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Encoder ottici
Gli encoder ottici si basano su reticoli (scale/disk) e rilevamento fotoelettrico per convertire un moto rotatorio o lineare in segnali elettrici. Sono il sistema di retroazione di posizione di riferimento in macchine utensili CNC, piattaforme per semiconduttori, metrologia di precisione, robotica e automazione avanzata. Grazie all’alta risoluzione, al basso errore di suddivisione (SDE) e all’eccellente ripetibilità, gli encoder ottici sono ampiamente impiegati per il posizionamento dal nanometro al micrometro.
Che cos’è un encoder ottico (What is an Optical Encoder)
Un encoder ottico è un sensore che ricava l’informazione di posizione attraverso la catena sorgente luminosa → reticolo ottico → rivelazione fotoelettrica. Il nucleo è composto da una regola/disco a passo periodico (Scale/Disk) e da una testina di lettura (Readhead): all’interno di un traferro ottico definito, la testina legge le frange o i segnali d’interferenza generati dalla trasmissione/riflessione del reticolo; i segnali vengono poi trattati dal front-end analogico e dall’interpolazione/decodifica, producendo incrementale A/B (con riferimento Z opzionale), seno/coseno 1 Vpp oppure dati seriali di posizione assoluta (SSI/BiSS/EnDat, ecc.).
Per tipo di moto si distinguono encoder ottici rotativi (disco; codificatori rotativi) ed encoder ottici lineari (regola). Rispetto alla stima indiretta tramite vite a ricircolo/cremagliera, l’encoder lineare abilita la misura diretta, riducendo in modo significativo gli errori dovuti a gioco meccanico (backlash), passo e dilatazione termica; l’encoder rotativo fornisce invece retroazione d’angolo e velocità ad alta risoluzione per motori e tavole girevoli.
Principio di funzionamento (Working Principle)
1) Imaging/Moiré (frange di Moiré)
- Struttura: sorgente (LED/VCSEL) → ottica di collimazione/formazione immagine → maschera/reticolo di fase → matrice fotosensibile.
- Meccanismo: lo scorrimento relativo tra regola e reticolo di riferimento nella testina genera frange di Moiré che producono segnali sinusoidali/cosinusoidali quasi puri; mediante interpolazione ed equalizzazione ampiezza/fase si ottiene un’elevata risoluzione.
2) Interferenziale / reticolo di fase (Interferential/Phase Grating)
- Meccanismo: la differenza di fase tra gli ordini di diffrazione varia linearmente con lo spostamento; la sovrapposizione genera sinusoidi di alta purezza, con SDE inferiore e maggior potenziale di risoluzione.
3) Trasmissione vs. riflessione
- Trasmissione: substrato in vetro/ceramica; elevato rapporto segnale/rumore e buona linearità; indicata per ambienti puliti e posizionamenti fini.
- Riflessione: reticoli riflettenti metallizzati o rivestiti; struttura compatta, montaggio agevole; più sensibili alla contaminazione → richiedono buona tenuta e barriera d’aria/raschietti.
4) Logica di uscita incrementale vs. assoluta
- Incrementale: impulsi A/B in quadratura (sfasamento 90°); il verso è determinato dalla precedenza di fase; il riferimento Z compare una volta per corsa/giro.
- Assoluta: ogni posizione ha un codice univoco (binario/Gray); possono essere presenti diagnostica, temperatura e registri di stato.
Risoluzione lineare approssimata: Δx ≈ p / (N × M)
dove p = passo del reticolo, N = fattore di interpolazione analogica (es. 100×), M = moltiplicazione digitale (tipicamente 4×).
Risoluzione angolare equivalente (rotativo): θ_res = 360° / (numero di linee × 4).
Tassonomia (Taxonomy)
- Per tipo di moto: encoder ottico lineare / encoder ottico rotativo (codificatore rotativo)
- Per uscita: incrementale (TTL/HTL/RS422; 1 Vpp/11 µApp) / assoluta (SSI, BiSS-C, EnDat 2.2, parallela)
- Per implementazione ottica: trasmissione / riflessione; imaging / interferenziale; reticolo di ampiezza / di fase
- Per incapsulamento: aperto (alta dinamica, bassa frizione) / sigillato (IP65–IP67, resistente a aerosol d’olio e fluidi refrigeranti)
- Per corsa/substrato: vetro/ceramica (basso CTE), nastro d’acciaio (lunghe corse), reticoli riflettenti rivestiti, ecc.
