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Encoder lineari
Gli encoder lineari convertono lo spostamento lineare in segnali elettrici (digitali o analogici). Possono misurare direttamente il movimento lineare di tavole, slitte o pezzi, costituendo sensori di posizionamento fondamentali per macchine utensili CNC, macchine di misura a coordinate (CMM), apparecchiature a semiconduttori e piattaforme di automazione avanzata. Rispetto al calcolo indiretto dello spostamento tramite vite a ricircolo di sfere o cremagliera, gli encoder lineari forniscono una “misurazione diretta”, riducendo in modo significativo l’impatto dell’espansione termica della vite, del gioco meccanico e degli errori di trasmissione sulla precisione di posizionamento.
Cos’è un encoder lineare (What is a Linear Encoder)
Un encoder lineare è composto da una scala (Scale/Rule) e una testina di lettura (Readhead): la scala presenta strutture periodiche (ottiche, magnetiche, induttive), mentre la testina si muove a distanza definita leggendo le informazioni di posizione e producendo segnali elettrici. In base al tipo di uscita, si distinguono encoder incrementali e assoluti; in base al principio di rilevamento possono essere ottici, magnetici, induttivi, capacitivi; in base alla struttura, aperti (open-type) o sigillati/enclosed (sealed).
Principio di funzionamento (Working Principle)
Ottico (Optical)
- Struttura: Scala ottica in vetro/ceramica (o nastro in acciaio inox) + sorgente luminosa LED/laser + array fotodiodi.
- Meccanismo: Interferenza trasmissiva/riflessiva o frange di Moiré, demodulate e interpolate dalla testina.
- Caratteristiche: Risoluzione elevatissima (livello nanometrico), errore lineare fino a ±1 μm/m; sensibile a contaminazioni e condensa.
Magnetico (Magnetic)
- Struttura: Nastro magnetico con passo polare fisso (acciaio o flessibile) + sensori Hall/AMR/GMR/TMR.
- Meccanismo: La testina rileva la variazione del campo magnetico durante lo spostamento e calcola la posizione.
- Caratteristiche: Resistente ad olio, vibrazioni, con grandi tolleranze di montaggio e lunghe corse (decine di metri); risoluzione e precisione inferiori agli encoder ottici di fascia alta.
Induttivo (Inductive)
- Struttura: Bobine di eccitazione e ricezione nella testina; scala con pattern metallici conduttivi.
- Meccanismo: Effetti di accoppiamento e correnti parassite variano con la distanza e la posizione; la testina demodula fase/ampiezza per ottenere lo spostamento.
- Caratteristiche: Resistente a contaminazioni, alte temperature e interferenze elettromagnetiche; precisione intermedia fra ottico e magnetico.
Capacitivo (Capacitive)
- Struttura: Array di elettrodi + scala con pattern periodici.
- Meccanismo: La matrice capacitiva varia con lo spostamento; la testina usa aggancio di fase/decodifica per ottenere la posizione.
- Caratteristiche: Compatto, a basso consumo; sensibile a umidità ed effetti di prossimità metallica, necessita di schermatura e messa a terra adeguata.
Tipologie e costruzioni (Types & Constructions)
1) In base al segnale di uscita
- Incrementale (Incremental): Uscite A/B in quadratura (con Z/punto di riferimento opzionale), il controllore deve contare gli impulsi; può fornire anche 1 Vpp seno/coseno per interpolazione fine.
- Assoluto (Absolute): Codice univoco in qualsiasi posizione; può includere marcatori distance-coded reference marks, protocolli comuni SSI, BiSS-C, EnDat.
2) In base al packaging e protezione
- Aperto (Open-type): Testina esposta, alta risposta dinamica, basso attrito; adatto ad ambienti puliti o semi-puliti.
- Sigillato (Sealed/Enclosed): Scala e testina in custodia sigillata, con raschiatori/barriere d’aria; ideale per macchine utensili e ambienti gravosi.
3) In base al materiale della scala
- Griglie in vetro/ceramica: Coefficiente di dilatazione termica (CTE) ridotto, precisione al livello μm/m; richiedono supporto stabile e controllo termico.
- Nastri in acciaio/inox: Corse lunghe, arrotolabili; CTE maggiore, necessaria compensazione termica.
- Nastri magnetici (adesivi o con guide): Flessibili da installare, resistenti allo sporco; precisione inferiore agli ottici di fascia alta.
- Pattern conduttivi induttivi/capacitivi: Struttura robusta, alta resistenza ambientale.
