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Codificadores lineales
Los encoders lineales(Codificadores lineares) convierten el desplazamiento lineal en señales eléctricas (digitales o analógicas). Pueden medir directamente el movimiento lineal de mesas, carros o piezas de trabajo, y son sensores de posicionamiento esenciales en máquinas CNC, máquinas de medición por coordenadas (CMM), equipos semiconductores y plataformas de automatización de alta gama. A diferencia del cálculo indirecto del desplazamiento mediante husillos o cremalleras, los encoders lineales ofrecen "medición directa", lo que reduce de manera significativa los efectos de la expansión térmica del husillo, el juego mecánico y los errores de transmisión en la precisión de posicionamiento.
¿Qué es un encoder lineal? (What is a Linear Encoder)
Un encoder lineal está compuesto por una regla (Scale/Rule) y un cabezal de lectura (Readhead): la regla presenta estructuras periódicas (rejillas ópticas, pistas magnéticas, patrones inductivos), mientras que el cabezal se desplaza a cierta distancia, lee la información de posición y entrega la señal eléctrica. Según el tipo de salida, se dividen en incrementales y absolutos; según el principio de detección, pueden ser ópticos, magnéticos, inductivos o capacitivos; según la construcción, existen abiertos (open-type) o sellados (enclosed/sealed).
Principio de funcionamiento (Working Principle)
Ópticos (Optical)
- Estructura: Regla de vidrio/cerámica (o cinta de acero inoxidable) + fuente LED/láser + matriz de fotodiodos.
- Mecanismo: Interferencia en transmisión/reflexión o franjas de Moiré, demoduladas e interpoladas por el cabezal.
- Características: Alta resolución (nivel nm), error lineal hasta ±1 μm/m; sensibles a la contaminación y condensación.
Magnéticos (Magnetic)
- Estructura: Cinta magnética con polos a paso fijo (acero o flexible) + matriz de sensores Hall/AMR/GMR/TMR.
- Mecanismo: El cabezal detecta el campo magnético variable con el desplazamiento y calcula la posición.
- Características: Resistencia a aceite y vibraciones, tolerancias de instalación grandes, recorrido largo (decenas de metros); resolución y precisión menores que los ópticos de alta gama.
Inductivos (Inductive)
- Estructura: Bobinas de excitación y detección en el cabezal; la regla con patrones metálicos o conductores.
- Mecanismo: Los efectos de acoplamiento y corrientes parásitas varían con la posición y la holgura; el cabezal obtiene la posición al demodular fase/amplitud.
- Características: Resistente a la suciedad, soporta altas temperaturas y es inmune a interferencias electromagnéticas; precisión intermedia entre ópticos y magnéticos.
Capacitivos (Capacitive)
- Estructura: Matriz de electrodos + regla con patrones periódicos.
- Mecanismo: La capacitancia cambia con el desplazamiento; el cabezal sincroniza y decodifica la señal para calcular la posición.
- Características: Compactos, de bajo consumo; sensibles a humedad y efectos de proximidad metálica, requieren buen apantallado y puesta a tierra.
Tipos y construcciones (Types & Constructions)
1) Según la señal de salida
- Incrementales (Incremental): Proporcionan pulsos A/B en cuadratura (más Z/punto de referencia opcional). El controlador debe contarlos; pueden ofrecer salida analógica 1 Vpp seno/coseno para interpolación.
- Absolutos (Absolute): Generan un código único en cada posición; pueden incluir puntos de referencia codificados en distancia (distance-coded reference marks) y utilizan protocolos como SSI, BiSS-C, EnDat.
2) Según el encapsulado y la protección
- Abiertos (Open-type): Cabezal expuesto, alta respuesta dinámica, baja fricción; aptos para entornos limpios.
- Sellados (Sealed/Enclosed): Regla y cabezal dentro de carcasa sellada, con rascadores o cortinas de aire; aptos para máquinas herramienta y condiciones agresivas.
3) Según el material y la forma de la regla
- Vidrio/cerámica: Muy bajo coeficiente de expansión térmica (CTE), precisión en µm/m; requieren soporte estable y control térmico.
- Cintas de acero/acero inoxidable: Recorridos largos, flexibles o enrollables; mayor CTE, requieren compensación térmica.
- Cintas magnéticas (autoadhesivas o en carril): Fácil instalación, resistentes a la suciedad; precisión inferior a los ópticos de alta gama.
