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Encóderes en el punto de mira

Marzo de 2016

Sistemas de encóder absoluto o incremental: ¿cuándo elegir un modelo u otro?

Los encóderes ópticos modernos se dividen en dos tipos: incremental y absoluto. Ambos sirven para ejes lineales y rotativos en una gran variedad de sectores industriales. Entonces ¿cómo elige un diseñador de sistemas el encóder más adecuado para su aplicación? Hay que considerar varias diferencias de funcionamiento y rendimiento:

¿Con posición de referencia o no?

Hexápodo SYMETRIE IA DEA

Quizá, la diferencia más evidente es que los tipos de encóder absoluto no necesitan una posición de inicio (referencia). Un encóder absoluto no necesita un ciclo de retorno a la posición de referencia antes de ejecutar los ciclos, algo que podría ser crucial para determinadas aplicaciones. El retorno a la posición de referencia supone una penalización de tiempo y, en máquinas de varios ejes, los ciclos con posición de referencia podrían ser muy complejos y lentos. Además, algunos tipos de robot, como los hexápodos y los manipuladores de obleas, pueden dañarse o dañar la carga si tienen que volver a la posición de referencia, por ejemplo, tras un corte de suministro eléctrico.

Peticiones de posición discontinuas o salida continua

Normalmente, un control de máquina puede solicitar la posición del encóder absoluto cada 65 µs (15 kHz), por tanto, existe un intervalo de tiempo discontinuo entre cada lectura. Esto afecta a la precisión de los controles de alta velocidad, principalmente, en aplicaciones con motores de transmisión directa o DDR. Los sistemas de encóder incremental generan una salida sinusoidal continua que disminuye los errores de velocidad y, por tanto, reduce la onda de velocidad. El efecto de la onda de velocidad se genera, en parte, por la amplificación de minúsculos errores en la salida del encóder, debido a las ganancias más altas del control para controlar la alta rigidez del servomotor. En aplicaciones como la impresión flexográfica, por ejemplo, páginas web, se tiene especial cuidado en mantener un control de velocidad ‘perfecto', ya que las ondas de velocidad generan un revestimiento desigual, con barras horizontales no deseadas en el sustrato.

Velocidad

Amicra Nova

La velocidad máxima de los encóderes incrementales digitales está determinada por la frecuencia de entrada máxima (MHz) del sistema electrónico receptor y la resolución necesaria. Por consiguiente, puesto que la frecuencia máxima del sistema electrónico receptor es fija, cualquier aumento de resolución producirá la correspondiente reducción de la velocidad máxima y viceversa. Los encóderes absolutos no tienen esta limitación, por tanto, pueden funcionar con alta resolución y alta velocidad. Esto se debe a que la posición se determina a demanda y al uso de comunicaciones serie, por ello, los diseñadores tienen libertad para utilizar alta velocidad y altas resoluciones. Se aplica, por ejemplo, en máquinas de brazos robóticos con tecnología de montaje en superficie, (SMT), donde el aumento de la velocidad y la precisión de montaje siguen en continua evolución.

Error cíclico

En los encóderes ópticos incrementales, hay dos fuentes principales de error cíclico. Una, es el campo sinusoidal del esquema de ópticas de filtrado, que genera errores armónicos y otros de las fuentes electrónicas, como detectores y CI, que generan curvas de Lissajous y elipticidad. Pueden diseñarse esquemas ópticos que generen campos sinusoidales sin efecto armónico. En sistemas absolutos puros (una pista), el origen dominante de error cíclico es el solapamiento. Un solapamiento es una señal sinusoidal que se muestra idéntica a otra forma de onda cuando se muestrea a la misma frecuencia; el solapamiento puede ser un problema cuando se pasa una gran cantidad de frecuencias a un detector. El filtrado óptico aplicado a los sistemas incrementales minimiza este efecto, sin embargo, los sistemas absolutos no utilizan normalmente el filtrado digital debido al aumento de latencia. Normalmente, el efecto de solapamiento produce un error con una periodicidad aproximada de ≤10 µm en los sistemas absolutos, y es el resultado del muestreo discontinuo del paso de la regla debido al detector periódico; un minucioso diseño y un filtrado óptico pueden disminuir este efecto, ya que la amplitud de error relacionada es inferior a 10 nm. Los encóderes incrementales bien diseñados pueden presentar un error cíclico marginal mejor que los sistemas absolutos equivalentes.

