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Codificatore incrementale
Il codificatore incrementale è uno dei sensori più utilizzati nei sistemi di controllo del movimento, ed è ampiamente impiegato in automazione industriale, macchine CNC, robotica e sistemi di ispezione automatizzata. Questo articolo descrive in dettaglio la definizione del codificatore incrementale, il suo principio di funzionamento, le caratteristiche di uscita del segnale, i parametri di prestazione, la classificazione strutturale, le norme di settore, i confronti tecnici, i problemi di manutenzione più comuni e le relative soluzioni, nonché una guida alla selezione.
Cos’è un codificatore incrementale (What is an Incremental Encoder)
Un codificatore incrementale è un sensore che fornisce informazioni sullo spostamento meccanico sotto forma di impulsi periodici. Ad ogni rotazione o spostamento di un angolo o di una lunghezza prefissati genera un numero corrispondente di impulsi elettrici; un contatore esterno o un controller ne contabilizza il numero per misurare la posizione in modo relativo.
I segnali di uscita tipici includono:
- Fase A
- Fase B (uscite in quadratura per determinare il verso di rotazione)
- Fase Z (impulso di riferimento zero, emesso una volta per rivoluzione)
Poiché il codificatore incrementale fornisce solo informazioni di posizione relativa, in assenza di alimentazione i dati di posizione vanno persi e pertanto è necessaria una calibrazione meccanica o elettrica del punto zero.
Principio di funzionamento dei codificatori incrementali
Codificatore incrementale ottico
Il codificatore ottico utilizza una sorgente LED che illumina un disco codificatore rotante con settori trasparenti e opachi alternati. Il fotodetector genera segnali elettrici periodici, che vengono elaborati da circuiti elettronici e convertiti in impulsi a onda quadra standard.
Codificatore incrementale magnetico
Il codificatore magnetico impiega sensori magnetici (elementi Hall o sensori magnetoresistivi) per rilevare le variazioni di polarità di una griglia magnetica montata sull’albero rotante, producendo impulsi periodici.
Rilevamento della direzione e del punto zero
Tra i segnali delle fasi A e B esiste uno sfasamento elettrico di 90°, che consente di determinare il verso di rotazione. Il segnale Z emette un unico impulso per rivoluzione, usato come riferimento di posizione zero.
Caratteristiche di uscita del segnale (Signal Characteristics)
| Voce | Descrizione |
|---|---|
| Tipo di segnale | Onda quadra (TTL/HTL/RS422), uscita analogica sinusoidale/cosinusoidale |
| Livello di tensione | TTL (5 V), HTL (10–30 V), segnale differenziale RS422 |
| Banda di frequenza | Fino a diverse centinaia di kHz fino a qualche MHz |
| Risoluzione (PPR) | Tipicamente 100–10 000 PPR, incrementabile con interpolazione |
| Sfasamento di fase | 90° ± 10° tra le fasi A e B |
| Distanza di trasmissione | Segnale RS422 fino a oltre 100 m |
Confronto tra codificatore incrementale e assoluto (Incremental vs Absolute Encoder)
| Indicatore di prestazione | Codificatore incrementale | Codificatore assoluto |
|---|---|---|
| Informazione di posizione | Relativa; richiede contatore esterno | Assoluta; memoria interna integrata |
| Costo | Basso | Elevato |
| Complessità del sistema | Richiede gestione dello zero e contatore | Semplice; non richiede contatore esterno |
| Ripristino dopo interruzione di alimentazione | Non automatico | Ripristino automatico della posizione |
| Applicazioni tipiche | Controllo generale di velocità/posizione | Sistemi di posizionamento ad alta precisione |
Parametri chiave di prestazione (Key Specifications)
- Risoluzione (PPR): numero di impulsi per rivoluzione, determina la precisione di misura.
- Velocità massima (RPM): massima velocità di rotazione consentita in condizioni normali.
- Grado di protezione (IP): es. IP50–IP68, definisce l’ambiente di utilizzo.
- Intervallo di temperatura di esercizio: standard –20 °C a +85 °C; esteso –40 °C a +100 °C.
- Resistenza a vibrazioni/urti: vibrazioni 10–20 g, urti fino a 50–200 g.
Campi di applicazione tipici (Typical Applications)
- Automazione industriale: feedback di velocità del motore, rilevamento di posizione nelle linee di produzione.
- Macchine CNC: posizionamento del carrello, controllo della velocità del mandrino.
- Macchine di imballaggio e stampa: controllo della lunghezza del materiale, sistemi di registrazione.
- Apparecchiature medicali: piattaforme rotanti per tomografia, controllo dello spostamento degli strumenti.
- Sistemi logistici intelligenti: navigazione dei veicoli AGV, sistemi di trasporto.
- Ascensori e gru: posizionamento delle cabine, controllo dei sistemi di sollevamento.
Normative e standard di settore (Industry Standards and Norms)
- ISO 13849-1: sicurezza funzionale dei sistemi di controllo delle macchine.
- IEC 61000-6-2: compatibilità elettromagnetica in ambienti industriali.
- IEC 60068-2: prove di resistenza ambientale (vibrazioni, urti).
- IEC 60529: gradi di protezione contro polvere e acqua (codice IP).
Manutenzione e risoluzione dei problemi (Maintenance and Troubleshooting)
Manutenzione ordinaria
- Controllare periodicamente il fissaggio degli elementi meccanici (albero, accoppiamenti, flange).
- Pulire le superfici, soprattutto nei codificatori ottici, per evitare accumulo di polvere e olio.
- Ispezionare regolarmente cavi e connettori per prevenire usura o allentamenti.
Problemi comuni e soluzioni
- Nessun segnale in uscita: verificare alimentazione e collegamenti; assicurarsi che il sensore non sia danneggiato.
- Perdita o instabilità del segnale: controllare la stabilità del montaggio meccanico; utilizzare cavi schermati per ridurre le interferenze elettromagnetiche.
- Oscillazioni anomale del segnale: ispezionare cuscinetti e accoppiamenti; sostituire se necessario; verificare che il carico sia entro i limiti consentiti.
Guida alla selezione (Selection Guide)
- Definire i requisiti dell’applicazione: tipo di movimento (rotativo/lineare), precisione richiesta e gamma di velocità.
- Abbinare risoluzione e frequenza: scegliere la risoluzione (PPR) compatibile con la frequenza di ingresso del controller o PLC.
- Compatibilità dell’interfaccia e dei livelli di segnale: assicurarsi che il codificatore supporti i livelli TTL/HTL/RS422 del sistema di controllo.
- Considerazioni ambientali: selezionare il grado di protezione (IP) e i materiali adeguati in base a temperatura, polvere e umidità.
- Specifiche meccaniche di montaggio: verificare che diametro dell’albero, metodo di fissaggio e requisiti di carico siano conformi all’applicazione.
Attraverso una comprensione approfondita del principio di funzionamento del codificatore incrementale, delle sue caratteristiche di segnale, dei requisiti applicativi, degli standard di settore e delle procedure di manutenzione, gli ingegneri possono ottenere un’integrazione di sistema ottimale e una scelta del dispositivo più precisa, migliorando significativamente l’affidabilità e le prestazioni delle apparecchiature.