- Patrones inductivos/capacitivos: Robustos y resistentes a entornos hostiles.
Salidas e interfaces (Outputs & Interfaces)
| Tipo | Formato de salida | Uso típico |
|---|---|---|
| Incremental | A/B (+Z), TTL/HTL, RS422 | Contadores rápidos de PLC, bucles de velocidad/posición |
| Seno/coseno | 1 Vpp, 11 μApp | Interpolación de alta resolución (×4 hasta >10.000×) |
| Absoluto | SSI, BiSS-C, EnDat 2.2 | Posición absoluta, diagnóstico, datos de temperatura/estado |
| Bus/Ethernet | CANopen, EtherCAT, PROFINET | Sincronización multi-eje, largas distancias, diagnóstico online |
Ejemplo de frecuencia máxima de salida (incremental, onda cuadrada):
f_max ≈ (V / Pitch) × Edges_per_cycle
- V: Velocidad lineal (mm/s)
- Pitch: Paso de la regla (mm/ciclo)
- Edges_per_cycle: Número de flancos por ciclo (p. ej., ×4)
Especificaciones clave (Key Specifications)
| Especificación | Rango típico / Significado | Notas |
|---|---|---|
| Resolución (Resolution) | 5 μm → 0.1 μm (magnéticos/cintas); 1 μm → 1 nm (ópticos/interferenciales) | Depende del factor de interpolación |
| Precisión lineal (Accuracy) | ±3 ~ ±10 μm/m (magnéticos); ±1 ~ ±3 μm/m (ópticos de gama alta) | Expresado en μm/m o ppm |
| Repetibilidad (Repeatability) | < ±0.1 ~ ±0.5 μm (ópticos de alta gama) | Influida por entorno y montaje |
| Error de subdivisión (SDE) | ±20 ~ ±80 nm (sistemas 1 Vpp premium) | Error periódico de interpolación |
| Jitter/Ruido (Jitter/Noise) | Decenas de nm | Depende de la cadena analógica y la fuente |
| Puntos de referencia | Único, codificado en distancia, bidireccional | Para homing o referencia absoluta |
| Longitud de medida (Measuring Length) | 0.1 m → 30+ m | En largos se requiere empalme/compensación |
| Altura de montaje (Ride Height) | 0.1 ~ 1.0 mm (según principio) | Limitada por tolerancias de pitch/roll/yaw |
| CTE | Vidrio/cerámica: ~0.5–2 ppm/K; Acero: ~10–17 ppm/K | Define estrategia de compensación térmica |
| Protección IP | IP40 (abierto) → IP67 (sellado) | Considerar polvo, aceite, refrigerante |
Instalación y errores geométricos (Installation & Geometric Errors)
- Tolerancias de holgura y actitud: Control de altura y ángulos (pitch/roll/yaw). Exceder límites reduce señal e incrementa SDE.
- Error de Abbe (Abbe Error): Desalineación entre línea de medida y eje de movimiento × error angular = error adicional. Se recomienda alinear o compensar con modelo.
- Error de coseno (Cosine Error): Eje del encoder no paralelo al movimiento real produce error de proyección.
- Acoplamiento térmico y fijación: Cintas metálicas deben montarse flotantes/libres de tensiones; las reglas de vidrio/cerámica requieren soporte isotérmico.
- Puesta a tierra y apantallado: Conexión a tierra en un solo punto; blindaje de cables según normativa para evitar bucles y ruido.
Calibración y compensación (Calibration & Compensation)
- Compensación lineal: Uso de interferómetro láser, ballbar o bloques patrón para calibrar y crear mapas de error.
- Compensación térmica: Corrección en función del CTE y distribución térmica de la máquina; sistemas avanzados usan sensores de temperatura del cabezal y modelos térmicos.
- Reducción de SDE: Uso de señales 1 Vpp de alta calidad, optimización de la cadena analógica e interpolación; mantener estabilidad mecánica.
- Estrategias de referencia: Puntos codificados en distancia reducen tiempo de homing; puntos bidireccionales mejoran repetibilidad.