Uscite e interfacce (Outputs & Interfaces)
| Tipo | Segnale di uscita | Applicazioni tipiche |
|---|---|---|
| Incrementale | A/B (+Z), TTL/HTL, RS422 | Conteggio veloce PLC, anelli di velocità/posizione |
| Seno/Coseno | 1 Vpp, 11 μApp | Interpolazione ad alta risoluzione (fino a ×10.000) |
| Assoluto | SSI, BiSS-C, EnDat 2.2 | Posizione assoluta, diagnostica, dati temperatura/stato |
| Fieldbus/Ethernet | CANopen, EtherCAT, PROFINET | Sincronizzazione multi-asse, lunghe distanze, diagnostica online |
Frequenza massima di uscita in funzione della velocità (incrementale):
f_max ≈ (V / Pitch) × Edges_per_cycle
- V: velocità lineare (mm/s)
- Pitch: passo della scala (mm/ciclo)
- Edges_per_cycle: fronti per ciclo (es. moltiplicazione ×4)
Specifiche principali (Key Specifications)
| Specifica | Valore tipico/Significato | Note |
|---|---|---|
| Risoluzione (Resolution) | 5 μm → 0.1 μm (magnetico/acciaio); 1 μm → 1 nm (ottico/interferometrico) | Dipende dal fattore di interpolazione |
| Accuratezza (Accuracy) | ±3 ~ ±10 μm/m (magnetico); ±1 ~ ±3 μm/m (ottico avanzato) | Espressa in μm/m o ppm |
| Ripetibilità (Repeatability) | < ±0.1 ~ ±0.5 μm (ottico avanzato) | Sensibile a condizioni ambientali e montaggio |
| Errore di interpolazione (SDE) | ±20 ~ ±80 nm (sistemi 1 Vpp di qualità) | Errore periodico da interpolazione |
| Jitter/Rumore (Jitter/Noise) | Decine di nm | Legato a catena analogica e alimentazione |
| Marcatori di riferimento | Singolo, distance-coded, bidirezionale | Per homing o riferimento assoluto |
| Lunghezza di misura (Measuring Length) | 0.1 m → oltre 30 m | Lunghezze elevate richiedono giunzioni/compensazioni |
| Gap di montaggio (Ride Height) | 0.1 ~ 1.0 mm | Include tolleranze di pitch/roll/yaw |
| CTE | Vetro/ceramica: ~0.5–2 ppm/K; Acciaio: ~10–17 ppm/K | Determina strategia di compensazione |
| Protezione IP | IP40 (aperto) → IP67 (sigillato) | Dipende da olio, polvere, refrigerante |
Installazione ed errori geometrici (Installation & Geometric Errors)
- Gap/angoli di montaggio: Altezza della testina e angoli pitch/roll/yaw critici; eccessi causano attenuazione del segnale e incremento SDE.
- Errore di Abbe (Abbe Error): Offset tra linea di misura e asse di movimento × errore angolare → errore addizionale; la linea di misura deve coincidere con l’asse di movimento o essere compensata.
- Errore di coseno (Cosine Error): Asse encoder non parallelo alla direzione di movimento → errore di proiezione.
- Accoppiamento termico e montaggio: Nastri acciaio/magnetici montati flottanti per rilasciare tensioni; scale vetro/ceramica con supporto isotermico.
- Messa a terra e schermatura: Grounding a punto singolo, schermo del cavo collegato secondo norme per evitare loop e rumori indotti.
Calibrazione e compensazione (Calibration & Compensation)
- Compensazione lineare: Laser interferometro, ballbar o blocchetti di misura per mappatura errori (pitch/roll/yaw, rettilineità/planarità).
- Compensazione termica: Basata su CTE e distribuzione temperatura macchina; sistemi avanzati leggono la temperatura della testina.
- Riduzione SDE: Segnali 1 Vpp di qualità, ottimizzazione catena analogica/interpolazione; stabilità di gap e allineamento.
- Strategie di riferimento: Marcatori distance-coded riducono corsa di homing; bidirezionali migliorano ripetibilità.
