiento |
Óptico: Discos codificados con patrones de luz/sombra leídos por
fotodetectores. Alta resolución y precisión. Magnético: Sensores de efecto Hall detectan cambios en el campo magnético de un
disco o anillo magnetizado. Resistente a la suciedad y vibraciones. |
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Tipo de Codificación |
Binario (Gray Code): Secuencia de bits donde solo un bit cambia entre
estados adyacentes, evitando errores de lectura por transiciones simultáneas.
Offset Binary: Código binario simple con un desplazamiento. |
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Resolución |
Número de divisiones o pasos por revolución. Se
expresa en bits (ej. 10 bits = 1024 posiciones) o en unidades de medida
angular (ej. grados, minutos, segundos). Determina la precisión del encoder. |
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Precisión |
La máxima desviación entre la posición real y la
leída por el encoder. Se expresa en unidades angulares. |
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Conexión Eléctrica |
Serial (SSI, BiSS, Profibus, EtherCAT, PROFINET): Comunicación de datos en serie. Permite largas
distancias y reduce el cableado. Paralela: Cada bit del código tiene un cable dedicado. Rápida, pero con más
cables. |
|
Alimentación |
Generalmente 5 VDC o 10-30 VDC. El consumo de
corriente varía según el modelo. |
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Clasificación de Protección (IP) |
Grado de protección contra la entrada de polvo y
agua (ej. IP67 para ambientes industriales). |
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Velocidad de Operación |
Máxima velocidad angular a la que el encoder
puede operar sin perder precisión o generar errores. |
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Temperatura de Operación |
Rango de temperatura ambiente en el que el
encoder puede funcionar de forma fiable. |
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Materiales Constructivos |
Carcasa de aluminio o acero inoxidable, discos
codificados de cristal o plástico, componentes electrónicos sellados. |
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Montaje |
Eje Sólido: El eje del encoder se acopla directamente al eje a medir. Eje Hueco Pasante: El eje del sistema atraviesa el encoder. Eje Hueco Ciego: El eje del sistema se inserta en un orificio
ciego del encoder. |
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Sensores de Detección |
Fotosensores (Ópticos): Diodos emisores de luz (LED) y fotodetectores. Sensores de Efecto Hall (Magnéticos): Detectan variaciones en el campo magnético. |
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Electrónica Interna |
Microprocesadores para el procesamiento de la
señal, conversión analógico-digital, lógica de control y comunicación. |
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Memoria (Multivuelta) |
En encoders absolutos multivuelta, se utiliza una
batería o un sistema de engranajes mecánicos para registrar el número de
revoluciones. |
Encoders rotativos incrementales características
técnicas detalles constructivos tecnologías aplicaciones:
Los codificadores o encoders giratorios
incrementales son dispositivos que convierten la posición angular de un eje en
una serie de pulsos eléctricos. A diferencia de los encoders absolutos, no
proporcionan una posición única para cada ángulo. En su lugar, generan una
señal que indica el movimiento y la dirección del eje, pero para conocer la
posición real, un sistema de control externo debe contar estos pulsos desde un
punto de referencia predefinido (origen).
Características técnicas y detalles constructivos:
Las principales características técnicas de un
encoder incremental son:
Resolución:
Se define por el número de pulsos por revolución (PPR, del inglés Pulses Per Revolution). Un mayor PPR significa mayor precisión en la medición del movimiento.
Canales de salida:
Canales A y B (en cuadratura):
Son dos canales que generan una onda cuadrada con un desfase de 90° entre sí. La dirección de giro se determina por la secuencia en que los pulsos aparecen en el canal A con respecto al canal B. Este desfase permite duplicar o cuadruplicar la resolución efectiva al contar los flancos ascendentes y descendentes de las señales.
Canal Z o Índice:
Es una señal que genera un único pulso por cada revolución completa. Se utiliza para establecer un punto de referencia o "cero" y recalibrar el sistema después de una interrupción.
Velocidad máxima de operación:
La velocidad angular máxima que el encoder puede soportar sin perder pulsos.
Tipo de eje:
Similar a los absolutos, pueden ser de eje sólido, eje hueco pasante o semihueco.
Señal de salida:
Generalmente son señales digitales TTL (Lógica Transistor-Transistor) o HTL (Lógica de Alto Nivel), que se usan para comunicar los pulsos al controlador.
