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Codeur optique
Les codeurs optiques s’appuient sur des réseaux/échelles optiques et la détection photoélectrique pour convertir un déplacement rotatif ou linéaire en signaux électriques. Ils constituent l’organe de retour de position de référence dans les machines-outils CNC, les plateformes pour semi-conducteurs, la métrologie de précision, la robotique et l’automatisation haut de gamme. Grâce à leur haute résolution, un faible SDE (erreur de subdivision) et une excellente répétabilité, les codeurs optiques sont largement utilisés pour des positionnements allant du nanomètre au micromètre.
Qu’est-ce qu’un codeur optique (What is an Optical Encoder)
Un codeur optique est un capteur qui extrait l’information de position via la chaîne source lumineuse → réseau/échelle optique → détection photoélectrique. Son cœur se compose d’une échelle/disque à structure périodique (Scale/Disk) et d’une tête de lecture (Readhead) : dans un entrefer optique défini, la tête lit les franges ou signaux d’interférence générés par la transmission/la réflexion sur le réseau ; après traitement par la chaîne analogique (AFE) et les circuits d’interpolation/décodage, il délivre des sorties incrémentales A/B (avec référence Z optionnelle), sinus/cosinus 1 Vpp, ou des données série de position absolue (SSI/BiSS-C/EnDat, etc.).
Selon la cinématique, on distingue les codeurs optiques rotatifs (disque) et les codeurs optiques linéaires (règle). Par rapport au calcul indirect via vis à billes/cremaillère, le codeur linéaire permet une mesure directe, réduisant nettement les erreurs dues au jeu mécanique (backlash), au pas et à la dilatation thermique ; le codeur rotatif fournit une rétroaction d’angle et de vitesse à haute résolution pour moteurs et plateaux tournants.
Principe de fonctionnement (Working Principle)
1) Imagerie/Franges de moiré (Imaging/Moiré)
- Structure : source (LED/VCSEL) → optique de collimation/formation d’image → masque/réseau de phase → matrice photosensible.
- Mécanisme : le mouvement relatif entre l’échelle et le réseau de référence de la tête génère des franges de moiré produisant des signaux sin/cos quasi purs ; l’interpolation et l’égalisation amplitude/phase permettent d’atteindre une très haute résolution.
2) Interférométrique / réseau de phase (Interferential/Phase Grating)
- Mécanisme : la différence de phase entre ordres de diffraction varie linéairement avec le déplacement ; leur superposition crée des sinusoïdes de grande pureté, avec SDE plus faible et potentiel de résolution accru.
3) Transmission vs réflexion
- Transmission : substrat verre/céramique ; rapport signal/bruit élevé et bonne linéarité, adapté aux environnements propres et au positionnement fin.
- Réflexion : réseaux réfléchissants métallisés ou revêtus ; structure compacte et montage aisé, plus sensibles à la contamination → nécessitent une bonne étanchéité et rideau d’air / racleurs.
4) Logique de sortie incrémentale vs absolue
- Incrémentale : impulsions A/B en quadrature (décalage de 90°) ; le sens est déterminé par l’avance de phase ; la référence Z apparaît une fois par course/tour.
- Absolue : chaque position possède un code unique (binaire/Gray) ; des fonctions de diagnostic, température et registres d’état peuvent être intégrées.
Résolution linéaire (approx.) : Δx ≈ p / (N × M)
où p = pas du réseau, N = facteur d’interpolation analogique (p. ex. 100×), M = facteur de suréchantillonnage numérique (typiquement 4×).
Résolution angulaire équivalente (rotatif) : θ_res = 360° / (nombre de lignes × 4).
Taxonomie (Taxonomy)
- Selon la cinématique : codeur optique linéaire / codeur optique rotatif (disque)
- Selon la sortie : incrémental (TTL/HTL/RS422 ; 1 Vpp/11 µApp) / absolu (SSI, BiSS-C, EnDat 2.2, parallèle)
- Selon l’optique : transmission / réflexion ; imagerie / interférométrique ; réseau d’amplitude / réseau de phase
- Selon l’encapsulation : ouvert (haute dynamique, faible friction) / étanche (IP65–IP67, résistant au brouillard d’huile et aux fluides de coupe)
- Selon la course/le substrat : verre/céramique (CTE faible), ruban acier (longues courses), réseaux réfléchissants revêtus, etc.
