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Codificadores ópticos
Los encoders ópticos (también llamados codificadores ópticos) utilizan rejillas y detección fotoeléctrica para convertir un movimiento rotativo o lineal en señales eléctricas. Son el sistema de realimentación de posición dominante en máquinas-herramienta CNC, plataformas de semiconductores, metrología de precisión, robótica y automatización avanzada. Gracias a su alta resolución, bajo error de subdivisión (SDE) y excelente repetibilidad, los encoders ópticos se aplican ampliamente en posicionamiento desde la nano- hasta la micrometría.
¿Qué es un encoder óptico?
Un encoder óptico es un sensor que obtiene información de posición mediante la cadena fuente de luz → rejilla óptica → detección fotoeléctrica. Su núcleo lo forman una regla/disco con patrón periódico (Scale/Disk) y un cabezal de lectura (Readhead): el cabezal, en un entrehierro óptico definido, lee las franjas o señales de interferencia generadas por la transmisión/reflexión de la rejilla y, tras el acondicionamiento analógico y la interpolación/decodificación, entrega incremental A/B (con Z opcional), seno/coseno 1 Vpp, o datos de posición absoluta en serie (SSI/BiSS/EnDat, etc.).
Por forma de movimiento se dividen en encoders ópticos rotativos (disco) y encoders ópticos lineales (regla). Frente al cálculo indirecto mediante husillos/cremalleras, el encoder lineal posibilita medición directa, reduciendo de forma notable errores por backlash, paso y dilatación térmica; el encoder rotativo proporciona realimentación angular y de velocidad de alta resolución para motores y mesas giratorias.
Principio de funcionamiento
1) Imagen/Moiré (Imaging/Moiré)
- Estructura: fuente (LED/VCSEL) → óptica de colimación/formación de imagen → máscara/rejilla de fase → arreglo fotosensor.
- Mecánica: el desplazamiento relativo entre la regla y la rejilla de referencia del cabezal genera franjas de Moiré que producen señales seno/coseno casi puras; tras la interpolación y el equilibrado de amplitud/fase se obtiene alta resolución.
2) Interferencial / Rejilla de fase
- Mecánica: el desfase entre órdenes de difracción varía linealmente con el desplazamiento; su superposición produce senoidales de alta pureza, con SDE muy bajo y gran potencial de resolución.
3) Transmisión vs. reflexión
- Transmisión: sustrato de vidrio/cerámica; alta relación señal-ruido y buena linealidad, ideal para ambientes limpios y posicionamiento fino.
- Reflexión: rejillas metalizadas o con recubrimiento reflectante; formato compacto y montaje amigable, más sensibles a la contaminación → requieren buen sellado y, si es posible, cortinas de aire/rascadores.
4) Lógica incremental vs. absoluta
- Incremental: pulsos A/B en cuadratura (90°); el sentido se determina por el desfase; la marca Z aparece una vez por carrera/vuelta.
- Absoluta: cada posición tiene un código único (binario/Gray); puede incluir diagnóstico, temperatura y registros de estado.
Resolución lineal aproximada: Δx ≈ p / (N × M)
donde p = paso de rejilla, N = factor de interpolación analógica (p. ej., 100×), M = factor de multiplicación digital (típico 4×).
Resolución angular equivalente (rotativo): θ_res = 360° / (nº de líneas × 4).
Taxonomía
- Por movimiento: encoder óptico lineal / encoder óptico rotativo (disco)
- Por salida: incremental (TTL/HTL/RS422, 1 Vpp/11 µApp) / absoluto (SSI, BiSS-C, EnDat 2.2, paralelo)
- Por implementación óptica: transmisión / reflexión; imagen / interferencial; rejilla de amplitud / de fase
- Por encapsulado: abierto (baja fricción, alta dinámica) / sellado (IP65–IP67, resistente a aceite y refrigerante)
- Por rango/sustrato: vidrio/cerámica (bajo CTE), cinta de acero (recorridos largos), recubrimientos reflectantes, etc.
Componentes clave y cadena de señal
- Fuente y óptica: LED/láser, colimación/enfoque → determinan uniformidad de iluminación y deriva térmica; envejecimiento y control de potencia en lazo cerrado recomendables.
- Rejilla/disco: paso
p, duty y precisión de fase condicionan pureza de señal y SDE. - Arreglo fotosensor / AFE: multicanal, con ganancia/offset/fase automáticos (equilibrio ABC).
- ASIC de interpolación/codificación: corrección de amplitud y fase, compensación elíptica, filtrado digital y supresión de jitter, codificación de protocolo y drivers de línea.
- Capa física: RS422 diferencial, 1 Vpp/11 µApp; terminación, cableado (blindaje/toma a tierra) y retorno de corrientes bien diseñados.
Salidas e interfaces
| Formato de salida | Señal típica | Descripción |
|---|---|---|
| Incremental cuadrada | A/B (+Z), TTL/HTL/RS422 | Contadores rápidos PLC, lazos de velocidad/posición; largas distancias → diferencial |
| Seno/coseno | 1 Vpp, 11 µApp | Super-resolución por interpolación; SDE y jitter dependen de la calidad de la cadena |
| Serie absoluta | SSI, BiSS-C, EnDat 2.2 | Valor absoluto mono/multivuelta, registros de diagnóstico/temperatura/alarma |
| Bus de campo | EtherCAT, PROFINET, CANopen | Sincronía multieje, relojes distribuidos, configuración en línea |
Ancho de banda estimado (lineal): f_max ≈ (v / p) × edges
donde v = velocidad lineal y edges = flancos por período útiles (p. ej., 4× en cuadratura).
