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Codeur linéaire
Les codeurs linéaires convertissent un déplacement linéaire en signaux électriques (numériques ou analogiques). Ils permettent de mesurer directement le mouvement de tables, coulisses ou pièces, constituant des capteurs de positionnement essentiels pour les machines-outils CNC, les CMM (machines de mesure tridimensionnelles), les équipements pour semi-conducteurs et les plateformes d’automatisation de haute précision. Contrairement au calcul indirect basé sur des vis à billes ou crémaillères, les codeurs linéaires offrent une mesure directe, réduisant sensiblement l’impact de la dilatation thermique, du jeu mécanique et des erreurs de transmission sur la précision de positionnement.
Qu’est-ce qu’un codeur linéaire (What is a Linear Encoder)
Un codeur linéaire est composé d’une règle (Scale/Rule) et d’une tête de lecture (Readhead) : la règle comporte une structure périodique (grille optique, bande magnétique, motifs inductifs/capacitifs), tandis que la tête lit l’information de position à une distance d’entrefer définie et génère des signaux électriques.
- Selon le type de sortie : incrémental ou absolu ;
- Selon le principe de détection : optique, magnétique, inductif, capacitif ;
- Selon la conception : ouvert (open-type) ou étanche/capoté (enclosed/sealed).
Principe de fonctionnement (Working Principle)
Optique (Optical)
- Structure : règle en verre/céramique (ou bande acier/inox) + source LED/laser + matrice de photodiodes.
- Mécanisme : franges de moiré ou interférences en transmission/réflexion, démodulées puis interpolées.
- Caractéristiques : résolution jusqu’au nanomètre, précision ±1 à ±3 µm/m sur modèles haut de gamme ; sensible à la contamination et à la condensation.
Magnétique (Magnetic)
- Structure : bande magnétique à pas fixe (support acier ou flexible) + capteurs Hall/AMR/GMR/TMR.
- Mécanisme : mesure de la variation du champ magnétique versus déplacement.
- Caractéristiques : robuste (huiles, vibrations), tolérances de montage élevées, longues courses ; résolution/précision inférieures à l’optique haut de gamme.
Inductif (Inductive)
- Structure : bobines d’excitation/réception dans la tête ; règle métallique/conductrice.
- Mécanisme : couplage inductif et courants de Foucault variant avec la position.
- Caractéristiques : bonne tenue à la pollution et aux hautes températures, immunité CEM élevée ; précision intermédiaire.
Capacitif (Capacitive)
- Structure : réseau d’électrodes + règle à motifs périodiques.
- Mécanisme : variation de la matrice capacitive selon le déplacement.
- Caractéristiques : compact et peu gourmand en énergie ; sensible à l’humidité et aux masses métalliques proches ; exiger mise à la terre et blindage corrects.
Types et constructions (Types & Constructions)
1) Selon le signal de sortie
- Incrémental (Incremental) : sorties A/B en quadrature (référence Z optionnelle) ; peut fournir 1 Vpp sin/cos pour interpolation haute résolution.
- Absolu (Absolute) : code unique par position ; repères codés en distance possibles ; interfaces SSI, BiSS-C, EnDat 2.2.
2) Selon le conditionnement et la protection
- Ouvert (Open-type) : tête exposée, faible friction, excellente dynamique ; pour environnements propres ou semi-propres.
- Étanche/Capoté (Sealed/Enclosed) : règle et tête en boîtier, racleurs / rideau d’air ; pour machines-outils et environnements contaminés.
3) Selon le matériau de la règle
- Verre/Céramique : CTE faible, précision au µm/m ; nécessite support stable et contrôle thermique.
- Bande acier/inox : longues longueurs, enroulable ; CTE élevé, compensation thermique indispensable.
- Bande magnétique (adhésive/sur rail) : pose flexible, bonne tenue à la saleté ; précision moindre que l’optique haut de gamme.
- Motifs inductifs/capacitifs : construction robuste, résistance environnementale.
Sorties et interfaces (Outputs & Interfaces)
| Type | Signal typique | Applications |
|---|---|---|
| Incrémental | A/B (+Z), TTL/HTL, RS422 | Compteurs rapides PLC, boucles vitesse/position |
| Sinus/Cosinus | 1 Vpp, 11 µApp | Interpolation haute résolution (jusqu’à ×10 000) |
| Absolu | SSI, BiSS-C, EnDat 2.2 | Données absolues, diagnostic, température |
| Bus/Ethernet | CANopen, EtherCAT, PROFINET | Synchronisation multi-axes, longues distances |
Fréquence de sortie max. (incrémental) :
f_max ≈ (v / pas) × n_fronts
où v = vitesse linéaire, pas = pas de la règle, n_fronts = fronts utiles par période (p. ex. ×4 en quadrature).