Composants clés et chaîne du signal (Signal Chain)
- Source et optique : LED/laser, collimation/mise au point → déterminent l’uniformité d’illumination et la dérive thermique ; vieillissement contrôlé et asservissement de puissance recommandés.
- Réseau/disque : pas
p, duty cycle et précision de phase conditionnent la pureté du signal et le SDE. - Matrice photosensible / AFE : multicanal avec réglages automatiques de gain/offset/phase (A/B/C).
- ASIC d’interpolation/codage : correction amplitude/phase, compensation d’ellipticité, filtrage numérique et suppression du jitter, codage protocolaire et drivers de ligne.
- Couche physique : RS422 différentiel, 1 Vpp/11 µApp ; conception de l’impédance de terminaison, câblage (blindage/masse) et chemin de retour de courant.
Sorties et interfaces (Outputs & Interfaces)
| Format de sortie | Signal typique | Description |
|---|---|---|
| Carré incrémental | A/B (+Z), TTL/HTL/RS422 | Compteurs rapides PLC, boucles vitesse/position ; pour longues distances, préférer le différentiel |
| Sin/Cos | 1 Vpp, 11 µApp | Super-résolution par interpolation ; SDE et jitter dépendent de la qualité de la chaîne |
| Série absolue | SSI, BiSS-C, EnDat 2.2 | Valeur absolue mono/multitour, registres de diagnostic/température/alarme |
| Réseaux industriels | EtherCAT, PROFINET, EtherNet/IP, CANopen | Synchronisation multi-axes, horloges distribuées, configuration en ligne |
Estimation de bande passante (linéaire) : f_max ≈ (v / p) × n_fronts
où v = vitesse linéaire, p = pas du réseau, n_fronts = fronts utiles par période (p. ex. quadrature 4×).
Indicateurs de performance (Key Specifications)
| Indicateur | Plage/description typique |
|---|---|
| Résolution | Linéaire : 1 µm → 1 nm ; Rotatif : ≤ 24 bits équivalents |
| Précision linéaire | Optique haut de gamme : ±1 à ±3 µm/m ; standard : ±3 à ±10 µm/m |
| Répétabilité | ≤ ±0,1 à ±0,3 µm (linéaire) ; pour l’angulaire, jusqu’à la sous-seconde d’arc |
| SDE (erreur de subdivision) | Chaîne 1 Vpp de qualité : ±20 à ±80 nm |
| Jitter | Quelques dizaines de nanomètres, influencé par l’AFE et le bruit de phase d’horloge |
| Erreur de phase/rapport cyclique | A/B = 90° ± (1–5)° ; duty 50 % ± (2–10) % |
| Vitesse admissible | Linéaire > 1 m/s ; rotatif > 12 000 tr/min (selon l’interface) |
| Indice de protection / environnement | De IP40 (ouvert) à IP67 (étanche) ; essais IEC 60068-2 (vibration/choc) |
Installation et sources d’erreurs (Installation & Error Sources)
- Entrefer et orientation (tangage/roulis/lacet) hors tolérances → déséquilibre d’amplitude et SDE accru.
- Erreur d’Abbe : bras de levier × erreur angulaire ; faire passer la ligne de mesure par le centre de mouvement ou compenser en logiciel.
- Erreur de cosinus (petits angles) :
e ≈ (L × θ²) / 2. - Excentricité/battement d’axe (rotatif) : introduit des harmoniques fondamentale/secondaire dans l’erreur angulaire.
- Dilatation thermique (CTE) : faible pour verre/céramique ; le ruban acier requiert compensation thermique et fixation flottante.
- CEM/mise à la masse : masse en point unique, blindage adéquat et chemin de retour maîtrisé pour éviter mode commun/boucles de masse.