Especificaciones clave
| Parámetro | Rango/Descripción típica |
|---|---|
| Resolución | Lineal: 1 µm → 1 nm; Rotativo: ≤ 24 bit equivalentes |
| Exactitud lineal | Alta gama óptica: ±1–±3 µm/m; estándar: ±3–±10 µm/m |
| Repetibilidad | ≤ ±0.1–±0.3 µm (lineal); en ángulo puede llegar a sub-arcosegundos |
| SDE (error de subdivisión) | Cadena 1 Vpp de calidad: ±20–±80 nm |
| Jitter | Decenas de nanómetros, influido por AFE y ruido de fase de reloj |
| Error de fase/duty | Fase A/B: 90° ± (1–5)°; duty 50 % ± (2–10) % |
| Velocidad admisible | Lineal > 1 m/s; rotativo hasta > 12 000 RPM (según interfaz) |
| Grado ambiental | De IP40 (abierto) a IP67 (sellado); ensayos IEC 60068-2 (vib./choque) |
Montaje y fuentes de error
- Entrehierro y orientación (pitch/roll/yaw) fuera de tolerancia → amplitudes desbalanceadas y SDE mayor.
- Error de Abbe: desplazamiento lateral × error angular; alinear la línea de medida con el centro de movimiento o compensar por software.
- Error coseno (aprox. ángulos pequeños):
e ≈ (L × θ²) / 2. - Excentricidad/salto radial del disco (rotativo): introduce armónicos fundamentales/segundos en el error angular.
- Dilatación térmica (CTE): vidrio/cerámica con bajo CTE; la cinta de acero requiere compensación térmica y fijación flotante.
- EMC/puesta a tierra: tierra de punto único, blindajes adecuados y rutas de retorno controladas para evitar modo común/bucles.
Calibración y compensación
- Mapeo lineal: medir la curva de error con interferómetro láser/ballbar y cargarla en LUT del control.
- Compensación térmica: corregir en tiempo real usando temperatura de regla/estructura y el modelo de CTE.
- Equilibrado de amplitud/fase (elipticidad): autoajuste del offset, amplitud y fase antes de interpolar.
- Estrategias de referencia: puntos de referencia codificados por distancia acortan el recorrido de homing y mejoran la repetibilidad.
Comparativa con otras tecnologías
| Tecnología | Resolución/Exactitud | Resistencia a suciedad/ambiente | Rango típico | Principales limitaciones |
|---|---|---|---|---|
| Óptica (encoder) | ★★★★★ | ★★★ | Medio/largo | Sensible a contaminación/condensación, montaje exigente |
| Magnética | ★★☆ | ★★★★ | Largo | Linealidad y SDE inferiores |
| Inductiva/Capacitiva | ★★★ | ★★★★ | Medio | Sensible a proximidad metálica/corrientes de Foucault o humedad |
| Resolver/Potenciómetro | ★★ | ★★★★★/★ | Medio/corto | Resolución baja o interfaz menos directa |
Aplicaciones
Ejes lineales y rotativos de CNC, CMM y plataformas de metrología, alineación/exposición/inspección en semiconductores, etapas de movimiento de precisión, articulaciones robóticas y vigilancia de holgura en reductores, equipos médicos (imagen/radioterapia), sincronización en impresión y embalaje, montaje/inspección electrónica y manipulación a alta velocidad.
Mantenimiento y diagnóstico de fallos
- Rutina: limpieza periódica (paño sin pelusa + solvente adecuado), respetar radios de curvatura del cable/blindaje, vigilar temperatura-humedad y condensación.
- Síntomas comunes y acciones:
- Pérdida de pulsos/flancos: entrehierro fuera de rango, obstrucción por suciedad → ajustar orientación/limpiar/añadir sellado y cortina de aire.
- SDE/jitter elevados: ruido en AFE/interpolación, mala puesta a tierra → optimizar alimentación, cableado y terminación.
- Fallo de comunicación absoluta: parámetros o polaridad SSI/BiSS/EnDat no coinciden → revisar longitud de trama, CRC, temporización e impedancias.
- Error angular armónico (rotativo): excentricidad/salto → mejorar concentricidad/rigidez de rodamientos y aplicar compensación armónica.
Guía de selección
- Exactitud/repetibilidad objetivo (µm/m o arcoseg) y dinámica (velocidad).
- Principio óptico (transmisión/reflexión; imagen/interferencial) y paso de rejilla
p. - Interfaz (A/B/Z, 1 Vpp, SSI/BiSS/EnDat, buses) y ancho de banda del control.
- Encapsulado y entorno (abierto/sellado, nivel IP, presencia de refrigerante/polvo).
- Diseño mecánico/térmico (tolerancias de entrehierro/orientación, CTE, fijación flotante).
- Compensación/diagnóstico (mapas de error, registros de temperatura/estado, alarmas en línea).
- Ciclo de vida (mantenibilidad de cabezal/cables, disponibilidad de repuestos, capacidades de calibración).
Normas y referencias
- IEC 60529:2020 (grados de protección IP)
- IEC 60068-2 (vibración/choque/temperatura-humedad)
- IEC 61000-6-2 / -6-4 (EMC industrial: inmunidad/emisión)
- ISO 230-2 / ISO 230-3 (ensayos de posicionamiento y características térmicas en máquina-herramienta)
- ISO 10360 (verificación de CMM)
- ISO 14644 (requisitos de salas limpias)
Resumen: Dominar el principio, las métricas, las interfaces y las claves de montaje/compensación de los encoders ópticos permite lograr un funcionamiento preciso, robusto, diagnosticable y estable a largo plazo incluso en condiciones complejas.