Tecnologías de detección:
Los encoders incrementales utilizan principalmente
dos tecnologías para detectar el movimiento:
Tecnología Óptica:
Es la más común y ofrece alta precisión y resolución. Funciona con un disco codificado (generalmente de vidrio o plástico) que tiene ranuras uniformemente espaciadas. Una fuente de luz (LED) y un sensor fotoeléctrico detectan el paso de la luz a través de las ranuras, generando los pulsos. Son sensibles a la suciedad, el polvo y las vibraciones.
Tecnología Magnética:
Utiliza un disco magnetizado con polos alternos norte y sur. Un sensor de efecto Hall o magnetorresistivo detecta los cambios en el campo magnético a medida que el disco gira. Son más robustos, resistentes a la suciedad y la humedad, pero su resolución es a menudo menor que la de los encoders ópticos.
Aplicaciones:
Los encoders incrementales son la opción preferida
cuando el costo, la simplicidad y la alta velocidad de operación son factores
clave. Su principal limitación es que, al perder la alimentación, el sistema
pierde la posición y debe volver al punto de origen para recalibrarse.
Algunas aplicaciones típicas incluyen:
Medición de velocidad y retroalimentación:
En servomotores y motores de corriente continua para controlar la velocidad y la aceleración.
Robótica:
En aplicaciones de manipulación de materiales y para el control de lazo cerrado en los motores de los robots.
Maquinaria industrial:
En sistemas de corte, empaquetado y en líneas de montaje para medir el movimiento y la distancia.
Impresoras y plotter:
Para controlar el movimiento preciso del cabezal de impresión.
Equipos de elevación:
En ascensores y grúas para controlar el posicionamiento y la velocidad.
Este video explica la diferencia entre los encoders
incrementales y absolutos, detallando su funcionamiento.
Encoders Lineales:
Encoders lineales absolutos características técnicas
detalles constructivos tecnologías aplicaciones:
Los encoders o codificadores lineales absolutos son dispositivos que miden la posición de un objeto a lo largo de un eje lineal (movimiento en línea recta) y proporcionan un valor de posición único e inequívoco en cualquier momento. A diferencia de los encoders incrementales, no pierden la posición en caso de un corte de energía, ya que cada punto a lo largo de su recorrido está codificado de manera única. Esto los hace ideales para aplicaciones donde la seguridad y la precisión son críticas, y no es posible re-homing o volver a una posición de referencia.
Características Técnicas y Detalles Constructivos:
Resolución y Precisión:
La resolución se refiere a la distancia mínima que el encoder puede detectar, mientras que la precisión es la desviación máxima entre la posición real y la medida. La resolución se mide en micrómetros (µm) o nanómetros (nm). Los encoders absolutos ofrecen altas precisiones, llegando a valores de 0.01 µm o incluso menos.
Longitud de Medición:
Es la longitud máxima que el encoder puede medir. Varía desde milímetros hasta varias decenas de metros.
Interfaz de Comunicación:
Los datos de posición se transmiten a un controlador a través de interfaces de comunicación. Las más comunes son las seriales, como SSI (Synchronous Serial Interface) y BiSS (Bidirectional Serial Synchronous), ya que requieren menos cables y son más robustas contra el ruido. También existen protocolos de bus de campo como Profibus o CANopen.
Estructura y Montaje:
Consisten en dos partes principales:
Regla o Escala de Medida:
Es la parte fija del sistema. Puede ser una cinta o una regla de metal, vidrio o cerámica con un patrón codificado a lo largo de toda su longitud.
Cabezal de Lectura:
Es la parte móvil que se desliza a lo largo de la regla y contiene los sensores y la electrónica para leer el patrón y generar el dato de posición.
Tecnologías de Detección:
Los encoders lineales absolutos utilizan diversas
tecnologías para la detección de la posición:
Óptica:
Es la tecnología más utilizada y precisa. Consiste en un cabezal de lectura con una fuente de luz (LED) que ilumina una escala de vidrio o metal. El patrón codificado en la escala se lee mediante fotodetectores, generando una señal digital única para cada posición. Son extremadamente precisos, pero sensibles a la suciedad y la contaminación.
Magnética:
Utiliza una tira magnética que tiene polos norte y sur codificados. Un sensor de efecto Hall o magnetorresistivo en el cabezal de lectura detecta los cambios en el campo magnético. Son muy robustos, resistentes a la suciedad, el polvo y la humedad, lo que los hace ideales para ambientes industriales hostiles, aunque su precisión puede ser ligeramente inferior a la de los ópticos.
Capacitiva e Inductiva:
Aunque menos comunes, estas tecnologías también se
usan en algunas aplicaciones. Los encoders capacitivos miden los cambios en la
capacitancia entre el cabezal y la escala. Los inductivos utilizan bobinas y
campos magnéticos para la detección de la posición.