Confronto con altre tecnologie (Comparisons)
| Tecnologia | Vantaggi | Limiti | Applicazioni |
|---|---|---|---|
| Encoder lineare (ottico) | Risoluzione nanometrica, accuratezza μm/m, ottima dinamica | Sensibile a sporco/condensa, montaggio critico | CNC, CMM, semiconduttori |
| Encoder lineare (magnetico) | Resistente allo sporco, tolleranze elevate, lunghe corse | Precisione e risoluzione inferiori | Automazione, impianti pesanti |
| Interferometro laser | Massima precisione, tracciabile | Costoso, sensibile ad ambiente e percorso ottico | Calibrazione, metrologia |
| LVDT/induttivi | Robusti, ottima ripetibilità a corto raggio | Limitati in corsa e linearità | Finecorsa, controlli precisi |
| Encoder rotativo + vite | Economico, tecnologia consolidata | Errori da espansione termica/gioco/passo vite | Posizionamento medio-bassa precisione |
Applicazioni (Applications)
- Assi lineari CNC (X/Y/Z): Precisione costante nonostante calore di taglio e carichi variabili.
- CMM/piattaforme metrologiche: Interpolazione nanometrica + mappe errori per tracciabilità dimensionale.
- Apparecchiature semiconduttori: Litografia/allineamento/ispezione; necessità di jitter nm e basso SDE.
- Stampa/packaging/SMD avanzati: Corse lunghe, alta velocità, sincronizzazione accurata.
- Apparecchiature medicali: Tavoli CT/MRI, sistemi di posizionamento radioterapico.
- Logistica e impianti pesanti: Nastri magnetici per corse lunghe, alta resistenza ambientale.
Manutenzione e troubleshooting (Maintenance & Troubleshooting)
Manutenzione ordinaria
- Pulizia regolare (ottici: panni senza pelucchi + alcool isopropilico; magnetici: rimozione particelle ferrose).
- Controllo raggio curvatura cavi e serraggio; prevenzione rotture conduttori e schermatura.
- Monitoraggio ambiente (T°, umidità, refrigerante) per evitare condensa/infiltrazioni.
Problemi comuni
| Sintomo | Possibili cause | Soluzione |
|---|---|---|
| Perdita impulsi/segnale | Gap eccessivo, disallineamento, contaminazione | Regolare altezza/testina, pulire scala, verificare rigidità |
| Jitter/errore interpolazione | Rumore catena analogica, grounding scarso | Migliorare schermatura/terra, usare cavi/alimentazione di qualità |
| Errore lineare elevato | Montaggio errato, assenza compensazione termica | Reinstallazione flottante, calibrazione + mappa errori |
| Mancata comunicazione assoluta | Parametri SSI/BiSS/EnDat non corretti | Verifica temporizzazioni, polarità, CRC, impedenza cavi |
| Riferimento instabile | Marcatori contaminati o configurazione errata | Pulizia, verifica parametri e strategia di riferimento |
Normative e riferimenti (Standards & References)
- IEC 60529:2020 (classi di protezione IP)
- IEC 60068-2 (vibrazioni/urti/umidità/nebbia salina)
- IEC 61000-6-2/-6-4 (EMC industriale: immunità/emissioni)
- ISO 230-2 / ISO 230-3 (precisione e caratteristiche termiche macchine utensili)
- ISO 10360 (verifica CMM)
- ISO 14644 (ambienti cleanroom, semiconduttori/metrologia)
Nota: L’applicabilità varia in base ad attrezzatura e settore; sempre verificare manuali costruttore e condizioni reali.
Guida alla scelta (Selection Guide)
- Obiettivo di accuratezza: definire precisione di posizionamento/ripetibilità ammessa (μm/m).
- Scelta del principio: ambienti puliti/alta precisione → ottici; sporchi/vibrazioni/corse lunghe → magnetici o induttivi.
- Uscite e interfacce: incrementali per anelli velocità; SSI/BiSS/EnDat o EtherCAT per alta precisione e multi-asse.
- Meccanica e montaggio: confermare lunghezza corsa, materiale scala, CTE, tolleranze, metodo montaggio (flottante/adesivo/guida).
- Ambiente e protezione: refrigerante/polvere/variazioni termiche → tipo sigillato IP adeguato, con aria di protezione o raschiatori.
- Compensazione e diagnostica: supporto mappe errori, monitoraggio temperatura/stato, diagnostica e allarmi.
- Ciclo di vita: sostituibilità cavi/testine, disponibilità ricambi, calibrazione e supporto.
Attraverso la comprensione di principi, strutture e requisiti di montaggio degli encoder lineari — unita a modellazione errori, compensazioni termiche e verifiche standardizzate — i team di ingegneria possono garantire alta precisione, lunga durata e capacità diagnostiche in applicazioni di posizionamento lineare e controllo velocità anche negli ambienti industriali più complessi.