Componenti chiave e catena del segnale (Signal Chain)
- Sorgente e ottica: LED/laser, collimazione/messa a fuoco → determinano uniformità d’illuminazione e deriva termica; consigliati invecchiamento controllato e anello chiuso di potenza.
- Reticolo/disco: passo
p, duty cycle e precisione di fase determinano purezza del segnale e SDE. - Matrice fotosensibile / AFE: multicanale con bilanciamento automatico di guadagno/offset/fase (equalizzazione ABC).
- ASIC di interpolazione/codifica: correzione ampiezza/fase, compensazione di ellitticità, filtraggio digitale e soppressione del jitter, codifica di protocollo e driver di linea.
- Livello fisico: RS422 differenziale, 1 Vpp/11 µApp; progettare terminazione, cablaggio (schermatura/messa a terra) e percorso di ritorno.
Uscite e interfacce (Outputs & Interfaces)
| Formato di uscita | Segnale tipico | Descrizione |
|---|---|---|
| Quadrata incrementale | A/B (+Z), TTL/HTL/RS422 | Contatori ad alta velocità PLC, anelli di velocità/posizione; per lunghe distanze preferire il differenziale |
| Seno/coseno | 1 Vpp, 11 µApp | Super-risoluzione via interpolazione; SDE e jitter dipendono dalla qualità della catena |
| Seriali assolute | SSI, BiSS-C, EnDat 2.2 | Valore assoluto mono/multigiro, registri di diagnostica/temperatura/allarme |
| Fieldbus | EtherCAT, PROFINET, CANopen | Sincronizzazione multi-asse, clock distribuiti, configurazione online |
Stima della banda passante (lineare): f_max ≈ (v / p) × edges
dove v = velocità lineare ed edges = fronti utili per periodo (es. 4× in quadratura).
Specifiche chiave (Key Specifications)
| Voce | Intervallo/descrizione tipica |
|---|---|
| Risoluzione | Lineare: 1 µm → 1 nm; Rotativa: ≤ 24 bit equivalenti |
| Accuratezza lineare | Ottica high-end: ±1–±3 µm/m; standard: ±3–±10 µm/m |
| Ripetibilità | ≤ ±0,1–±0,3 µm (lineare); per l’angolare anche sotto l’arcosecondo |
| SDE (errore di suddivisione) | Catena 1 Vpp di qualità: ±20–±80 nm |
| Jitter | Decine di nanometri; dipende da AFE e rumore di fase del clock |
| Errore di fase/duty | Fase A/B = 90° ± (1–5)°; duty 50% ± (2–10)% |
| Velocità ammissibile | Lineare > 1 m/s; rotativa fino a > 12.000 RPM (in base all’interfaccia) |
| Grado ambientale | Da IP40 (aperto) a IP67 (sigillato); prove IEC 60068-2 (vibrazione/urto) |
Installazione e fonti d’errore (Installation & Error Sources)
- Traferro e assetto (pitch/roll/yaw) fuori tolleranza → squilibrio di ampiezza e aumento dell’SDE.
- Errore di Abbe: braccio di leva × errore angolare; far passare la linea di misura dal centro di moto o compensare via software.
- Errore di coseno (piccoli angoli):
e ≈ (L × θ²) / 2. - Eccentricità/salto dell’asse (rotativo): introduce armoniche di ordine 1/2 nell’errore angolare.
- Dilatazione termica (CTE): basso per vetro/ceramica; il nastro d’acciaio richiede compensazione termica e vincolo flottante.
- EMC/messa a terra: terra a punto singolo, schermature corrette e percorso di ritorno controllato per evitare modo comune/anelli di massa.
Calibrazione e compensazione (Calibration & Compensation)
- Mappatura lineare: misurare la curva d’errore con interferometro laser/ballbar e caricarla nella LUT del controllore.