Fluctuación

En ambos sistemas, incremental y absoluto, las principales causas de fluctuación son los distintos tipos de interferencias (p.ej., disparo, Johnson y 1/f)* que se generan en un amplio espectro de frecuencias. Es posible reducir su impacto mediante un filtrado que limite el rango de frecuencias (ancho de banda) que se transmiten desde el encóder al sistema de control de movimiento. En los encóderes incrementales, donde la información de posición se transmite de forma continua, se limita el ancho de banda de las señales de cuadratura (analógicas), que reduce la velocidad máxima del encóder (consulte Velocidad). Por ejemplo, el mejor rendimiento de fluctuación posible de un encóder TONiC™ se consigue limitando la velocidad máxima muy por debajo de 1 m/s. En sistemas absolutos, donde la información de posición se adquiere a intervalos de tiempo discontinuos, la fluctuación de posición es la incertidumbre en cada una de las mediciones. No es posible limitar el ancho de banda del mismo modo, pero se puede aplicar algún filtrado digital. El resultado es que los encóderes absolutos tienen una fluctuación de posición ligeramente más alta que los sistemas incrementales bien ajustados. En plataformas científicas de alta precisión, que requieren un soporte de posición firme con mayor rigidez, generalmente se emplean encóderes incrementales.

Por último, la elección correcta del encóder depende de la aplicación. Los dos sistemas son de alta precisión, pero existen conflictos de velocidad y resolución, como muestra la imagen.

Los técnicos de Renishaw siempre están a disposición de los ingenieros de sistemas para ayudarles a seleccionar y elegir la especificación más adecuada para su encóder; si desea más información, póngase en contacto con nosotros.

* La interferencia de disparo se origina por la naturaleza discontinua de la carga eléctrica. La interferencia de disparo es típica en el recuento de fotones de dispositivos ópticos, como fotodetectores.

La interferencia de Johnson es la interferencia blanca aleatoria generada por la agitación térmica de los electrones dentro de un conductor o dispositivo electrónico.

La interferencia rosa (1/f) es una señal con un espectro de frecuencia tal, que la densidad espectral de alimentación (energía o alimentación por Hz) es inversamente proporcional a la frecuencia de la señal. En la interferencia rosa, cada octavo (que duplica o divide en dos la frecuencia) transporta una cantidad equivalente de potencia de interferencia.

Febrero de 2016

Costes ocultos: por qué son tan importantes el coste y la amortización de la inversión al adquirir un encóder

A la hora de decidir el tipo de encóder para una aplicación, el cliente podría considerar únicamente la ‘inversión inicial' o el precio de compra. Esto podría ser la consecuencia de una mala interpretación del valor real que supone un encóder de calidad para el proceso y el mérito relativo de los tipos incremental y absoluto. Al tomar una decisión de compra de un sistema de encóder, los compradores y responsables deben considerar el impacto del coste total de la inversión (TCO) y el plazo de amortización (ROI), por encima del coste de compra exclusivamente. En otras palabras, el coste total de la inversión es el valor de una inversión en toda la vida útil del producto y el plazo de la amortización es el retorno de la inversión del capital inicial en el mismo período. En sistemas de encóder, estos términos podrían parecer nuevos, pero pueden explicarse adecuadamente con un ejemplo. En un escenario en el que un sistema de encóder supone un ahorro de tiempo para un proceso concreto, las ventajas del coste pueden identificarse fácilmente. Podría deberse a una especificación mejorada para la velocidad, aunque puede ilustrarse fácilmente comparando la diferencia entre los sistemas de encóder incremental y absoluto.

En la tabla siguiente, se muestra el ahorro de costes, debido a la eliminación de los ciclos de posición de referencia, de un sistema de encóder óptico absoluto para una aplicación de procesos de fabricación de pantallas planas en fábrica. Las cifras son aproximadas, pero representan el promedio del sector*.

Coste / beneficio artículoSistema de encóder óptico incremental™Sistema de encóder óptico absoluto™
Coste aproximado del sistema (1 m de regla)600 £900 £
Número de ciclos de referencia por hora0,50
Máxima duración de referencia15 seg.0
Número de ejes33
Tarifa horaria de máquina36,00 £36,00 £
Tarifa horaria de operario8,00 £8,00 £
Años de vida útil de la máquina33
Tiempo de actividad de la máquina80%80%
Tiempo de inactividad por hora7,5 seg.0 seg.
Coste por hora0,073 £0,00 £
Coste de toda la vida útil de la máquina (3 ejes)1.281 £0,00 £
Amortización (sólo encóderes) 42,3% (£381)

*Calculado sobre un uso de 16 horas, 7 días (doble turno), durante todo el año. La moneda es la libra esterlina.