Aplicaciones:
Los encoders lineales absolutos se utilizan en
aplicaciones que requieren una alta precisión y la capacidad de mantener la
posición sin necesidad de un punto de referencia.
Máquinas Herramienta CNC:
Para el control preciso del movimiento de los ejes en fresadoras, tornos y centros de mecanizado.
Metrología y Equipos de Inspección:
En máquinas de medición de coordenadas (CMM) y otros instrumentos de precisión para la inspección de piezas.
Robótica Industrial:
Para el posicionamiento exacto de los actuadores y herramientas en robots.
Automatización:
En sistemas de embalaje, líneas de montaje y sistemas de transporte que requieren un posicionamiento exacto y confiable.
Industria Aeroespacial y de Semiconductores:
En aplicaciones críticas donde se requiere una precisión extrema y resistencia a las interrupciones
El siguiente video explica el funcionamiento básico
de los encoders lineales y rotativos, así como la diferencia entre los tipos
incrementales y absolutos.
Encoders lineales
incrementales características técnicas detalles constructivos tecnologías
aplicaciones:
Un encoder lineal incremental es un sensor que mide la posición de un objeto en movimiento rectilíneo. A diferencia de los encoders absolutos, no provee un valor de posición único al encenderse, sino que genera una serie de pulsos a medida que el objeto se mueve. Para determinar la posición, un contador externo debe contar estos pulsos a partir de un punto de referencia conocido (cero). Si se pierde la energía, el conteo se reinicia.
Características técnicas:
Salida:
Generan señales de onda cuadrada (canales A y B) desfasadas 90°, lo que permite detectar la dirección del movimiento (señal en cuadratura). A menudo, también incluyen un tercer pulso de índice (canal Z) que ocurre una vez por revolución o en un punto específico a lo largo de la escala.
Resolución:
Se define por la cantidad de pulsos por unidad de longitud (ej. 50 pulsos/mm). A mayor resolución, más pequeños son los movimientos que puede detectar el encoder.
Precisión y repetibilidad:
Aunque la precisión depende de la tecnología (óptica o magnética), son generalmente muy precisos y repetibles para el rango de precios.
Costo:
Son típicamente más económicos que los encoders absolutos debido a su diseño más simple.
Detalles constructivos y tecnologías:
Los encoders lineales incrementales constan de dos partes principales: una escala graduada y un cabezal de lectura. Las tecnologías para su funcionamiento son la óptica y la magnética.
Tecnología óptica:
Principio:
El cabezal de lectura emite luz (LED o láser) que pasa a través de una escala de vidrio o metal con una serie de ranuras o patrones. Un fotosensor detecta los cambios de luz (encendido/apagado) y los convierte en pulsos eléctricos.
Características:
Proporcionan muy alta resolución y precisión, lo que los hace ideales para aplicaciones que demandan tolerancias muy bajas. Son sensibles a la suciedad y la contaminación ambiental.
Tecnología magnética:
Principio:
El cabezal de lectura contiene sensores de efecto Hall o magnetorresistivos que se desplazan sobre una escala magnética que tiene polos norte y sur alternados. Los sensores detectan las variaciones en el campo magnético y las convierten en señales de pulso.
Características:
Son muy resistentes y robustos a
entornos industriales adversos (polvo, aceite, vibraciones), lo que los hace
populares en máquinas herramienta y equipos de fabricación. Su resolución es
menor que la de los ópticos.
Aplicaciones:
Los encoders lineales incrementales son una opción
versátil y rentable para numerosas aplicaciones donde la pérdida de referencia
por un corte de energía no es un problema crítico o se puede manejar con un
procedimiento de referenciado.
Máquinas CNC (Control Numérico Computarizado):
Se utilizan para medir y controlar el movimiento de las mesas de trabajo y herramientas a lo largo de los ejes, asegurando la precisión del corte.
Robótica:
Para la retroalimentación de posición y velocidad en brazos y efectores robóticos que realizan movimientos lineales.
Sistemas de automatización:
En cintas transportadoras, sistemas de empaquetado y maquinaria de ensamblaje para controlar la velocidad, la posición y la longitud del recorrido.
Impresión y escaneado industrial:
Para la posición exacta de los cabezales de impresión o escaneado a lo largo de un eje.
Para una explicación más visual, puedes ver ¿Cómo
funciona un ENCODER? Este video de YouTube explica el principio de
funcionamiento de los encoders, incluyendo los lineales, lo que ayuda a
entender sus aplicaciones.