- Compensazione termica: correzione in tempo reale usando temperatura di regola/struttura e modello di CTE.
- Equalizzazione ampiezza/fase (ellitticità): auto-bilanciamento di offset, ampiezza e fase prima dell’interpolazione.
- Strategie di riferimento: marche di riferimento codificate in distanza riducono la corsa di homing e migliorano la ripetibilità.
Confronto con altre tecnologie (Comparisons)
| Tecnologia | Risoluzione/accuratezza | Resistenza a sporco/ambiente | Corsa tipica | Limiti principali |
|---|---|---|---|---|
| Encoder ottici | ★★★★★ | ★★★ | Media/lunga | Sensibili a contaminazione/condensa; requisiti d’installazione stringenti |
| Magnetici | ★★☆ | ★★★★ | Lunga | Linearità e SDE inferiori |
| Induttivi/Capacitivi | ★★★ | ★★★★ | Media | Sensibili a metalli vicini/correnti parassite o umidità |
| Resolver/Potenziometro | ★★ | ★★★★★/★ | Media/corta | Risoluzione inferiore o interfacce meno immediate |
Applicazioni (Applications)
Assi lineari e rotativi per CNC, CMM e piattaforme di misura; allineamento/esposizione/ispezione in semiconduttori; tavole di movimento di precisione; giunti robotici e monitoraggio del gioco in riduttori; apparecchiature di imaging/radioterapia; sincronizzazione in stampa e packaging; assemblaggio/ispezione elettronica e movimentazione ad alta velocità.
Manutenzione e troubleshooting (Maintenance & Troubleshooting)
- Routine: pulizia periodica (panno privo di pelucchi + solvente idoneo), rispetto del raggio minimo di curvatura cavi/schermatura, monitoraggio di temperatura-umidità e condensa.
- Sintomi comuni e contromisure:
- Perdita di impulsi/fronti: traferro fuori limite, schermatura sporca → regolare assetto/pulire/aggiungere tenute e barriera d’aria.
- SDE/jitter elevati: rumore in AFE/interpolazione, messa a terra scadente → ottimizzare alimentazione, cablaggio e terminazione.
- Guasto comunicazione assoluta: parametri o polarità SSI/BiSS/EnDat non coerenti → verificare lunghezza trama, CRC, temporizzazioni e impedenze.
- Errore angolare armonico (rotativo): eccentricità/salto → migliorare concentricità e rigidezza dei cuscinetti, applicare compensazione armonica.
Guida alla scelta (Selection Guide)
- Accuratezza/ripetibilità obiettivo (µm/m o arcosecondi) e dinamica di velocità.
- Principio ottico (trasmissione/riflessione; imaging/interferenziale) e passo del reticolo
p. - Interfaccia di uscita (A/B/Z, 1 Vpp, SSI/BiSS/EnDat, fieldbus) e larghezza di banda del controllo.
- Incapsulamento e ambiente (aperto/sigillato, grado IP, presenza di fluidi refrigeranti/polveri).
- Progetto meccanico/termico (tolleranze di traferro/assetto, CTE, vincolo flottante).
- Compensazioni/diagnostica (mappe d’errore, registri di temperatura/stato, allarmi online).
- Ciclo di vita (manutenibilità di testina/cavi, disponibilità ricambi, capacità di taratura).
Norme e riferimenti (Standards & References)
- IEC 60529:2020 (gradi di protezione IP)
- IEC 60068-2 (vibrazione/urto/temperatura-umidità)
- IEC 61000-6-2 / -6-4 (EMC industriale: immunità/emissione)
- ISO 230-2 / ISO 230-3 (prove di posizionamento e caratteristiche termiche delle macchine utensili)
- ISO 10360 (verifica delle CMM)
- ISO 14644 (requisiti per camere bianche)
Sintesi: La piena padronanza di principi, specifiche, interfacce e accorgimenti di installazione/compensazione degli encoder ottici consente un esercizio accurato, robusto, diagnosticabile e stabile nel lungo periodo anche in condizioni operative complesse.