En este caso, la principal ventaja del encóder absoluto es que permite eliminar los ciclos de posición de referencia (retorno). Los encóderes absolutos, al contrario que los de tipo incremental, capturan la información de posición cuando se solicita, y se pueden reiniciar después de las paradas de la máquina sin necesidad de volver a la posición de referencia. El efecto general es un ahorro promedio de varios segundos a la hora, por tanto, este ahorro de tiempo también debe tenerse en cuenta al adquirir un sistema de encóder de más fiabilidad, capacidad de actualización y requisitos de mantenimiento. Aunque unos pocos segundos podría parecer algo insignificante, su efecto en el coste durante los 3 años de servicio de la máquina es considerable. En el Sureste asiático, una fábrica de pantallas planas puede tener, normalmente, 500 máquinas, por lo que el impacto en la amortización sería de aproximadamente £0,65 millones por fábrica. Si se aplica rigurosamente el análisis de coste-beneficio adecuado al proceso de decisión de compra del encóder, es posible obtener una ganancia económica significativa.

Es importante que los compradores resistan la tentación de considerar el encóder como una sencilla decisión de compra de materiales. El coste de la inversión puede ser solo la punta del iceberg.

Diciembre de 2015

Regla con adaptación al sustrato o autoadaptable

Los sistemas de encóder lineal óptico abiertos se componen de dos elementos principales: una cabeza lectora y una regla. En sistemas de moción de alta especificación, el método de montaje de la regla puede tener un efecto muy negativo en el funcionamiento del sistema, especialmente en el rendimiento térmico.

La regla puede montarse de dos maneras, térmicamente con adaptación al sustrato y autoadaptable.

Para tomar una decisión informada sobre cuál es el mejor método, el diseñador del sistema debe conocer las diferencias entre estos dos modos de montaje de las reglas y sus ventajas e inconvenientes relativos en cualquier aplicación de información de posición.

Reglas con adaptación al sustrato

Las reglas con adaptación al sustrato emplean algún método de fijación rígida de los extremos de la regla al sustrato, por ejemplo, ‘fijaciones' sujetas con epoxy, para garantizar que la regla y el sustrato se expanden y se contraen axialmente unidas. En otras palabras, el coeficiente de expansión térmica (CTE) de la regla se 'adapta' al sustrato.

Límite de referencia y fijaciones

Generalmente, la regla se adhiere al sustrato entre las fijaciones de los extremos con cinta adhesiva por las dos caras homologada. De este modo, se mantiene el rendimiento lineal de la regla mientras se expande o se contrae debido a los cambios de temperatura.

La adaptación al sustrato solo es factible si la sección transversal y la rigidez de la regla son considerablemente más bajas que el sustrato, de forma que no se altere su estabilidad mecánica durante las variaciones térmicas previstas.

La principal ventaja de este enfoque es que la variación térmica de la regla se comprende fácilmente, ya que se adapta al sustrato.

Reglas autoadaptables

En cambio, las reglas autoadaptables deben montarse de forma que su variación térmica sea independiente del sustrato. Para ajustar la expansión térmica entre la regla y el sustrato, pueden fijarse rígidamente en un solo punto del sustrato, y sujetar el resto de su longitud con cinta adhesiva por las dos caras, varias fijaciones de retención o un sistema de transporte de regla.

Instalación completa del sistema de encóder lineal FASTRACK™

No obstante, independientemente del método de fijación empleado, la regla denominada autoadaptable nunca se corresponde con su patrón real respecto a la expansión térmica. Esto es debido a los efectos de fricción y otros, que inevitablemente provocan alteraciones de posición y posibles histéresis, por lo que el coeficiente de expansión térmica no es exactamente igual que el material de la regla antes de fijarla. Este comportamiento puede modificarse mediante métodos de fijación de la regla autoadaptable (cinta adhesiva, fijaciones y transporte) para facilitar una guía de diseño, aunque en la práctica, la compensación no se realiza fácilmente. Sin embargo, las reglas autoadaptables pueden fabricarse con muy alta precisión, especialmente si se emplean materiales con un coeficiente de expansión térmica muy bajo.

Renishaw fabrica los sistemas de montaje de reglas en la gama autoadaptable (RTL, RSL y REL), y adaptables al sustrato (RGS).