Comparación con otras tecnologías (Comparisons)
| Tecnología | Ventajas | Limitaciones | Aplicaciones típicas |
|---|---|---|---|
| Encoder lineal (óptico) | Resolución nm, precisión µm/m, alta dinámica | Sensible a contaminación/condensación, instalación exigente | CNC, CMM, semiconductores |
| Encoder lineal (magnético) | Resistente, tolerante, recorridos largos | Menor precisión que ópticos de gama alta | Automatización, maquinaria pesada |
| Interferómetro láser | Máxima precisión, trazabilidad | Costoso, sensible al entorno/ruta | Calibración, metrología |
| LVDT/eddy current | Robustos, excelente repetibilidad corta | Alcance limitado, linealidad baja | Límites de carrera, control fino |
| Encoder rotativo + husillo | Económico, tecnología madura | Influencia de expansión térmica/juego/paso | Posicionamiento medio-bajo |
Aplicaciones (Applications)
- Ejes lineales de CNC (X/Y/Z): Precisión estable bajo carga y calor de corte.
- CMM/plataformas de metrología: Interpolación nanométrica + mapas de error garantizan trazabilidad.
- Semiconductores: Litografía/alineación/inspección; requiere jitter nm y bajo SDE.
- Impresión/packaging/SMT de alta gama: Recorridos largos, alta velocidad, sincronización precisa.
- Equipos médicos: Mesas de CT/MRI, posicionamiento en radioterapia.
- Logística y maquinaria pesada: Sistemas de cinta magnética largos, robustos en entornos hostiles.
Mantenimiento y resolución de problemas (Maintenance & Troubleshooting)
Mantenimiento rutinario
- Limpieza periódica (ópticos: paño sin pelusa + alcohol isopropílico; magnéticos: eliminar partículas ferrosas).
- Revisar radios de curvatura de cables y fijaciones para evitar roturas.
- Vigilar temperatura, humedad, refrigerante y evitar condensación.
Problemas comunes
| Síntoma | Causa posible | Solución |
|---|---|---|
| Pérdida de pulsos | Holgura excesiva, contaminación, mala alineación | Ajustar altura/actitud, limpiar regla, revisar montaje |
| Jitter / SDE alto | Ruido en interpolación, mala puesta a tierra | Mejor apantallado, cables/PSU de calidad, tramos cortos |
| Error lineal grande | Montaje rígido, sin compensación térmica | Reinstalar flotante, calibrar y aplicar mapa de error |
| Fallo en comunicación absoluta | Configuración SSI/BiSS/EnDat incorrecta | Verificar timing/polaridad/CRC, revisar cableado |
| Referencia inestable | Puntos dañados o contaminados | Limpiar marcas, ajustar estrategia de referencia |
Normas y referencias (Standards & References)
- IEC 60529:2020 (grados de protección IP)
- IEC 60068-2 series (vibración/golpe/temperatura/humedad/corrosión salina)
- IEC 61000-6-2/-6-4 (EMC en entornos industriales)
- ISO 230-2 / ISO 230-3 (precisión térmica de máquinas-herramienta)
- ISO 10360 series (verificación y prueba de CMM)
- ISO 14644 series (salas limpias, referencia para semiconductores/metrología)
Nota: La aplicabilidad depende de cada sector y equipo; confirmar siempre con la documentación del fabricante y condiciones reales.
Guía de selección (Selection Guide)
- Objetivo de precisión: Definir tolerancias de posicionamiento/repetibilidad y error lineal máximo (μm/m).
- Principio: Entornos limpios/alta precisión → óptico; ambientes sucios/vibrantes/recorridos largos → magnético o inductivo.
- Salidas e interfaces: Incrementales para bucles de velocidad; SSI/BiSS/EnDat o EtherCAT para multi-eje de alta precisión.
- Mecánica e instalación: Confirmar recorrido, material de regla, CTE, tolerancias y método de montaje (flotante/adhesivo/abrazadera).
- Entorno y protección: Refrigerante/polvo/deriva térmica → encoders sellados con IP adecuado; considerar cortinas de aire/rascadores.
- Compensación y diagnóstico: Revisar soporte de mapas de error, monitoreo de temperatura/estado, alarmas.
- Ciclo de vida: Sustitución de cables/cabezales, repuestos disponibles, calibración y soporte de servicio.
Al comprender los principios, estructuras e instalación de los encoders lineales —y aplicando modelos de error, compensación térmica y verificaciones estandarizadas— los equipos de ingeniería pueden garantizar alta precisión, larga vida útil y capacidad de diagnóstico en el control de posicionamiento y velocidad lineal bajo condiciones industriales complejas.