Étalonnage et compensation (Calibration & Compensation)
- Cartographie linéaire : mesurer la courbe d’erreur avec un interféromètre laser/ballbar puis la charger dans la table de correction (LUT) du contrôleur.
- Compensation thermique : correction temps réel via température de l’échelle/de la structure et modèle de CTE.
- Égalisation amplitude/phase (ellipticité) : auto-équilibrage de l’offset, de l’amplitude et de la phase avant interpolation.
- Stratégies de référence : repères codés en distance pour réduire la course de retour à l’origine et améliorer la répétabilité.
Comparaison avec d’autres principes (Comparisons)
| Technologie | Résolution/précision | Résistance à la contamination/environnement | Plage typique | Principales limites |
|---|---|---|---|---|
| Codeur optique | ★★★★★ | ★★★ | Moyenne/longue | Sensible à la pollution/condensation ; exigences d’installation élevées |
| Codeur magnétique | ★★☆ | ★★★★ | Longue | Linéarité et SDE inférieurs |
| Inductif/Capacitif | ★★★ | ★★★★ | Moyenne | Sensible aux métaux proches/aux courants de Foucault ou à l’humidité |
| Résolveur/Potentiomètre | ★★ | ★★★★★/★ | Moyenne/courte | Résolution plus faible ou interfaces moins directes |
Applications (Applications)
Axes linéaires et rotatifs en CNC, CMM et plateformes de métrologie ; alignement/exposition/inspection en semi-conducteurs ; tables de déplacement de précision ; articulations robotiques et surveillance du jeu d’engrenages ; équipements d’imagerie/radiothérapie ; synchronisation en impression et emballage ; assemblage/inspection électronique et manutention à grande vitesse.
Maintenance et dépannage (Maintenance & Troubleshooting)
- En routine : nettoyage périodique (chiffon non pelucheux + solvant adapté), respect du rayon de courbure des câbles/blindage, surveillance hygro-thermique et de la condensation.
- Symptômes courants et parades :
- Perte d’impulsions/fronts : entrefer hors plage, masquage par contamination → ajuster l’orientation/nettoyer/ajouter étanchéités et rideau d’air.
- SDE/jitter élevés : bruit dans l’AFE/chaîne d’interpolation, mise à la masse défaillante → optimiser l’alimentation, le câblage et la terminaison.
- Échec de communication absolue : paramètres ou polarité SSI/BiSS/EnDat non concordants → vérifier longueur de trame, CRC, temporisations et impédances.
- Erreur angulaire harmonique (rotatif) : excentricité/battement → améliorer la concentricité et la rigidité des roulements, appliquer une compensation harmonique.
Guide de sélection (Selection Guide)
- Précision/répétabilité cible (µm/m ou secondes d’arc) et dynamique de vitesse.
- Principe optique (transmission/réflexion ; imagerie/interférométrique) et pas de réseau
p. - Interface de sortie (A/B/Z, 1 Vpp, SSI/BiSS/EnDat, réseau industriel) et bande passante du contrôleur.
- Encapsulation et environnement (ouvert/étanche, indice IP, présence de fluides de coupe/poussières).
- Conception mécano-thermique (tolérances d’entrefer/d’orientation, CTE, fixation flottante).
- Compensation et diagnostic (cartes d’erreurs, registres de température/d’état, alarmes en ligne).
- Cycle de vie (maintenabilité de la tête/de la câblerie, disponibilité des pièces, capacités d’étalonnage).
Normes et références (Standards & References)
- IEC 60529:2020 (degrés de protection IP)
- IEC 60068-2 (vibration/choc/température-humidité)
- IEC 61000-6-2 / -6-4 (CEM industrielle : immunité/émissions)
- ISO 230-2 / ISO 230-3 (essais de positionnement et caractéristiques thermiques des machines-outils)
- ISO 10360 (vérification des CMM – machines à mesurer tridimensionnelles)
- ISO 14644 (exigences pour salles propres)
Synthèse : Maîtriser les principes, indicateurs, interfaces et bonnes pratiques d’installation/compensation des codeurs optiques permet d’obtenir un fonctionnement précis, robuste, diagnosticable et durable, y compris dans des conditions d’exploitation complexes.