Spécifications clés (Key Specifications)
| Spécification | Plage/Signification typique | Notes |
|---|---|---|
| Résolution | Magnétique : 5 µm → 0,1 µm ; Optique : 1 µm → 1 nm | Fonction de l’interpolation |
| Précision | Magnétique : ±3 ~ ±10 µm/m ; Optique : ±1 ~ ±3 µm/m | Exprimée en µm/m ou ppm |
| Répétabilité | Optique avancé : ≤ ±0,1 ~ ±0,5 µm | Dépend du montage et de l’entrefer |
| SDE (erreur d’interpolation) | ±20 ~ ±80 nm (chaîne 1 Vpp de qualité) | Erreur périodique d’interpolation |
| Jitter/Bruit | Quelques dizaines de nm | Lié à l’AFE et à l’horloge |
| Repères | Unique / codés en distance / bidirectionnels | Pour homing/référence |
| Longueur de mesure | 0,1 m → 30+ m | Grandes longueurs ⇒ compensation |
| Entrefer (ride height) | 0,1 ~ 1,0 mm | Inclut tolérances pitch/roll/yaw |
| CTE | Verre/céramique : ~0,5–2 ppm/K ; acier : ~10–17 ppm/K | Dimensionne la compensation thermique |
| Indice de protection | IP40 → IP67 | Selon huiles, brouillards, poussières |
Installation et erreurs géométriques (Installation & Geometric Errors)
- Entrefer et alignement : distance et angles pitch/roll/yaw critiques ; hors tolérances ⇒ déséquilibres d’amplitude et hausse de SDE.
- Erreur d’Abbe : bras de levier × erreur angulaire ; faire passer la ligne de mesure par l’axe de mouvement ou compenser.
- Erreur de cosinus : axe du codeur non parallèle à la direction ; erreur de projection.
- Montage thermique : bandes acier/magnétiques flottantes ; règles verre/céramique sur support isotherme.
- Mise à la terre / blindage : masse en point unique, blindage correct, éviter les boucles de masse.
Calibration et compensation (Calibration & Compensation)
- Cartographie linéaire : interféromètre laser/ballbar ou étalons ; charger la LUT du contrôleur.
- Compensation thermique : basée sur CTE et température machine ; certains systèmes lisent la T° tête/règle.
- Réduction SDE : chaîne 1 Vpp de qualité, optimisation analogique/interpolation et stabilité mécanique.
- Stratégies de repères : distance-coded pour réduire la course de homing ; bidirectionnels pour meilleure répétabilité.
Comparaison avec autres technologies (Comparisons)
| Technologie | Avantages | Limites | Applications |
|---|---|---|---|
| Codeur linéaire (optique) | Résolution nm, précision µm/m, bonne dynamique | Sensible à pollution/condensation, montage exigeant | CNC, CMM, semi-conducteurs |
| Codeur linéaire (magnétique) | Robuste, tolérance élevée, longues courses | Moins précis que l’optique | Transport automatisé, machines lourdes |
| Interféromètre laser | Précision maximale, traçable | Coûteux, conditions strictes | Calibration, métrologie |
| LVDT/inductifs | Robustes, bonne répétabilité locale | Course limitée, linéarité moindre | Fins de course, contrôles courts |
| Codeur rotatif + vis | Économique, mature | Dilatation thermique, jeu, pas | Positionnement moyenne précision |
Applications (Applications)
- Axes linéaires CNC (X/Y/Z) : précision maintenue malgré chauffe et charges variables.
- CMM / plateformes métrologiques : interpolation nm + cartographie pour traçabilité.
- Équipements semi-conducteurs : lithographie/alignment/inspection ; exigences jitter faible et SDE réduit.
- Impression/packaging/pose composants : longues courses, haute vitesse, synchronisation précise.
- Médical : tables CT/MRI, positionnement en radiothérapie.
- Logistique/grands équipements : bandes magnétiques longues, grande robustesse.
Maintenance et dépannage (Maintenance & Troubleshooting)
Maintenance courante
- Nettoyage régulier : optique (chiffon non pelucheux + alcool), magnétique (retrait des particules ferreuses).
- Câbles/connectique : rayon de courbure, serrage, intégrité du blindage.
- Contrôle température / humidité / fluides pour éviter condensation et infiltration.
Problèmes courants
| Symptôme | Causes possibles | Solution |
|---|---|---|
| Perte d’impulsions/signal | Entrefer hors plage, désalignement, contamination | Recalage tête, nettoyage règle, rigidité du montage |
| Jitter / erreurs d’interpolation | Bruit analogique, masse insuffisante | Améliorer blindage/masse, alimentation/câbles |
| Erreur linéaire élevée | Montage contraint, pas de compensation T° | Fixations flottantes, calibration + LUT |
| Pas de communication absolue | Paramètres SSI/BiSS/EnDat incorrects | Vérifier timing, polarité, CRC, impédance |
| Repères instables | Pollution, configuration erronée | Nettoyage, vérifier stratégie de référence |
Normes et références (Standards & References)
- IEC 60529:2020 (indice IP)
- IEC 60068-2 (vibrations/chocs/humidité/brouillard salin)
- IEC 61000-6-2 / -6-4 (CEM industrielle : immunité/émissions)
- ISO 230-2 / ISO 230-3 (précision et caractéristiques thermiques des machines-outils)
- ISO 10360 (vérification CMM)
- ISO 14644 (salles propres)
Synthèse : En maîtrisant principes, interfaces et exigences d’installation/compensation des codeurs linéaires, les équipes atteignent un positionnement précis, robuste et diagnosticable, même en environnement industriel complexe.